XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

В современной промышленности, связанной с изготовлением и эксплуатацией труб, крайне востребованной становится изоляция эпоксидными составами, которые должны защищать внутренние и внешние металлические поверхности от воздействия электротока и процессов ржавления.

Под эпоксидной изоляцией элементов трубопроводов подразумевается обработка поверхности материала специальными составами на базе эпоксидной смолы. Эпоксидная смола – это олигомеры, содержащие эпоксидные группы и способные под действием отвердителей (например, полиаминов) образовывать сшитые полимеры. Наиболее распространённые эпоксидные смолы являются продукты поликонденсации эпихлоргидрина с фенолами, чаще всего — с бисфенолом А. Эпоксидные группы могут находиться в алифатических циклах или цепях, глицидиловые - на концах цепей[1].

Рисунок 1. – Химическое строение эпоксидной смолы

 Бисфенол А получают взаимодействием фенола с ацетоном при определенных условиях. Буква А обозначает ацетон, "фенол" обозначает фенольные группы, а "бис" обозначает двойку. Таким образом, бисфенол А является химическим продуктом, который представляет собой комбинацию двух молекул фенола с одной молекулой ацетона. Затем бисфенол А вступает в реакцию с веществом эпихлоргидрин[2]. В результате реакции по обеим сторонам молекулы бисфенола А прикрепляются две глицидоловые группы. Получившееся вещество называется диглицидиловый эфир бисфенола А, или же основная эпоксидная смола. Именно глицидиловые группы взаимодействуют с атомами водорода аминов в отвердителе, в результате чего получается отвержденная эпоксидная смола.

Рисунок 2. – Получение эпоксидной смолы

Отвердители, применяемые с эпоксидной смолой при комнатной температуре, в большинстве своем полиамины. То есть органические молекулы, содержащие две и более аминогруппы. Аминогруппы по структуре напоминают аммиак, только присоединены к органическим молекулам. Как и аммиак, амины являются сильными щелочами. Из-за этого сходства отвердители эпоксидных смол зачастую обладают аммиачным запахом, который ощутим в замкнутом объеме сосуда хранения сразу после его открывания. На воздухе же этот запах мало ощутим из-за высокого давления паров полиаминов.

Вступающие в реакцию аминогруппы представляют собой атомы азота с присоединенными к ним одним-двумя атомами водорода. Далее эти атомы водорода взаимодействуют с атомами кислорода из глицидиловых групп эпоксидной смолы, в итоге получается отвержденная смола - термореактивная пластмасса с большим количеством пространственных связей. При нагревании она размягчается. Трехмерная структура обеспечивает ей отличные физические свойства.

Эпоксидная смола обладает множеством достоинств: смола устойчива к действию влаги и жидкого топлива, а также щелочной и масляной среды. Эпоксидные смолы стойки к действию галогенов, некоторых кислот, но к сильным кислотам, особенно к кислотам-окислителям, имеют слабую устойчивость. Помимо этого, такие смолы характеризуются высокой степенью адгезии (сцепление поверхностей разнородных твёрдых или жидких тел) к металлам и отличной переносимостью механического и химического воздействия. Эпоксидная смола в зависимости от марки и производителя выглядит как прозрачная жидкость жёлто-оранжевого цвета, напоминающая мёд, или как коричневая твёрдая масса, напоминающая гудрон. Жидкая смола может иметь разный цвет — от белого и прозрачного до винно-красного.

В странах бывшего постсоветского пространства впервые технология изоляции труб подобным способом, на основе эпоксидных порошковых красок, была апробирована на Волжском трубном заводе (ВТЗ). Производительность первого участка нового вида антикоррозионных покрытий в 1976 году составляла более 100 тыс. тонн труб в год.

Для промышленной очистки поверхности изделий, нагрева труб и последующего нанесения на них защитного слоя использовалось только технологическое оборудование отечественного производства, а в роли исходных изоляционных материалов выступали эпоксидные порошковые краски Ярославской «Лакокраски».

Уже в то время продукция ОАО «ВТЗ» подтвердила высокую эффективность изготавливаемых труб, проверенные даже после их перевозки и проведения монтажных работ.

Сейчас применение эпоксидной изоляции очень востребовано, так как эпоксидное покрытие выполняет несколько задач:

защита трубопровода от коррозии;

минимизация потерь продукта при транспортировке;

защита внутренней поверхности от биологического обрастания;

возможность использования стальных труб для транспортировки пищевых продуктов.

