XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

В настоящее время одной из основных проблем при транспорте нефти является постепенное разрушение нефтепроводов под действием коррозии. Существуют такие виды коррозии как: химическая и электрохимическая.

Процесс химической коррозии заключается в постепенном разрушении металла под действием коррозийной среды. Его сущность сводится к окислительно-восстановительной реакции: происходит одновременное окисление металла и восстановление окислительного компонента. В качестве окислителя могут быть как сухие газы (O2, CO2, SO2, NO2 и т.д.), так и жидкости, не являющиеся электролитами (нефть, бензин, керосин и т.д.). Движущей силой данного процесса является термодинамическая неустойчивость металлов, то есть они стремятся перейти в более устойчивое состояние. Возможность самопроизвольного протекания химической коррозии можно определить по знаку изменения изобарно-изотермическому потенциалу G. При Δ G < 0, то  процесс химической коррозии возможен.

Электрохимическая коррозия – это процесс самопроизвольного разрушения металла под действием электролитов, в качестве которых могут выступать растворы щелочей, кислот, солей, влажные газы, морская вода и т.д. По сравнению с химической коррозией, взаимодействие металла с окислителем включает анодное окисление металла и катодное восстановления окислителя. Процесс основан на том, что поверхность любого металла неоднородна из-за чего разнородные участки металла имеют различные значения электродных потенциалов. Участки с меньшим значение потенциала, являются анодом и на них протекает процесс окисления, а участки с большим электродным потенциалом – катодом, на них идет восстановление.

Коррозия при транспортировке нефти влечет за собой массу самых различных проблем: 
- разрушение трубопроводов как изнутри, так и снаружи; 
- уменьшение времени между профилактическими осмотрами магистралей и ремонта; 
- дополнительные затраты на замену оборудования и труб; 
- полная или частичная остановка нефтеперерабатывающего комплекса;

- понижение качества транспортируемой нефти.

Основываясь на всех этих фактах, можно сказать, что проблема коррозия нефтепроводов не потеряла свою актуальность и по сей день.

Причиной возникновения внутренней коррозии нефтепровода является коррозионная активность нефти, обусловленная содержанием в ней химически активных веществ, которые остаются даже после подготовки продукта к транспортировке. В число таких веществ входят молекулы воды, кислорода, кислородосодержащих вещества, соли и сернистые соединения. Основное влияние на степень коррозийной агрессивности нефти оказывает концентрация меркаптанов-тиоспиртов (R-SH), сероводорода и свободной серы. Причиной внешней коррозии в большей степени являются атмосферные условия и влияние грунтовых вод.

Основной целью нефтяной промышленности в области транспортировки нефти является защита трубопроводов от коррозии, что повышает срок службы используемых труб и сохраняет качество транспортируемой нефти. Для решения данной цели используются различные способы защиты, которые принято делить на пассивную и активную защиту.

Пассивная защита нефтепроводов от коррозии

Пассивная защит заключается в воспрепятствовании образования коррозии, но не воздействует на причину её появления. Она основана на использовании специальных изоляционных покрытий. Для нефтепроводов применяют как внешнее покрытие, необходимое для защиты труб от почвенной коррозии, так и внутреннее, защищающая непосредственно от коррозионно-активных компонентов нефти. 
Внешнее покрытие изолирует наружную поверхность трубы от контакта с грунтовыми водами и от блуждающих электрических токов. Чаще всего применяют покрытия на битумной, полимерной или лаковой основе. 

Помимо высокой коррозийной устойчивости, изоляционные покрытия должны удовлетворять следующим основным требованиям: 
- обладать высокими диэлектрическими свойствами; 
- быть сплошными и герметичными; 
- обладать хорошей адгезией (цепкостью) к металлу трубопровода; 
- обладать высокой механической прочностью и эластичностью; высокой биостойкостью; 
- быть термостойкими. 

Основываясь на ГОСТе 9.602-2016, можно выделить три типа покрытий трубопроводов: нормальное, усиленное и весьма усиленное. Наиболее разнообразным из них по видам конструкций является усиленный. Выбор того или иного типа основывается в главной степени от коррозийности почвы.

Внутреннее покрытие нефтепровода не менее значимо, чем качество самой стальной трубы и внешнего защитного слоя. Для соответствия современным стандартам оно должно быть – стойким к коррозии, выдерживать температурные перепады, быть инертным к транспортируемым материалам, а также иметь гладкую поверхность для уменьшения турбулентности потока. Среди разнообразных видов внутреннего покрытия одним из самых перспективных считается эпоксидное покрытие. 

Однако при использовании только изоляционных покрытий, при длительной эксплуатации трубопроводов, все же возникают сквозные коррозионные повреждения через 6-9 лет. Поэтому для большей долговечности, в совокупности с перечисленными методами, применяю активные способы защиты труб от коррозии. 

Активная защиты нефтепроводов от коррозии.

Активная защита заключается непосредственно в воздействие на причину появления коррозии. Она основана на использовании электрического тока и электрохимических реакциях ионно-обменного типа. 
Катодный метод.
Метод основан создании отрицательного потенциала на поверхности трубопровода. На анодные заземлители подаётся катодный ток. Они, поляризуют через грунт, в который помещены, защищаемую конструкцию. Затем из конструкции метала потенциал смещается к значениям, максимально замедляющих процесс коррозии. И даже в очень редких случаях эти процессы останавливаются вовсе. На ЭГТ — основе заземлителя — создаётся положительный потенциал, и именно он, а не защищаемый объект, разрушается со временем. Непосредственно от харасктеристик заземлителей зависит эффективность всей защитной системы. 
Катодная защита применяется как самостоятельный, так и дополнительный вид коррозионной защиты.

