Антикоррозионная защита нефтегазового оборудования и сооружений


О. В. Шингаркина, А. Б. Лаптев







АНТИКОРРОЗИОННАЯ ЗАЩИТА НЕФТЕГАЗОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ И СООРУЖЕНИЙ

Учебное пособие












Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

  УДК620.197
  ББК 34.66

     Ш62




Рецензенты:
доктор технических наук, профессор НИЦ «Поиск» И. Ф. Гладких; доктор технических наук, профессор РГУ нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина В. Н. Малышев





       Шингаркина, О. В.
  Ш62 Антикоррозионная защита нефтегазового оборудования и сооружений : учебное пособие / О. В. Шингаркина, А. Б. Лаптев. -Москва; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 128 с. : ил., табл.
          ISBN978-5-9729-1007-6

          Приведены сведения по технологии нанесения защитных противокоррозионных покрытий на поверхность оборудования и методам их ремонта на предприятиях нефтегазового и нефтехимического комплексов.
          Для студентов нефтегазовых направлений подготовки, а также для инженерно-технических работников, специализирующихся в области защиты оборудования от коррозии.



                                                 УДК620.197
                                                 ББК 34.66










  ISBN 978-5-9729-1007-6  © Шингаркина О. В., Лаптев А. Б., 2022
                          © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                          © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

ОГЛАВЛЕНИЕ





Введение...................................................... 6

Глава 1. Технология нанесения защитных покрытий............... 7
     1.1. Классификация противокоррозионных покрытий.......... 7
     1.2. Современные представления о защитных свойствах неметаллических покрытий........................................ 8
     1.3. Электрохимические характеристики полимерных покрытий и их влияние на коррозию металлического субстрата....... 10
     1.4. Подготовка поверхности субстрата перед нанесением покрытия 14
         1.4.1. Обезжиривание................................ 14
        1.4.2. Очистка металлических поверхностей от твердых загрязнителей, налета, окалины и ржавчины.................. 15
        1.4.3. Подготовка поверхностей под покрытия без удаления ржавчины............................................. 17
     1.5. Цинковые покрытия.................................. 17
         1.5.1. Общая характеристика цинковых покрытий....... 17
         1.5.2. Получение покрытий электрометаллизацией...... 18
     1.6. Окраска наружных поверхностей оборудования и конструкций 20
         1.6.1. Общая характеристика лакокрасочных покрытий (ЛКП) . 20
         1.6.2. МаркировкалКм................................ 21
         1.6.3. ВыборЛКМ..................................... 22
         1.6.4. Последовательность работ при нанесении покрытий .... 23
         1.6.5. Способы получения покрытий................... 23
        1.6.6. Контроль качества лакокрасочных материалов и покрытий ................................................. 26
         1.6.7. Основные характеристики систем защитных покрытий . . 27
     1.7. Получение покрытий штучными кислотоупорными материалами 30
         1.7.1. Общиеположения............................... 30
        1.7.2. Футерование аппаратов без подслоя с использованием силикатных вяжущих................................... 31
        1.7.3. Футерование аппаратов с использованием силикатных вяжущих с подслоем................................... 32
        1.7.4. Футерование аппаратов с использованием замазок "Арзамит"............................................ 32
     1.8. Получение фаолитовых и асбовиниловых покрытий...... 33
     1.9. Защитные покрытия из листовых пластмасс и стеклопластиков 34
        1.9.1. Футерование внутренней поверхности аппаратов листовым винипластом...................................... 34
        1.9.2. Футерование внутренней поверхности аппаратов поливинилхлоридным пластикатом........................... 35



3

1.10. Противокоррозионные покрытия материалами на основе каучуков................................................ 37
        1.10.1. Способы получения покрытий на основе каучуков. 37
        1.10.2. Способы гуммирования аппаратов и используемые материалы.......................................... 37
        1.10.3. Гуммирование оборудования сырыми резинами и эбонитами........................................ 38
        1.10.4. Нанесение покрытий из раствора каучука и латексов ... 42
        1.10.5. Газопламенное напыление порошкообразных каучуков 42

