Тема 1. Коррозия трубопроводов, виды коррозии Виды коррозии промысловых трубопроводов /Коррозионный мониторинг низконапорных и высоконапорных водоводов системы ППД на нефтесборных промысловых трубопроводов НГКМ ООО «ИНК» РГ.04.37/ Коррозия металлов – самопроизвольное разрушение металлов вследствие химического или электрохимического взаимодействия их с внешней средой. При коррозии металла происходит не только потеря его массы, но и снижение механической прочности, пластичности и других свойств. Необходимым условием коррозии промыслового трубопроводов (ПТ) является смачивание его поверхности водой. В нефтепромысловой практике различают три основных механизма коррозии оборудования и трубопроводов: вызываемую углекислым газом (СО2); вызываемую сероводородом (H2S); вызываемую кислородом (О2). Углекислотная коррозия Углекислотная коррозия обусловлена угольной кислотой (Н2СО3), образующейся при растворении углекислого газа в воде. Скорость углекислотной коррозии во многом определяется свойствами образующихся продуктов коррозии. На углеродистых сталях защитные пленки состоят из карбоната железа Fe2CO3 в смеси с карбонатом кальция (при температурах ниже 100оС). При более высоких температурах защитную пленку образует магнетит (Fe2O 3). Скорость коррозии в среде СО2 увеличивается с увеличением температуры. Однако, с ростом температуры увеличивается и стойкость защитных пленок. Результаты практических наблюдений указывают на то, что максимальная скорость коррозии наблюдается в интервале температур 60...80 0С. Виды разрушения, присущие углекислотной коррозии: местная коррозия в виде мейза-коррозии, характерной особенностью которой является распространение разрушений в виде язв с плоским дном; местная коррозия в виде коррозионных язв и канавок по нижней образующей трубы, обусловленная ускоренным разрушением защитных пленок при коррозионно-эрозионном воздействии среды с высокими скоростями потока и/или наличием механических примесей Максимальная скорость углекислотной коррозии описывается уравнениями де ВаардаМильямса и Маркина-Лигезина, которые лежат в основе применяемых на практике коррозионногидравлических расчетов. Сероводородная коррозия Виды разрушения, присущие коррозии, обусловленной Н2S: коррозионное растрескивание и водородо-индуцированное расслоение металла местная коррозия в виде язв на поверхности металла местная коррозии в виде язв под скоплением адгезированных форм СВБ. Кислородная коррозия Внутренняя кислородная коррозия имеет место в случае попадания кислорода в нефтепромысловые среды при использовании пресной воды для системы ППД, при использовании пресной воды для охлаждения подшипников насосов на БКНС, либо за счет «дыхания» резервуара в процессе отделения воды от нефти. Дополнительные факторы, влияющие на коррозию Общими для рассмотренных видов коррозии факторами, влияющими на ее интенсивность, являются: водородный показатель (рН) воды; содержание гидрокарбонатов; содержание хлоридов; температура; соотношение углеводородной, газовой и водной фаз, структурная форма двух и трехфазного потока; состав нефти; интенсивность воздействия потока на стенку трубопровода. Водородный показатель (рН) Величина рН зависит от парциальных давлений кислых газов, концентрации бикарбонат ионов и органических кислот, температуры. Водородный показатель является одним из основных параметров, определяющих коррозионную активность водной фазы. С уменьшением рН коррозионная активность воды, как правило, увеличивается. Содержание бикарбонат ионов Бикарбонаты оказывают значительное влияние на скорость коррозии. С увеличением их концентрации рН возрастает и даже при больших парциальных давлениях H2S и СО2 скорость коррозии может быть низкой. Содержание хлоридов При характерных для нефтяных месторождений температурных условиях хлор-ионы напрямую не участвуют в переносе зарядов. Влияние содержания хлоридов в водах нефтяных месторождений сказывается в диапазоне концентраций (10…100) г/дм3. Скорость коррозии трубных сталей обычно увеличивается с увеличением содержания хлоридов. Обычно, вода с низким содержанием хлоридов при одинаковом водородном показателе менее агрессивна, чем с высоким их содержанием. Температура Общим принципом является то, что увеличение температуры ускоряет скорость химических реакции. В то же время, следует учесть, что скорость коррозии определяется также и барьерными свойствами продуктов коррозии. Поэтому рост температуры не всегда приводит к увеличению скорости коррозии. В углекислотных средах при температуре более 80 0С образуется плотная непроницаемая защитная пленка карбоната железа. Кроме того, увеличение температуры снижает растворимость коррозионно-опасных газов. Температура влияет также на жизнедеятельность СВБ. Оптимальным условием для их жизнедеятельности является интервал температур 25-70 0С. Структура потока ГЖС Различают следующие структуры потока ГЖС в трубопроводах: пенная (пузырьковая), пробковая, расслоенная, волновая, снарядная, кольцевая и дисперсная. В зависимости от пространственного положения ПТ на его участках могут реализоваться различные структурные формы течения. При высоких скоростях потока, когда напряжение сдвига создаваемое потоком выше сил связывающих пленки солей или продуктов коррозии, что приводит к их разрушению и высокой скорости не защищенного металла. Данное явление имеет название коррозионной эрозии. Наличие механических примесей в потоке еще более ускоряет этот процесс. В ПТ системы сбора нефти, в зависимости от объемного содержания воды может поступать обратная (вода в нефти) или прямая (нефть в воде) эмульсия. В