Защита от коррозии трубопроводов, резервуаров и оборудования

ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ ТРУБОПРОВОДОВ, РЕЗЕРВУАРОВ И ОБОРУДОВАНИЯ

Учебное пособие





















Москва Вологда
« Инфра-Инженерия» 2023

УДК 620.197.5
ББК 34.661
     3-40


Авторы:
    Зенцов В. Н., Лапшакова И. В., Шингаркина О. В., Асташина М. В.



Рецензенты:
д. т. н., профессор кафедры трибологии и технологий ремонта нефтегазового оборудования ФГАОУ ВО «РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина» Малышев Владимир Николаевич;
д. т. н., профессор, главный научный сотрудник отдела стали, сварки и защиты от коррозии филиала НИИСПТнефть ООО «НИИ Транснефть» Гумеров Кабир Мухаметович




3-40      Защита от коррозии трубопроводов, резервуаров и оборудова-
     ния : учебное пособие / [Зенцов В. Н. и др.]. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 200 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1398-5

           Приведено описание технологии нанесения и ремонта наиболее распространенных видов антикоррозионных защитных покрытий, применяемых в настоящее время в нефтегазовой, нефтехимической, строительной и других отраслях.
           Для студентов вузов и техникумов, а также инженернотехнических работников промышленных предприятий и сотрудников научно-исследовательских и проектных институтов различных отраслей промышленности, занимающихся вопросами борьбы с коррозией трубопроводов, резервуаров и оборудования.

УДК 620.197.5
                                                             ББК 34.661








ISBN 978-5-9729-1398-5

     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
     © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

        ОГЛАВЛЕНИЕ


ВВЕДЕНИЕ...........................................................7
1. ТЕХНОЛОГИЯ НАНЕСЕНИЯ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ..........................8
1.1. Классификация противокоррозионных покрытий....................8
1.2. Современные представления о защитных свойствах неметаллических покрытий...........................................9
1.3. Электрохимические характеристики полимерных покрытий и влияние их 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 загрязнений, налета, окалины и ржавчины......................................15
  1.4.3. Подготовка поверхностей под покрытия без удаления ржавчины .... 15
1.5. Цинковые покрытия............................................17
  1.5.1. Общая характеристика цинковых покрытий...................17
  1.5.2. Получение покрытий электрометаллизацией..................18
1.6. Окраска поверхностей оборудования и конструкций..............20
  1.6.1. Общая характеристика лакокрасочных покрытий (ЛКП)........20
  1.6.2. Маркировка ЛКМ...........................................20
  1.6.3. Выбор ЛКМ................................................22
  1.6.4. Последовательность работ при нанесении покрытий..........22
  1.6.5. Способы получения покрытий...............................23
  1.6.6. Контроль качества лакокрасочных материалов и покрытий....25
  1.6.7. Основные характеристики систем защитных покрытий.........26
1.7. Получение покрытий штучными кислотоупорными материалами......29
  1.7.1. Общие положения..........................................29
  1.7.2. Футерование аппаратов без подслоя с использованием силикатных вяжущих..............................................30
  1.7.3. Футерование аппаратов с использованием силикатных вяжущих с подслоем......................................................31
  1.7.4. Футерование аппаратов с использованием замазок «Арзамит».31
1.8. Получение фаолитовых и асбовиниловых покрытий................32
1.9. Защитные покрытия из листовых пластмасс и стеклопластиков....33
  1.9.1. Футерование внутренней поверхности аппаратов листовым винипластом.....................................................33
  1.9.2. Футерование внутренней поверхности аппаратов поливинилхлоридным пластикатом..................................34
1.10. Противокоррозионные покрытия материалами на основе каучуков.35
  1.10.1. Основные способы получения покрытий на основе каучуков..35
  1.10.2. Способы гуммирования аппаратов и используемые материалы.36
  1.10.3. Гуммирование оборудования сырыми резинами и эбонитами...36
  1.10.4. Нанесение покрытий из раствора каучука и латексов.......39
  1.10.5. Газопламенное напыление порошкообразных каучуков........40

