Оценка остаточной защитной способности лакокрасочных покрытий на внутренней поверхности стальных резервуаров Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ

УДК 621.315.617.1:622.692.2

В.В. Кравцов, к.т.н., доцент; Х.Р. Сырлыбаев, магистрант, e-mail: khan-330@mail.ru, кафедра технология нефтяного аппаратостроения; О.В. Шингаркина, к.т.н., доцент, кафедра промышленная безопасность и охрана труда; Н.А. Алексеева, к.т.н., доцент, кафедра сооружение и ремонт газонефтепроводов и газонефтехранилищ, ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»

ОЦЕНКА ОСТАТОЧНОЙ ЗАЩИТНОЙ СПОСОБНОСТИ ЛАКОКРАСОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ СТАЛЬНЫХ РЕЗЕРВУАРОВ

В статье рассматриваются вопросы, связанные с оценкой долговечности лакокрасочных покрытий на внутренней поверхности стальных резервуаров. Определены параметры долговечности распространенных лакокрасочных систем. В качестве изменяющегося параметра авторы использовали комплексный показатель состояния покрытия после экспозиции в рабочих средах.

Нанесение лакокрасочных покрытий (ЛКП) на внутренние поверхности стальных резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов является основной мерой по снижению коррозии и повышению ресурса резервуаров. В то же время лакокрасочные покрытия не обеспечивают полной защиты от коррозии, так как коррозия металла под покрытием начинается задолго до визуально обнаруживаемых признаков разрушения покрытия [1, 2]. При проектировании и эксплуатации резервуаров вызывает затруднение назначение той или иной системы лакокрасочного покрытия из-за отсутствия данных, характеризующих процессы старения покрытия и связанной с ним коррозии подложки. Выбор системы покрытия обычно осуществляется на основании рекламных проспектов производителя или предшествующего практического опыта эксплуатации таких покрытий в аналогичных условиях.

Защитная способность ЛКП непосредственно связана с его долговечностью в условиях старения при контакте с коррозионными средами.

Наиболее распространенный кинетический механизм старения лакокрасочных покрытий соответствует экспоненте. Статистический характер этого процесса позволяет использовать для его описания классические

представления, развитые Больцманом и Аррениусом, еще позже - Журковым и Бартеневым.

В реальных условиях, особенно при эксплуатации ЛКП в контакте с коррозионными средами, закон старения значительно усложняется по сравнению с классическими зависимостями, особенно при действии многих факторов, как это имеет место в резервуарах, учесть которые в полном объеме практически невозможно. Поэтому при оценочных расчетах использована простая формула, полученная ранее в работе [3]. Апробированная авторами работ [2, 4] применительно к лакокрасочным покрытиям на полимерной основе:

т _-[п¥кР

кр А,

При эксплуатации резервуаров повреж-денность покрытия перед его заменой составляет обычно 25-30% (коэффициент сплошности - 70-75%), поэтому можно принять \|/кр = 0,7-0,75;

А = А0е-ист/(КТ);

=-Ъщ

Т«Р т ,

где А0 - параметр, зависящий от состава и структуры материала покрытия; имеет постоянное значение во всем диапазоне рабочих температур;

ист - энергия активации процесса старения, Дж/моль;

К - газовая постоянная, К = 8,3143 Дж/ (моль.град);

Т - среднегодовая температура покрытия, К;

At - постоянная, зависящая от температуры;

ист и А0 определены решением системы уравнений:

А = А е-ист/КТ .

П0С и

А = А е-ист/КТ *\2~ Л0С 2*

В этих уравнениях постоянные Аи и А^ определили из экспериментальных данных:

где щ и \|/2 - значения коэффициентов сплошности после экспозиции образцов в течение отрезков времени Т! и Т2.

В приложении 2 первоисточника [5] приведены данные по долговечности в воде систем ЛКП при двух значениях температурах (20 и 70 0С) - т20 и т70. Характеристики изучаемых в данной работе систем ЛКП приведены в таблице 1. Для расчетов использованы данные о сроках службы покрытий после экспозиции образцов в воде, поскольку

Таблица 1. Физико-механические свойства систем бензостойких покрытий и их стойкость в рабочих средах при лабораторных испытаниях

Система покрытия Число слоев Режим сушки Толщина покрытия, мкм Стойкость покрытия к различным средам

Температура, 0С Продолжительность, ч нефтепродукты вода

20 0С, месяцы 50 0С, сутки 20 0С, месяцы 80 0С, сутки

Грунтовка ВЛ-023 1 15-20 0,25-0,5 100-120 24 30 24 7

Краска ХС-717 3 15-20 2

Шпатлевка ЭП-00-10 3 15-20 24 80-100 24 30 12 7

наиболее подвержены коррозионному воздействию металлоконструкции резервуара, поверхность которых контактирует с водой или водным конденсатом.

