Проблемы защиты сварных стыков трубопроводов с покрытием и способы их решения Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ЭКООПМЦаИЯ 3/Н (64) май 2008 г.

КОРРОЗИЯ

CORROSION

Актуальность применения в трубопроводных системах нефтегазосбора труб и деталей трубопроводов с внутренним полимерным покрытием в настоящее время уже не подлежит сомнению. Экономический эффект от применения полимерных покрытий для защиты трубопроводов осознали практически все крупные добытчики нефти и газа, что и обуславливает стремительный рост применения данной продукции.

С.В. НОВИКОВ

ПРОБЛЕМЫ ЗАЩИТЫ

СВАРНЫХ СТЫКОВ ТРУБОПРОВОДОВ С ПОКРЫТИЕМ И СПОСОБЫ ИХ РЕШЕНИЯ

С.В. НОВИКОВ

главный конструктор ООО «Целер»

г.Самара

СУЩЕСТВУЮЩИЕ СПОСОБЫ ЗАЩИТЫ ВНУТРЕННЕГО СВАРНОГО ШВА

На рис. 1 представлена упрощенная схема закрытой системы нефтегазосбора. Наиболее подвержены коррозионному воздействию участки 1 и 2 (рис.1), поэтому при создании новых трубопроводов или замене старых на новые, на этих участках рекомендуется применять трубы с заводским внутренним и наружным защитным покрытием. Хорошо зарекомендовал себя метод сварки нескольких труб в плети в заводских условиях с последующим нанесением на них внутреннего и наружного защитного покрытий. Множество компаний уже освоили нанесение антикоррозионных покрытий на трубы и фасонные детали трубопроводов. Как правило, внутреннее покрытие труб эпоксидное, а наружное - полиэтиленовое или полиуретановое. Для создания полностью защищенной от коррозии трубопроводной системы остается решить проблемы защиты сварных стыков.

На сегодняшний день, применяются следующие методы защиты сварных стыков трубопроводов с покрытием:

1. Шликерный

2. Протекторный

3. Установки подкладных колец

4. Металлизации концов труб коррозион-ностойкими металлами и сплавами

5. Нанесения покрытия на внутреннюю поверхность соединений труб после сварки

6. Установки защитной втулки

Шликерный способ защиты сварных стыков заключается в нанесении специальной пасты - шликера - на внутреннюю поверхность труб в зоне торцов непосредственно перед сваркой. При сварке кольцевого шва шликер расплавляется, формируя в зоне сварного шва коррози-онностойкий защитный слой. Этот метод очень дешев, практичен и технологичен, но имеет ряд ограничений и недостатков. Прежде всего, он не применим на трубопроводах с полимерным внутренним покрытием, так как при сварке в зонах контакта расплавленного шликера полимерное покрытие основной трубы разрушится от высокой температуры. Поэтому наибольшее распространение этот метод получил при сварке трубы с сте-клоэмалевым покрытием, как наиболее родственный к основному покрытию трубы. Основным недостатком данного метода является отсутствие управляемости и контроля формирующегося защитного покрытия и, как следствие, отсутствие гарантии полной защиты сварного шва.

Протекторный метод защиты сварных стыков заключается в установке на внутренней поверхности концов труб жертвенного материала - протектора. Данный метод получил очень широкое распространение за счет своей простоты. Многие заводы России, выпускающие трубы с внутренним покрытием, были ориентированы на нанесение различными

Рис.1 Упрощенная схема закрытой системы нефтегазосбора

1, 2, 3 - скважины, АГЗУ - автоматическая групповая замерная установка, УППН - установка предварительной подготовки нефти, ЦПС - центральный пункт сбора

