Срок службы трубопровода определяется скоростью коррозии. Разрушение вследствие коррозионного износа инженерных сетей влечет за собой финансовые потери и представляет угрозу экологии, безопасности труда, ухудшает качество транспортируемого продукта. Коррозионному поражению подвержены ответственные элементы систем: регулирующие и запорные устройства.
Причины коррозии трубопроводов бывают внешними и внутренними. К факторам внешней среды относят следующие виды негативных воздействий:
- Атмосферные;
- Почвенно-грунтовые;
- Биокоррозию;
- Блуждающие токи;
- Индуцированные переменные токи.
Внутренняя коррозия вызвана химическими свойствами передаваемых веществ завоздушиванием, динамическими нагрузками. Формирование осадочных отложений ускоряет процесс изменения структуры металла.
Коррозийное разрушение оборудования ежегодно обходится в миллиарды рублей: неэффективная эксплуатация, снижение транспортируемых объемов, ремонтные и сервисные расходы, аварии. Контроль коррозии трубопроводов осуществляется на основании нормативов Единой системы защиты от коррозии и старения (ЕСЗКС). Основной регулирующий документ для подземных сооружений ГОСТ 9.602-2016.
Виды коррозии трубопроводов
Железо активно реагирует с кислородом лишь при температуре +260 Со. В магистральных линиях не поддерживаются такие диапазоны, но окислительная реакция может быть спровоцирована конденсацией влаги в изолирующем слое, микрощелях сварных швов. Данное повреждение возникает при несоблюдении технологий прокладки и при длительном сроке службы.
Для магистралей характерны электрохимические механизмы разрушения. При химическом типе металл взаимодействует с окислителем без доступа влаги. При электрохимическом – влага присутствует, а вода, с растворенными в ней солями, служит электролитом.
Принято различать два вида коррозионных разрушений:
- Общие: распределяются равномерно, рассчитываются при проектировании;
- Локальные: появляются под влиянием активной среды и растягивающих нагрузок.
Типы локальных разрушений:
- Язвенные: канавки на внешней стороне, обычно имеют небольшую глубину.
- Питтинговые: точечные поражения, имеющие большую глубину;
- Щелевые: появляются в соединительных зазорах деталей, быстро развиваются;
- Трещины: растут медленно до достижения критического значения, затем быстро приводят к аварии.
Для линий нефтегазовой промышленности дополнительную угрозу представляет заражение микроорганизмами. Наиболее опасно сульфатвосстанавливающие бактерии, продуцирующие сульфаты, сульфиты и большое количество сероводорода. Формирование биопленок приводит к отслаиванию защитных покрытий.
Коррозия трубопроводов — причины и последствия. Часть 1. Магистральные трубопроводы
Трубопроводный транспорт — самый распространенный способ доставки жидких и газообразных сред в мире. Небольшие внутренние трубопроводы есть в каждом современном доме, в населенных пунктах построены сети надземных и подземных распределительных трубопроводов, все регионы нашей страны соединены системой магистрального трубопроводного транспорта. Трубопроводы транспортируют воду, нефть и нефтепродукты, газ и т.д. В нашей стране был построен даже уникальный трубопровод транспорта аммиака. Большинство отечественных эксплуатируемых трубопроводов — металлические, главная причина их разрушений — коррозия, а видов коррозии — множество. В данном обзоре мы кратко рассмотрим основные виды коррозии трубопроводов в зависимости от их назначения, а также немного поговорим о последствиях коррозионных аварий.
