Комплексная оценка коррозионной агрессивности грунтов участка магистрального нефтепровода

ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

УДК 620.193.013

С. С. Виноградова, А. А. Зигангирова, И. А. Щербаков

КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА КОРРОЗИОННОЙ АГРЕССИВНОСТИ ГРУНТОВ УЧАСТКА МАГИСТРАЛЬНОГО НЕФТЕПРОВОДА

Ключевые слова: коррозионная активность, удельное сопротивление, магистральный нефтепровод.

Проведена оценка коррозионной агрессивности грунтов на участке магистрального нефтепровода «Ножов-ка-Мишино-Киенгоп» по расширенной методике экспресс оценки коррозионной агрессивности грунта по ряду факторов. Установлены участки с наиболее коррозионно активными грунтами на исследуемом участке трубопровода. Проведено районирование местности с выделением участков вдоль трассы с постоянными значениями комплексного показателя коррозионной агрессивности.

Keywords: corrosive activity, specific resistance of soils, oil pipeline.

The evaluation of corrosion aggressiveness of soils on the section of the main oil pipeline "Nozhovka-Mishino-Kiengop" was carried out according to the express method of the evaluation of corrosion aggressiveness of the soil for a number of factors. The plots with the most corrosive soils on the pipeline section under investigation were installed. Zoning of the area was carried out with the allocation of sections along the pipeline with constant values of the complex index of corrosive aggressiveness.

Введение

По протяженности магистральных трубопроводов для транспортировки нефти и газа Россия занимает второе место в мире после США [1].

Повреждения внешней поверхности подземного трубопровода главным образом связаны с воздействием коррозионно-активной среды (почва и грунты), а также с ее физическими и химическими свойствами: гранулометрический и химический состав, влажность, электропроводность, состав поровых растворов, содержание органических веществ и микроорганизмов и т.д. [2].

В настоящее время в России для классифицирования грунтов используется ГОСТ 25100 в общей классификации которого все многообразие грунтов подразделено на классы скальных, дисперсных и мерзлых грунтов[3]. Наиболее встречающиеся виды грунтов в нашем регионе: скальные и полускальные грунты (известняки, доломиты, мергели, алевролиты, аргиллиты, песчаники) и дисперсные (глины, суглинки, супеси, пески, илы, заторфованные грунты).

Большинство аварий происходят на участках с тяжелым тугопластичным грунтом, значительно меньше в более легких грунтах и только единичные аварии случаются в песках и болотистых почвах. Для уменьшения количества аварий по причине МКК, необходимо контролировать состав грунта на этапе проектирования новой ветки газо- , нефтепроводов, что показывает необходимость исследования грунта при анализе и выборе участков под строительство и реконструкцию [4].

Основным условием возникновения коррозионного процесса является наличие в грунтах влаги и различных химических реагентов, за счет чего грунты обладают ионной электропроводностью. Это делает их коррозионно-активными электролитами по отношению к эксплуатируемым в них металличе-

ским конструкциям, что приводит к электрохимической коррозии конструкции [5]. При подземной коррозии происходит сложный процесс проникновения кислорода в среду: он подводится по капиллярам или через поровое пространство в грунте, так как грунт можно рассматривать как капиллярно-пористое тело. В обычных условиях, основным механизмом подачи кислорода в почву и грунт является диффузия газов в порах. Скорость диффузии определяется толщиной слоя грунта, его влажностью и структурой. Она сильно уменьшается при повышении влажности или с увеличением содержания в грунтах коллоидных и глинистых частиц. Скорость проникновения кислорода в глинистых почвах, по сравнению с песчаными почвами, может отличаться в десятки тысяч.

При возрастании естественной влажности до значений, соответствующих содержанию рыхлосвя-занной воды, интенсивность коррозии растет, дальнейшее увеличение влажности до величины максимальной влагоемкости мало влияет на изменение коррозионной активности [6].

