Лакокрасочные изолирующие покрытия

Опыт эксплуатации лакокрасочных покрытий показывает, что средний срок службы лакокрасочных покрытий до проведения местных ремонтов покрытий находится в пределах от 5 до 10 лет, а общий срок службы покрытий до их замены находится в пределах от 8 и более лет.

Доказано, что возникновение местных дефектов лакокрасочных покрытий, приводящих к нарушению их целостности, вызывает уменьшение длины покрытия по отношению к длине стенки резервуара при снижении температуры окружающей среды, которая также значительно уменьшает пластичность лакокрасочных материалов. Так, например, при снижении с летней температуры +35 0С до зимней температуры с –40 0С уменьшение длины окружности стальной стенки резервуара диаметром 10 метров составит 30 мм (КЛР = 13 х 10-6), а уменьшение длины окружности покрытия на эпоксидной основе, например Permakor128, составит 129 мм (КЛР = 55 х 10-6).

В пересчете на 1 метр разница в длине стенки и лакокрасочного покрытия составит 3,15 мм, что повышает вероятность образования микротрещин в лакокрасочном покрытии по сравнению с металлизационным.

Катодная защита

Опыт антикоррозионной защиты резервуарных парков показал, что катодная защита металлоконструкций резервуаров магниевыми и алюминиевыми протекторами оказалась не эффективной по причине низкого срока службы (2-2,5 года).

Защита напылением металлов и сплавов

На сегодняшний день практически все крупногабаритные конструкции в той или иной степени защищены металлизационными покрытиями. По данным некоторых источников, срок службы металлизационных покрытий в резервуарах может достигать 50 лет. Реальность такого срока службы металлизационных покрытий в условиях среды с высокой коррозионной активностью подтверждается данными Института электросварки имени Патона.

Целесообразность применения

В настоящее время в Российской Федерации существуют нормативные документы, которыми определены виды антикоррозионных покрытий, предназначенных для защиты конструкций в зависимости от вида агрессивной среды. В частности, к этим документам относятся следующая нормативно-техническая документация:

1. «Правила устройства вертикальных цилиндрических стальных резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов» ПБ 03-605-03, утвержденные постановлением Госгортехнадзора 76 от 9 июня 2003 года;

2. ГОСТ Р 52910-2008 Резервуары вертикальные цилиндрические стальные для нефти и нефтепродуктов, утвержденный приказом Ростехрегулорования 57-ст от 25 марта 2008 года. Оба эти документа предусматривают применение двух видов покрытий для защиты резервуаров от коррозии – лакокрасочного и металлизационно – лакокрасочного.

3. Наиболее полно виды покрытий определены в руководящем документе – инструкции РДИ 38 5-6-001-91 «Единая система защиты от коррозии и старения. Защита внутренней поверхности резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов».

Этот документ разработан НПО «Леннефтехим» и утвержден в 1991 году Миннефтехимпромом. РДИ 38 5-6-001-91 рекомендует применять следующие варианты защиты в зависимости от зоны резервуара и коррозионной активности среды (таблица 2).

При этом данная инструкция определяет, что «необходимость защиты резервуаров от коррозии, выбор методов и средств, применяемых для этой цели, устанавливается предприятием – владельцем резервуара на основании собственных исследований или рекомендаций специализированных организаций».

Наиболее часто встречающиеся дефекты резервуаров можно разделить на две группы:

• полученные в процессе изготовления элементов конструкции и при производстве строительно-монтажных и сварочных работ;
• появившиеся в процессе эксплуатации резервуаров: усталостные трещины и расслоение металла, коррозионный износ основного металла.

Опасный дефект обеих групп - трещины протяженностью от 20 до 3000 мм. В большинстве случаев они встречаются в вертикальных швах нижней части первого пояса, в местах пересечений вертикальных и горизонтальных швов первого и второго поясов.

