Сборник статей «Академические Жуковские чтения» 2013г.
Обеспечение качества авиатоплива при трубопроводной транспортировке.
А.К.Казак ОАО «Уральский институт металлов»
В.В.Диденко ООО «Эмаль-Ставан»
Представлены результаты разработки, опыт производства и внедрения инновационных составов силикатно-эмалевых защитных покрытий, обеспечивающих защиту топливопроводов от действия агрессивных факторов, сохранение исходного состава транспортируемого продукта, снижение энергетических затрат.
Представлен новый способ соединения труб с внутренним силикатно-эмалевым покрытием, обеспечивающий повышение надежности, коррозионной стойкости сварного соединения, снижение энергозатрат и расхода материалов, сокращение времени сборки и сварки соединения.
Предложенные разработки прошли успешную апробацию, обеспечены необходимыми нормативными документами и могут быть использованы при строительстве, реконструкции и модернизации трубопроводов, предназначенных для транспортировки авиатоплива и прочих коррозионно-активных сред в нефтяной, газовой, химической промышленности, в системе ЖКХ и других отраслях.
При планировании строительства, реконструкции и/или модернизации трубопроводного и резервуарного парка авиационных горюче-смазочных материалов (авиаГСМ) одним из основных вопросов, с которым придется столкнуться специалистам, является антикоррозионная защита (АКЗ) резервуаров, трубопроводного хозяйства и средств заправки. Так в сборнике материалов Комитета по авиаГСМ за 2006 год указано, что для обеспечения безопасности полетов в соответствии с действующими Ведомственными нормами технологического проектирования объектов авиатопливообеспечения аэропортов гражданской авиации (ВНТП 6-85/МГА), а также Правилами промышленной безопасности нефтебаз и складов нефтепродуктов Госгортехнадзора России (ПБ 09-560-03) все трубопроводы должны быть с внутренним антикоррозионным покрытием, нанесенным в заводских условиях (ГОСТ Р 52906-2008). С этой целью сегодня применяются трубы с эпоксидными, лакокрасочными, металлическими, песчано-керамическими и силикатно-эмалевыми покрытиями [1], основные технические характеристики некоторых из них приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Сравнительные характеристики основных видов защитных покрытий
| Вид покрытия | Цинкнаполненное | Полиэтиленовое | Алюмо-керамическое | Силикатно-эмалевое |
| Характеристика | ||||
| Адгезия, кгс∙см | 10 | 7 | 35 | 275 |
| Пористость, %,
не более |
0,1 | 0,01 | 0,5 | Беспористое |
| Прочность при ударе, Дж | 10 | 5 | 35 | Не менее 3 |
| Микротвердость, МПа | 85 | 35 | 50 | 4500-6000 |
| Температура эксплуатации,оС | От –50 до +50 | От –40 до +60 | До +600 | От –60 до +600 |
| Диэлектрическая сплошность, кВ\мм | — | До 5 | 3-5 | 5-20 |
| Прочность на растяжение, МПа | 8 | 12-30
(при t= 70оС 5-6) |
10 | 50-120 |
| Прочность на сжатие, МПа | 14 | 15-40 | 80 | 800-1500 |
| Кислотостойкость (% потери массы ) | 4,0 | 8,0 | 2,0 | 0,5 |
| Толщина слоя покрытия, мкм | 80-200 | 35-120 | 800-1500 | 100-500 |
| Срок службы, лет | 10 | 15 | 25 | 50 |
| Стоимость 1м2 покрытия, руб | 660 | 620 | 820 | 450 |
Результаты испытаний и анализ условий эксплуатации труб с различными видами покрытий показали [2,3], что наиболее технически и экономически эффективным является применение силикатно-эмалевого покрытия, которое позволяет обеспечить повышенную кислото-, жаро-, износо- и вибростойкость по сравнению с другими видами покрытий труб не только из углеродистых, но и нержавеющих сталей, надежно изолирует поверхность трубопроводов от воздействия агрессивной среды, обеспечивая его долговременную эксплуатацию, и не оказывает влияния на эксплуатационные свойства авиатоплива. Кроме того, низкая электропроводность эмали обуславливает защиту металла от «блуждающих токов» в промышленных зонах. Защитные силикатно-эмалевые покрытия отнесены к усиленному типу и обеспечивают противокоррозионную защиту трубопроводов не менее 50 лет. Данный вид покрытия является пожаро- взрывобезопасным и может применяться при температурах от -60оС до + 350оС.