В составе почв и грунтов наиболее часто встречаются карбонаты (СаСО3, МдС03 и др.). Они растворяются в воде, содержащейся в порах грунта, влияя на коррозионные свойства грунтов как электролитов. Большое влияние на коррозионные свойства грунтов оказывает наличие катионов Са2+и № . Эти соединения влияют на водо- и воздухопроницаемость грунтов и определяют соотношение жидкой и газообразной компонент в грунтах, под действием которых изменяются коррозионные свойства грунтов [7]^ повышением содержания ионов С1- и S042- коррозионная активность грунтов увеличивается. Общее повышение содержания водорастворимых солей в составе грунтов ведет к снижению омического сопротивления среды и усилению коррозионного процесса [8].

При коррозии за счет деятельности микроэле-

ментов наиболее агрессивными грунтами являются песчаные, а наименее - глинистые. Но глубина коррозионного поражения в глинистых грунтах оказывается несколько более значительной. Это объясняется образованием макро гальванических пар дифференциальной аэрации [9].

Грунты являются средой обитания разнообразных микро- и макроорганизмов. Наибольший вред состоянию металла трубопроводов наносят суль-фатвосстанавливающие бактериии сероокисляющие, которые окисляют сульфиды и восстановленные соединения серы до сульфатов, в результате образовываться серная кислота, создающая агрессивную коррозионную среду [10].Согласно экспертной оценке, около 80% коррозионных повреждений нефтепромыслового оборудования и более 50% повреждений подземных металлоконструкций обусловлено жизнедеятельностью микроорганизмов [11]. До сих пор не идентифицированы все микроорганизмы, способные вызывать биокоррозию [12].

Температурный режим почвы не является основным критерием коррозионной активности почв и только для почв, находящихся большую часть времени в промерзшем состоянии, температуру можно считать одним из основных показателей коррозии [13].

Повреждения изоляционного покрытия нефтепроводов достаточно точно позволяют определить электрометрические методы - внутри трубная диагностика (ВТД). Однако, но не все нефтепроводы оборудованы камерами приема и запуска снаряда, к тому же это дорогостоящая процедура. Анализируя информацию по ВТД можно определить, где наблюдаются максимальные коррозионные повреждения, а, следовательно, и определить наиболее агрессивный грунт и его параметры. Косвенно о состоянии трубы под изоляционным покрытием можно судить по коррозионной агрессивности грунта [14].

Основным методом оценки коррозионной активности грунтов по отношению к стали является определение их электропроводимости или удельного электрического сопротивления [15]. Согласно которой, грунты с низкой коррозионной агрессивностью имею удельное электрическое сопротивление свыше 50 Ом*м; со средней коррозионной агрессивность - от 20 до 50 Ом*м; с высокой коррозионной агрессивностью - до 20 Ом*м.

Однако коррозионная активность грунтов - изменчивая характеристика, зависящая от ряда природных и техногенных факторов, которые могут действовать как раздельно, так и одновременно в конкретном месте, также один и тот же фактор при различных сочетаниях с другими может в одних случаях ускорять, а в других случаях замедлять скорость коррозии металла, поэтому оценка коррозионной активности среды по какому-либо одному фактору невозможна [14]. В настоящее время разрабатываются и находят свое применение методы, учитывающие влияние нескольких факторов на электропроводность грунтов, что дает возможность более точного коррозионного прогнозирования.

В работе [16] предложена методика построения модели для определения зависимости удельного электрического сопротивления от влажности и температуры для любого типа грунта с использованием регрессионного моделирования с применением теории нечетких множеств.

С помощью численного и физического моделирования исследована зависимость величины измеряемого удельного электрического сопротивления от геометрических параметров дисперсных грунтов и предложены пути развития методики определения удельного электрического сопротивления, позволяющей оперативно выполнять измерения на образцах произвольных размеров без нарушения их герметичности [17].

В работе [18] представлены результаты исследования влияния влажности и пористости грунтов на величину их электропроводимости. Показано, для грунтов существуют некоторые оптимальные значения влажности и содержания растворимых веществ, при которых их удельное электрическое сопротивление достигает минимума.