способами на внутреннюю поверхность концов труб протекторного материала из алюминиевого сплава, что делалось перед нанесением покрытия на внутреннюю поверхность труб. Все способы имели общий критичный недостаток - места контакта с трубой не были изолированы. По этой причине протекторный материал из алюминиевого сплава, имеющего электродный потенциал в морской воде 0,74 В (у стали 20-0,43 В), быстро разрушался из-за контактной коррозии. Более того, очищенный металл труб, находящийся под протектором, является анодом по отношению к окислам железа, находящимся на внутренней поверхности металла труб и сварного шва, и без изоляции мест контакта протектора с металлом труб происходит разрушение металла труб по обе стороны от сварного шва. Это происходит из-за возникновения процесса электрохимической коррозии. В процессе развития данного метода нефтяными компаниями «Татнефть» и «Башнефть» в последние годы был освоен следующий способ монтажа протектора. На концах труб, футерованных полиэтиленом, устанавливаются наконечники из углеродистой стали и втулки из алюминиевого сплава путем их радиальной раздачи дорном. Но высокая стоимость изготовления наконечников и втулок и низкая надежность протекторной защиты из-за щелевой и контактной коррозии не позволили данному методу развиться до массового применения.

Установка подкладных колец является еще одним простым и дешевым способом защиты сварных стыков трубопроводов с покрытием. Кольца небольшой длины могут быть изготовлены из:

• обычной углеродистой стали

• обычной углеродистой стали с внутренним полимерным покрытием

• обычной углеродистой стали, плакированной нержавеющей сталью

• нержавеющей стали

При сварке кольцевого шва на основном трубопроводе подкладное кольцо устанавливается в зоне сварного шва и прихватывается сваркой к внутренней поверхности свариваемых труб. Так как герметичности соединения кольцо-труба ►

КОРРОЗИЯ

CORROSION 3/Н (64) май 2008 г. ЭКСПОЗИЦИЯ

добиться практически невозможно (даже с помощью опрессовки), долговечность данной защиты весьма невысока и практически не поддается прогнозированию. А использование биметаллических колец или колец из нержавейки может даже ускорить процессы разрушения сварного шва посредством образования электрохимической коррозии. Например, стандартный электродный потенциал в морской воде у стали марки Х18Н10Т равен +0,8 В., а у стали 20 равен 0,43 В.

Металлизации концов труб коррози-онностойкими металлами и сплавами является еще одним альтернативным вариантом защиты внутренних сварных швов трубопроводов от коррозии. Сущность метода заключается в следующем: внутреннее антикоррозионное покрытие из эпоксидной порошковой краски в заводских условиях наносится по всей длине труб и деталей, за исключением концевых участков - зон термического влияния, на которые напыляется металлизационное покрытие из хромоникелевого сплава. Защитное покрытие сварного шва формируется при сварке труб в плеть за счет того, что расплав самофлюсующегося порошка растекается по поверхности корня сварного шва с дополнительным слоем стеклообразных шлаков. Этот метод также не получил массового внедрения прежде всего из-за того, что формирование защитного покрытия в процессе сварки носит довольно случайный характер и не поддается управлению. Кроме того, присутствует большая вероятность возникновения электрохимической коррозии, которая возникнет в случае появления даже самого небольшого незащищенного участка сварного шва.

Нанесение антикоррозионных покрытий на внутреннюю поверхность соединений труб после сварки на первый взгляд кажется самым перспективным. Но помимо большой технической сложности подготовки поверхности и нанесения антикоррозионного покрытия на сварной шов трубопроводов небольших диаметров (до 820 мм. включительно), очень много факторов отрицательно влияют на качество покрытия, начиная от подготовки внутренней поверхности околошовной зоны сварного соединения и заканчивая погодными условиями и условиями местности, даже если становится возможным проведение этих работ человеком (в трубопроводах

от 1020 мм. и выше). Применение специальных роботов, заменяющих человека в стесненных условиях трубопровода, в настоящий момент неоправданно дорого.

