Журнал «Коррозия» март 2017г.

Исследование и решение проблем защиты зоны сварных соединений трубопроводов с внутренним силикатно-эмалевым покрытием.

К.В.Казак ¹, А.К.Казак¹, В.В.Диденко¹

¹ООО «Эмаль-Ставан» (Екатеринбург, Россия)

Проведенные исследования и опыт эксплуатации трубопроводов с силикатно-эмалевым защитным покрытием показали высокую эффектив­ность, экономическую целесообразность и надежность предложенного решения проблемы защиты зоны сварного соединения эмалированных труб с использованием специальной защитной втулки.

Ключевые слова: защита от коррозии, силикатно-эмалевое покрытие, сварной шов, зона сварного соединения, соединительные втул­ки.

Трубопроводный транспорт является на сегодня основным видом передачи круп­ных объемов энергоносителей и не имеет альтернативы, т.к. не существует другого бо­лее надежного и дешевого способа. В мире эксплуатируется более миллиона километ­ров магистральных нефтегазопроводов. Еще больше труб используется на предприяти­ях химической, металлургической и других отраслей промышленности, а также в ком­мунальном хозяйстве. Протяженные и металлоемкие магистрали и сети трубопроводов предполагают повышенную вероятность аварий.    Трубопроводы России представляют собой стальные сооружения, находящиеся под непрерывным коррозионным разрушительным влиянием как окружающей, так и транспортируемой среды. Анализ аварий показывает, что основными источниками по­вреждений при эксплуатации стальных трубопроводов являются локальные зоны напряжений – локальная коррозия, трещины коррозионного растрескивания под напря­жением, а также деформации при монтажной сборке стыков, которые образуются под действием рабочих нагрузок [1]. Надежная эксплуатация трубопроводов может быть обеспечена при отсутствии дефектов различной природы: химической и структурной неоднородности тела трубо­провода, концентрации напряжений в зоне сварного  соединения, наличия дефектов в стенке трубопровода [2].

Различие в коррозионном поведении различных марок сталей проявляется глав­ным образом в сварных соединениях. Это определяется разностью электродных потен­циалов трех элементов сварного соединения: основной металл, сварной шов и зона термического влияния.

В мировой и отечественной практике защиту трубопроводов от коррозии осуще­ствляют четырьмя основными технологиями: повышением коррозионной стойкости используемой стали (введением в химический состав легирующих элементов), нанесением защитных покрытий, препятствующих прямому контакту стальной поверхности с коррозионно­-агрессивной средой, использованием средств электрохимической защиты (созданием от­рицательного, т.е. катодного электрического поля), и введением в транспортируемую коррозионную среду химических ингибиторов [3]. Ни одна из перечисленных технологий полностью не решает проблемы корро­зионной защиты, а позволяет лишь снизить скорость коррозионного разрушения.

Требованиями государственных стандартов (ГОСТ ISO 9.602-2005 и ГОСТ Р 51164) установлено обязательное совместное применение противокоррозионной изоля­ции и средств электрохимической защиты от коррозии систем трубопроводов, как осо­бо опасных объектов. В то же время единые федеральные требования к техническим параметрам защиты от наружной и внутренней коррозии систем трубопроводов отсутствуют, и во­прос выбора способа защиты решается по-разному, в основном на отраслевом уровне. Существующие от­раслевые нормы проектирования противокоррозионной защиты в ПАО «ЛУКОЙЛ», ОАО «ТНК-ВР Холдинг», ПАО «СИБУР Холдинг», ПАО «Татнефть», ПАО  «Транснефть», ПАО «Газпром» и др. не используют многих современных средств и технологий защиты от коррозии и защиты сварных соединений труб. В результате увеличиваются показатели вероятности коррозионных отказов.