Причины коррозии всегда определяются свойствами коррозионно-опасной среды, с которой контактирует внутренняя и наружная поверхность трубопровода. Коррозия внутренней поверхности трубопроводов имеет место в основном при перекачке водных сред, особенно если в них растворены коррозионно-опасные вещества: соли, кислоты, щелочи и т.д. Такая ситуация реализуется на всех водоводах, в частности в системах отопления и горячего водоснабжения, системах нефтесбора (помним, что в РФ в добываемой из скважин нефти содержится до 99% воды!), сточных водах промышленных предприятий. Самый опасный последний случай. Коррозия наружной поверхности зависит от способа прокладки трубопровода и примененных конструктивных решений. Например, при прокладке методом «труба в трубе» коррозия наружной поверхности не происходит. При прокладке трубопровода на воздухе протекает атмосферная коррозия, которая практически не приводит к нарушению целостности трубопровода (образованию сквозных дефектов). Процессу атмосферной коррозии мы уже посвятили отдельный обзор, поэтому в данной статье к этому вопросу возвращаться не будем. Основная опасность коррозионного разрушения наружной поверхности трубопроводов возникает при подземной прокладке, причем назначение трубопровода в данном случае не слишком принципиально. За небольшим исключением, все типы трубопроводов под землей корродируют одинаково. Отдельный вопрос — подводная коррозия трубопроводов, проложенных по дну, без заглубления в грунт. Правда этот сугубо специфичный вид коррозии касается всего нескольких объектов в РФ — морских магистральных газопроводов, например, Голубой поток и Северный поток, а также нескольких промысловых трубопроводов в Каспийском, Черном и северных морях. В связи с крайней узостью заинтересованного круга лиц и специфичностью процессов морская коррозии наружной поверхности трубопроводов в этом обзоре также не будет затрагиваться.
Итак, мы начинаем. В данном обзоре, разделенном на несколько частей, мы отдельно и подробно рассмотрим возможные механизмы коррозии следующих видов трубопроводов, классифицированных по их функциональному назначению:
- магистральные трубопроводы;
- промысловые трубопроводы месторождений нефти и газа;
- трубопроводы систем отопления, горячего и холодного водоснабжения;
- трубопроводы промышленных сточных вод.
Начнем, пожалуй, с наиболее простых с коррозионной точки зрения объектов — магистральных трубопроводов транспорта нефти, газа, аммиака, нефтепродуктов и т.д.
Коррозия магистральных трубопроводов
Пожалуй, это самый хорошо изученный и систематизированный вид коррозии трубопроводов. По крайней мере, магистральные трубопроводы — это единственный вид трубопроводов, защита от коррозии которых регламентируется отдельным национальным стандартом ГОСТ Р 51164-98* «Трубопроводы стальные магистральные. Общие требования к защите от коррозии». Конечно, ГОСТ Р 51164-98* в основном посвящен методам противокоррозионной защиты, а не механизмам коррозионного разрушения, однако, при его внимательном изучении можно выделить и определенную систематизацию опасности коррозии магистральных трубопроводов в зависимости от ее механизма. Сразу следует отметить, что магистральные трубопроводы используются для транспорта подготовленных коррозионно-инертных продуктов, поэтому для них опасность представляет только наружная коррозия, причем на участках надземной прокладки только сравнительно неопасная атмосферная коррозия
. Далее наш обзор будет посвящен только участкам магистральных трубопроводов подземной прокладки.
Итак, ГОСТ выделяет 3 вида участков магистральных трубопроводов, подверженных особым коррозионным опасностям: участки высокой коррозионной опасности, участки повышенной коррозионной опасности и коррозионно-опасные участки. Среди критериев ГОСТ, касающихся механизмов коррозии и позволяющих отнести некоторые участки трубопроводов к особо опасным участкам, можно выделить следующие критерии участков повышенной коррозионной опасности:
- блуждающие токи от источников постоянного тока;
- микробиологическая коррозия;
- коррозионное растрескивание под напряжением.
Дополнительно, ГОСТ относит к участкам повышенной коррозионной опасности участки прокладки магистральных трубопроводов, на которых может резко возрасти опасность обычной почвенной коррозии:
- участки трубопроводов в засоленных почвах любого района страны (солончаковых, солонцах, солодях, сорах и др.);
- участки трубопроводов на участках промышленных и бытовых стоков, свалок мусора и шлака;
- участки трубопроводов с температурой транспортируемого продукта выше 303 К (30 °С).