3

2. РЕМОНТ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ.....................................41
2.1. Ремонт стекловидных (стеклоэмалированных и стеклокристаллических) покрытий...............................41
  2.1.1. Причины возникновения и виды дефектов стекловидных покрытий.......................................................41
  2.1.2. Выбор способа ремонта по ОСТ 21-01-166-84...............41
  2.1.3. Схемы и конструкции по ОСТ 21-01-166-84.................42
  2.1.4. Некоторые способы ремонта, рекомендуемые фирмой SHINKO-PFAUDLER (Япония).......................................43
  2.1.5. Некоторые способы ремонта, разработанные в России......44
  2.1.6. Получение ввертных устройств («грибков») из порошка фторопласта-4..................................................46
  2.1.7. Ремонт поверхностных изъянов применением химически стойких замазок и покрытий.....................................47
  2.1.8. Ремонт поверхностных изъянов применением армирования химически стойких композиций...................................47
  2.1.9. Один из нетрадиционных методов ремонта..................56
  2.1.10. Ремонт перемешивающих устройств........................57
  2.1.11. Эффективность способов ремонта стекловидных покрытий...60
2.2. Ремонт футерованных аппаратов...............................63
2.3. Исправление дефектов в гуммировочных покрытиях..............65
2.4. Ремонт изоляционных покрытий трубопроводов..................68
  2.4.1. Современные методы очистки наружной поверхности трубопроводов..................................................68
  2.4.2. Грунтование очищенных от ржавчины труб..................68
  2.4.3. Изоляция поперечных сварных стыков......................73
  2.4.4. Опыт использования герметизирующих материалов и компаундов на объектах нефтегазовой, газовой и смежных отраслей.......................................................78
2.5. Клеи в практике ремонта оборудования и защитных покрытий....83
  2.5.1. Общая характеристика клеевых соединений.................83
  2.5.2. Эпоксидные клеи.........................................84
  2.5.3. Фенолоформальдегидные клеи..............................85
  2.5.4. Клеи на основе гетероциклических полимеров..............85
  2.5.5. Полиуретановые клеи.....................................86
  2.5.6. Клеи на основе триазинов................................86
  2.5.7. Полиамидные клеи........................................86
  2.5.8. Клеи на основе элементоорганических полимеров...........86
  2.5.9. Органосиликатные клеи...................................87
  2.5.10. Клеи-герметики на основе элементоорганических каучуков.88
  2.5.11. Неорганические клеи....................................88
2.6. Герметики...................................................92
  2.6.1. Общая характеристика....................................92
  2.6.2. Вулканизующиеся герметики...............................93
  2.6.3. Высыхающие герметики....................................94

4

  2.6.4. Невысыхающие герметики..............................95
2.7. Клеи, мастики и герметики некоторых зарубежных фирм.....95
2.8. Изготовление противокоррозионных футеровок, оболочек и изделий из фторопласта-4............................................101
  2.8.1. Общая характеристика свойств фторопласта-4.........101
  2.8.2. Получение заготовок и изделий компрессионным прессованием порошка фторопласта-4.....................................102
  2.8.3. Получение противокоррозионных футеровок и оболочек методом изостатического прессования порошка фторопласта-4.....104
  2.8.4. Футерование стальных труб, фитингов и отбортовка фторопластовых патрубков......................................108
  2.8.5. Противокоррозионные вкладыши из дубль-материала «фторопласт-4 - стеклоткань»..............................109
  2.8.6. Уплотнительные материалы из фторопласта-4..........110
3. ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ ТРУБОПРОВОДОВ, РЕЗЕРВУАРОВ И ОБОРУДОВАНИЯ..............................................113
3.1. Коллоидно-электрохимические основы защитного действия ингибиторов коррозии дифильной структуры в двухфазных средах нефтегазовой промышленности.....................................115
3.2. Методы испытаний и оценки защитного действия ингибиторов коррозии в нефтепромысловых средах..............................124
3.3. Механизм защитного действия органических ингибиторов коррозии дифильной структуры в двухфазных средах типа «нефть - вода».....125
3.4. Практика применения ингибиторов коррозии на нефтяных месторождениях Башкирии.....................................142
3.5. Применение бактерицидов для подавления жизнедеятельности сульфатвосстанавливающих бактерий...........................150
3.6. Нейтрализация сероводорода при добыче нефти............155
4. ПРИМЕНЕНИЕ ИНГИБИТОРОВ КОРРОЗИИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ
СРОКА СЛУЖБЫ НАЗЕМНЫХ И ПОДЗЕМНЫХ КОММУНИКАЦИЙ................................................159
4.1. Лакокрасочные материалы и системы защитных покрытий на их основе................................................159
4.2. Защитные свойства лакокрасочных и полимерных покрытий..160
4.3. Технология противокоррозионной защиты стальных резервуаров.169
4.4. Подготовка поверхности резервуаров под окраску и нанесение покрытия....................................................171
4.5. Технология нанесения комбинированных металлизационно-полимерных покрытий.........................173
4.6. Комплексная защита от коррозии нефтяных резервуаров....177
4.7. Защита днища резервуаров от коррозии...................179
4.8. Защита кровли резервуаров от коррозии..................181
4.9. Ликвидация свищей и местных коррозионных повреждений в корпусе и кровле резервуаров..............................183

5

4.10. Электрохимическая защита днища и нижних поясов нефтяных резервуаров................................................185
4.11. Предотвращение появления трещин в сварных швах разнородных металлов в нефтяных резервуарах.................................187
4.12. Применение коррозионностойких материалов и защитных покрытий в трубах и трубопроводах...............................189
4.13. Футерование трубопроводов полиэтиленом в полевых условиях.191
4.14. Защита внутренней поверхности трубопроводов от коррозии с помощью лакокрасочных покрытий................................192
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ................................194

6

        ВВЕДЕНИЕ


     Понятие «защитные покрытия» включает в себя большой ассортимент разнообразных покрытий, наносимых тем или иным способом на поверхности 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 антикоррозийной защиты оборудования, трубопроводов, резервуаров и разнообразных конструкций накоплен значительный опыт, который в литературе слабо систематизирован и освещен недостаточно.
     В предлагаемом издании описаны распространенные на предприятиях нефтегазовой, нефтехимической, строительной и других отраслей способы антикоррозийной защиты трубопроводов, резервуаров и оборудования с помощью различных покрытий.