Проблема повышения надежности трубопроводов, предназначенных для транс­портировки агрессивных сред, в том числе нефтегазовых смесей обводненной нефти, сточных промысловых вод и прочих, а также трубопроводных систем горячего и хо­зяйственно-питьевого водоснабжения успешно решается путем применения труб с внутренним защитным покрытием. С этой целью сегодня применяются трубы с пласт­массовыми, эпоксидными, лакокрасочными, металлическими, песчано-керамическими и силикатно-эмалевыми покрытиями. Данные решения позволили на порядок сократить количество отказов на трубо­проводах, уменьшить эксплуатационные расходы, улучшить экологическую ситуацию в целом по стране. Однако применение различных защитных покрытий не позволяет полностью ис­ключить коррозионные процессы на трубопроводном транспорте, так как на­дежность трубопроводов определяется в первую очередь коррозионной стойкостью внутренней поверхности зоны сварного соедине­ния, защита которой осложняется из-за ее труднодоступности   при монтаже трубопроводов особенно в полевых условиях. Для сохранения внутреннего эмалевого покры­тия при сварке разработан ряд способов соединения эма­лированных труб: фланцевые, резь­бовые, паяные, с использованием нержавеющих ко­лец, шликерный и др. Представленные способы соединений конструктивно и по ис­полнению сложны, металлоемки, требуют дополнительно­го оборудования при монта­же и не гарантируют надежности при эксплуатации.

Результаты исследований и анализ эксплуатации труб с различными видами по­крытий показали, что наиболее эффективными и перспективными являются трубы с силикатно-эмалевым покрытием, которое позволяет обеспечить повышенную корро­зионную, износо- и вибростойкость по сравнению с трубами из углеродистых сталей с другими видами защитных покрытий, а также трубами из нержавеющих сталей [4]. Накопленный промышленный опыт монтажа и эксплуатации таких трубопроводов по­казал, что соединение эмалированных труб обычными методами сварки и сварки с применением шликерной технологии невозможно без возникновения серьезных дефек­тов эмалевого покрытия. При сварке эмаль подвергается высокотемпературному воз­действию сварочной дуги (5000÷7000°С), от которой она выгорает и частично испаря­ется. Кроме того, в процессе сварки структура  металла в зоне термического влияния становится неоднородна, изменяются условия взаимодействия между металлом и покрытием, в результате чего меняются и условия образования прочного сцепления эмали с металлом. После дальнейшего остывания и затвердевания в покрытии возни­кают поры, пузыри, микротрещины, а также другие дефекты. При этом необходимо учитывать, что трубопроводы работают при высоких давлениях, в жестких абразивных коррозионно-агрессивных средах, содержащих активные ионы, кислые газы и механические примеси. При эксплуатации трубопроводов в результате электрохимической реакции в местах дефекта эмалевого покрытия образуется постоянно расширяющаяся зона коррозии  и, как следствие, отслоение эмалевого покрытия от поверхности трубы. Для решения проблемы защиты зоны сварного соединения трубопроводов с си­ликатно-эмалевым покрытием была поставлена задача обеспечения сохранности вну­треннего покрытия при сварке, а также антикоррозионной защиты зон свар­ных кольцевых стыков при монтаже.

Проведенные исследования и анализ причин отказов (порывов) нефтепрово­дов и водоводов с силикатно-эмалевым покрытием общей протяженностью 105 км выявили, что большинство из них произошли по следующим причи­нам:

• внутренняя коррозия по телу трубы из-за несплошности покрытия – 8,7%.

• наружная коррозия при отсутствии или нарушении наружной изоляции, а также при прохо­ждении трассы трубопроводов в районе линий электропередач – 5,8%.

• внутренняя коррозия в зоне темического влияния сварного соединения при отсутствии защиты или использовании шликерного способа защиты – 83,2%.

Именно поэтому разработка и усовершенствование технологии и способов со­единения эмалированных труб сваркой с повышенной коррозионной стойкостью вну­тренней поверхности соединения является особо актуальной проблемой.

Специалистами ООО «Эмаль-Ставан» (г. Екатеринбург) и ООО НПП «ПромТех­Эмаль» (г.Челябинск) разработан и внедрен в полевых условиях (работа выполнялась в творческом сотрудничестве со специалистами ЗФ ОАО «Норильский Никель», АО «ВНИИСТ» и ЗАО «НЕГАС») новый, простой в исполнении, надежный и эко­номичный способ защиты внутреннего сварного шва трубопроводов с силикатно-эма­левым, керамическим, оксидным или остеклованным покрытием с использованием за­щитных втулок [5]. Способ согласован с Госгортехнадзором России, с эксплуатирую­щими организациями, включен в «Инструкцию по строительству, эксплуатации и ре­монту трубопроводов с силикатно-эмалевым покрытием» и рекомендован к использо­ванию при сборке трубопроводов, предназначенных для транспортировки корро­зионно-активных сред в нефтяной, газовой, металлургической и химической промыш­ленности, а также в системе ЖКХ.