Самые основные дефекты и повреждения РВС перечислены в [7]:

1) трещины в окрайках днища по сварным соединениям и основному металлу;

2) трещины в нижнем уторном соединении;

3) трещины в сварных соединениях полотнища днища;

4) выпучины, вмятины и складки днища;

5) трещины в нижних поясах по сварным соединениям и основному металлу;

6) подрезы основного металла, непровары, шлаковые включения и другие дефекты сварных соединений;

7) отпотины в сварных соединениях и основном металле днища, стенки и кровли;

8) изменения геометрической формы верхних поясов стенки резервуара (местные выпучины и вмятины);

9) коррозионные повреждения днища, стенки и кровли;

10) деформации днища по периметру резервуара;

11) равномерные и неравномерные осадки основания;

12) вмятины на нижнем поясе стенки.

Таким образом, наиболее распространены дефекты и повреждения днища и нижних поясов стенки.

Проведенный анализ контрольно-диагностических работ в резервуарных парках Республики Коми (РК): старых, эксплуатирующихся более 25 лет (20 лет нормативный срок эксплуатации [8]) и новых, эксплуатирующихся до 2 лет, показывает, что поврежденность именно этих элементов чаще всего приводит к отказам.

Процентное соотношение дефектов и повреждений резервуаров, работающих в РК, показано на рисунке 1.

Рис.1. Дефекты и повреждения резервуаров в РК

Согласно анализу данных обследований наиболее всего образованию дефектов подвержено днище резервуара (рис.2). Во время сезонного оттаивания деятельного слоя многолетнемерзлых грунтов резервуары обычно бывают не заполнены и нагрузки на основание передаются по периметру стенки от собственного веса стенки и веса крыши. Оттаивание начинается с краев резервуара. Из-за значительного поперечного размера под центральной частью резервуара грунты основания могут находиться в мерзлом состоянии еще какое-то время. При загружении теплым нефтепродуктом под днищем начинает активизироваться процесс оттаивания. Заполненный маловязким нефтепродуктом резервуар, благодаря свободной конвекции, является хорошим проводником тепла. Большие массы нефтепродукта в резервуаре в течение теплого периода аккумулируют тепло, и при понижении температуры наружного воздуха процесс оттаивания грунта под резервуаром может продолжаться. Замерзание оттаявшей толщи многолетнемерзлых грунтов под резервуаром происходит обычно в нагруженном состоянии и начинается тоже с краев. Неравномерные смещения основания, происходящие при оттаивании - промерзании деятельного слоя под резервуаром, приводят к деформациям днища и неравномерной осадке основания.

Рис.2. Статистика отказов элементов конструкции резервуара

Обследования технического состояния резервуаров показали, что многие резервуары имеют на днище хлопуны, размеры которых значительно превышают предельные нормативные значения. При действии гидростатического давления хлопун в зависимости от своей жесткости может либо не измениться, либо прогнуться до соприкосновения с основанием, либо выхлопнуть как мембрана. При этом, в днище возникают дополнительные напряжения. Наиболее опасно расположение хлопуна вблизи уторного соединения стенки с днищем. Прощелкивание хлопунов при многократной загрузке-разгрузке может привести к образованию усталостных трещин и при определенных условиях к разрушению всего резервуара.

При дефектоскопии сварных швов резервуаров были обнаружены следующие виды дефектов: газовые поры, скопления и цепочки газовых пор, непровары, подрезы, трещины, неметаллические и шлаковые включения. Непровары уторного соединения стенки с днищем, расположенные с внутренней стороны, оказывают наибольшее влияние на несущую способность резервуаров. Влияние дефектов на надежность сварного соединения повышается при увеличении длительности работы конструкции в нагруженном состоянии, при усилении коррозии и при снижении температуры эксплуатации. Во время длительной эксплуатации дефекты сварных швов под действием коррозии и концентрации напряжений могут приобрести опасные размеры. В условиях низких температур хрупкое разрушение резервуара происходит как распространение трещины, возникшей от таких наиболее распространенных дефектов сварных швов, как непровары и подрезы.

Конструкции вертикальных резервуаров для нефти и нефтепродуктов в процессе эксплуатации подвергаются различным силовым воздействиям: давление покрытия снегового покрова, давление продукта, избыточное давление в газовом пространстве резервуара, температурные воздействия и др. Эти факторы приводят к деформированию стенок в результате неравномерной нагрузки, особенно при наличии крена резервуара, и увеличению погрешности измерения объема продукта содержащегося в резервуаре.

