Технология производства и промышленное применение силикатноэмалевых покрытий

Перед человечеством всегда остро стоит вопрос о том, как избежать разрушения металлов, причиняемых коррозией. Развитие многих производств химии, металлургии, энергетики, нефтяной, газовой и других отраслей тесно связано с необходимостью применения конструкционных материалов и покрытий, обладающих высокой химической устойчивостью. К числу наиболее надежных и универсальных средств защиты металлических изделий от коррозии является эмалирование, сочетающее прочностные свойства металла — стали с высокой химической устойчивостью силикатных эмалей.

ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ СИЛИКАТНОЭМАЛЕВЫХ ПОКРЫТИЙ

Силикатная эмаль - затвердевшая, преимущественно стеклообразная, из оксидов, неорганическая масса, основой которой является кремнезем. Эта эмаль одним или несколькими слоями наплавляется на металлическое изделие, например, на стальные трубы и фасонные изделия. Когда говорят о качествах и свойствах стекла, нельзя забывать об одном из важнейших его достоинств - способности сохраняться без разрушений в течение многих тысячелетий. Археологические раскопки подтверждают, что наиболее древние стекла и покрытия из них, изготовленные человеком и найденные до настоящего времени, имеют пятитысячелетний возраст. Если же обратиться к тектитам - к их космическим сородичам, образовавшимся в природе без участия человека - то они насчитывают несколько десятков миллионов лет, сохранились в земле, практически без повреждения, по меньшей мере, со времен палеолита, т. е. в течение 25 тыс. лет. Поскольку основой создания силикатных покрытий являются природные силикаты и другие минералы, вопрос о количественных

соотношениях элементов в пределах земной коры (толщина коры земли составляет 16 км) представляет практический интерес. Так, известно, что элементы: кремнезем, алюминий, железо, кобальт, никель, натрий, магний, литий, калий и др. - составляют 98 % массы земной коры и являются основой для применения в силикатной промышленности. Имеются неограниченные запасы этих нерудных месторождений.

Производство силикатноэмалевых (стеклоэмалевых) покрытий за рубежом

За рубежом эмалированные трубы и соединительные детали изготавливаются с наружным, внутренним и двухсторонним си-ликатноэмалевым (стеклоэмалевым) покрытиями в соответствии с требованиями американских и европейских стандартов (API, UCO 2178, DIN и др.).

Наиболее крупными специализированными предприятиями, производящими эмалированные трубы в США, являются фирмы «Пфаудлер», «АО Смиткорпорейшн» и его дочернее предприятие «Глоскаут продактс». Фирма «Пфаудлер» - одна из ведущих

компаний США по производству эмалированной аппаратуры и труб. Заводы фирмы размещены также в Англии, Мексике, Австралии, Германии, Швейцарии и Японии.

Одним из крупнейших производителей силикатноэмалевой фритты является фирма «Ферро», которая поставляет фритту практически во все развитые страны Америки и Европы.

Производство эмалированных труб имеется во Франции, Венгрии, Украине и других странах. В общей структуре производства труб черной металлургией США, например, выпуск эмалированных труб по объему близок (а в отдельные годы и превосходит) к производству труб из нержавеющих сталей.

За рубежом эмалированные трубы с наружным покрытием используются для изготовления теплообменной аппаратуры. Внутреннее силикатноэмалевое покрытие используют для пневмо- и гидротранспорта, транспортирования нефти, различных минеральных кислот, щелочей, горячей воды и пара, а также для высокоагрессивных сред с температурой эксплуатации до 250 °С (в химической, нефтеперерабатывающей, нефтехимической, энергетической, металлургической и других отраслях промышленности). Двухстороннее покрытие используется для подземных трубопроводных магистралей различного назначения, пароперепуск-ных барботажных труб, труб-дефлегматоров, экономайзеров. Эмалированные трубы широко используются для судовых котлов, высокая эффективность получена при эмалировании труб хвостовых поверхностей котлов, работающих на топливе с большим содержанием серы. В Германии организовано производство эмалированных трубчатых теплообменников высокого давления. В Англии эмалированные трубы применяются для систем подогрева воздуха судовых котлов, транспортировании сернокислых пульп с абразивами.

Данные о производстве эмалированных труб публикуются крайне редко или в общей массе труб с различными покрытиями (эмалированные указываются «в том числе»), что практически не позволяет выделить их отдельно.

Производство силикатноэмалевых (стеклоэмалевых) покрытий в бывшем Союзе и России.

В России эмалированные трубы и соединительные детали изготавливаются с двухсторонним наружным и внутренним

ЭКСПОЗИЦИЯ 22 (42) октябрь 2007 г.

