Современные средства защиты оборудования нефтегазового комплекса от коррозии
Классификация методов защиты.
В задачу защиты не входит полное прекращение процессов коррозии. К тому же, это и невозможно. Основная цель - замедлить скорость коррозионного разрушения до приемлемого уровня. Некоторая деталь машины механически изнашивается много быстрее, чем разрушается за счет электрохимических явлений. В данном случае проблемы коррозии, скорее всего, вообще нет. И, наконец, некоторый небольшой элемент атомного реактора разрушился, и это вызвало радиоактивное заражение окружающего пространства. Такой элемент при проектировании антикоррозионной защиты безусловно должен иметь двойной-тройной запас надежности.
Защита от коррозии - это комплекс мероприятий, выбираемых инженером-коррозионистом исходя из его опыта, который вероятнее всего основывается на мировых знаниях. Легко перечислить возможные способы защиты и антикоррозионные мероприятия, труднее принять наиболее правильное решение.
Коррозионностойкие материалы.
Керамические, стеклянные, железобетонные трубопроводы нашли свою область применения и с успехом заменяют стальные там, где это можно: безнапорные трубопроводы, химические производства, мелиорация и пр.
С малой скоростью корродируют чугунные трубопроводы, которые широко используются в водоснабжении. Многочисленные марки нержавеющей стали с легирующими добавками хрома, никеля, молибдена и титана предназначены, казалось бы, для защиты во всех агрессивных средах. Но, к сожалению, именно нержавеющие стали корродируют по механизму межкристаллитной и питтинговой коррозии. Так, нержавеющие стали стойки в азотной, сер-нистой, во многих органических кислотах и щелочах и, разумеется, в атмосфере и нейтральных средах, но уже нестойки в разбавленных растворах соляной кислоты.
Изолирующие покрытия.
Основное назначение любого вида покрытия - уменьшить доступ агрессивной среды к поверхности металла.
Применяют следующие виды покрытия:
- металлическое;
- неорганическое;
- лакокрасочные и полимерные.
К сожалению, все виды покрытия - пористые или имеют механические повреждения. Поэтому надеяться на эффективную защиту от коррозии только с помощью покрытий нельзя. Однако и без покрытия, как важнейшего звена комплексной защиты, обойтись нельзя. Поэтому коротко познакомимся с особенностями наиболее распространенных видов покрытия.
Металлические покрытия.
Цинк на стали - жертва стального сооружения агрессивной среде. Действительно, цинк в паре с железом образуют гальванический элемент, в котором одному из электродов - аноду - суждено растворяться, этим самым давая жизнь (энергию) другому электроду - катоду. В данном случае цинк - анод, сталь - катод. Пока на поверхности стали есть островки цинка, сталь может надеяться на защиту. В данной ситуации работает так называемая протекторная защита, о которой речь еще впереди. В морской воде эффективным катодом может служить поверхность, отстоящая от границы с цинком даже на десятки сантиметров, в то время как в низкоминерализованной воде, следовательно, в среде с низкой электропроводностью, уже на расстоянии несколько миллиметров от цинка плотность катодного тока незаметна и железо там начинает ржаветь.
Никелевое покрытие на стали - катод. Поэтому коррозию стали в порах покрытия можно избежать, устранив эти поры. Покрытие должно быть достаточно толстым с порами заполненными или лаком, или расплавом легкоплавкого металла, например, олова.
Часто сверху на слой никеля электроосаждением наносят слой хрома или еще один тонкий слой никеля, который благодаря легирующим добавкам делают пористым и к тому же анодом относительно нижнего слоя.
Для защиты металлических элементов, погруженных в воду, применяют алюминиевое покрытие, изготовленное методом напыления – металлизацией.
Неорганические покрытия .
