поВыбор объективных норм и методов контроля исходной адгезии противокоррозионного полимерного покрытия металла и ее изменения в различных условиях эксплуатации Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

В.н. протасов, А.В. мурадов, РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина

выбор объективных норм и методов контроля исходной адгезии противокоррозионного полимерного покрытия металла и ее изменения в различных условиях эксплуатации

Количественным показателем адгезии конкретного покрытия к поверхности металла является адгезионная прочность этого покрытия, которую условно можно представить как произведение средней прочности адгезионной связи на число связей, приходящееся на единицу поверхности.

Адгезионное взаимодействие возникает в момент контакта изоляционного материала с изолируемой поверхностью металла. Однако прочность образующейся при этом адгезионной связи обычно существенно отличается от прочности адгезионной связи сформированного покрытия, т.к. на ее величину существенное влияние оказывают механизм и режимы последующего структурирования изоляционного материала на поверхности металла, возможная при этом активация поверхности металла, возникновение термоусадочных напряжений в

Адгезия полимерного покрытия к изолируемой поверхности металла - свойство покрытия, заключающееся в его способности образовывать связи с этой поверхностью. Природа, а следовательно энергия, этих связей может быть различна. Она существенно зависит от физико-химических свойств соприкасающихся поверхностей покрытия и металла. По природе адгезионные связи могут быть химические (ионная, ковалентная, координационная) с энергией связи от 65 до 100 кДж/моль, водородные и ван-дер-ваальсовы (индукционные, дисперсионные, дипольные и др.), энергия которых в большинстве случаев не превышает 50 кДж/моль.

сформированном покрытии и др. Адгезионные связи покрытия с изолируемой поверхностью металла имеют дискретный характер. Их статистически равномерное распределение на изолированной покрытием поверхности металла существенно зависит от стабильности технологических процессов подготовки поверхности металла под покрытие, подготовки изоляционного материала к применению, его нанесения на изолируемую поверхность металла и последующего структурирования на этой поверхности. Нестабильность адгезионной прочности покрытия на различных участках изолированной поверхности металла или локальное отслаивание покрытия обычно обусловлены нестабильностью вышеуказанных технологических процессов.

Адгезия является одним из важнейших свойств противокоррозионного покры-

тия металла. От прочности и стабильности адгезионных связей существенно зависят противокоррозионное действие и срок службы покрытия. Устойчивые адгезионные связи покрытия с защищаемой поверхностью металла в коррозионно-активной среде обеспечивают не только удержание покрытия на этой поверхности, но и пассивацию поверхности металла, а следовательно повышение ее коррозионной стойкости.

В отечественных и зарубежных стандартах и других видах нормативной документации, определяющих качество наружного и внутреннего противокоррозионного полимерного покрытия различных металлоемких сооружений нефтегазовой отрасли (трубопроводов, резервуаров, технологических аппаратов и др.) приведены показатели, нормы и методы контроля адгезии покрытия в исходном состоянии и по-

©тешест

344064 г Ростов-на-Дону, пер- Технологический, 5. Тел,; +7 663 277-44-01; +7 863 277-34-65. Www.gefestr0ft0v.ru;[email protected] Представительство е г Мосиеа: +7 495 146-17-13; +7 495 148-49-03

АНТИКОРРОЗИЙНАЯ ЗАЩИТА ТРУБОПРОВОДОВ

на правах рекламы

L

mm

ООО «Копейский завод изоляции труб»

Россия, 456656. Челябинская обл., г, Копейс*, пос. Железнодорожный, у п.Мечникова. 1 теп. (351?) 70-S3-5S т^фШ (J512) 62-39 16 www.kiHju e-mail: [email protected]

I. Изоляция

Имеющееся на заводе оборудование позволяет накосить следующие виды антикоррозионных покрытий: эпоксидное, двух и трёхслойное экструдированное.

Диаметр изолируемых труб с 273 по 1420 ми. Проектная мощность 300 км усреднённого диаметра (1020мм) в год. В 2004 году получены положительные результаты испытаний заводского покрытия на соответствие Техническим требованиям ОАО«АК» Транснефть.

Трубы завода с наружным защитным покрытием используются при капитальном ремонте и строите пьстве газопроводов ОАОГэзпром*.