Трубы с эпоксидным покрытием укладывают как под землей, так и на открытом воздухе, конструируя трубопроводные коммуникации различного назначения. В таких трубах транспортируют воду (питьевую, сточную, морскую), ГСМ (горюче-смазочные материалы), газ, нефтепродукты.

Наружное эпоксидное покрытие труб и внутренняя обработка составом поверхностей изделия — обязательное условие для труб, которые используются в системах трубопроводов, по которым планируется запустить транспортировку веществ агрессивной природы, способных повреждать и разъедать металл, приводя к быстрому развитию коррозионных процессов. К таким веществам эксперты относят пластовые воды, нефтяные эмульсии.

Трубы с внутренним эпоксидным покрытием относятся к особому виду труб. Эти трубы используются для монтажа технологических трубопроводов, предназначенных для перекачки нефти, газа и агрессивных жидкостей.

Внутреннее покрытие труб обеспечивает продление срока эксплуатации данных изделий. Труба обязательно должна иметь отличные защитные свойства, чтобы изделие не повреждалось во время хранения, монтажа и транспортировки. Необходимо помнить о коррозии металла, из которого состоят трубы. Обычно коррозия метала вызвана наличием кислорода и воды. Данная проблема применима больше к коммунальному водопроводу хозяйственно – питьевого назначения. Следует отметить, что при взаимодействии металлических труб с протекающей по ним водой — это существенная угроза человеческому здоровью и пользоваться этой водой небезопасно. Помимо защиты от коррозии внутренняя изоляция труб так же уменьшает гидравлическое сопротивление. Из-за шероховатой поверхности трубы вызывается усиленная турбулентность приповерхностного потока, это является следствием увеличения жидкостного трения, падения давления и увеличения потребления энергии.

Покрытия внутренних поверхностей трубопроводов, делятся на два вида:

Гладкостные

Антикоррозионные

Если по трубе необходимо транспортировать коррозионно-агрессивные вещества, то для внутренней изоляции используют антикоррозионные материалы. Когда добывают нефть и газ, к веществам, имеющие данные свойства относят водонефтегазовые эмульсии, пластовые воды и оборотные воды. Данным жидкостям свойственно вызывать в трубопроводе общую или локальную коррозию металла. Сероводород еще больше усиливает этот процесс. Это приводит к разрушению трубопровода, к загрязнению окружающей среды и материальным потерям.

В настоящее время существует несколько основных систем покрытий эпоксидной изоляции:

Однослойная изоляция эпоксидными составами;

Двухслойная изоляция;

Трехслойная изоляция покрытиями эпоксиполиолефиновыми.

Выбор вида изоляции будет зависеть от целевого назначения монтируемого трубопровода, его диаметров, условий транспортировки веществ по системе, а также некоторых экономических факторов.

Чаще всего используют двухслойное эпоксидное покрытие. Достоинствами этого покрытия являются:

стойкость покрытия к прорезу и сдиранию. По этому показателю двухслойные системы превосходят, например, трехслойные полиэтиленовые покрытия более чем в 5 раз;

решение вопросов с защитой стыка при сварке труб и ремонтопригодностью покрытия. Стык в случае двухслойных покрытий может защищаться теми же материалами, что и «тело» трубы, что, в свою очередь, обеспечивает качество изоляции стыка на уровне, сравнимом с заводским. Кроме того, при таком способе изоляции минимизируется человеческий фактор, уменьшается время на изоляцию одного соединения;

способность не экранировать токи катодной защиты. Практика показывает, что покрытия могут отслаиваться от поверхности. Однако, в случае отслоений разница между двухслойными эпоксидными и трехслойными полиэтиленовыми системами принципиальна. В случае отслоения двухслойного эпоксидного покрытия токи катодной защиты работают и препятствуют коррозионным процессам на поверхности трубы. В случае отслоения трехслойной полиэтиленовой системы токи катодной защиты экранируются, в зоне дефекта будут протекать коррозионные процессы.

монолитность покрытия. Двухслойная эпоксидная изоляция - один монолитный слой, а не несколько слоев, как в случае трехслойной изоляции. Позволяет избежать риска потери адгезии между разными слоями покрытия;

более экономически целесообразны. Ведь применение этих покрытий исключает такие энергоемкие и многофакторные шаги, как экструзия адгезива и полиэтилена.

Отличие труб с внутренним эпоксидным покрытием от обычных металлических изделий заключается в наличии сплошного полимерного защитного слоя. Изготовители рассчитывают, что трубы будут служить в течение долгого времени при температуре от -35 до +180 градусов.