С целью корректировки точности определения наиболее опасных в коррозионном отношении участков в работе [19] предложена расширенная методика экспресс-анализа состояния металла газопровода с помощью оценки коррозионной агрессивности грунта по ряду факторов, что позволило увеличить надежность эксплуатации подземных металлических сооружений, сократить расходы на их эксплуатацию и капитальный ремонт.

Целью данной работы являлось: апробация данной методики для расширенной оценки коррозионной активности грунтов участка магистрального нефтепровода «Ножовка-Мишкино-Киенгоп» (длина трубопровода - 3,9 км, диаметр трубопровода -323 мм, глубина заложения до верха - 2,8 м) на территории Удмуртской Республики.

Экспериментальная часть

В связи с планируемой реконструкцией участка магистрального нефтепровода «Ножовка-Мишино-Киенгоп», на территории Удмуртской республики близ деревни Киенгоп были проведены инженерно-геологические изыскания, в рамках которых были отобраны образцы грунтов и исследованы их физико-механические свойства. Образцы для исследования были предоставлены лабораторией механики грунтов ИГиНГТ КФУ. Список и описание образцов приведены в табл. 1.

По данным инженерно-геологических изысканий было составлено геологическое строение исследуемого участка магистрального нефтепровода (рис.1). Анализ образцов грунтов показал, что на территории имеются суглинки и глины мягкопластичные-текучепластичные, представляющие опасность для магистрального нефтепровода в коррозионном отношении, т.к. являются хорошими проводниками за счет высокой влажности, и пески, обладающие хорошей воздухопроницаемостью.

Определение удельного электрического сопротивления грунта проводилось согласно ГОСТ 9.602-2016 [15].

Таблица 1 - Описание образцов грунтов

№ обр № вы-работки Глубина отбора, м Наименование грунта

1 2 2 Суглинок песчанистый, тяжелый, мяг-копластичный с включением дресвы и щебня

2 1

3 4 5,5 Песоксредней крупности, неоднородный

4 6

5 2 Суглинок песчанистый, тяжелый, мяг-копластичный

6 5 5 Песок гравелистый, неоднородный

7 6,5 Песок средней крупности, неоднородный

8 13 5 Суглинок песчанистый, легкая, дресвяная, твердая

9 12 1,5 Глина полутвердая, тяжелая, пылеватая

Определение природной влажности проводилось методом высушивания до постоянной массы по ГОСТ 5180-2015 [20].Значения природной влажности, а также других физико-механических свойств грунтов были предоставлены лабораторией механики грунтов ИГиНГТ КФУ. Предварительное определение содержания в грунтах карбонатов проводилось путем наблюдения за интенсивностью реакции частиц грунта с раствором HCl. Определение H2S основано на окислении сероводорода йодом, выделившимся при взаимодействии йодида калия с КМпО4 в кислой среде. Нижний предел обнаружения - 0,32 мг на 1 кг почвы, измеряемые концентрации - 0,32 - 2300 мг/к [21].

Рис. 1 - Условный геологический разрез исследуемого участка

Для расширенной оценки коррозионной активности грунтов в данной работе применялась метод разработанный в СТО Газпром 2-3.5-252-2008 «Методика продления срока безопасной эксплуатации магистральных трубопроводов ОАО «Газпром» [19]. Методика предназначена для оценки комплексного

показателя, характеризующего коррозионную агрессивность грунта вдоль трассы газопровода с целью последующего районирование местности по признаку коррозионной агрессивности. В качестве комплексного показателя коррозионной агрессивности принимается балльная оценка, учитывающая четырнадцать различных факторов.

Определение класса грунта происходит на основании оценки коррозионной агрессивности по сумме набранных баллов, согласно которой: у некоррози-онно-активных почв сумма баллов больше нуля, у слабо коррозионно-активных почв (класс грунта 1) сумма баллов от 0 до минус 4, у коррозионно-активных почв (класс грунта 2) сумма баллов от минус 5 до минус 10, у сильно коррозионно-активных почв (класс грунта 3) менее минус 10 баллов.

Районирование местности предусматривает выделение участков вдоль трассы с заданными (постоянными в пределах участка) значениями комплексного показателя коррозионной агрессивности [22].