Глава 2. Ремонт защитных покрытий........................... 43
     2.1. Ремонт стекловидных (стеклоэмалированных и стеклокристаллических) покрытий...................................... 43
        2.1.1. Причины возникновения и виды дефектов стекловид-
               ных покрытий................................. 43
        2.1.2. Выбор способа ремонта по ОСТ 21-01-166-84 ... 44
        2.1.3. Некоторые способы ремонта, рекомендуемые фирмой SHINKO-PFAUDLER (Япония)........................... 44
        2.1.4. СхемыиконструкциипоОСТ 21-01-166-84 ......... 45
        2.1.5. Некоторые способы ремонта, разработанные в России . 47
        2.1.6. Получение ввертных устройств ("грибков") из порошка фторопласта-4...................................... 49
        2.1.7. Ремонт поверхностных изъянов применением химически стойких замазок и покрытий..................... 50
        2.1.8. Ремонт поверхностных изъянов применением армирования химически стойких композиций................. 51
        2.1.9. Характеристика рецептур и технологических свойств ремонтных композиций............................... 52
        2.1.10. Один из нетрадиционных методов ремонта...... 57
        2.1.11. Ремонт перемешивающих устройств............. 58
        2.1.12. Эффективность способов ремонта стекловидных покрытий........................................... 61
     2.2. Ремонт футерованных аппаратов..................... 65
     2.3. Исправление дефектов в гуммировочных покрытиях.... 68
     2.4. Ремонт изоляционных покрытий трубопроводов........ 70
        2.4.1. Современные методы очистки наружной поверхности трубопроводов...................................... 70
        2.4.2. Грунтование очищенных от ржавчины труб....... 71
        2.4.3. Изоляция поперечных сварных стыков........... 76
        2.4.4. Опыт использования герметизирующих материалов и компаундов на объектах нефтегазовой, газовой и смежных отраслей................................. 82
     2.5. Клеи в практике ремонта оборудования и защитных покрытий 89
        2.5.1. Общая характеристика клеевых соединений...... 89
        2.5.2. Эпоксидные клеи.............................. 90

4

        2.5.3. Фенолформальдегидные клеи..................... 90
        2.5.4. Клеинаосновегетероциклическихполимеров......... 91
        2.5.5. Полиуретановые клеи........................... 92
        2.5.6. Клеи на основе триазинов...................... 92
        2.5.7. Полиамидные клеи.............................. 92
        2.5.8. Клеинаосновеэлементоорганическихполимеров...... 93
        2.5.9. Органосиликатные клеи......................... 94
        2.5.10. Клеи-герметики на основе элементоорганических каучуков............................................ 94
        2.5.11. Неорганическиеклеи........................... 95
     2.6. Герметики......................................... 100
        2.6.1. Общаяхарактеристика.......................... 100
        2.6.2. Вулканизующиеся герметики.................... 100
        2.6.3. Высыхающие герметики......................... 102
        2.6.4. Невысыхающие герметики....................... 103
     2.7. Клеи, мастики и герметики некоторых зарубежных фирм.104
     2.8. Изготовление противокоррозионных футеровок, оболочек и изделий из фторопласта-4............................. 110
        2.8.1. Общая характеристика свойств фторопласта-4..... 110
        2.8.2. Получение заготовок и изделий компрессионным прессованием порошка фторопласта-4..................... 112
        2.8.3. Получение противокоррозионных футеровок и оболочек методом изостатического прессования порошка фторопласта-4...................................... 114
        2.8.4. Противокоррозионные вкладыши из дубль-материала "фторопласт-4-стеклоткань"......................... 120
        2.8.5. Уплотнительные материалы из фторопласта-4...... 121

Список использованных источников............................ 124

5

            ВВЕДЕНИЕ


     Понятие "защитные покрытия" включает в себя большой ассортимент разнообразных покрытий, наносимых тем или иным способом на поверхность различных сооружений с целью предотвращения их непосредственного контакта с окружающей средой и тем самым снижения коррозионного влияния этой среды на долговечность конструкций.
     К настоящему времени в области технологии антикоррозионной защиты оборудования, трубопроводов и разнообразных конструкций накоплен значительный опыт, который в литературе слабо систематизирован и освещен недостаточно.
     В предлагаемом издании описаны распространенные на предприятиях нефтегазовой и нефтехимической отрасли способы антикоррозионной защиты оборудования с помощью различных покрытий. Особо выделен раздел, связанный с описанием способов ремонта изъянов на поверхностях оборудования и защитных покрытий.
     Авторы с благодарностью примут все замечания и пожелания читателей по содержанию книги и надеются, что данное учебное пособие будет полезным для выпускников Уфимского государственного нефтяного технического университета в их практической деятельности.

