image
energas.ru

Коррозия Территории Нефтегаз № 1 (39) 2018

Покрытия

»  01.04.2018 11:00 Разработка и обоснование требований к ускоренным лабораторным испытаниям для прогнозирования срока службы антикоррозионных покрытий
Статья посвящена разработке обоснования требований нормативно-технической документации ПАО «Транснефть» к длительности проведения некоторых видов испытаний для прогнозирования срока службы антикоррозионных покрытий на 10 и 20 лет для различных категорий активности. Материалы статьи в качестве доклада были представлены на XIII Международной научно-практической конференции «Состояние и перспективы применения защитных покрытий в оборудовании и сооружениях нефтегазовой отрасли».
Ключевые слова: краски, лаки, коррозия, предотвращение коррозии, защитные покрытия, лабораторные испытания, ускоренные испытания, искусственные испытания старения, срок службы антикоррозионных покрытий.
Открыть PDF


Объекты трубопроводной системы ПАО «Транснефть» расположены в 50 субъектах Российской Федерации, различающихся климатическими характеристиками. Прогнозирование срока службы антикоррозионных покрытий является очень сложной задачей, поскольку необходимо провести натурные испытания, краткосрочные ускоренные лабораторные испытания и по результатам сравнения выдать заключение о сроке службы покрытия на годы или даже десятилетия вперед.

Межгосударственный стандарт [1] устанавливает общие требования и методы ускоренных испытаний лакокрасочных покрытий (далее – покрытия) металлических и неметаллических поверхностей. Испытания подразумевают последовательную циклическую выдержку образцов  с покрытием в различных условиях, таких как влажность, солнечная радиация, соляной туман, сернистый газ, повышенные и пониженные температуры (табл. 1). Время выдержки образцов в каждой из испытательных сред составляет несколько часов. Последовательно проведенные испытания составляют один цикл. Количество и состав циклов зависят от требуемого срока службы и климатического района эксплуатации покрытия.

Согласно стандартам [2, 3] партия образцов подвергается долговременной выдержке в каждой из испытательных сред. По сравнению с [1] предлагается не последовательный ряд кратковременных испытаний, а несколько параллельных долговременных экспериментов. Согласно [2] длительность испытаний определяется не климатическим районом, а категорией коррозионной активности атмосферы.

С одной стороны, в качестве определения атмосферно-коррозионной категории приведены скорости коррозии стали, основанные на потере массы (или потери толщины) [2, 4], а с другой стороны – описание определений категорий атмосферы дается на основе наличия коррозийных элементов и их концентрации [3].

В Российской Федерации не проводилось комплексное районирование всей территории по скоростям коррозии, а описание определений не является четким. Термины, такие как «маленькие города» или «значительная концентрация промышленности», не являются четкими и позволяют трактовать требования ИСО так, как удобно заинтересованным лицам.

В качестве основы для разработки требований ПАО «Транснефть»  к ускоренным испытаниям было взято разделение территории Российской Федерации на климатические районы, на которые согласно [5] разделена вся территория страны. Магистральные нефтепроводы, обозначенные на рисунке черным цветом, расположены практически во всех районах.

Если привести основные климатические показатели районов, видно, что районы очень холодного, холодного и умеренно холодного климатов имеют максимальные показатели по температуре, влажности и продолжительности выпадения осадков. Таким образом, предлагается ввести высокую категорию коррозионной активности для холодных районов, среднюю – для районов с более мягким климатом и морскую – для объектов в любом климате на расстоянии не более 10 км от морского побережья. Безусловно, классификация, представленная в табл. 2, достаточно условна, и далее будет показано, как определяется длительность лабораторных испытаний в зависимости от климата  в конкретном регионе страны. Для примера взят срок прогнозирования службы покрытия, равный  10 годам.

 

Методика определения стойкости покрытия  к постоянной конденсации влаги

Для обоснования длительности испытаний на стойкость к постоянной конденсации влаги в качестве исходных данных были взяты сведения по максимальному количеству осадков в различных регионах. Так, по [6] количество осадков для городов России составляет:

• г. Боровичи (категория С3) –  463 мм/год;

• г. Благовещенск (категория С4) –  514 мм/год;

• г. Владивосток (категория С5-М) –  725 мм/год.

