CC BY
1
УДК 628.147.22
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ НАНЕСЕНИЯ КОМПОЗИТНЫХ ПОКРЫТИЙ, ПРЕПЯТСТВУЮЩИХ ОБРАЗОВАНИЮ ПИРОФОРНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ НА ВНУТРЕННИХ ПОВЕРХНОСТЯХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
ДЛЯ ХРАНЕНИЯ НЕФТИ
А. С. МИТРОФАНОВ, С. А. СЫРБУ
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново E-mail: mitart1992@mail.ru, syrbue@yandex.ru
В статье рассматриваются способы нанесения композитных составов, препятствующих образованию пирофорных отложений на внутренних поверхностях технологического оборудования для хранения нефти. Определен способ нанесения двухслойного покрытия, позволяющий достичь необходимого количества действующего агента и равномерного его распределения в матрице, за счет выбора оптимального времени нанесения второго слоя. Установлено положительное влияние разработанной технологии нанесения покрытия на адгезионные характеристики композитного состава.
Ключевые слова: антикоррозионная обработка, пирофорные отложения, композитный материал, адгезия.
DEVELOPMENT OF A TECHNOLOGY FOR APPLICATION OF COMPOSITE COATINGS PREVENTING THE FORMATION OF PYROPHORIC DEPOSITS ON THE INTERNAL SURFACES OF TECHNOLOGICAL EQUIPMENT FOR OIL STORAGE
A. S. MITROFANOV, S. A. SYRBU
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education
«Ivanovo Fire Rescue Academy of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo E-mail: mitart1992@mail.ru, syrbue@yandex.ru
The article discusses methods for applying composite compositions that prevent the formation of py-rophoric deposits on the internal surfaces of process equipment for oil storage. A method for applying a two-layer coating has been determined, which makes it possible to achieve the required amount of the active agent and its uniform distribution in the matrix, by choosing the optimal time for applying the second layer. The positive effect of the developed coating technology on the adhesive characteristics of the composite composition has been established.
Keywords: anticorrosion treatment, pyrophoric deposits, composite material, adhesion.
Вертикальные резервуары для хранения нефти и нефтепродуктов характеризуются большими габаритами, поэтому их строительство осуществляется непосредственно на месте дальнейшей эксплуатации. Технология изготовления резервуаров достаточно сложна и состоит из ряда этапов [1]. Одним из завершающих и важных этапов является окрашивание, как наружной, так и внутренней поверхностей. В данном случае речь идет не только о придании конструкции достойного внешнего вида, но
© Митрофанов А. С., Сырбу С. А., 2023
и об антикоррозионной защите.
Существует достаточное количество способов окрашивания стальных поверхностей, например, таких как:
- окрашивание кистью или валиком;
- способ воздушного либо безвоздушного распыления;
- окунание;
- порошковое окрашивание с последующей полимеризацией.
Выбор способа окрашивания зависит от типа краски и окрашиваемой поверхности [2], также учитывается и площадь обрабатыва-
емой поверхности. В соответствии с приложением Р Правил антикоррозионной защиты резервуаров1 , в качестве окрасочного оборудования рекомендуется применение аппаратов безвоздушного распыления высоковязких красок с нагревателем, окрасочных аппаратов безвоздушного распыления и пневматических распылителей.
В общем виде типовая технологическая схема антикоррозионной защиты внутренней поверхности резервуаров выглядит следующим образом:
❖ Подготовка внутренней поверхности РВС к проведению работ (для резервуаров, бывших в эксплуатации):
■ опорожнение;
■ очистка;
■ диагностика;
■ текущий или капитальный ремонт.
❖ Подготовка металлической поверхности к окраске:
■ обезжиривание;
■ абразивная очистка;
■ удаление абразива;
■ обеспыливание.
❖ Окраска:
■ подготовка лакокрасочного материала (ЛКМ);
■ нанесение ЛКМ;
■ контроль среды;
■ контроль в процессе нанесения ЛКМ.
❖ Отверждение каждого слоя покрытия.
❖ Контроль качества покрытия:
■ внешний вид;
■ толщина;
■ адгезия;
■ сплошность.
❖ Устранение выявленных дефектов.
