Корозия на газопроводи

Газ, Нефт, ВъглищаТехнически статииСп. Енерджи ревю - брой 2, 2010

Видове корозия и методи за защита

      Природният е газ е сред енергоносителите, намиращи широко приложение както в промишлеността, така и в битовия сектор. В сравнение с другите видове горива, той се отличава с редица предимства като висока специфична топлина на изгаряне, високоефективен горивен процес (до 93%) при ниска температура на кондензация на водни пари в димните газове, сравнително невисока себестойност, лесен добив и т.н.  Сред основните предимства на природния газ е и възможността да бъде транспортиран на големи разстояния чрез тръбна газопреносна мрежа. Хилядите километри газопроводи, свързващи газовите находища и консуматорите, преминават по суша, през водни басейни и др., където са изложени на различни влияния на заобикалящата ги среда. Един от основните проблеми, следствие въздействието на околната среда върху газопроводите, е опасността от възникването на корозия върху металните тръби. Корозията на металите е процес на постепенно повърхностно разрушаване на метала в резултат на химично и електрохимично взаимодействие с външната среда. Възникването на корозионни процеси по металните тръби на газопроводите е твърде нежелан процес, който нерядко се оказва сред основните причини за аварии и изтичане на газ.

Тръби за газопроводи

При изграждането на газопреносните системи се използват предимно метални тръби, както и тръби от изкуствени материали. Използват се и месингови тръби и гумено-текстилни маркучи, но те намират ограничено приложение, предимно за присъединяване на датчици и контролно-измервателни уреди.

Изборът на тръби обикновено е в зависимост от условията и въздействието на средата върху тях. Поради по-добрите им якостни характеристики, при изграждането на газопреносните мрежи се използват предимно метални тръби, като сред често предпочитаните са стоманените. Използват се както безшевни стоманени тръби, така и заварени с прав или спирален шев. Дебелината на стената се определя в зависимост от очакваната максимална стойност на налягането на газа, като за подземни участъци не се допуска дебелина по-малка от 3 mm, а за надземни 2 mm. Основният недостатък на стоманените тръби е тяхната податливост към корозия, която засяга както външните повърхности на газопровода, така и вътрешните, като най-силно уязвими са подземно положените газопроводи.

Външна и вътрешна корозия

Причина за появата на корозия по вътрешните стени на газопровода е наличието на кислород, водни пари, сероводород и други агресивни съединения в преминаващия газ. Мерките за нейното предотвратяване обикновено се свеждат до предварителното пречистване на газа в инсталациите за първична преработка още на газовото находище, метод доказал в практиката своята висока ефективност.

В зависимост от начина на полагане на тръбите – подземно или надземно, корозията се дължи съответно на състава на почвата или на атмосферните условия. Външните повърхности на тръби положени над земята са изложени на въздействието на влага, дъжд, слънчева радиация и газове. За да се ограничи вредното им въздействие върху газопроводите и да се предотврати възможността от възникване на корозия, върху тръбите се нанасят антикорозионни покрития, устойчиви на атмосферните условия. Използвано средство е и нанасянето на бои и лакове, като се препоръчва покритията да бъдат в светли тонове, което намалява коефициента на абсорбция на слънчевите лъчи.

Корозия на подземно положени газопроводи

Външната корозия на стоманените газопроводи, положени в земята, предизвиква пукнатини и пробиви в тръбите, което се явява и една от основните причини за неконтролирано изтичане на природен газ. Опасността от корозия на подземно положените тръбопроводи зависи от множество фактори, свързани с почвените и климатични условия, особеностите на трасето, условията на експлоатация, сред които са химичният състав на почвата, киселинността на почвения електролит, структурата и влажността на почвата, въздухопроницаемостта и електропроводимостта, температурата на транспортирания газ. Особено активни се явяват почвите в градските райони, които са подложени на замърсявания от транспорта и промишлеността.

