Определение скорости коррозии материала марки "Сталь 3" в паровоздушной среде топочного мазута М-100 Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

ПОЖАРНАЯ И ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ (ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ) FIRE AND INDUSTRIAL SAFETY (TECHNICAL)

УДК 614.835.3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ КОРРОЗИИ МАТЕРИАЛА МАРКИ «СТАЛЬ 3» В ПАРОВОЗДУШНОЙ СРЕДЕ ТОПОЧНОГО МАЗУТА М-100

А. Г. АЗОВЦЕВ, С. А. СЫРБУ, Н. А. ТАРАТАНОВ

ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново E-mail: [email protected], [email protected], [email protected]

В статье приводятся данные о скорости сероводородной коррозии в паровоздушной среде резервуаров вертикальных стальных для хранения топочного мазута М-100, полученные на экспериментальной установке при содержании сероводорода от 0,02 до 0,5 % об. Представлены данные о возможной скорости роста пирофорных отложений на поверхности стенок резервуаров вертикальных стальных для хранения топочного мазута М-100. Данные обрабатывались с помощью утвержденных методик в области единой системы защиты от коррозии и старения, для удобства и большей показательности применялся глубинный показатель коррозии. Результаты эксперимента показывают, что со временем скорость коррозии увеличивается.

Ключевые слова: коррозия, нефтегазовая отрасль, пирофорные отложения, топочный мазут, сероводород.

DETERMINATION OF THE CORROSION RATE OF MATERIAL OF THE STEEL 3 BRAND IN THE AIR-STEAMED ENVIRONMENT OF THE M-100 HEATING OIL

A. G. AZOVTSEV, S. A. SYRBU, N. A. TARATANOV

Federal State Educational Institution of Higher Education «Ivanovo Fire and Rescue Academy of the State Fire Service of the Ministry of the Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters», Russian Federation, Ivanovo E-mail: [email protected], [email protected]

The article presents data on the rate of hydrogen sulfide corrosion in the vapor-air medium of vertical steel tanks for storage of fuel oil M-100, obtained on an experimental setup with hydrogen sulfide content from 283 до 7070 mg/m3. The data on the possible growth rate of pyrophoric deposits on the surface of the walls of vertical steel tanks for the storage of fuel oil M-100 are presented. The data were processed using approved methods in the field of a unified system of protection against corrosion and aging, for convenience and greater exponency, a deep corrosion indicator was used. The experimental results show that the corrosion rate increases overtime.

Key words: corrosion, oil and gas industry, pyrophoric deposits, fuel oil, hydrogen sulfide.

Коррозия на объектах нефтегазовой отрасли является одной из статей, для борьбы с которой ежегодно выделяется порядка 5-10% валового национального продукта про-мышленно развитых стран [1].

Помимо коррозии металла, в частности стали, из которой изготовлены резервуары вертикальные стальные (далее - РВС) для хранения нефти и нефтепродуктов, на внутренней поверхности резервуаров образуются пирофорные отложения.

© Азовцев А. Г., Сырбу С. А., Таратанов Н. А., 2019

Пирофорные отложения при контакте с кислородом воздуха начинают активно окисляться с выделением большого количества тепла, в результате чего при достижении температуры самовоспламенения серы, которая входит в состав пирофорных отложений, происходит последующее воспламенение паровоздушного пространства внутри РВС. Одним из таких событий являлся пожар, который произошел 28.04.2016 на Гремихинском месторождении. Там произошел взрыв паровоздушной смеси внутри РВС со срывом крыши из-за самовозгорания пирофорных отложений.

В период с 2000 по 2017 гг. по причине самовозгорания пирофорных отложений произошло 17 пожаров, что говорит о том, что практически каждый год происходит один пожар. При этом материальный ущерб от таких пожаров часто превышает миллионы рублей.

В состав пирофорных отложений входят сульфиды, полисульфиды, оксиды железа, элементарная сера [2, 3]. Пирофорные отложения образуются в результате взаимодействия сероводорода и других сернистых соединений с железом, которое является основным компонентом стали - материала для изготовления РВС. В работе авторов [3] было представлено, что примерно за 2 года эксплуатации РВС рост пирофорных отложений составил ~33-35 мм, при этом также было рассчитано, что скорость роста пирофорных отложений может составить ~30 мм/год. Следует отметить, что толщина стенки верхнего пояса РВС-5000 составляет 6 мм.

Учитывая то, что в работах [2-4] было показано, что при толщине пирофорных отложений более 5 мм выделение теплоты в их толще больше, чем отдачи тепла, можно предположить, что пожароопасная толщина указанных отложений может быть достигнута за 2 месяца.

Поэтому задача определения скорости коррозии материала, из которого изготавливают РВС для хранения определенного вида нефтепродуктов, не теряет своей актуальности. Заметим также, что процесс сероводородной коррозии наиболее активно протекает в паровоздушной среде внутри резервуара.