Установка защитной втулки для защиты внутренних сварных швов стал применяться в нашей стране сравнительно недавно - в конце 90-х годов прошлого века. Изначально же он был разработан и внедрен американской компанией «TUBOSCOPE УЕТСО» около 30-ти лет назад. В настоящее время в нашей стране выпускаются отечественные аналоги защитных втулок. Принцип работы втулки заключается в следующем: втулка устанавливается внутри трубы в зоне сварного шва и прихватывается сваркой по упорам (рис. 2). Резиновые манжеты при установке втулки в трубу формируют герметичный валик из предварительно нанесенной специальной мастики. Далее трубы свариваются. В результате образуется кольцевой сварной шов, полностью защищенный от контакта с агрессивной средой. Более чем 10-ти летний опыт применения защитных втулок на промысловых и технологических трубопроводах с внутренним антикоррозионным покрытием уже позволяет оценить достоинства и недостатки данного метода защиты внутренних сварных швов. Несомненно, что установку втулки можно назвать одним из самых простых, технологичных и, главное, надежных способов защиты внутреннего сварного шва.

К недостаткам данного вида устройств можно отнести существенное сужение проходного сечения трубопроводов малых диаметров 076-0114 мм, достигающих 25-30% на толстостенных трубах, возможную потерю герметичности на трубопроводах с большими давлениями >10 МПа и определенные сложности с диагностикой сварного шва в процессе эксплуатации трубопровода. Следует отметить, что потеря герметичности околошовной зоны на нефтепромысловых трубопроводах не приводит к развитию коррозии сварных швов, так как речь идет всего лишь о микротрещинах в мастике, которые очень быстро забиваются нефтяным шламом и ионообменные процессы коррозии не получают развития. На трубопроводах, транспортирующих воду с большим содержанием солей, односторонний порыв герметичного валика теоретически может привести к развитию электрохимической коррозии. Именно данный способ защиты

внутренних сварных швов, несмотря на некоторые недостатки, которые, впрочем, не критичны, в настоящее время применяется наиболее массово и в обозримом будущем имеет все шансы сохранить свои лидирующие позиции.

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ПРИМЕНЕНИЯ ТРУБ И ДЕТАЛЕЙ С АНТИКОРРОЗИОННЫМ ПОКРЫТИЕМ

Целью применения внутренних полимерных покрытий в трубопроводных системах, как известно, является увеличение общего ресурса работы системы, повышение надежности работы системы (уменьшение количества отказов), снижение энергозатрат на транспортировку продукта и снижение затрат на обслуживание системы в процессе эксплуатации. Целью применения любого из вышеперечисленных методов защиты стыка является защита внутренних сварных швов трубопроводов с внутренним полимерным покрытием от коррозии на срок, близкий к сроку службы основной трубы. Надежная защита от коррозии сварных швов, в свою очередь, позволяет создавать системы нефтегазосбора, полностью защищенные полимерным покрытием изнутри на всем участке: от фонтанной арматуры скважин до ЦПС (рис.1). При наличии внутреннего двухслойного эпоксидного покрытия срок службы такой системы без капитальных ремонтов может составить 15-20 лет. Притом, что известны случаи возникновения первых порывов на трубопроводах без внутреннего антикоррозионного покрытия уже через полгода, а необходимость капитального ремонта (или даже замены) таких трубопроводов возникала через 2-3 года.

КРИТЕРИИ ВЫБОРА СПОСОБА ЗАЩИТЫ ВНУТРЕННЕГО СВАРНОГО ШВА

Следовательно, какой бы способ защиты сварных стыков ни применялся, он должен удовлетворять следующим условиям:

1. Способ защиты сварных стыков

должен быть применим как в заводских, так и в полевых условиях.

2. Сварные швы трубопроводов должны быть гарантированно защищены от коррозии на срок, близкий к сроку службы основного трубопровода с покрытием.

