автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.03, диссертация на тему:Исследование влияния катодной поляризации на защитные свойства ленточных изоляционных покрытий подземных трубопроводов

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О МЕХАНИЗМЕ ПОДЗЕМНОЙ КОРРОЗИИ МЕТАЛЛА И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ СРЕДСТВ ПРОТИВОКОРРОЗИОННОЙ ЗАЩИТЫ.

1.1. Природа коррозионных процессов и механизм подземной коррозии металлов

1.1.1. Современные представления о подземной коррозии металлов.

1.1.2. Свойства грунтов как коррозионно-активной среды.

1.2. Современное состояние средств защиты от коррозии магистральных подземных трубопроводов.

1.2.1. Противокоррозионная защита подземных трубопроводов полимерными покрытиями.

1.1.1.1. Современные представления о механизме защитного действия полимерных покрытий.

1.1.1.2. Основные типы противокоррозионных полимерных покрытий.

1.2.2. Сущность и принципиальная схема катодной защиты.

1.1.1.3. Влияние катодной поляризации на состояние системы защищаемое сооружение - покрытие - грунт.

1.3. Выбор объектов исследования. Постановка задачи исследования.

Глава 2. МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1. Методика определения нормального давления грунта на поверхность трубопровода.

2.2. Подготовка образцов для испытаний.

2.2.1. Подготовка поверхности металла основы.

2.2.2. Нанесение покрытий.

2.2.3. Контроль качества нанесенных покрытий.

2.3. Методика измерения потенциалов.

2.4. Методика катодной поляризации образцов.

2.5. Методика измерения переходного сопротивления покрытий.

2.5.1. Обработка результатов измерений.

2.6. Методика определения адгезионной прочности противокоррозионных покрытий к стали.

2.7. Методики изучения влияния катодной поляризации на диффузионные характеристики полимерных противокоррозионных покрытий.

2.7.1. Емкостно-омический метод исследования проницаемости покрытий.

Глава 3. Катодная защита подземного изолированного трубопровода.

3.1. Исследование кинетики изменения переходного сопротивления полимерных противокоррозионных покрытий и измерение стационарных потенциалов стали под покрытиями.

3.2. Анализ причин резкого снижения переходного электросопротивления реальных покрытий.

3.2.1. Условия службы противокоррозионных покрытий подземных трубопроводов.

3.2.2. Нормальное давление грунта на изолированную поверхность трубопровода.

3.2.3. Исследование кинетики изменения переходного сопротивления полимерных противокоррозионных покрытий и измерение стационарных потенциалов стали под покрытиями в условиях воздействия нормального давления на покрытие.

Глава 4. Исследование влияния катодной защиты на защитные свойства праймеров.

4.1. Исследование кинетики изменения защитных свойств грунтовочных покрытий в условиях катодной поляризации электрохимическими методами.

4.2. Исследование влияния катодной поляризации на адгезионную прочность грунтовочных материалов.

4.3. Емкостно-омические исследования грунтовочных покрытий.

4.4. Обсуждение результатов.

ВЫВОДЫ.

Актуальность работы

Трубопроводы, предназначенные для транспортировки воды, газа, нефти и других жидкостей, а также металлические резервуары и нефтехранилища — дорогостоящие и длительное время морально не стареющие сооружения, рассчитанные на долговременную эксплуатацию — до нескольких десятков лет.

Надежная и бесперебойная работа трубопроводов и наземных металлических сооружений в значительной степени определяется эффективностью их противокоррозионной защиты. В противном случае они подвергаются интенсивному коррозионному разрушению. Материальные убытки потерь от коррозии в промышленно развитых странах составляют несколько процентов национального валового продукта и постоянно увеличиваются не только из-за высокой стоимости капитального ремонта (например, переизоляции трубопроводов или окраски резервуаров), но и больших затрат, связанных с обеспечением экологической безопасности. "Косвенные" потери от коррозии трудно поддаются точной оценке и нередко превышают убытки от прямых потерь. Так, коррозионное разрушение нефтепроводов приводит не только к потере сырья, но и к огромным материальным затратам, обусловленным простоем многочисленных промышленных предприятий, загрязнением окружающей среды.