Некоторые исследования [5] показывают изменчивость скорости коррозии со временем. Скорость коррозии может как снижаться, так и увеличиваться. Это обосновывается образованием сначала плотного макиновитового слоя, но при его дальнейшем разрушении, продукты коррозии обладают стимулирующим влиянием. При исследовании скорости коррозии стали СтЗ во времени при соприкосновении металла в присутствии сероводорода одновременно с водной и углеводородной фазой

скорость коррозии в первые 400 часов снизилась в 2 раза, после увеличилась более чем в 3 раза. При исследовании зависимость скорости коррозии стали СтЗ во времени при соприкосновении металла в присутствии сероводорода отдельно с углеводородной фазой спустя 600 часов произошло увеличение скорости коррозии более чем в 6 раз.

В качестве объекта исследования скорости коррозии нами был выбран РВС для хранения топочного мазута М-100. Материалом для изготовления, указанных выше РВС, служит Сталь 3. РВС из Стали 3 для хранения топочного мазута М-100 используют, например, предприятия компании «Лукойл». Исходя из вышесказанного, нами была создана экспериментальная установка для моделирования условий образования пирофорных отложений в паровоздушной среде внутри РВС (далее - Установка), принципиальная схема которой представлена на рис. 1.

Для определения скорости коррозии на незащищенной стали для дальнейшего сравнения защитных составов были изготовлены образцы марки Сталь 3 размерами 100x40x4 мм. Поверхность образцов предварительно была подвергнута механической обработке наждачной бумагой с размерами зерен SiC 80, 100, 150 последовательно; промыта дистиллированной водой, высушена и обезжирена Растворителем универсальным №1. Подготовленные образцы помещались в Установку и экспонировались в течение определенного времени. Образцы периодически вынимались (после 408, 1848 и 2400 ч) и взвешивались на аналитических весах с точностью ± 10"4 г. Исследование образцов было осуществлено при различных концентрациях сероводорода (0,02, 0,2 и 0,5 % об).

Исследование скорости коррозии осуществлялось в соответствии с методикой, утвержденной ГОСТ 9.908-851 и ГОСТ 9.506872.

Потеря массы на единицу площади поверхности Дт, кг/м2, определяется по формуле (1) [5]:

Am =

mn -m.

(1)

ГОСТ 9.908-85 Единая система защиты от коррозии и старения (ЕСЗКС). Металлы и сплавы. Методы определения показателей коррозии и коррозионной стойкости.

2ГОСТ 9.506-87 Единая система защиты от коррозии и старения (ЕСЗКС). Ингибиторы коррозии металлов в водно-нефтяных средах. Методы определения защитной способности.

где; т0- масса образца до испытаний, кг; т1 - масса образца после испытаний и удаления продуктов коррозии, кг; 5- площадь поверхности образца, м2.

Изменение размеров образца Д1_ определяется, как правило, прямыми изменениями. Однако в нашем случае использовался плоский образец, и данный показатель высчитыва-ется по формуле (2):

\т

— (2)

Р

Для удобства пользовались глубинным показателем коррозии П, который определялся по формуле (4):

п=и-

Р

где: р - плотность, г/см ;

(4)

AL =

лг • ч

где: р - плотность, кг/м".

Скорость равномерной коррозии V, г/(м2 ч) определяется по формуле (3) [6]:

о -

Am

~sl

(3)

V- скорость равномерной коррозии,

В результате экспонирования образцов в Установке в течение 408, 1848 и 2400 ч соответственно были получены следующие данные об изменении их массы при различной концентрации сероводорода в газовой среде (таблица). Погрешность составила ±0,03 г/(м2 ч).

Изменение скорости равномерной коррозии при данных, представленных в таблице, показано на рис. 2.

где: Дт - масса убыли (прибыли), г; Б - площадь поверхности образца, м2; I - время экспонирования, ч.

Рис. 1. Принципиальная схема установки для моделирования условий образования пирофорных отложений в паровоздушной среде внутри РВС: 1 - корпус; 2 - образец; 3 - емкость и нефтью или нефтепродуктом; 4 - нефть (нефтепродукт); 5 - газоотводная трубка; 6 - вентиль; 7 - баллон с сероводородом

Таблица. Масса образцов при экспонировании в Установке

Время экспонирования, ч Номер образца Масса образца, г, при концентрации сероводорода, % об

0.02 0.2 0.5

0 1 119,9799 120,3017 120,1448

2 121,1628 121,4846 121,3277

3 119,219 119,5408 119,3839

408 1 119,9924 120,3142 120,1573

2 121,1754 121,4972 121,3403

3 119,2332 119,555 119,3981

1848 1 120,0694 120,3912 120,2343

2 121,2819 121,6037 121,4468

3 119,2975 119,6193 119,4624

2400 1 120,0902 120,412 120,2551

2 121,3145 121,6363 121,4794

3 119,3425 119,6643 119,5074

:т

C\l

О О

о. о.

