АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ И ПУТИ УВЕЛИЧЕНИЯ СРОКА СЛУЖБЫ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ОБОРУДОВАНИЙ НЕФТЕГАЗА ПРИМЕНЕНИЕМ ГЕТЕРОКОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

АННОТАЦИЯ

На основе анализа результатов исследования в области полимерного материаловедения и реальных производственно-полевых испытаний изучен процесс коррозионного разрушения металлоконструкций, эксплуатируемых на предприятиях Узбекистана. Проведены исследования по химическому составу подтоварной воды, являющийся основным коррозионным фактором, приводящим к потере металла и выходу из строя оборудований. Предложены составы гетерокомпозитных материалов для защитных покрытий.

ABSTRACT

On the basis of analysis of the results of research in the field of polymer material science and real production-field tests the process of corrosion damage of metal structures operated at the enterprises of Uzbekistan is studied. Studies on chemical composition of bottom water, which is the main corrosive factor leading to metal loss and failure of equipment, have been carried out. Compositions of heterocomposite materials for protective coatings are proposed.

Ключевые слова: Корозия, оборудования, металлоконструкция, гетерокомпозит, полимер, наполнитель, коррозионная среда, каолин, эпоксидная смола. 

Keywords: Corrosion, equipment, metal structure, heterocomposite, polymer, filler, corrosive environment, kaolin, epoxy resin.

Введение. На сегодняшний день в период интенсивного развития нефтегазоперерабатывающей и химической промышленности,  возникает необходимость разработки новых материалов на основе полимеров, и покрытий на их основе применяемые в машиностроении, обоснованное  обеспечения эксплуатационной надежности технологического оборудования наряду с совершенствованием его конструкции важно создавать новые высокоэффективные органоминеральные материалы и покрытия, технологии их изготовления и использования.

Известно, что использование полимерных материалов и композитов на их основе набирает большой темп в фундаментальных и прикладных исследованиях в материаловедении.  Изучены механизмы структурных превращений в межфазных слоях полимер-наполнитель, полимер-модификатор, полимер-металл в зависимости от целевого применения композиционных материалов, в частности в технологических машинах и конструкциях, работающих в условиях коррозии и износа, применением и разработкой технологии получения конструкционных материалов. Полученные результаты исследований в области полимерного материаловедения открывает пути их использования в ответственных по эксплуатационным параметрам областях технологии конструирования и замены существующих малоэффективных материалов на композиционные материалы, обеспечивающие работоспособность конструкций и деталей машинастроения в различных экстремальных условиях в целях уменьшения воздействия агрессивных компонентов.

Также известны исследования по изучению механизма формирования межфазной структуры при производстве полифункциональных гетерокомпозитных покрытий из органоминеральных материалов, механической модификации минеральных наполнителей в разработке новых материалов и технологий для повышения надежности оборудования для хранения и транспортировки нефтегазопродуктов. Вместе с тем существуют аспекты решения некоторых вопросов, связанных с их применением на производстве в реальных условиях из-за отсутствия технологии получения и применения для крупногабаоитных конструкций.

Общеизвестно, что коррозия - это разрушение поверхности металлов и их сплавов в конкретной среде. Вместе с тем, некоторые металлы в основном проявляют высокую коррозионную стойкость, нежели другие, и это может быть связано с такими факторами, как, химические составляющие, природа электрохимических реакций и другие [1].

Однако термину коррозия в международном нормативном документе дается другое определение, в котором говорится: «Физико-химическое взаимодействие между металлом и окружающей средой, которое приводит к изменениям свойств металла и которое часто может привести к ухудшению функции металла, окружающей среде или технической системе, частью которой они являются» [2].

Основной проблемой мировой отрасли экономики была и остаётся защита металлов от коррозионного разрушения. Можно привести один пример, что расходы, связанные с коррозией даже в развитых странах, варьируется от 1 до 3,5% от суммы ВВП.

Можно отметить, что в нашей стране, где нефтегазовая отрасль является одним из ведущих среди отраслей экономики по вкладу ВВП научно-технические мероприятия, связанные решению проблем с коррозией, приобретают чрезвычайную актуальность, так как в настоящее время успешно функционируют сотни месторождений где эксплуатируются несколько тысяч резервуаров и ёмкостей, из металлоконструкций, которые остро нуждаются защите от коррозии и износа.

Чрезвычайную важность защиты от коррозии выдвигает её как ведущую экономическую и прикладную проблему для всех стран.

В связи с этим ведущими зарубежными учеными, включая США, Германию, Бельгию, Канаду, Турцию, Китай и др. ведутся  исследования по разработке методов и средств по защите оборудований нефте-газового комплекса, изучению механизма коррозионного разложения металлов в различных средах и получению различных материалов целевого назначения [3-5].