КОРРОЗИЯ 37

силикатноэмалевым покрытием в соответствии с требованиями ГОСТ Р 5116498, СНиП 2.05.06-85, СНиП Ш-42-80, ВСН 088-88, РД 39-132-94 «Правил по эксплуатации, ревизии, ремонту и отбраковке нефтепромысловых трубопроводов», РД 5334.0-20.158-2003 «Типовой инструкции по защите трубопроводов тепловых сетей от наружной коррозии», технических условий отечественных заводов-изготовителей трубной эмалированной продукции и с другими документами, утвержденными в установленном порядке.

Силикатные эмали по технике эмалирования различаются на грунтовые, покровные и безгрунтовые. Техника нанесения осуществляется мокрым (шликерным) и пудровым способами. Способы оплавления - печной и индукционный нагрев. Причем индукционное оплавление покрытия является приоритетом бывшего Союза и России. В России эмалированные трубы выпускаются на специализированных участках ряда заводов и в цехах по эмалированию труб. Одним из крупнейших производителей эмалированных труб и соединительных деталей с двухсторонним и внутренним силикатноэмалевым (стеклоэма-левым) покрытием является ЗАО «НЕГАС». Годовое производство эмалированных труб в ЗАО «НЕГАС» составляет 1000 км.

Годовая производительность ООО «Са-маранефтепромстрой» составляет 100 км, завода «АКОР» (г. Ульяновск) и «Оренбург-коммунгортепло» (г. Оренбург) - 60 км. В других городах России имеются небольшие участки по производству эмалированных труб.

Для изоляции труб и соединительных деталей используются в основном безгрунтовые силикатноэмалевые покрытия.

Технические характеристики безгрунтового силикатноэмалевого покрытия приведены в табл. 1.

Трубы с двухсторонним силикатноэмале-вым покрытием и внутренним силикатноэма-левым покрытием находятся в эксплуатации на действующих теплопроводах и трубопроводах систем горячего водоснабжения в Москве, Пензе, Рязани, Казани, Оренбурге и т.д. Общее количество использованных труб составляет приблизительно 500 км. Трубы с двухсторонним и внутренним антикоррозионным и гладкостным силикатноэмалевым покрытием находятся в эксплуатации на нефтяных, газовых месторождениях и орошаемых сельскохозяйственных площадях на Алтае, в Хакасии, Тамбовской, Пензенской, Ростовской и Саратовской областях, а также в Башкортостане и Татарстане и других регионах России. Основное применение эмалированных труб проводилось на нефтяных промыслах в различных регионах России, СНГ и бывшего Союза. Развитие этого направления произошло в период 70-90 гг. двадцатого столетия и продолжается в настоящее время на ряде нефтяных месторождений, например, в 80-х годах двадцатого столетия в объединении «Мангышлакнефть», где добыча, сбор и транспорт нефти и газа осложнены интенсивным отложением парафина, солей и активным процессом коррозии. Это обусловлено высоким (до 24%) содержанием парафина в добываемой нефти, высоким содержанием (выше 50%) высокоминерализованной воды в продукции скважин, наличием в продукции сероводорода, сульфатвосстанавливающих бактерий, высоким содержанием хлор-иона, высокими температурами закачиваемой воды (до 90°С) и добываемых с нефтью пластовых вод.

В этих условиях межпрофилактический период обработок скважин от парафина составлял 50 суток, скважины прекращали подачу ввиду солеотложений через 140 суток, срок службы трубопроводов не превышал 2-3 лет, частота порывов по причине

коррозии или парафиноотложений превышало 2,0 на километр в год. При использовании ингибиторной защиты всех эксплуатирующихся скважин и коммуникаций срок службы трубопроводов не превышал 4-5 лет, частота прорывов не снижалась ниже 1 прорыва на километр в год, а при совместном действии коррозии и абразивного износа эта защита оказвалась совершенно неэффективна.

Основное промышленное производство и внедрение эмалированных насосно-компрессорных (НКТ) и нефтепромысловых труб начато в ПО «Мангышлакнефть» с 1977 г. Сравнительный анализ эксплуатации НКТ с однослойным силикатноэмалевым покрытием на скважинах НГДУ «Узеннефть» показал, что на эмалированных НКТ можно не производить депарафинизацию до 120 суток, межочистной период работы скважин возрастает в 2,5 раза. При этом устранение отложений в НКТ приводит к увеличению де-битов скважин. Проведенные лабораторные и промышленные испытания показали, что покрытия на основе эпоксидных материалов подвергаются абразивному и коррозионному износу и теряют защитные свойства. В дальнейшем цех по нанесению эпоксидных покрытий был остановлен и создан цех по эмалированию труб нефтяного сортамента.