Обобщая вышесказанное, а также многолетний опыт эксплуатации и диагностики, можно резюмировать, что на магистральных трубопроводах подземной прокладки в основном реализуются следующие виды коррозионного разрушения:
- почвенная электрохимическая коррозия;
- коррозия блуждающими токами от источников постоянного тока;
- коррозия блуждающими токами от источников переменного тока (на участках пересечений и реже сближений с ВЛ 110 кВ и выше);
- коррозионное растрескивание под напряжением (свойственно преимущественно магистральным газопроводам);
- микробиологическая коррозия (на участках, где почва вокруг трубопровода заражена микроорганизмами).
Почвенная электрохимическая коррозия
Коррозия подземных трубопроводов протекает по электрохимическому механизму, базирующемуся на возникновении разности потенциалов между различными участками трубопровода, и, как следствие, возникновении тока коррозии. В результате протекания тока коррозии участки металла на анодных зонах растворяются и переходят в грунт, где впоследствии взаимодействуют с почвенным электролитом, образуя ржавчину.
Механизм электрохимической коррозии
Одной из наиболее важных особенностей трубопроводов, с точки зрения коррозии, является их большая протяженность. При своей большой протяженности подземные линии проходят через почвы различного состава и строения, различной влажности и аэрации. Все это создает возможность возникновения значительных разностей потенциалов между отдельными частями подземной линии. Так как трубопроводы имеют высокую проводимость, то на них легко образуются коррозионные гальванопары, имеющие иногда протяженность в десятки и даже сотни метров.
Так как при этом часто создаются большие плотности тока на анодных участках, это сильно увеличивает скорость коррозии. Существенным для развития коррозии оказывается и то, что подземные линии укладываются на такой глубине, где всегда сохраняется некоторая влажность, обеспечивающая течение коррозионных процессов. На глубине заложения трубопроводов температура редко снижается ниже 00С и это также способствует коррозии. Благоприятствует развитию коррозии на подземных трубопроводах и наличие на поверхности труб прокатной окалины, которая далеко не всегда удаляется при очистке.
Было установлено наличие прямой зависимости между площадью, подвергающейся коррозии, и глубиной коррозионного разрушения. Это объясняется тем, что на большей поверхности металла существует большая возможность создания более тяжелых коррозионных условий. В частности, этим объясняется, что другие стальные подземные сооружения, помимо трубопроводов, при прочих равных условиях разрушаются электрохимической коррозией медленнее.
Коррозионная агрессивность самих почв определяется их структурой, гранулометрическим составом, удельным электрическим сопротивлением, влажностью, воздухопроницаемостью, рН и др. Обычно коррозионную агрессивность грунта по отношению к углеродистым сталям оценивают по удельному электрическому сопротивлению грунта, средней плотности катодного тока при смещении электродного потенциала на 100 мВ отрицательнее коррозионного потенциала стали, градиенту естественных потенциалов свободной коррозии на участке трубопровода.
Коррозия блуждающими токами от источников постоянного тока
Блуждающие токи — это токи антропогенного происхождения, протекающие в земле и в подземных металлических конструкциях. Такие токи возникают за счет утечек в землю токов эксплуатируемых устройств и сооружений, работающих на постоянном токе, в частности железных дорог на постоянном токе, электросварочных аппаратов, систем катодной защиты сторонних объектов и т.д., и т.п. Как известно, электрический ток всегда стремится двигаться по пути наименьшего сопротивления, поэтому при наличии в зоне распространения блуждающих токов в земле подземных протяженных металлических трубопроводов, электропроводность которых в разы больше электропроводности почвы, блуждающий ток будет протекать именно по ним. В наиболее удачном месте (с точки зрения того же самого принципа наименьшего сопротивления) блуждающий ток стечет с трубопровода обратно в землю и вернется к своему источнику. При этом участок трубопровода, из которого блуждающий ток выходит в землю, является анодом, а та часть трубопровода, где блуждающий ток попадает в него, является катодом. На анодных участках блуждающие токи повышенной плотности вызывают значительные коррозионные повреждения трубопроводов, скорость коррозии на них практически неограниченна и может достигать гигантских значений 10-20 мм/год.
