CC BY
136
УДК 620
DOI: 10.12737/2551
ИННОВАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТРУБОПРОВОДОВ ОТ КОРРОЗИОННОГО РАЗРУШЕНИЯ
Губанов Николай Николаевич, ст. преподаватель кафедры сервиса,
gubanov.nik@yandex.ru,
Иванов Владимир Александрович, доктор технических наук, профессор кафедры сервиса, vaivanov@land.ru,
Лукина Лилия Анатольевна, кандидат технических наук, доцент кафедры математики, lily-lu@mail.ru
ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса»,
Москва, Российская Федерация
Показаны эффективные методы защиты металлических трубопроводов от коррозионного разрушения, обеспечивающие повышение долговечности и надежности подземных коммуникаций.
Ключевые слова: коррозионные процессы, коррозионная эрозия, подземные коммуникации, концентрация кислорода.
Защита подземных металлических трубопроводов от коррозионного разрушения актуализируется тем, что работают они в условиях вне возможности постоянного доступа и контроля их текущего состояния. Поэтому данная процедура состоит из комплекса мероприятий по увеличению надежности и работоспособности в определенной среде, зависящей от назначения данных коммуникаций и конкретных условий работы. Часть этих мер реализуется еще на стадии проектирования трубопроводов, часть - в процессе изготовления и монтажа конструкций, а остальные мероприятия исполняются при эксплуатации. Однако коммунальные службы справляются с этими работами совершенно в незначительной степени: только канализационных сетей на территории г. Москвы проложено около семи тысяч километров, и это почти все старые трубопроводы, которые, по мнению специалистов, нуждаются в срочном ремонте. Не менее критическое состояние и на теплотрассах, еще более протяженных: почти десять тысяч километров, а статистический срок службы всего 7-12 лет. Протяженность городской водопроводной сети приближается к девяти тысячам километров, причем срок эксплуатации многих километров трубопроводов давно истек (по этой причине ежесуточно из столичной водопроводной сети в землю утекает до 40% транспортируемой воды). Это не только
удорожает эксплуатационные расходы, увеличивает энергетические затраты, но и существенно влияет на состояние грунтов. В свою очередь повышенная влажность почв, более высокая агрессивность (особенно утечек от канализационных стоков) активизируют темп коррозионного разрушения трубопроводов.
В результате этого выбор материалов трубопроводов коммунального хозяйства и их сочетаний для блоков и систем управления диктуется экономической и технической целесообразностью и должен, прежде всего, по своим эксплуатационным требованиям обеспечивать заданную коррозионную устойчивость. При агрессивных средах, как принято в любых случаях, углеродистые стали заменяются на легированные или защищаются поверхностным покрытием. Как видно из таблицы 1, стоимость труб мало зависит от их диаметра и толщины стенок, однако даже при использовании низколегированной стали 09Г2С их цена возрастает примерно на 10%.
Таблица 1 - Стоимость труб из различных материалов
№ п/п Изделие Диаметр Толщина стенки Материал сталь Цена
1. Труба горячедеформированная 60 4 20 43190
2. Труба горячедеформированная 60 5 10 43190
3. Труба горячедеформированная 60 4 09Г2С 48190
4. Труба горячедеформированная 159 10 10 42190
5. Труба горячедеформированная 159 6 09Г2С 48190
6. Труба горячедеформированная 159 6 20 42190
7. Труба горячедеформированная 159 6 09Г2С 48190
8. Трубы стальные водогазопроводные (ВГП) 60 4 46 990
9. Трубы ВГП оцинкованные 100 4 46 990
10. Трубы стальные водогазопроводные (ВГП) 100 4 46 990
11. трубы ВГП оцинкованные 100 4,5 47 990
Примечание:
1. Масса 1 м трубы ВГП подсчитана при плотности стали, равной 7,85 г/см3. Оцинкованные трубы тяжелее неоцинкованных на 3%.
2. Стальные трубы водогазопроводные обычной точности изготавливаются из сталей по ГОСТ 380 и ГОСТ 1050 без нормирования свойств механических и химического состава. Такие трубы черные, применяют для газопроводов, систем отопления, водопроводов.
3. Черные трубы ВГП стальные являются электросварными (с усиленным швом) [8].
При более высоком содержании легирующих элементов стоимость труб возрастает еще больше, поэтому при замене углеродистых труб на легированные будет происходить существенное удорожание трубопроводов. Кроме того, низкоуглеродистые стали лучше деформируются и свариваются. Это реализуется, когда проектировщик обязан предусматривать формы сопрягаемых частей трубопроводов, допускающих быструю очистку от грязи; не имеющих участков скопления влаги, что наряду с агрессивными веществами приводит к образованию коррозии.