Оценка коррозионной активности начинается с определения типа и вида грунта. Согласно инженерно-геологическому разрезу (рис.1), на исследуемой территории преобладают глинистые естественно сформированные грунты. Особенностью таких грунтов, предопределяющих более высокую коррозионную активность, по сравнению с другими типам, является способность глинистых минералов к обменной адсорбции. Важное влияние на характер коррозионной активности оказывает наличие грунтовой воды на уровне укладки трубопровода. О ее наличии можно утверждать, зная консистенцию глинистых грунтов - мягкопластичная и текучепла-стичная. К тому же, ниже пролегает слой песчаных грунтов, по порам которых может двигаться несвязанная вода [23].

Согласно, используемой методики самыми весомыми факторами, характеризующими коррозионную опасность участка, являются удельное электрическое сопротивление и окислительно-восстановительный потенциал. Наименьшие значения удельного электрического сопротивления (15-19 Ом-м) и окислительно-восстановительного потенциала (175-221 мВ) соответствуют образцам 1, 2 и 5, то есть суглинкам мягкопластичным (табл. 1). Такие невысокие значения характеризуют высокую (до 20 Ом-м) коррозионную активность по ГОСТ 9.6022005, что связано с высоким содержанием влаги в грунтах (табл. 2) и плохой воздухопроницаемости. Самые высокие значения удельного электрического сопротивления (28-44 Ом-м) и окислительно-восстановительного потенциала (515-602 мВ) соответствуют образцам 3, 4, 7 - пески средней крупности, образцу 6 - песок гравелистый. Эти значения характеризуют среднюю коррозионную активность (20-50 Ом*м). Пески обладают более высокой воздухопроницаемостью в отличие от глинистых грунтов (табл. 2) и более высоким удельным электрическим сопротивлением, но образцы песков с исследуемой территории насыщенны водой, что снижает значения удельного электрического сопротивления и окислительно-восстановительного потенциала.

Образцы 8 и 9 имеют так же среднюю коррозионную агрессивность, за счет твердой консистенции и низкой пористости.

Таблица 2 -Результаты химического анализа грунтов

Влажность глинистых грунтов (образец 1,2,5 и 9) колеблется от 25 до 27%, песков (образец 3,4,6 и 7) -от 17 до 21%. Высокое содержание влажности, сопровождается низкими значениями удельного электрического сопротивления. Сульфат-ион ускоряет коррозию при концентрации больше 200 мг/кг [19]. В исследуемых образцах самое высокое содержание SO4 в образце 4 - 136 мг/кг, следовательно, сульфат-ионы не будут оказывать влияния на коррозионные свойства. Содержание же С1-ионов свыше 100 мг/кг препятствует образованию защитных слоев на стали и интенсифицирует коррозию. Высокое содержание С1-ионов наблюдается в образцах 1, 3, 6 (174,8 - 314,4 мг/кг).

Присутствие карбонатов в грунтах и почве способствует образованию защитных пленок на поверхности металла, но в грунтах исследуемого участка содержание карбонатов незначительно и не будет оказывать влияния на характер коррозии.

Показатель кислотности почв и грунтов в большинстве случаев равен или близок к 7. В используемой бальной системе оценки коррозионной активности, отрицательный бал присваивается участку, значение рН которых менее 6. В исследуемых образцах величина рН изменяется в пределах 6,5-8,0. Кислотность грунтов не может характеризовать скорость коррозии, но влечет за собой изменение характера коррозионной активности грунта.

По полученным суммарным баллам, был определен класс грунтов по коррозионной опасности - на исследуемой территории преобладают коррозионно-активные и сильно коррозионно-активные грунты. К 3 классу грунтов - сильно коррозионно-активные -относятся суглинки мягкопластичные (образцы № 1, 2, 5), ко 2 классу - коррозионно-активные - пески (образцы № 3, 6, 7) и суглинки и глины твердые (образцы № 8 и 9 соответственно), так же небольшая часть грунтов относится к 1 классу - слабо коррози-онно-активные - песок (образец №4).