Технологически процесс соединения труб осуществляется с помощью специальной защит­ной втулки, которая имеет продольный разрез для компенсации разнотолщинности труб, внутреннее и внешнее эмалевое покрытие, ради­альный выступ для фиксации и удобства монтажа, а сам процесс монтажа не требует специ­альных приспособлений при сборке и сварке. Основную роль в предлагаемом со­единении эмалированных труб выполняют конструктивные особенности втулки и технические параметры прилагаемого монтажного шликера. Защита металла сварного шва и зоны термического влияния в процессе сварки при помощи силикатно-эмалевого покрытия соединительной втулки и монтажного шликера способ­ствуют получению достаточно чистого (без включений) металла шва заданного хими­ческого состава. Структура металла сварного шва, выполненного под слоем покрытия с использованием защитной втулки, имеет высокую чистоту, большую однородность химического состава как металла шва, так и металла зоны термического влияния, что обеспечивает его высокие механические свойства.

Сборка труб осуществляется следующим образом. На наружную поверхность втулки наносят специальную легкоплавкую эмаль (монтажный шликер), размещают втулку внутри концов труб, при этом поверхности соприкосновения (наружная) втулки и (внутренняя) трубы прижимаются друг к другу за счет аккумулированной энергии сжатия втулки [6]. 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 монтажа соединения в полевых условиях при отрицательных температурах (до -20°С) возможно при­менение специального монтажного шли­кера силикатной эмали с низкой температурой кристаллизации. Пред­ложенный способ соединения эмалиро­ванных труб с защитой сварного шва в сравнении с другими предлагаемыми соедине­ниями является более эффективным, т.к. сварное соедине­ние обеспечивает необходи­мую прочность и гарантированную защиту зоны сварного шва от коррозии при мини­мальных затратах без су­щественного снижения пропускной способности трубопровода (толщина стенки соедини­тельных втулок не превышает 2,0 мм) и не требует дополни­тельного оборудования.

Специалистами ООО «Эмаль-Ставан» освоено про­мышленное произ­водство защитных втулок для различных диаметров трубопроводов с силикатно-эмалевым покрытием. Втулки поставляются по ТУ 14-2Р-387-2011 в комплекте с монтажным шлике­ром. Продукция защищена патентами №52967 «Устрой­ство для защиты внутреннего сварно­го шва трубопроводов», №2227241 «Соединение эмалированных труб и способ его выполне­ния», №123891 «Соединение эмалирован­ных труб» и др. В последние годы сотни километров трубопроводов различного назначения с внутренним силикатно-эмалевым и остеклованным покрытием смонтированы с ис­пользованием защит­ной соединительной втулки и успешно эксплуатируются в различ­ных регионах нашей страны, в том числе в составе крупнейших нефтегазопроводов «Бованенково-Ухта», «Ванкор-Пурпе» и «Северный поток», а также на различных предприятиях в городах  ХМАО, республики Коми,  Нижегородской,  Ленинградской и  других областей.

Проведенные исследования и опыт эксплуатации показали высокую эффектив­ность, экономическую целесообразность и надежность предложенного решения проблемы внутренней защиты зоны сварного соединения эмалированных труб, пред­назначенных для транспортирования различных сред.

 

      Литература:

1. Касьянов А.Н. Оценка работоспособности околошовных зон кольцевых сварных соединений трубопроводов. Дис. канд.тех.наук. М., 2012
2. Дубов А.А. Опыт применения бесконтактной магнитометрической диагностики трубопрово­дов и перспективы ее развития. «Контроль. Диагностика», 2014, №4, с. 64-67
3. Притула В.В. Коррозионная ситуация на газонефтепроводах России и их промышленная без­опасность. «Трубопроводный транспорт. Теория и практика», №2 (48), 2015, с. 6-10
4. Казак А.К. Защита систем трубопроводов– надежный способ предотвращения техногенных аварий. Материалы Всероссийской конференции «Экологические проблемы промышленных регионов», — Екатеринбург, 2004
5. Казак А.К. Развитие технологии соединения систем трубопроводов с внутренним эмалевым покрытием и защитой сварного шва. Дис. канд.тех.наук., Екатеринбург, 2012
6. Казак А.К. Решение проблемы защиты зоны сварного соединения трубопроводов. Научно-тех­ническая конференция «Состояние и перспективы развития производства нового поколения силикатно-эмалевых покрытий для защиты металлоизделий от коррозии». Металл-Экспо-2006. М: Сборник докладов, 2007