Важным является также регулирование процессов и параметров внешней среды, это для различных разновидностей защиты подземных коммуникаций от коррозионных процессов принимает разные формы. Сюда относятся устройства для превентивного удаления или снижения концентрации веществ, инициирующих коррозионные процессы.
В работе [1] показаны результаты сравнительных испытаний коррозионных образцов без нагрузки, в состоянии напряжения в области перехода напряжений упругих оу в пластические - ат, при изгибающей нагрузке близкой к пределу текучести.
Диаграмма «деформация-напряжение», здесь сталь ведет себя как упруго-пластичный материал (рисунок 1).
о. МГ1а
Рисунок 1 - Диаграмма испытания стали на растяжение: ау - предел упругости; еу - упругая деформация; <Ут - предел текучести, ав - временное сопротивление; Яр - прочностной предел
Результаты испытаний приведены на рисунке 2, где показано, что предрасположенность к коррозии стали низкоуглеродистой в нормализованном и в деформированном состояниях достаточно близка, но деформация приводит к увеличению
скорости протекания коррозии (происходит потеря веса за трехмесячное коррозионное испытание образцов без деформации - 108 г./м2., деформированного - 129 г./м2.). Таким образом, сталь низкоуглеродистая (0,043% С) с ферритной структурой по величине годовой потери массы по ГОСТ 13819 относится к группе достаточно стойких сталей с баллом три по десятибалльной шкале коррозионной стойкости металлов. Это обусловлено малым углеродосодержанием в исследуемой стали и структурным равновесным состоянием после нормализации [2, 3].
0 1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Время коррозионных испытаний, сутки
Рисунок 2 - Влияние деформации при коррозионных испытаниях на потерю веса образцов из углеродистой стали
Исходя из полученных данных, следует условие: необходимо максимально снизить механические нагрузки в трубопроводах, в частности, за счет выбора их правильной геометрической формы и уменьшения концентраторов напряжений. С одной стороны, уменьшение технологических нагрузок также способно увеличить срок службы трубопроводов, но, с другой стороны, снижает эффективность этих сетей. Поэтому здесь надо учитывать такие факторы, как затраты на ремонт и замену трубопроводов, коэффициент их загрузки, вредное влияние на окружающую среду при возникновении протечек.
Скорость коррозионных процессов зависит от химического состава сталей [1-3]. Известно, что для трубопроводов в качестве основных материалов используются простые низколегированные и углеродистые стали. Главный фактор, от которого зависит коррозионная стойкость стальных труб, - степень их чистоты по включениям неметаллическим, а также содержанию углерода [5].
В работе [6] отмечено, что в сталях с углеродным содержанием 0,05^0,8% сохраняется единообразный характер диаграмм коррозионных процессов, т.е. коррозионная скорость от температуры отпуска характеризуется параболической зависимостью. При увеличении содержания углерода растет скорость коррозии при всех термообрабатывающих режимах. Максимум скорости для армко-железа - 0,06% С., от температуры отпуска - 250°С., смещается до 400^450 °С., для высокоуглеродистой и среднеуглеродистой сталей 0,60^0,8 %С (сталь 65, 70, У7-У8). Также известна положительная роль элементов микролегирующих (карбонитридообразующих) на уменьшение коррозионных процессов [6].
Как показывают исследования, даже незначительная добавка ниобия (0,05%) сдвигает чувствительность сплава к межкристаллитной коррозии при высоком содержании внедрения примесей (0,01^0,016 %). Для оценки влияния углерода в трубной стали выбирались несколько образцов труб с углеродным содержанием: 0,04%; 0,13%; 0,21%. Эти стали углеродистые обыкновенного качества, в которых содержание серы до 0,06%, фосфора до 0,07%, углерода - 0,06^0,49%, имеют ферритно-перлитную структуру в равновесном состоянии.
Углеродистые конструкционные стали качественные (ГОСТ 1050-74) содержат фосфора до 0,35 %, серы до 0,04 %, углерода - 0,05...0,6%, имеют цифровую маркировку 08, 10, 15, 20.... Данные стали характеризуются высокой свариваемостью и пластичностью, используются как без упрочняющей термообработки, так и после термообработки. Для трубопроводов этот момент не имеет особого значения, т. к. обычно для труб используются низкоуглеродистые стали, не упрочняемые закалкой.
При этом анализе влияния содержания углерода на коррозионную скорость были использованы лабораторные эксперименты, фактические результаты замеров толщины стенок труб после длительной эксплуатации. Данные результатов анализа скорости коррозии в зависимости от углеродного содержания в стали представлены на рисунке 3 и в таблице 2. Откуда следует, что увеличение содержания углерода в трубной стали в пределах 0,04% ^ 0,20%, увеличивает среднюю скорость коррозии практически в 2 раза (от 0,08 до 0,17 мм./год) [6].