Сопоставляя информацию по подтвержденным при шурфовках данных внутритрубной диагностики

на исследуемых участках нефтепровода с данными полученными на основе экспресс методики для определения коррозионной активности грунтов существует возможность оценки не только характера влияния коррозионной среды на нефтепровод, но и косвенной оценки скорости коррозии и создание карты с уточненными коррозионно опасными участками для более правильного формирования графиков проведения электрометрических обследований, а следовательно, оптимального распределения и экономии средств.

Заключение

1. Установлено, что использование экспресс методики для определения коррозионной активности грунтов позволяет увеличить точность определения наиболее опасных в коррозионном отношении участков и расширяет спектр исследований для получения фактических зависимостей коррозионных повреждений от характеристик грунта.

2. Анализ экспресс оценки коррозионной агрессивности грунтов выявил, что из четырнадцати факторов, включенных в данную методику, наибольшее влияние (максимально отрицательный балл -4) на значение коррозионной активности оказывают четыре фактора - удельное электрическое сопротивление грунта, окислительно-восстановительный потенциал, содержание сероводорода и углеродистых или коксовых компонентов.

3. Установлено, что на глубине укладки (2,8 м.) на участке магистрального нефтепровода длиной 3,6 км. (скважина 2,4,5) присутствуют сильно коррозионно - активные грунты - суглинки мягкопластичные, на участке 0,3 км (скважина 12) и грунты средней коррозионной активностью - глина полутвердая, тяжелая, пылеватая.

4. Проведено районирование местности с выделением участков вдоль трассы с постоянными значениями комплексного показателя коррозионной агрессивности (класс грунта 3 и 2), позволившее провести реконструкцию участка магистрального нефтепровода с внедрением новых конструкционных решений и технологий.

Литература

1. Николаев А.О. Повышение надежности работы магистральных и промысловых трубопроводов / А.О. Николаев // Успехи современного естествознания. - 2011. -№ 7. - С. 166-167;

2. Великолецкий М.А. Коррозионная активность грунтов в различных природных зонах/ М. А. Великоцкий // Вестник Московского университета. Сер. 5, География. 2010. N 1. С. 2127

3. ГОСТ 25100-2011 Грунты. Классификация (с Поправкой). - введ. 2013-01-01. - М.: Стандартинформ, 2013. - 45 с.

4. Аскаров Г.Р. Дисс. канд. тех. наук, Гос. нефтяной техн. ун-т, Уфа, 2014. 146 с.

5. Жук Н.П. Курс теории коррозии и защиты металлов: Учебное пособие для вузов. -М.: ОООТИД «Альянс», 2006. - 472 с.

6. Герасименко А. А. Защита от коррозии, старения и биоповреждений машин, оборудования и сооружений:

№ обр. Вла жно сть, % Содержание рН

Cl, мг/кг SO4, мг/кг CaCOs, мг/кг

1 26 242,8 9,8 190 6,5

2 25 12,3 47,8 250 8,0

3 17 174,8 90 300 6,8

4 18 59,9 136,2 200 7,3

5 28 29,3 85,9 110 7,8

6 19,5 314,4 11,5 200 6,7

7 21 13,4 30,1 100 7,3

8 11 11,7 70,1 340 7,2

9 27 9,5 18,6 90 6,9

Справочник: В 2 т. Т. 1/Под ред. А. А. Герасименко. -М.: Машиностроение, 1987. - 784 с.

7. Притула В. А. Подземная коррозия трубопроводов и резервуаров/техн. редактор И.В. Петриченко. - М.: изд-во «Акела», 2003.

8. Трофимов В. Т. Грунтоведение/Трофимов В. Т., Королев В. А., Вознесенский Е. А., Голодковская Г. А., Ва-сильчук Ю.К., Зиангиров Р.С. Под ред. В. Т. Трофимова. -М.: Изд-во МГУ, 2005. - 1024 с.

9. Томашов Н.Д. Щелевые испытаний коррозионной стойкости сталей в грунтах/ Томашов Н.Д., Красноярский В.В., Михайловский Ю.Н.// В кн.: Исследования по коррозии металлов: Труды института физической химии, М., 1960, т.6, № 8, с.226-234.

