Повышение эффективности электрохимической защиты магистральных газопроводов при наличии отслоений изоляционного покрытия
На правах рукописи
Шамшетдинова Наталия Каюмовна
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ электрохимической ЗАЩИТЫ
магистральных ГАЗопроводов
ПРИ НАЛИЧИИ отслоений изоляционного покрытия
Специальности:
25.00.19 - «Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов,
баз и хранилищ»
05.17.03 - «Технология электрохимических процессов и защита от коррозии»
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва – 2009
Работа выполнена в Обществе с ограниченной ответственностью «Научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий – Газпром ВНИИГАЗ»
Научный руководитель - кандидат технических наук
Петров Николай Александрович
Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор
Зорин Евгений Евгеньевич
кандидат химических наук
Кутырёв Алексей Евгеньевич
Ведущая организация - ООО «Газпром трансгаз Саратов»
Защита состоится 14 октября 2009 г. в 1330 часов на заседании диссертационного совета Д 511.001.02 при ООО «Газпром ВНИИГАЗ» по адресу:
142717, Московская обл., Ленинский р-н, пос. Развилка
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ООО «Газпром ВНИИГАЗ»
Автореферат разослан «10» сентября 2009 г.
Ученый секретарь диссертационного совета,
кандидат технических наук Курганова И.Н.
Общая характеристика работы
Актуальность темы. Магистральные газопроводы относятся к ответственным сооружениям, рассчитанным на долгий срок службы. В первоначальный период эксплуатации магистральных газопроводов отслоения изоляционного покрытия от стенок труб и соответственно защита от коррозии при наличии отслоений изоляционного покрытия были не столь актуальными. Однако в настоящее время коррозия под отслоившимся защитным покрытием («подпленочная» коррозия) относится к числу основных причин повреждений и отказов магистральных газопроводов.
Многолетний опыт эксплуатации магистральных газопроводов показал, что межремонтный период полимерного пленочного покрытия в зависимости от коррозионной агрессивности грунта, температуры и условий эксплуатации в несколько раз меньше нормативного срока эксплуатации магистральных газопроводов и составляет для различных диаметров труб в основном 7-15 лет.
Поэтому усовершенствование методов защиты от коррозии магистральных газопроводов при наличии отслоений изоляционного покрытия для повышения эксплуатационной надежности магистрального транспорта газа является актуальной задачей научных исследований.
Цель работы. Повышение надежности эксплуатации магистральных газопроводов при наличии отслоений изоляционного покрытия на основе усовершенствования методов определения режимов их электрохимической защиты.
Основные задачи исследований:
- систематизация причин возникновения, форм и мест расположения на газопроводе дефектов защитного покрытия, позволяющих выявить наиболее значимые факторы интенсивного протекания коррозии при отслоениях защитного покрытия;
- проведение расчетов и экспериментальных исследований распределения потенциалов электрохимической защиты по глубине щели, моделирующей отслоение защитного покрытия в виде складок и гофр различной конфигурации, при различной плотности катодного тока;
- определение влияния кинетики процесса деполяризации стали на коррозионное состояние газопровода под протяженно-отслоившимся защитным покрытием;
- разработка рекомендаций, повышающих эффективность электрохимической защиты в зонах отслоений защитных покрытий.
Научная новизна.
Впервые проанализированы сведения, содержащихся в актах обследования газопроводов в шурфах, по которым определены наиболее опасные факторы, определяющие развитие коррозии стали под отслоившимся покрытием в реальных условиях залегания газопровода. Установлено, что при обследовании газопровода в шурфе регистрируемые параметры коррозионного состояния газопровода не позволяют идентифицировать дефекты по видам их коррозионных поражений и разделять участки по степени их коррозионной опасности.
В работе впервые экспериментально определено, что смещение потенциала трубной стали, достигаемое в глубине зоны отслоения защитного покрытия с одним открытым устьем, оказывается достаточным для ее эффективной катодной защиты. Чем дальше от устья находится защищаемая поверхность, тем при меньшей плотности тока устанавливается защитный потенциал по сравнению с открытым дефектом.
Впервые экспериментальными исследованиями выявлена и объяснена одна из причин возникновения коррозии под отслоившимся изоляционным покрытием – функционирование коррозионных макроэлементов (КМЭ) после выключения тока поляризации в зонах отслоения. В связи с этим установлена безопасная длительность перерывов катодной защиты при проведении ремонтных, диагностических работ или аварийных отключениях электрохимической защиты магистральных газопроводов.
Защищаемые положения.
1. Регистрируемые в настоящее время параметры основных факторов коррозии при коррозионном обследовании газопровода в шурфе не позволяют идентифицировать дефекты по видам коррозионных поражений и ранжировать участки по степени их коррозионной опасности.
2. Экспериментально обоснован критерий безопасной длительности перерывов катодной защиты, неизбежно возникающих при проведении ремонтных, диагностических работ или аварийных отключениях электрохимической защиты магистральных газопроводов.
3. Экспериментально подтверждено, что для повышения эффективности электрохимической защиты газопровода от коррозии достаточно минимального смещения потенциала трубной стали в глубине зоны отслоения изоляционного покрытия с одним открытым устьем.
4. Экспериментально обоснована возможность увеличения защитного потенциала на устье отслоения относительно нормативного для повышения эффективности и увеличения зоны действия электрохимической защиты стали под отслоившимся изоляционным покрытием.