Резервуары, хранящие угленосную нефть, имеют значительные коррозионные повреждения в нижней части оболочки, где соленая пластовая вода, осаждающаяся из нефти, вызывает коррозию днища и нижней части первого пояса. В резервуарах, в которых хранятся бензины, сильно и равномерно коррозируют верхние пояса, которые в отличие от нефтяных резервуаров больше контактируют с кислородом воздуха. На рисунке 3 приведен график зависимости степени износа корпуса резервуара во времени при хранении различных нефтепродуктов, полученный на основании фактических материалов и показывающий предельный срок эксплуатации. Опасность коррозии как фактор, уменьшающий долговечность резервуаров, усугубляется и тем, что продукты коррозии попадают в нефтепродукты и загрязняют их, что приводит к потере их качества [5].

Рис.3. Процент износа стальной оболочки корпуса резервуара в зависимости от продолжительности эксплуатации и вида хранимого продукта

В зависимости от месторождения нефть имеет различный качественный и количественный состав. Нефти состоят главным образом из углерода - 79,5-87,5% и водорода - 11,0-14,5% от массы нефти. Кроме них в нефти присутствуют еще три элемента - сера, кислород и азот. Их общее количество обычно составляет 0,5-8%. В незначительных концентрациях в нефти встречаются элементы: ванадий, никель, железо, алюминий, медь, магний, барий, стронций, марганец, хром, кобальт, молибден, бор, мышьяк, калий. Их общее содержание не превышает 0,02-0,03% от массы нефти. Указанные элементы образуют органические и неорганические соединения, из которых состоят нефти. Состав нефти основных районов Республики Коми приведен в таблице 1.

Таблица 1

Состав нефти основных районов РК

Район месторождения	Плотность, г/см³	Углерод, С	Водород, Н	Сера, S	Азот, N	Кислород, O	Зола
Ухтинский	0,897	85,30 %	12,46 %	0,88 %	0,14 %	-	0,01 %
Усинский	0,892	86,10 %	12,5%	2,42%	0,1%	-	0,01%
Печорский	0,894	86,8%	12,2	2,0%	0,12%	0,01%	-

Почти все виды деформаций геометрической формы резервуаров, отмеченные на нефтебазах РК, связаны с оттаиванием грунтов насыпи и основания. При неравномерной осадке основания корпус претерпевает сложную трехмерную деформацию [1]. В результате стенка получает общие и локальные деформации. Резервуары с неравномерной осадкой основания практически всегда имеют неравномерные радиальные перемещения стенки. В работе [5] отмечается, что численное моделирование подтверждает возможность образования на стенке вмятин и выпучин при неравномерных осадках основания. Получаемые при моделировании вмятины и выпучины имеют форму, вытянутую по вертикали. Именно такие дефекты стенок резервуаров наиболее распространены на Севере.

Менее всего дефектам подвержена стационарное покрытие – кровля резервуара.

В Республике Коми отказы резервуаров происходят преимущественно при экстремально низких и высоких температурах. При низких температурах разрушение носит хрупкий характер и начинается как развитие трещин. Низкая температура наружного воздуха приводит к снижению трещиностойкости конструкционных материалов, а колебания температуры - к возникновению температурных напряжений. Трещины зарождаются с дефектов основного металла конструкций и сварных соединений.

Исследования показывают, что хрупкие разрушения происходят при сочетании нескольких неблагоприятных факторов, среди которых основную группу образуют наличие трещиноподобных дефектов в сварном соединении, снижение трещиностойкости металла и повышение напряжений от нагрузок. Вязкие разрушения резервуаров происходят при высоком уровне напряжений. Перенапряжения в конструкциях могут возникнуть при непроектных воздействиях (неравномерные осадки основания, температурные воздействия) и в результате увеличения напряжений вследствие уменьшения толщины листов корпуса из-за коррозии.

По данным Березина В.Л., Фалькевича А.С., Анучкина М.П. и др., на появление хрупких трещин в резервуарах существенное влияние оказывает время года (рисунок 1.4) [3, 6]. Большая доля трещин приходится на холодные месяцы года - январь, февраль, декабрь.