Силикатные эмали или стеклоэмали изготавливаются путем наплавления размолотого порошка силиката того или иного состава на защищаемую поверхность. Эмалированная посуда, емкости, детали трубопровода и даже целые трубопроводы - все это может быть изготовлено с эмалевыми покрытиями. Цементные покрытия обладают ощутимым преимуществом - они имеют низкую стоимость и удобны при применении. Цемент обычно наносят на металлическую сетку слоем 5...25 мм. Сталь в бетоне имеет более положительный электрохимический потенциал, чем сталь в почве. Поэтому при контакте с арматурой железобетонного сооружения подземный трубопровод работает анодом и может активно разрушаться.
Оксидирование и анодирование - процессы химической и электрохимической обработки защищаемой металлической поверхности с образованием не растворяющейся пленки окислов. Покрытия хорошо стоят в атмосфере, но для трубопроводов непригодны.
Лакокрасочные и полимерные покрытия.
Битумные эмали или мастики - широко распространенный вид покрытия подземных трубопроводов - изготавливают из смеси нефтяных битумов и различного рода наполнителей. Наносят в расплавленном при температуре 160-170 С виде на очищенную и отгрунтованную поверхность. При этом поверх мастики еще в горячем состоянии накладывают армирующий слой стеклохолста.
Конструкция битумного покрытия подземного трубопровода определяется требованиями норм и правил в соответствии с агрессивностью грунта. Так, для некоторых сред применяют усиленное покрытие, состоящее из следующих слоев:
- битумная грунтовка;
- мастика битумно-резиновая или битумно-полимерная;
- стеклохолст;
- мастика битумно-резиновая или битумно-полимерная;
- стеклохолст;
- наружная обертка из крафт-бумаги.
В целом толщина усиленного покрытия около 6 мм.
Применяют и усиленное покрытие толщиной 9 мм. Такое покрытие включает в себя дополнительно еще один слой мастики со стеклохолстом.
Электрохимическая защита.
Различают четыре вида электрохимической защиты:
а) протекторную;
б) катодную;
в) электродренажную;
г) анодную.
Протекторная защита. Протекторная защита - электрохимическая защита с помощью тока гальванической пары.
Современные протекторные материалы - это сплавы на основе магния или алюминия, реже - цинка. Все они отличаются от стального защищаемого сооружения своим электрохимическим потенциалом, а именно, их потенциал более электроотрицателен. Благодаря разности потенциалов в гальванической паре возникает ток, стекающий с анода (более электроотрицательного электрода) и натекающий из электролита на катод. Создание натекающего тока - цель электрохимической защиты.
Катодная защита. Так возникла идея катодной защиты - другой разновидности электрохимической защиты, которая была практически реализована в Англии и США в 1910-1912 гг.
При катодной защите, например, подземного стального трубопровода, в качестве жертвенного анода выступает электрод-заземлитель, заложенный в землю недалеко от него. Для того, чтобы этот заземлитель работал анодом, а труба - катодом, включают внешний источник постоянного тока, причем “плюсом” - к аноду, “минусом” - к катоду. При этом в принципе безразлично, из какого материала выполнен анод, важно лишь, чтобы образовался электрический ток и чтобы этот ток был направлен из земли на трубу. Действительно, ток идет от “+” источника на заземлитель, затем в землю, из земли - на трубу и возвращается на “” источника.
Электродренажная защита. Третьей разновидностью ЭХЗ является электродренажная защита, использующая в качестве катодного (натекающего) тока блуждающий ток рельсового электротранспорта. Блуждающий ток есть часть тягового тока электропоезда или трамвая. Так как рельсы являются проводником тягового тока и они не изолированы от земли, то часть тока протекает в земле недалеко от рельсов и может попасть на соседние трубопроводы. Стекающий затем с трубопровода, блуждающий ток вызывает электролитическое растворение металла. Если весь блуждающий ток отводить (дренировать) с трубопровода, то ток везде будет только натекающим, что и обеспечит эффект защиты. Простейшая электродренажная установка - кабельная перемычка между трубопроводом и рельсами (рис.1.1,в). Величина тока в перемычке будет определяться разностью потенциалов труба рельсы в точках их соединения. Блуждающий ток будет выполнять свои защитные функции, если потенциал рельсов меньше потенциала трубопровода. В этом случае ток по перемычке направлен из трубопровода в рельсы, а не в землю.
