CC BY
20ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННОГО ПОТЕНЦИАЛА НА КОРРОЗИОННУЮ УСТОЙЧИВОСТЬ ТРУБОПРОВОДНЫХ СТАЛЕЙ
Р.Р. Гарифулин.
3 Отряд федеральной противопожарной службы по Самарской области. М.А. Марченко, кандидат технических наук, доцент; В.В. Приймак.
Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России
Рассматривается влияние коррозионных процессов в технологическом оборудовании нефтегазовых комплексов на уровне пожарной и промышленной безопасности, а также приводятся экспериментальные данные по возможному применению переменного частотно-модулированного потенциала для противокоррозионной защиты в нефтегазовых комплексах.
Ключевые слова: металл, коррозия, потери, защита, нефтегазовый комплекс, переменно-частотно-модулированный потенциал, пожарная и промышленная безопасность
EXPERIMENTAL ESTIMATION OF THE EFFECT OF ALTERNATING FREQUENCY-MODULATED POTENTIAL ON CORROSION RESISTANCE OF PIPELINE STEELS
R.R. Garifulin. 3 Detachment of the federal fire service in the Samara region. M.A. Marchenko; V.V. Priymak.
Saint-Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia
The influence of corrosion processes in oil and gas process equipment systems at the level of fire and industrial safety, as well as experimental data on the possible use of alternating frequency-modulated potential for corrosion protection in the oil and gas complexes are considered.
Keywords: metal, corrosion, losses, defense, oil and gas, alternating frequency-modulated potential, fire and industrial safety
Значения показателей металлооборота основного технологического оборудования, находящегося на нефтеперерабатывающих предприятиях, превышает более 250 тыс. т. Доля производственных убытков на нефтегазовых комплексах происходит по причинам, связанным с негативными воздействиями коррозионных процессов на промышленное оборудование и участки трубопроводов. По имеющимся статистическим данным, только расходы на проведение капитального ремонта в среднем достигают 30-35 % от всех видов расходов, предназначенных для проведения профилактических и прочих ремонтно-наладочных работ [1].
Масса металлооборота (металлического фонда), применяемого в различных объектах, оборудовании и машинах, заключенного во всех вариациях конструкций, достигает показателей миллиардов тонн, причем ввиду развития технологического прогресса его масса постоянно растет. Одновременно с ростом количественного объема эксплуатируемого металла увеличиваются и безвозвратные потери металла от коррозионных процессов. Масштабы потерь металла при этом сравниваются с затраченными средствами, предназначенными для развития основных отраслей промышленности. По таксономическим
данным в области ущерба от коррозионных проявлений (на примере США), ущерб от коррозии в среднем приравнивался к 100 млрд долл. в год. 2/3 всего металла и сплавов на его основе, имеющегося в выходящих из строя конструкционных материалах, направляется в процесс металлооборота на переплавку, а остальная 1/3 (приблизительно 10-15 % ежегодно добываемого металла) уничтожается и входит в состав безвозвратных потерь. Поскольку весомая доля металлургических мощностей осуществляет свою работу в виде возмещения потерь от коррозионных негативных явлений, то можно полагать, что проводимые специальные защитные мероприятия, направленные на минимизацию безвозвратных потерь металла от коррозии, косвенно предрасполагают к общему увеличению объема металлооборота. Недаром в свое время академик ЯМ. Колотыркин называл проводимые мероприятия, касающиеся проблем по противодействию с коррозионными процессами, «невидимой металлургией» [2].
Современные технологии давно шагнули вперед в области создания новых конструкционных материалов. В нефтяной промышленности стали появляться трубопроводы, в которых основной конструкционный материал, такой как сталь, стал уходить
на второй план. Но не стоит забывать, что по количеству преобладают нефтебазы, возраст которых превышает 10 лет. На таких промышленных объектах в большинстве случаев применяются классические стальные конструкционные материалы [1].
Коррозионные процессы приводят не только к прямым, но также и косвенным расходам средств, которые ввиду определенных причин при сочетании ряда факторов значительно превышают уровень прямых. Косвенные убытки наиболее ярко отражаются в виде простоя технологических производственных линий, что влечет за собой общее снижение показателей производительности оборудования. Другую долю в группе расходов составляют потери, происходящие при масштабном разливе технологических опасных сред при авариях оборудования, связанных с поражающим действием коррозионных процессов. Разумеется, последствия от таких аварий отражаются на состоянии окружающей среды. Не стоит забывать, что помимо внешних факторов, влияющих на скорость течения коррозионных процессов, свою роль привносят и сами коррозионно-активные вещества, которые широко применяются в нефтегазовых комплексах [2].