Для расчета длительности испытаний на десятилетний срок службы покрытия необходимо скорость выпадения осадков умножить на 10 (результат представлен в столбце 4 табл. 5). Однако  в лабораторной камере влажности скорость выпадения осадков выше  (14,3 мм/ч), чем в натурных условиях, поэтому количество осадков в натурных условиях необходимо поделить на скорость выпадения осадков в лабораторной камере. Результаты расчета с округлением до 50 ч и коэффициентом запаса 1,25 приведены в столбце 5.  В отличие от [3], согласно которому длительность испытаний пропорционально увеличивается при переходе от категории к категории, в нашем расчете прямой пропорциональности нет.

Следует отметить, что лабораторные испытания всегда заведомо жестче, чем природные воздействия, поскольку в лабораторной камере конденсация происходит непрерывно при температуре 40 ºС, а в натурных условиях конденсация происходит периодически при температуре от 0 ºС. Также важно подчеркнуть, что представленный расчет основан на технических характеристиках камеры определенной модели. При использовании камеры с другими характеристиками необходимо проводить пересчет.

Методика определения стойкости покрытия к воздействию ультрафиолетового излучения

Для обоснования длительности испытаний на стойкость к воздействию УФ-излучения влаги  в качестве исходных данных были взяты сведения по количеству солнечных дней в году [5] в различных регионах:

• г. Волгоград (категория С3) –  64 дня;

• г. Оренбург (категория С 4) –  70 дней;

• г. Владивосток (категория С5-М) –  77 дней.

Учитывая мощность ультрафиолета в солнечном излучении 0,5 Вт/м2, мощность ультрафиолетовых ламп 1,5 Вт/м2 и предполагая, что наибольшая интенсивность излучения приходится на три полуденных часа в день, получаем длительность солнечного излучения за 10 лет требуемого срока службы (табл. 6).

Однако в лабораторной камере УФ-излучения мощность ламп выше, чем в натурных условиях, поэтому данные натурных условий необходимо поделить на разницу в мощности излучения. Результаты расчета с округлением до 50 ч и коэффициентом запаса 1,25 приведены в столбце 5. Сравнение полученных данных с [3] также показывает, что реальные природные воздействия не подчиняются простым пропорциональным зависимостям. Также следует отменить, что лабораторные испытания жестче по нескольким параметрам, чем природные воздействия, а при использовании ламп с другой мощностью необходимо проводить пересчет.

 

Методика определения стойкости покрытия  к перепаду температур  от –60 до 60 ºС

Для обоснования длительности испытаний на стойкость к воздействию перепада температур  в качестве исходных данных были взяты сведения по городам с температурой наиболее холодной пятидневки по [6]:

• г. Москва (категория С3) – минус 29 ºС;

• г. Тюмень (категория С4) – минус 36 ºС;

• г. Владивосток (категория С5-М) –  минус 24 ºС.

Расчет приведен для покрытия резервуаров, поэтому в качестве исходных данных были приняты регламентное количество циклов нагружения (слива-налива) резервуара в год (350 циклов) и максимальная температура нагрева нефти на объектах ПАО «Транснефть».

Для расчета было принято, что шоковое температурное воздействие на покрытие происходит, когда резервуар опорожняется и на стенку, нагретую до температуры 60 ºС, воздействует низкая температура окружающей среды. Количество циклов с максимальным перепадом температуры за 10 лет составляет 50, а разность температур определяется температурой нагрева нефти 60 ºС и наиболее холодной пятидневки. Количество циклов термоциклирования можно уменьшить, учитывая, что в лабораторных испытаниях разность перепада температур определяется температурой термошкафа (60 ºС) и криокамеры (–60 ºС) и составляет 120 ºС, а в натурных испытаниях несколько меньше. Таким образом, предлагаемое количество циклов испытаний приведено в столбце 7 (табл. 7). Также следует отметить, что лабораторные испытания жестче по ряду параметров, чем природные воздействия, а при расчете длительности испытаний для покрытий не резервуаров,  а другого оборудования следует учитывать температурные условия эксплуатации данного типа оборудования.