Приняв, что отбраковка образцов проводится при \|/кр = 0,75, и используя значения долговечностей из таблицы 1, находим значения At при температурах 20 и 70 0С:

Л _-1п0,75.

20---- ;

Т20

. _-1п0,75

70 — .

170

В реальных условиях работы резервуара, где стенка находится под действием чередующихся сред - вода - жидкий углеводород - паровоздушная среда (причем это чередование сред зависит от технологического режима индивидуального резервуара), энергия активации процесса старения будет иметь значение, отличающееся от энергии активации старения в лабораторных условиях [3, 4]. Следует отметить также непостоянство температуры во времени, зависящее от климатических условий расположения резервуара, температуры нефти (или нефтепродукта) и градиента температур по зонам в резервуаре, температуры грунта, теплопроводности стенки резервуара, конвенции продуктов и паровоздушной среды в резервуаре и др. Это вызывает значительные затруднения по выявлению среднегодовой температуры лакокрасочного покрытия. Косвенными методами, базирующимися на данных, полученных на предприятиях, расположенных в разных регионах, и анализе литературных источников, среднегодовая температура лакокрасочного покрытия при выполнении расчетов принята 10 0С.

С учетом отмеченных допущений рассчитаны значения А10 по формуле

_-1п0,75 % - .

скр

Значения ткр приведены в приложении 2 источника [5]. Поскольку расчету подвергаем те же системы покрытий, что и при проведении лабораторных испытаний, принято допущение, что коэффициент А0, зависящий от структуры полимерного материала, сохраняет свое значение. Исходя из этого предположения рассчитаны значения энергии активации для выбранных систем защитных покрытий:

и[р=-1п^283Р ,

А = А е-иср/кт Л10 “ Л0С г

где иср - среднее значение энергии активации процесса старения покрытия в условиях эксплуатации резервуара.

Приведенная в таблице 2 энергия активации старения ЛКП исл, рассчитана по данным лабораторных испытаний. Результаты оценки долговечности зависят от того, насколько удачно выбран изменяющийся при старении параметр. Разные авторы принимают в качестве такого параметра адгезионную прочность, степень набухания, предел прочности при растяжении пленки и т.д., что вызывает затруднения при создании условий испытаний, приближенных к эксплуатационным. Кроме того, оценка интенсивности старения только по

одному параметру не в полной мере отражает степень ухудшения его защитных свойств.

Наиболее привлекательной с точки зрения корректности применения и точности результатов является, на наш взгляд, методика, разработанная Карякиной с сотр.[6], заключающаяся в обобщенной оценке состояния ЛКП по величине комплексного показателя, учитывающего появление в покрытии различных дефектов, их количество и скорость разрастания.

При оценке состояния покрытий под действием рабочих сред резервуаров (вода, паровоздушная среда) выявляются у различных систем ЛКП следующие виды разрушений: пузыри (П), отслаивание (С) пленки от подложки, сморщивание пленки (СМ), коррозионное разрушение металла (КР), растворение пленки (Р).

Комплексный показатель состояния лакокрасочных покрытий (К) при испытании в агрессивных жидких средах учитывает влияние отдельных видов разрушения и определяется по формуле:

К = ХПП + ХСС + ХсмСМ + ХТТ + ХкрКР + ХРР,

где Х1 - коэффициент весомости каждого вида разрушения;

П, С, СМ, Т, КР Р, - условное обозначение соответствующих видов разрушения. Величины разрушения вычисляли по формулам:

Таблица 2. Результаты расчетов энергии активации и долговечности систем ЛКП

Система ЛКП и„, Дж/моль Ас, 1/ч иср, Дж/моль

1 66 407 362 010 67 096

2 56 472 389 032 57 552

3 56 472 389 032 57 552

4 87 600 37 300 59 174

5 56 472 40 860 56 356

6 33 405 48 330 37 961

WWW.NEFTEGAS.INFO

\\ ЗАЩИТА ОТ коррозии \\ 37

ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ

Таблица 3. Коэффициенты весомости различных видов разрушения в рабочих средах стальных резервуаров

