Корозія трубопроводів - причини та наслідки
Трубопровідний транспорт - найпоширеніший спосіб доставки рідких та газоподібних середовищ у світі. Невеликі внутрішні трубопроводи є у кожному сучасному будинку, у населених пунктах збудовані мережі надземних та підземних розподільчих трубопроводів, всі регіони нашої країни з'єднані системою магістрального трубопровідного транспорту. Трубопроводи транспортують воду, нафту та нафтопродукти, газ тощо. У нашій країні було збудовано навіть унікальний трубопровід транспорту аміаку. Більшість вітчизняних експлуатованих трубопроводів – металеві, головна причина їх руйнувань – корозія, а видів корозії – безліч. У цьому огляді ми коротко розглянемо основні види корозії трубопроводів залежно від їхнього призначення, а також поговоримо про наслідки корозійних аварій.
Причини корозії завжди визначаються властивостями корозійно-небезпечного середовища, з яким контактує внутрішня та зовнішня поверхня трубопроводу. Корозія внутрішньої поверхні трубопроводів має місце в основному при перекачуванні водних середовищ, особливо якщо в них розчинені корозійно-небезпечні речовини: солі, кислоти, луги тощо. Така ситуація реалізується на всіх водоводах, зокрема в системах опалення та гарячого водопостачання, системах нафтозбору (пам'ятаємо, що в Україні у нафті, що добувається зі свердловин, міститься до 99% води!), стічних водах промислових підприємств. Найнебезпечніший останній випадок. Корозія зовнішньої поверхні залежить від способу прокладання трубопроводу та застосованих конструктивних рішень. Наприклад, при прокладанні методом труба в трубі корозія зовнішньої поверхні не відбувається. При прокладанні трубопроводу на повітрі протікає атмосферна корозія,яка практично не призводить до порушення цілісності трубопроводу (утворення наскрізних дефектів). Процесу атмосферної корозії ми вже присвятили окремий огляд, тому в цій статті до цього питання повертатися не будемо. Основна небезпека корозійного руйнування зовнішньої поверхні трубопроводів виникає при підземній прокладці, причому призначення трубопроводу в даному випадку не надто важливо. За невеликим винятком всі типи трубопроводів під землею корродирують однаково. Окреме питання - підводна корозія трубопроводів, прокладених дном, без заглиблення в ґрунт. Щоправда, цей суто специфічний вид корозії стосується всього кількох об'єктів в Україні - морських магістральних газопроводів, наприклад, Блакитний потік і Північний потік, а також кількох промислових трубопроводів у Каспійському, Чорному та північних морях. У зв'язку з крайньою вузькістю зацікавленого кола осіб і специфічністю процесів морської корозії зовнішньої поверхні трубопроводів у цьому огляді також не зачіпатиметься.
Отже, ми починаємо. У цьому огляді, розділеному на кілька частин, ми окремо та докладно розглянемо можливі механізми корозії наступних видів трубопроводів, класифікованих за їх функціональним призначенням:
- магістральні трубопроводи;
- промислові трубопроводи родовищ нафти та газу;
- трубопроводи систем опалення, гарячого та холодного водопостачання;
- трубопроводи промислових стічних вод.
Почнемо, мабуть, із найпростіших з корозійної погляду об'єктів - магістральних трубопроводів транспорту нафти, газу, аміаку, нафтопродуктів тощо.
Корозія магістральних трубопроводів
Мабуть, це добре вивчений і систематизований вид корозії.трубопроводів. Принаймні магістральні трубопроводи – це єдиний вид трубопроводів, захист від корозії яких регламентується окремим національним стандартом ГОСТ Р 51164-98* «Трубопроводи сталеві магістральні. Загальні вимоги щодо захисту від корозії». Звичайно, ДЕРЖСТАНДАРТ Р 51164-98* в основному присвячений методам протикорозійного захисту, а не механізмам корозійного руйнування, проте, при його уважному вивченні можна виділити і певну систематизацію небезпеки корозії магістральних трубопроводів залежно від її механізму. Відразу слід зазначити, що магістральні трубопроводи використовуються для транспорту підготовлених корозійно-інертних продуктів, тому для них небезпека становить лише зовнішня корозія, причому на ділянках надземної прокладки тільки порівняно безпечна атмосферна корозія 12 . Далі наш огляд буде присвячений лише ділянкам магістральних трубопроводів підземної прокладки.