В зависимост от причините за възникване, корозията на подземно положените газопроводи се разделя на химична, електрическа и електромеханична. Химическата корозия се дължи на непосредствения контакт на металната тръба с химичните съединения от почвата. Характерно за този тип корозия е равномерността й по цялата площ на газопровода. Електрическата корозия се дължи на блуждаещи токове получаващи се, например, вследствие на утечки от релсите на електрифицирания транспорт. Най-често срещаният тип е електромеханичната корозия, наричана още галванична, тъй като се получава в резултат на взаимодействието на металната тръба, влизаща в ролята на електрод, с агресивните разтвори в почвата в ролята им на електролит. Преминаването на газопроводите през участъци различаващи се по вид и свойства на почвата, създава възможност за възникване на галванични елементи, при което на тези места върху газопровода се образуват язви с нарастваща дълбочина. Електрохимичната корозия е местна, поради което е и значително по-опасна в сравнение с равномерната.

Методите използвани за защита на подземно положените газопроводи от корозия се подразделят на активни и пасивни като специалистите препоръчват изборът на методи за защита да се извърши още на проектен етап.

Пасивни методи

Целта на пасивните методи е създаването на непроницаема бариера между метала на газопровода и заобикалящата го земна маса. Обикновено това се постига чрез нанасяне на специални защитни покрития върху външната повърхност на газопровода. Сред намиращите широко приложение в практиката са покритията на битумна основа или изкуствени материали като PE, PP, PVC. Тези покрития се нанасят в производствени условия при изготвянето на тръбата. Външната страна на газопровода се покрива със слой, който осигурява непрекъснатост на покритието, водонепроницаемост, добро сцепление с метала, химична устойчивост, устойчивост при температурни изменения, диелектричност. На практика, обаче, се оказва, че осигуряването на непрекъснатост на изолационното покритие е трудно осъществимо.  Добре е да се има предвид и фактът, че различните видове покрития се характеризират с различна дифузионна проницаемост, поради което осигуряват различна степен на защита на тръбата от обкръжаващата я среда.

В процеса на изграждане на газопроводното трасе и неговата експлоатация по изолационните покрития могат да се появят пукнатини, драскотини, вдлъбнатини и други дефекти. Подобни повреди на защитното покритие са предпоставка за последващо развитие на почвена корозия. В зависимост от вида и дебелината на покритието се различават нормална, усилена или много усилена защита.

Изискванията, на които трябва да отговарят използваните противокорозионни покрития са нормативно регламентирани в Наредба № 6 от 25 ноември 2004 г., определяща техническите правила и нормативи за проектиране, изграждане и ползване на обектите и съоръженията за пренос, съхранение, разпределение и доставка на природен газ. Съгласно чл. 58 от тази наредба подземните и подводните газопроводи и съоръжения се проектират с антикорозионни покрития със следните параметри:

l механична якост, която осигурява запазване на покритието по време на монтажа (при превозване и полагане на тръбите в изкопите) и от натоварването на почвата при експлоатацията на газопровода;

l пластичност, която осигурява поемане на деформациите при въздействието на ниски или високи температури при извършване на монтажа и по време на експлоатацията;

l добра адхезия към метала;

l изолация срещу провеждане на електрически ток;

l устойчивост на биологични въздействия.

За да се осигури ефективно нанасяне на защитните покрития е препоръчително те да бъдат нанасяни в производствени условия. Нанасянето на защитни покрития непосредствено на мястото на монтаж се допускат само в определени случаи, като например при изпълнение на ремонтни дейности върху вече действащи газопроводи, при изолиране на заваръчните съединения, корекция на повреди по изолацията в процеса на монтаж.

Използването само на пасивни методи на практика се оказва недостатъчно, за да се гарантира надеждна защита на газопровода от корозия. Препоръчително е едновременно с пасивните, да се предвидят и активни методи, свързани с управление на електрохимичните процеси, протичащи на границата между метала на тръбата и почвения електролит. Използването едновременно на активни и пасивни методи е известно като комплексна защита.

Активни методи

Активните методи, използвани за защита на газопроводите от почвена корозия, се свеждат предимно до катодна и протекторна защита и електрически дренаж.

Катодната защита e широко използван метод за предпазване от обща корозия на метални повърхности, положени в почва и в природни води. Този вид защита се приема и за един от най-ефективните за подземно положените газопроводи, поради което е и един от най-често използваните. Катодната защита може да се осъществи по два начина. Първият е чрез прилагане на външен източник на постоянен ток, минусът на който се свързва с металната тръба, а плюсът с анодни заземители, а вторият е чрез използването на протектори.

