Введение к работе
Актуальность проблемы
Защита металлов от коррозии ингибиторами уже на протяжении нескольких десятилетий является одним из наиболее эффективных и рентабельных способов повышения стойкости и долговечности технологического оборудования и трубопроводов в агрессивных средах. Применению этого способа во многих случаях не существует альтернативы как по соображениям, связанным с природой и особенностями коррозии металла в конкретных ситуациях, так и с относительной сложностью реализации других технологий. Полученные в ходе разработки и исследования ингибиторов фундаментальные результаты способствовали формированию крупного научного направления в физической химии, многие положения которого выходят за рамки этой науки, тесно соприкасаясь с материаловедением, теорией прочности и механохимией металлов и принося существенную практическую выгоду при внедрении на индустриальных объектах. Среди ученых, внесших наиболее весомый вклад в теорию и практику ин-гибиторной защиты, следует отметить И.Л. Розенфельда, М.Н. Фоюша, СМ. Решетникова, А.И. Алцыбееву, Е.С. Иванова, Н.И. Подобаева, В.В. Эки-лика, Л.И. Антропова, А.А. Герасименко, Ю.Н. Шехтера, Н.Е. Легезина, а также Дж. Брегмана, Н. Хакермана, Дж. Робинсона, Г. Улига, А. Мерсера, Г. Кеше.
В силу ряда причин в научной и технической литературе остается недостаточно изученной проблема создания эффективных ингибиторов для защіпи металлов в условиях коррозии под напряжением (механохимическая коррозия), а также исследования их защитных свойств и механизмов действия. Испытания ингибиторов проводятся либо в статических условиях, либо (значительно реже) при действии определенного вида нагружения (например, гиб-перегиб, кручение). В результате при более сложном напряженно-деформированном состоянии металла, характерном для действующего оборудования различного профиля, эффективность ингибиторов может существенно снижаться вплоть до инверсии в действии. Игнорирование механохимического фактора негативно сказывается и на изучении механизмов их защиты, в.значительной степени сни-
жая корректность интерпретаций.
В свете изложенного актуальными являются исследования в области теории и методологии создания ингибиторов коррозии, проявляющих высокую эффективность при действии на металл механических нагрузок различной природы (статических, динамических, циклических, комбинированных).
Полупродукты и отходы нефтехимических производств наряду с относительно невысокой стоимостью обладают комплексом физико-химических свойств, присущих лучшим ингибиторам, что определяет актуальность исследования возможности их применения в качестве сырья для производства ингибиторов коррозии под напряжением.
Цель работы
Разработать теоретические основы создания ингибиторов коррозии под напряжением и методологию испытания их защитных свойств, а также применить эти разработки для получения и исследования новых ингибиторов на основе продуктов нефтехимии.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- выявить основные факторы, влияющие на эффективность ингибиторов корро
зии при воздействии на защищаемый металл механических нагрузок различной
природы;
выдвинуть научно-обоснованный критерий создания ингибиторов, эффективных в условиях механохимической коррозии металла;
разработать методологию расчетных и экспериментальных исследований, основанную на этом критерии и обеспечивающую получение наиболее полной и достоверной информации о защитных свойствах ингибиторов коррозии под напряжением;
разработать методическое обеспечение для реализации данной методологии, которое включает экспериментальные методики, расположенные в логической последовательности. Обосновать выбор определяемых в методиках параметров и предложить способы их экспериментального измерения, осуществимые без особых затруднений как в научной, так и в заводской лаборатории. Разработать
отраслевой руководящий документ, основанный на выдвинутой методологии и предназначенный для сертификации известных и вновь создаваемых ингибиторов коррозии под напряжением;
исходя из предложенного критерия, разработать методику определения физико-химических констант и квантовохимических параметров молекул ингибиторов, оказывающих наибольшее влияние на их защитную эффективность и механизм действия;
разработать метод повышения межкомпонентного синергизма в ингибирую-щих композициях, позволяющий определять их количественный состав, который обладает наибольшей защитной эффективностью;
разработать ряд новых ингибиторов коррозии под напряжением на основе продуктов нефтехимических производств, определить их защитную эффективность и исследовать механизм действия;
провести опытно-промышленные испытания разработанных ингибиторов в реальных условиях эксплуатации нефтегазового оборудования и внедрить в производство наиболее эффективные реагенты.