Отже, ГОСТ виділяє 3 види ділянок магістральних трубопроводів, схильних до особливих корозійних небезпек: ділянки високої корозійної небезпеки, ділянки підвищеної корозійної небезпеки та корозійно-небезпечні ділянки. Серед критеріїв ГОСТ, що стосуються механізмів корозії та дозволяють віднести деякі ділянки трубопроводів до особливо небезпечних ділянок, можна виділити такі критерії ділянок підвищеної корозійної небезпеки:
- блукаючі струми від джерел постійного струму;
- мікробіологічна корозія;
- корозійне розтріскування під напругою.
Додатково, ГОСТ відносить до ділянок підвищеної корозійної небезпеки ділянки прокладання магістральних трубопроводів, на яких може різко зрости небезпека звичайної ґрунтової корозії:
- ділянки трубопроводів у засоленихґрунтах будь-якого району країни (солончакових, солонцях, солодях, сорах та ін.);
- ділянки трубопроводів на ділянках промислових та побутових стоків, звалищ сміття та шлаку;
- ділянки трубопроводів з температурою продукту, що транспортується вище 303 К (30 °С).
Узагальнюючи вищесказане, і навіть багаторічний досвід експлуатації та діагностики, можна резюмувати, що у магістральних трубопроводах підземної прокладки переважно реалізуються такі види корозійного руйнації:
- ґрунтова електрохімічна корозія;
- корозія блукаючими струмами джерел постійного струму;
- корозія блукаючими струмами від джерел змінного струму (на ділянках перетинів і рідше зближень із ПЛ 110 кВ і вище);
- корозійне розтріскування під напругою (властиво переважно магістральним газопроводам);
- мікробіологічна корозія (на ділянках, де грунт навколо трубопроводу заражений мікроорганізмами).
Ґрунтова електрохімічна корозія
Корозія підземних трубопроводів протікає електрохімічним механізмом, що базується на виникненні різниці потенціалів між різними ділянками трубопроводу, і, як наслідок, виникненні струму корозії. В результаті протікання струму корозії ділянки металу на анодних зонах розчиняються і переходять у ґрунт, де згодом взаємодіють із ґрунтовим електролітом, утворюючи іржу.
Механізм електрохімічної корозії
Однією з найважливіших особливостей трубопроводів, з погляду корозії, є їх велика протяжність. При своїй великій протяжності підземні лінії проходять через ґрунти різного складу та будови, різної вологості та аерації. Все це створює можливість виникнення значнихрізниць потенціалів між окремими частинами підземної лінії Так як трубопроводи мають високу провідність, то на них легко утворюються корозійні гальванопари, що іноді мають протяжність в десятки і навіть сотні метрів.
Так як при цьому часто створюються великі щільності струму на анодних ділянках, це збільшує швидкість корозії. Істотним для розвитку корозії виявляється і те, що підземні лінії укладаються на такій глибині, де завжди зберігається певна вологість, що забезпечує перебіг корозійних процесів. На глибині закладення трубопроводів температура рідко знижується нижче 0 0 З це також сприяє корозії. Сприяє розвитку корозії на підземних трубопроводах та наявність на поверхні труб прокатної окалини, яка далеко не завжди видаляється під час очищення.
Було встановлено наявність прямої залежності між площею корозії і глибиною корозійного руйнування. Це тим, що у більшої поверхні металу існує велика можливість створення більш важких корозійних умов. Зокрема, цим пояснюється, що інші сталеві підземні споруди, крім трубопроводів, за інших рівних умов руйнуються електрохімічною корозією повільніше.
Корозійна агресивність самих ґрунтів визначається їх структурою, гранулометричним складом, питомим електричним опором, вологістю, повітропроникністю, рН та ін. негативніше корозійного потенціалу сталі, градієнту природних потенціалів вільної корозії на ділянці трубопроводу.