Необходимо условие за прилагането на катодна защита с външен източник на постоянен ток е наличието на такъв източник и на спомагателен анод. При този метод защитаваният участък се поддържа в катодна зона. За аноди се използват корозионноустойчиви материали, поставени в почвата, в непосредствена близост до газопоровода. Това могат да бъдат чугун, легирана стомана, отпадъци от черни метали. Защитаваното съоръжение, в случая газопроводът, се свързва с отрицателния полюс на източника на ток, а към положителния полюс са свързва спомагателен анод. При защита на съоръжения, положени в почвата, често използвани са анодите от графит. Характерно за този вид защита е постепенно разрушаване на анода, осигуряващ корозионната защита на газопровода.

Ефективността на действие на катодната защита зависи от състоянието на изолационните покрития. Използването й е свързано и с повишено потребление на електроенергия. При добра изолация се съкращава разходът на електрическа енергия и се увеличава дължината на защитените участъци на металните съоръжения. Катодната защита се счита за особено подходяща за защита на газопровода от почвена корозия и за по-ниско ефективна при защита от блуждаещи токове.

Протекторна защита

Като разновидност на катодната защита, протекторната защита намира широко приложение в практиката. Използва се за подземни газопроводи, при които използването на защити, захранвани от външен електрически източник, е икономически нецелесъобразно като например при отсъствие на електрическо захранване в близост, малка дължина на трасето и др. Характерно за протекторната защита е, че използването й не изисква наличие на източник на постоянен ток. Защитата се осъществява посредством присъединяване към газопровода на по-активен метал (протектор, наричан още жертвен анод), под формата на пръти или пластини, върху който се съсредоточава анодният процес.

Като протектори се използват метали с отрицателен електроден потенциал – цинк, алуминий, магнезий. Всеки от тези метали се характеризира с известни недостатъци при използването му, поради което те не се използват в чист вид, а се създават протекторни сплави на основата на всеки от изброените метали. От тях магнезият е с най-отрицателна стойност на потенциала, но е неприложим при обекти, при които има условия за образуване на пожароопасни смеси. Недостатък на цинка като материал е образуването на неразтворими вторични корозионни продукти на повърхността, което води до прекратяване на разтварянето. Особеност на алуминия е склонността му да се пасивира. С използването на сплави на тези метали с подходящи елементи, посочените недостатъци на всеки един от тях успешно се преодоляват.

Ефективността на протекторната защита освен от правилния избор на материал за протектора е силно зависима и от средата, в която той се намира. Сред важните характеристики на протектора е и площта на неговата повърхност. Смяната на протекторите се извършва след изтичане на срока, за който е изчислено разтварянето им.

Използването на протекторна защита не изисква външно електрическо захранване, поради което се елиминират и разходите за електроенергия. Не е необходимо използването на катодна станция и периодично коригиране на параметрите. Трудностите при използването на този вид защита са свързани с ограниченото действие на протектора след определено разстояние, което зависи от електропроводимостта на средата и от потенциала на протектора, както и необходимостта от периодична смяна на протекторите.

В повечето случаи, при прилагането на катодна защита с използването на външен ток или на протектори е целесъобразно едновременно с това да се използват и изолационни покрития (лаково-бояджийски). Подобна комбинирана защита е необходима, тъй като при продължителна експлоатация пористостта на покритията се увеличава и посредством катодна поляризация могат да бъдат намалени галваничните ефекти, което може да доведе до разрушаване на основния метал.

Електрически дренаж

Електрическият дренаж е начин на защита, заключаващ се в отвеждане на блуждаещите токове от анодната зона на защитаваното съоръжение към техния източник. Корозията, предизвикана от блуждаещи токове, се счита за една от най-опасните за газопроводите. Специалистите препоръчват газопроводи, положени в зони с блуждаещи токове, да са с много усилено защитно покритие, независимо от корозионната активност на почвата.

Защитата на газопроводите чрез електрически дренаж е свързано с използването на изолиран проводник, който свързва газопровода с източника на блуждаещи токове - релсов път или минусова шина на подстанцията, при което токът се връща обратно към своя източник, с което се предотвратява възникването на корозия.

Дренажът е сравнително евтина и лесна за изпълнение защита. За защита на подземните съоръжения се прилагат три типа дренажи - директен, поляризиран и усилен. За по-ефективен се счита поляризираният дренаж с едностранна проводимост. Един дренаж може да осигури защита на няколко километра от газопровода (обикновено до около 5 км).