10. Пехташева Е.Л. Микробиологическая коррозия металлов защита от нее/Пехташева Е. Л., Неверов А. Н., Заи-ков Г. Е. //Вестник Казанского технологического университета - 2012 - №5 - том 15 - С 131-133.

11. Улиг Г. Г., Реви Р.У. Коррозия и борьба с ней. Введение в коррозионную науку и технику: Пер. с англ./Под ред. А. М. Сухотина. - Л.: Химия, 1989. - Пер. изд., США, 1985. - 456 с.: ил.

12. Медведева М.Л. Коррозия и защита магистральных трубопроводов и резервуаров: Учебное пособие для вузов нефтегазового профиля./ Медведева М.Л., Мурадов А. В., Прыгаев А. К. - М.: Издательский центр РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2013. - 250 с.

13. Зайцева Н.М. Зависимости удельного электрического сопротивления грунта от влажности и температуры/Зайцева Н.М., Зайцев Д.С., Клецель М.Я.// Электричество - 2008 - №9 - С. 31-35.

14. Мустафин Ф.М. Защита трубопроводов от коррозии. Недра, СПб, 2007. -Том 2. -708 с.

15. Гост 9.602-2016 Единая система защиты от коррозии и старения. Сооружения подземные. Общие требования к защите от коррозии. - взамен ГОСТ 9.602-2005; введ. 01.06.2017. - М.: Стандартинформ, 2016. - 87с

16. Зайцева Н.М. Зависимости удельного электрического сопротивления грунта от влажности и температуры/Зайцева Н.М., Зайцев Д.С., Клецель М.Я.// Электричество - 2008 - №9 - С. 31-35.

17. Гилева М.И. К вопросу определения удельного электрического сопротивления дисперсных грунтов в лабораторных условиях/ Гилева М. И., Татаркин А. В., Фи-лимончиков А. А.//Вестник Пермского университета -2014 - №1(22) - С. 44-49.

18. Веденеева Л. М. Исследование влияния влажности и пористости грунтов на величину их проводимости/ Веденеева Л.М., Чудинов А. В. // Вестник ПНИПУ. Безопасность и управление рисками - 2016 - №5 - С. 119130.

19. СТО Газпром 2-3.5-252-2008 Стандарт организации Методика продления срока безопасной эксплуатации магистральных газопроводов ОАО «Газпром» - Введ. -2009-04-15

20. ГОСТ 5180-2015 Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик. - введ. 01. 04. 2016 - М: Стандартинформ, 2016 - 20 с.

21. ГОСТ 12071-2014 Грунты. Отбор, упаковка, транспортирование и хранение образцов - введ. 2015-07-01 -М.: Стандартинформ, 2015 - 9с.

22. Латыпова М.М. Химия окружающей среды: методические указания к выполнению лабораторных работ/ Ла-тыпова М.М., Порожнюк Л.А., Тарасова Г.И., Василенко Т.А. - Белгородский государственный технологический университет (БГТУ) им. В.Г. Шухова, 2008 - 70 с.4

23. Зигангирова А.А. Коррозионная активность грунтов /А. А. Зигангирова, С. С. Виноградова// Современные решения научных и производственных задач в химии и нефтехимии. II Международная конференция: сборник материалов международной конференции. - Казань: Ре-дакционно-издательский центр «Школа», 2017. - С. 8487

© С. С. Виноградова - канд. техн. наук, доц. каф. технологии электрохимических производств КНИТУ, vsvet@kstu.ru; А. А. Зигангирова - магистр каф. ТЭП КНИТУ, aliya.611@mail.ru; И. А. Щербаков - бакалавр каф. ТЭП КНИТУ, ig-or09_91@mail.ru.

© S. S. Vinogradova - PhD, Associate Professor of Electrochemical Engineering Department of KNRTU, vsvet@kstu.ru; A. A. Zi-gangirova - master's degree of Department of Technology of Electrochemical Productions of KNRTU, aliya.611@mail.ru; I A. Sherbakov - bachelor of Department of Technology of Electrochemical Productions of KNRTU, igor09_91@mail.ru.