Практическая значимость. Разработаны рекомендации по повышению качества электрохимической защиты участков газопроводов, на которых имеются отслоения защитного покрытия, вошедшие в:
1. «Руководство по эксплуатации систем коррозионного мониторинга магистральных трубопроводов»;
2. СТО Газпром «Защита от коррозии. Проектирование электрохимической защиты подземных сооружений».
3. Разработана новая форма Акта коррозионного обследования газопровода в шурфе. Форма Акта внедрена в практику ООО «Газпром трансгаз Н. Новгород».
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: Всероссийской конференции «Проблемы коррозии и защиты металлов» (г. Тамбов, 1999 г.); Третьей всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России «Новые технологии в газовой промышленности» (г. Москва, 1999 г.); Конференции молодых специалистов, посвященной 300-летию горного дела в России (г. Москва, 2000 г.); Международной конференции «Электрохимическая защита и коррозионный контроль» (г. Северодонецк, 2001 г.); Четвертой всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России «Новые технологии в газовой промышленности» (г. Москва, 2001 г.); Научно-техническом Совете ОАО «Газпром» (г. Екатеринбург, 2002 г.); Х межрегиональной научно-технической конференции «Проблемы химии и химической технологии» (г. Тамбов, 2003 г.); Отраслевых совещаниях ОАО «Газпром» (г. Москва, 2000 г., 2002 г.; г. Саратов, 2003 г.; г. Барнаул, 2008 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 2 – в издании, входящем в «Перечень…» ВАК Минобрнауки РФ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав и выводов. Материал изложен на 115 страницах, содержащих 29 рисунков и 7 таблиц. Список использованной литературы включает 121 наименование.
Содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, научная и практическая значимость работы, приведены ее краткая аннотация и основные результаты.
В первой главе представлен обзор отечественной и зарубежной научной литературы о физико-химических условиях залегания, типах и характеристиках защитных покрытий и основных видах коррозии магистральных газопроводов. Проанализированы результаты экспериментальных исследований коррозии под отслоившимся защитным покрытием. Изучены вероятностно-статистические методы анализа причин коррозии и критерии оценки коррозионной опасности участков магистральных газопроводов. На основании проведенного анализа сформулированы задачи научных исследований.
Основное внимание в литературе уделяется коррозии трубопроводов и защите от нее в сквозных дефектах изоляционного покрытия. Подробно это изучено в работах Томашова Н.Д., Михайловского Ю.Н., Стрижевского И.В., Глазкова В.И., Глазова Н.П., Петрова Н.А., Кузнецовой Е.Г., Маршакова А.И., Leeds J.M., Bekmann W., Schwenk W. и других. Современные методы обследования газопроводов позволяют с высокой точностью определять места повреждения защитного покрытия газопровода, однако все эти методы могут обнаруживать только открытые дефекты изоляции. Коррозионные процессы стальной поверхности трубы достаточно изучены на сегодняшний день и имеют обоснованную регламентированную электрохимическую защиту.
Изучению электрохимической защиты под отслоившимся защитным покрытием до последнего времени уделялось мало внимания, так как ранее проблема отслоения изоляции была не столь актуальной. По указанной причине сведения по этой проблеме в научно-технической литературе малочисленны. Наибольший научный интерес представляют работы авторов: Розенфельд И.Л., Хижняков В.И., Martin B.A., Fesler R., R.Brouseau, F. Gan, Z.-W. Sun, G. Sabde, D.-T. Chin, Perdomo J.J., Song I. Однако, в этих работах в основном уделяется внимание процессу коррозии под отслоившимся защитным покрытием при различных физико-химических условиях, но практически не уделяется внимания влиянию электрохимической защиты на подавление скорости коррозии под покрытием. Методики расчета, предложенные различными авторами, в большинстве являются громоздкими и не точными, теоретические расчеты и выводы не имеют экспериментального или практического подтверждения.
Имеются попытки (ООО «ВНИИГАЗ», ИФХ РАН, ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ») создания методов обнаружения отслоений изоляции (так называемой «подпленочной» коррозии). Однако все они неудачны и пока не существует способов обнаружения таких дефектов покрытия. Поэтому представляет значительный научный и практический интерес изучение распределения токов и потенциалов под отслоившимся покрытием и защищенности стали с целью нахождения мер и технических решений, повышающих эффективность электрохимической защиты магистральных газопроводов от коррозии под отслоившимся покрытием при условии случайного расположения отслоений на газопроводе и больших различий электрофизических характеристик грунта по трассе газопровода.
Во второй главе описана методика статистических исследований условий «подпленочной» коррозии магистральных газопроводов по данным обследований газопроводов в шурфах. Для оценки влияния различных факторов на возникновение коррозии под отслоившимся покрытием проанализирована произвольная выборка актов обследования магистральных газопроводов 5 обществ по транспорту газа ОАО «Газпром». Коррозионные дефекты под пленочной изоляцией были выявлены в 71 случае по результатам внутритрубной дефектоскопии и уточнены обследованием газопроводов в шурфах. Данные, полученные от упомянутых пяти обществ по транспорту газа, приведены в табл. 1.