Вид разрушения Условное обозначение Коэффициент весомости X разрушений

Вода Нефтепродукт

Pаствоpение P 0,05 0,1

Pастpескивание Т 0,05 0,1

Отслаивание С 0,15 0,1

Сморщивание СМ 0,15 0,35

Пузыри П 0,20 0,25

Коррозия 0,40 0,1

Таблица 4. Сроки службы ЛКП на внутренней поверхности стальных резервуаров со стационарной крышей (1ср = 10 0С, \|/кр = 0,75)

№ п/п. Система ЛКП Ткр, годы

1 ХС-717 9,б

4 ЭП-00-10 10,3

П = 0,6аП + 0,4аЛР;

С = 0,6аС + 0,4аЛР;

СМ = 0,6аСМ + 0,4аЛР;

Т = 0,6аТ + 0,4аЛР;

КР = 0,6аКР + 0,4аЛР,

Р = 0,6аР + 0,4аЛР;

где аП, аС, аСМ, аТ, аКР, аР - относительные оценки соответствующих видов разрушения;

аЛР - относительная оценка по размеру разрушения.

Большое значение при расчете комплексного показателя имеют значения коэффициентов весомости каждого вида дефекта.

В таблице 3 приведены значения коэффициентов весомости для различных видов разрушения покрытий, предложенных М.И. Карякиной [6].

Значение функции сплошности (степени сохранности начальных свойств) \|/ представляли как относительное изменение комплексного показателя К:

где К - значение комплексного показателя по истечении экспозиции в течение времени т;

К0 - значение комплексного показателя нового покрытия.

Рассчитанные значения долговечности систем ЛКП приведены в таблице 4. Графическая иллюстрация зависимости ткр=/(Т,\|/кр) для системы ЛКП на основе эпоксидной шпатлевки ЭП-00-10 приведена на рисунке 1, из которого видно превалирующее влияние температуры на долговечность покрытия. Результаты расчетов, полученные в настоящей работе, сопоставлены с данными, полученными при эксплуатации резервуаров на нефтедобывающих, нефтеперерабатывающих и предприятиях транспорта и хранения нефтепродуктов (27 резервуаров) [7]. Погрешность в оценке долговечности защитных покрытий внутренней поверхности не превысила 20%.

Таким образом, приведенный в работе подход к решению инженерных задач может быть рекомендован для проведения оценочных расчетов на стадиях разработки исходных данных для проектирования и эксплуатации стальных резервуаров с защитными покрытиями внутренней поверхности.

Литература:

1. ГоникА.А., Калимуллин А.А., Сафонов Е.Н. Защита нефтяных резервуаров от коррозии. - Уфа: РИЦ АНК «Башнефть», 1996. - 264 с.

2. Макаренко О.А., Кравцов В.В., Ибрагимов И.Г. Ресурс стальных резервуаров. - СПб: Недра, 2008. - 200 с.

3. Бокшицкий М.Н. Длительная прочность полимеров. - М.: Химия, 1978. - 308 с.

4. Кравцов В.В., Макаренко О.А. Оценка долговечности лакокрасочных покрытий на внутренних поверхностях стальных резервуаров// Промышленная окраска. Технологии, материалы, оборудование. С. 39-41.

5. Лыков М.В. Защита от коррозии резервуаров, цистерн, тары и трубопроводов для нефтепродуктов бензо-стойкими покрытиями/ Изд. 2-е, пере-раб. и доп. - М.: Химия, 1978.- 240 с.

6. Карякина М.И. Испытание лакокрасочных материалов и покрытий. - М.: Химия, 1988. - 272 с.

7. Кравцов В.В. Защита от коррозии внутренней поверхности стальных резервуаров/ Учебное пособие. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2003. - 111 с. Ключевые слова: стальной резервуар, лакокрасочные покрытия, виды разрушения покрытий, защитная способность, долговечность.

9

Рис. 1. Иллюстрация зависимости ткр = /(Т, \|гкр) для системы ЛКП на основе эпоксидной шпатлевки ЭП-00-10

Центральный выставочный комплекс «Экспоцентр»

Москва, Россия

14-Я МЕЖДУНАРОДНАЯ ВЫСТАВКА

НЕФТЕГАЗ

[31 25-29 июня 2012

Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса

www.neftegaz-expo.ru

Организаторы:

ЗАО «Экспоцентр» (Россия), фирма «Мессе Дюссельдорф ГмбХ» (Германия)

ЭКСПОЦЕНТР

“V МЕЖДУНАРОДНЫЕ ВЫСТАВКИ И КОНГРЕССЫ } Меие

МОСКВА Ои«е|{1ог#

3-Я МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ

ЭНЕРКОН

АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ИННОВАЦИОННОГО РАЗВИТИЯ НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ

25-28 июня