Учеными ближнего зарубежья разработаны методы и средства для повышения эксплуатационной надежности машин и механизмов с целевым использованием металло-полимерных систем для защиты от коррозии [6-8].

Отмеченному аспекту научно-технической проблемы посвящены так же работы отечественных учёных [9-12]. Проведены исследования по рациональному применению местных минералов в различных областях отраслей экономики.

Можно отметить, что подбор нужных материалов - мощный инструмент для борьбы с сильной коррозией. Отказы, возникающие в результате воздействия коррозии, могут быть очень затратными, поэтому предотвращение или уменьшение этих воздействий становится очень важным для отраслей экономики. Фатальный отказ, вызванный коррозией, может быть значительно уменьшен с применением антикоррозийных покрытий с превосходными химическими и механическими свойствами, чем у исходного материала.

Объекты исследования

В настоящее время в эксплуатации находится обширный парк стальных резервуаров, которые предназначены для хранения нефти, нефтепродуктов и вспомогательных реагентов. Как правило, резервуары, срок службы которых более 10 лет, изготовлены из низкоуглеродистых сталей, обладающих недостаточной коррозионной стойкостью [5-7].

Корпус резервуара подвержен интенсивному коррозионному воздействию как с наружной (атмосферная коррозия), так и с внутренней (различные виды коррозии, проявление которых определяется активностью хранящихся продуктов) сторон.

В связи с возникающей потребностью разработки мер по защите от коррозии металлоконструкций, эксплуатирующийся в нефтегазовой отрасли, были изучены эксплуатационные условия технологических оборудований предприятия с целью разработки и целенаправленного применения антикоррозионных покрытий на внутренних и внешних поверхностях резервуаров. Были намечены организация опытно-испытательных работ соблюдением требований комплексной инструкции разработанной совместно со специалистами  предприятия.

На основе анализа вышеотмеченных информаций для практической реализации результатов исследования нами намечена разработка и применение органоминеральных гетерокомпозитных материалов (ГКПМ) на основе эпоксидной смолы (ЭД-20 и ЭД-16) которые позволяют получить заливочные компаунды и покрытия из них в производственных условиях.

Прикладные исследования проводились на проблемгых производственных оборудованиях и ёмкостей  по сбору и хранению нефти и газоконденсата  производственных предприятий нефегаза Республики Узбекистан (рис. 1) .

Для защитных покрытий в качестве связующего были использованы эпоксидные связующие ЭД-20 и ЭД-16 являющиеся наиболее практичными с технологической точки зрения, компонентами гетерокомпозитных материалов и покрытий из них для применения в технологических оборудованиях. Применён отвердитель полиэтиленполиамин (ПЭПА), пластификатор–дибутилфталат (ДБФ), а также структурообразователь –химический модификатор из отходов местной промышленности и продукции ООО «Ангрен Каолин» марок АКF–78, АКС–30, АКТ–10.

а-  Резервуар РВС400 сбора и хранения газоконденсата; б-коррозионные участки верхней поверхности оборудования; с-коррозия металла в деталях комплектующих технологический процесс слива подтоварной воды

Рисунок 1. Корозионное разрушение оборудовани эксплуатирующихся в нефтегазовой отрасли

Анализ результатов исследования

На основе вышеприведённого анализа теоретических исследований нами была выявлена необходимость проведения прикладных исследований по анализу состава подтоварной воды (табл.1,2). и изучению процесса коррозии оборудований по хранению нефти и нефтепродуктов в цехе «Налива и отгрузки  продукции» Шуртанского Управления добычи нефти и газа для изучения свойств покрытий на основе органоминеральных гетерокомпозитных материалов в различных средах.

Отобранная проба воды из месторождения «Шакарбулок», прозрачная, бесцветная без осадок с запахом нефтепродуктов. Результаты химического анализа воды представлены в табл.1.

Таблица 1.

Химический состав подтоварной воды газоконденсата

Анализируемая вода представляет собой слабый рассол хлоридно-кальциевого типа плотностью – 1,081 г/см³, с общей минерализацией – 113,8 г/л, метаморфизацией (rNa/rCl) – 0,91, коэффициентом сульфатности (rSO₄/rCl) – 0,007 и хлор-бромним коэффициентом (Cl/Br) – 353. Реакция среды (pH-7,53) слабощелочная.

В ионно-солевом составе воды преобладают ионы хлора – (68,7 г/л) и щелочных металлов (Na) – (40,6 г/л), ионы кальции – (2,96 г/л) в 5,3 раз больше, чем ионы магния (5,35 г/л), сульфат – и гидрокарбонат – ионов составляет соответственно 0,67 г/л и 0,89 г/л.

