Внутритрубная коррозия трубопроводов

Под термином коррозия понимают самопроизвольно протекающее химическое взаимодействие металла со средой, приводящее к изменению состава металла и его свойств. Следует обратить внимание, что, во-первых коррозионный процесс протекает самопроизвольно, то есть без получения энергии извне, а во-вторых в его основе лежит химическое взаимодействие металла со средой. Так, если металлоконструкция меняет свою несущую способность в результате воздействия потока сухого углеводородного газа, содержащего абразивные частицы, разрушение не связано с коррозией. Если же в этом газе присутствуют агрессивные компоненты (влага, сероводород, углекислый газ) и в основе разрушения лежит химическое взаимодействие металла трубы с этими компонентами следует говорить о коррозионном повреждении металла.

Следствием коррозии всегда является изменение свойств металла (химических, механических) и, как результат – изменение эксплуатационных характеристик трубопровода. При этом труба, пораженная коррозией, может продолжать безаварийно работать в течение некоторого времени. Вопрос возможности эксплуатации пораженных коррозией трубопроводов является одним из важнейших в практике инженера по промысловому транспорту продукции скважин.

Скорость коррозии обратно пропорциональна свободной энтальпии реакции. На неё оказывают влияние скорость потока, концентрация коррозионно-опасных агентов (Н⁺, HS^-, S^2-, О^2-) и мехпримесей, температура, давление и механические нагрузки, горизонтальная характеристика трубопровода.

Количественно скорость коррозии выражают в массе металла, которую потеряла единица его поверхности в единицу времени:

где v – скорость коррозии, г/м² · ч (мг/см² · сут); Δm – потеря массы, г (мг); S – площадь поверхности, м² (см²); t – время, ч (сут).

Под скоростью коррозии понимают также глубину повреждения металла в единицу времени – мм/год. Эту величину обычно называют глубинной скоростью коррозии.

Классификация коррозионных процессов чаще всего производится по двум принципам: механизму развития процесса и характеру его проявления.

При рассмотрении механизма развития процесса в первую очередь определяют механизм протекания химической реакции, лежащей в его основе. Как правило, коррозия нефтепромысловых трубопроводов протекает при наличии на поверхности металла плёнки электролита и процессу присущи закономерности электрохимических реакций. Процесс разделяется на две сопряженные реакции – окислительную, анодную, в которой металл переходит в раствор:

и восстановительную, катодную, в которой ионы металла соединяются с какими-либо частицами раствора (рис. 3.1):

Рис.3.1. Схема электрохимической коррозии

В зависимости от того, какой агрессивный компонент среды ассимилирует электроны, различают следующие виды коррозии:

– углекислотная:

3

– сероводородная:

– кислородная:

По характеру коррозионного поражения различают: общую, локальную, межкристаллитную коррозию, коррозионное растрескивание, коррозионный блистеринг (расслоение), щелевую коррозию.

Общая коррозия – это поражение металла, развивающееся по всей поверхности контакта со средой. Общая коррозия может быть равномерной, если развивается по всей поверхности примерно с одинаковой скоростью, и неравномерной, если глубина одних участков поверхности больше, чем других. Общая коррозия – наиболее распространенный и наименее опасный вид разрушения. Пораженный участок легко идентифицируется визуально или по результатам ультразвуковой дефектоскопии. Если коррозия равномерная, обеспечение расчетного срока эксплуатации может, помимо специальных методов защиты, достигаться за счет увеличения толщины стенки трубы. Опасность общей коррозии связана с тем, что она приводит к уменьшению толщины стенки трубы и снижению прочности трубопровода.

К общей коррозии относится структурно-избирательная коррозия – избирательное растворение отдельных структурных составляющих, например феррита в аустенитно-ферритной стали

Если разрушение развивается лишь на отдельных участках поверхности, то коррозия называется локальной или местной. К локальным относятся такие виды коррозии, как язвенная, питтинговая, межкристаллитная.

Язвенная коррозия – это разрушение поверхности, которое развивается на отдельных участках, причем площадь поврежденной поверхности существенно превышает ее глубину. Этот вид коррозии легко обнаруживается визуально. При ультразвуковой дефектоскопии язвенные поражения могут не попасть в область обследования и остаться незамеченными. Поэтому язвенное поражение опаснее общего: как и неравномерная общая коррозия язвенная может привести к появлению свища. Как правило язвенная коррозия не приводит к катастрофическому разрушению трубопровода.

Питтинговая коррозия – это вид локального разрушения, при котором глубина пораженного участка значительно больше площади поражения. Обнаружить подобные участки очень трудно. Ультразвуковая дефектоскопия практически бессильна, поэтому питтинговая коррозия существенно опаснее общей и язвенной. Сами питтинги развиваются обычно со скоростью соизмеримой со скоростью общей и язвенной коррозии. Но очень часто под действием растягивающих нагрузок вершина питтинга становится концентратором напряжений, с которого начинается коррозионная трещина, которая быстро становится причиной полной потери работоспособности трубопровода. Наиболее подвержена питтинговой коррозии аустенитная сталь.

Межкристаллитная коррозия (МКК) – это вид локального разрушения, которое развивается вглубь металла, поражая границы зерен. На поверхности участка, подверженного межкристаллитной коррозии нет продуктов коррозии и визуально она практически неотличима от непораженного металла. Но при МКК сильно снижается пластичность и прочность металла.

Коррозионное растрескивание (КР) также представляет собой один из видов локальной коррозии и связано с появлением трещин в металле под одновременным действием коррозионно-активной среды и растягивающих нагрузок. КР может инициироваться коррозионной язвой, питтингом или любым другим видом локального поражения поверхности, способным служить концентратором напряжений. Коррозионная трещина на начальном этапе растет очень медленно, пока не достигнет критических размеров. С этого момента наблюдается лавинный рост трещины, приводящий к катастрофическому разрушению.

Коррозионный блистеринг – это вид локального коррозионного поражения, связанный с появлением в толще металла несплошности, снижающей несущую способность металлоконструкции. Это разрушение характерно для трубопроводов из низколегированных сталей, работающих в атмосфере влажного сероводорода. Развивается оно довольно медленно, легко диагностируется при помощи ультразвуковой дефектоскопии. Трубопровод, подверженный блистерингу может работать еще в течение относительно длительного времени.

Щелевая коррозия – вид локальной коррозии, которая возникает в обусловленных конструкцией щелях или под минеральными отложениями и приводит к локально высоким скоростям коррозии.

Гальваническая коррозия развивается в случае, когда металлы разной активности электропроводно связаны между собой. Более инертный металл становится катодом и не разрушается. Этот принцип используется при катодной защите.