Инновационные методы идентификации коррозионных повреждений подземных трубопроводов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 699.15:539.56; 669.788

Л.А. Голдобина, доктор техн. наук

Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики

В.П. Гусев, канд. техн. наук

Московский институт инженеров транспорта (Ярославский филиал)

П.С. Орлов, канд. техн. наук

Ярославская государственная сельскохозяйственная академия

ИННОВАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ИДЕНТИФИКАЦИИ КОРРОЗИОННЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ ПОДЗЕМНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

По протяженности подземных трубопроводов (более 17 млн км) для транспортировки нефтепродуктов, газа, воды и сточных вод Россия занимает одно из первых мест в мире. Аварийность на трубопроводах с каждым годом растет, так как они изношены на 50...70 %. Утечки из трубопроводов приносят стране огромный экономический и экологический ущерб. В результате утечек воды из канализационных, тепловых и водопроводных сетей повышается уровень грунтовых вод, затапливаются подвалы зданий и сооружений, вымывается грунт с образованием провалов и просадок грунта, подмываются фундаменты, что грозит обрушением зданий. Убытки, вызываемые гидроударами и коррозией, достигают сотен миллиардов долларов, а потери металла от коррозии — около 50 тыс. т стали в год. Последнее десятилетие для восстановления поврежденных коррозией трубопроводов внедряется вставка полиэтиленового чулка внутрь трубы, но это неприемлемо для стальных водоводов малых диаметров, которые в основном эксплуатируют сельские предприятия. Одновременно идет активная замена стальных трубопроводов на пластмассовые, но это также не затронуло большинство сельских товаропроизводителей.

Визуальное обследование извлеченных из грунта в точках дренажа станций катодной защиты трубопроводов с пленочной гидроизоляцией выявило отслоения пленочного гидроизоляционного покрытия 1 по нижней образующей труб 2 в зоне нахлестов гидроизоляционной ленты на предыдущий виток с образованием гофра 1 (рис. 1) со стрелой провиса до 75 мм. «Пазухи» между гидроизоляцией и стенкой трубы забиты грунтом, проникшим через нарушения сплошности гидроизоляционного гофра 1. На боковых поверхностях труб в большинстве случаев наблюдаются многочисленные локальные отслоения пленочного покрытия 3 от стенки трубы, заполненные электролитом 4 — грунтовыми водами (если отсутствуют механические повреждения гидроизоляционной ленты и не нарушена герметичность нахлестов). Под снятым пленочным покрытием в изолированных от грунта «карманах» чаще всего обнаруживаются локальные кор-

розионные повреждения стенки трубы 5 на глубину 3.6 мм.

Коррозионные повреждения трубопровода непосредственно в точке дренажа станции катодной защиты — уникальное на первый взгляд явление именно потому, что после наложения защитного потенциала станцией катодной защиты (в случае повреждения гидроизоляции) происходит поляризация поверхности стальной трубы, контактирующей с увлажненным грунтом или проникшей под защитное гидроизоляционное покрытие влагой. Высокий суммарный защитный потенциал (1,5.2 В м.с.э. на расстоянии до полутора километров от точки дренажа) приводит к созданию высокого поляризационного потенциала в тяжелых влажных грунтах, достигающего значения Еп = —1,2 В м.с.э. Поляризация поверхности трубы сдвигает электрохимическую реакцию

Fe о- Fe2+ + е

(1)

влево, а отсутствие на поверхности трубы окислов и гидроокислов железа способствует протеканию реакции

Н

1+

е = НТ,

(2)

что приводит к проникновению атомарного водорода в сталь и к разблагороживанию (понижению) электродного потенциала железа.

