Эмаль и сталь

Как создать надежную защиту для труб иоборудования в нефтяной промышленности

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 обусловливают повышенную вероятность аварий. Основная причина - коррозионное разрушение труб. Их стойкость повышают защитные покрытия. В зависимости от условий эксплуатации стальные трубы должны обладать определенными свойствами. Для труб, используемых в нефтяной промышленности, наиболее важны такие характеристики, как зеркально гладкая поверхность, химическая стойкость и минимальная адгезия (прилипание) частиц парафина.

Перспективным видом покрытий являются различные силикатные эмали - кислотостойкие, износостойкие, жаростойкие, вибростойкие и др. Оптимальный подбор состава эмали, режимов ее нанесения и обжига обеспечивает исключительно высокие качественные показатели такой защиты. По химической стойкости эмалированные стальные трубы не уступают медным, титановым и свинцовым, а по себестоимости они в несколько раз дешевле. Применение эмалированных труб из углеродистых сталей вместо нержавеющих дает десятикратную экономию средств. К числу достоинств такой продукции относится большая механическая прочность, в том числе в сравнении с другими видами покрытий - эпоксидными, полиэтиленовыми, пластмассовыми, а также более высокая стойкость против истирания, благодаря чему появляется возможность уменьшить диаметр трубопроводов без снижения их пропускной способности.

В ведущих странах Запада отмечается высокий уровень производства и потребления эмалированных труб. Например, в США их выпуск по отношению к трубам из нержавеющей стали в отдельные годы составлял от 50 до 100%. В России этот показатель равен 0,5-1 %. По сути, промышленное производство эмалированных труб в нашей стране еще не развито.

Нефтедобывающее оборудование России работает в условиях возрастающей активности промысловых сред. Трубы выходят из строя в результате язвенной и канавочной коррозии. Сроки эксплуатации нефтепромысловых труб, как правило, значительно ниже нормативных.

Сегодня на промыслах используются трубы, главным образом, с пластмассовыми, эпоксидными и лакокрасочными покрытиями. Вместе с тем эмаль гораздо более эффективно защищает внутреннюю поверхность трубопроводов от коррозии и изнашивания, существенно уменьшает гидравлическое сопротивление при транспортировке нефти.

Нефтепроводные трубы с наружным диаметром от 76 до 426 мм (сортамент с освоенной технологией эмалирования) и толщиной стенки 3,5-20 мм обычно производят из стали Ст20 (с высокой пластичностью и свариваемостью) или 9ХГС (с высокой ударной вязкостью). Ст20 по сравнению с 9ХГС содержит в 2-3 раза больше углерода, в 2-3 раза меньше хрома, марганца, кремния и примерно одинаковое количество примесей серы и фосфора. Поэтому сталь 9ХГС предпочтительнее для холодного климата, так как менее чувствительна к хрупкому разрушению и при этом лучше эмалируется.

Агрессивное воздействие на стенку трубы оказывает обводненная нефть с внутренней стороны и грунт с наружной. Влияние последнего фактора во многом определяется климатическими условиями, химическим составом почвы, сезонными колебаниями температур. Коррозионные элементы представляют особую опасность как источник и усилитель блуждающего постоянного тока, что в контакте с электропроводной агрессивной средой приводит к сквозному разрушению металла. В различной степени это относится к эпоксидным и полимерным покрытиям, имеющим плохую адгезию и сплошность, таким, как эмаль ЭП-140 или эмаль УР-7101. Условия для развития коррозионного процесса сохраняются даже при наличии хорошо адгезированного полиэтиленового покрытия. Агрессивной средой, транспортируемой по трубам, часто является обводненная расслоенная нефть с подавляющим содержанием высокоминерализованной пластовой воды и наличием абразивных частиц.

Таким образом, стенка трубы подвержена интенсивному коррозионному воздействию двух встречных разрушительных факторов - снаружи и внутри. Как показывают исследования, коррозия металла в обоих случаях протекает по электрохимическому механизму, по крайней мере, на начальном этапе эксплуатации. В дальнейшем анодный процесс растворения локализуется со стороны грунта под влиянием макрогальванических элементов, и разрушение продолжается в основном изнутри трубы.

Полученные данные показывают, что для трубопроводов из низколегированных сталей в условиях двусторонней и примерно равной по агрессивности среды, глубина поражения внутренней поверхности в 10 раз больше, чем наружной.

Эмалевое покрытие позволяет эксплуатировать трубы в течение 15-20 лет. Наиболее высокое качество этих покрытий обеспечивает структура металла основы, имеющая мелкое равновесное зерно и цементит зернистой формы, связанный в перлит. Такую структуру для сталей 20 и 09ГСФ можно получить закалкой с межкристаллического интервала температур и последующим высоким отпуском. Термообработка обеспечивает более высокие механические свойства и низкую температуру вязкохрупкого перехода. Как показали исследования и в дальнейшем подтвердила практика, качество эмалевых покрытий на трубах с термообработкой значительно выше, чем на обычных, обладает хорошей сплошностью с отсутствием проколов и увеличенной стойкостью при эксплуатации в агрессивных средах.