Таблица 2 - Влияние углерода на коррозионную стойкость
Содержание углерода, % Срок эксплуатации, годы ^ мм Тконср, мм Усс, мм/год
0,04 - - - 0,08
0,13 22 7 4 0,14
0,21 21 7 3,5 0,17
Если коррозия сопровождается водородной деполяризацией, то комплементарно с температурой растет и скорость коррозии.
С одержан ие углерода, % С
Рисунок 3 - Влияние углерода на среднюю интенсивность коррозии
трубных сталей
В нейтральных растворах коррозионная стойкость сплава во многом зависит от концентрации кислорода, растворенного в агрессивной среде, который обеспечивает протекание катодной реакции.
Линейная зависимость наблюдается, пока не достигнется высокая концентрация кислорода, а затем начинает пассивироваться поверхность металла.
Кислородное содержание в коррозионной среде, зависит от концентрации и состава солей, условий перемешивании, температуры и других факторов, определяющих его растворимость в данной среде.
Увеличение углеродного содержания в сталях приводит к увеличению скорости коррозии, а это вызывает увеличение уровня кольцевых напряжений в стенке трубы за счет уменьшения толщины и отрицательно сказывается на развитии процессов деградации в металле [6]. Скорость коррозии не зависит от того, что находится в движении -коррозионная среда или металл. Скорость относительного движения влияет на коррозионные процессы, которые происходят с кислородной деполяризацией. При очень высоких скоростях протекает эрозия коррозионная, т.е. эрозионное и электрохимическое разрушение металла [7].
Для многофазных сплавов, представляющих механическую смесь (перлит), скорость коррозии зависит от отношения масс фаз, действующих в качестве анода и
катода, а также от их взаимного расположения. Если фазы распределены равномерно, а содержание компонента, выступающего в качестве анода, мала, то преобладает общая коррозия, которая замедляется с течением долгого времени. При неравномерном распределении анодной фазы протекает местная коррозия, при которой наблюдаются опасные и глубокие каверны. Мелкозернистая структура эвтектоидной и эвтектической смесей более благоприятна для коррозии и приводит к увеличению ее скорости. Для однофазных сплавов твердых растворов (феррит, аустенит) скорость коррозии изменяется скачкообразно, и зависимости от состава сплава не наблюдается.
При почвенной или атмосферной коррозии поверхностные слои поступающей влаги содержат большее количество кислорода, чем внутренние, следовательно, средняя часть влажного металла является более активной (анод), чем внешняя (катод). По завершении высыхания капли в ее центре появляется глубокое пятно ржавчины и при малой толщине образца (0,1^0,2мм) можно получить отверстие. Коррозионные пары могут появляться при действии внутренних и внешних механических напряжений (например, остаточных напряжений при сварке). Если стальную пластину сплава титана или дюраля изогнуть и в напряжённом состоянии погрузить в коррозионную среду, то на растянутом внешнем слое за относительно короткое время возникнут трещины, а внутренний слой останется без изменения. Растягивающие усилия крайне опасны, т.к. в этих случаях металл увеличивает свою активность.
Таким образом, главным фактором, от которого зависит коррозионная стойкость стальных труб, является степень их чистоты по неметаллическим включениям и содержанию углерода, а также необходимо максимально снизить механические нагрузки в трубопроводах, в частности, за счет выбора их правильной геометрической формы и уменьшения концентраторов напряжений. Уменьшение технологических нагрузок способно увеличить срок службы трубопроводов. Следует учитывать и такие факторы, как затраты на ремонт и замену трубопроводов, коэффициент загрузки, вредное влияние на окружающую среду при возникновении протечек.
Литература
1. Анализ влияния скорости коррозии на изменение конструктивной прочности труб тепловых сетей и установление кинетических зависимостей влияния этих изменений на уровень напряжений при рабочих и испытательных давлениях / В.Г. Плешивцев, Ю.А. Пак, М.В. Глухих, Г.А. Филиппов, О.Н. Чевская // Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение. - 2009. - №3.
2. Толманов, Н.Д., Чернова, Г.П. Коррозия и коррозионностойкие сплавы. - М.: Металлургия, 1973. - 231 с.
3. Сборник трудов Международного конгресса «Защита 98». - М., 1998. - 115 с.
4. Иванцов, О.М. Надежность строительных конструкций. - М., 1985. - 231 с.
5. Коррозионное растрескивание аустенитных и ферритоперлитных сталей / В.В. Сагадзе, Ю.Н. Филиппов, А.Ф. Матвиенко и др. - Екатеринбург, 2004.