Таблица 1 - Распределение количества выявленных коррозионных дефектов (КД) при обследовании газопроводов в шурфах
| Общества по транспорту газа (условный номер) | Количество линейно-производственных управлений | Количество КД под покрытием, шт |
| Лентрансгаз (№1) | 1 | 5 |
| Тюментрансгаз (№2) | 6 | 12 |
| Волготрансгаз (№3) | 1 | 27 |
| Югтрансгаз (№4) | 6 | 22 |
| Волгоградтрансгаз (№5) | 4 | 5 |
При экспертной оценке принимались во внимание следующие параметры: длительность эксплуатации газопровода, сила тока ближайших установок катодной защиты, потенциалы в точках дренажа, удельное электрическое сопротивление грунта, степень прилипаемости изоляции, состояние обертки, температура стенки трубы, водородный показатель грунта, характеристики рельефа местности и угловая ориентация коррозионных повреждений по периметру трубы.
В третьей главе приведены теоретические исследования распределения плотности тока поляризации внутри отслоения. С целью предварительной оценки распределения тока по длине отслоения определены электрические проводимости цепи поляризации каждого электрода путем интегрирования проводимостей трубок тока в отслоении. Для этого разбили высоту отслоения h на n тонких пластинок толщиной y=h/n. Тогда длина отслоения разделилась также на n участков элементарной длины х=/n. Указанные отрезки образовали две последовательно и перпендикулярно соединенные трубки тока, каждая из которых представляет параллелепипед со своими размерами. Составив дифференциальное уравнение и решив его относительно проводимостей, находим, что плотность тока поляризации по длине (по электродам) в зависимости от напряжения на устье и площади электрода S без учета влияния смещения потенциала будет равна:
(1)
На рис. 1 приведены расчетные плотности тока по глубине отслоения (для каждого электрода) при потенциале металла на устье равном U0 = 1 В и удельном сопротивлении электролита = 1 Ом·м (1). Для получения плотности тока при других потенциалах и удельных сопротивлениях, приведенные на рисунке 1, данные изменяются прямо пропорционально потенциалу и обратно пропорционально удельному сопротивлению. Например, на рис. 1 (2) приведены расчетные плотности тока по глубине отслоения (для каждого электрода) при потенциале металла на устье равном U0 = 1 В для рабочего раствора с удельном сопротивлении электролита =10 Ом·м. Как видно, зависимости имеют аналогичный характер с раствором, имеющим 1 Ом.м, в соответствие с формулой (1). Расчет проведен для плоскопараллельной формы отслоения. Другие формы отслоения (шарообразная и
клиновидная) приводят к аналогичному распределению плотности тока, однако для них затухание по длине оказывается еще большим.
В четвертой главе описана методика экспериментальных исследований.
Так как в реальных условиях залегания газопровода невозможно детально исследовать эффективность электрохимической защиты внутри зоны отслоения, для решения поставленных научных задач в лабораторных условиях была создана оригинальная электрохимическая ячейка, физически имитирующая отслоение изоляционного покрытия газопровода, идентичное отслоению в натурных условиях. Физическая модель отслоения представлена на рис. 2.
Модель металла трубы – стальная полоса составлена из отдельных рабочих электродов, изолированных друг от друга и соединенных между собой электрическими проводами. Модель защитного покрытия – прозрачное силикатное стекло. Рабочие электроды представляли собой пластины из стали 17Г1С размером 20х20 мм со сквозным отверстием в центре диаметром 4 мм и с загнутым на 90° металлическим отводом размером 20х3х2 мм. Отверстия в центре электродов предназначены для измерения потенциала и тока непосредственно на каждом конкретном электроде. Перед проведением эксперимента поверхность образцов шлифовали до появления зеркального металлического блеска поверхности, промывали водой, высушивали фильтровальной бумагой, обезжиривали этиловым спиртом и затем промывали бидистиллированной водой.
Собранную модель погружали в пластмассовую кювету, заполненную рабочим электролитом. В качестве электролита использовали 0,01 М раствор NaCl, удельное электрическое сопротивление раствора 10 Ом.м. Раствор имитировал почвенный электролит, характерный для южной и частично умеренной почвенно-климатической зоны России. В качестве изолирующего материала применяли химически нейтральный пластичный герметик. В качестве электрода сравнения использован насыщенный хлорсеребряный электрод сравнения.
Катодную поляризацию осуществляли от автономного источника тока – сухих батарей. Для контроля потенциала использовали цифровой универсальный мультиметр типа 43313.1 (предел измерения напряжения постоянного тока 02 В, основная погрешность 0,5%, входное сопротивление более 10 МОм).
Отверстия, предназначенные для измерения потенциала, были закрыты резиновыми уплотнителями цилиндрической формы на время проведения эксперимента и открывались при проведении измерения (несколько секунд).
Необходимую толщину зазора отслоения устанавливали по первому электроду при помощи стандартного калибровочного щупа. Один из торцов, моделирующий устье отслоения, оставляли неизолированным (открытым). Таким образом, получили модели отслоения защитного покрытия типа «карман» с различной высотой зазора под изоляционным защитным покрытием.
Модель отслоения помещали в ванну с рабочим раствором, следя за тем, чтобы при заполнении полости электролитом под стеклом и в сообщающихся отверстиях отсутствовали воздушные пузыри. Для обеспечения катодной поляризации в ванну с погруженной в нее моделью на расстоянии 10 см от устья отслоения помещали магнетитовый анод.
Параметры элементов электрической схемы (рис. 3) определялись из электрических характеристик электролита и геометрических размеров модели отслоения изоляционного покрытия, а также из требуемого смещения потенциала.