II.Изготовление гнутых ОТВОДОВ

Создан и успешно функционирует цех по изготовлению гнутых отводов как из изолированных так и из черных труб диаметром от219мм до1420ммвкпючительно.

Гнутые отводы соответствуют требованиям ГОСТ 24950-81 и ТУ 1468-013-00154347-03.

Ш.Восстановпение труб бывших в эксплуатации

Введён г строй цех по восста нов пению труб бывших в эксплуатации диаметром от 530 мм до 1420мм, мощность цеха 100 км в год усреднённого диаметра (1020мм),

сле воздействия модельной среды, в частности 3%-ного водного раствора NaCL, на заданной базе времени. Разнообразные стандартизированные методы контроля адгезии в исходном состоянии и после воздействия модельной среды на заданной базе времени подразделяют на качественные (решетчатого надреза по ГОСТ 15140 и ISO 2409 для покрытий толщиной до 250 мкм., Х-образного надреза по ASTM D 3359 и V-образного надреза по DIN 30671 для покрытий толщиной более 250 мкм) и количественные (отрыв грибка, приклеенного к выделенному участку покрытия, по ISO 4624, отслаивание от металла предварительно прорезанной полосы покрытия по ГОСТ 51164 и DIN 30670, сдвиг предварительно выделенного участка покрытия с помощью клиновидного сдвигающего ножа по ГОСТ 51164). Методы решетчатого, Х-образного, V-образного надреза и отрыва приклеенного грибка обычно применяют для покрытий из жестких материалов, в частности эпоксидных, фенольных, кремнийорганических и т.п. Метод отслаивания от металла предварительно вырезанной полосы покрытия применяют для покрытий из эластичных материалов, в частности полиэтиленовых, полипропиленовых, полиуретановых, каучуковых и т.п. Метод сдвига участка покрытия клиновидным сдвигающим ножом используют для покрытий из мастичных материалов, в частности битумных.

При использовании качественных методов контроля адгезии (решетчатый, Х-образный и V-образный надрез) показателем является характер разрушения покрытия при отрыве, а нормой - отсутствие отслаивания от металла предварительно выделенного участка покрытия при его принудительном отрыве или относительная площадь отслаивания покрытия на выделенном участке, выражаемая в баллах.

При использовании количественных методов контроля адгезии показателем является адгезионная прочность покрытия, а нормой - допустимое удельное усилие отрыва, измеряемое при методах отрыва грибка и сдвига участка покрытия в МПа, а при методе отслаивания от металла полосы покрытия в Н/см. В большинстве действующих стандартов характер разрушения металлополимерного соединения при количественных методах контроля не фиксируется, хотя разрушение может происходить по границе раздела металл-покрытие (100%Ме-Пк-адгезионный характер разрушения), по материалу покрытия (100%Пк-когезионный характер разрушения), частично по границе раздела металл-покрытие и частично по материалу покрытия (30%Ме-Пк, 70%Пк). При контроле адгезионной прочности многослойного покрытия разрушение часто происходит по межслойной границе (100% МС-межслойное разрушение). При использовании

Рис. 1. Схема прорезания до металла кольцевых канавок в покрытии для контроля адгезионной прочности в модельной среде методом отрыва грибка

ГО

о

Гч|

о ■ гм

о

гм

150

Рис. 2. Схема прорезания до металла полос покрытия шириной 20 мм

метода отрыва грибка разрушение может происходить по клеевому соединению. В этом случае необходимо подобрать клей и технологию склеивания, исключающие подобный характер разрушения, или ввести норму на удель-

Таблица 1

ное усилие отрыва, ограничивающую его минимальное значение. Многообразие возможных видов разрушения покрытия при принудительном отрыве обусловливает во многих случаях необъективную

с сертифицировано

N Регламентир.срок службы, т„, год. (сут.), при максимальной температуре эксплуатации Время испытаний в модельной среде при максимальной температуре эксплуатации Значение К не менее

сут. т2, сут

1 5 (1825) 40 100 0,79

2 10 (3650) 40 100 0,83

4 20 (7300) 40 100 0,85

6 30 (10959) 40 100 0,87

WWW.NEFTEGAS.INFO

Рис. 3а. Схема контроля адгезионной прочности покрытия при повышенных температурах методом отрыва грибка после испытаний в модельной среде. 1 - образец с приклеенным грибком; 2 - прихват; 3 - плита опорная;

4 направляющая; 5 - зажим специальный; 6 - подшипник; 7 - хвостовик для крепления в зажиме разрывной машины; 8 - прокладка; 9 - камера для модельной среды; 10 - штуцер нагревательной рубашки

оценку адгезии только по значению усилия отрыва.

