Электрохимическая защита нефтегазопроводов


            ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ЗАЩИТА НЕФТЕГАЗОПРОВОДОВ


Монография

Под общей редакцией доктора технических наук, профессора Р. В. Агинея











Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2020

УДК 621.644.07
ББК39.71-022
     Э45






Авторы:
Агиней Р. В., Александров Ю. В., Никулин С. А., Исупова Е. В., Исламов Р. Р., Александров О. Ю., Пак А. Л., Мамедова Э. А.







Э45         Электрохимическая защита нефтегазопроводов : монография /
        [Р. В. Агиней и др.] ; под общ. ред. д-ра техн. наук, проф. Р. В. Агинея. -Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2020. - 736 с. : ил., табл.
             ISBN978-5-9729-0413-6

      Раскрыты физические основы коррозии трубопроводов. Подробно рассмотрены все известные на сегодняшний день способы их электрохимической защиты, в том числе с помощью установок катодной защиты, анодных заземлений, протекторной и дренажной защиты; показаны достоинства и недостатки каждого способа, обозначены условия их применения. Уделено внимание вопросам обнаружения блуждающих токов, организации дистанционного коррозионного мониторинга, особенностям защиты трубопроводов в условиях стресс-коррозии и вблизи систем защитного заземления предприятий. Даны формулы для расчета проектируемых систем электрохимической защиты трубопроводов.
      Для специалистов нефтегазовой отрасли, а также научных работников, преподавателей, аспирантов и студентов нефтегазовых направлений подготовки.

УДК 621.644.07
ББК39.71-022





ISBN 978-5-9729-0413-6

       © Издательство «Инфра-Инженерия», 2020
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020

    ГЛАВА 1.
    ТЕОРИЯ КОРРОЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ МЕТАЛЛА ТРУБ

Краткая историческая справка
     Первые письменные упоминания о процессах коррозии имеются еще у Платона (427-347 гг. до н. э.). Философы древности пытались объяснить природу в соответствии с абстрактно-умозрительным направлением греческого образа мыслей. Платон определял ржавчину как нечто земное, выделяющееся из металла. Еще и 2000 лет спустя Георг Агрикола в своем крупнейшем минералогическом труде «О природе ископаемых» (1546 г.) придерживался такой же точки зрения: «Железная ржавчина является тем, что выделяется из металлического железа. Железо защищают от этого порока различными изолирующими средствами, например свинцовым суриком, свинцовыми белилами, гипсом, битумом, смолой». Гай Плиний младший упоминал битум, пек, свинцовые белила и гипс как средства защиты железа и бронзы от коррозии. Он сообщал, что Александр Македонский приказал построить в городе Цейгмаре на Евфрате мост типа корабельного трапа из железных цепей. Звенья цепи, поставленные позднее, были поражены коррозией, тогда как прежние остались неповрежденными. Таким образом, высказывамое и теперь мнение, будто бы новое железо хуже старого и более склонно к коррозии, как ни странно, подтверждалось уже в древности.
     Пассивная защита труб от коррозии при помощи битумных покрытий применялась еще в античные времена. Древнейшие металлические трубопроводы из меди, бронзы и свинца были часто обмазаны известковым или гипсовым раствором для их защиты от коррозии, герметизации и соединения между собой. Металлические трубы удавалось найти сравнительно редко, потому что ценные металлы после прекращения эксплуатации трубопровода повторно использовали для других целей. Археолог Борхардт нашел в 1907 г. в храме близ пирамиды древнеегипетского царя Сахуры древнейшую металлическую трубу в мире. Она была частью трубопровода длиной около 250 м, предназначавшегося для отвода дождевых вод из двора храма. Трубы из меди лежали в углублении, вырубленном в камне, и были залиты известковым раствором. Возраст трубопровода составляет около 4500 лет.
     Лаковые покрытия металла являются восточноазиатским изобретением. Когда португальцы в 1515 г. приехали в Китай, они обнаружили, что производству лака более 2000 лет. Китайский лак представлял собой раствор шеллака в винном спирте. Однако в XVIII веке французы и голландцы безуспешно пытались воспроизвести лакированные изделия с хотя бы приблизительно таким же качеством.
     Идея защиты железа и стали от коррозии получила снова повсеместное признание только в XVIII веке. Первые близкие к нашему времени сообщения об окрашивании для защиты от ржавления были опубликованы в Политехническом журнале Динглера в 1822 г.