6

                ГЛАВА 1 ТЕХНОЛОГИЯ НАНЕСЕНИЯ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ





1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОТИВОКОРРОЗИОННЫХ ПОКРЫТИЙ
     Одним из самых распространенных и эффективных методов защиты металлов от коррозии является нанесение различных защитных металлических или неметаллических покрытий. Защитные покрытия можно классифицировать следующим образом (рис. 1.1).
     Металлические покрытия можно наносить различными способами: гальваническим, горячим (окунанием), распылением (металлизацией), вакуумным напылением, плакированием (прокаткой двух листов металла), химическим (осаждением из растворов).
     Оксидные покрытия получаются в результате химического или электрохимического образования слоя оксидов на поверхности метал-


Рис. 1.1. Классификация защитных покрытий

7

ла. Эти пленки, как правило, толще естественных оксидных пленок, их можно окрашивать или покрывать лаком для повышения защитных свойств.
     Распространено оксидирование стали в щелочных растворах (воронение). Оксидные покрытия на алюминии (и других металлах) можно получать электрохимическим путем (анодирование).
     Фосфатные покрытия представляют собой пленки фосфорнокислой соли железа и марганца. Так как фосфатные пленки вследствие пористости обладают недостаточной коррозионной стойкостью, применение фосфатированных изделий допустимо только в атмосферных условиях.
     Неметаллические покрытия наносят путем распыления (лаки, краски, эмали), наклеиванием листовых и рулонных материалов (пластмассы, резины), футерованием штучными кислотоупорными материалами (плитки, кирпич).

1.2. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ЗАЩИТНЫХ СВОЙСТВАХ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ
     Распространена ошибочная точка зрения на роль неметаллического покрытия. Считают, что покрытие защищает металл от коррозии, пока оно не повреждено и держится на металле. Это не так, коррозия металла начинается задолго до того, как покрытие разрушилось. С другой стороны, даже с появлением единичных дефектов в покрытии его защитные функции еще сохраняются. На практике лимитирующим фактором непригодности покрытия в большинстве случаев считают отслоение его от подложки и распространение дефекта. При оценке защитных свойств покрытий часто определяют физико-химическую стойкость материала покрытия, а состав металла и его реакции с компонентами проникающей среды не учитывают. Основными изучаемыми характеристиками при таком подходе являются химическая стойкость материала покрытия в коррозионной среде и контроль за перемещением фронта диффундирующей среды в направлении базовой поверхности.
     В случае полимерных материалов время условной непроницаемости, определенное расчетом или экспериментально, весьма незначительно (обычно от нескольких часов до нескольких десятков часов), не указывает на потерю защитных свойств покрытия.

8

     В настоящее время формируются принципиальные положения теории химического сопротивления металлополимерных систем в целом, а не только покрытия как одного из элементов этой системы.
     В ряде работ, появившихся в последние годы, показано, что защитное покрытие и металлическая подложка (основа) оказывают совместное сопротивление коррозионной среде, которое зависит от состава и структуры не только материала покрытия, но и металла. Когда внешняя среда или отдельные ее компоненты благодаря явлению диффузионного переноса достигнут подложки, наступает период взаимодействия среды с поверхностью металла и адгезионными связями полимера. Поскольку дальнейшее поведение системы зависит от преобладания тех или иных связей на границе металл-полимер, данное явление называют иногда "конкурентной" адсорбцией. Следует помнить, что на границе металл-полимер соотношение компонентов среды может существенно изменяться по сравнению с их соотношением в глубине раствора в связи с селективностью свойств покрытия и неодинаковыми скоростями диффузии компонентов.
     С точки зрения термодинамики любое неметаллическое покрытие должно снижать склонность металла к коррозии под слоем покрытия в связи с более низким уровнем свободной энергии по отношению к незащищенной поверхности, так как часть ее (энергии) расходуется на образование адгезионных связей с компонентами покрытия.
     Анализируя литературные данные и опыт использования покрытий, можно сделать заключение, что защитные свойства покрытий определяются суммой таких физико-химических свойств, как:
     —        химическая стойкость материала покрытия в коррозионной среде;
     —        механические свойства покрытия (прочность, износостойкость и др.);
     —        прочность сцепления (адгезия) покрытия с базовой поверхностью и ее сохранением в процессе работы покрытия;
     —       способность покрытий:
        а) замедлять диффузию реагентов к металлической поверхности;
        б)        оказывать влияние на термодинамический потенциал и кинетику физико-химического взаимодействия металла с проникшими компонентами жидкой среды;
     — различие коэффициентов термического расширения материала покрытия и металла, степень деформаций покрытия за счет набухания в среде.