Качественное выполнение всех этапов приведенной технологической схемы по антикоррозионной обработке внутренней поверхности резервуаров не позволяет стальной конструкции корродировать в условиях агрессивной среды, обусловленной, в том числе, содержанием сероводорода. То есть покрытие препятствует протеканию химических реакций железа с сероводородом и, как следствие, образованию продуктов этих реакций, склонных к самовозгоранию. Важно отметить, что на основании Правил1, покрытие должно выполнять защитную функцию на протяжении длительного периода времени (не менее 10 лет). Несмотря на широкий ассортимент различных составов, на рынке антикоррозионных покрытий одной из актуальных задач в нефтяной отрасли [3] является предотвращение образо-
1 РД-05.00-45.21.30-КТН-005-1-05 Правила антикоррозионной защиты резервуаров.
вания пирофорных отложений на внутренней поверхности технологического оборудования для хранения нефти, что особенно важно для сортов нефти с высоким содержанием сернистых соединений [4].
Для решения проблемы по борьбе с образованием пирофорных отложений нами были разработаны защитные композитные составы на основе полимочевины (ПМ) в качестве матрицы. В качестве наполнителей (действующих агентов) использовали активированный уголь (АУ) марки «БАУ-А», диоксид титана (рутил) и шунгит в различных соотношениях. Для всех разработанных покрытий были определены различные технические характеристики, такие как адгезия, эластичность, стойкость к статическому воздействию жидкостей (бензину и сырой нефти) и др. Установлено, что полученные составы не только не уступают применяемым в сфере антикоррозионной защиты ЛКМ, но по некоторым параметрам превосходят их.
Во всех видах испытаний в качестве материала образцов применялась малоуглеродистая сталь марки «Сталь 3». Выбор марки стали был обусловлен тем, что именно из такой стали производятся резервуары для хранения нефти и наиболее «богатых» сероводородом нефтепродуктов. Образцы готовились размерами 100*40*4 мм. Подготовка образцов включала в себя очистку корд-щеткой с последовательным удалением жировых отложений путем обработки поверхности растворителем марки «Р4» (основные компоненты в составе: ацетон 26 %, толуол 62 %). Нанесение составов на стальные образцы производили методом окунания. Сушку производили в естественных условиях (средняя температура составила 20°С) при относительной влажности воздуха 55-60 % в течение суток.
Однако при проведении испытаний было замечено, что при высыхании образцов, обработанных защитными составами, распределение наполнителя становилось неравномерным. Наблюдалось последовательно уменьшение количества частиц на единицу площади по мере удаления от верхней кромки пластины к нижней. Очевидно, такой эффект обусловлен движением композитного состава под действием силы тяжести вдоль вертикальной оси образца с момента нанесения слоя до увеличения вязкости в процессе высыхания (рис. 1). Общее количество частиц действующего агента на площади образца уменьшалось, и оптимальное соотношение компонентов композитного состава не выдерживалось. Таким образом, возникла необходимость в изменении технологии окрашивания вертикальной стальной поверхности.
Нанесение защитного состава в 2 или более слоев представлялось логичным выходом из сложившейся ситуации. С целью не допустить увеличения общей толщины защитного покрытия и расхода материала на единицу площади поверхности, что привело бы к удорожанию покрытия в целом, в состав добавляли до 70 % по массе растворителя марки «Р4». Такой подход позволил снизить вязкость композиции и получить более тонкие слои без снижения защитных и физико-механических свойств покрытия.
Определение необходимого количества слоев, требующихся для достижения оптимального соотношения массы матрицы и наполнителя, производилось путем сравнения образцов с образцом-эталоном. Для визуализации в испытаниях в качестве образцов применялись пластиковые пластины белого цвета размерами 100*50 мм. Подготовка поверхности образцов заключалась в обезжиривании растворителем марки «Р4» и ручной обработке с использованием абразивной бумаги Р400 (размер зерна 28-40 мкм). Для нанесения был выбран состав на основе матрицы из полимочевины с добавлением 1 масс. ч. измельченного активированного угля. Добавление в полимочевину активированного угля придает составу черный цвет, что позволяет визуально оценить наличие частиц, зафиксировавшихся в покрытии при высыхании. Нанесение составов на образцы производили методом окунания. Сушку каждого слоя производили при вертикальном расположении в естественных условиях (средняя температура составила 20°^ при относительной влажности воздуха 55-60 % в течение суток.
Образец-эталон был подготовлен путем нанесения одного слоя композитного состава по указанной технологии с тем отличием, что сушка эталона проходила при его горизонтальном расположении. Горизонтальное расположение образца при сушке не позволяло композитному составу стекать под действием силы тяжести, соответственно внедренный в матрицу наполнитель также оставался на поверхности пластины в необходимом количестве.