7

        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 (рисунок 1.1)


Рисунок 1.1 - Классификация защитных покрытий

     Металлические покрытия могут наноситься 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 металла. Эти плёнки, как правило, толще естественных оксидных плёнок, 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).


8

     Фосфатные покрытия представляют собой плёнки фосфорнокислой соли железа и марганца. Так как фосфатные плёнки 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 физикохимическую 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.
     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 соотношением их в глубине раствора в связи с селективностью свойств покрытия и неодинаковыми скоростями диффузии компонентов.


9

     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 физико-химических свойств:
     • химической стойкостью материала покрытия в коррозионной среде;
     •      механическими свойствами покрытия (прочностью, износостойкостью и др.);
     •      прочностью сцепления (адгезией) покрытия с базовой поверхностью и ее сохранением в процессе работы покрытия;
     •      способностью покрытий замедлять диффузию реагентов к металлической поверхности;
     •      способностью покрытий оказывать влияние на термодинамический потенциал и кинетику физико-химического взаимодействия металла с проникшими компонентами жидкой среды;
     •      различием коэффициентов термического расширения материала покрытия и металла, степенью деформаций покрытия за счет набухания в среде.

        1.3. Электрохимические характеристики полимерных покрытий и влияние их на коррозию металлического субстрата

     На защитные свойства полимерных покрытий и скорость подплёночной 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 плёнкой или снаружи плёнки).
     -      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.


10

     Все перечисленные явления связаны между собой и оказывают друг на друга взаимное влияние. Из многочисленных экспериментальных данных можно сделать вывод, что кислород, вода и другие вещества, необходимые для протекания коррозионного процесса в электролитах, проникают через плёнки относительно свободно, по крайней мере гораздо легче, чем отводятся гидратированные ионы корродирующего под плёнкой металла. Таким образом, полимерные покрытия сильно затрудняют течение анодной реакции ионизации металла. Поверхность металлов, защищённых полимерными плёнками, приобретает более положительный стационарный потенциал. На рисунок 1.2. приведены схемы коррозионных гальванических элементов, иллюстрирующие причины установления более положительного значения потенциала. Под пористыми плёнками, легко пропускающими кислород и воду (рисунок 1.2, а), катодные процессы концентрируются на границе металлполимерное 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.
     Если плёнка инертная и не участвует в электродных процессах (рисунок 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 плёнок различной толщины (рисунок 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 рассмотренного вытекает вывод, 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, сто омическое сопротивление в большинстве случаев составляет незначительную долю их полного сопротивления (рисунок 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 электрического 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.

11

Рисунок 1.2 - Схемы коррозионных гальванических элементов в системах «металл - полимерная плёнка - электролит»

     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 рисунок 1.4.

12

Плотность тока i

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

Рисунок 1.4 - Электрические модели систем «металл - полимерная пленка -электролит»; а - сплошное покрытие; б - электролит; в - пористое покрытие; Сэ - электрическая ёмкость конденсатора; ri - активное сопротивление, эквивалентное диэлектрическим потерям конденсатора;
Сх- электрохимическая ёмкость электролита внутри пор; г - сопротивление электролита в порах

13

     Следует различать электрическую ёмкость от электрохимической. Электрическая ёмкость не зависит от частоты переменного тока (в пределах звуковых частот 16...20 000 Гц). Электрохимическая ёмкость снижается с повышением частоты переменного тока по зависимости (1.1).


(1.1)



где L - постоянная; f - частота тока, Гц.
      Такая зависимость наблюдается у пористых покрытий (рисунок 1.5).

Рисунок 1.5 - Зависимость электрической ёмкости конденсатора от частоты переменного тока (для полимерных покрытий разной толщины:
1 - 5-слойное; 2 - 4-слойное; 3 - 3-слойное)

      Электрохимические параметры полимерного покрытия определяют ёмкостноомическим (импедансным) методом.


        1.4. Подготовка поверхности субстрата перед нанесением покрытия

    1.4.1. Обезжиривание


     На поверхностях металлических изделий обычно бывают жировые и другие загрязнения, поэтому для обеспечения хорошей адгезии защитного покрытия металлическая поверхность должна быть тщательно обезжирена.


14