При эмалировании по одной технологии качество покрытий на стали 09ГСФ значительно выше по сравнению со сталью 20. Это обусловлено тем, что сталь 09ГСФ содержит меньше углерода и соответственно количество опасного цементита, который в контакте с расплавом эмали разлагается с выделением газов. Кроме того, наличие легирующих добавок повышает коррозионную стойкость металла в расплаве эмали, увеличивая прочность сцепления.

Анализ нефтей отечественных месторождений убеждает, что все они являются парафинистыми (1 -3 %) или высокопарафинистыми ( 3-7%). Их добыча почти повсеместно осложняется образованием твердых отложений на трубопроводах и оборудовании, в основном парафинов и смол с незначительной частью асфальтонов. При этом прилипание парафинов начинается в скважинах и заканчивается в выкидных линиях. Происходит постепенное уменьшение рабочего сечения труб, приводящее к снижению дебита, а иногда и к полной остановке скважины. Применяются различные способы депарафинизации - очистка механическим способом, обработка горячей нефтью, паровоздушной смесью и др. Многие предприятия просто-напросто демонтируют трубы и отправляют их на восстановление. Все это требует больших дополнительных затрат.

Конечно, отложения парафина способны предотвратить полимерные, полиэтиленовые и эпоксидные защитные покрытия. Однако при наличии песка в добываемой нефти они быстро истираются, становясь шероховатыми, а значит, склонными к отложению парафина. Полностью исключить воздействие этого фактора позволяет лишь применение эмалированных труб. Их эксплуатация показывает, что в пределах упругой деформации металла разрушений нет. Лишь при пластической деформации наступает растрескивание покрытия, но без отделения его от металла.

Применение эмалевой защиты в нефтедобывающей промышленности представляется весьма выгодным. В себестоимости такого покрытия материалы не превышают 10 %. Основными являются затраты на двухслойное нанесение эмали, сушку и обжиг. Но следует учесть, что в трубах лифтовых скважин покрытие контактирует с нефтью, являющейся, в основном, нейтральной средой и не оказывающей заметного растворяющего действия на эмаль. Поэтому для предупреждения отложения парафина химическая стойкость эмалевого #покрытия не имеет первостепенного значения. В этом случае появляется возможность значительно снизить себестоимость эмалирования путем нанесения однослойного покрытия, которое должно быть сплошным и гладким. Правда, в случае добычи сернистой нефти с примесью слабокислых грунтовых вод возникает необходимость в эмалевых покрытиях, обладающих определенной химической стойкостью. Для защиты же от коррозии нефтепромыслового оборудования следует применять специальные кислотостойкие эмали. Они же предупредят и отложение парафина.

Качество эмалевого покрытия в значительной степени зависит от марки металла и состояния его поверхности. Удовлетворительно эмалируются малоуглеродистые стали (С не более 0,12 %). Стали с повышенным содержанием углерода хуже принимают покрытия, поскольку его избыток образует продукты коррозии, вызывающие дефекты эмали. С увеличением содержания углерода также повышается склонность к образованию на покрытии дефекта "рыбья чешуя".

Отличительной особенностью насосно-компрессорных труб является повышенное содержание углерода, обусловливающего высокие прочностные свойства. Естественно, что процесс эмалирования не должен снижать их. Поэтому общее выгорание углерода из металла должно быть минимальным. Особенно это касается резьбовых концов труб.

Насосы изготавливаются из нержавеющих сталей (хромистых и хромоникелевых) или из хромистого чугуна. Срок их службы также не удовлетворяет пользователей. Их защита эмалями также возможна. Для этого есть оборудование и опыт работы.

Эмалирование труб, изготовленных из малоуглеродистых и высокоуглеродистых сталей, показало, что прочносцепляющиеся с металлом, сплошные, стойкие к агрессивным средам покрытия могут быть получены при многослойном их нанесении, в частности с применением грунтовых эмалей типа эмаль МС-17, на которые можно наносить химически стойкие покровные. Проведены исследования, связанные с разработкой таких грунтовых эмалей, которые способны обладать повышенной прочностью сцепления со сталью без увеличения использования дорогостоящих окислов кобальта и никеля. Увеличение химической стойкости покрытия возможно путем создания принципиально новых эмалей. Разработаны также экологически чистые эмали, обладающие большой коррозионной стойкостью и высокими технологическими качествами при однослойном и двухслойном покрытии. Эти эмали противостоят агрессивной смеси нефти с водой, минеральным кислотам, их солям даже в тех случаях, когда не выдерживают нержавеющая сталь и цветные металлы.

***

Оптимальный подбор состава эмали, режимов ее нанесения и обжига обеспечивает исключительно высокие качественные показатели такой защиты.