9

1.3. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ПОЛИМЕРНЫХ ПОКРЫТИЙ И ИХ ВЛИЯНИЕ
НА КОРРОЗИЮ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО СУБСТРАТА

    На защитные свойства полимерных покрытий и скорость подпленочной коррозии металла при контакте с электролитами оказывают влияние следующие параметры и явления:
    —      омическое сопротивление (сопротивление передвижению ионов);
    —      приобретенный (наведенный) электрический заряд.
    При погружении в растворы электролитов полимеры (полистирол, поливинилхлорид, ацетат целлюлозы, алкидные смолы и др.) приобретают заряд, который обычно бывает отрицательным и способствует избирательной проницаемости ионов. Этот заряд не может служить причиной снижения коррозионного тока, так как последний может переноситься только положительными частицами (ионами металла на аноде, ионами водорода, натрия и др. — на катоде). Однако наведенный электрический заряд влияет на распределение первичных продуктов коррозии (под пленкой или снаружи пленки);
    —      ионизация в полимерной пленке. Макромолекулы многих полимеров содержат функциональные группы, обладающие полярностью (электрически неуравновешенные группы). Растворы электролитов неравномерно диффундируют в пленке, притягиваясь ионогенными группами полимера. Таким образом может происходить ионизация ионогенных групп, и система оказывается состоящей из групп ионов, разделенных электрически нейтральным веществом.
    Все перечисленные явления связаны между собой и оказывают друг на друга взаимное влияние. В результате анализа многочисленных экспериментальных данных можно сделать вывод, что кислород, вода и другие вещества, необходимые для протекания коррозионного процесса в электролитах, проникают через пленки относительно свободно, по крайней мере, гораздо легче, чем отводятся гидратированные ионы корродирующего под пленкой металла. Таким образом, полимерные покрытия сильно затрудняют течение анодной реакции ионизации металла. Поверхность металлов, защищенных полимерными пленками, приобретает более положительный стационарный потенциал. На рис. 1.2 приведены схемы коррозионных гальванических элементов, иллюстрирующие причины установления более положи-


10

a

o₂, H₂o

0₂, H2O

°2- H2⁰       ⁰2, H2⁰

Рис. 1.2. Схемы коррозионных гальванических элементов в системах

"металл-полимерная пленка-электролит"

тельного значения потенциала. Под пористыми пленками, легко пропускающими кислород и воду (см. рис. 1.2, а), катодные процессы концентрируются на границе металл-полимерное покрытие. В связи с тем, что поверхность катодных участков значительно превышает поверхность анодных участков (пор), в порах возникают большие плотности коррозионного тока, заметная анодная поляризация и смещение потенциала в положительную сторону.



11

     Если пленка инертная и не участвует в электродных процессах (см. рис. 1.2, б), установление более положительного потенциала происходит в связи с большей затрудненностью перехода ионов металла через поры, в сравнении с диффузией кислорода и воды.
     В случае пленок различной толщины (см. рис. 1.2, в) анодный процесс более облегчен в тонких слоях, однако диффузия кислорода и воды происходит интенсивнее, чем отвод гидратированных ионов металла, в связи с чем поверхность металла облагораживается.
     Из вышесказанного следует, что равномерность по толщине и сплошность покрытия являются очень важными параметрами.
     Существует точка зрения, что полимерные покрытия замедляют коррозионный процесс благодаря включению в систему большого омического сопротивления. До сих пор часто защитные свойства полимерных покрытий в электролитах оценивают по величине омического сопротивления. Однако многочисленными исследованиями показано, что омическое сопротивление в большинстве случаев составляет незначительную долю их полного сопротивления (рис. 1.3).
     Основную долю сопротивления составляет поляризационное, которое, в основном, и определяет защитные свойства покрытий. Поэтому при проектировании защитных покрытий основное внимание должно быть обращено не на повышение удельного электрическо-


Рис. 1.3. Анодное и катодное поляризационные (1, 2) и омическое (4, 3) сопротивления полимерного покрытия (Fe с покрытием ПВХ в 0,5 н. NaCl)

12

го сопротивления (увеличением толщины покрытия), а на изменение кинетики электрохимических реакций, например включением в состав покрытия пассивирующих пигментов или металлических наполнителей (Zn, Al), электрохимически защищающих металл от коррозии или ингибиторов коррозии, влияющих на поляризационное сопротивление коррозионной системы.
     В электрической схеме коррозионного гальванического элемента полимерное покрытие может быть представлено как диэлектрическая прокладка конденсатора, обкладками которого являются металл, с одной стороны, и электролит — с другой. Электрические модели полимерных покрытий показаны на рис. 1.4.

г 1

Рис. 1.4. Электрические модели систем "металл-полимерная пленка-электролит":
а — сплошное покрытие; б — электролит; в — пористое покрытие; Сэ — электрическая емкость конденсатора; г 1 — активное сопротивление, эквивалентное диэлектрическим потерям конденсатора; С^ — электрохимическая емкость электролита внутри пор; г2 — сопротивление электролита в порах

     Следует различать электрическую емкость от электрохимической. Электрическая емкость не зависит от частоты переменного тока (в пределах звуковых частот 16-20000 Гц). Электрохимическая емкость снижается с повышением частоты переменного тока по зависимости (1.1).

13