Кац Н.Г., Стариков В.П., Парфенова С.Н. Химическое сопротивление материалов и защита оборудования нефтегазопереработки от коррозии

Подождите немного. Документ загружается.

К а ф е д р а «Машины и аппараты химических производств»

Н.Г. КАЦ, В.П. СТАРИКОВ, С.Н. ПАРФЕНОВА

ХИМИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ

МАТЕРИАЛОВ И ЗАЩИТА

ОБОРУДОВАНИЯ

НЕФТЕГАЗОПЕРЕРАБОТКИ

ОТ КОРРОЗИИ

Москва

Машиностроение

2011

Н.Г. КАЦ, В.П. СТАРИКОВ, С.Н. ПАРФЕНОВА

ХИМИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ

МАТЕРИАЛОВ И ЗАЩИТА

ОБОРУДОВАНИЯ

НЕФТЕГАЗОПЕРЕРАБОТКИ

ОТ КОРРОЗИИ

Допущено Учебно-методическим объединением вузов

Российской Федерации по нефтегазовому образованию

в качестве учебного пособия для студентов высших

учебных заведений, обучающихся по специальности 130603

«Оборудование и агрегаты нефтегазового производства»

направления подготовки специалистов 130600 «Оборудование

и агрегаты нефтегазового производства», по представлению

Ученого совета ГОУ ВПО «Самарский государственный

технический университет»

Москва

Машиностроение

2011

УДК 620.197

ББК 35.514

Кац Н.Г.

Химическое сопротивление материалов и защита оборудования неф-

тегазопереработки от коррозии: учебное пособие / Н.Г. Кац, В.П. Стариков,

С.Н. Парфенова. – Москва: Машиностроение, 2011. – 436 с.

ISBN 978-5-94275-555-3

Представлен материал по основам теории коррозионных процессов, кор-

розионной стойкости металлических и неметаллических материалов, необхо-

димый при изучении курса «Химическое сопротивление и защита от коррозии».

Пособие предназначено для подготовки инженеров, занимающихся вопросами

проектирования и расчета оборудования химических, нефтеперерабатывающих

и смежных с ними производств.

Материалы учебного пособия могут быть использованы студентами всех

форм обучения специальностей 130602, 130603, 130401 и помогут всем, кто

изучает вопросы коррозии и защиты металлов.

Рецензенты: М.Л. Медведева – д.т.н., профессор кафедры «Металловеде-

ния и неметаллических материалов» Российского государ-

ственного университета нефти и газа им. И.М. Губкина.

В.И. Барков – к.т.н., главный инженер проекта ОАО «Сама-

ранефтехимпроект».

И.К. Гаркушин – д.х.н., профессор, заведующий кафедрой

«Общая и неорганическая химия» Самарского государст-

венного технического университета, заслуженный деятель

науки России.

УДК 620.197

ББК 35.514

ISBN 978-5-94275-555-3 © Авторы, 2011

МОЕМУ ДРУГУ, СПЕЦИАЛИСТУ

В ОБЛАСТИ ПОДГОТОВКИ ИНЖЕ-

НЕРОВ НЕФТЕГАЗОПЕРЕРАБОТКИ,

ВНЕСШЕМУ БОЛЬШОЙ ВКЛАД

В ЕЕ РАЗВИТИЕ, ПОСВЯЩАЕТСЯ.

17 августа 2010 года на 64-м

году жизни скоропостижно скон-

чался ученый, декан заочного фа-

культета, почетный нефтехимик,

ветеран труда РФ, доцент кафедры

«Машины и аппараты химических

производств» Виктор Петрович

Стариков.

Вся жизнь Виктора Петровича

была выполнением долга перед

страной, где он родился, перед людьми, которые его окружали, с ко-

торыми он дружил, перед тем делом, которым он занимался с чувст-

вом высокой гражданской ответственности, вкладывая в него все си-

лы своей души.

Родился Виктор Петрович Стариков 17 июля 1947 года в городе

Махачкала Дагестанской АССР. В раннем возрасте он начал свою

трудовую биографию. Окончил школу с золотой медалью, затем тех-

никум, институт. В институте был Ленинским стипендиатом, по

окончании обучения получил красный диплом. Целью и смыслом его

жизни стала педагогическая деятельность в вузе.

В короткой заметке нельзя отразить даже малой толики всех

достижений Виктора Петровича. Но главным в его личности был ха-

рактер – стойкий, несгибаемый, борцовский. Будучи тяжело больным,

он до последней минуты находился на своем боевом посту.