Анодная защита. Если при катодной защите требуется обеспечить натекающий ток, то при анодной - наоборот. Анодная защита применяется для металлов, которые могут переходить в так называемое пассивное состояние. Это, главным образом, нержавеющие и углеродистые стали в концентрированных кислотах, щелочах и солевых растворах. При ЭХЗ трубопроводов анодная защита не применима.
Комплексная защита. Практически во всех случаях применяют ЭХЗ совместно с защитой изоляционными покрытиями. Попытки использовать ЭХЗ для неизолированного сооружения приведут к неоправданным затратам электроэнергии и анодного материала. Действительно, при ЭХЗ изолированного сооружения токи защиты будут распределяться лишь по трещинам и проколам в изоляции, что резко снизит затраты на электроэнергию. Токи ЭХЗ, таким образом, “залечивают раны изоляции”, которые она получает в процессе строительства и эксплуатации сооружения. К тому же в порах и трещинах изоляции при электрохимической защите образуется солевой осадок, который “пломбирует” повреждения. Именно благодаря такой дружественности повсеместно применяется комплексная защита - изоляционные покрытия в сочетании с ЭХЗ. 6. Принцип работы станции катодной защиты.
Станции катодной защиты (СКЗ) являются необходимым элементом системы электрохимической (или катодной) защиты (ЭХЗ) подземных трубопроводов от коррозии. При выборе СКЗ исходят чаще всего из наименьшей стоимости, удобства обслуживания и квалификации своего обслуживающего персонала.
Катодная защита осуществляется при протекании электрического тока от СКЗ по замкнутой электрической цепи, образованной тремя включенными последовательно сопротивлениями:
• сопротивление изоляции трубопровода.
• сопротивление грунта между трубопроводом и анодом;
• сопротивление растекания анода;
Анод является важной частью системы ЭХЗ, и служит тем расходным элементом, растворение которого обеспечивает саму возможность реализации ЭХЗ. Сопротивление его в процессе эксплуатации стабильно растет вследствие растворения, уменьшения эффективной площади рабочей поверхности и образования окислов.
Сопротивление грунта между трубой и анодом может меняться в широких пределах в зависимости от состава и внешних условий.
Раз течет ток, то возникла замечательная идея взять внешний источник тока и включить его навстречу этому самому току, из-за которого происходит вынос металла и коррозия. напряжение между металлической трубой и грунтом, т.е. по обе стороны изоляции, должно находиться в пределах от -0,5 до -3,5 В (это напряжение называется защитным потенциалом).
Металлическая труба снаружи покрыта изоляцией, в которой в процессе эксплуатации образуются трещины от воздействия механических вибраций, сезонных и суточных температурных перепадов и т.д. Через образовавшиеся трещины в гидро- и теплоизоляции трубопровода проникает влага и возникает контакт металла трубы с грунтом, так образуется гальваническая пара, способствующая выносу металла из трубы. Чем больше трещин и их размеры, тем больше металла выносится. Таким образом, происходит гальваническая коррозия, в которой течет ток ионов металла, т.е. электрический ток.
Задачей СКЗ является не только обеспечивать в цепи ЭХЗ ток, но и поддерживать его таким, чтобы защитный потенциал не выходил за принятые рамки.
Режимов работы ЭХЗ может быть четыре:
• без стабилизации выходных значений тока или напряжения;
• стабилизации выходного тока;
• I стабилизации выходного напряжения;
• I стабилизации защитного потенциала.
При использовании третьего режима принимают, что состояние изоляции в краткосрочном плане меняется мало и ее сопротивление остается практически стабильным. Следовательно, достаточно обеспечить протекание стабильного тока через стабильное сопротивление изоляции, и получаем стабильный защитный потенциал. В случае если внешние условия (состояние изоляции, температура, влажность, блуждающие токи) изменяются до пределов, когда на защищаемом объекте образуется недопустимый режим - эти станции не могут выполнять свою задачу. Для корректировки их режима необходимо частое присутствие обслуживающего персонала, иначе задача ЭХЗ выполняется частично.