3

1.1. Коррозия. Виды коррозионных повреждений


      Коррозией металлов (от латинского corrosion - «разъедание») называют разрушение металлов вследствие химического или электрохимического взаимодействия их с коррозионной средой. При этом под металлом понимают объект коррозии, которым может быть металл или металлический сплав, а под коррозионной средой - среду, в которой происходит коррозия металла.
      В некоторых случаях химическое воздействие сопровождается физическим разрушением и называется коррозионной эрозией, коррозионным износом или фреттинг-коррозией. Это определение не распространяется на неметаллические материалы. Пластмассы могут набухать или трескаться, дерево - расслаиваться или гнить, гранит может крошиться, а портландцемент - выщелачиваться, но термин «коррозия» относится только к химическому или электрохимическому воздействию на металлы. Ржавлением называется коррозия железа и его сплавов с образованием продуктов коррозии, состоящих в основном из гидратированных оксидов железа. Цветные металлы могут корродировать, но они не ржавеют.
      По механизму протекания коррозионного процесса различают химическую и электрохимическую коррозии (рис. 1.1).
      Под химической коррозией понимают такое взаимодействие металла с коррозионной средой, при котором окисление металла и восстановление окислительной компоненты коррозионной среды протекает в одном акте. Это процесс химической реакции, не связанный с перемещением электрических зарядов, т. е. электрический ток в процессе отсутствует. Такая коррозия может происходить в газовых средах или неэлектролитах.
      Под электрохимической коррозией понимают такое взаимодействие металла с коррозионной средой (раствором электролита), при котором ионизация атомов металла и восстановление окисленной компоненты коррозионной среды протекают не в одном акте и их скорости зависят от электродного потенциала. Это процесс, связанный с перемещением электрических зарядов в металле и окружающей среде, т. е. процесс сопровождается протеканием электрического тока. При электрохимической коррозии происходит ионизация атомов металла, т. е. переход ионов металла от узлов решетки кристаллов в коррозионную среду. В отличие от химической коррозии здесь происходят две группы реакций - катодная и анодная.
      Подземные металлические трубопроводы подвержены преимущественно электрохимической коррозии.
      При электрохимической коррозии на металле одновременно протекают две реакции: анодная (ионизация атомов металла с переходом их в раствор электролита - растворение металла):
М ^ М' + ne-                           (1.1)
и катодная (восстановление окислителя Ох):
Ох + ne“ ^ Red,                        (1.2)
где Red - восстановленная форма реагирующего вещества.

4

     Различают следующие основные типы коррозии наружной поверхности подземных трубопроводов: подземную коррозию, биокоррозию, коррозию внешним током, коррозию блуждающим током, контактную коррозию. Коррозия внутренней поверхности труб обусловлена преимущественно присутствием коррозионно-активных агентов в транспортируемом сырье: сероводорода, пластовой воды и др.
     Подземной называют коррозию металла в почвах и грунтах. Коррозия в почвах и грунтах (рис. 1.2) является наиболее распространенным повреждением магистральных подземных трубопроводов (до 70 % всех выявляемых дефектов).

Рис. 1.2. Характерный вид коррозионных повреждений магистрального длительного эксплуатируемого подземного трубопровода

     Биокоррозия - коррозия металла в присутствии микроорганизмов, вырабатывающих вещества, ускоряющие коррозионные процессы.
     Коррозией внешним током называют электрохимическую коррозию металла под воздействием тока от внешнего источника, а коррозией блуждающими токами - электрохимическую коррозию металла под воздействием блуждающего тока. Механизм воздействия блуждающего тока на участок подземного трубопровода показан на рис. 1.3.
     Под контактной коррозией понимают электрохимическую коррозию, вызванную контактом металлов, имеющих разные стационарные потенциалы в данном электролите. К контактной коррозии относят фреттинг-коррозию, которая возникает вследствие малых вибрационных смещений контактных поверхностей друг относительно друга, если одна из них или обе металлические. Обычно коррозия этого типа сопровождается появлением точечных повреждений на контактирующих поверхностях. Оксиды и продукты истирания металла заполняют повреждения, так что те становятся заметны только после удаления этих продуктов.