Схема осуществления поляризации и измерения приведена на рис. 3. Поляризация осуществляется через регулировочные резисторы. Для каждого электрода имеется своя цепь поляризации, в которую включены шунты для измерения тока каждого электрода милливольтметром. На время длительной поляризации с целью исключения снижения величины силы тока сопротивлением шунта, последние замыкаются выключателями. На короткое время, необходимое для измерения падения напряжения на шунтах, шунтирующие контакты размыкаются.
Измерение электродного потенциала производится вольтметром через капилляр Габера-Луггина, измерительный конец которого подведен через отверстие в центре электрода непосредственно к металлической поверхности.
Время испытания для каждой толщины зазора в растворе составляло 5-7 суток. Последовательность измерения была следующая: 1) через 24 часа после погружения модели отслоения в ванну с рабочим раствором измеряли естественные потенциалы рабочих электродов; 2) включали ток поляризации на минимально возможное значение периодически (2-3 раза) измеряя потенциалы рабочих электродов в течение суток; 3) переключениями повышали ток поляризации для установления максимально возможного (согласно ГОСТ Р 51164-98) значения защитного потенциала на устье отслоения.
Для определения влияния переходного процесса деполяризации на коррозию стали через 24 часа поляризации на максимальном токе, при котором достигался защитный потенциал электрода на устье отслоения, последовательно, начиная с первого электрода от устья отслоения, отключали поляризацию на одном электроде и фиксировали значения падения потенциала через каждые 10 секунд до того момента, пока потенциал не начинал снижаться равномерно со скоростью 1 мВ в 20 секунд. Измерения хронограмм деполяризации проводили на первых шести электродах модели, которая имела высоту отслоения на устье 1 мм.
По завершении эксперимента поверхность стальных образцов исследовали визуально. После этого повторяли эксперимент, но с другой толщиной зазора щели.
В пятой главе приведены результаты исследований и их обсуждение.
Результаты анализа данных обследования газопроводов в шурфах.
Рис. 4 иллюстрирует большую неравномерность распределения коррозионных дефектов по глубине проникновения коррозии и незначительную долю (порядка 5%) проявления случаев с максимальной глубиной поражений. Анализ скоростей коррозии (рис. 5), определенных с учетом периода эксплуатации газопроводов, показал, что к участкам высокой коррозионной опасности (ВКО) может быть отнесено порядка 5 % коррозионных дефектов, к участкам повышенной коррозионной опасности (ПКО) — около 50%, к участкам умеренной коррозионной опасности (УКО) — около 45%
выявленных коррозионных дефектов.
Наибольший практический интерес для выявления факторов влияния представляет распределение коррозионных дефектов с максимальными скоростями коррозии. Из табл. 2 видно, что существует определенная тенденция снижения скорости коррозии под изоляцией по мере перехода газопроводов из южной климатической зоны (Югрансгаз (№4) и Волгоградтрансгаз (№5)) в зону с умеренным климатом (Лентрансгаз (№1) и Волготрансгаз (№3)).
Таблица 2 – Максимальные скорости коррозии под отслоившимся покрытием
| Общество по транспорту газа | Длительность эксплуатации газопровода, годы | Глубина коррозионного дефекта, мм | Скорость коррозии, мм/год | Степень опасности |
| №1 | 26 | 2,6 | 0,10 | ПКО |
| №3 | 27 | 2,9 | 0,11 | ПКО |
| №4 | 22 | 3,5 | 0,16 | ВКО |
| 22 | 2,5 | 0,11 | ПКО | |
| 20 | 3,6 | 0,18 | ВКО | |
| 22 | 2,8 | 0,13 | ПКО | |
| 26 | 2,5 | 0,10 | ПКО | |
| №5 | 24 | 4,0 | 0,17 | ВКО |
| Средние величины из максимальных | ||||
| - | 23,6 | 3,05 | 0,13 | - |
По срокам (периодам) эксплуатации газопроводов количество коррозионных дефектов распределилось следующим образом: до 20 лет эксплуатации — 5, до 25 — 17, до 35 — 42 случаев (рис. 6). Такое распределение можно объяснить тем, что изолировать газопроводы липкими лентами начали применять около 30 лет назад. Поэтому правомерно ожидание проявления максимальной коррозии по причине несовершенства технологии строительства газопроводов, построенных в период освоения новой технологии изоляции. В дальнейшем доля коррозионных дефектов с максимальными коррозионными повреждениями снижалась по мере улучшения контроля и повышения качества строительства, использования более совершенного материала пленок и адгезионных составов.
На рис. 7 показано процентное распределение числа коррозионных дефектов под отслоившимся покрытием по типам грунта. Наибольшее количество коррозионных дефектов с отслоившейся изоляцией наблюдается в глинистых грунтах (около 60%). Связные глинистые грунты являются тяжелыми и липкими во влажном состоянии и относительно твердыми — в сухом. Эффект "стягивания" защитного покрытия косвенно подтверждается данными, представленными на рис. 8, согласно которому около 60% случаев коррозии под отслоенным защитным покрытием приходится на боковые стенки трубы, 30% — на нижнюю часть и только 10 % на верхнюю.