В микрокомпонентном составе воды выше фоновое значение йода – 14,8 мг/л, брома – 194,67 мг/л, окиси бора – 111,64 мг/л.

Отобранная проба воды месторождения «Северный Гузар» (табл 2) прозрачная, бесцветная с запахом сероводородов и коричневым коллоидным осадком.

Анализируемая вода представляет собой весьма слабый рассол плотностью – 1,023 г/см3, с общей минерализацией – 35,7 г/л, метаморфизацией (rNa/rCl) – 0,93, коэффициентом сульфатности (rSO₄/rCl) – 0,01 и хлор-бромним коэффициентом (Cl/Br) – 202. Реакция среды (pH-7,85) слабощелочная.

Таблица 2.

Химический состав подтоварной воды нефти

В ионно-солевом составе воды преобладают ионы хлора – (20,8 г/л) и щелочных металлов (Na) – (12,6 г/л), ионы кальция – (0,92 г/л), ионы магния (0,14 г/л), сульфат – и гидрокарбонат – ионов составляет соответственно 0,31 г/л и 0,89 г/л.   В микрокомпонентном составе воды установлено йода – 4,8 мг/л, брома – 102,68 мг/л, окиси бора – 62,78 мг/л.

Анализ результатов исследования коррозионного разрушения поверхности резервуаров, показал, что коррозионному процессу подвержено не только та часть оборудования которая соприкасается с нефтью и нефтепродуктами (рис 2 б) и подтоварной водой (рис. 2 в,г), но и верхняя (рис 2, а), что объясняется тем, что на поверхности резервуара собираются пары SO₂, CO₂ и минерализованной подтоварной воды приводящая к коррозии конструкционной стали из которых изготавливаются резервуары и ёмкости для хранения и сбора нефти и нефтепродуктов. При этом, в процессе электрохимической коррозии происходит неравномерная коррозия с превалирующая язвенным коррозионным разрушением (рис 2 д,е) которые приводят к уменьшению толщины стенки оборудования приводящим к производственным потерям.

Рисунок 2. Фотоснимки  поверхностей резервуаров для сбора и хранения нефти и нефте-газовых продуктов повреждённые в процессе корозионного разрущения

Полученные результаты показали, что величина относительной гидроабразивной износостойкости эпоксидных композиций, наполненных каолином марки АКF–78, АКС–30, АКТ–10 в гидроабразивных средах, всегда выше по сравнению с абразивной износостойкостью в сухом трении. Наибольшая гидроабразивная износостойкость как в сухом, так и в жидкостном трении, наблюдается в образцах, выдержанных в водной среде, а наименьшая – выдержанных в среде H2SO4 (табл. 3).

Основным эксплуатационным свойством покрытий является микро твёрдость, характеризующая механическую стойкость к внешнему воздействию.

Таблица 3.

Относительная гидроабразивная износостойкость покрытий
в различных средах

Исходя из того, что поверхности технологических ёмкостей подвергаются тепловому и радиационному воздействию окружающей среды, целесообразно применение покрытий, содержащих в своём составе электропроводящие наполнители, такие как графит, сажа и т.п. в небольшом количестве. Это связано с тем, что наружные поверхности ёмкостей подвергаются тепловому и радиационному воздействию окружающей среды. Наполнители – графит, сажа и другие ингредиенты – повышают светостабильность и радиационную стойкость покрытий [13-20].

Выводы

На основе теоретических и прикладных исследований по влиянию количественного и качественного состава ионов в растворах электролитной среды на процесс коррозии проведены исследования по изучению ионного состава подтоварной воды и коррозионных разрушений резервуаров по хранению нефти и нефтепродуктов, эксплуатируемых на производственном объекте АО «Шуртанского управления нефтегазодобычи” «O‘ZBEKNEFTGAZ»). Выявлено превалирующее влияние язвенного вида коррозионного разрушения при неравномерной коррозии под воздействием ионного состава подтоварной воды приводящая к коррозии конструкционной стали. На основе проведённых исследований предложены оптимальные составы корозионно-абразивностойких материалов для покрытий гетерокомпозитов для металлоконструкций, эксплуатируемых при добыче и подготовке нефти и газа к транспортировке.