Юридические последствия коррозионных прецедентов возможны и в других случаях. Связано это с тем, что многие технические объекты представляют потенциальную опасность [3], поэтому необходим контроль их работоспособности и общего состояния на всех стадиях жизненного цикла объекта [4] - от строительства до ликвидации в соответствии с Российскими нормативно-правовыми документами [5] (Федеральный закон от 21 июля 1997 г. № 116 «О промышленной безопасности опасных производственных объектов», Постановление Правительства Российской Федерации «О федеральном органе исполнительной власти, специально уполномоченном в области промышленной безопасности», в соответствии с которыми Госгортехнадзор России осуществляет нормативное регулирование). Прогнозирование коррозии металлов [6, 7] в таких объектах особенно важно при оценке остаточного ресурса стареющей аппаратуры химических и нефтехимических производств [6, 7]. Для удобства управления безопасностью и унификацией информации о техническом состоянии металлоконструкций используют понятие предельных состояний.
Коррозия как естественный непрерывный процесс осуществляется на границе контактирования с металлом [2]. Внешняя среда будет являться коррозионно-активной. При изучении любого коррозионного процесса необходимо понимать, каков его механизм протекания, и каким образом он начинает проявляться. Это означает, что должны быть рассмотрены термодинамические и кинетические параметры изучаемого явления. Вероятность возникновения коррозии и зависимость скорости протекания этого явления зависит от ряда факторов. Одни факторы напрямую связаны с природным составом и строением самого металла, которые активно проявляются при обработке металла
промышленных условиях. От режима термообработки, температурного диапазона и временного показателя получившийся металлический сплав может приобретать определенное техническое качество. Помимо самого типа и качества обработки, для достижения необходимых прочностных характеристик металлоконструкций необходимо осуществлять грамотное добавление нужных компонентов других видов металлов. Под действием температурных факторов в структуре поверхности металла происходит формирование слоев, которые постоянно находятся под действием внутренних напряжений. Эти напряжения связаны с внутренними процессами сжатия или растяжения. Сама поверхность металлоконструкций обрабатывается различными способами с применением механических инструментов. Соответственно, способ отделки поверхностной границы металла формирует его гладкость или шершавость. При этом качество обработки поверхности металла влияет на задерживании влаги на поверхности, что является прямой зависимостью к протеканию коррозионных процессов. В качестве классификационных признаков коррозии используют механизм коррозионного процесса, геометрические характеристики коррозионных разрушений, условия взаимодействия металла с коррозионной средой, характер дополнительных воздействий на корродирующий металл в процессе его взаимодействия с внешней средой и др. В зависимости от механизма процесса различают химическую, электрохимическую, биохимическую и некоторые другие виды коррозии. В процессе химической и электрохимической коррозии принимают участие электроны. В обоих этих процессах происходит окисление металлов.
Поскольку проблема коррозии и борьбы с ней имеет огромное значение в нефтегазовой промышленности, то обозначим основные способы защиты металлов от коррозии.
Основные способы, направленные на защиту металлоконструкций от негативных коррозионных процессов, подразделяются на группы:
- повышение защитных свойств металлических изделий путем добавления легирующих добавок;
- распыление/нанесение специальных защитных компонентов (металлических/ неметаллических), обладающих своими отличительными защитными свойствами;
- электрохимический способ защиты;
- изменение химических свойств в самой коррозионной среде.
Будем рассматривать электрохимический вид защиты. Его можно считать одним из наиболее эффективных и простых способов в области придания защитных свойств металлическим конструкциям от проявления коррозионной активности. Данный способ защиты основывается на снижении скорости течения катодных или анодных реакций процесса. При электрохимической защите происходит примыкание к нужной защищаемой конструкции металла специального протектора, у которого имеются более отрицательные показатели электродного потенциала, а также катодной и анодной поляризации путем воздействия тока извне. Катодная поляризация нашла свое широкое применение при проведении защитных мероприятиях от коррозионных процессов для подземных трубопроводов, кабелей и других видов оборудования. При катодной защите конструкция подключается к отрицательному полюсу внешнего источника тока. Положительный полюс источника замыкается на землю через специальную деталь - электрод, изготовленный из стали. При коррозионном процессе дополнительный электрод (анод) начинает растворяться, что приводит к появлению водорода на необходимом защищаемом сооружении (катоде). Катодами можно называть только те виды покрытий, чьи потенциалы в данной среде имеют больший положительный показатель, чем имеющийся потенциал у основного металла. В роли катода применяют такие металлы, как серебро и никель, но как показало время, наиболее практично и технологично оказалось покрытие (распыление) защищаемой железной конструкции оловом. Однако в местах, где покрытие хоть немного повреждается, при наличии влаги происходит электрохимическая коррозия металла.