о

0

1

о.

ф

0

1

m тс о.

о о о.

о

s;

О

0,8 0,7 0,6 0,5 0,4

0,2

0,1

---1 i

g-wr

20

0,02 % об.

40 60

Время,дней

-■-0,2 % об.

80

0,5 % об.

100

Рис. 2. Изменение скорости равномерной коррозии

Список литературы

1. Popoola L.T., Grema A.S., Latinwo G.К., Gutti В. and Balogun A.S. Corrosion problems during oil and gas production and its mitigation. International Journar of Industrial Chemistry a SpringerOpen Journal, 2013, vol. 4, p. 15.

2. Коррозионные пирофорные отложения как промотеры самовозгорания резервуаров с сернистой нефтью / Ю.А. Бейлин [и др.] // Защита металлов. 2007. Т. 43. №3. С. 290-295.

3. Бояров А.Н. Механизм формирования и защита от самовозгорания пирофорных отложений в вертикальных резервуарах: дис.... канд. техн. наук: 05.26.03. Уфа, 2010. 129 с.

4. Моделирование тепловых процессов при нагреве пирофорного слоя в резервуаре вертикальном стальном для хранения нефти и нефтепродуктов / А. Г. Азовцев [и др.] // Технологии техносферной безопасности. 2018. Вып. 2 (78). С. 43-54. DOI: 10.25257/TTS.2018.2.78.

5. Гоник А.А. Коррозия нефтепромыслового оборудования и меры ее предупреждения. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Недра, 1976. 192 с.

References

1. Popoola L.T., Grema A.S., Latinwo G.К., Gutti В. and Balogun A.S. Corrosion problems during oil and gas production and its mitigation. International Journar of Industrial Chemistry a SpringerOpen Journal, 2013, vol. 4, p. 15.

2. Korrozionnye pirofornye otlozhenija kak promotery samovozgoranija rezervuarov s sernistoj neft'ju / Ju.A. Bejlin [i dr.] [Corrosive py-rophoric deposits as promoters of spontaneous combustion of sulfur oil tanks], Zashhita metallov, 2007, vol. 43, issue 3, pp. 290-295.

3. Bojarov A.N. Mehanizm formirovanija i zashhita ot samovozgoranija pirofornyh otlozhenij v vertikal'nyh rezervuarah. Diss. cand. tekhn. nauk [Mechanism of formation and protection against spontaneous combustion of pyrophoric deposits in vertical tanks. Cand. tech. sci. diss.]. Ufa, 2010. 129 p.

4. Modelirovanie teplovyh processov pri nagreve pirofornogo sloja v rezervuare vertikal'nom stal'nom dlja hranenija nefti i nefte-produktov / A. G. Azovcev [i dr.] [Simulation of thermal processes during heating of the pyrophoric layer in a vertical steel tank for storage of oil and oil products], Tehnologii tehnosfernoj be-zopasnosti, 2018, vol. 2 (78), pp. 43-54. DOI: 10.25257/TTS.2018.2.78.

5. Gonik A.A. Korrozija neftepromys-lovogo oborudovanija i mery ee preduprezhdenija [Corrosion of oilfield equipment and measures to prevent it], Moscow, 1976. 192 p.

Азовцев Александр Гоигорьевич

ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,

Российская Федерация, г. Иваново

преподаватель

E-mail: [email protected]

Azovtsev Aleksandr Grigor'evich

Federal State Educational Institution of Higher Education «Ivanovo Fire and Rescue Academy of the State Fire Service of the Ministry of the Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters», Russian Federation, Ivanovo lecturer

E-mail: [email protected] Сырбу Светлана Александровна

ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,

Российская Федерация, г. Иваново

доктор химических наук, профессор

E-mail: [email protected]

Syrbu Svetlana Aleksandrovna

Federal State Educational Institution of Higher Education «Ivanovo Fire and Rescue Academy of the State

Fire Service of the Ministry of the Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of

Consequences of Natural Disasters»,

Russian Federation, Ivanovo

doctor of chemical sciences, professor

E-mail: [email protected]

Таратанов Николай Александрович

ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,

Российская Федерация, г. Иваново

кандидат химических наук

E-mail: [email protected]

Taratanov Nikolay Aleksandrovich

Federal State Educational Institution of Higher Education «Ivanovo Fire and Rescue Academy of the State

Fire Service of the Ministry of the Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of

Consequences of Natural Disasters»,

Russian Federation, Ivanovo

candidate of chemical sciences

E-mail: [email protected]