Необходимость определения водородного показателя при обследованиях газопроводов в шурфах введена в нормативную документацию недавно и связана в основном с коррозионным растрескиванием под напряжением (КРН), и, частично, с подпленочной микробиологической коррозией. Данные по рН представлены только в одиннадцати актах обследования газопроводов в шурфах. Согласно этим данным рН изменялся в пределах от 4 до 8,5. На рис. 9 приведена зависимость максимальной скорости коррозии от значения рН. Наблюдается слабовыраженная тенденция снижения скорости коррозии стали под отслоившимся покрытием в зависимости от увеличения водородного показателя. Большой разброс данных можно объяснить преимущественным влиянием других факторов на скорость коррозии в точках сопоставления коррозии и при различных рН.
Степень корреляции удельного электрического сопротивления грунта с коррозией наиболее достоверна, если шурфование и измерение сопротивления производилось при максимальной влажности грунта. В любом случае при оценке влияния удельного электрического сопротивления грунта на коррозию следует указывать тип грунта (песок, супесь, суглинок, глина и др.) и влажность грунта в момент измерений.
Распределение числа коррозионных дефектов под отслоившимся покрытием для трех диапазонов удельного электрического сопротивления грунта представлено на рис. 10. Формально рисунок демонстрирует приблизительно одинаковое число обнаруженных коррозионных дефектов в грунтах высокой и низкой коррозионной агрессивности, что коррелируется, в первом приближении, с процентным соотношением количества участков с отслоившейся изоляцией в этих грунтах. Уменьшение примерно в 4 раза количества коррозионных дефектов со средними скоростями коррозии в грунтах средней агрессивности (20...50 Ом.м) относительно участков с низкими величинами сопротивления соответствует известному снижению скорости коррозии черных сталей при увеличении электрического сопротивления грунта.
На рис. 11 представлено распределение средних скоростей коррозии в зависимости от удельного сопротивления грунта, которое подтверждает часто встречаемую обратную зависимость скорости коррозии от величины сопротивления.
Случаи коррозии под отслоившимся покрытием наблюдаются практически при всех значениях разности потенциалов «труба—земля» в диапазоне от минус 0,57 (защита отсутствует) до минус 2,31 В относительно медно-сульфатного электрода сравнения (м.с.э.). В общем виде ожидать какой-либо зависимости количества коррозионных дефектов и глубины коррозии под отслоившимся покрытием от значения разности потенциалов «труба—земля» нет основания.
Во-первых, указанную разность потенциалов измеряли с поверхности земли, а не в зоне отслоения изоляции, а, во-вторых, определяли не электрохимическую, а суммарную величину потенциала. Даже в случае открытых дефектов в изоляции потенциалы газопровода могут иметь корреляцию со скоростью коррозии только при измерениях потенциала непосредственно в дефектах, выявленных внутритрубной дефектоскопией, и в очень небольших прилегающих пограничных зонах отслаивания изоляции.
Распределение относительного количества коррозионных дефектов от суммы сил токов УКЗ оказалось следующим: при силе тока до 20 А — 56 %, до 40 А — 33 % и свыше 60 А — 11 % случаев. Данное распределение подтверждает косвенное позитивное влияние катодной защиты, ограничивающее развитие локальной коррозии (в том числе трещин коррозионного растрескивания) на участках, непосредственно прилегающих к открытым дефектам и несплошностям покрытия. Этим можно объяснить практическое отсутствие трещин, вызванных коррозионным растрескиванием, в зонах нахлеста витков ленточной изоляции.
По показателям прилипаемости пленочного покрытия к металлу количество случаев коррозии под отслоившимся покрытием распределилось следующим образом: при плохой (неудовлетворительной) прилипаемости — 31%, при удовлетворительной — 51%, при хорошей — 18%. Внешний вид обертки и изоляционной ленты, при которых наблюдаются случаи коррозии, характеризуется гофрами различной формы (80%), механическими повреждениями, разрывами (15%). Коррозия отмечена в 5% случаев, когда обертка и лента не имели видимых повреждений.
Диапазон зафиксированных температур газопровода находится в пределах от 5 до 22 °С. В указанном интервале максимальные скорости коррозии под отслоившимся покрытием изменяются от 0,04 до 0,18 мм/год.
На примере экспертного анализа произвольной выборки участков газопроводов в 71 случае показана ограниченность параметров, регистрируемых при обследованиях коррозионного состояния газопроводов в шурфах. Поэтому требуется переработка, уточнение и дополнение форм актов и протоколов, входящих в состав действующей нормативно-технической документации ОАО "Газпром".
Результаты экспериментальных исследований.
Для модели с толщиной зазора 1 мм построены экспериментальные зависимости распределения поляризации по глубине отслоения для различного тока поляризации (рис. 12).
Согласно графикам на рис. 13, с удалением металлического электрода от устья отслоения уменьшается и плотность тока электрода. Однако, несмотря на уменьшение плотности тока для смещения потенциала на некоторое значение (например, Е=0,3 В) на устье отслоения приходится приложить большую плотность тока, тогда как смещение потенциала дальних электродов на такое же значение требует значительно меньшую плотность тока.