Список литературы:

1. Api Popoola, OE Olorunniwo,O Ige. Corrosion Resistance Through the Application of Anti-Corrosion Coatings/ Additional information is available at the end of the chapter http://dx.doi.org/10.5772/57420.
2. ISO 8044-1999: Corrosion of metals and alloys – Basic terms and definitions, ISO/TC 156 Corrosion of metals and alloys, 3rd ed., ISO Publications
3. A. Gandhi.  Storage Tank Bottom Protection Using Volatile Corrosion Inhibitors\\ Supplement to Materials Performance, January 2001.p.28-30.
4. M. Alexandre, P. Dubois. M. Alexandre, P. Dubois. Polymer-layered silicate nanocomposites: preparation, properties and uses of a new class of materials// Materials Science and Engineering: R: Reports Volume 28, Issues 1–2, 15 June 2000, Pages 1-63.
5. M.I. Abdou1 , H.El-Sayed Ahmed , M.A. Wahab. Enhancement of anti-corrosion and mechanical properties of alkyd-based protective paints for steel petroleum structures incorporating natural limonite pigment// Cogent Engineering ISSN: (Print) 2331-1916 (Online) Journal homepage:  https://www.tandfonline.com/loi/oaen20.
6. Медведева М.Л. Коррозия и защита оборудования при переработке нефти и газа. Москва. «Нефть и газ» РГУ им.И.М.Губкина, 2005. -311с.
7. Медведева М.Л., Мурадов А.В., Прыгаев А.К.. Коррозия и защита магистральных трубопроводов и резервуаров: Учебное пособие для вузов нефтегазового профиля. - М.: Издательский центр РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина
8. Техника и технологии сбора и подготовки нефти и газа /Земенков Ю.Д., Александров М.А., Маркова Л.М., Дудин С.М., Подорожников С.Ю., Никитина А.В./ — Тюмень: ТНГУ, 2015 — 160 с.
9. Ziyamukhamedova, U., Evlen, H., Nafasov, J., Jalolova, Z., Turgunaliyev, E., & Rakhmatov, E. (2023). Modeling of the process of mechano activation of filler particles in polymer composites. In E3S Web of Conferences (Vol. 401, p. 05027). EDP Sciences.
10. Khalimov, S., Nishonov, F., Begmatov, D., Mohammad, F. W., & Ziyamukhamedova, U. (2023). Study of the physico-chemical characteristics of reinforced composite polymer materials. In E3S Web of Conferences (Vol. 401, p. 05039). EDP Sciences.
11. Evlen, H., Ziyamukhamedova, U., Juraev, D., & Abdukarimov, M. (2023). Additive manufacturing of bionanomaterials for biomedical applications based on TI6AL4V and PLA: a systematic review. In E3S Web of Conferences (Vol. 401, p. 03040). EDP Sciences.
12. Ziyamukhamedova, U., Bakirov, L., Donaev, S., Miradullaeva, G., & Turgunaliev, E. (2023). Study of structure formation processes in matrices of mixed components with reinforcing natural fillers. In E3S Web of Conferences (Vol. 401, p. 05074). EDP Sciences.
13. Основы обеспечения эксплуатационной надёжности гетерокомпозитных полимерных материалов для деталей машин /Под общей ред. д.т.н., проф А.Б. Джумабава // Muxr press. –Ташкент, 2018. - 404с.
14. Ziyamukhamedova, U., Rakhmatov, E., Dustqobilov, E., Nafasov, J., & Ziyamukhamedov, J. (2023, June). Development of protective coating compositions for process tanks. In AIP Conference Proceedings (Vol. 2789, No. 1). AIP Publishing.
15. Donaev, S. B., Ziyamukhamedova, U. A., Kenjaeva, M., Shirinov, G. M., Rakhimov, A. M., & Abduvayitov, A. A. (2023). Changes in the electronic structure of the Si surface as a result of ion implantation. In E3S Web of Conferences (Vol. 383, p. 04040). EDP Sciences.
16. Umida, Z., & Lutfillo, B. (2022, October). Actual contact area of fibrous weight. In AIP Conference Proceedings (Vol. 2637, No. 1). AIP Publishing.
17. Ziyamukhamedova, U., Djumabaev, A., Urinov, B., & Almatayev, T. (2021). Features of structural adaptability of polymer composite coatings. In E3S Web of Conferences (Vol. 264, p. 05011). EDP Sciences.
18. Miradullaeva, G., Rakhmatov, E., Bozorov, O., Ziyamukhamedova, U., & Shodiev, B. (2021). Mathematical modeling of rheological properties during structure formation of heterocomposite potting materials and coatings and their application. In Proceedings of EECE 2020: Energy, Environmental and Construction Engineering 3 (pp. 346-355). Springer International Publishing.
19. Ziyamukhamedova, U., Djumabaev, D., & Shaymardanov, B. (2013). Mechanochemical modification method used in the development of new composite materials based on epoxy binder and natural minerals. Turkish journal of Chemistry, 37(1), 51-56.
20. Negmatov, N. S., Ziyamukhamedova, U. A., & Kuluev, A. R. (2002). Antifriction materials and water-soluble compounds on basis of polymers for reducing the mechanical damage of cotton fibers. Plasticheskie Massy: Sintez Svojstva Pererabotka Primenenie, 1, 42-45.