Защита металлоконструкций от коррозии является одной из важнейших научно-технических и экономических проблем мирового народного хозяйства. Надежная работа оборудования и сооружений нефтегазовой отрасли зависит от эффективной противокоррозионной защиты, и применения современных коррозионностойких материалов.
Общие годовые затраты на борьбу с коррозией в развитых странах оцениваются в 2-4% от валового национального продукта . По данным ВНИИ организации, управления и экономики нефтегазовой промышленности (ВНИОЭНГ) структура затрат на противокоррозионную защиту в Российской Федерации составляет:
- коррозионностойкие материалы – 20,5%,
- лакокрасочные покрытия (далее ЛКП) – 39,5%,
- металлические покрытия – 15,6%,
- электрохимическая защита – 11,3%,
- ингибиторы – 8,6%,
- конструктивная приспособленность – 4,5%.
Экономичность противокоррозионной защиты металлоконструкций нефтегазовой отрасли зависит от следующих факторов:
- коррозивности атмосферы;
- конструктивной приспособленности изделий к нанесению защитных покрытий;
- структуры и подготовки защищаемой поверхности;
- систем и долговечности наносимых ЛКП;
- безопасности для здоровья и экологической безопасности.
Металлоконструкции и оборудование предприятий нефтегазового комплекса эксплуатируются в сложных атмосферных условиях, подвергаются воздействию морской соли, агрессивных рабочих сред (нефть и нефтепродукты, пластовые воды, грунты, скважинные химикаты и растворы и т.д.), характеризующихся высокой коррозивностью, интенсивным абразивным воздействием, широким диапазоном температур и давлений. Под коррозивностью понимается способность среды вызывать коррозию в данной коррозионной системе (например, коррозию металла под лакокрасочной пленкой при атмосферных условиях). Стальные поверхности морских буровых установок во время эксплуатации входят в прямой контакт с соленой водой, например балласт соленой воды в стальных танках полупогружной платформы. Значительная часть российского нефтегазового оборудования работает в местностях с неблагоприятными климатическими факторами – низкие температуры, ледовая обстановка, обледенение конструкций, повышенная коррозивность окружающей среды.
Большинство объектов газодобычи, обработки и транспортировки газа располагаются в северном федеральном округе – Ямало-Ненецкий округ, Коми, а объекты нефтехимии в Приволжском федеральном округе, Западной Сибири и на Дальнем Востоке. Это районы с умеренным и холодным климатом. Климатические факторы, оказывающие влияние на долговечность ЛКП следующие:
- солнечная радиация (световая энергия),
- температура (повышенная, пониженная, перепады температур),
- влага (осадки, туман),
- загрязнения и пыль (бури, ветер).
Солнечная радиация вызывает фотоокислительную деструкцию полимера. Первичными видами разрушения ЛКП является потеря блеска (для глянцевых и полуглянцевых покрытий), изменение цвета и меление.
Повышенные температуры вызывают в ЛКП увеличение и интенсификацию подвижности молекул полимера, которые ускоряют окислительные и фотокаталические реакции в полимере, что приводит к его деструкции.
Низкие температуры приводят пленкообразующий полимер в стеклообразное, хрупкое состояние и снижают его эластичность. Это способствует снижению адгезии ЛКП и его растрескиванию.
Резкие колебания температуры вызывают увеличение внутренних напряжений в ЛКП и способствуют микро- и макрорастрескиванию и отслаиванию его от металлической поверхности.
Повышенная влажность приводит к набуханию и размягчению пленкообразующего полимера и его гидролизу, в результате чего образуются пузыри, отслаивание и коррозия.
Загрязнения и пыль оказывают истирающее воздействие на лакокрасочные покрытия задвижек, приводят к механическому вымеливанию пигментов, эрозии ЛКП и повышению грязеудержания.
ЛКП должны иметь климатические исполнение УХЛ1 и ХЛ1 по ГОСТ 9.104-79 и выдерживать рабочее значение температуры воздуха при эксплуатации от плюс 40 до минус 60°С, среднегодовое значение относительной влажности при 15°С 75% и абсолютную влажность среднегодового значения 11 г/м3, интенсивность дождя 3 мм/мин 5 мин подряд (1-2 раза в 1-2 года), 1,5 мм/мин 1 час подряд и 0,5 мм/мин 5 ч подряд, интегральную поверхностную плотность потока энергии солнечного излучения – 1125 Вт/м2 [0,027 кал/(см2×с)], в том числе плотность потока ультрафиолетовой части спектра (длина волн 280-400 нм) – 68 Вт/м2 [0,016 кал/(см2×с)].
На объектах нефтегазового сектора атмосфера по коррозивности квалифицируется от С4 до С5-I или С5-М в прибрежных морских районах по ИСО 12944-2. Основными коррозионно-активными загрязнениями атмосферы, вызывающими интенсивную коррозию металлов, являются морская соль в виде хлоридов и сернистый газ, который под воздействием солнечной радиации в присутствии кислорода воздуха окисляется до серного ангидрида и под действием влаги превращается в серную кислоту.
Коррозионные потери углеродистых конструкционных сталей при коррозивности атмосферы С4 составляют 400-650 г/м2×год (концентрация SO2 от 30 мкг/м3 до 90 мкг/м3 и существенное влияние хлоридов, например, загрязненные городские районы, промышленные зоны, прибрежные районы без брызг соленой воды и сильного воздействия обледенения с соленой водой), при коррозивности атмосферы С5-I и С5-М – 650-1500 г/м2×год (концентрация SO2 от 90 мкг/м3 до 250 мкг/м3 и существенное влияние хлоридов, например, промышленная зона, прибрежный район, защищенные места на побережье).
Защитное действие ЛКП проявляется в диффузионно-адгезионном и электрохимическом сопротивлении действию внешних факторов окружающей среды. Диффузионно-адгезионное действие вызвано торможением транспорта агрессивных компонентов и накоплением их на границе металл — ЛКП и действует до образования фазы агрессивной среды на поверхности металла под ЛКП. Электрохимическое сопротивление вызывает сдвиг электрохимического потенциала поверхности металла к менее активным значениям и понижение тока коррозии и действует с момента образования фазы агрессивной среды на поверхности металла под ЛКП.
Диффузионно-адгезионное сопротивление лакокрасочного покрытия зависит от характера его взаимодействия с окрашиваемой поверхностью и его физико-механических свойств. Характер взаимодействия с окрашиваемой поверхностью определяется его адгезионной связью с поверхностью, механизмом противокоррозионной защиты и пористостью поверхности. А прочностные свойства, как правило, характеризуются морозостойкостью, характером взаимодействия и сочетаемостью всех слоев ЛКП.
В зависимости от типа пленкообразующего полимера ЛКП могут образовывать с окрашиваемой поверхностью химические (энергия связи 10-1000 кДж/моль), координационные (энергия связи 100-500 кДж/моль) или ион-дипольные (энергия связи 20-40 кДж/моль) связи.