Захист нафтопромислового обладнання від корозії

Захист нафтопромислового обладання  від корозії

Вступ 
1. Види корозії 
2. Причини і механізм корозії трубопроводів 
3. Способи захисту трубопроводів від корозії 
4. Захисні покриття для трубопроводів 
5. Способи електрохімічного захисту 
6. Катодний захист 
7. Протекторний захист 
8. Електродренажний захист

Вступ

Трубопроводи  і обладнання в процесі експлуатації піддаються процесу корозії. 
Корозія металу труб відбувається як зовні під впливом грунтового електроліту (в грунті завжди знаходиться волога і розчинені в ній солі), так і всередині, внаслідок домішок вологи, сірководню та солей, містяться в транспортуються вуглеводневій сировині. Корозія металевих споруд завдає великої матеріальної і економічний збиток. Вона призводить до передчасного зносу агрегатів, установок, лінійної частини трубопроводів, скорочує міжремонтні терміни обладнання, викликає додаткові втрати продукту, що транспортується. 
При підземному прокладанні сталеві трубопроводи піддаються грунтової корозії. В грунтах майже завжди містяться солі, кислоти, луги та органічні речовини, які шкідливо діють на стінки сталевих труб. У деяких випадках така корозія може викликати дуже швидке поява наскрізних свищів в металі труби і цим вивести трубопровід з ладу, такі руйнування відбуваються особливо часто в трубопроводах, покладених без достатнього захисту від корозії. 
Успішний захист трубопровідних систем від корозії може бути здійснений при своєчасному виявленні корозійних руйнувань, визначенні їх величини і виборі захисних заходів. У початковий період експлуатації стан трубопроводу визначається якістю проектування і будівництва. Вплив цих факторів зменшується в часі і домінуюче значення набувають умови роботи трубопроводу. У процесі роботи зміну технічного стану транспортної магістралі відбувається під впливом експлуатаційних факторів, одним з яких є корозія внутрішньої і зовнішньої поверхні труб. При електрохімічного захисту підземних трубопроводів потрібно виконувати ряд вимірювань: різниці потенціалів труба-земля; поляризаційного потенціалу на трубопроводі; величину корозійної активності грунтів; стан ізоляційного покриття. Перераховані вимірювання дозволяють оцінити залишковий експлуатаційний ресурс труб з урахуванням ефекту старіння металу. 
Періодичність процедур діагностування і прогнозування технічного стану нафтопроводу залежить від часу експлуатації трубопроводу, оскільки, як правило, перші корозійні прояви виявляються після шести років експлуатації. У зв'язку з цим складаються річні плани і графіки профілактичного обстеження підземних нафтопроводів, в результаті якого виявляються дефекти поверхні трубопроводу і його ізоляційного покриття. Виявлені великі дефекти усуваються. 
В роботі розглянуті види корозії, якій піддаються трубопроводи при тривалій експлуатації, причини корозії трубопроводів, а також способи захисту трубопроводів від корозії. 