Это связано с уменьшающейся плотностью тока кислородной деполяризации по длине отслоения, так как предельный диффузионный ток по кислороду уменьшается по мере продвижения вглубь отслоения вследствие уменьшения количества кислорода в объеме электролита конкретного электрода и затруднений в доставке его к электроду через электролит в отслоении. Вследствие этого при малой концентрации деполяризатора увеличивается поляризуемость. Количественно разница между плотностями налагаемых токов для щели с длиной 20 см на устье и в конце может достигать одного порядка. Например, для дефекта с высотой отслоения на устье 0,5 мм коэффициент отношения плотности тока первого электрода к плотности тока последнего равен 
. Следовательно, не смотря на то, что измеряемый потенциал внутри щели не соответствует требованиям ГОСТ Р 51164-98, можно утверждать, что чем дальше от устья находится защищаемая поверхность, защитный потенциал устанавливается при меньшем токе, чем для открытого дефекта. С результатами измерений хорошо согласуется и осмотр стальных образцов после завершения эксперимента: ни на дальних, ни на ближних электродах не было обнаружено следов коррозии.
Сравнивая интенсивности (модули производных по длине) изменения смещения потенциала и плотности тока по длине, находим, что снижение плотности тока по длине происходит с многократно большей интенсивностью. Следовательно, защита под отслоением с открытым устьем с установленным смещением потенциала на 300 мВ возможна при некотором увеличении защитного потенциала на устье относительно нормативного.
В ходе данного эксперимента установлено, что при соблюдении защитных потенциалов в пределах от минус 0,85 В до минус 1,15 В, металл под отслоением в виде кармана катодно защищен и в большинстве случаев не должен бы иметь коррозионных повреждений, однако на практике под отслоением часто наблюдаются коррозионные повреждения различной степени. Указанные коррозионные повреждения объясняются рядом причин, основными из которых могут являться возможная недостаточность катодной поляризации газопроводов в целом, интенсивное обновление электролита (в случае открытого с двух сторон кармана) и перерывы в катодной защите.
Результаты измерений по определению кинетики деполяризации трубной стали на ее коррозию под отслоившимся изоляционным покрытием приведены на рис. 14.
После выключения тока потенциал стали начинает смещаться в положительную сторону по закону:
(2)
где U0 – потенциал стали до выключения, t – время деполяризации, – постоянная времени деполяризации. В данном случае величиной, определяющей скорость смещения потенциала, является постоянная времени деполяризации стали. Из полученных экспериментальные зависимостей (рис. 14) по формуле (2) получаем значения для каждого электрода при различной поляризации. Полученные зависимости представлены на рис. 15.
Рассматривая постоянные времени деполяризации металла в зонах отслоения в зависимости от удаления от устья отслоения можно сделать следующие выводы:
- чем дальше отстоит деполяризующийся участок от открытой части отслоения, тем медленнее происходит процесс деполяризации;
- чем больше ток поляризации в начале отслоения, тем меньше постоянная времени, то есть быстрее происходит деполяризация отслоения в целом.
Например, участок длиной 2 см на глубине 12 см (электрод № 6) при отслоении высотой 1 мм и при токе поляризации 0,349 мА имеет постоянную времени 12=1060 с, а участок на расстоянии 1 см - 1=500 с, следовательно, приустьевой участок деполяризуется со скоростью в 2,12 раз большей. Если рассматривать электроды как участки отслоения, заполяризованные до различных потенциалов и с учетом того, что поляризация открытой части отслоения выше, чем глубинной части, то появляется возможность определения продолжительности переходного процесса после отключения защитного тока и возможной продолжительности действия КМЭ. Сравнивая хронограммы для первого и последнего электродов модели, получим, что потенциал в процессе деполяризации уравниваются приблизительно через 4 минуты, после чего образуется действующий около часа КМЭ, анодом в котором является глубинная область отслоения.
Хронограммы деполяризации приведены на рис. 16.
Результаты исследований позволяют рекомендовать для участков высокой (ВКО) и повышенной коррозионной опасности (ПКО) подземных газопроводов с трассовой изоляцией, как правило, имеющие гофры в зонах сквозных дефектов, усилить требования к поддержанию катодной поляризации непрерывной. На участках высокой коррозионной опасности в аварийных ситуациях (отключение электропитания, выход из строя элементов электрохимической защиты и т.п.) рекомендуется использовать автоматическое включение резервного источника тока, которое должно осуществляться не позднее времени возникновения коррозионного макроэлемента. Для размеров отслоений, соизмеримых с размерами отслоения в проведенном эксперименте, указанное время не должно превышать 4 минуты.
В шестой главе представлены рекомендации по повышению эффективности электрохимической защиты при наличии отслоений защитного покрытия.
Разработка «Руководства по эксплуатации систем коррозионного мониторинга магистральных трубопроводов» вызвана необходимостью усиления контроля за эффективностью защиты от коррозии МГ на участках ПКО и ВКО и своевременного предупреждения развития коррозионных поражений путем систематической регистрации скорости коррозии, температуры, степени наводороживания стальной стенки трубы. В основе метода определения потенциальной коррозионной опасности лежат синхронные измерения разности потенциалов труба-земля при прерывании тока установок катодной защиты, прилегающих к диагностируемому участку.
Как показали результаты проведенных автором исследований, перерывы катодной поляризации, неизбежно сопровождающие метод прерывания тока, на участках с поврежденной изоляцией с отслоением приводят в ряде случаев к ускорению коррозии. Опасность коррозии возникает в момент первичного в переходном процессе равенства потенциалов деполяризации, приустьевых и глубинных областей отслоения.