Рис.4. Распределение количества трещин по месяцам

Появления перечисленных дефектов у резервуаров зависит не только от неблагоприятных климатических условий региона, но и от продолжительности эксплуатации в этих условиях. Наибольшее количество дефектов и повреждений у РВС наблюдается в начальный период эксплуатации емкостей и после 25 лет работы.

В период приработки интенсивность отказов велика, так как в конструкциях технологических объектов возникают большое количество строительных дефектов [4, 6]. После того, как дефекты были устранены путем ремонта или полной замены элементов конструкции, уровень интенсивности отказов установился постоянным и наступил период нормальной эксплуатации, отказы этого периода называются внезапными.

В период старения количество отказов начинает быстро увеличиваться из-за износа элементов конструкций. После 18-ти лет эксплуатации резервуарного парка начинает сказываться износ элементов технологических объектов. С этого момента времени начинается период интенсивного износа конструкций с резким ростом интенсивности отказов и особенно актуальной становится задача оценки риска дальнейшей эксплуатации объектов нефтебазы.

Согласно [6], срок службы до первого капитального ремонта стальных вертикальных резервуаров составляет 5 лет при хранении сероводородсодержащей нефти и 10 лет - нефти без сероводорода. В целом, эксплуатационный период РВС до выхода из строя варьирует от 3,9 до 21 года, а средний возраст резервуаров эксплуатируемых в РК составляет 23 года.

Проведенный анализ показывает, что основные причины выхода их строя резервуаров, работающих в условиях низких температур следующие:

1) значительная коррозия корпуса резервуаров при хранении в них нефти и нефтепродуктов с повышенным содержанием серы, сероводорода и других коррозионно-активных веществ;

2) неравномерная осадка основания и деформации геометрической формы резервуаров, связанные с оттаиванием грунтов насыпи и основания;

3) образование дефектов в сварных швах (непровары, шлаковые включения, подрезы и т.п.), которые играют роль концентраторов напряжений, особенно опасных в нижнем поясе резервуаров и в уторном шве, в точках сопряжения оболочки корпуса с днищем;

4) склонность основного металла корпусов резервуаров, сваренных преимущественно из кипящей стали, к хладноломкости, особенно в условиях резкого перепада температур хранимого нефтепродукта и окружающего воздуха в районах с низкой температурой окружающего воздуха и сильными ветрами

5) нарушение правил технической эксплуатации резервуаров, в частности, превышение допустимой высоты налива нефти и нефтепродуктов, а также превышение давления или образование недопустимого вакуума в газовом пространстве.

Таким образом, анализ технического состояния резервуаров позволил выявить, опасные, с точки зрения возможности возникновения аварии, дефектные места, факторы, влияющие на качество сварных соединений, зоны интенсивного коррозионного поражения и определить основное направление исследований по определению состояния основного металла и металла сварных швов изделий.

Выводы: данные обследований технического состояния показывают, что эксплуатируемые в РК резервуары имеют многочисленные дефекты и повреждения, среди которых наиболее опасными являются трещиноподобные дефекты сварных швов и неравномерная осадка оснований, существенно снижающие несущую способность резервуаров при низких температурах. При низких температурах эксплуатации наиболее вероятным предельным состоянием резервуаров с дефектами является хрупкое разрушение.

Характерными зонами разрушений резервуаров являются уторное соединение стенки с днищем, места технологических отверстий и монтажных заплат в стенке, то есть области, где имеется концентрация напряжений, а сварные швы, содержат дефекты, способные инициировать хрупкие трещины.

Виды коррозии металла

Металлы и сплавы могут разрушаться под действием химического (химическая коррозия), электрохимического (электрохимическая коррозия) и механического (эрозия) воздействий внешней среды.

Способность металла сопротивляться коррозионному воздействию среды называют коррозионной стойкостью.

Коррозия металла или сплава происходит, как правило, на границе раздела фаз, т. е. на границе соприкосновения твердого вещества с газом или жидкостью.