С технической точки зрения нанесение силикатно-эмалевого покрытия (эмалирование) представляет собой процесс адгезии силикатной эмали с поверхностью металла в результате сложного физико-химического взаимодействия и производится в заводских условиях. Для формирования структуры покрытий используется высокотемпературный печной или индукционный обжиг, который обеспечивает весьма совершенную адгезионную связь с поверхностью металла. Прочность сцепления получаемого композитного материала «сталь-эмаль» превосходит прочность самой эмали. Это обеспечивает кроме высокой стойкости к коррозионному воздействию еще и высокие прочностные показатели, особенно прочность на изгиб, кручение и механическое воздействие. Защита и облагораживание рабочей поверхности трубопровода характеризуется такими свойствами, как отсутствие пор, гладкость, твердость, устойчивость к царапинам и истиранию. Сюда же относятся гигиенические свойства, физиологическая безвредность и противобактериальная характеристика, так как гладкостность эмалевого покрытия препятствует образованию всевозможных отложений. Кроме того, экспериментальными исследованиями ученых Российского Государственного Университета нефти и газа им. И.М. Губкина и Пензенской государственной архитектурно-строительной академии установлено, что при использовании внутреннего эмалевого покрытия гидравлическое сопротивление и потери давления по сравнению с трубой без покрытия уменьшаются в 1,5 раза. Это позволяет уменьшить диаметр трубопроводов и снизить их металлоемкость в 1,2 раза.
Марка применяемой силикатной эмали подбирается в зависимости от агрессивности транспортируемых сред, наличия в них механических примесей, солей, кислот, щелочей. Жесткая конкуренция эмалированных металлоизделий с продукцией из других материалов или из металлов с полимерными и композиционными покрытиями обусловила синтез новых составов эмалей и расширение номенклатуры защищаемых металлов. Специалистами ОАО «Уральский институт металлов» совместно с ООО «Эмаль-Ставан» получены новые виды специальных силикатных эмалей [4], синтезированных по новой рецептуре и технологии, со стабильными заданными физико-химическими и эксплуатационными свойствами, варианты которых защищены патентами №2259328 «Эмаль (варианты)», №2440935 «Эмалевый шликер (варианты)», №2264359 «Эмалевый шликер грунтового покрытия, способ эмалирования и эмалевое покрытие металлоизделия, выполненное с его использованием» и №2368573 «Масса для получения силикатного эмалевого покрытия на стали». На базе предложенных решений разработана и успешно опробирована силикатная эмаль марки ЭСБТ-10, выпускаемая по ТУ 14-11-356-2011. Данная марка эмали рекомендована к использованию при строительстве и ремонте топливопроводов систем авиатопливообеспечения аэродромов. При контакте с авиатопливом данное силикатно-эмалевое покрытие не вызывает его химических изменений и не образовывает механических примесей. Покрытие защищает от выделения в авиатопливо ионов меди, кадмия, цинка, железа, алюминия, калия и кальция, что подтвердили результаты проведенных испытаний воздействия покрытия марки ЭСБТ-10 на качественные показатели топлива (заключение № 5-2013/ЦСГСМ-ПК от 01.02.2013 г. ЦС авиаГСМ ФГУП ГосНИИГА). Физико-химические показатели топлива после контакта с эмалевым покрытием соответствуют требованиям ГОСТ 10227-86 и находятся на уровне значений показателей исходного топлива с учетом точностных характеристик методов испытаний.
В настоящее время основные заводы-производители труб и соединительных элементов трубопроводов для нефтяной и газовой промышленности (ОАО «Негаспензапром», ООО «Советскнефтеторгсервис», ООО «ПромТехЭмаль») полностью перешли на использование силикатных эмалей, разработанных ОАО «Уральский институт металлов» и ООО «Эмаль-Ставан». При этом производство и применение труб с силикатно-эмалевыми покрытиями в системах авиаГСМ обеспечено необходимой разрешительной документацией. Покрытие наносится в соответствии с требованиями ТУ 1396-007-25420772-2009 и ТУ 1308-004-02066613-97 и соответствует требованиям ГОСТ Р 51164-98 и ГОСТ 9.602-2005. Монтаж трубопроводов производится в соответствии с «Инструкцией по строительству трубопроводов из труб с силикатно-эмалевым покрытием», согласованной Федеральной авиационной службой РФ и ГПИ и НИИ Гражданской авиации «АЭРОПРОЕКТ». По данным нормативно-техническим документам в 1997-2012 гг. были поставлены трубы для строительства систем топливообеспечения московских аэропортов «Внуково», «Домодедово», «Чкаловский», городских аэропортов Сочи, Воронежа, Екатеринбурга, Новосибирска, а также в аэропорт «Кневичи» г. Владивосток и другие регионы. За всё время эксплуатации от служб аэропортов не поступило ни одного замечания ни по характеристикам силикатно-эмалевого покрытия, ни по качеству его изготовления. В 2005 году в ходе реконструкции аэропорта Внуково был демонтирован участок топливопровода Ǿ219 мм., через который проводилась заправка 95% вылетающих из аэропорта воздушных судов. При визуальном осмотре никаких изменений внутреннего силикатно-эмалевого покрытия, наличия загрязнений и следов коррозии после 8 лет интенсивной эксплуатации обнаружено не было. После лабораторных испытаний образцов этого трубопровода в Академии эмалирования также не было обнаружено никаких изменений покрытия и потери им защитных свойств. Силикатно-эмалевое покрытия показали полную совместимость с реактивным топливом.