По мнению авторов статьи при контроле исходной адгезии покрытия следует использовать только качественный метод контроля при норме - отсутствие отслаивания покрытия от металла. Численное значение нормы на исходную адгезионную прочность покрытия во многих случаях не определяет срок его службы по критерию «время до отслаивания» в конкретных эксплуатационных условиях. При высокой исходной адгезионной прочности покрытие может быстро отслоиться от поверхности металла при эксплуатации, вследствие низкой устойчивости его адгезионных связей с металлом в эксплуатационной среде, и, наоборот, более низкая адгезионная прочность покрытия в исходном состоянии может длительно сохраняться или незначительно изменяться в тех же условиях. Даже при контроле исходной адгезии покрытия методами отрыва грибка, отслаивания полосы покрытия или сдвига участка покрытия нормой должно являться отсутствие отслаивания покрытия от металла.

При контакте покрытия с эксплуатационной или модельной средой его адгезионная прочность может существенно снижаться вплоть до полного отслаивания от изолированного металла. Значительное снижение адгезионной прочности в той или иной среде свидетельствует об уменьшении числа адгезионных связей покрытия с металлом, а следовательно о их низкой устойчивости в этой среде.

В действующих отечественных и зарубежных стандартах норма на изменение адгезионной прочности покрытия после испытаний в модельной среде дается в виде допустимого значения остаточной адгезионной прочности или в % от исходной адгезионной прочности. Отсутствие связи указанных стандартизированных норм с регламентированным сроком службы покрытия обусловливает несоответствие выбранного по этим нормам покрытия его назначению.

Кроме того, норма в % от исходной адгезионной прочности вообще недопустима. Как отмечалось выше, значение исходной адгезионной прочности не определяет скорость ее снижения в

эксплуатационной или модельной среде, а, следовательно, не обусловливает срок службы покрытия по критерию «время до отслаивания».

Объективным показателем стабильности адгезии покрытия в эксплуатационной или модельной среде является относительное изменение адгезионной прочности в этой среде «К» на двух базах времени т1 и т2 К = а(т2)/а(тО, (1)

где а(т1) и а(т2) - адгезионная прочность покрытия после воздействия среды в течение времени соответственно т1 и т2.

Допустимое значение К обусловливается кинетикой изменения адгезионной прочности и регламентированным сроком службы покрытия в заданных условиях эксплуатации.

Кинетика изменения адгезионной прочности полимерного покрытия металла в эксплуатационных и модельных физически-активных средах описывается уравнением [ 1 ] т

а(т) = а,[1 - (—П

(2)

где а(т) - адгезионная прочность покрытия после воздействия среды в те-

Р

на правах рекламы

краски с норвежским характером

_ кл

Покрытия “Иотун” одобрены ООО “Институт ВНИИСТ” для использования на объектах нефтегазового комплекса

ООО “ИОТУН ПЭИНТС” Санкт-Петербург пр. Стачек 57 #31 тел. +7(812)332-00-80 факс +7(812)783-05-25 E-mail: russia.reception@j otun.com www.jotun.ru

Рис.Зб. Схема контроля адгезионной прочности покрытия при повышенных температурах методом отслаивания полосы покрытия от стали после испытаний в модельной среде. 1 - образец; 2 - прихват; 3 - плита опорная;

4 - направляющая; 5 - зажим специальный; 6 - подшипник; 7 - хвостовик; 8 - прокладка; 9 - камера для модельной среды; 10 - штуцер нагревательной рубашки

чение времени т; ак. - предельно возможная адгезионная прочность покрытия, экспериментально определяемая при высоких скоростях или низких температурах отрыва; т - время воздействия среды на покрытие; тр - время до полного отслаивания покрытия от металла; а - постоянная; а = 1/1дт0 = 0,083; т0 - период колебаний атомов; для полимеров и покрытий на их осно-

ве t

lo-

с.