Опасность коррозии по указанному фактору предлагается ранжировать не только по суммарной длительности перерывов в течение года (требование ГОСТ Р 51164), но и с учетом соотношения суммарных длительностей коротких и продолжительных (свыше двух минут) прерываний за указанный период. Решения по результатам учета перерывов могут быть приняты, например, на основе критериального времени Tкр, рассчитываемого по формуле:
(3)
где N – суммарное количество перерывов,
N2 – количество перерывов длительностью до 2 мин,
Ti – длительность i-того перерыва, мин.
t – длительность быстрой части переходного процесса. Она может быть разной для каждого участка трубопровода с отслоениями.
В указанной формуле отношение количества перерывов различной длительности представляет собой коэффициент (веса) опасности (или ускорения коррозии) перерывов для отслоений изоляции типа «карман».
Результаты диссертационной работы частично нашли отражение в отраслевом стандарте «Защита от коррозии. Проектирование электрохимической защиты подземных сооружений». Так в диссертации показано, что перерывы в работе средств ЭХЗ отрицательно влияют на коррозионное состояние стальной поверхности трубы под отслоившимся защитным покрытием. В «СТО Газпром 2009. Защита от …» предписывается при проектировании катодной защиты подземных сооружений на участках ВКО и ПКО предусматривать резервирование установок катодной защиты (УКЗ).
Проведенные исследования показали, что резервный источник питания, или элемент установки катодной защиты должен включаться в работу через непродолжительное время, не превышающее время образования коррозионного макроэлемента. В указанный стандарт общества рекомендуется внести требование к проектам реконструкции системы ЭХЗ газопроводов, эксплуатируемых более 10 лет, содержащее оснащение УКЗ счетчиками количества перерывов поляризации и длительности каждого перерыва.
На примере экспертного анализа произвольной выборки газопроводов в шурфах показана недостаточность параметров, регистрируемых при обследованиях коррозионного состояния газопроводов в шурфах. На основе анализа значимости факторов, отражающих коррозионное состояние газопровода, разработана новая, унифицированная форма «Акта коррозионного обследования газопровода в шурфе», содержащая дополнительную информацию о характеристиках отслоения, свойствам электролита под ним, о количестве и длительности перерывов катодной поляризации, а также приведена идентификация дефектов по видам коррозионных поражений, которая внедрена в практику ООО «Газпром трансгаз Нижний Новгород».
Общие Выводы
- Расчеты и результаты экспериментальных исследований показали, что при низких удельных электросопротивлениях электролита (до 10 Ом.м) катодное смещение потенциала стали под отслоением, прилегающим к открытому дефекту в защитном покрытии, обеспечивающее защиту от коррозии, должно быть на 10-20% положительнее нормированного ГОСТ Р 51164-98. Потенциал глубинных областей зоны отслоения при средних и высоких значениях удельного электросопротивления электролита не достигает защитного уровня при максимальном допустимом защитном потенциале в устье отслоения. При этом, учитывая, что при возрастании сопротивления электролита его коррозионная агрессивность уменьшается, необходимая степень защиты достигается даже при минимальном превышении смещения потенциала относительно нормированного максимального значения. С целью обеспечения защиты трубных сталей нормальной прочности под отслоением рекомендуется превышение максимального защитного потенциала, но не более чем на 15%. При этом поляризация должна осуществляться под контролем наводороживания стали.
- Показано, что в зонах, прилегающих к сквозным повреждениям защитного покрытия вследствие более высокой поляризации металла, прилежащего к открытому устью, чем у металла в глубинных областях, после выключения тока поляризации в зонах отслоения возникает коррозионный макроэлемент, который может вызвать ускорение коррозии в условиях длительного бездействия катодной защиты после ее выключения. Коррозионный макроэлемент приводит к изменению направления тока поляризации прилежащих к устью участков металла на противоположное. При этом происходит интенсивный разряд приустьевой части отслоения (постоянная времени разряда значительно меньше, чем постоянная времени разряда глубинных участков). Направление плотности тока наиболее удаленных участков металла сохраняется прежним, а потенциал металла глубинных участков некоторое время (в проведенном эксперименте – примерно 4 минуты) остается под действием катодной плотности тока, создаваемой коррозионным макроэлементом, а затем на длительное время становится анодом со все уменьшающейся во времени плотностью тока (скоростью коррозии).
- На основании полученных результатов выявлена одна из причин регистрации минимальных, вплоть до положительных, значений потенциала подземного газопровода. Указанные неадекватные потенциалы связаны исключительно с временными характеристиками деполяризации. Существующие методы измерения защитных потенциалов подземных газопроводов прерыванием токов катодных станций должны учитывать параметры коммутации и временные характеристики переходного процесса деполяризации. Необходимость учета обоснована не только целями снижения погрешностей измерений, но и направлена, главным образом, на предотвращение усиления коррозии вследствие выхода потенциалов в область возникновения и работы коррозионного макроэлемента под отслоением защитного покрытия.
- Результаты исследований позволили рекомендовать для участков ВКО и ПКО подземных газопроводов с трассовой изоляцией, имеющих гофры в зонах сквозных дефектов, усилить требования к поддержанию непрерывной катодной поляризации. На участках с отслоениями изоляции в аварийных ситуациях (отключение электропитания, выход из строя элементов ЭХЗ и т.п.) необходимо применять автоматическое включение резервного источника тока (АВР), которое должно осуществляться не позднее времени возникновения коррозионного макроэлемента. Предельное время включения АВР должно быть определено для каждой УКЗ, обслуживающей участки ВКО и ПКО, индивидуально с целью недопущения работы коррозионных макроэлементов. Установки катодной защиты необходимо оснащать регистраторами количества и длительности перерывов катодной поляризации.