Для монтажа трубопроводов разработана технология ручной сварки труб с силикатно-эмалевыми покрытиями, обеспечивающая защиту от коррозии внутренней поверхности сварного шва. В тоже время, накопленный промышленный опыт монтажа и эксплуатации таких трубопроводов показал, что соединение эмалированных труб обычными методами сварки, а также с использованием шликерного метода внутренней защиты сварного шва, невозможно без возникновения серьезных дефектов эмалевого покрытия. При сварке эмаль подвергается высокотемпературному воздействию сварочной дуги (5000 — 7000оС), от которой она выгорает и частично испаряется. Кроме того, в процессе сварки структура металла в зоне термического влияния становится неоднородна, в результате чего изменяются условия взаимодействия между металлом и покрытием, а следовательно и условия образования прочного сцепления эмали с металлом. После дальнейшего остывания и затвердевания в покрытии возникают поры, пузыри, микротрещины, а также другие дефекты. В местах образовавшихся дефектов возможно появление постоянно расширяющихся зон коррозии, ведущих к отслоению эмалевого покрытия от поверхности трубы. При этом процесс коррозионного разрушения ускоряется в несколько раз.
Для качественного монтажа трубопроводов специалистами ООО «Эмаль-Ставан» разработан и внедрен надежный способ соединения эмалированных труб, обеспечивающий высокую стойкость сварных стыков и защиту зоны сварного шва [3]. Способ прошел экспертизу, рекомендован к применению Госгортехнадзором России (разрешение № 10-03/514 от 26.04.04г.) и включен в «Инструкцию по строительству, эксплуатации и ремонту трубопроводов с силикатно-эмалевым покрытием». На базе ООО «Эмаль-Ставан» освоено промышленное производство защитных втулок для различных диаметров трубопроводов с силикатно-эмалевым покрытием. Втулки поставляются по ТУ 14-2Р-387-2005 в комплекте с монтажным шликером. Продукция защищена патентом №52967 «Устройство для защиты внутреннего сварного шва трубопроводов», патентом №2227241 «Соединение эмалированных труб и способ его выполнения» и патентом №123891 «Соединение эмалированных труб». Технологически соединение труб с помощью предложенной защитной втулки, которая имеет внутреннее и внешнее эмалевое покрытие, радиальный выступ для фиксации и удобства монтажа, не требует специальных приспособлений при сборке и сварке. Сварку труб производят обычным способом. За счет выделяемого тепла при сварке формируется внутреннее антикоррозионное покрытие в виде эмалевой композиции по всей поверхности контакта соединяемых труб с втулкой. При необходимости зимнего монтажа возможно применение специального монтажного шликера силикатной эмали с низкой температурой кристаллизации, который позволяет монтировать соединения в полевых условиях при отрицательных температурах (до -20оС).
Используемый способ соединения эмалированных труб с защитой сварного шва в сравнении с другими известными соединениями является более эффективным, т.к. данное сварное соединение обеспечивает необходимую прочность и гарантированную защиту зоны сварного шва от коррозии при минимальных затратах (стоимость втулки не превышает 2 тыс.руб.), без существенного снижения пропускной способности трубопровода (толщина стенки соединительных втулок не превышает 2,5 мм) и не требует дополнительного оборудования и энергозатрат.
Таким образом, к числу наиболее надежных, универсальных и экономически целесообразных средств обеспечения качества авиатоплива при трубопроводной транспортировке, а также защиты трубопровода от коррозии относится эмалирование, сочетающее прочностные свойства металла (стали) с высокой химической устойчивостью силикатных эмалей. Проведенные всесторонние исследования и накопленный производственный опыт показали, что применение иновационных составов силикатно-эмалевых покрытий для защиты от коррозии внутренней поверхности стальных труб, соединительных деталей (отводов, переходников, тройников) для трубопроводов различного назначения обеспечивает высокую химическую, коррозионную и термическую стойкость. Эмалевые покрытия износоустойчивы, снижают гидравлическое сопротивление транспортируемой жидкости, на стенках эмалированных труб не откладываются продукты перекачки (парафины), что позволяет сохранить исходный состав транспортируемого продукта. Проведенные исследования показали также высокую эффективность и надежность предложенного решения проблемы внутренней защиты зоны сварного соединения эмалированных труб.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Лазуткина О.Р. Техническое эмалирование. –LAPLAMBERT Academic Publishing GmbH & Co KG, 2011, 65 с.
2 Казак К.В., Казак А.К., Диденко В.В. Силикатно-эмалевые покрытия труб. Ж. «Энергетика региона», №2(67), февраль, 2004. С.31-32.
3 Казак А.К., Диденко В.В. Повышение надежности трубопроводов. Ж. «Деловой Север» 08/02/2008. С.10.
4 Казак А.К., Диденко В.В. Создание нового поколения многофункциональных силикатных эмалей технического назначения. Сборник трудов 8-й научно-практической конференции «Новые перспективные материалы, оборудование и технологии для их получения». Неделя металлов в Москве. Сборник трудов конференций. М. 2010г. С.170.