3. При наличии каких-либо устройств в зоне сварного шва не должно существенно возрастать гидравлическое сопротивление трубопровода. ►

Рис.2 Установленная защитная втулка в разрезе 1,2 - свариваемые трубы; 3 - мастика; 4 - манжета; 5 - покрытие трубы; 6 - теплоизолирующий материал; 7 - сварной шов; 8 - упор

Рис.3 Динамика изменения количества отказов НГДУ «Сергиевскнефть» в связи с заменой обычных трубопроводов на трубопроводы с антикоррозионным покрытием

КОРРОЗИЯ

ЭКСПОЗИЦИЯ 3/Н (64) май 2008 г. CORROSION

очистки и диагностики. Чтобы допустить к прохождению устройства в трубопроводе, следует расчетную величину сужения на втулке сравнить с допустимой величиной, указанной в паспорте очистного или диагностического устройства (таб.1). Величина сужения Л рассчитывается по формуле:

Л = 100 - (100 х D Ю )

4 вн.вт. вн.трУ

Где Dвнвт - внутренний диаметр втулки, а Dвнтр - внутренний диаметр трубопровода.

Как видно из таблицы, критические величины сужения наблюдаются только на трубопроводах малых диаметров. Большинство очистных и диагностических устройств способны преодолевать порог сужения до 30%. Опыт показывает, на трубопроводах с внутренним полимерным покрытием существенно уменьшается количество твердых отложений (в основном парафинов), что позволяет сократить регламентные работы по очистке полости трубопровода в 2-3 раза, а очистка трубопроводов 076-89 мм. очень часто проводится с помощью пропарки и промывки.

Втулка хорошо работает на изгиб в трубе. В результате испытаний, проведенных в соответствии с требованиями ТТ 413160-01-01297858-03, было установлено, что благодаря свойствам мастики Ч-5-А (производство ООО «Целер») целостность герметичного валика сохранятся даже при радиусе изгиба 7200 мм.

Втулка хорошо сопротивляется горизонтальному сдвигу в трубе под действием движущихся потока или СОД. В результате испытаний, проведенных в соответствии с требованиями ТТ 41316001-01297858-03, получены следующие результаты (таб.2)

Полученные в результате испытаний величины усилия сдвига намного превышают расчетные величины нагрузок, установленные п. 7.10 ТТ 413160-01-01297858-03.

Втулка абсолютно не влияет на прочность и чистоту сварного кольцевого шва. Это обеспечивается конструкцией втулок (рис.2)>

Величина сужения трубопровода на втулках в %

DHap, мм Толщина стенки t, мм.

4 5 6 7 8 9 10 11 12

76 32,4 34,8 28,1 - - - - - -

89 25,9 34,2 32,5 - 32,9 - - - -

108 23 21,4 22,9 - - - - - -

114 - 22,1 24,5 23 26,5 25 27,7 - 27,8

159 - 15,4 17 17,9 16,8 17,7 18,7 19,7 20,7

168 - - 15,4 - 17,8 - 17,6 - -

219 - - 12,1 - 11,8 - 13,6 - 13,3

273 - - 9,58 - 9,73 - 10,3 - 10,4

325 - - 8,31 - 7,44 - 7,54 8,91 8,97

377 - - - - 6,37 7,52 - - -

426 - - - 6,07 5,61 5,88 5,67 - 6,47

530 - - - - 4,86 - 4,9 - 4,94

630 70П - - - - 4,72 А 1 о А Л А 1 А - А 17

/20 820 - - - - 4,12 4,13 3,87 4,14 - 4,1»

Табл. 1 Величина сужения проходного сечения трубопровода на втулках

Рис.4 Динамика изменения количества отказов ТПП «Лангепаснефтегаз» в зависимости от объема строительства трубопроводов с внутренним антикоррозионным покрытием

4. Защитные устройства в зоне сварного шва не должны препятствовать прохождению СОД.

5. Защитные устройства в зоне сварного шва не должны увеличивать допустимый радиус изгиба трубопровода при укладке в грунт.

6. Защитные устройства в зоне сварного шва не должны смещаться от различных горизонтальных нагрузок - движения потока или движения СОД.

7. Защита сварного шва не должна влиять на его прочность и чистоту.