Коррозия блуждающими токами от источников переменного тока
Данный вид коррозии встречается в местах сближения и параллельного следования ВЛ напряжением 110 кВ и выше и магистральных трубопроводов. Это явление уже подробно освещено на нашем сайте в специальном обзоре
и в настоящей статье дополнительно рассматриваться не будет.
Коррозионное растрескивание под напряжением (КРН) или стресс-коррозия
Коррозионное растрескивание под напряжением в магистральных трубопроводах (в основном газопроводах) развивается в результате одновременного воздействия на металл коррозионной среды и растягивающих напряжений. Благодаря проведенным исследованиям, в настоящее время сформировалась водородно-коррозионная теория развития КРН в трубопроводах.
Формирование и развитие микротрещин в металле происходит в результате наводораживания трубной стали в местах дислокаций и вакансий кристаллической решетки и роста в них внутреннего давления до значений, превышающих эквивалент энергии связи атомов решетки. Само наводораживание происходит вследствие протекающих процессов диффузии протонов (H+), образующихся в результате гидролиза воды при повышенных потенциалах катодной защиты, диссоциации ряда неорганических соединений, таких как гидрокарбонаты, гидросульфиды и сульфиды, нитраты, аммонаты, фосфаты и т.д., жизнедеятельности сульфатвосстанавливающих организмов.
После раскрытия трещин на поверхности трубы в местах повреждения изоляционного покрытия трубопровода происходит ускорение трещинообразования за счет коррозионного влияния электролита грунта, проникающего в трещины.
Конечный этап деструкции (включая долом трещин) контролируется условиями механической нагрузки на трубопровод, напряженно-деформированным состоянием трубной стали, а также ее прочностными характеристиками.
Микробиологическая коррозия
Микробиологической коррозией (или биокоррозией) называют коррозию металла, которая возникает в результате жизнедеятельности микроорганизмов. В почвах и природных поверхностных водах содержится огромное количество микроорганизмов — бактерии, грибки, водоросли, простейшие и т.д. В настоящее время установлено, коррозию металла инициируют в большинстве случаев именно бактерии из-за высокой скорости их размножения и активности в химических преобразованиях окружающей среды. Для протекания процесса микробиологической коррозии вызывающие её бактерии должны находиться во влажной или водной среде, также им нужен азот, минеральные соли и ряд других элементов. Необходимо наличие вполне определённых внешних условий, при которых они начинают активно размножаться вблизи трубопровода, таких как:
- температура;
- давление;
- освещённость;
- концентрация водородных ионов;
- концентрация кислорода.
Микроорганизмы могут вызывать коррозию путём продуцирования веществ, вызывающих коррозию (например, кислот), создавая на поверхности металла условия, которые обуславливают появление на поверхности металла разности потенциалов и образования дополнительных анодных и катодных зон, с дальнейшим протеканием коррозионного процесса по электрохимическому механизму.
В случае магистральных трубопроводов наиболее часто встречается микробиологическая коррозия, инициируемая сульфатвосстанавливающими бактериями. Под действием этих бактерий на трубах образуются отдельные каверны. Продукты коррозии имеют чёрный цвет и запах сероводорода. Они содержат около 40% двухвалентного железа и 5% серы в виде сульфидов. Сульфатвосстанавливающие бактерии присутствуют практически во всех грунтах, но заметный коррозионный процесс происходит только тогда, когда присутствует их относительно большое число.
Итак, в настоящей статье мы кратко изложили виды и механизмы коррозии магистральных трубопроводов. Продолжение начатой темы, посвященное водопроводным системам, читайте здесь.