1. Види  корозії

Корозія в  залежності від механізму реакцій, що протікають на поверхні металу, підрозділяється  на хімічну і електрохімічну. 
Хімічна корозія являє собою процес руйнування металу при взаємодії з сухими газами (газова корозія) або рідкими неелектролітами (Корозія в неелектролітів) за законами хімічних реакцій і не супроводжується виникненням електричного струму. Продукти корозії в цьому випадку утворюються безпосередньо на всій ділянці контакту металу з агресивним середовищем. 
При тривалій експлуатації трубопроводів, захищених тільки ізоляційним покриттям, виникають наскрізні корозійні пошкодження вже через 5-8 років після укладання трубопроводів у грунт внаслідок грунтової корозії, так як ізоляція з часом втрачає міцнісні властивості і в її тріщинах починаються інтенсивні процеси зовнішньої електрохімічної корозії. Суть процесів електрохімічної корозії полягає в наступному. 
Електрохімічна корозія (корозійне руйнування) виникає під дією корозійно-активного середовища, різноманітна за характером, викликає більшість корозійних руйнувань трубопроводів і обладнання. Електрохімічна корозія протікає з наявністю двох процесів - катодного і анодного. 
Електрохімічна корозія є гетерогенною електрохімічної реакцією. Вона підрозділяється на корозію в електролітах, грунтову, електрокорозії, атмосферну, біокоррозія, контактну. У всіх випадках окислення металів відбувається за рахунок виникнення електричного струму, протікають анодні і катодні процеси на різних ділянках поверхні і продукти корозії утворюються на анодних ділянках. При електрохімічної корозії одночасно протікають два процеси - окислювальний (Аноідний), що викликає розчинення металу на одній ділянці, і відновний (Катодний), пов'язаний з виділенням катіона з розчину, відновленням кисню і інших окислювачів на іншому. В результаті виникають мікрогальваніческіе елементи, і з'являється електричний струм, обумовлений електронною провідністю металу і іонною провідністю розчину електроліту. Анодні і катодні процеси локалізуються на тих ділянках, де їх протікання полегшено. Причини, що викликають електрохімічну неоднорідність поверхні, дуже численні: макро-і мікронеоднорідності металу; фазова і структурна неоднорідність сплавів; неоднорідність і несуцільне поверхневих плівок; неоднорідність деформацій і напружень. Крім того, неоднорідні і рідкі фази, що контактують з поверхнею. 
Види корозії: а - плямами; б - виразкова; в - точкова; г -Підповерхнева; д - структурно-виборча; е-міжкристалітна; е-корозійне розтріскування 
Енергетична характеристика переходу іонів в розчин при взаємодії металу з електролітом або назад - електродний потенціал. При взаємодії металу з водою відбувається його розчинення або руйнування, тому атоми кисню і водню води утворюють полярні молекули з двома полюсами (В«+В» і В«-В»), що призводить до виникненню силового електричного поля у воді. Молекули води впроваджуються в кристалічну решітку металу на його поверхні (відбувається гідратація), і переходячи в воду з утворенням іон-атома несучого позитивний заряд. При цьому залишилися в металі електрони носять негативний заряд. Іон-атом оточується молекулами води, відбувається утворення в поверхні металу подвійного електричного шару і виникає різниця потенціалів між поверхнею металу і шарами розчину, прилеглими до нього. При насиченні шару іон-атомами перехід їх з поверхні металу в розчин припиняється. У цьому випадку встановлюється рівновагу між різницею потенціалів в шарі і різницею між вільними енергіями іонів металу в металі і в розчині. Це стан відповідає рівноважного електродному потенціалу. Він залежить від властивостей іонів, їх концентрації в розчині. Електродний потенціал платинового електрода в розчині НС, що містить іони водню, що продувається через розчин, умовно приймається рівним

Види  корозії: а - плямами; б - виразкова; в - точкова; г -Підповерхнева; д - структурно-виборча; е-міжкристалітна; е-корозійне розтріскування

Енергетична характеристика переходу іонів в  розчин при взаємодії металу з  електролітом або назад - електродний  потенціал. При взаємодії металу з водою відбувається його розчинення або руйнування, тому атоми кисню  і водню води утворюють полярні  молекули з двома полюсами (В«+В» і В«-В»), що призводить до виникненню силового електричного поля у воді. Молекули води впроваджуються в кристалічну  решітку металу на його поверхні (відбувається гідратація), і переходячи в воду з утворенням іон-атома несучого позитивний заряд. При цьому залишилися в металі електрони носять негативний заряд. Іон-атом оточується молекулами води, відбувається утворення в поверхні металу подвійного електричного шару і виникає різниця потенціалів  між поверхнею металу і шарами розчину, прилеглими до нього. При насиченні  шару іон-атомами перехід їх з  поверхні металу в розчин припиняється. У цьому випадку встановлюється рівновагу між різницею потенціалів  в шарі і різницею між вільними енергіями іонів металу в металі і в розчині. Це стан відповідає рівноважного електродному потенціалу. Він залежить від властивостей іонів, їх концентрації в розчині. Електродний потенціал  платинового електрода в розчині  НС, що містить іони водню, що продувається через розчин, умовно приймається  рівним нулю, і називається нормальним водневим електродом. Рівноважні потенціали різних електродів% в розчинах власних  солей, в яких концентрація дорівнює одиниці, виміряні відносно нормального  водневого електрода, називається  нормальними потенціалами. Вони утворюють  нормальний електрохімічний ряд  напруг, по якому можна визначити, який із пари взятих металів буде руйнуватися (служити анодом), і ступінь небезпеки  корозійного процесу.

