СПОСОБ ЗАЩИТЫ ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ТРУБОПРОВОДОВ Российский патент 1996 года по МПК F16L58/06 

Изобретение относится к трубопроводному транспорту, а именно к способам создания защитных покрытий внутренней поверхности трубопроводов, по которым транспортируются агрессивные среды.

Наиболее агрессивными жидкостями по отношению к металлу труб являются пластовые и сточные промысловые воды. Их агрессивность обусловлена наличием ионов Mg²⁺, Cl^-, SO2-4

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ нанесения покрытия на внутреннюю поверхность трубопровода пневмопоршневым методом (2), заключающийся в продавливании защитного материала по трубопроводу с помощью специальных пробок, движение которых осуществляется за счет сжатого воздуха. Причем в качестве покрытия используются эпоксидные смолы, лакокрасочные или полимерные материалы.

Недостаток низкая эффективность, обусловленная тем, что применяемые материалы не обладают пассивирующим эффектом по отношению к металлу труб.

Задача изобретения повышение эффективности способа путем увеличения срока службы и коррозионной стойкости покрытия в среде сероводородсодержащих вод.

Поставленная задача решается тем, что в качестве цементного покрытия используют цементную композицию со следующим соотношением компонентов (% вес):
портландцемент 63,3-74,6
асбест 1,4-3,3
вода 23,1-33,4
причем для увеличения протяженности покрываемого участка трубопровода покрытие внутренней поверхности трубопровода осуществляют известным методом, например пневмопоршневым.

Твердение покрытия ведут в среде углекислого газа.

Сущность изобретения состоит в том, что цементный камень, образующийся в результате твердения защитной цементной композиции, оказывает пассивирующее действие на защищаемую металлическую поверхность в водных средах до тех пор, пока рН поровой жидкости не будет равен 12.

В среде сероводородсодержащих жидкостей происходит коррозия цементного камня.

Протекание этого процесса обусловлено термодинамической неустойчивостью продуктов твердения при пониженной щелочности поровой жидкости, вызванной проникновением в поры сероводорода. Снижение рН вызывает гидролиз и растворение кристаллогидратов с выделением в окружающую среду Са(ОН)₂, обеспечивающей устойчивое существование гидратных фаз. Удаление Са(ОН)₂ за счет выноса в окружающую среду ведет к разрушению кристаллического каркаса цементного камня, росту пористости и проницаемости, снижению прочности камня и потере им защитных свойств.

В среде углекислого газа поверхность цементного камня карбонизируется, причем объем продуктов карбонизации (СаСО₃) больше, чем объем исходного вещества, вступившего в реакцию Са(ОН)₂. В результате этого поры цементного камня кольматируются, проницаемость камня снижается. Поскольку лимитирующим фактором процесса коррозии камня в жидких сероводородсодержащих средах является диффузия ионов Ca²⁺ и HS^-, зависящая от структуры порового пространства камня, то уменьшение пористости камня приведет к повышению его стойкости.

Кольматация пор цементного камня карбонатом кальция обеспечивает защиту именно от сероводородосодержащих вод. Согласно термодинамическим расчетам, в среде Н₂ абсолютного стойким является карбонат кальция до Р H2S 10^9,252 атм. Это значит, что сероводород не способен вытеснить СО₂ из его соединений, т. е. СО₂ более активный газ, чем H₂S. Это следует также из того, что термодинамически взаимодействие с одними и теми же гидратными фазами цементного камня в случае CO₂ более предпочтительно, нежели в случае Н₂S (1).

Проверка предложенного способа проводилась по следующей методике.

Из портландцемента готовились растворы определенной подвижности, которая регулировалась начальным водосодержанием раствора. В качестве материалов для покрытий использовался чистый портландцемент и цементно-песчаные смеси.

Приготовленный раствор испытывался сначала на лабораторном стенде для покрытия кольцевых образцов пневмопоршневым методом, а затем на участке трубопровода, где тем же пневмопоршневым способом покрывался изнутри участок трубопровода, предварительно подготовленный к облицовке.

Для проверки повышения коррозионной стойкости цементных растворов при их твердении в среде углекислого газа изготавливались образцы-балочки размером 1х1х3 см из цементных растворов определенного состава.

Образцы твердели в течение 7 суток в среде углекислого газа. Контрольные образцы хранились в течение того же срока в воздухе над водой. После 7 суток хранения образцы закладывались в сероводородосодержащую среду, в качестве которой использован 3%-ный раствор NaCl, насыщенный сероводородом до концентрации 1000 мг/л. Из данных таблицы 1 видно, что образцы различных цементных композиций, выдержанные до погружения в агрессивную среду в среде углекислого газа, имеют более высокую прочность.