8. Способ защиты сварных стыков должен оказывать минимальное влияние на технологию монтажа трубопровода.

Максимально полно данным условиям удовлетворяет способ защиты сварных швов с помощью стальной втулки с полимерным покрытием. Кроме того, установка втулки не требует специальных навыков персонала и наличия специального оборудования. Об эффективности данного способа можно судить:

• по уменьшению количества порывов трубопроводов напрямую (рис.3 и 4),

• по росту производства втулок косвенно (рис.5).

Технология установки втулки в трубу не меняется в зависимости от условий монтажа - заводских или полевых. Только работа при минусовых температурах требует

производить приготовление эпоксидной мастики в отапливаемом помещении.

Существенным отличием данного способа от других является гарантированная защита сварного шва при наличии втулки в трубе. Даже при одностороннем порыве герметичного валика или при погрешностях его формирования вследствие человеческого фактора защита шва работает и увеличивает срок службы трубопровода до капитального ремонта минимум в 2-3 раза .

Втулка несущественно увеличивает гидравлическое сопротивление трубопровода. Учитывая, что гидравлические потери в самой трубе с полимерным покрытием по сравнению с трубой без покрытия падают по данным ВНИИСТ в 1,45-1,54 раза, относительная величина потерь от втулок в трубопроводах с покрытием незначительна. Например, на трубопроводе 0114х7 мм, транспортирующем нефтяную эмульсию относительное увеличение потерь на втулках на 1 км. трубопровода составляет 2,36%. Осторожно следует относиться только к проектированию трубопроводов с втулками большой протяженности диаметром до 0114. С увеличением диаметра трубопровода местные потери напора на втулках резко падают.

Втулка не препятствует прохождению в трубопроводе специальных средств

КОРРОЗИЯ

CORROSION

3/Н (64) май 2008 г. ЭКСПОЗИЦИЯ

MW» воаоо

ВИНИТИ, ШТ ^^

™ Ш i| I I I

гоя»

<tnxw W I W W - i' W

2004 200b ЙСЮ6 2007 5MOC.Z005

■ оощид u h rrvi Э10В4 4l9fl9 79164 fllS&S 79242

Рис.5 Общий объем производства (ООО «Целер») втулок внутренней защиты сварных швов

В свою очередь, процесс сварки кольцевого шва также не оказывает никакого влияния на втулку и мастику. Максимальная температура на торцах втулки в зонах присутствия мастики составила +750С притом что мастика в соответствии с ТУ-2241-008-48151375-06 выдерживает +1500С (кратковременно до +1900С). 2-3 слоя теплоизоляционной ленты достаточно надежно защищают полимерное покрытие втулки от температурного разрушения. Например, порошковое эпоксидное покрытие «ОХТЭК-3 Трубная» или «ПЭП-585» рассчитано на транспортировку продуктов с температурой до +800С (кратковременно +1000С). Это также подтверждено многочисленными испытаниями (таб.3).

Защита сварных швов с помощью стальных втулок с полимерным покрытием не требует никакого специального оборудования для монтажа и не оказывает влияния на технологию монтажа трубопровода. Установка втулки, по отзывам заказчиков, составляет от 15 до 30 минут.

НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ

В июле 2003 года ВНИИСТ были разработаны технические требования к втулкам внутренней защиты сварных швов с антикоррозионным покрытием (ТТ 413160-01-01297858-03). В соответствии с ними были переработаны технические условия «Втулки внутренней

Типоразмер втулки Усилие сдвига, т

325х8 16

426X8 530X8 36 40

Табл. 2 Экспериментальные данные усилий сдвига установленных в трубопровод втулок