Корозіяблукаючими струмами від джерел постійного струму
Блукаючі струми - це струми антропогенного походження, що протікають у землі та в підземних металевих конструкціях. Такі струми виникають за рахунок витоків у землю струмів експлуатованих пристроїв та споруд, що працюють на постійному струмі, зокрема залізниць на постійному струмі, електрозварювальних апаратів, систем катодного захисту сторонніх об'єктів тощо тощо. Як відомо, електричний струм завжди прагне рухатися шляхом найменшого опору, тому за наявності в зоні поширення блукаючих струмів у землі підземних протяжних металевих трубопроводів, електропровідність яких у рази більша за електропровідність ґрунту, блукаючий струм протікатиме саме по них. У найбільш вдалому місці (з погляду того самого принципу найменшого опору) блукаючий струм стіче з трубопроводу назад у землю і повернеться до свого джерела. При цьому ділянка трубопроводу, з якого блукаючий струм виходить у землю, є анодом, а та частина трубопроводу, де блукаючий струм потрапляє в нього, є катодом. На анодних ділянках блукають струми підвищеної щільності викликають значні корозійні пошкодження трубопроводів, швидкість корозії на них практично необмежена і може досягати гігантських значень 10-20 мм/рік.
Корозія блукаючими струмами від джерел змінного струму
Даний вид корозії зустрічається в місцях зближення та паралельного прямування ПЛ напругою 110 кВ і вище та магістральних трубопроводів. Це вже детально висвітлено на нашому сайтіу спеціальному оглядіі в цій статті додатково розглядатися не буде.
Корозійне розтріскування під напругою (КРН) або стрес-корозія
Корозійне розтріскування піднапругою в магістральних трубопроводах (в основному газопроводах) розвивається в результаті одночасного впливу на метал корозійного середовища і напруг, що розтягують. Завдяки проведеним дослідженням, у цей час сформувалася воднево-корозійна теорія розвитку КРН у трубопроводах.
Формування та розвиток мікротріщин у металі відбувається в результаті наводорожування трубної сталі в місцях дислокацій та вакансій кристалічної решітки та зростання в них внутрішнього тиску до значень, що перевищують еквівалент енергії зв'язку атомів решітки. Саме наводорожування відбувається внаслідок протікаючих процесів дифузії протонів (H+), що утворюються в результаті гідролізу води при підвищених потенціалах катодного захисту, дисоціації ряду неорганічних сполук, таких як гідрокарбонати, гідросульфіди і сульфіди, нітрати, амонати, фосфати і т.д., життєдіяльності .
Після розкриття тріщин на поверхні труби в місцях ушкодження ізоляційного покриття трубопроводу відбувається прискорення тріщиноутворення за рахунок корозійного впливу електроліту ґрунту, що проникає в тріщини.
Кінцевий етап деструкції (включаючи долом тріщин) контролюється умовами механічного навантаження на трубопровід, напружено-деформованим станом трубної сталі, а також її характеристиками міцності.
Мікробіологічною корозією (або біокорозією) називають корозію металу, що виникає внаслідок життєдіяльності мікроорганізмів. У ґрунтах і природних поверхневих водах міститься безліч мікроорганізмів - бактерії, грибки, водорості, найпростіші і т.д. В даний час встановлено, корозію металу ініціюють у більшості випадків саме бактерії через високу швидкість їх розмноження таактивності у хімічних перетвореннях навколишнього середовища. Для протікання процесу мікробіологічної корозії бактерії, що викликають її, повинні знаходитися у вологому або водному середовищі, також їм потрібен азот, мінеральні солі та ряд інших елементів. Необхідна наявність цілком певних зовнішніх умов, за яких вони починають активно розмножуватися поблизу трубопроводу, таких як:
- температура;
- тиск;
- освітленість;
- концентрація водневих іонів;
- Концентрація кисню.
Мікроорганізми можуть викликати корозію шляхом продукування речовин, що викликають корозію (наприклад, кислот), створюючи на поверхні металу умови, які зумовлюють появу на поверхні металу різниці потенціалів та утворення додаткових анодних та катодних зон з подальшим протіканням корозійного процесу по електрохімічному механізму.
У разі магістральних трубопроводів найчастіше зустрічається мікробіологічна корозія, що ініціюється сульфатвідновлюючими бактеріями. Під впливом цих бактерій на трубах утворюються окремі каверни. Продукти корозії мають чорний колір та запах сірководню. Вони містять близько 40% двовалентного заліза та 5% сірки у вигляді сульфідів. Сульфатвовідновлювальні бактерії присутні практично у всіх ґрунтах, але помітний корозійний процес відбувається тільки тоді, коли присутній їх відносно велика кількість.