Згідно  теорії електрохімічної корозії  руйнація металу обумовлено роботою  безлічі короткозамкнутих гальванічних елементів, утворюються внаслідок  неоднорідності середовища і металу. При роботі корозійного елемента зменшується різниця початкових потенціалів, що супроводжується зменшенням корозійного струму. Цей процес називається  поляризацією. Розрізняють анодний  і катодну поляризацію. При анодній  поляризації в разі посиленого розчинення металу іони металу повільніше переходять в розчин, ніж елект...рони відводяться  в катодну область, і у поверхні електрода накопичуються позитивні  іони металу, потенціал анода зміщується у бік позитивних значень. Катодна  поляризація супроводжується зміщенням  потенціалу електрода в негативну  сторону і викликається в основному  малою швидкістю електрохімічної  реакції з'єднання деполяризатора з електронами. Ділянки, на яких розчиняється метал, називаються анодними, на них  іон-атоми заліза переходять у розчин, а на катодних - струм виводить в  грунт. Електрохімічні процеси на аноді  і катоді різні, але взаємопов'язані, і, як правило, самостійно не протікають. Така пов'язана система називається  корозійним мікроелементом. На анодних  ділянках здійснюється окислення з  утворенням іонів металу Fe +2 , а на катодних під впливом кисню утворюється  гідроокис (в результаті кисневої деполяризації).

Іони  заліза і гідроксилу взаємодіють  і утворюють нерозчинний осад Fe (OH) 2 , який розкладається на окис заліза і воду; Fe pH) 2 - В»Fe 2 O 3 + Н 2 Про Вивільняються  при окисленні електрони від  анодного ділянки по металу вироби протікають до катода і беруть участь в реакції відновлення.

У деяких випадках можливі складні процеси  корозії при одночасному впливі двох або більше факторів. До них  відносяться корозія під напругою, щілинна, корозійна ерозія, корозійна  кавітація. Швидкість корозійних процесів залежить від багатьох факторів, пов'язаних як з властивостями, складом і  будовою металевого матеріалу, так  і з властивостями середовища і зовнішніми впливами. Для сталевих трубопроводів, покладених в грунт, швидкість руйнування залежить багато в чому від кор-розіонності грунту, зокрема, від типу грунту, складу і  концентрації речовин, вмісту вологи, проникнення повітря в грунт, структури грунту, температури і  питомого опору грунту, наявності  в грунті бактерій, активізують корозійні  процеси. Оцінюється корозійна активність грунту по величині його питомого електроопору (Чим менше р, тим більше можливість корозії). Важливою характеристикою  грунту є і водневий показник рН середовища (збільшення швидкості корозії  при зменшенні рН). На інтенсивність  корозії впливає неоднорідність металу, механічні напруги, температури  і т.д. Неоднорідність металу призводить до появи корозійних мікроелементів (мікропар) в місцях зіткнення з  грунтом, або в місці зміни  фізичних властивостей грунту. Корозія  може відбутися і при утворенні  макропари через наявність макровключеній - окалини, подряпини, вм'ятини, наклепу, поперечних, поздовжніх зварних швів, макроструктурної неоднорідності фізико-хімічних властивостей грунтів, (Наприклад, при  неоднорідному надходженні кисню  до поверхні трубопроводу, розташованому  під полотном дороги). Істотний вплив  на швидкість корозії надає життєдіяльність  анаеробних бактерій, особливо в грунтах, що містять велика кількість сульфатних солей. У цьому випадку відбувається утворення сірчаної кислоти та посилення  корозійних процесів.