Актуальность проблемы эффективной защиты нефтепроводов, резервуаров и хранилищ от различных видов коррозионного разрушения не вызывает сомнений. Значительная протяженность нефтепроводов, большое количество металлических резервуаров и нефтехранилищ, а также разнообразие почвенно-климатических условий их строительства и эксплуатации, влияющих на долговечность и надежность эксплуатации подземных и наземных металлических сооружений, требуют от проектантов, строителей и эксплуатационщиков определенных знаний свойств различных типов современных изоляционных материалов и защитных покрытий.

Цель работы:

Изучение влияния катодной поляризации стальной поверхности на защитные свойства ленточных полимерных покрытий, применяемых при противокоррозионной защите подземных трубопроводов.

Научная новизна

• показано, что при отсутствии механических дефектов в полимерной пленке-основе стационарный электродный потенциал на поверхности изолированного металла не устанавливается, по меньшей мере, в течение года экспозиции в коррозионно-активной среде.

• выявлена возможность нарушения сплошности полимерной пленки-основы в точках с максимальной величиной нормального давления

• экспериментально показано, что воздействию поляризующего тока при катодной защите подвергаются только грунтовочный и адгезионный слои ленточного противокоррозионного покрытия

• электрохимическими методами изучено влияние катодной поляризации в пределах, установленных ГОСТ для параметров катодной защиты, на защитные свойства грунтовочных покрытий, применяемых при нанесении полимерных противокоррозионных покрытий. 6

Практическая значимость

На основании проведенной работы получены данные по оптимальному количеству слоев грунтовочного покрытия, сохраняющего высокие защитные свойства в условиях воздействия катодной поляризации. Применение полученных результатов позволит значительно повысить срок службы изоляционных покрытий и тем самым снизить эксплуатационные затраты при обслуживании подземных трубопроводов.

Апробация работы

Основные результаты и положения работы докладывались на III Международном Конгрессе «Защита-98» (г.Москва, июнь 1998г.), на четвертой научно-технической конференции «актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» (г. Москва, январь 2001г.), на VI Китайско-Российском симпозиуме «Новые материалы и технологии XXI века» (г.Пекин, октябрь 2001г.)

Публикации по материалам диссертации опубликовано 4 работы.

ВЫВОДЫ

1. Показано, что при отсутствии механических дефектов в полимерной пленке-основе стационарный электродный потенциал на поверхности изолированного металла не устанавливается, по меньшей мере, в течение года экспозиции в нейтральной коррозионно-активной среде

2. Распределение нормального давления на поверхность трубопровода по его периметру является крайне неравномерным и изменяется от нуля в «пазухах» до значений, в два раза превышающих «гидростатическое» давление столба грунта.

3. Изменение коэффициента трения грунта о поверхность трубопровода, вызванное нанесением на нее изоляционного покрытия не оказывает влияния на величину нормального давления грунта на поверхность трубопровода и его распределение по периметру трубы.

4. В местах контакта частиц грунта с полимерным покрытием возможно развитие давлений, достаточных для механического разрушения полимерной пленки-основы, что приводит к проникновению коррозионной среды к поверхности защищаемого металла.

5. При нарушении сплошности пленки-основы адгезионный слой сохраняет защитные свойства за счет связывания активных центров на поверхности металла.

6. При протекании тока катодной поляризации через грунтовочный слой его защитные свойства со временем снижаются.

7. Плотность тока поляризации увеличивается по истечении некоторого инкубационного периода, продолжительность которого зависит от поляризационного потенциала и характеристик покрытия.

8. Увеличение числа слоев грунтовочного покрытия до трех приводит к перекрыванию сквозных пор, имеющихся в отдельных слоях и

1. Системная надежность трубопроводного транспорта углеводородов. Подобщей ред. В.Д.Черняева, М., «Недра», 1997.