Время до полного отслаивания покрытия от металла в модельной или эксплуатационной среде при различных температурах, определяющее срок службы покрытия по критерию «время до отслаивания», может быть рассчитано с помощью известного уравнения, описывающего температурновременную зависимость прочности твердых тел [ 1 ]

Тр = т ехр(идт) = т ехр(ак-у ДТ) (3) где и - энергия активации процесса адгезионного разрушения покрытия; и = ак.у; у - структурно-чувствительный коэффициент, характеризующий перенапряжения на адгезионных связях и имеющий размерность объема; у = Рш; Р - коэффициент концентрации напря-

жений; ш - флуктуационный объем. Для нахождения значения нормы на показатель К, определяющей допустимое относительное изменение адгезионной прочности покрытия на двух базах времени испытаний в эксплуатационной или модельной среде, составим систему из двух уравнений в соответствии с выражением (2)

а(т2 ) = а„[1 - ( -Т-)0,083] тр

а(т) = а„[1 - ( -)0,083]

тр

Разделив первое уравнение на второе получим

K = [s(t2)/a(ti)]

1 _ ( 2 )o,o83

———t—p —— ti

1 _ ( 1 )o,o83

(4)

Выражение (4) позволяет рассчитать норму на показатель К при регламентированном сроке службы покрытия хр и заданных базах времени испытаний в эксплуатационной или модельной среде х1 и х2.

В табл.1 приведены значения нормы на показатель К при различных значениях регламентированного срока службы покрытия и заданных базах време-

ни испытаний в модельной среде t1 = 40 суток и t2 = 100 суток. Предлагаемая максимальная база времени испытаний в модельной среде t2 = 100 суток не увеличивает общую продолжительность контроля различных показателей качества покрытия металла. Такая же продолжительность испытаний в модельной среде предусмотрена действующими отечественными и зарубежными стандартами при контроле переходного сопротивления покрытия. Обязательным условием получения объективных результатов контроля адгезии покрытия при принудительном отрыве после испытаний в модельной среде на заданной базе времени является соответствие температуры механических испытаний покрытия температуре испытаний в модельной среде. В этом случае в соответствии с принципом температурно-временной суперпозиции можно рассчитать адгезионную прочность покрытия в модельной или эксплуатационной среде при других температурах без проведения дополнительных испытаний. Температура испытаний в модельной

p

среде, а, следовательно, температура последующего отрыва покрытия должна соответствовать максимальной температуре эксплуатации покрытия. Использование выражения (4) для расчета нормы на относительное изменение адгезионной прочности в модельной среде правомерно, если при отрыве покрытия после выдержки в среде на базах времени т и т2 разрушение имеет один и тот же адгезионный характер. В том случае, если на базе времени т разрушение покрытия имеет когезионный характер, а на базе времени т2 - адгезионный, испытания

шеллшп-ллш; нмпСЕТЕеСОЕе

ветственно увеличить. ОТЯыЯТЯбщрЕЫщктере разруше-щИщщЯщнщВэ еих базах времени

£шотсто 02

■шЦП^РщТрМЗТ-ОХ! обусловливают

сохранение диэлектической сплошности, т.е. отсутствие растрескивания покрытия в течение регламентированного срока службы.

Сохранение исходного когезионного характера разрушения покрытия при достаточно высоком удельном усилии отрыва на обеих базах времени испытаний в модельной среде свидетельствует о высокой устойчивости адгезионных связей в этих условиях, а следовательно о длительном сроке службы покрытия по критерию «время до отслаивания». Анализ данных, приведенных в табл. 1, показывает, что значения показателя ЛмуШшлущЩ ие срок службы покры-щРИЯЩЯи Щ лет, незначительно отличаются между собой. Это обусловлено ограниченностью баз времени испытаний в модельной среде и кинети-»ХР2& нения адгезионной прочности покрытия. Учитывая достаточно боль-

шой разброс значений адгезионной прочности покрытия на различных участках изолированной поверхности металла из-за нестабильности процессов подготовки, приготовления, нанесения и структурирования изоляционного материала, а также ограниченное количество получаемых статистических данных при параллельном контроле адгезионной прочности на нескольких образцах, оценить с заданной надежностью значение показателя К, обусловливающее конкретный срок службы покрытия, достаточно сложно. Надежность этого показателя, как и других объективных показателей, обусловливающих срок службы покрытия, в значительной степени определяется стабильностью качества применяемых изоляционных материалов и технологического процесса формирования покрытия на их основе.