В результате серии экспериментов было установлено, что нанесение даже 5 слоев (с сушкой каждого слоя в указанных выше условиях) не придало экспериментальному образцу такого же равномерного распределения частиц действующего агента, как у эталона, а, следовательно, и оптимальное массовое соотношение наполнителя к матрице достигнуто не было. Вместе с тем было замечено, что
нанесение второго слоя до момента полного высыхания первого значительно улучшает ситуацию. Поэтому на следующем этапе эксперимента был определен оптимальный временной интервал между нанесением слоев. Для этого было подготовлено 8 однотипных образцов, каждый из которых был покрыт одним слоем, содержащим 100 масс. ч. полимочевины с добавлением 70 масс. ч. растворителя (т.е. без добавления действующего агента). Второй слой защитного состава, представляющий собой 100 масс. ч. полимочевины, разбавленной 50 масс. ч растворителя, с добавлением 1 масс. ч. наполнителя, наносился на «загрунтованный» образец через 10, 20, 30... 80 минут. После полного высыхания образцов визуально определялась условная эффективность технологии методом сравнения экспериментальных образцов с образцом-эталоном. Наилучший эффект был достигнут при нанесении второго слоя через 40 минут после первого (рис. 1). Установлено, что через 40 минут сушки покрытие перестает обладать текучестью, становится достаточно вязким и липким, что позволяет получить оптимальное содержание и равномерное распределение наполнителя в композитном материале при нанесении всего двух слоев.
Таким образом, предлагаемая технология получения антикоррозионного покрытия реализуется следующим образом:
1. Подготовка поверхности стали (механическая очистка, обеспыливание, обезжиривание).
2. Нанесение первого слоя (грунтование), состоящего из полимочевины с добавлением 70 масс. ч. растворителя марки «Р4».
3. Сушка в естественных условиях (средняя температура 20 °С, относительная влажность воздуха 55-60 %) в течение 40 минут.
4. Нанесение второго слоя, состоящего из полимочевины с добавлением 50 масс. ч. растворителя марки «Р4» и 1 масс. ч. наполнителя (действующего агента, например, активированного угля).
5. Сушка в естественных условиях до полного завершения процесса поликонденсации защитного покрытия (не менее 3 суток).
Кроме визуального контроля качества, т.е. содержания и равномерности распределения наполнителя в матрице композитного состава, определяли толщину покрытия в 6 произвольных точках на каждом образце. Усредненные результаты измерений сведены в таблицу.
Рис. 1. Влияние временного интервала между нанесением слоя
матрицы и слоя композитного материала
на условную эффективность процесса нанесения
Таблица. Составы защитных композитных покрытий
Толщина покрытия после полного высыхания, мкм Интервал времени между нанесением слоев, мин
Количество и состав слоев
Однослойное Однослойное Однослойное (эталон) Двухслойное
100 масс. ч. ПМ* 1 масс. ч. АУ 100 масс. ч. ПМ 70 масс. ч. Р4 1 масс. ч. АУ 100 масс. ч. ПМ 1 масс. ч. АУ 100 масс. ч. ПМ 70 масс. ч. Р4 100 масс. ч. ПМ 50 масс. ч. Р4 1 масс. ч. АУ
291 211 342 216 0
235 10
253 20
279 30
295 40
286 50
280 60
264 70
251 80
Примечание: ПМ - полимочевина, Р4 - растворитель марки «Р4», АУ - березовый активированный уголь марки «БАУ-А».
Анализируя полученные результаты можно сделать вывод о том, что в случае соблюдения предложенной выше технологии нанесения защитных составов толщина покрытия образца-эталона, подготовленного исключительно для сравнения, превосходит толщину двухслойного покрытия на 47 мкм. Толщина двухслойного покрытия сопоставима с толщиной однослойного покрытия без использования растворителя (295 мкм и 291 мкм соответственно). Однако, следует отметить, что предлагаемая технология обеспечивает не только необходимую толщину пленки, но и более равномерное распределение наполнителя в ней.
Для оценки адгезионных характеристик ранее разработанных защитных составов (К1, К2, К3...К8, где состав К1 представляет собой полимочевину, смешанную с 70 масс. ч. растворителя без добавления действующих агентов), нанесенных по предлагаемой технологии, были проведены испытания в соответствии с методикой определения адгезии методом отрыва .