2. ИзгарышевН.А., Горбачев С.В. Курс теоретической электрохимии, М.,1. Госхимиздат, 1951

3. Фрумкин А.Н., Багоцкий B.C., Иофа З.А., Кабанов Б.Н. Кинетикаэлектродных процессов. М., Издательство МГУ, 1952

4. Антропов Л.И. Теоретическая электрохимия. М., «Высшая школа», 1975

5. Акимов Г.В. Основы учения о коррозии и защите металлов. М.,1. Металлургиздат, 1946.

6. Томашов Н.Д. Теория коррозии и защиты металлов М.: АН СССР, 1959

7. Томашов Н.Д. Чернова Г.П. Коррозия и коррозионностойкие сплавы1. М. Металлургия, 1973

8. Жук Н.П. Курс коррозии и защиты металлов. Москва, «Металлургия», 1976г.

9. Жук Н.П. "Коррозия и защита металлов. Расчеты". Москва, Машгиз, 1957г.

10. Эванс Ю. Р. Коррозия, пассивность и защита металлов.-М.-Л: Металлургиздат, 1941.

11. Эванс Ю. Р., Коррозия и окисление металлов, М., 1962

12. Розенфельд И.Я. Защита металлов от коррозии лакокрасочными покрытиями. -М., «Химия», 1987.

13. Цикерман Л.Я., Красноярский В.Е. Противокоррозионные покрытия для подземных трубопроводов М., Гостопиздат, 1962

14. Защита металлических сооружений от подземной коррозии// Стрижевский И.В., Зиневич A.M., Никольский К.К. и др. М., «Недра», 1981.

15. Стрижевский И.В. Современные методы определения опасности коррозии и защищенности нефтепромысловых сооружений. М. ВНИИОЭНГ, 1973

16. Стрижевский И.В., Сурис A.M. Защита подземных теплопроводов от коррозии. -М., Энергоатомиздат, 1983

17. Виленский Д.Г. География почв М., Высшая школа, 1961

18. Воронин В.И., Воронина Т.С. Изоляционные покрытия подземных нефтегазопроводов. М., ВНИИОЭНГ, 1990г.

19. Стеклов О.И. Стойкость материалов и конструкций к коррозии под напряжением. М., «Машиностроение», 1990.

20. J.R.Galvele Past, Present and Future of Stress Corrosion Cracking -Corrosion, 1999, vol.55, No8, p. 723-731

21. Халлыев H.K., Селиверстов В.Г. и др. Диагностика и выборочный ремонт основа эффективной эксплуатации трубопроводов. М., «ИРЦ Газпром», 2000.

22. ГОСТ Р 51164-98 «Трубопроводы стальные магистральные. Общие требования к защите от коррозии» М., Госстандарт России, 1999.

23. Фокин Г.С. Коррозия и защита от коррозии. М.: ВИНИТИ, 1994.

24. Кузнецов М.В, Новоселов В.Ф., Тугунов П.И., Котов В.Ф. Противокоррозионная защита трубопроводов и резервуаров. М.: Недра, 1992

25. Герасименко А. А. Защита от коррозии, старения и биоповреждениймашин, оборудования и сооружений. Справочник. М.: Машиностроение,1987.

26. Санжаровский А.Т. Физико-механические свойства полимерных и лакокрасочных покрытий. М., «Химия», 1978

27. Санжаровский А.Т. Методы определения механических и адгезионных свойств полимерных покрытий. М., Наука, 1974.

28. Глазков В.И., Глазов Н.П., Петров Н.А. Коррозия и защита подземных трубопроводов М., ВНИИОЭНГ, 1972

29. Глазов Н.П., Ловачев В.А. Катодная защита стальных сооружений от коррозии прерывистым током. М., ВНИИОЭНГ, 1976, стр.5

30. Михайловский Ю.Н., Леонов В.В., Томашов Н.Д. Измерение сопротивления изоляционных покрытий на металлах, погруженных в электролит. Защита металлов, 1965, т.1, №5, стр. 577-584

31. Петрусенко Е.В., Санжаровский А.Т., Потапов В.Б. Разработка технологии изоляции труб полиэтиленовым покрытием, нанесенным по слою адгезива-расплава. //Защита-98. Тезисы докладов III Международного Конгресса, М.:1998.