Устройство защиты от электрохимической коррозии воздействием на водосодержащую агрессивную среду электрическим полем, состоящее из высоковольтного блока, разделительного трансформатора, блока модуляции переменного частотно-модулированного потенциала и блока контроля и индикации имеет отличительную особенность: электрод крепится с наружной стороны объекта защиты (то есть трубопровода) и не создает гидродинамическое сопротивление движущейся технической жидкости внутри объекта защиты, а минимизация скорости коррозии достигается путем увеличения значения водородного показателя рН среды и снижением его окислительно-восстановительного потенциала.
На рис. 1 отображена принципиальная схема самого прибора и его основной способ подключения к объекту защиты.
Рис. 1. Принципиальная схема прибора переменного частотно-модулированного потенциала
Для достижения результата на объект защиты осуществляется подача переменного частотно-модулированного потенциала (ПЧМП) с помощью электрического устройства, который воздействует на двойной электрический слой (ДЭС), образующийся на границе раздела фаз «жидкость (водосодержащая коррозионная среда) - твердое вещество (металлоконструкция объекта защиты)». С устройства, состоящего из высоковольтного блока 1, разделительного трансформатора 2; блока управления частотой модуляции ПЧМЧ 3 и блока контроля и индикации 4, ПЧМП подается на объект защиты 5. Причем электрод крепится с наружной стороны объекта защиты. Тем самым не создается гидродинамическое сопротивление движущейся жидкости внутри объекта защиты.
В результате воздействия ПЧМП на внутренней и внешней поверхностях объекта защиты образуется переменное электрическое поле заданной частоты и происходит изменение диэлектрической проницаемости ДЭС за счет переменной поляризации вещества на границе раздела фаз (рис. 2), увеличение значения водородного показателя рН среды и снижение окислительно-восстановительного потенциала (ОВП), что приводит к уменьшению скорости коррозии металла. Без воздействия ПЧМП диполи ДЭС находятся в статичном состоянии (рис. 2а). Под воздействием ПЧМП происходит постоянная переориентация диполей ДЭС в соответствии с направлением силовых линий переменного электрического поля (рис. 2б).
EI Е|»ез
а) б)
Рис. 2. Схема переменной поляризации вещества на границе раздела фаз
В ходе лабораторных испытаний полезной модели исследовалось её воздействие на дистиллированную воду с измерением рН и ОВП (табл. 1), которая затем использовалась в исследованиях макрофазы роста живых систем [8].
Таблица 1. Значения водородного показателя pH и ОВП дистиллированной воды
Без влияния ПЧМП При влиянии ПЧМП
pH ОВП, мВ pH ОВП, мВ
6,25 250 6,59 165
Как видно из табл. 1, результаты показывают на увеличение значения показателя рН на 5,44 %, а снижение ОВП достигло показателя в 34 %.
Результаты экспериментов по оценке влияния воздействия ПМЧП на скорость коррозии основного модельного конструкционного материала, применяемого в нефтегазовых комплексах (сталь марки Ст20) в различных средах [9], представлены в табл. 2. Эксперименты проводились согласно требованиям ГОСТ 9.908-85 ЕСЗКС. Металлы и сплавы. Методы по определению показателей коррозионной активности и стойкости коррозионным процессам проводились при помощи кафедры физики и теплотехники Санкт-Петербургского университета Государственной противопожарной службы МЧС России с применением установки учебно-научного комплекса «Nanoeducator II» и применением метода атомно-силовой микроскопии (АСМ) [10].
Таблица 2. Оценка убыли массы испытуемых образцов металлических пластин в различных
коррозионных средах
Убыль массы пластины вследствие коррозионных
Виды технологических сред испытаний (в течение двух недель), %
контрольные образцы при непосредственном воздействии ПМЧП
Сырая нефть 0,24 0,12
ТС-1 0,21 0,08
Бензин АИ-92 0,27 0,07
Раствор №С1 0,29 0,05
Раствор J- 0,51 0,11
Раствор №Вг 0,52 0,26
25 % раствор уксусной кислоты 1,99 1,02
50 % раствор уксусной кислоты 2,36 1,74
96 % раствор серной кислоты 29,39 12,94
Предложенное техническое оборудование с обоснованными экспериментальными результатами доказывает, что эксплуатация данного устройства действительно способна благотворно влиять на скорости снижения коррозионных процессов в трубопроводах НГК. Существенные отличия текстуры от контрольных и обработанных образцов вкупе с данными по убыли массы за двухнедельный период свидетельствуют о позитивности по снижению скорости коррозии от воздействия электрофизического метода в агрессивных химических средах.