Защита магистральных трубопроводов от коррозии
Для увеличения срока службы элементов магистралей предусмотрен комплекс мер, соответствующий различным видам негативных воздействий. При укладке обустраивают дренаж, производят изоляцию соединений в зависимости от марки стали. Постоянно разрабатываются активные способы защиты трубопроводов от коррозии: снижение агрессивности среды, обработка бактерицидами газо- и нефтепроводов, введение веществ-ингибиторов.
Важную роль играют защитные покрытия трубопроводов от коррозии. Обработка химическими составами снижает электрохимическое воздействие, предотвращает формирование точечных процессов в микротрещинах. Кроме этого, внутренняя поверхность и арматура сохраняют гладкость, препятствуют образованию осадочных отложений. Промышленные отраслевые стандарты регламентируют свойства покрытий в зависимости от характеристик транспортируемой среды.
Причины возникновения
Ржавчина трубопроводов — это процесс разрушения металлической конструкции в процессе химической реакции окисления металлических поверхностей с жидкостью.
Результатом такой реакции является изменение структуры металла на ионном уровне, от чего изделие покрывается вредоносным веществом и распадается или вовсе исчезает с поверхности.
Перед тем, как использовать металлическую конструкцию, необходимо проанализировать среду использования, характер жидкости, чтобы определится со способами борьбы, иначе нужно применять сварочные работы, чтобы убрать следы повреждений.
Виды защиты
Для очищения поврежденной поверхности используют такие методы:
- блуждающий ток;
- очистка стенок;
- очищение жидкости специальными веществами;
- анодная;
- катодная.
Все методы очистки отопительных трубопроводов основаны на общем принципе обработки металла специальными веществами и смесями. В результате их воздействия, на поверхности конструкции возникает крепкая защитная пленка.
Обработка жидкости
Очистить трубопроводы изнутри от разрушения довольно сложный технический процесс.
Коррозия на внутренних стенках труб возникает в результате воздействия составных элементов протекаемой жидкости — карбоната, бикарбоната и кислорода.
Задача очистки внутренних стен заключается в том, чтобы превратить жидкость из агрессивной в слабо реагирующую среду.
Процесс состоит в том, чтобы добавить соду, кальций или натриевый карбонат в саму жидкость.
Иногда используют полифосфаты, если вода проходит по отдельным точкам трубы.
Для протекции оцинкованных труб достаточно применить фосфаты, силикаты и поликарбонаты. В результате такой отделки на стенках трубы появляется защитная пленка.
Обработка стенок
Стенки трубы нужно отделывать с внешней и внутренней стороны.
Благодаря гальванике появляется протекционная пленка на внутренней и внешней поверхности глубоко проникает в слой металла и сохраняет материал долгие годы.
Для защиты от повреждений подходит метод нанесения металла на металл, например, цинка, который ржавчине не поддается. Кроме цинка также эффективно наносить ЛКМ, эмаль.
Наиболее популярным способом протекции металлической наружности от ржавчины считается цинкование либо нанесения магния на материал.
Блуждающий ток
Для борьбы с повреждением металлических наружностей, по которых проходит ток, необходимо проводить дренаж электрического характера.
В случае прохождения электролиза (прохождении электротока от катода к аноду), стенки материала поддаются реакции и могут разрушать металлическую наружность, что способствует возникновению коррозии.
Индуцированный ток
Катодная протекция основана на подаче постоянного электрического напряжения, что не допускает разрушать защитную пленку металла.
Для этого потребуется низко сопротивляемся электрический кабель, отлично изолированный.
В этом случае трубопровод выступает катодом, а это означает сохранность от повреждений.
3.3. Типовые случаи коррозии внутренней поверхности
В связи с локализацией коррозии внутренней поверхности могут быть выделены типовые случаи ее проявления.
3.3.1. Язвы или свищи на трубопроводах (рисунок 4), не связанные со строительно-монтажными работами при новом строительстве и ремонте, возникновение которых определяется неоднородностью оксидных пленок на металле и самого металла.