 

Методика определения стойкости покрытия  к термостарению

Для обоснования длительности испытаний на стойкость к термостарению в качестве исходных данных были взяты сведения по городам с максимальной продолжительностью повышенной температуры 30–40 ºС, по данным ФГБУ «Гидрометцентр России»:

• г. Волгоград (категория С3) –  29 дней;

• г. Омск (категория С4) – 9 дней;

• г. Владивосток (категория С5М) –  22 дня.

Количество часов в день с наибольшим воздействием повышенной температуры – 3 ч. Предполагая, что наибольшая температура приходится на три полуденных часа в день, получаем следующую длительность воздействия повышенной температуры за 10 лет требуемого срока службы. Длительность лабораторных испытаний на термостарение с коэффициентом запаса 1,25 приведена в столбце 5 (табл. 8). Условия лабораторных испытаний здесь также жестче, чем природные воздействия.

В заключение следует отметить, что прогнозирование срока службы антикоррозионных покрытий является очень сложной задачей. Поскольку на покрытие одновременно воздействует множество факторов, создание единого нормативно-технического документа (стандарта) с абсолютной гарантией определения срока службы становится невозможным. В связи с этим при разработке требований к ускоренным лабораторным испытаниям необходимо не только применять требования действующих российских и международных стандартов, но и учитывать природные воздействия, характерные для конкретного региона, а также особенности работы конкретных типов стальных конструкций.

Экспериментальные исследования и испытания, необходимые для решения поставленных задач, выполняются в лабораториях ООО «НИИ Транснефть» [7] и АО «Транснефть –  Диаскан» [8].


Таблица 1. Последовательность перемещения и продолжительность выдержки образцов при испытаниях покрытий, предназначенных для эксплуатации во всех макроклиматических районах на суше

Аппаратура

Режимы испытаний

Продолжительность выдержки образцов в одном цикле для методов испытаний  в зависимости от макроклиматического района, ч

Температура, ºC

Относительная влажность, %

Макроклиматический район

Умеренный (У)

Холодный (ХЛ, УХЛ)

Тропический (T)

Общеклиматический (О)

Методы испытаний

2

5

12

15

3

6

13

16

4

7

14

17

1

8

18

Камера влаги

40 ± 2

97 ± 3

6

4

6

4

2

2

2

2

1

55 ± 2

97 ± 3

10

8

10

8

7

7

Камера влаги с выключенным обогревом

Не нормируется

97 ± 3

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

1

1

Камера сернистого газа (концентрация SO2 (5 ± 1) мг/м3)

40 ± 2

97 ± 3

2

2

2

2

2

2

2

2

Камера тепла и холода

– (30 ± 3)

Не нормируется

6

6

6

6

– (45 ± 3)

То же

3

3

3

3

– (60 ± 3)

»

3

3

Аппарат искусственной погоды: режим 4–16 режим 3–17

 

60 ± 3

60 ± 3

 

»

»

 

7

 

7

 

 

 

5

 

5

 

 

 

10

 

10

 

 

 

2

 

10

 

Термокамера

60 ± 2

»

7

7

5

5

10

10

10

Камера тепла и холода

– (60±3)

»

3

3

3

3

Выдержка на воздухе

15–30

Не должно быть более 80

6

6

6

6

6

6

6

6

2

2

2

2

19

1

1

 

Таблица 2. Атмосферно-коррозионные категории и примеры типичной окружающей среды согласно [2]

Категория коррозионности

Массовая потеря или потеря толщины (после первого года воздействия)

Примеры среды в умеренном климате

Низкоуглеродистая сталь

Потеря массы

Потеря толщины

С1 – очень низкая

<10

<1,3

С2 – низкая

10–200

1,3–25,0

Атмосфера с низким уровнем загрязнения. В основном сельские районы

С3 – средняя

200–400

25–50

Городские или промышленные атмосферы, умеренно загрязненные сернистым ангидридом. Прибрежные территории с низким уровнем солености