Литература
1. Воробьев Ю.Л. Основы безопасности жизнедеятельности: учеб. М., 2GG9.
2. Андреев И.Н. Введение в коррозиологию: учеб. пособие. Казань: Изд-во Казанского гос. технол. ун-та, 2GG4. 140 с.
3. Маршал В. Основные опасности химических производств. М.: Мир, 1989. 6l2 с.
4. Эксплуатационная надежность объектов котлонадзора: справочное издание / П.А. Антикайн [и др.]. М.: Металлургия, 1985.
5. Герасимов В.В. Прогнозирование коррозии металлов. М.: Металлургия, 1989. 152 с.
6. Методика диагностирования технического состояния сосудов и аппаратов, отслуживших установленные сроки службы на предприятиях Минтопэнерго. М.: ЦЕНТРХИММАШ, 1992. 101 с.
l. Методика оценки ресурса остаточной работоспособности технологического оборудования нефтеперерабатывающих, нефтехимических и химических производств. Волгоград: ВНИКТИнефтехимоборудование, 1991.
8. Интенсификация питания растений нулевой макрофазы роста и развития минеральными соединениями углерода химическим и электрофизическим методами / О.В. Швецова [и др.] // Известия Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета). 2015. №. 28. С. 73-82.
9. Ивахнюк Г.К., Иванов А.В., Гарифулин Р.Р. Применение метода сканирующей зондовой микроскопии для исследования процессов коррозии в условиях воздействия переменного частотно-модулированного потенциала // Науч.-аналит. журн. «Вестник С.-Петерб. ун-та ГПС МЧС России». 2014. № 3. С. 12-19.
1G. Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. М.: РАН, Ин-т физики микроструктур, 2004.
References
1. Vorob'ev Yu.L. Osnovy bezopasnosti zhiznedeyatel'nosti: ucheb. M., 2GG9.
2. Andreev I.N. Vvedenie v korroziologiyu: ucheb. posobie. Kazan': Izd-vo Kazanskogo gos. tekhnol. un-ta, 2GG4. 14G s.
3. Marshal V. Osnovnye opasnosti himicheskih proizvodstv. M.: Mir, 1989. 6l2 s.
4. Ehkspluatacionnaya nadezhnost' ob"ektov kotlonadzora: spravochnoe izdanie / P.A. Antikajn [i dr.]. M.: Metallurgiya, 1985.
5. Gerasimov V.V. Prognozirovanie korrozii metallov. M.: Metallurgiya, 1989. 152 s.
6. Metodika diagnostirovaniya tekhnicheskogo sostoyaniya sosudov i apparatov, otsluzhivshih ustanovlennye sroki sluzhby na predpriyatiyah Mintopehnergo. M.: CENTRHIMMASH, 1992. 1G1 s.
l. Metodika ocenki resursa ostatochnoj rabotosposobnosti tekhnologicheskogo oborudovaniya neftepererabatyvayushchih, neftekhimicheskih i himicheskih proizvodstv. Volgograd: VNIKTIneftekhimoborudovanie, 1991.
8. Intensifikaciya pitaniya rastenij nulevoj makrofazy rosta i razvitiya mineral'nymi soedineniyami ugleroda himicheskim i ehlektrofizicheskim metodami / O.V. SHvecova [i dr.] // Izvestiya Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo tekhnologicheskogo instituta (tekhnicheskogo universiteta). 2015. №. 28. S. 73-82.
9. Ivahnyuk G.K., Ivanov A.V., Garifulin R.R. Primenenie metoda skaniruyushchej zondovoj mikroskopii dlya issledovaniya processov korrozii v usloviyah vozdejstviya peremennogo chastotno-modulirovannogo potenciala // Nauch.-analit. zhurn. «Vestnik S.-Peterb. un-ta GPS MCHS Rossii». 2014. № 3. S. 12-19.
10. Mironov V.L. Osnovy skaniruyushchej zondovoj mikroskopii. M.: RAN, In-t fiziki mikrostruktur, 2004.