3.3.2. Коррозия в прорези технологического непровара сварного шва. В основном, не провар встречается на монтажных стыках, но иногда и на прямошовных трубах малого диаметра (Ду = 150 мм) в заводских стыках, выполненных контактной сваркой.
Рисунок 6 — Вид стенки трубопровода при образовании свища от внутренней коррозии и последующем развитии наружной коррозия
— свищ
— зона увлажнения
3.3.3 Коррозионные язвы и канавки в околошовной зоне заводских и монтажных сварных швов (рисунок 7). Это связано с образованием на поверхности металла вблизи шва железоокисной пленки, имеющей структуру, отличающуюся от пленки на остальной поверхности.
3.3.4 Коррозионные язвы и канавки на нижней образующей трубы (рисунок 8). Связаны с подшламовой коррозией при высокой агрессивности сетевой воды.
3.3.5 Коррозионное разрушение металла ремонтных заплат в выполненных на монтажной площадке конусных переходов от одного диаметра к другому. Коррозия связана с отличиями в составе применяемых углеродистых сталей и механическими напряжениями.
3.3.6 Коррозионные язвы и канавки в месте приварки к трубе опор (рисунок 9). Коррозия связана с нагревом внутренней поверхности металла трубы при приварке опор и высокими механическими напряжениями.
3.3.7 Сплошное разрушение в виде поля слившихся одна с другой язв. Характерно для мест с малой скоростью движения жидкости (байпасов, отводов, штуцеров), а иногда также и для головных участков магистральных трубопроводов.
Рисунок 7 — Канавка в металле от внутренней коррозии вблизи заводского шва
Рисунок 8 — Вид коррозионной канавки по нижней образующей трубопровода Ду = 1000 мм
Рисунок 9 — Разрушение металла трубы от внутренней коррозии в месте приварки опоры (труба Ду = 200 мм)
Химическая коррозия
Химическая коррозия возможна по причине термодинамической нестабильности металлов. Газовая коррозия, имея собственное определение, — разновидность химической. Последние имеют возможность самостоятельно преобразовываться в значительно устойчивее состояние по окончанию реакции: металл + окислитель → продукт реакции.
Наиболее часто встречающийся пример химической коррозии металла – реакция с кислородом:
Ме+0,5О2→МеО
4Fe+3O2→2Fe2O3
Обезуглероживание стали как газовая коррозия:
Fe3C+2H2→3Fe CH4
2.1. Причины появления коррозии на наружной поверхности металла
2.1.1. Коррозия наружной поверхности металла трубопроводов возникает при наличии влаги непосредственно на поверхности металла. Интенсивность этой коррозии определяется следующим:
температурой (скорость коррозии возрастает с увеличением температуры до 70 — 80 °С);
составом изоляционных материалов, в том числе тепловой изоляции;
наличием блуждающих токов*;
солевым составом, общей кислотностью, щелочностью, значением рН почвенно-грунтового электролита и составом почвенно-грунтового воздуха*;
удельным электрическим сопротивлением почв и грунтов*
* Эти факторы играют значительную роль при бесканальной прокладке теплопроводов, а также на участках канальной прокладки, подверженных затоплению или заиливанию.
уровнем местных механических напряжений в металле;
участием микроорганизмов (биокоррозия).
2.1.2. Наиболее опасна коррозия блуждающими токами (электрокоррозия), возникающая в случае положительной или знакопеременной разности потенциалов между трубопроводом теплосети и землей. Источниками блуждающих токов являются:
рельсы электрофицированных на постоянном токе трамвая, железных дорог, метрополитена, шахтного транспорта;
анодные заземления установок электрохимической защиты на смежных подземных сооружениях;
трубопроводы с электрохимической защитой;
заземления линий электропередачи постоянного тока по системе «провод-земля»;
гальванические ванны и сварочные установки с утечкой тока в землю;
электрические наводки от силовых кабелей при прокладке коммуникаций в общем коллекторе.