Z4 чтпз-к тс

1 КОМПЛЕКСНЫЕ ТРУБНЫЕ СИСТЕМЫ

ИНТЕГРИРОВАННЫЕ РЕШЕНИЯ ДЛЯ ТРУБОПРОВОДОВ

Компания «ЧТПЗ-КТС»предлагает все виды комплекту-ющих,используемых прп строительстве, эксплуатации и ремонте т^тубттроводов:

а отводыкрртоизогнутые;

• переходы, тройники;

• фланцы, заглушки;

• отводы гнутые, изготовленные с использованием индукционного нагрева;

е отводы гыымые, тхтотоЕшенною холодном гибкой стальных труб;

• узлы трубопроводов;

• трубопроводная арматура.

Компания «ЧТПЗ-КТС» является сервисным дивизионом Группы ЧТПЗ и объединяет ведущие предприятия отрасли

• ЗАО «СОТ», г.Челябинск;

• ОАО «МЗМЗ», г.Магнитогорск;

• Участок по производству крутоизогнутых отводов на ОАО «ПНТЗ», г.Первоуральск;

• «MSA» a. s., Чехия.

7

1

941

Ш - *

113114, Москва,Дербеневская набережная, д.7, стр.5 тел.: (495) 223 58 90

e-mail: [email protected], www.chtpz-kts.ru факс: (495) 223 58 91

Заводская изоляция стальных труб, фасонных деталей и запорной арматуры нефтегазового, коммунального и специального назначения

ПРЕДПРИЯТИЕ

Трубная пав

Металлургическая | I^SllOU Компания

■ft

пппст

ООО «Предприятие «Трубопласт»

с 1994 года Ваш надежный партнер на рынке изоляционных покрытий

620026, г. Екатеринбург, ул. Розы Люксембург, д. 51 Тел./факс: (343) 310-33-11, 229-35-11 E-mail: [email protected]

www.truboplast.ru Виды продукции:

• наружная и внутренняя изоляция стальных труб наружным диаметром от 57 до 720 мм

• наружная и внутренняя изоляция фасонных деталей и запорной арматуры наружным диаметром от 57 до 530 мм

• поставка комплектов для ремонта повреждений покрытий и наружной изоляции стыка в трассовых условиях

наружные

эпоксидные покрытия по ГОСТ Р51164-98

наружные двухслойные полиэтиленовые покрытия по ГОСТ 9.602-2005, ГОСТ Р51164-98

наружные трехслоиные полиэтиленовые покрытия по ГОСТ 9.602-2005, ГОСТ Р51164-98

наружные трехслоиные полипропиленовые покрытия по NFA49 711, DIN 30678, ГОСТ Р51164-98

опорные кольца заводского изготовления в монолите с базовой полиэтиленовой изоляцией для прокладки трубопроводов в защитном кожухе - футляре, патент РФ № 37795

Предприятие имеет свои подъездные пути и отправляет продукцию железной дорогой и автотранспортом. Продукция и ТУ предприятия сертифицированы в ОАО «АК «Транснефть», ОАО «Газпром», ООО «Уралтрансгаз».

При нестабильном качестве покрытия, что характерно в настоящее время для большинства отечественных и зарубежных производств, наиболее объективным показателем адгезии в модельной или эксплуатационной среде в течение регламентированного срока службы является характер разрушения покрытия при принудительном отрыве, а нормой - отсутствие отслаивания от металла после испытаний в среде на заданной базе времени. База времени испытаний в среде т = 100 сут. является достаточной для выявления стойкости адгезионных связей при условии, что обеспечивается достаточно быстрый доступ среды к поверхности раздела покрытие-металл. Возможность такого быстрого доступа в значительной мере определяется конструкцией испытываемого образца.