6. Калмыков, В.В. Влияние углерода на коррозионное поведение термически упрочненного проката // Защита металлов. - 1987. - Т. 23, № 4. - С. 659-662.
7. Пашковский, И.Э. Теоретические и прикладные основы технологического обеспечения защиты от наводороживания поверхностных слоев деталей бытовых машин: дис. ... д-ра техн. наук. - М., 2004.
8. Склад металла. Оптовые продажи металлопроката. [Электронный ресурс]: URL: http://www.skladmetalla.ru// (дата обращения: 15.09.2013).
9. Иванов, В. А., Гараз, Т. В., Усенбеков, Ж. Анализ дискретных переменных при выборе материала оснастки прессов // Электротехнические и информационные комплексы и системы. - 2010. - Т. 6. №2 - С. 37-41.
INNOVATIVE METHODS OF METAL CONDUIT CORROSION PROTECTION
Gubanov Nikolai Nikolaevich, Senior Lecturer at the Department of Service, Russian State University of Tourism and Service, Moscow, Russia, gubanov.nik@yandex.ru,
Ivanov Vladimir Aleksandrovich, Doctor of Engineering, Professor at the Department of Service, Russian State University of Tourism and Service, Moscow, Russia, vaivanov@land.ru,
Lukina Liliia Anatol'evna, Candidate of Engineering, Associate Professor at the Department of
Mathematics, Russian State University of Tourism and Service, Moscow, Russia,
lily-lu@mail.ru
The article dwells on the effective methods of metal conduit corrosion protection which ensure improved longevity and reliability of underground utility systems.
Key words: corrosive process, underground utility systems, oxygen concentration.
References
1. Pleshivtsev, V.G., Pak, Iu.A., Glukhikh, M.V., Filippov, G.A., & Chevskaia, O.N. Analiz vliianiia skorosti korrozii na izmenenie konstruktivnoi prochnosti trub teplovykh setei i ustanovlenie kineticheskikh zavisimostei vliianiia etikh izmenenii na uroven' napriazhenii pri rabochikh i ispytatel'nykh davleniiakh [An analysis of the impact of corrosion rate on the change in the structural strength of the heating system conduits and an evaluation of the kinetic
CTp. 85 H3 210
correlations between the impact of the change on the volume level at operating and test pressures]. Vodoochistka. Vodopodgotovka. Vodosnabzhenie [Water treatment. Water conditioning. Water supply].- 2009. - №3.
2. Tolmanov, N.D., & Chernova, G.P. Korroziia i korrozionnostoikie splavy [Corrosion and corrosion-resistant alloys]. Moscow: Metallurgiia Publ., 1973. - p.231.
3. Sbornik trudov Mezhdunarodnogo kongressa "Zashchita 98" [A Collection of works: International congress 'Protection 98']. Moscow, 1998. - p.115.
4. Ivantsov, O.M. Nadezhnost' stroitel'nykh konstruktsii [Structural Unit Reliability]. Moscow, 1985. - 231 c.
5. Sagadze, V.V., Filippov, Iu.N., Matvienko, A.F. Korrozionnoe rastreskivanie austenitnykh i ferritoperlitnykh stalei [Stress Corrosion of Austenite and Hypopearlitic Steels]. Ekaterinburg,2004.
6. Kalmykov, V.V. Vliianie ugleroda na korroziinoe povedenie termicheski uprochnennogo prokata [Carbon-impact-related heat-compacted mill product corrosion behavior]. Zashchita metallov [Protection of metals].- 1987. - Vol. 23, № 4. - pp. 659-662.
7. Pashkovskii, I.E. Teoreticheskie i prikladnye osnovy tekhnologicheskogo obespecheniia zashchity ot navodorozhivaniia poverkhnostnykh sloev detalei bytovykh vashin [Theoretical and practical basics of engineering prevention of surface layer hydrogenation in utility devices units]. Dissertatsiia doktora tekhnicheskikh nauk [A doctoral thesis], Moscow, 2004.
8. Sklad metalla. Optovye prodazhi metalloprokata. [Metal centre. Mill Product wholesales]. Available at URL: http://www.skladmetalla.ru// (Accessed on September, 15, 2013).
9. Ivanov, V.A., Garaz, T.V., & Usenbekov, Zh. Analiz diskretnykh peremennykh pri vybore materiala osnastki pressov [Analysing discrete variables for the purpose of press arming material selection]. Eletrotekhnicheskie i informatsionnye kompleksy i sistemy [Electrotechnical and information complexes and systems]. - 2010. - Vol. 6. №2 - pp. 37-41.