Именно таким он ушел из жизни и надолго запомнится нам жи-

вым…

ВВЕДЕНИЕ

1. Социальные, экологические и экономические

проблемы борьбы с разрушением

конструкционных материалов

Металлы, сплавы и неметаллические материалы являются основ-

ными современными конструкционными материалами, и там, где они

эксплуатируются, есть вещества, которые при взаимодействии с ними

быстро или медленно их разрушают. Процесс разрушения металлов

обычно обозначается словом «коррозия», происходящим от латинского

«corrodere», что означает «разъедать», или «corrosion» – «разъедание».

Проблема исследования коррозионного процесса определяется

следующими задачами:

– экономические, которые имеют цель уменьшение материаль-

ных потерь в результате коррозии. Это главная движущая сила почти

всех коррозионных исследований;

– повышения надежности работы оборудования, так как раз-

рушение оборудования происходит с катастрофическими последст-

виями;

– сохранность металлического фонда. Мировые ресурсы ме-

талла ограничены, а его потери вследствие коррозии проводят к до-

полнительным затратам энергии и воды.

К конструкционным материалам предъявляются все более высо-

кие требования для обеспечения надежной и долговечной работы тех

или иных конструкций. В промышленности широкое распростране-

ние получают не только металлы, но и неметаллические конструкци-

онные материалы, которые также подвержены воздействию внешней

среды. Вот почему термин «коррозия» наряду со специальными тер-

минами, например «старение», используется и применительно к пла-

стическим массам, бетону и т.д.

Промышленный фонд РФ имеет более 20000 предприятий и раз-

нообразных технических производств [24]. Оборудование для них из-

готовлено из самых разнообразных сталей и сплавов, а также неме-

таллических материалов. Со временем это оборудование стареет мо-

рально и физически или разрушается вследствие коррозионных в ши-

роком смысле этого слова процессов, что приводит к экономическим

потерям и создает предпосылки для экологических катастроф.

В РФ потери от коррозии составляют до 12% общей массы ме-

таллофонда, что соответствует утрате до 30% ежегодного производ-

ства металла [20, 24, 25].

Различают прямые и косвенные коррозионные потери.

Под прямыми потерями понимают стоимость замены (с учетом

трудозатрат) прокорродировавших конструкций и машин или их час-

тей, например, затраты на перекраску конструкций для предотвраще-

ния ржавления или эксплуатационные затраты, связанные с катодной

защитой трубопроводов. Прямые потери включают также расходы,

связанные с использованием коррозионно-стойких металлов и спла-

вов вместо углеродистой стали, а также стоимость нанесения защит-

ных металлических покрытий, стоимость ингибиторов коррозии, за-

траты на кондиционирование воздуха складских помещений для хра-

нения металлического оборудования. По данным Ростехнадзора, об-

щая сумма прямых коррозионных потерь по минимальной оценке со-

ставляет 4,2% валового национального продукта.

Косвенные потери по приближенной оценке исчисляются мил-

лиардами долларов. Например [47], замена прокорродировавшей тру-

бы нефтеперегонной установки стоит несколько сотен долларов, но

недовыработка продукции за время простоя может принести убыток

до 20000 долларов в час. Замена поврежденного коррозией котла или

конденсатора мощностью 300 МВт может привести к недовыработке

электроэнергии на 60000 долларов в день, а общая стоимость недо-

выработки электроэнергии и тепла из-за коррозионных простоев со-

ставляет десятки миллионов долларов в год.

В межремонтный период происходят утечки нефти, газа и воды

вследствие коррозионных повреждений, из-за отложения продуктов

коррозии ухудшается теплопроводность поверхностей теплообмена,

уменьшение проходных сечений трубопроводов из-за отложения

ржавчины требует повышения мощности насосов – все это обходится

в миллионы долларов в год.

Загрязнение продукции также оценивается в миллиарды долла-

ров, например, небольшое количество меди, поступившее в систему в

результате коррозии медного трубопровода или латунного оборудо-

вания, может испортить целую партию продукта. Следы металлов

могут изменять цвет красителей. Свинцовое оборудование не может

быть использовано для приготовления и хранения пищевых продук-

тов из-за токсичности солей свинца. Мягкая вода, проходящая по

свинцовым трубопроводам, небезопасна для питья. По заключению

Бюро продуктов питания и лекарственных препаратов, допустимая

концентрация свинца в пище не должна превышать 1 мг/л [50, 53, 57].