Эффект от внедрения эмалированных НКТ ежегодно составляет около 0,5 млн. руб. (сейчас и далее - в ценах 1985 г.), окупаемость вложений - 2,5 года. Основная составляющая экономии обеспечивается за счет возрастания дебитов скважин, обусловленного резким снижением отложений парафина, соли, смол и асфальтенов в НКТ и улучшением гидродинамических характеристик трубопроводов. Прирост среднесуточного дебита на одну скважину составил 1,1 т.

Фактический экономический эффект от внедрения однослойного безгрунтового покрытия НКТ в целях борьбы с коррозией, отложениями парафина, соли, смол и ас-фальтенов НГДУ «Узеннефть» составил в среднем 4 тыс. руб. на 1 км труб в год.

При многослойных силикатноэмалевых покрытиях резко возрастают энергозатраты на нанесение и обжиг эмали. Однако по сравнению с другими типами антикоррозионных покрытий эмалирование более экономично. Сравнительные энергозатраты при нанесении некоторых антикоррозионных покрытий приводятся ниже. Однако, несмотря на увеличение затрат, экономическая эффективность применения эмалированных труб при переходе на многослойные коррозионно-стойкие покрытия возрастает за счет увеличения срока службы труб. Гарантированный срок службы НКТ, обсадных, нефтепровод-ных и водоводов с трехслойным эмалевым покрытием составляет 30 лет. Расчет производился в сравнении: для НКТ с эпоксидным покрытием, для трубопроводов - с ин-гибиторной защитой. Экономия достигается в результате увеличения срока службы НКТ и обсадных труб в 7,5 раза, трубопроводов в 15 раз.

Приэтомснижаютсяэксплуатационныеза-траты за счет экономии ингибиторов коррозии и парафиноотложений, происходит сокращение числа подземных и капитальных ремонтов скважин, профилактических обработок по устранению (АСПО), уменьшение затрат

Основные значения Показатели

Химическая устойчивость в соответствие с ОСТ 26-01-1255-83, мг/см2 • 10%-й H2S04 • 20,24%-й HCL • 10%-й NaOH Термостойкость, °С Толщина покрытия, мкм 0,2-0,25 0,3-0,4 0,75-0,9 220-250 350-450

Эксплуатационный температурный интервал, °С Прочность на сжатие, кгс/см2 от -150 до +350 800-1800

Прочность на растяжение, кгс/см2 400-800

Твердость по шкале МООСА (10-алмаз) 5-7

Прочность сцепления, % Долговечность (в зависимости от транспортируемой среды), годы 91,5-99 46-50

Табл. 1. Технические характеристики безгрунтового силикатноэмалевого покрытия

на ликвидацию порывов труб от коррозии. В среднем экономический эффект на 1 км труб составляет 6,24 тыс. руб/год. Фактическая экономия при этом намного выше, так как в расчет не входит увеличение дебитов скважин, обусловленное устранением АСПО на трубах и улучшением гидродинамических характеристик трубопроводов. На сегодняшний день в России эксплуатируется более 20 тыс. км трубопроводов с силикатноэмале-вым покрытием в различных областях промышленности. По результатам проведенных исследований, Госстрой России письмом N0 Л4-6567/12 от 06.11.2002 г. рекомендовал субъектам Российской Федерации организовать взаимодействие с разработчиками и поставщиками эмалированных труб с целью их использования при ремонте, реконструкции и строительстве трубопроводных систем различного назначения.

Применение внутренних защитных покрытий.

Для предохранения внутренней поверхности труб от коррозии применяют различные виды покрытий: цементно-песчаные, полиэтиленовые, металлические, полимерные, силикатноэмалевые и др.

Экономический эффект от применения различных покрытий определяется не только стоимостью изготовления, но главным образом сроком их службы. Антикоррозионные свойства защитного покрытия, определяющие его срок службы, проявляются при воздействии на него агрессивной среды в процессе эксплуатации.

Основные требования к защитным покрытиям:

• покрытие должно быть сплошным и беспористым;

• обладать химической устойчивостью и долговечностью;

• иметь хорошую адгезию к металлу;

• предотвращать отложения различных продуктов;

• защищать металл от коррозии;

• уменьшать гидравлическое сопротивление при движении продуктов транспортировки.

Цементно-песчаные покрытия на трубопроводах малого диаметра (от 57 до 426 мм) практически не применяются из-за значительного уменьшения площади поперечного сечения трубы. В основном они используются на трубах большого диаметра и, в частности, на водоводах при транспортировке холодной воды.