Коррозионные процессы подразделяются на следующие виды: по механизму взаимодействия металла со средой; по виду коррозионной среды; по виду коррозионных разрушений поверхности; по объему разрушенного металла; по характеру дополнительных воздействий, которым подвергается металл одновременно с действием коррозионной среды.

По механизму взаимодействия металла со средой различают химическую и электрохимическую коррозию.

Коррозию, протекающую под влиянием жизнедеятельности микроорганизмов, относят к биологической коррозии, а протекающую под действием радиоактивного излучения - к радиационной коррозии.

По виду коррозионной среды, участвующей в коррозионном разрушении металла или сплава, различают коррозию в жидкостях-неэлектролитах, коррозию в растворах и расплавах электролитов, газовую, атмосферную, подземную (почвенную) коррозию, коррозию блуждающим током и др.

По характеру изменения поверхности металла или сплава или по степени изменения их физико-механических свойств, в процессе коррозии независимо от свойств, среды коррозионные разрушения бывают нескольких видов.

1. Если коррозия охватывает всю поверхность металла, то такой вид разрушения называется - сплошной коррозией. К сплошной коррозии относится разрушение металлов и сплавов под действием кислот, щелочей, атмосферы. Сплошная коррозия может быть равномерной, т. е. разрушение металла происходит с одинаковой скоростью по всей поверхности, и неравномерной, когда скорость коррозии на отдельных участках поверхности неодинакова. Примером равномерной коррозии может служить коррозия при взаимодействии меди с азотной, железа - с соляной, цинка - с серной кислотами, алюминия - с растворами щелочей. В этих случаях продукты коррозии не остаются на поверхности металла. Аналогично коррозируют железные трубы на открытом воздухе. Это легко увидеть, если удалить слой ржавчины; под ним обнаруживается шероховатая поверхность металла, равномерно распределенная по всей трубе.

2. Сплавы некоторых металлов подвержены - избирательной коррозии, когда один из элементов или одна из структур сплава разрушается, а остальные практически остаются без изменений. При соприкосновении латуни с серной кислотой происходит компонентно-избирательная коррозия - коррозия цинка, а сплав обогащается медью. Такое разрушение легко заметить, так как происходит покраснение поверхности изделия за счет увеличения концентрации меди в сплаве. При структурно-избирательной коррозии происходит преимущественно разрушение какой-либо одной структуры сплава, так, например, при соприкосновении стали с кислотами феррит разрушается, а карбид железа остается без изменений. Этому виду коррозии особенно подвержены чугуны.

3. При местной коррозии на поверхности металла обнаруживаются поражения в виде отдельных пятен, язв, точек. В зависимости от характера поражений местная коррозия бывает в виде пятен, т. е. поражений, не сильно углубленных в толщу металла; язв - поражений, сильно углубленных в толщу металла; точек, иногда еле заметных глазу, но глубоко проникающих в металл. Коррозия в виде язв и точек очень опасна для таких конструкций, где важно поддерживать условия герметичности и непроницаемости (емкости, аппараты, трубопроводы, применяемые в химической промышленности).

4. Подповерхностная коррозия начинается с поверхности металла в тех случаях, когда защитное покрытие (пленки, оксиды и т. п.) разрушено на отдельных участках. В этом случае разрушение идет преимущественно под покрытием, и продукты коррозии сосредотачиваются внутри металла. Подповерхностная коррозия часто вызывает вспучивание и расслоение металла. Определить ее возможно только под микроскопом.

5. Щелевая коррозия - разрушение металла под прокладками, в зазорах, резьбовых креплениях, в клепаных соединениях и т. п. Она чаще развивается на участке конструкции, находящейся в зазоре (щели).

6. Межкристаллитная коррозия - разрушение металла по границам кристаллитов (зерен) с потерей его механической прочности, внешний вид металла при этом не меняется, но он легко разрушается на отдельные кристаллики под механическим воздействием. Объясняется это образованием между зернами металла или сплава рыхлых, малопрочных продуктов коррозии. Этому виду коррозии подвержены хромистые и хромоникелевые стали, никелевые и алюминиевые сплавы. Чтобы избежать межкристаллитной коррозии, в последние годы широко используют нержавеющие стали с пониженным содержанием углерода или в их состав вводят карбидообразователи - титан, тантал, ниобий (в 5-8 - кратном количестве от содержания углерода).