первом случае есть вероятность того, что при транспорте устойчивой эмульсии стенка ПТ будет смочена нефтью, и существенной коррозии можно не ожидать. Состав нефти Нефть является композицией из органических веществ, куда входят также поверхностноактивные вещества (ПАВ), такие например, как асфальтены и др. Некоторые природные ПАВ обладают ингибирующими свойствами, поэтому возможны ситуации, когда, при прочих равных условиях, коррозионная агрессивность пластовой жидкости будет меньше у той, которая содержит нефть, в компонентном составе которой присутствуют такие ПАВ. Из компонентов нефти можно выделить также парафин, который, в некоторых случаях, может образовывать защитную изолирующую пленку. Интенсивность воздействия потока на стенку трубопровода Так как в процессе коррозии основным лимитирующим фактором является подвод коррозионных агентов к поверхности металла, ускорение потока среды уменьшает барьерный диффузионный слой с нулевой скоростью среды, и тем самым, облегчает реакцию коррозии. При наличии в движущемся потоке среды механических примесей происходит местное разрушение диффузионного слоя в результате проникновения механических частиц до поверхности металла, что также интенсифицирует процесс коррозии. Кроме того, механические примеси способствуют удалению защитных пленок на металле. Таким образом, ускорение потока и увеличение количества и твердости механических примесей в потоке приводит к ускорению коррозионных процессов. 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. Рис.1 Механизм электрохимической коррозии В результате протекания тока коррозии участки металла на анодных зонах растворяются и переходят в грунт, где впоследствии взаимодействуют с почвенным электролитом, образуя ржавчину. Рис. 2 Классификация коррозионных процессов /Коррозия и защита магистральных трубопроводов и резервуаров. Медведева М.Л., Мурадов А.В., Прыгаев А.К. Учебное пособие/ Другим принципом классификации коррозионных процессов является характер коррозионного поражения. По характеру поражения коррозию делят на общую и локальную или местную. Общая коррозия – это разрушение, которое развивается по всей поверхности металла, контактирующего с технологической средой (рис.3). Рис. 3. Общая коррозия на поверхности трубопровода на участке разрушенной изоляции Если разрушение под действием внешней среды развивается не по всей поверхности, а лишь на отдельных ее участках, то коррозия называется локальной или местной. Язвенная коррозия, наиболее характерная для магистральных трубопроводов и резервуаров, и является локальным видом поражения. Язвенная коррозия – это разрушение поверхности, которое развивается на отдельных участках, причем площадь пораженной поверхности, как правило, превышает ее глубину (рис.4). Рис. 4. Язвенная коррозия на участке трубопровода Как и общую коррозию, язвенную легко обнаружить визуально. При проведении ультразвуковой дефектоскопии резервуаров и трубопроводов участки с язвенным поражением могут не попасть в область дефектоскопа и остаться незамеченными. Соответственно язвенное поражение опаснее общего. Так же, как и неравномерная общая коррозия, язвенная может привести к появлению свища (рис. 5). Рис.5. Свищ на участке сквозного язвенного поражения Питтинговая (точечная) коррозия − вид локального разрушения, при котором глубина пораженного участка несоизмеримо велика по сравнению с его площадью (рис. 6). Рис.6. Питтинговая коррозия алюминиевой доски Щелевая коррозия – вид поражения, которое развивается в щелях и зазорах с большой скоростью. Она иногда поражает зазоры, образующиеся на болтовых и фланцевых соединениях деталей резервуаров, например, на замерных люках. Рис.7. Щелевая коррозия болтового соединения Коррозионное растрескивание (КР) – наиболее опасный вид локальной коррозии (рис. 8). Рис.8. Коррозионная трещина: поперечное сечение трубки с трещиной (×100) Следующим фактором риска развития интенсивного коррозионного поражения как трубопроводов, так и резервуаров является биокоррозия, то есть коррозия металла под воздействием жизнедеятельности микроорганизмов. Рис.9. Популяция бактерий на поверхности металла трубопровода Для биокоррозии характерны следующие особенности: она может протекать там, где нельзя ожидать существенных коррозионных поражений; она характеризуется очень высокой скоростью; до сих пор не идентифицированы все микроорганизмы, способные вызывать биокоррозию. /Н.С. Герасимова, Ю.Г. Головачева. Межкристаллическая коррозия нержавеющих сталей. Методические указания по выполнению лабораторной работы по курсу: «Специальные главы материаловедения»/ Наиболее опасным видом местной коррозии является межкристаллитная (МКК) (Рис.10) или интеркристаллитная. Она распространяется по границам зёрен в глубь металла без каких либо заметных внешних признаков, резко снижая его механические свойства. Сталь, поражённая межкристаллитной коррозией, теряет металлический звук и при изгибе даёт надрывы по границам зёрен. Межкристаллитная коррозия – наиболее опасный вид электрохимического разрушения сплавов по причине того, что материал теряет свои прочностные свойства без заметного изменения внешнего вида. Рис.10. Межкристаллитная коррозия Межкристаллитная коррозия может быть вызвана неправильной термообработкой, а также определенным термическим воздействием в процессе сварки или другими видами технологической обработки. Этому виду коррозии подвержены: аустенитные хромоникелевые стали; высокохромистые стали, содержащие более 13 % хрома; аустенитные стали, легированные молибденом; нержавеющие стали, легированные молибденом и медью.