- Результаты диссертационной работы вошли в «Руководство по эксплуатации систем коррозионного мониторинга магистральных трубопроводов», «СТО Газпром» - «Защита от коррозии. Проектирование электрохимической защиты подземных сооружений».
- На основе анализа значимости факторов, отражающих коррозионное состояние при обследовании газопровода в шурфе, разработана новая, унифицированная форма акта коррозионного обследования газопровода в шурфе, содержащая дополнительную информацию о характеристиках отслоения, свойствах электролита под ним, о количестве и длительности перерывов катодной поляризации, что позволило идентифицировать дефекты по видам коррозионных поражений и разделять участки газопровода по степени их коррозионной опасности.
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:
- Н.А. Петров, Н.К. Шамшетдинова. О влиянии сквозных повреждений изоляционного покрытия трубопроводов на параметры катодной защиты. //Материалы Всероссийской конференции «Проблемы коррозии и защиты металлов» - Тамбов, Вестник Тамбовского Университета, том 4, вып. 2, 1999, стр. 182.
- Петров Н.А., Фатрахманов Ф.К., Соколов А.С., Хмельницкий Б.И., Шамшетдинова Н.К., Вахонин Н.Ю., Желобецкий В.А., Григорьев П.А., Михайловский Ю.Н., Маршаков А.И., Петрунин М.А., Сидоров С.А. Опыт применения и перспективы развития зонд-модульной технологии диагностики магистральных трубопроводов. // «Конференции, совещания, семинары. Отраслевое совещание «Современные методы, обеспечивающие эффективную защиту от коррозии с использованием коррозионного мониторинга». – М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2000, стр. 108-127
- Шамшетдинова Н.К. Моделирование коррозионных процессов в закрытых дефектах отслоившегося покрытия. // Тезисы докладов конференции молодых специалистов, посвященной 300-летию горного дела в России. – М.: ООО «ВНИИГАЗ», 2001. стр. 66-67.
- Шамшетдинова Н.К., Реформатская И.И., Подобаев А.Н. Коррозия стали в дефектах изоляционного покрытия. // Электрохимическая защита и коррозионный контроль. Специальный выпуск №2. – г. Северодонецк, 2001. стр. 62-66.
- Шамшетдинова Н.К. Закономерности подпленочной коррозии электрохимически защищаемых низколегированных сталей. // Тезисы докладов четвертой всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России «Новые технологии в газовой промышленности». – М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2001. стр. 118.
- Шамшетдинова Н.К., Петров Н.А., Реформатская И.И., Подобаев А.Н. Исследование коррозии трубной стали под отслоившимся защитным покрытием. // Материалы отраслевого совещания ОАО «Газпром» «Опыт применения современных отечественных приборов и технологий для обеспечения эффективной защиты от коррозии объектов отрасли». – М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2002. стр. 113-120.
- Шамшетдинова Н.К., Петров Н.А., Реформатская И.И., Подобаев А.Н., Ащеулова И.И. Закономерности подпленочной коррозии электрохимически защищаемых низколегированных сталей. // Научно-технические решения по повышению эффективности защиты от коррозии МГ, труб, оборудования газовых промыслов и ГПЗ по результатам диагностики и коррозионного мониторинга, анализ и разработка НТД. Материалы НТС. М.: ИРЦ ГАЗПРОМ. 2002. с. 65-71.
- Шамшетдинова Н.К., Петров Н.А., Реформатская И.И., Подобаев А.Н., Ащеулова И.И., Курдина Е.А. Исследование коррозии электрохимически защищаемых низколегированных сталей под защитным покрытием. // Проблемы химии и химической технологии. Материалы докладов Х межрегиональной научно-технической конференции. Тамбов.: ТГУ, 2003. с. 37-40.
- Копьев И.Ю., Фатрахманов Ф.К., Шамшетдинова Н.К., Маршаков А.И., Рыбкина А.А. Перспективы применения методов импедансной спектроскопии для диагностики подземных сооружений. // Материалы отраслевого совещания ОАО «Газпром» «Методы и технологии противокоррозионной защиты, новые материалы и оборудование для защиты магистральных газопроводов, коммуникаций подземных и морских промыслов, ГПЗ, ПХГ от различных видов коррозии». - М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2003. стр. 84-94.
- Шамшетдинова Н.К., Петров Н.А., Фатрахманов Ф.К., Башаев М.А., Шапиро В.Д. Анализ «подпленочной» коррозии по актам обследования газопроводов в шурфах. // Коррозия: материалы, защита. №12. 2006, стр. 37-43.
- Шамшетдинова Н.К., Петров Н.А. Эффективность электрохимической защиты в зонах, прилегающих к сквозным повреждениям защитного покрытия магистральных трубопроводов. // Коррозия: материалы, защита. №8. 2009, стр. 26-33.
Подписано к печати «07» сентября 2009 г.
Заказ № 4531
Тираж 120 экз.
1 уч. – изд.л, ф-т 60х84/16
Отпечатано в ООО «Газпром ВНИИГАЗ»,
142717, Московская область,
Ленинский р-н, п. Развилка, ООО «Газпром ВНИИГАЗ»