В практиката на автономното газоснабдяване дренажът има ограничено приложение, тъй като не осигурява необходимото ниво на защита. Също така, специалистите препоръчват още на етапа на проектиране на трасето на газопровода, то да се предвиди така, че по възможност да се изключи влиянието на блуждаещи токове.

Контрол на потенциала

С помощта на високоомен волтметър се извършва постоянен контрол на поведението на газопровода чрез измерване на електрическия му потенциал спрямо почвата. Застрашените от корозия участъци са с положителен потенциал. Измерването се прави на всеки 200 - 300 m. За тази цел при изграждането се предвиждат контролни пунктове с достъп до тръбите или арматурата.

Стрес-корозия при магистрални газопроводи

Сериозен проблем при магистралните газопроводи е наличието на разрушаване вследствие от възникването на стрес-корозия. Това е един от най-опасните видове нарушаване на целостта на магистралните газопроводи. Стрес-корозията представлява корозионното напукване под напрежение на външната катодно защитена повърхност на тръбата. Сериозността на този проблем е свързана с факта, че наличието на пукнатини в металната тръба е сред честите причини за аварии и инциденти. Счита се, че факторите предизвикващи корозионното напукване под напрежение се свеждат основно до корозионната среда, нееднородността на метала използван за изготвяне на тръбата и възникващите напрежения на опън. Корозионното напукване обикновено се получава от външната, катодно-защитена повърхност на тръбата под наранена повърхностна изолация. В качеството на корозионна среда се явява въглеродната киселина, образуваща се под въздействието на протичащата катодна защита. Тази среда пасивира повърхността на тръбата и забавя корозията на стоманата. В местата на пробив възникват участъци, в които се развива местна корозия или корозионно напукване. Като характерна особеност на корозионното напукване се посочва, че пукнатините възникват на места несъдържащи дефекти и встрани от заваръчните шевове. Проучвания сочат, че повечето от авариите вследствие от напукване на метала, се случват на разстояние около 30 км от компресорната станция по пътя на подаване на газа. Металът на тръбата в тази зона е подложен не само на въздействието на почвения електролит в участъците на повредено повърхностно покритие, но и на допълнително въздействие от повишена температура на газа до +25 - 35 °С, която засилва електрохимичните процеси. Също така е възможно и високо ниво на вибрации, които при определени условия могат да станат причина за възникването на пукнатини. За основни фактори, влияещи върху възникването и протичането на стрес-корозията на магистрални газопроводи, се приемат качеството на използваните метални тръби, наличието на корозионно-активна среда и нейният достъп до повърхността на метала, взаимодействието на средата с метала и други.

Видове корозия

Разрушаването на металите в резултат на корозионни процеси може да засегне цялата повърхност на метала или само отделни участъци. Корозията може да се развива в дълбочина или без видими признаци. В зависимост от вида на разрушаването обикновено корозията се разделя на следните видове:

Обща равномерна корозия. Характерно за този вид корозия е, че тя се разпространява с приблизително еднаква скорост по цялата метална повърхност. Прието е скоростта на равномерна корозия да се изразява в единиците "грам на квадратен метър повърхност за час" (g /m2h) и се нарича "масов показател", или в "милиметри дълбочина за година" (mm/y) - "дълбочинен показател". Ако скоростта на равномерна корозия е по-малка от 0,1 mm/y, обикновено се приема, че металът е устойчив в корозионната среда. При скоростта на корозия по-голяма от 1mm/y металът се определя като неустойчив и той не може да се прилага при конкретните условия без антикорозионна защита.

Питингова (точкова) корозия. Представлява разрушаване от местен тип, развива се само на отделни участъци от металната повърхност. Количествено точковата корозия се характеризира с "питингов фактор", който се изчислява като отношение на максималната дълбочина на питинга към средната дълбочина на разрушаване, изразена в mm/y.

Избирателна корозия. Засяга компоненти на твърдия разтвор или структурни съставящи на сплавта.

Междукристална корозия. Това е локално корозионно разрушаване по границите на кристалните зърна на метала. Корозията протича бързо и води до загуба на якост и пластичност.

Напукване. Наблюдава се, когато металната конструкция се експлоатира при постоянни напрежения на опън в специфични корозионни среди, познато като корозионно напукване под напрежение.





Top