Количе- 1 слой 2 слоя 3 слоя

ство слоев

теплоизо-

ляции

Макси- +700С +640С +540С

мальная

температура втулки в зоне сварного шва

защиты сварных швов соединений труб» (ТУ 1396-001-48151375-2001 и ТУ 1396002-48151375-2003). Технические требования устанавливают основные требования к защите от коррозии внутренней поверхности зоны сварного шва труб с внутренним антикоррозионным покрытием и имеют статус технического регламента. ТТ 413160-01-01297858-03 распространяется на все виды деятельности, связанные с проектированием, изготовлением, ремонтом трубопроводов из труб с внутренним антикоррозионным покрытием, подготовкой кадров, осуществляемой на территории России, включая иностранные фирмы. ТУ 1396-001-48151375-2001 распространяются на втулки внутренней защиты сварных швов соединений труб с внутренним антикоррозийным покрытием, применяемых для систем, транспортирующих нефтегазовые смеси, неосушенный нефтяной газ, обводнённую смесь, сточные промысловые воды с содержанием сероводорода и другие агрессивные среды, а также для трубопроводных систем технического водоснабжения. Патент № 2283739 и № 2283740. ТУ 1396002-48151375-2003 распространяются на втулки внутренней защиты сварных швов соединений труб с внутренним антикоррозийным покрытием, применяемых для систем холодного и горячего водоснабжения на объектах жилищно-коммунального хозяйства, а также при строительстве и ремонте тепловых сетей.

ВЫВОДЫ

На основе изложенных данных можно сделать вывод, что успешное применение труб с внутренней изоляцией, выполненной в заводских условиях, зависит от разработки и использования простых и надежных методов соединения труб в процессе монтажа трубопровода. Основным способом соединения труб, на сегодняшний день, является традиционный способ электросварки. Поэтому наиболее технологичным и простым способом защиты внутренней поверхности сварного стыка трубопроводов с покрытием является защита с помощью специальных втулок. В России для защиты зоны сварного шва при использовании труб с антикоррозионной изоляцией используются втулки различной конструкции.

В настоящее для внутренней защиты сварных швов соединений труб с внутренним антикоррозийным покрытием, транспортирующих нефтегазовые смеси, неосушенный нефтяной газ, обводнённую смесь, сточные промысловые воды с содержанием сероводорода и другие агрессивные среды, могут использоваться втулки, прошедшие сертификацию и изготовляемые по ТУ 1396-001 -48151375-2001, ТУ 1396-002-48151375-2003 и ТУ 139600-001- 32802379-2003. ■

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. ТТ 413160-01-01297858-03 «Технические требования к втулкам внутренней защиты сварных швов с антикоррозионным покрытием»

2. ТУ 1396-001-48151375-2001 и ТУ 1396002-48151375-2003 «Втулки внутренней защиты сварных швов соединений труб»

3. Ю.А. Гордеев, Опыт защиты сварного стыка труб с внутренним антикоррозионным покрытием защитной втулкой. Материалы конференции «Состояние и перспективы применения полимерных покрытий для повышения эффективности работы и срока службы нефтегазопроводов», 2005 г.

4. С.В. Новиков, Использование изделий с антикоррозионным полимерным покрытием в системах нефтегазосбора. Ж. «Территория Нефтегаз» №11, 2006 г

5. Каспарьянц К.С. Проектирование обустройства нефтяных месторождений. С., Самвен, 1994 г.

6. В.Я. Беляева и др. Под ред. проф. И.И. Мазура и проф. В.Д. Шапиро, Нефтегазовое строительство, учеб. пособие, М., Омега-Л, 2005 г.

7. В.Н.Протасов. Теория и практика применения полимерных покрытий в оборудовании и сооружениях нефтегазовой отрасли. М., Недра, 2007 г.

8. В.М. Айдуганов. Технологии защиты соединений труб с покрытием от внутренней коррозии при строительстве нефте-газопромысловых трубопроводов.

9. П.Е. Галикаев. Производство внутреннего антикоррозионного покрытия стальных нефтепромысловых трубопроводов в условиях ТПП «Лангепас-нефтегаз» ООО «ЛУКОЙЛ-Западная Сибирь».

Табл. 3 Экспериментальные данные температур втулки в зоне сварного шва