Протекторный метод защиты.

Данный метод получил свое название из-за электродов, которые в нем используются. Он основан на присоединении к защищаемому трубопроводу более электроотрицательный металл – протектор, который защищает конструкцию от разрушения, так как впоследствии он образует на их поверхности плотную защитную пленку, благодаря чему все окислительные процессы прекращаются. Протектор растворяется в окружающей среде, после чего его следует заменить. В качестве протекторов применяют такие металлы, как магний, цинк, алюминий. Протекторную защиту применяют в тех случаях, когда с организацией катодной защиты возникают трудности из-за получения энергии со стороны, а организация специальных электролиний невыгодна с экономической точки зрения. Протекторная защита трубопроводов от коррозии является наиболее экономически выгодным и доступным в настоящее время. Он подходит для защиты труб, располагаемых под землей, морской и речной воде. В кислых средах скорость саморастворения слишком высока, поэтому использование протекторов в них бессмысленна. 
Рассмотрим подробнее металлы, применяемые для протекторной защиты трубопроводов. Использование чистых металлов в качестве протекторов не всегда рационально. Так, например, чистый цинк неравномерно растворяется вследствие крупнозернистой дендритной структуры, поверхность чистого алюминия покрывается плотной оксидной пленкой, а магний имеет высокую скорость собственной коррозии. Поэтому, для того чтобы повысить требуемые эксплуатационные характеристики протекторов, вводят легирующие элементы. В качестве таких элементов используют: Cd, ln, Gl, Hg, Tl, Mn, Si (от сотых до десятых долей процента), Fe, Ni, Cu, Pb (поддерживают на уровне десятых или сотых долей процента). Железо используют либо в чистом виде, либо в виде углеродистых сталей. 
Алюминиевые протекторы применяют для трубопроводов, располагающихся в морской воде, а также в прибрежном шельфе. 

Магниевые протекторы нашли свое использование в слабо-электропроводных средах - грунтах, пресных или слабосоленых водах, так как эффективность действия алюминиевых и цинковых протекторов в них низки. Однако использование магниевых протекторов связано с опасностью развития водородного охрупчивания и коррозионного растрескивания оборудования. 

Цинковые протекторы. В случае если цинковый протектор применять в слабосоленой, пресной воде либо почвах, он быстро станет непригодным. Поэтому их применяют для трубопроводов, располагаемых в морской воде. 
Анодная защита.
Хорошо электропроводные коррозионные среды - именно в них применяется анодная защита нефтепроводов от коррозии. При анодной защите потенциал защищаемого металла смещается в более положительную сторону до достижения пассивного устойчивого состояния системы. 
Анодную защиту можно реализовать несколькими способами: сместить потенциал в положительную сторону благодаря источнику внешнего электрического тока или ввести в коррозионную среду окислители, которые повысят эффективность катодного процесса на поверхности металла. 
Для того, чтоб узнать возможность применения анодной электрохимической защиты для определенного объекта, необходимо проанализировать анодные поляризационные кривые, с помощью которых можно определить потенциал коррозии исследуемой конструкции в определенной коррозионной среде и область устойчивой пассивности и плотность тока в этой области. 

Данный метод достаточно неэкономичен в связи с тем, что для него необходимо наличие постоянной подачи электрического тока, это приводит к увеличению затрат как денежных, так и энергетических.

Заключение

Стоит отметить, что полностью остановить коррозию нефтепроводов при транспортировке нефти на данный момент является невозможным. Однако грамотное использование методов пассивной и активной защиты в совокупности позволят в разы увеличить срок эксплуатации труб. Сейчас не одно строительство нефтепроводов не обходится без применения вышеперечисленных методов. Не смотря на дороговизну и трудоемкость процесса, они позволяют достичь наивысшие эксплуатационно-экономические показатели.

Список литературы.

ГОСТ 9.602-2016 Единая система защиты от коррозии и старения (ЕСЗКС). Сооружения подземные. Общие требования к защите от коррозии.

Электронный УМКД"физическая и коллоидная химия: учебно-методический комплекс дисциплины для специальностей технологического направления" Боровская Л.В.
ФГУП НТЦ «Информрегистр». Москва, 2010.

Электронный учебник "Физическая химия. Химическая термодинамика"Данилин В.Н., Шурай П.Е., Боровская Л.В.
Краснодар, 2010.

Учебник "Защита трубопроводов от коррозии" Ф.М. Мустафин Санкт-Петербург 2005.

Электрокоагуляционная очистка воды от коллоидных ПАВ Боровская Л.В., Доценко С.П.
Современные наукоемкие технологии. 2010. № 4. С. 76-78.

Физико-химические и технические проблемы аккумулирования тепла Марцинковский А.В., Данилин В.Н., Доценко С.П., Шурай П.Е., Шабалина С.Г., Долесов А.Г., Боровская Л.В., Гнеушев М.Ю., Дегтярев А.И. Физико-химический анализ свойств многокомпонентных систем. 2003. № 1. С. 21.

Код для цитирования: Скопировать