32. Гарбер Ю.И. Взаимодействие изоляционного полиэтиленового покрытия трассового нанесения с окружающим грунтом //Строительство трубопроводов, 1992, №9, стр. 28-30

33. Белоглазов С. М, Ягунова JL К., Ягунова Е. Г. Исследование процесса коррозии стали под пленкой набухшего полимера. Тезисы докладов II Международного Конгресса, М., 1995.

34. Рейтлингер С.А. Проницаемость полимерных материалов

35. F.Belucci, L.Nicodemo Water Transport in Organic Coatings Corrosion, 1993, Vol. 49, No.3, p.235-247

36. Заиков Г.Е., Иорданский A.JI., Маркин B.C. Диффузия электролитов в полимерах. М., «Химия», 1984

37. Протасов В.Н. Состояние и перспективы полимерных покрытий в нефтегазопромысловом оборудовании. // Защита-95.Тезисы докладов II Международного Конгресса, М., 1995.

38. Зимон А.Д. Адгезия пленок и покрытий М., Химия, 1977

39. Стрепихеев А.А., Деревицкая В.А. Основы химии высокомолекулярных соединений. М., «Химия», 1976

40. Изоляционные материалы и покрытия для нефтепроводов и резервуаров. — М.: ТОО"Журнал ЖМ", 1998.

41. Алексашин А.В., Рыжов С.А. Применение противокоррозионной защиты при ремонте и реконструкции газопроводов// Реконструкция, ремонт и техперевооружение противокоррозионной защиты объектов отрасли материалы отраслевого совещания. М, ИРЦ «Газпром», 2001г.

42. Скугорова JI.П. Изоляционные противокоррозионные покрытия газонефтепроводов М., МИНХ и ГП им. И.М.Губкина, 1978

43. Скугорова Л.П. Металловедение и трубопроводостроительные материалы М., «Недра, 1987

44. В.С.Учайкин «Антикоррозионное трехслойное полиэтиленовое покрытие стальных труб диаметром 530-1429мм» //Транспорт и хранение нефтепродуктов, 1999г., №9-10, стр.15-17

45. Шешуков А. В. Комплекс лакокрасочных материалов для защиты от коррозии трубопроводов различного назначения.// Защита-95.Тезисы докладов II Международного Конгресса, М., 1995.

46. Мурадов А. В. Дисс. на соиск. уч. ст. к.т.н., М., МИНХ и ГП, 1979.

47. Яковлев А.Д., Эдор В.Ф., Каплан В.И. «Порошковые полимерные материалы и покрытия на их основе.»,Л., Химия, 1971

48. J.A.Nunn Two-Layer Coating Effective with High temperature Lines//Pipe Line Industry, 1993, vol.76, №3, p.61-63

49. Протасов B.H. Полимерные покрытия нефтепромыслового оборудования. Справочное пособие, М., «Недра», 1994

50. Зиневич A.M. и др. Антикоррозионные покрытия М., Стройиздат, 1989г.

51. Груздев А.А., Тютьнев A.M., Черкасов Н.М. Новые материалы, технологии и оборудование для защиты магистральных нефтепроводов от коррозии //Трубопроводный транспорт нефти, 1998, №1стр. 20-21

52. Гладких И.Ф., Черкасов Н.М., Ибрагимов М.Ш., Петров А.П. Новый антикоррозионный материал «Асмол» // Трубопроводный транспорт нефти, 1998, №12, стр. 10-11

53. Сухарева JI.A., Простяков В.М., Балавенцева В.К., Менькова Т.И.,

54. Елисаветский A.M. Полимерная композиция для покрытия. Патент: RU2067106-С1. 1996.

55. Аль-Аяни А. М. Дисс. на соиск. уч. ст. канд техн. наук. М., РГУНГ им. И.М.Губкина, 2002

56. Черкасов Н.М., Колосницын B.C., Гладких И.Ф., Деменева А.А. Исследования защитных свойств полиуретановых покрытий ПУ-1 и NORCO //Трубопроводный транспорт нефти, 1999, №1, стр.37-39

57. Розенфельд И.Л., Рубинштейн Ф.И. Антикоррозионные грунтовки и ингибированные лакокрасочные покрытия. М.: Химия, 1980.