Проведенные исследования в УралНИ-ТИ бывшего Союза, г. Челябинск, показали, что основным недостатком органических покрытий (полимерных, полиэтиленовых,

эпоксидных композиций, лаковых и других) является их проницаемость для агрессивных сред.

После проникновения агрессивной среды через покрытие начинается коррозия металла под покрытием, которая, локализуясь или распространяясь, нарушает контакт покрытия с металлом (адгезию) и приводит к отслоению покрытия металла.

К существующим недостаткам органических внутренних покрытий следует отнести их деструкцию - изменение структуры полимерных материалов с течением времени, что приводит к ухудшению и потере первоначальных технико-эксплуатационных свойств.

Использование труб, например, с внутренним полиэтиленовым покрытием сопряжено с трудностями вследствие их относительно низких механических свойств, в особенности при повышенных температурах эксплуатации. Предел прочности полиэтилена на разрыв понижается в два раза, предел текучести - в три раза, модуль упругости при растяжении - в 2,5 раза.

При этом коэффициент термического расширения (К.Т.Р.) органических покрытий отличен от К.Т.Р. металла, и при незначительных изменениях теплового режима эксплуатации труб органическое покрытие растрескивается и нарушается адгезия металла с покрытиями. К недостаткам следует отнести и низкое сопротивление износу.

Иными словами, органические покрытия - это защитные покрытия относительно кратковременного действия. Из труб с защитными металлическими покрытиями трубной промышленностью выпускаются оцинкованные трубы, получаемые в расплаве цинка с добавкой 0,10-0,12 % алюминия, и алюми-нированные трубы, получаемые в расплаве алюминия. Проведенные исследования во ВНИТИ (бывшего Союза) г. Днепропетровска показали, что металлические покрытия увеличивают срок службы трубопроводов при перекачке холодной и горячей воды.

Однако при перекачке воды, которая имеет повышенное содержание хлоридов и сульфатов, коррозия таких покрытий протекает очень интенсивно, и их применение в этих условиях оказывается нецелесообразно. На водах горячего водоснабжения в Москве потери покрытия в год при общей толщине 55-80 мкм составляют 25-30 мкм в год, т.е. через два-три года покрытие полностью исчезает. Из рассмотренных видов покрытий внутренние силикатноэмале-вые покрытия не имеют негативных явлений, а их применение в промышленных условиях, например, на нефтепроводах, теплопроводах и в сетях горячего водоснабжения позволит:

• увеличить срок службы трубопроводов за счет сокращения отказов трубопроводов от внутренней коррозии;

• снизить затраты на ликвидацию порывов на трубопроводах;

• сократить затраты на профилактические обработки;

• экономить затраты за счет сокращения капитальных ремонтов трубопроводов;

• использовать при транспортировке трубы меньшего диаметра;

• экономить электроэнергию за счет снижения мощности насосных агрегатов.

Ожидаемый технологический эффект от применения труб с внутренним сили-катноэмалевым покрытием даст возможность:

• увеличить срок службы трубопроводов;

• полностью устранить прорывы трубопроводов от коррозии.

Кроме того, надо учитывать следующие статьи экономии:

• увеличение объемов продуктов транспортировки за счет устранения коррозионных отложений на внутренней поверхности трубопроводов;

• снижение металлоемкости оборудования;

• снижение энергетических затрат за счет уменьшения гидравлического сопротивления при использовании внутренних сили-катноэмалевых покрытий.

Рекомендуем:

1. При создании новых производственных мощностей в различных регионах России с наружной изоляцией и по теплоизоляции трубной продукции с использованием пенополиуретана в полиэтиленовой и оцинкованной стальной оболочках применять в качестве защиты от внутренней коррозии различных трубопроводов, теплопроводов и для сетей горячего теплоснабжения организацию производственных участков по эмалированию внутренней поверхности трубопроводной продукции.

2. Использовать эмалированную трубную продукцию ЗАО «НЕГАС» для строительства и ремонта трубопроводов различного назначения и для обустройства и добычи на нефтяных и газовых месторожденях.

Д.М. БУЛАТОВ,

ген. директор, ОАО «Метхимтэкс»

СИРОТИНСКИЙ Александр Александрович. зам. ген. директора по науке вице-президент Академии эмалирования России, академик РФ и Украины, лауреат гос. премии СМ СССР, заслуженный изобре-Александр татель РФ, заслужен-

Александрович. ный работник Минтопэнерго России, научный руководитель работ и автор прогрессивных технологий по изоляции трубной продукции с использованием неорганических покрытий.

Я!

СИРОТИНСКИЙ