Пример конкретного выполнения.

Для приготовления 1 кг смеси было взято 970 г портландцемента, 30 г асбеста и 400 мл воды.

Асбест предварительно распушивался вручную или на мельнице сухим или мокрым способом, после чего готовилась суспензия асбеста в воде. Затем производилось затворение цемента асбестовой суспензией.

Полученный состав подвергался испытанию.

Цементным тестом заполняются формы для образцов размером 1х1х3 см. Заполненные формы хранятся сутки во влажной атмосфере, затем подвергаются распалубке и твердеют сутки в воде. Затем образцы сушатся на воздухе в течение 3 часов, после чего производится предварительное испытание их на прочность на изгиб.

Образцы погружаются в агрессивную среду модель пластовой воды, имеющую следующий состав:
калий хлористый шестиводный 10,8 г/л
натрий хлористый 111,5 г/л
магний хлористый шестиводный 6,0 г/л
кальций сернокислый двуводный 0,3 г/л
сероводород 700-800 мг/л
углекислый газ 600-700 мг/л
Параллельно часть образцов погружается в водопроводную воду. Через определенные сроки выдерживания в указанных средах образцы партиями по 6 штук извлекаются из сред и после просушивания на воздухе в течение 3 часов испытываются на прочность. Сроки испытания образцов: 1 неделя. 1 месяц, 3 месяца, 6 месяцев.

Результаты испытаний образцов позволили определить коэффициенты стойкости цементных композиций для каждого срока испытания.

Стойкость определенного цементного состава к воздействию коррозионно-активной среды оценивалась согласно методу Кинда с помощью определения коэффициента стойкости:

где K_C коэффициент стойкости;
П_K предел прочности на изгиб образцов, выдержанных в коррозионной среде (МПа);
П_B предел прочности на изгиб образцов того же состава, выдержанных в течение того же времени в воде (МПа).

Результаты коррозионных испытаний цементных композиций различного состава представлены в таблице 2.

Равномерность полученного покрытия по толщине оценивалась по следующей методике. На пластинки размером 100х50 мм из материала, соответствующего материалу трубы (Ст.3), и предварительно обезжиренные и высушенные, наносилась в горизонтальном положении исследуемая композиция слоем определенной толщины (5 мм). Затем пластинка ставилась вертикально и через 4 часа измерялась толщина покрытия в верхней (l₁) и в нижней (l₂) части пластинки (фиг. 1).

По соотношению этих величин определялся коэффициент равномерности K_p. Результаты определений К_p для цементных композиций различного состава представлены в таблице 3.

Адгезия цементных композиций определялась как сила отрыва покрытия от пластины.

Оценка адгезии производилась как отношение усилия отрыва к площади пластинки под покрытием, т.е.

где σ_A адгезия исследуемой композиции к металлу, кг/см²;
P усилие отрыва кольцевой формы с цементным покрытием от металла пластины, кг;
d внутренний диаметр кольцевой формы, см.

Результаты определения адгезии сравниваемых цементных композиций представлены в таблице 4.

Приведенные результаты показывают преимущество предлагаемого состава перед прототипом. С вводом асбеста повышается коэффициент стойкости для всех исследованных цементных смесей. Добавка асбеста (начиная с 2% вес. на смесь) улучшает равномерность покрытия. Превышение добавки выше 3% нецелесообразно, т. к. наряду с повышением равномерности затрудняется нанесение покрытия, особенно при низких водотвердых отношениях. Адгезия цементного камня к покрываемой поверхности с добавкой асбеста также растет.

Использование предполагаемого изобретения позволит существенно повысить долговечность промысловых трубопроводов, транспортирующих пластовые и сточные воды, подверженные интенсивной коррозии.

Использование: защита от коррозии трубопроводов для агрессивных сред. Сущность изобретения: cпособ защиты внутренней поверхности трубопроводов заключается в нанесении на нее цементно-асбестовой композиции и отверждении последней в среде углекислого газа, при этом поверхность цементного камня карбонизируется, его поры кольматируются и проницаемость камня снижается. 1 ил., табл. 4.

Способ защиты внутренней поверхности трубопровода композициями пневмопоршневым методом, отличающийся тем, что в качестве покрытия используют цементную композицию со следующим соотношением компонентов, мас.

Портландцемент 63,3 74,6
Асбест 1,4 3,3
Вода 23,1 33,4
причем твердение покрытия ведут в среде углекислого газа.