При одновременном воздействии на металл или сплав сильно агрессивных сред и механических растягивающих напряжений возможно коррозионное растрескивание, или транскристаллитная коррозия. В этом случае разрушение происходит не только по границам кристаллитов, но разделяется на части сам кристаллит металла. Это очень опасный вид коррозии, особенно для конструкций, несущих механические нагрузки (мосты, оси, тросы, рессоры, автоклавы, паровые котлы, двигатели внутреннего сгорания, водяные и паровые турбины и др.).

Коррозионное растрескивание зависит от конструкции аппаратуры, характера агрессивной среды, строения и структуры металла или сплава, температуры и т. д. Например, коррозионное растрескивание углеродистых сталей очень часто происходит в щелочных средах при высоких температурах; нержавеющих сталей - в растворах хлоридов, медного купороса, ортофосфорной кислоты; алюминиевых и магниевых сплавов - под действием морской воды; титана и его сплавов - под действием концентрированной азотной кислоты и растворов йода в метаноле.

Следует отметить, что в зависимости от природы металла или сплава и свойств агрессивной среды существует критическое напряжение, выше которого коррозионное растрескивание наблюдается часто.

По характеру дополнительных воздействий, которым подвергается металл, одновременно с воздействием агрессивной среды можно выделить коррозию под напряжением, коррозию при трении и кавитационную.

7. Коррозия под напряжением - это коррозия при одновременном воздействии коррозионной среды и постоянных или временных напряжений. Одновременное воздействие циклических растягивающих напряжений и коррозионной среды вызывает коррозионную усталость, т. е. Происходит преждевременное разрушение металла. Этот процесс можно представить следующим образом: сначала на поверхности изделия возникает местная коррозия в виде язв, которые начинают действовать в качестве концентратора напряжений, максимальное значение напряжения будет на дне язв, которое имеет более отрицательный потенциал, чем стенки, в результате чего разрушение металла будет идти вглубь, а язва будет переходить в трещину. Этому виду коррозии подвержены валы гребных винтов. Рессоры автомобилей, канаты, охлаждаемые валки прокатных станов и др.

8. Коррозия при трении - разрушение металла, вызываемое одновременным воздействием коррозионной среды и трения. При колебательном перемещении двух поверхностей относительно друг друга в условиях воздействия коррозионной среды происходит коррозия истиранием, или фреттинг-коррозия. Устранить коррозию при трении или вибрации возможно правильным выбором конструкционного материала, снижением коэффициента трения, применением покрытий и т.д.

9. Газовая коррозия - это химическая коррозия металлов в газовой среде при минимальном содержании влаги (как правило не более 0,1%) или при высоких температурах. В химической и нефтехимической промышленности такой вид коррозии встречается часто. Например, при получении серной кислоты на стадии окисления диоксида серы, при синтезе аммиака, получении азотной кислоты и хлористого водорода, в процессах синтеза органических спиртов, крекинга нефти и т.д.

10. Атмосферная коррозия - это коррозия металлов в атмосфере воздуха или любого влажного газа.

11. Подземная коррозия - это коррозия металлов в почвах и грунтах.

12. Контактная коррозия - это вид коррозии, вызванный контактом металлов, имеющих разные стационарные потенциалы в данном электролите.

 

Глава 3.Способы защиты от коррозии

Защиту от коррозии следует начинать с правильного подбора химического состава и структуры металла. При конструировании необходимо избегать форм, способствующих задержке влаги. Для защиты металла от коррозии применяют различные способы.

Легирование стали повышает ее антикоррозионные свойства. Например, совершенную стойкость к атмосферной коррозии показывают нержавеющие легированные стали, содержащие в большом количестве хром, который, образуя на поверхности оксидные пленки, приводит сталь в пассивное состояние. Существенно повышается (в 1,5...3 раза) коррозионная стойкость строительных сталей при введении в их состав меди (0,2...0,5 %). Повышенной стойкости нержавеющих сталей против коррозии способствуют также их однородность и небольшое содержание вредных примесей.