Согласно действующим стандартам контроль исходной адгезии покрытия и после испытаний на заданной базе времени в модельной среде обычно проводят на образцах типа стальных пластин. В соответствии со стандартизированными методиками при испытаниях стальной пластины с покрытием в различных средах должна быть обеспечена непрерывность покрытия в пределах площади его контакта со средой. При испытаниях покрытий, сохраняющих высокое переходное сопротивление в модельной среде и имеющих толщину более 1 мм, среда не успевает проникнуть к поверхности раздела полимер-металл при заданной в стандартах базе времени испытаний т = 1000ч. Это обусловливает получение необъективной информации об устойчивости адгезионных связей в модельной среде. Следует учитывать, что при длительной эксплуатации изолированного изделия возможно локальное нарушение диэлектрической сплошности покрытия. Это вызовет проникновение эксплуатационной среды через образовавшийся дефект к поверхности раздела покрытие-металл и при низкой устойчивости адгезионных связей в этой среде произойдет быстрое отслаивание покрытия на всей изолированной поверхности изделия.

Необходимо отметить, что требование к непрерывности покрытия на поверхности стальной пластины при контроле адгезии в модельной среде (3%-ный водный раствор ИаС1) не выполняется в тех же стандартах при контроле адгезии покрытия в той же модельной среде при катодной поляризации. В последнем случае создают искусственный сквозной дефект в покрытии, который необходим для восстановления на поверхности металла водорода, вызывающего отслаивание покрытия. Но при этом через искусственный дефект к металлу проникает модельная среда, которая также может вызывать интенсивное отслаивание покрытия. Поэтому сложно оценить раздельное влияние

водорода и модельной среды на адгезию покрытия без предварительного контроля влияния только модельной среды, проникающей через сквозной дефект к поверхности металла.

В последние годы разработана отечественная нормативно-техническая документация на наружное покрытие нефтегазовых труб и соединительных деталей, предусматривающая испытания в модельной среде (3%-ный водный раствор NaCL) покрытия, имеющего искусственный сквозной дефект, что позволяет оценить устойчивость адгезионных связей в данной среде на ограниченной базе времени испытаний.

На рис. 1 приведена содержащаяся в нормативно-технической документации, разработанной ОАО «АК «ВНИИСТ» [ 2 ], схема прорезания сквозных кольцевых канавок в покрытии для контроля адгезионной прочности в 3%-ном водном

растворе N801 методом отрыва грибка. На рис. 2 приведена, содержащаяся в ГОСТ Р 52568-2006 [3], схема прорезания до металла полос покрытия для контроля адгезионной прочности в 3%-ном водном растворе N801 методом отслаивания.

На рис. 3 приведена предложенная в работе [1] схема приспособления для контроля адгезионной прочности покрытия методом отрыва грибка (а) и методом отслаивания полосы (б) при повышенной температуре после выдержки в модельной среде при той же температуре.

По мнению авторов статьи предлагаемая методология выбора норм и методов контроля исходной адгезии покрытия и ее изменения в модельной среде при периодических испытаниях позволяет наиболее объективно оценивать качество покрытия в исходном состоя-

нии и сохранение этого качества на требуемом уровне в течение регламентированного срока службы в заданных условиях эксплуатации.

ЛИТЕРАТУРА

1. Протасов В.Н. «Теория и практика применения полимерных покрытий в оборудовании и сооружениях нефтегазовой отрасли». М.: Недра. 2007 г.

2. «Технические требования на наружное антикоррозионное покрытие фасонных соединительных деталей и задвижек трубопроводов». ОТТ-04.00-27.22.00-КТН-006-1-03. ОАО «ВНИИСТ» М.:2005 г.

3. ГОСТ Р 52568-2006 «Трубы стальные с защитными наружными покрытиями для магистральных газонефтепрово-дов. Технические условия». М.: Стан-дартформ. 2006 г.

Санкт-Петербург:

Москва:

Нижний Новгород:

Екатеринбург:

Челябинск:

Ростов-на-Дону:

Тольятти

Самара:

Новосибирск:

(812)329-7256 (812)326-9246 (495) 642-6858 (831)463-7755

(343)310-0199

(351)232-3302

(863)219-5121

(8482)51-19-00 (846) 273-3525 (383)211-2780

Разработка комплексных решений для Вашего производства. Демонстра ционн ые залы. Гарантия. Сервис.