Объяснение причин возникновения коррозионных процессов трубной стали даже в точках дренажа станций катодной защиты возможно толь-

Рис. 1. Отслоение пленочной гидроизоляции

Вестник ФГОУ ВПО МГАУ № 2'2011 ------------------------------------------ 83

2

Тиристорная катодная станция

ПК

Едл

Рис. 2. Режим работы тиристорной катодной станции

і

0

і

З

П

КОРР

ко после уяснения режима работы импульсных тиристорных станций катодной защиты (рис. 2). Формально защищенный действующим значением защитного потенциала иД трубопровод в паузах между защитными импульсами остается свободным от защитного действия тока катодной защиты. В непосредственной близости от мест повреждения (рис. 1) поверхность трубы 1 эффективно аэрируется воздухом, имеющимся в грунте. В результате на поверхности трубопровода 2 появляются участки металла, адсорбция водорода которыми и их поляризация затруднена из-за наличия значительного количества кислорода и азота воздуха. В непосредственной близости от зон мощных локальных повреждений гидроизоляции существуют зоны отслоения пленочного покрытия 3, заполненные грунтовыми водами 4, доступ кислорода в которые затруднен.

Амплитуда защитного импульса иЗИ тиристорной катодной станции значительно превышает защитный потенциал фП подземного стального сооружения. В эти моменты (рис. 2) катодная станция работает в режиме переза-щиты, что приводит к разложению электролита — грунтовой воды с выделением атомарного водорода (2), приводящего к отслоению пленочной гидроизоляции [1]. Катодная поляризация защелачивает прикатодный слой электролита. На поверхностях с мощным локальным повреждением гидроизоляции 1 (рис. 1) из-за открытости системы рН прика-тодного слоя быстро восстанавливается до рН ~ 7. В местах незначительного отслоения гидроизоляции 4, где сообщение с окружающей средой затруднено, рН длительно сохраняет высокие значения: рН = (9.12) и на поверхности трубы появляются участки с разной концентрацией протонов в электролите. В результате начинает функционировать концентрационный гальванический элемент, эдс которого определяет уравнение Нернста:

Е(КОРР) = —0,

0592[ДрН + 1е(са/ск)], (3)

где сА и сК — концентрация адсорбированного водорода: высокодисперсными отложениями анодных зон и хорошо аэрируемых поверхностей катодных зон в местах мощного локального нарушения пленочной гидроизоляции.

Расходные материалы гальванического элемента дифференциальной наводороженности — водо-

84

род и железо трубы, так как разность потенциалов сдвигает все окислительные процессы вправо [2].

При подаче защитных импульсов вначале с поверхности трубы удаляется плотная магнетитовая пленка, препятствующая проникновению водорода в металл трубы [3] и протеканию коррозионных процессов [4]:

Fe3O4 + 2Н20 = +2FeO(OH). (4)

Магнетит характеризуется пониженной электрохимической активностью и на его удаление уходит до пяти лет. Образующиеся в процессе реакции (4) метагидрооксид железа III и Fe(OH)2 почти полностью теряются нижней образующей трубы, выпадая на дно гофра 1 (рис. 1). Унос продуктов реакции 5 с боковых поверхностей трубы затруднен, и они скапливаются под местными отслоениями гидроизоляции 3, контактируя с поверхностью трубы 2. Катодная поляризация трубопровода ведет к восстановлению продуктов коррозии до металлического железа по схеме:

FeO(OH) ^ Fe(OH)2 ^ (ОТе02)1- ^ Fe. (5)

При отсутствии окислов или их гидратов восстанавливаются протоны электролита и поверхность металла покрывается атомарным водородом (2). В паузах между импульсами на анодных (сильно

наводороженных) участках одновременно с окислением водорода происходит разрушение стали:

Fe + Н20 = FeO + 2НТ, (6)

Fe + 2Н20 = Fe(OН)2 + 2НТ. (7)

Последняя реакция протекает при повышенной щелочности, эдс вторичного химического элемента дифференциальной наводороженности [5] равна разности потенциалов катодных Епк и анодных Епа участков трубы (рис. 2):

Е(КОРР) = Епк — Епа. (8)

Токообразующий процесс в паузах между защитными импульсами на железных электродах химического элемента дифференциальной наводоро-женности определяется одной и той же реакцией, идущей в разных направлениях [2]:

0,5Н2 = Н1+ + e, Ер- = -0,00 В (анод),

Н1+ + е = 0,5Н2, Ер+ = 0,00 В (катод).