С4 – высокая

400–650

50–80

Промышленные и прибрежные территории с умеренной соленостью

С5-I – очень высокая (промышленная)

650–1500

80–200

Промышленные зоны с высокой влажностью и агрессивной атмосферой

С5-М – очень высокая (морская)

650–1500

80–200

Прибрежные или морские территории с высокой соленостью

 

Таблица 3. Процедуры проверки систем, применяемых для окраски стали, согласно [3]

Коррозионная категория, определяемая в [2]

Срок службы

Стойкость к химическим веществам, ч

Погружение в воду, ч

Водный конденсат, ч

Солевой туман, ч

С2

Низкий*

48

Средний**

48

Высокий***

120

С3

Низкий

48

120

Средний

120

240

Высокий

240

480

С4

Низкий

120

240

Средний

240

480

Высокий

480

720

С5-I

Низкий

168

240

480

Средний

168

480

720

Высокий

168

720

1440

С5-М

Низкий

240

480

Средний

480

720

Высокий

720

1440

* – срок службы 1–5 лет;

** – срок службы 5–10 лет;

*** – срок службы более 10 лет.

 

Таблица 4. Основные климатические показатели районов

№ п/п

Категория коррозионной активности

Обозначение климатического района по [5]

Климатический район по [5]

Среднегодовая температура, ºС

Среднегодовая относительная влажность, %

Среднегодовая продолжительность выпадения атмосферных осадков, ч

1

С4

I1

Очень холодный

–16,6

71

1272

2

С4

I2

Холодный

–5,7

80

1835

3

С4

II4

Умеренно холодный

1,7

74

1258

4

С3

II5

Умеренный

4,6

76

1462

5

С3

II6

Умеренно влажный

4,5

73

869

6

С3

II7

Умеренно теплый

7,7

76

1089

7

С3

II9

Умеренно теплый с мягкой зимой

13,0

72

610

8

С3

II11

Жаркий сухой

13,5

58

573

 

Таблица 5. Сравнение воздействия осадков в натурных и лабораторных испытаниях

№ п/п

Категория коррозионной активности

Срок службы, лет

Количество осадков в натурных условиях, мм

Длительность лабораторных испытаний  в ПАО «Транснефть», ч

Длительность  лабораторных испытаний  по требованиям [3], ч

1

С3

10

4630

400

120

2

С4

10

5140

450

240

3

С5-М

10

7250

650

480

 

Таблица 6. Сравнение воздействия УФ-излучения в натурных и лабораторных испытаниях

№ п/п

Категория коррозионной активности

Срок службы, лет

Количество осадков  в натурных условиях, мм

Длительность лабораторных испытаний в ПАО «Транснефть», ч

Длительность лабораторных испытаний по требованиям [3], ч

1

С3

10

1920

800

120

2

С4

10

2100

850

240

3

С5-М

10

2310

950

480

 

Таблица 7. Сравнение воздействия перепада температур от –60 до 60 ºС в натурных и лабораторных испытаниях

№ п/п

Категория коррозионной активности

Срок службы, лет

Количество циклов перепадов температур в натурных условиях

Разность перепада температур в натурных условиях, ºС

Разность перепада температур в лабораторных условиях, ºС

Предполагаемая длительность лабораторных испытаний по НТД ПАО «Транснефть», кол-во циклов

1

С3

10

50

89

120

45

2

С4

10

50

96

120

50

3

С5-М

10

50

84

120

45

 

Таблица 8. Сравнение длительности воздействия повышенной температуры в натурных условиях и лабораторных испытаниях

№ п/п

Категория коррозионной активности

Срок службы, лет

Длительность воздействия повышенной температуры в натурных условиях, ч

Предполагаемая длительность воздействия температуры  в лабораторных испытаний в ПАО «Транснефть», ч

1

С3

10

870

1100

2

С4

10

270

350

3

С5-М

10

660

850

 

 



← Назад к списку