2 ГОСТ 32299-2013 (ISO 4624:2002) Материалы лакокрасочные. Определение адгезии методом отрыва.
Рис. 2. Результаты испытаний прочности адгезии к подложке из стали марки «Сталь 3»
композиций на основе полимочевины (А - однослойное покрытие, Б - двухслойное покрытие).
В ходе анализа полученных результатов установлено, что при однослойном нанесении защитных составов (рис. 2А) внедрение действующих агентов значительно снижает адгезию покрытий (с 3,71 МПа до 0,98^1,35 МПа). В случае нанесения двухслойного покрытия по предлагаемой технологии (рис. 2Б), негативное влияние наполнителя на адгезионные характеристики практически полностью нивелируется, а в некоторых случаях адгезия хоть и незначительно, но улучшается (с 3,75 МПа для композиции К1 до 3,81 МПа для К5). Такой эффект связан с тем, что при двухслойном нанесении отсутствует контакт частиц наполнителя со стальной подложкой, в
результате чего не происходит снижения площади соприкосновения полимочевины и стали.
Таким образом, предлагаемая технология нанесения композитных материалов на поверхность стали марки «Сталь 3» позволяет получить более равномерное распределение действующего агента (наполнителя) в матрице и необходимую толщину покрытия, а также улучшает адгезионные характеристики разработанных композитов. С использованием предлагаемого подхода будет возможно применение наполнителей, способных обеспечить удаление серосодержащих соединений из нефти не только адсорбционными, но и химическими способами.
Список литературы
1. Миронов Е. Г. Методы повышения надежности РВС // Передовые инновационные разработки. Перспективы и опыт использования, проблемы внедрения в производство. 2019. С. 90-91.
2. Медведев М. С. Современные способы нанесения лакокрасочного покрытия // Эпоха науки. 2020. №. 24. С. 100-103
3. Проблемы защиты от коррозии при эксплуатации трубопроводных систем и оборудования нефтегазовой отрасли / К. Н. Абдрах-манова, И. А. Дягилев, Н. Х. Абдрахманов [и др.] // Безопасность техногенных и природных систем. 2020. №. 3. С. 39-46.
4. Агафонова Г. Л., Кожаева А. В. Опыт применения лакокрасочных материалов для противокоррозионной защиты нефтепромыслового оборудования ОАО АНК «Башнефть» // Коррозия территории НЕФТЕГАЗ, 2012, № 1 (21), с. 24-28
References
1. Mironov E. G. Metody povysheniya nadezhnosti RVS [Methods for improving the reliability of RCS]. Peredovye innovacionnye raz-rabotki. Perspektivy i opyt ispol'zovaniya, prob-lemy vnedreniya v proizvodstvo, 2019, pp. 90-91.
2. Medvedev M. S. Sovremennye sposoby naneseniya lakokrasochnogo pokrytiya
[Modern methods of applying paintwork]. Epoha nauki, 2020, issue 24, pp. 100-103
3. Problemy zashchity ot korrozii pri ek-spluatacii truboprovodnyh sistem i oborudovaniya neftegazovoj otrasli [Problems of corrosion protection in the operation of pipeline systems and equipment in the oil and gas industry] / K. N. Ab-drakhmanova, I. A. Dyagilev, N. Kh. Abdrakh-manov [et al.]. Bezopasnost' tekhnogennyh i pri-
rodnyh system, 2020, issue 3, pp. 39-46.
4. Agafonova G. L., Kozhaeva A. V. Opyt primeneniya lakokrasochnyh materialov dlya pro-tivokorrozionnoj zashchity neftepromyslovogo oborudovaniya OAO ANK «Bashneft'« [Experience in the use of paints and varnishes for anticorrosion protection of oilfield equipment of JSC ANK «Bashneft»]. Korroziya territorii NEFTEGAZ, 2012, vol. 1 (21), pp. 24-28
Митрофанов Артур Сергеевич
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново
адъюнкт
E-mail: mitart1992@mail.ru Mitrofanov Artur Sergeevich
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy
of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies
and Elimination of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo
Postgraduate student
E-mail: mitart1992@mail.ru
Сырбу Светлана Александровна
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново
заведующий кафедрой естественнонаучных дисциплин
E-mail: syrbue@yandex.ru
Syrbu Svetlana Aleksandrovna
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy
of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies
and Elimination of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo
Head of the Department of Natural Sciencest
E-mail: syrbue@yandex.ru