58. Гизатуллин P.P., Старочкин А. В. Рамеев М.К., Сайфутдинов М.И. Антикоррозионные свойства клеевых грунтовок для пленочной изоляции трубопроводов// Трубопроводный транспорт нефти, 1997, №6, стр. 25-26

59. Санькова М.В. Дисс. на соиск. уч. ст. канд техн. наук. М., МИНГ им. И.М. Губкина, 1988

60. Ронкин Г.М. Свойства и применение бутилкаучука М., «Химия», 1974

61. Глазов Н.П. «Подземная коррозия трубопроводов, ее прогнозирование и диагностика», о.и., Москва, «Газовая промышленность», 1994г.

62. Report of Working Committee "Transmission of Gases", 21st World Gas Conference Nice, France, 2000

63. Бэкман В., Швенк В. "Катодная защита от коррозии". Справочник. Москва, Металлургия, 1984г.

64. Peabody A.W. Control of Pipeline Corrosion Houston, NACE, 1967

65. Пригула В.В. Пути повышения эффективности защиты трубопроводов. -М. ВНИИОЭНГ, 1983, стр.47-50

66. Кисилев В.Г. «Информационное и технологическое обеспечение электрохимической защиты трубопроводов», Москва, ИРЦ Газпром, 1999г.

67. Ткаченко В.Н. «Электрохимическая защита трубопроводных сетей» Волгоград, 1997г.

68. Глазов Н.П., Радченко В.В. Новые требования по противокоррозионной защите магистральных трубопроводов // Трубопроводный транспорт нефти, 1997, №5, стр. 14-18

69. Стрижевский И.В., Ренжин М.Н. и др. Зависимость рН приэлектродного слоя от потенциала при катодной поляризации железа, алюминия и свинца// в сб. Коррозия и защита городских подземных металлических сооружений. -М., 1976, стр. 107-118

70. Королев А.И. Некоторые вопросы катодной защиты металлоконструкций// Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе, №5, 2001, стр. 37-39

71. Санькова М.В., Санжаровский А.Т., Волкова И.В. Кинетика изменения адгезионной прочности ряда полимеров в процессе длительного котакта с щелочной средой.// в сб. «Изоляционные материалы для защиты трубопроводов» М., ВНИИСТ, 1987, стр.9

72. Веселова Т.В., Санжаровский А.Т., Круг Г.И., Санькова М.В. Исследование и разработка грунтовок для противокоррозионной защиты трубопроводов. Тезисы докладов семинара «Новые достижения в области противокоррозионной защиты» Ереван, 1985, стр.52-53

73. Санжаровский А.Т., Потапов В.Б., Петрусенко Е.В., Уразов Б.В. Изоляционные материалы и покрытия для защиты труб от коррозии// Строительство трубопроводов, 1997, №1-2, стр.21

74. Т.И.Маняхина Влияние различных факторов на свойства катодных осадков // в сб. «Повышение эффективности ЭХЗ подземных трубопроводов от почвенной коррозии» М., ВНИИСТ, 1986, стр.59

75. Влияние катодной защиты на битумные покрытия, М., 1956.

76. В.Н.Протасов Полимерные покрытия в нефтяной промышленности -М., «Недра», 1985

77. Ефимова A.M., Маняхина Т.И., Глазков В.В., Кактусова Ф.В. Влияние комплекса факторов на защитные свойства изоляционных покрытий трубопроводов // в сб. «Повышение эффективности ЭХЗ подземных трубопроводов от почвенной коррозии» М., ВНИИСТ, 1986, стр.27

78. Погосян B.C. Технология эксплуатации антикоррозионных покрытий подземных трубопроводов М., 1991

79. NACE Standard RP 0169-96 Control of External Corrosion on Underground or Submerged Metallic Piping Systems

80. Т. Kamimura, H.Kishikawa Mechanism of Cathodic Disbonding of Tree Layer Polyethilene-Coated Steel Pipe Corrosion, vol.54, Nol2, p.979-987

81. Карякина М.И. Лабораторный практикум по испытанию лакокрасочных материалов и покрытий М., «Химия», 1977

82. Лакокрасочные покрытия. Технология и оборудование М., «Химия»,1992

83. Новые методы исследований коррозии металлов. М., «Наука», 1973

84. Малкин А.Я., Чалых А.Е. Диффузия и вязкость полимеров. Методы измерения. М.: Химия, 1979

85. Генкина Л.Г. Дисс. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук, М., ВНИИСТ, 1984.