Эпоксидное покрытие - это защита от эрозии и коррозии, перепадов температуры, катодного отслаивания, абразивного износа, действия агрессивной среды. Кроме того, трубы с эпоксидным покрытием имеют следующие преимущества:

Длительный срок службы.

Повышенная пропускная способность со сниженным гидравлическим сопротивлением потока, что объясняется антифрикционными свойствами.

Способность противостоять блуждающим токам, химическим реакциям, накипи, отложениям, биологическому обрастанию.

Легкая стыковка с помощью металлизации и втулок. Разумеется при этом защитная поверхность при этом не нарушается.

Устойчивость к сточным водам, а также углекислотам и сероводородам.

Выполнение своей непосредственной функции - постоянный контакт и транспортировка различных смесей.

Эпоксидные смолы обладают высокой химической стойкостью, низкой теплопроводностью и высоким электрическим сопротивлением. Эпоксидную смолу можно модифицировать, например, ввести в молекулу смолы галогены, в результате чего образуется негорючий полимер. Изменяя отвердитель, молекулярный вес и условия отверждения, можно получить смолу, физико-механические свойства которой будут соответствовать условиям работы. Например, конденсация эпоксидных с фенольными смолами приводит к повышению стойкости к кислотным средам. Совмещая высокомолекулярные эпоксидные смолы и термопластичные фенольные смолы, отвержденные ортофосфорной кислотой (1-4% к весу сухого остатка), и применяя горячую сушку, можно повысить устойчивость покрытий к длительному воздействию уксусной кислоты[3]. 

В настоящее время трубы с эпоксидным покрытием соответствуют требованиям государственных и отраслевых стандартов в той же мере, что и трубы с полиэтиленовым покрытием. Так же является преимуществом этих покрытий — высокая устойчивость к абразивному износу. Отличное качество труб дает возможность использовать такую продукцию для работы в микротоннелях, под дорогами, в подводном строительстве, при наклонном бурении.

Недостатки покрытия данного покрытия: при отверждении в промышленных условиях в эпоксидной смоле остаётся некоторое количество золь-фракции — растворимого остатка, он может нанести серьёзный вред здоровью, если будет вымыт растворителями и попадёт внутрь организма. Безусловно в неотверждённом виде эпоксидные смолы являются достаточно ядовитыми веществами и могут нанести огромный вред здоровью. Также незащищенная эпоксидная смола плохо переносит облучение ультрафиолетовыми лучами. Поэтому спустя примерно шесть месяцев нахождения под ярким солнечным светом начинается ее распад. Следовательно, дальнейшее облучение вызывает неизбежное ее разрушение с потерей всех физических свойств. Решение этой проблемы является защита смолы при помощи краски и лака, содержащих УФ защиту.

Использование изолирующих систем эпоксидного типа позволяет максимально быстро ввести трубы в эксплуатацию. Благодаря покрытию также быстро осуществляется процесс сушки элементов трубопровода и не возникает необходимости в проведении дорогостоящих работ по очистке трубных элементов от загрязнений и следов ржавчины. Необходимо отметить, что применение эпоксидных покрытий выгодно, так как они обеспечивают максимальную защиту от коррозионных процессов, следовательно, реже будет проводиться ремонт и замена запорной арматуры в системе.

Таким образом, благодаря этим новациям, сегодня трубы с эпоксидным покрытием практически не уступают требованиям государственных и отраслевых стандартов предъявляемым к трубам с полиэтиленовым покрытием (около 2,5 ÷ 3 мм). Но при этом данный вид продукции имеет дополнительный ряд преимуществ, к которым относятся, в первую очередь, повышенная стойкость к абразивному износу, порезу и сдиру. Что в итоге позволило широко использовать трубы для прокладки в микротоннелях, под дорогами, при строительстве подводных переходов, а также способом наклонного бурения.

Список использованных источников

Ли Х., Невилл К. Справочное руководство по эпоксидным смолам. Перевод с англ., М.: Энергия, 2009. – 415с.

Азингер Ф. Введение в нефтехимию. Пер. с немецкого под ред. Люсикова Б.В. – М.: «ГОСТОПТЕХИЗДАТ», 2008.

Рейбман А.И. Защитные лакокрасочные покрытия в химических производствах. – М.: Химия, 2008. – 336 с.

Маллинсон Дж. Применение изделий из стеклопластиков в химических производствах. Пер. с англ. под ред. Альперина В.И. и Перлина С.М. – М.: Химия, 2010 . – 240с.

Код для цитирования: Скопировать