В паспорте СКЗ обычно указываются: I номинальная выходная мощность;
Номинальная выходная мощность - мощность, которую может отдавать станция, при номинальной нагрузке. Обычно эта нагрузка составляет 1 Ом. КПД определяется как отношение номинальной выходной мощности к активной мощности, потребляемой станцией в номинальной режиме. И в этом режиме КПД самый высокий для любой станции. Однако большинство СКЗ работают далеко не в номинальном режиме.
При выходной мощности на уровне 0,7 от номинальной вы должны быть готовы уже к тому, что ваши потери электроэнергии сравняются с полезно затраченной энергией. Где же теряется столько энергии:
• затраты энергии для работы схемы управления станцией;
• омические (тепловые) потери в обмотках трансформаторов, дросселей и в активных элементах схемы;
Эта энергия излучается в грунт от анода и не производит полезной работы. Поэтому так необходимо использовать станции с низким коэффициентом пульсаций, иначе бесполезно тратится недешевая энергия.
Произведение действующего значения напряжения на действующее значение тока называют полной потребляемой мощностью, и ее значение указывают в паспорте СКЗ.
• потери энергии в виде радиоизлучения; потери энергии пульсаций выходного тока станции на нагрузке.
Активную энергию станция должна как можно эффективнее передать для создания защитного потенциала. Эффективность, с которой СКЗ это делает, и оценивается коэффициентом полезного действия. Сколько она тратит энергии, зависит от способа передачи энергии и от режима работы. Не вдаваясь в это обширное поле для обсуждения, скажем только, что трансформаторные и трансформаторнотиристорные СКЗ достигли своего предела совершенствования. У них нет ресурсов для улучшения качества своей работы. Будущее за высокочастотными СКЗ, которые с каждым годом становятся надежней и проще в обслуживании. По экономичности и качеству своей работы они уже превосходят своих предшественников и имеют большой резерв для совершенствования. А используется полная мощность в самой СКЗ не полностью, т.к. в ней имеются различные реактивные элементы, которые не тратят энергию, а используют ее как бы для создания условий, чтобы остальная энергия прошла в нагрузку, а затем возвращают эту настроечную энергию обратно в сеть. Эту возвращаемую обратно энергию назвали реактивной энергией. Энергию, которая передается в нагрузку, - активной энергией. Параметр, который указывает отношение между активной энергией, которая должна быть передана в нагрузку, и полной энергией, подводимой к СКЗ, называется коэффициентом мощности и указывается в паспорте станции.
К потребительским свойствам такого устройства как СКЗ можно отнести следующее:
Ремонтопригодность. Очень важна возможность быстрой замены станции или узла на месте. С последующим ремонтом в лаборатории, т.е. модульный принцип построения СКЗ.
Размеры, вес и прочность. Наверно, не нужно говорить, что чем меньше и легче станция, тем меньше затрат на ее транспортировку и установку как при монтаже, так и при ремонте.
Наличие всех необходимых индикаторов и измерительных приборов, наличие возможности дистанционного управления и слежения за режимом работы СКЗ.
Удобство в обслуживании. Удобство в обслуживании, кроме удобства транспортировки и ремонта, определяется, по нашему мнению, следующим:
Исходя из вышесказанного, можно сделать несколько выводов-рекомендаций:
1. Трансформаторные и тиристорно-трансформаторные станции безнадежно устарели по всем параметрам, и не отвечают современным требованиям, особенно в области энергосбережения.
2. Современная станция должна иметь:
• коэффициент мощности (cos I) не ниже 0,75 во всем диапазоне нагрузок;
• высокий КПД во всем диапазоне нагрузок;
• диапазон регулирования по току и напряжению от 0 до 100%;
• коэффициент пульсаций выходного напряжения не более 2%;
• модульный принцип построения, т.е. иметь высокую ремонтопригодность;
• легкий, прочный и малогабаритный корпус;
• энергоэкономичность.