6

Рис. 1.3. Механизм воздействия блуждающего тока на участок подземного трубопровода: 1 - трубопровод; 2 - повреждения изоляции; 3 - натекания тока положительной полярности (катод); 4 - стекание тока положительной полярности (анод)

1.2. Типы коррозионных разрушений


      Часто думают, что коррозия сопровождается лишь ржавлением или потускнением. Однако коррозионное воздействие может приводить к растрескиванию, потере прочности или пластичности. В большинстве случаев механизм коррозии электрохимический, а продукты коррозии могут быть не всегда заметны и потери массы металла незначительны.
      В зависимости от вида коррозионного разрушения различают сплошную и местную (локальную) коррозию.
      В первом случае продуктами коррозии покрыта вся поверхность, находящаяся в контакте с коррозионной средой (рис. 1.4). Сплошная коррозия может быть равномерной - протекающей с одинаковой скоростью по всей поверхности, и неравномерной - протекающей с неодинаковой скоростью на различных участках поверхности металла (например, коррозия стали трубопровода в морской воде).
Первоначальная
поверхность


_________ . б⁾
Рис. 1.4. Виды сплошной коррозии: а - равномерная; б - неравномерная

7

     Такой вид коррозии металлов наблюдается под действием кислот, щелочей, атмосферы. Сплошная коррозия может быть равномерной (рис. 1.4, а), т. е. разрушение металла происходит с одинаковой скоростью по всей поверхности, и неравномерной (рис. 1.4, б), когда скорость коррозии на отдельных участках поверхности неодинакова. Примером равномерной коррозии может служить коррозия стальных труб на открытом воздухе (рис 1.5, а), неравномерной -в воде (рис. 1.5, б).


Рис. 1.5. Катушки из газопровода надземной прокладки
Ухта - Войвож, подверженные сплошной коррозии: а - равномерной, участок газопровода находился на открытом воздухе; б - неравномерной, участок периодически находился в воде

     Местная коррозия - это окисление металла на отдельных участках метал-лическойповерхности(рис. 1.6).
     Обычно при местной (локальной) коррозии на поверхности металла обнаруживаются поражения в виде отдельных пятен-поражений, не сильно углубленных в толщу металла (рис. 1.6, а); язв-поражений, сильно углубленных в толщу металла (рис. 1.6, б); точек (питтингов), иногда еле заметных глазу, но глубоко проникающих в металл (рис. 1.6, в). Коррозия в виде язв и точек очень опасна для таких конструкций, где важно поддерживать условия герметичности и непроницаемости (трубопроводы, емкости, резервуары, сосуды, котлы).


8

      Вполне очевидно, что местная коррозия более опасна, чем сплошная, особенно для конструкций, которые требуют условия герметичности - трубопроводы, сосуды давления, т. к. в случае разгерметизации конструкции происходит утечка продукта с возможностью ее возгорания, что приводит к экологическим и экономическим последствиям.


Рис. 1.6. Виды местной коррозии металла: а - пятнами; б - язвенная;
в - точечная (питтингами); г - подповерхностная; д - структурно-избирательная; е - межкристаллитная; ж - коррозионное растрескивание

9

a)

б)

в⁾

Рис. 1.7. Схематическое изображение и фотографии поврежденного коррозией металла трубопроводов:
а - коррозия пятнами на подземном магистральном газопроводе, изолированном полимерными лентами; б - язвенная коррозия на внутренней поверхности труб конденсатопровода; в - питтинговая коррозия металла газопровода, развивающаяся в местах отслаиваний ленточного покрытия. Обычно такие питтинги являются инициаторами развития коррозионного растрескивания под напряжением



10