Эдс Е(КОРР) между катодными и анодными участками поверхности стального трубопровода с пленочной гидроизоляцией достигает Е(КОРР) = 0,487 В.

При подаче отрицательного защитного импульса на трубу электрохимический элемент в среде с высокой щелочностью работает в режиме близком к режиму заряда железного аккумулятора. Кроме реакций (4)-(5) может идти реакция восстановления окиси железа:

ч1-

+ Fe.

(9).

0

2e + FeО + 2Н2О = 2(ОН)1

В результате наряду с окислением железа происходит и интенсивное его восстановление при поступлении на трубу защитных импульсов. Мелкодисперсные отложения, вследствие огромной удельной поверхности, более реакционноспособны и вступают в реакции в первую очередь, что несколько снижает скорость разрушения основного металла. Поэтому в местах непосредственного коррозионного разрушения практически отсутствуют продукты коррозии: обнаруживается только легко снимающийся слой черного цвета — механическая смесь дисперсного железа с примесью окиси железа FeO и трехосновного метагидрооксида железа FeO(OH) совместно с незначительным количеством Fe(ОН)2.

Так как продукты восстановления железа в щелочной среде не являются такими же подвижными, как ионы железа в кислых растворах, извлеченный из основного металла в процессе коррозии атом железа восстанавливается только в месте образования гидрата в мелкодисперсном состоянии.

Знание состояния поверхности трубы позволит осуществлять проведение профилактических мероприятий, предотвращающих разрывы трубопроводов, сопровождающихся экономическими потерями и, как правило, травматизмом. Одним из эффективных методов диагностики металла труб, кроме визуального осмотра, являются внутритрубная ультразвуковая и магнитная дефектоскопия, но проведение ее невозможно на сельских трубопроводах малых диаметров.

Теоретический анализ проблемы коррозии катодно-защищенного подземного трубопровода с пленочной гидроизоляцией показал, что потенциал поверхности трубы дает информацию о коррозионных процессах на поверхности трубопровода. Натурные измерения потенциалов труб, проведенных на системе трубопроводов, позволили выявить «воронки провалов» на кривых поляризационных потенциалов амплитудой

0,2...0,4 В (рис. 3) даже в непосредственной близости от станций катодной защиты на расстоянии до 100.150 м от точек дренажа, где трубопроводы уверенно защищены катодной защитой [1, 2]. Наличие «воронок провалов» поляризационных потенциалов предполагает наличие механических повреждений гидроизоляционного покрытия в тех местах, где измерения показывают наличие их пиковых значений на кривых поляризационных потенциалов и коррозионных повреждений стенок газопроводов по краям «воронок провалов» поляризационных потенциалов.

Для оценки глубины коррозионного поражения бКОРР мм стенки трубы действующего газопровода, срок службы которого ТГ превышает 5 лет, предложено эмпирическое выражение [6]:

§корр = 2 • (Тг - 5)^КОРР! 1ма^; (10)

1 Д(СР)

Е(КОРР)

где —----- — градиент потенциалов между вершиной

АЬ

и основанием «воронки провала» 4 на участке 3 кривой поляризационных потенциалов В/м; /МАХ и /д(СР) — мак-

I

симально возможный паспортный ток станции катодной защиты и средний действующий ток станции за период эксплуатации А.

Площадь S, мм2, повреждения гидроизоляционного покрытия по определяют формуле

S = 40000Е(КОРР), (11)

АЬ

где ДЬ — половина протяженности катодной зоны.

Для повышения оперативности и уменьшения влияния гетерогенности грунта измерения следует вести на участках длиной до 100 м.