Остальные требования к станциям катодной защиты, такие как защита от перегрузок и коротких замыканий; автоматическое поддержание заданного тока нагрузки - и прочие требования, являются общепринятыми и обязательными для всех СКЗ.
Заключение.
На практике, ознакомившись с индивидуальным заданием, мы научились пользоваться измерителем сопротивления М-416.
Описание.
На учебном полигоне измерили удельное сопротивление на различной глубине. И получили результаты.
| № точки | Измерения на глубине 1 метр | Измерения на глубине 2 метра |
| 35,167 | 12,5 | |
| 46,176 | 16,8 | |
| 22,8 | ||
| 62,6 | 20,64 | |
| 68,78 | 26,97 | |
| 70,56 | 28,9 | |
| 72,34 | 10,7 | |
| 78,67 | 16,9 | |
| 80,89 | 8,6 |
 |
Варианты четырехэлектродных измерительных установок для зондирования земли в многослойных грунтах.
На глубине 1 метр грунт представлен суглинками с краплениями
известняка.
На глубине 2 метра – влажная глина твердого содержания.
Измеряли сопротивление растекания защитных заземлений на действующих контурах.
Изучили работу ультрозвукового толщиномера.
Познакомились с методикой определения сплошности изаляционнго покрытия искровым диффектоскопом ИДМ-1.
На примере УКЗ, расположенных на КС- Октябрьская и КС- Каменск-Шахтинская, ознакомились с катодной поляризацией подземных коммуникаций в различных работах СКЗ:
- ручной,
- автоматической с поддержанием защитного потенциала,
- автоматическая с поддержанием электрического тока.
Были организованны две поездки на КС Октябрьскую и КС Каменск- Шахтинскую. Познакомились с техническим оборудованием.
Посетили главный щит управления, где ознакомились с работой диспетчера. Наблюдали работу коррозионного мониторинга и телеуправления установок катодной защиты. Изучили оборудование для компримирования очистки охлаждения газа и подготовки топливного газа. Компрессорная станция позволяет регулировать режим работы газопровода при колебаниях потребления газа, максимально используя при этом аккумулирующую способность газопровода. Она служит управляющим элементом в комплексе сооружений, входящих в магистральный газопровод. Оборудование Октябрьской КС приспособлены к переменному режиму работы газопровода. Количество газа, перекачиваемого через КС регулируется включением и отключением работающих газоперекачивающих агрегатов, изменением частоты вращением силовой турбины и газотурбинным проводом.
Каменск- Шахтинская станция более современная и энерго-экономичная. Технологический процесс ничем не отличается, но по сравнению с Октябрьской КС применяется спецоборудование высшего уровня.
Руководители практики провели ознакомительные занятия на установках катодной защиты, расположенных на территории КС, где мы увидели работу средств ЭХЗ.
В период практики получен бесценный опыт:
1) в расчистке просек лесопосадок под ВЛ (воздушных линий) - 10кВ,
2) в восстановлении лакокрасочного покрытия контрольно- измерительных пунктов, установок катодных защит, ограждений.
3) в восстановлении КЛ (кабельных линий) постоянного тока от СКЗ
( станции катодной защиты) к АЗ ( анодное заземление) на ГРС Новочеркасск-3.
4) в погрузочных и разгрузочных работах.
Эта практика прошла не зря, и мы смогли применить свои полученные знания и узнать много нового о нашей специальности.
Эта практика прошла не зря, и мы смогли применить свои полученные знания и узнать много нового о нашей специальности.
Список литературы.
1.Жук Н.П. «Курс теории коррозии и защиты металлов» Альянс, Москва. 2006 год.
2.Семенова И.В. и д.р. «Коррозия и защита от коррозии» М.:ФИЗМАТЛИ Т. 2002 год.
3.Пахомов В.С. , Шевченко А.А. «Химическое сопротивление металлов» М.:МГУИЭ. 2009 год.
4.Андреев И.Н. «Введение в электрохимические технологии» М: высшая школа. 2000 год.
5.Ткаченко В.Н. «Электрохимическая защита трубопроводных сетей» . М.: Стройиздат. 2004 год.