2. Причини  та механізм корозії трубопроводів

Основною  причиною корозії металу трубопроводів  і резервуарів є термодинамічна нестійкість металів. Саме тому переважна  більшість металів в земній корі знаходиться у зв'язаному стані  у вигляді оксидів, солей та інших  сполук. Згідно з другим законом  термодинаміки, будь-яка система  прагне перейти зі стану з більшою  енергією в стан з меншою енергією.

Енергія, якою володіють речовини, називається  хімічною енергією.Вона створюється  рухом електронів на електронних  орбітах атомів і молекул. За певних умов хімічна енергія може перетворюватися  на інші види енергії, здійснювати роботу (наприклад, роботу утворення хімічних сполук).

Стосовно  до речовин 2-й закон термодинаміки  звучить так: мимовільно відбуваються тільки такі хімічні перетворення, в результаті яких утворюються речовини з меншою хімічної енергією. Практично  для всіх металів (крім золота) при  утворенні оксидів, солей і т. д. це правило виконується. Тому окислення  металів, тобто їх корозія, в природних  умовах процес неминучий.

Практично круговорот металу в природі виглядає так. Металургійна промисловість, витрачаючи велику кількість енергії, здійснює відновлення металів з руд  у вільний стан, тобто переводить їх на більш високий енергетичний рівень. Однак, коли цей метал вже  у вигляді якоїсь конструкції  піддається дії окислювачів (кисню), він мимоволі переходить на більш  стабільне окислене стан.

Вплив неоднорідності складу металу

Для будівництва  трубопроводів застосовують маловуглецевої і низьколеговані сталі. Крім заліза вони містять вуглець (до 2%), легуючі  домішки (хром, нікель, марганець, мідь) і домішки, які неможливо повністю видалити в металургійному процесі (сірка, фосфор, кисень, азот, водень). Неоднорідний склад сталей сприяє виникненню корозійних пар в відповідному середовищі.

Вплив неоднорідності умов на поверхні металу

Для виникнення струму при електрохімічної корозії  металу необхідна наявність катодного  і анодного зон. З розгляду механізму  електрохімічної корозії слід, що інтенсивність процесу залежить від швидкості утворення іон-атомів металу (І вільних електронів), а  також наявності кисню і води. Враховуючи, що на швидкість утворення  іон-атомів впливає температура, концентрація розчину електроліту і інші зовнішні умови, можна зробити висновок, що якщо на поверхні одного і того ж  металу створити різні умови, то одна частина його поверхні стане анодом по відношенню до іншої.У першому  випадку анодом є електрод, поміщений  в підігрітий електроліт. Це пов'язано  з тим, що в підігрітому електроліті  розчинення металу відбувається більш  інтенсивно. Аналогічна картина спостерігається  і в слабоконцентрірованном розчині  власної солі в порівнянні з концентрованим розчином цієї солі. Нарешті, при подачі до одного з електродів повітря на ньому полегшується перебіг реакції  кисневої деполяризації, характерної  для катода.До освіти корозійних елементів  на поверхні трубопроводів приводить  різний доступ кисню до різних ділянок  його поверхні, різна вологість грунту, неоднорідність мікроструктури металу. Приклади виникнення корозійних елементів  наведені на рисунку 4.

Вплив складу середовища

Нафти являють  собою суміш різних вуглеводнів  з вуглеводневого компонентами (спирти, феноли, сполуки сірки, кисню і  ін.) Якщо граничні і неграничні вуглеводні абсолютно інертні до металам, то не вуглеводневого компоненти вступають  з ними в хімічну реакцію. Особливо небезпечні сірчисті сполуки (елементарна  сірка, сірководень, меркаптани), які  є причиною від 3 до 20% випадків корозійного  пошкодження внутрішньої поверхні трубопроводів. Сірчисті... сполуки  нафти потрапляють при її переробці  і в нафтопродукти.