86. СНиП 2.05.06-85 «Магистральные трубопроводы» Минстрой России-М: ГУПЦПП, 1997

87. Распределение и корреляция показателей физических свойств горных пород Справочное пособие под ред. Акад. Н.В. Мельникова, М., «Недра», 1981

88. ВСН 008-88 Строительство магистральных и промысловых трубопроводов противокоррозионная и тепловая изоляция М.: ВНИИСТ, 1989

89. Строительство магистральных трубопроводов Справочник, М., «Недра», 1991

90. ГОСТ 15140-78 Материалы лакокрасочные Методы определения адгезии (с Изменениями N 1, 2, 3) М., ИПК Издательство стандартов, 1996

91. Гарбер Ю.И., диссертация на соиск. уч. ст. канд. техн. наук, М., 1978

92. Фрейман Л.И., Макаров В.А., Брыксин И.Е. Потенциостатические методы в коррозионных исследованиях и электрохимической защите. Л., «Химия», 1972г.

93. Левин А.И., Помосов А.В. Лабораторный практикум по теоретической электрохимии. М., «Металлургия», 1979

94. Ненахов С.А., Корочкина Н.Н. Экспериментальные методы исследования адгезии в системах полимер-металл. М., 1988

95. Головин В.А. Дисс. на соиск. уч. степени докт. техн. наук. М., ГАНГ им. И.М.Губкина, 1996

96. Лащевская Э.Л. дисс. на соиск. уч. ст. к.т.н., М., МИНХ и ГП имени И.М.Губкина, 1975г.

97. J.R.Scully, S.T.Hensley Lifetime Prediction for Organic Coatings on Steel and a Magnesium Alloy Using Electrochemical Impedance methods// Corrosion, 1994, Vol.50, No9, pp.705-716

98. Протасов B.H., Шрейдер A.B., Бикчентаев P.M. Исследование защитных свойств полимерных покрытий в сероводородсодержащих средах. НТС «Коррозия и защита в нефтегазовой промышленности» -М., ВНИИОЭНГ, №8, 1977г.

99. Бикчентаев P.M. дисс. на соиск. уч. ст. к.т.н., М., МИНХ и ГП имени И.М.Губкина, 1979г.

100. Защита подземных металлических сооружений от коррозии -справочник/ И.В.Стрижевский, А.Д.Белоголовский, В.И.Дмитриев и др. Москва, Стройиздат, 1990г

101. Коррозия и защита подземных трубопроводов /Москва, ВНИИОЭНГ, 1972г.117

102. R.R.Fessler, A.G.Markworth, R.N.Parkins Cathodic Protection Levels Under Disbonded Coatings Corrosion, 1983, Vol.39, No.l, p.20-25

103. F. Gan, S.-W. Sun, G. Sabde, D.-T. Chin Cathodic Protection to Mitigate External Corrosion of Underground Steel Pipe Beneath Disbonded Coating -Corrosion, 1994, Vol.50, No.10, p. 804-816

104. Основы прогнозирования противокоррозионного действия и долговечности лакокрасочных и полимерных покрытий промысловых трубопроводов Рязань, 1994

105. Борисов Б.И. Несущая способность изоляционных покрытий подземных трубопроводов М., «Недра», 1986

106. Ярошенко В.А., Андреев О.В., Прокопович А.Г., Водопропускные трубы под железнодорожными насыпями. М., Трансжелдориздат, 1952.

107. Гинзбург Э.С. Дисс. на соиск. уч. ст. канд техн. наук. М., 1974

108. Вакула B.JL, Притыкин JI.M. Физическая химия адгезии полимеров -М., «Химия», 1984