К этой же группе потерь относится порча продуктов питания из-

за ржавления металлических емкостей. Один из заводов [53], консер-

вирующих фрукты и овощи, терпел убытки около миллиона долларов

в год до тех пор, пока не были выявлены и устранены металлургиче-

ские факторы, приводившие к локальной коррозии. Другая компания,

использующая металлические крышки на стеклянных консервных

банках, теряла 0,5 млн долларов в год из-за точечной коррозии кры-

шек, что приводило к бактериальному заражению продукции.

При расчете толщины стенки аппаратов и его проектировании

используются допуски на коррозию. В тех случаях, когда скорости

коррозии неизвестны, а методы борьбы с коррозией неясны, задача

оптимального проектирования значительно усложняется. Надежные

данные о скорости коррозии позволяют более точно оценить срок

эксплуатации оборудования и упрощают его проектирование. Напри-

мер, расчетная толщина стенки трубопровода диаметром 200 мм и

длиной 362 км с учетом коррозии составляет 8,18 мм. А применение

соответствующей защиты от коррозии позволяет снизить эту величи-

ну до 6,35 мм, что приводит к экономии 3700 т стали и увеличению

полезного объема трубопровода на 5%.

Отсюда видно, что косвенные потери составляют существенную

часть общих коррозионных потерь, однако их подсчет представляет

собой трудную задачу даже в рамках одной отрасли промышленно-

сти. В ряде случаев потери вообще не могут быть выражены в денеж-

ных единицах. К ним относятся аварии, связанные с взрывами, раз-

рушением нефтехимического оборудования, или вызванные коррози-

ей катастрофы самолетов, поездов, автомобилей, приводящие к поте-

ре здоровья или гибели людей.

В США, по последним данным NACE [50], ущерб от коррозии и

затраты на борьбу с ней составили 3,1% от ВВП (276 млрд долларов).

В Германии этот ущерб составил 2,8% от ВВП. По оценкам специа-

листов различных стран, эти потери в промышленно развитых стра-

нах составляют от 2 до 4% валового национально продукта. При этом

потери металла, включающие массу вышедших из строя металличе-

ских конструкций, изделий, оборудования, составляют от 10 до 20%

годового производства стали [51]. При этом подсчитано [48], что око-

ло 15% этих потерь можно избежать, своевременно используя посто-

янно совершенствуемые средства противокоррозионной защиты.

По данным фирмы «Du Pont» США [47], в 247 случаях выхода из

строя оборудования этой фирмы 79% аварий произошли по причине

коррозионных повреждений. При этом на долю общей коррозии

пришлось 31,5% случаев, на коррозионное растрескивание (стресс-

коррозию) – 21,6% случаев, питтинговая коррозия стала причиной

15,7% выходов оборудования из строя, а межкристаллитная коррозия

явилась причиной аварий в 10,2% случаев.

Росту потерь от коррозии способствует постоянное и интенсив-

ное развитие наиболее металлоемких отраслей промышленности –

энергетической, транспортной, металлургической, химической, неф-

тяной, нефтехимической и других, а также ужесточение условий экс-

плуатации конструкционных материалов.

В настоящее время общий металлофонд РФ составляет порядка

1,6 млрд т [24, 25], в частности по отраслям:

Промышленность – 47%

Транспорт – 25%

Сельское хозяйство – 10%

Прочие конструкции – 18%

ИТОГО: – 100%

При этом 40-50% устройств работают в агрессивных средах, 30%

– в слабоагрессивных, и только 10% не требуют антикоррозионной

защиты. Наибольшие потери от коррозии наблюдаются в топливно-

энергетическом комплексе – 30%, химии и нефтехимии – 20%, сель-

ском хозяйстве – 15%, металлообработке – 5% [7, 24].

Таблица 1

Статистика отказов оборудования нефтегазовых систем

Вид отказа

Система

Коррозия,

Брак

строительно-

монтажных

работ, %

Брак

материа-

лов, %

Механиче-

ские повре-

ждения, %

Нарушение

режима

эксплуата-

ции, %

Нефтеперерабаты-

вающая промыш-

ленность и транс-

порт нефти

70 15 2 10 3

Газопроводы 36,7 10 13,3 13,9 26,1

Внутрипромысло-

вые трубопроводы

95 2,8 0,8 0,6 0,8

Значительная часть сооружений исчерпала свой плановый ресурс

и вступает в период интенсификации отказов, например резервуар-

ный и газгольдерный парк потенциально опасных химических, неф-

техимических нефтегазоперерабатывающих и азотных производств

изношен на 60-80% [24, 25, 28, 30, 32]. Анализ причин отказов и ава-