Поляризационный потенциал относительно нормального водородного электрода (н.в.э.) трубопровода на станции № N определяют из выражения [7]:

ЕПЫ = Аи1 + X А^1 - иЭС,

п=2

где Е^ — поляризационный потенциал трубы на станции измерения № N Ди1 — разность потенциалов труба-земля на первой станции измерения между телом трубы и неполяризующимся электродом сравнения; ЛЭС — потенциал неполяризующегося электрода сравнения; Дип — разность потенциалов между электродами сравнения на каждой из станций измерения от станции номер п = 2 до станции номер п = N.

Выводы

Выполненные исследования отмечают влияние пленочного гидроизоляционного покрытия на создание условий коррозионного разрушения металла подземных трубопроводов с тиристорной катодной защитой. Отмечено положительное воздействие магнетитовой пленки на поверхности металла, препятствующей протеканию коррозионных процессов и наводороживанию ста-

ли. Предложен бесконтактный метод идентификации дефектов пленочной гидроизоляции и коррозионных повреждений металла катоднозащищенных подземных трубопроводов любого диаметра, позволяющий своевременно осуществлять проведение профилактических мероприятий, предотвращающих аварии на трубопроводах и снижающих риск травматизма и экономических потерь.

Список литературы

1. Орлов, П.С. Причины коррозионного разрушения катодно-защищенных подземных газопроводов с пленочной гидроизоляцией / П.С. Орлов // Труды Международного форума по проблемам науки, техники и образования. — М.: Изд-во РАН, 2006. — С. 99-101.

2. Орлов, П.С. Электрохимические процессы на наружных поверхностях стальных труб катоднозащищенных подземных газопроводов / П.С. Орлов // Электронная обработка материалов (АН Молдовы). — 2008. — № 1 (249). — С. 29-34.

3. Можайский, М. Отпуск изнутри / М. Можайский // Изобретатель и рационализатор. — 1987. — № 11. — С. 23.

4. Варыпаев, В.Н. Химические источники тока //

B.Н Варыпаев, М.А. Дасоян, В.А. Никольский. — М.: Высшая школа, 1990. — С. 123-178.

5. Элемент дифференциальной наводороженности / Л.Н. Петров [и др.] // Защита металлов. — 1990. — № 2. —

C. 296-299.

6. Пат. 2319139 РФ. Способ определения дефектов гидроизоляционного покрытия и и коррозионных повреждений наружных поверхностей наружных поверхностей наземных и подводных трубопроводов / П.С. Орлов, В.П. Гусев, Л.А. Голдобина. — G01N 21/26; заявл. 24.03.2006, опубл. 10.03.2008, Бюл. № 7. — С. 819.

7. Пат. 2353941 РФ. Способ измерения поляризационного потенциала металлических подземных сооружений / П.С. Орлов, В.П. Гусев, Л.А. Голдобина. — G01N И27/20; заявл. 26.10.2006, опубл. 27.04.2009, Бюл. № 12. —

С. 979.

УДК 629.113.004.62:65.011.46 И.Д. Бала

Ю.В. Дзюба, канд. техн. наук

Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина

ЗАВИСИМОСТИ ПОКАЗАТЕЛЕЙ БЕЗОТКАЗНОСТИ ОТ СРОКА СЛУЖБЫ ОБРАЗЦОВ АВТОМОБИЛЬНОГО ТРАНСПОРТА СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

Для оценки безотказности образцов автомобильного транспорта (АТ) разработан достаточно обширный комплекс показателей [1-3]. Выбор показателя обусловлен спецификой объекта. Существует специфика использования в сельском хозяйстве автомобилей. Периоды длительного нахо-

ждения автомобилей в режиме кратковременного хранения (ожидания использования) чередуются с кратковременными периодами интенсивного применения (в период посадки культур и особенно во время сбора урожая), поэтому важно придать форму показателя использования времени [1]: