Новый метод определения долговечности защитных антикоррозионных покрытий магистральных стальных подземных трубопроводов, эксплуатируемых в условиях активного техногенного воздействия

Научно-технические разработки

УДК 62.01.97:621.643:006.354

А.Г. Алимов, к.т.н., В.В. Карпунин, к.т.н., доцент, В.В. Карпунин, к.т.н.

НОВЫЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЗАЩИТНЫХ АНТИКОРРОЗИОННЫХ ПОКРЫТИЙ МАГИСТРАЛЬНЫХ СТАЛЬНЫХ ПОДЗЕМНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ, ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ В УСЛОВИЯХ АКТИВНОГО ТЕХНОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

Новый метод позволяет установить долговечность наружных антикоррозионных покрытий стальных магистральных трубопроводов в реальных условиях эксплуатации при их подтоплении агрессивными грунтовыми водами различной минерализации и химсостава

Одним из главных звеньев повышения надежности и долговечности стальных магистральных трубопроводов является создание их эффективной антикоррозионной защиты.

Существует много разных теорий о механизме защитного действия антикоррозионных покрытий стальных трубопроводов подземной укладки под влиянием различных факторов агрессивных сред. В этом направлении следует прежде всего отметить известные работы отечественных ученых В.А.Каргина, А.И. Красильщикова, Л.В. Ницберга, С.В. Якубовича, Я.М. Колотыркина, Н.Д. Томашова, В.С. Киси-лева, М.М. Гольдберга, Ю.Н. Михайловского, Б.В. Дерягина, Н.А. Кротовой, В.П. Смилги, И.В. Стри-жевского, Б.Л. Рейзина, а также зарубежных ученых Н.А. Дебройна, В. Киттельбергера, А. Элма и других.

Однако, вопрос о выборе метода исследований старения защитного антикоррозионного материала стальных труб практически мало изучен и имеет принципиальное значение. В частности, в НПО «Союзводполимер» в 1981—1984 гг. проводились исследования эксплуатационных свойств стальных труб, защищенных антикоррозионными покрытиями, где критериями оценки долговечности антикоррозионного покрытия служили следующие показатели: прочность адгезионной связи покрытия с металлом; относительное удлинение; предел прочности при растяжении; ударная прочность и удельное объемное электрическое сопротивление.

При этом, на основе результатов оценки удельного объемного электрического сопротивления, в работе сделаны попытки методом экстраполяции прогнозировать срок службы антикоррозионного покрытия.

В научно-исследовательской работе, выполненной нами, для оценки долговечности антикоррозионного защитного покрытия впервые реализован интегральный параметр — переходное электрическое сопротивление покрытия, позволяющий достоверно и с наибольшей чувствительностью определить данные о кинетике старения защитного материала в конкретных условиях эксплуатации в агрессивных средах.

Задача, на решение которой направлены теоретические, экспериментальные и натурные исследования, — создание современного метода определе-

ния долговечности наружных антикоррозионных покрытий стальных магистральных трубопроводов, эксплуатируемых в условиях активного техногенного воздействия (подтопление высокоминерализованными грунтовыми водами, засоленные грунты и др.).

В разработанном нами методе учтены основные технологические процессы: укладка в грунт опытных образцов изолированных труб на проектную глубину заложения; определение прочности адгезионной связи покрытия с металлом, относительного удлинения, предела прочности и удельного объемного электрического сопротивления антикоррозионного покрытия непосредственно после его нанесения на образцы стальных труб и в процессе их выдержки в грунте, а также прогнозирование расчетного срока службы наружного антикоррозионного покрытия по допускаемому сопротивлению покрытия. Опытные образцы изолированных труб диаметром в диапазоне 89—400 мм и длиной 600—1000 мм в течение семи дней после их изготовления выдерживают сначала на воздухе в условиях их складирования в соответствии с нормативными требованиями, часть изолированных опытных образцов помещают в грунт, а остальную часть погружают в жидкую агрессивную среду, имитирующую подземные грунтовые воды с различной минерализацией и химическим составом, и через равные промежутки времени в течение до трех лет выдержки опытных образцов антикоррозионного защитного покрытия в грунте и жидкой агрессивной среде измеряют интегральный показатель качества, надежности и долговечности — переходное электрическое сопротивление покрытия стандартным методом «мокрого контакта», устанавливают зависимость изменения переходного электрического сопротивления покрытия от времени выдержки в агрессивной среде и определяют долговечность наружного антикоррозионного покрытия стальных магистральных трубопроводов из следующего выражения

Т=р

где Т — долговечность наружного антикоррозионного защитного покрытия стальных трубопроводов, лет;

Р — коэффициент размерности, р = 0,083 год /месяц;

а — экспериментально установленный коэффициент, характеризующий интенсивность старения наружного антикоррозионного покрытия стальных подземных трубопроводов при эксплуатации в конкретных условиях агрессивной среды (грунтовые воды исходной минерализации и химического состава, грунт вторичного засоления и др.), а = 1 ... 2;

к — коэффициент пропорциональности, месяц“ ;

р0 — переходное электрическое сопротивление наружного антикоррозионного покрытия после его выдержки в агрессивной среде в течение одного месяца, Омм2;

рн — наименьшее допустимое нормативное переходное электрическое сопротивление наружного антикоррозионного защитного покрытия стальных подземных трубопроводов в процессе эксплуатации, Ом-м2.

Коэффициент корреляции полученной зависимости (1) составляет 0,95.

Особенностью созданного нами метода является принципиально новый подход к определению долговечности наружного антикоррозионного защитного покрытия стальных подземных трубопроводов в условиях их эксплуатации в агрессивной среде (грунтовые воды различной минерализации и химического состава, грунт вторичного засоления и др.).

Пример. Определить долговечность наружного антикоррозионного защитного покрытия стальных подземных трубопроводов при эксплуатации в грунте вторичного засоления с исходным содержанием солей 2,65 %, в том числе хлора 0,5 % и в агрессивной среде, имитирующей грунтовые воды с содержанием солей 30 кг/м3, в т.ч. 3 % хлористого натрия (№С1).

Характеристики опытных образцов антикоррозионного защитного покрытия стальных труб, применяемые материалы и технологии приведены в таблице 1.

Подготовленные образцы изолированных труб проверены на прочность адгезионной связи с металлом, относительное удлинение, предел прочности

при растяжении, а также на объемное и переходное электрическое сопротивление антикоррозионного защитного покрытия (табл. 2).

Затем, после семидневной выдержки на воздухе в условиях складирования, опытные образцы изолированных труб 1, 1-а, 1-б помещали в грунт с исходным содержанием солей 2,65 %, в том числе хлора 0,5 %, а опытные образцы 2, 2-а, 2-б, 3, 3-а и 3-б погружали в жидкую агрессивную среду, имитирующую грунтовые воды с содержанием солей 30 кг/м3, в том числе 3 % хлористого натрия (№С1) и через равные промежутки, в течение трех лет выдержки опытных образцов антикоррозионного защитного покрытия в грунте и жидкой агрессивной среде, определяли интегральный показатель качества, надежности и долговечности — переходное электрическое сопротивление покрытия стандартным методом «мокрого контакта». Результаты испытаний сведены в табл. 3.

Графическая интерпретация и математическая обработка результатов исследований позволили выявить зависимость изменения переходного электрического сопротивления наружного антикоррозионного защитного покрытия от времени выдержки опытных образцов в агрессивной среде:

Рн = к • Р0 / ^

где р — переходное электрическое сопротивление наружного антикоррозионного покрытия, Омм2; к — коэффициент пропорциональности, месяц“; р0 — переходное электрическое сопротивление наружного антикоррозионного покрытия после его выдержки в агрессивной среде в течение одного месяца, Омм2;

Т — продолжительность выдержки опытных образцов наружного антикоррозионного защитного покрытия стальных подземных трубопроводов в агрессивной среде, месяцы;

а — экспериментально установленный коэффициент, характеризующий интенсивность старения наружного антикоррозионного защитного покрытия

Таблица.1

Характеристики опытных образцов антикоррозионного защитного покрытия стальных труб

№ опытных Размеры опытных образцов Структура антикоррозионного защитного покрытия, Толщина

образцов диаметр, мм длинна, мм применяемые материалы и технологии изоляции, мм

1 89 1000 1. Подготовительный антикоррозионный слой из грунта 0,06

1-а 89 1000 — преобразователя ржавчины (ас. SU № 1466238 А1, МПК7

1-б 89 1000 С23 С 22/08. Грунт-преобразователь ржавчины/А.Г. Алимов, В.В. Карпунин и др. (СССР). Заявка № 4209856/23-05. Заявл. 09.01.87, для служебного пользования).

2 89 1000 2. Стеклохолст ВВ-Г, пропитанный в битумно-полимерной 4

2-а 89 1000 мастике (а.с. SU № 1729109 А1, МПК7 С08495/00, С08К5/

2-б 89 1000 14//(С08 L95/00,23:34). Состав мастики для пропитки стек-

3 89 1000 лохолста / А.Г. Алимов, В.В. Карпунин и др. (СССР). Заяв-

3-а 89 1000 ка № 4690237/05. Заявл. 11.05.89., для служеб. пользования)

3-б 89 1000 при температуре 80—85 °С и нанесенный на стальную трубу с натяжением 0,7—1,0 кг/см и с нахлестом 10—15 см (а.с. SU № 1788384 А1, МПКТ16 L59/14. Способ нанесения антикоррозионного покрытия на стальные трубы/А.Г. Алимов, В.В. Карпунин и др. (СССР). — Заявка № 4835108/29. Заявл. 09.04.90. Опубл. 15.01.93. Бюл. № 2).

Научно-технические разработки

Научно-технические разработки

Таблица 2

Результаты проверки на прочность изолированных труб

Физико-механические характеристики антикоррозионного защитного покрытия стальных трубопроводов (начальные) Показатели опытных образцов

1 1-а 1-б 2 2-а 2-б 3 3-а 3-б

Прочность адгезионной связи с металлом, МПа 0,80 0,85 0,82 0,90 0,86 0,84 0,82 0,88 0,81

Относительное удлинение, % 100 120 110 115 130 125 132 128 117

Предел прочности при растяжении, МПа 8,0 7,5 8,1 7,8 7,5 7,1 8,2 7,6 7,8

Удельное объемное сопротивление покрытия, Ом-см 41015 3,5-1015 3,6-1015 3-1015 2,8-1015 3,1-1015 2,5-1015 2,2-1015 2,4-1015

Переходное электрическое сопротивление покрытия, Ом-м2 6-109 5,5-109 5,6-109 8-108 1-109 7-108 1,7-108 1,6108 1,5108

Таблица 3

Результаты дополнительных испытаний прочности изолированных труб

Т, месяцы Переходное электрическое сопротивление опытных образцов антикоррозионного защитного полимерно-битумного покрытия стальных трубопроводов

1 1-а 1-б 2 2-а 2-б 3 3-а 3-б

0,5 5,2-109 5-109 5,4-109 7,3-108 9-108 5-108 1108 1,1108 1-108

1 1,3109 1,5109 1,7-109 2,2-108 2-108 4-108 3,7-107 6107 7-107

2 3,4-108 3,25-108 3,1-108 6,4107 8-107 5-107 1,3-107 3-107 2-107

3 1,44108 1,2-108 1,6-108 3,2-107 5-107 1-107 7,2-106 9109 6-106

4 8-107 8,15-107 8,3-107 1,9107 3-107 1-107 4,6106 3-106 6-106

5 5,1107 5,2-107 5,3-107 1,3107 9-106 2-107 3,3-106 1106 4-106

6 3,61107 3,8-107 3,4-107 9,4106 1,2107 7-106 2,5-106 1106 4-106

7 2,6107 2,7-107 2,8-107 7,2-106 6-106 9-106 2-106 1106 3-106

8 2-107 2,1107 2,05-107 5,7-106 4-106 8-106 1,6-106 1106 3-106

9 1,6107 1,4107 1,7-107 4,6106 7-106 3-106 1,2-106 1,4106 1,6106

10 1,1107 1,3107 1,5-107 3,8-106 2-106 6-106 1,2-106 8105 2-106

11 1107 1,1107 1,2-107 3,2-106 5-106 1-106 1106 1,05-106 1,01106

12 9-106 1,1106 1106 2,8-106 1-106 4-106 9105 1106 8-106

13 8-106 7,7-106 7,2-106 2,2-106 2,4-106 2,6-106 7,7-105 8105 7,9105

14 6,5106 6,8106 6,6106 2,1106 1-106 3-106 7,1-106 9106 5-106

15 5,76-106 8-106 4-106 2-106 1,9106 1,8106 6,3-105 6,4105 6,5105

16 5-106 5,1106 5,2-106 1,7-106 1-106 3-106 5,8-106 4-106 7-105

17 4,4-106 4,5-106 4,6106 1,3106 1,5106 1,7-106 5,1-106 5,3105 5,5105

18 4-106 8-106 2-106 1,4106 2-106 9105 4,9105 3105 7-105

19 3,4-106 3,6106 3,8-106 1,1106 1,3106 1,4106 4,3105 4,5105 4,7105

20 3,1106 3,2-106 3,4-106 1,1106 2-106 9105 4,2-105 2-105 5-105

21 2,7-106 3-106 2,9'106 1106 2-106 8105 3,6-105 2-105 5-105

22 2,55-106 2,5-106 2,8-106 9,5105 9,7105 9,8105 3,4105 3,6105 3,8105

23 2,2-106 2,5-106 2,7-106 6,1105 6,2105 6,3105 3105 3,2105 3,4105

24 2,1106 2,3-106 2,5-106 6,1105 6,1105 6,3105 3105 3,15105 3,3105

25 2,26-106 2,1-106 2,5-106 8,3105 1-106 7-105 3,2-105 5105 2-105

26 2-106 2,08-106 2,2-106 8105 7,7-105 7,5-105 3,1-105 3105 2,9105

27 1,8106 1,9106 2-106 7,2-105 5-105 1-105 2,8-105 1105 4-105

28 1,78-106 2-106 1,7-106 7-106 6,8105 6,6105 2,5-105 2,7-105 2,8105

29 1,6106 1,7-106 7,8-106 6,2105 8-105 4105 2,5-105 1105 4-105

30 1,5106 1,6106 1,6-106 5,8-109 6-105 6,1105 2,38-105 2,4-105 2,42-105

31 1,44106 1,3106 1,6-106 5,6105 4-105 7-105 2,3-105 3105 1-105

32 1,42106 1,3106 1,4106 5,1105 5,3105 5,5-105 2,1-105 2,2-105 2,3105

33 1,4106 1,3106 1,35-106 5-105 7-105 3-105 2,1-105 1105 3-105

34 1,19106 1,2-106 1,3-106 4,7105 4,8105 4,9105 1,9105 2-105 2,1105

35 1,12106 1,15-106 1106 4,5105 4-105 6105 1,9105 1105 3-105

36 1-106 1,1106 0,8-106 4,1105 6-105 2-105 1,7-105 1105 2,5105

р, Омм2 25000000 -----

Рис.1. График зависимости изменения переходного электрического сопротивления опытных образцов антикоррозионного защитного покрытия стальных труб от времени выдержки в агрессивной среде

стальных трубопроводов при эксплуатации в конкретных условиях агрессивной среды (грунтовые воды исходной минерализации и химического состава, грунт вторичного засоления и др.), а = 1—2;

Аппроксимацией результатов исследований (табл. 3, рис. 1) методом наименьших квадратов установлены значения коэффициентов (р0,а), входящих в формулу (2), для опытных образцов в зависимости от агрессивных сред.

Кривые 1, 2, 3 на рис. 1 соответственно описываются следующими уравнениями убывающей степенной функции:

р = 1,3-109/Т2;

р = 2Д6-10УТ1-75;

р = 3,72-107/Т1-5.

Принимаем в соответствии с ГОСТ 9.602-89* минимально допустимое нормативное переходное электрическое сопротивление наружного антикоррозионного защитного покрытия стальных трубопроводов в процессе эксплуатации равным рн = 1104 Омм2.

Подставляя в выражение (1) значения: рн = 1104 Омм2, р0(1,3-109 Омм2; 2,16108 Омм2; 3,72-107 Омм2) и а(2; 1,75; 1,5), определим ресурс долговечности наружного антикоррозионного защитного битумно-полимерного покрытия, усиленного стеклохолстом (см. табл. 1) стальных трубопроводов в опытных образцах, выдержанных в различных агрессивных средах:

для образцов 1, 1-а, 1-б, помещенных в грунт с ис-

ходным содержанием солей 2,65 %, в том числе хлора 0,5 %, долговечность покрытия составляет

Т = 0,083 год/месяц(месяц2-1,3-109 Ом-м2/1-Ю4 Ом-м2)1/2 = 30 лет,

а для образцов 2, 2-а, 2-б и 3, 3-а, 3-б, погруженных в жидкую агрессивную среду, имитирующую грунтовые воды с содержанием солей 30 кг/м3, в т. ч. 3 % хлористого натрия (№С1), соответственно:

Т = 0,083 год/месяц(месяц1,75-2,16-108 Ом-м2/1-Ю4 Ом-м2)1/1>75 = 25 лет и

Т = 0,083 год/месяц(месяц1>5-3,72-107 Ом-м2)1/1>5 = 20 лет.

Разработанный нами современный метод позволяет теоретически установить долговечность наружного антикоррозионного покрытия стальных мелиоративных трубопроводов в условиях эксплуатации при их подтоплении агрессивными грунтовыми водами с различной минерализацией и химическим составом. В результате проведенных теоретических, экспериментальных и натурных исследований авторами подано заявление о выдаче патента Российской Федерации на изобретение № 2005110010 от 06.04.2005 г.

Новизна выполненной фундаментальной научноисследовательской работы защищена патентом Российской Федерации на пионерное изобретение № 2277610, опубликовано 10 июня 2006 г., бюллетень № 16.

Научно-технические разработки