Научная новизна
-
На основании анализа проведенных исследований впервые показано, что кроме ранее известных факторов (например, строение молекул) защитная эффективность изученных ингибиторов в условиях коррозии под напряжением определяется уровнями значений некоторых физико-химических констант и квантовохимических параметров молекул, названных нами индексами защитной способности (ИЗС), которые индивидуальны для разных соединений; особым характером адсорбции ингибиторов на металле; инверсионным влиянием ингибиторов на кинетику электродных процессов в кислых сероводород-содержащих средах; способностью ингибиторов сохранять высокий барьерный эффект при действии на металл механических нагрузок различной природы.
-
Выдвинут научно-обоснованный критерий создания эффективных ингибиторов механохимической коррозии металлов, согласно которому ингибитор считается ингибитором коррозии под напряжением, если в данной корро-
зионной среде (КС) он одновременно проявляет высокие адсорбционные свойства, активно замедляет электродные процессы и (или) приводит к выгодной инверсии их лимитирующей стадии, а также обеспечивает значительное повышение коррозионно-механической стойкости металла при действии нагрузок, по характеру и значениям близких к реальным.
3. На базе выдвинутого критерия разработана методология создания новых ингибиторов коррозии под напряжением и определения защитной эффективности известных реагентов в условиях механохимической коррозии. Методология включает ряд экспериментальных и расчетных этапов, расположенных в логической последовательности и позволяющих всесторонне оценивать свойства и особенности ингибиторов от стадии выбора сырья до стадии проведения опытно-промышленных испытаний и внедрения.
-
Разработано методическое обеспечение для практического осуществления методологии, которое представляет собой совокупность экспериментальных и расчетных методик, обеспечивающую последовательное и взаимосвязанное выполнение этапов методологии.
-
Разработана методика определения ИЗС ингибиторов, позволяющая делать ориентировочный прогноз их защитной способности в конкретных условиях применения и повышать корректность интерпретации механизмов действия.
-
Использование методов полного факторного эксперимента (ПФЭ) для оптимизации компонентного состава ингибиторов коррозии дает возможность при минимальном количестве опытов обеспечивать проявление межкомпонентного синергизма в композиции-ингибиторе, которому сопутствует наибольшая защитная эффективность последней.
-
Применение.данного подхода и методологии позволило разработать новые ингибиторы (более двадцати составов) коррозии металла под напряжением, которые защищены патентами Российской Федерации (РФ) и внедрены на ряде предприятий нефтегазового комплекса. Показано, что широкий круг продуктов нефтехимических производств, включая их отходы, может служить доступным и относительно дешевым сырьем для производства высокоэффективных ИНГИ-
биторов коррозии под напряжением. Подробно исследованы защитные и технологические свойства разработанных ингибиторов, изучены механизмы их действия.
Практическая ценность
1. В соответствии с примененными в работе подходом и методологией со
вместно с Институтом проблем транспорта энергоресурсов и Оренбургским
государственным университетом разработан руководящий документ Минтоп
энерго РФ РД 39-141-96 "Ингибиторы коррозионно-механического разрушения
(КМР) металлов" (срок введения - 01.06.1996 г.), устанавливающий методы
оценки защитных свойств ингибиторов КМР металлов, сталей и сплавов. Пос
тановлением Ассоциации по борьбе с коррозией в нефтегазовой промышлен
ности РФ (АССОКОР) от 10.06.1996 г. рекомендовано на базе данного РД
разработать соответствующий государственный стандарт РФ, а также совмест
ный российско-американский стандарт (ACCOKOP-NACE) (оба- в работе).
2. По методике РД 39-141-96 разработано более двадцати высокоэффектив
ных ингибиторов КМР, получивших наименование "Реакор" и "БашИК", кото
рые внедрены или прошли опытно-промышленные испытания на предприяти
ях нефтегазового комплекса. Так, получен значительный экономический эф
фект от внедрения 60 тонн ингибитора БашИК-171 для защиты от коррозии
трубопроводов и оборудования системы добычи и сбора угленосной нефти на
Таймурзинской площади ЦДН и Г №3 НГДУ "Чекмагушнефть" АНК "Баш-
нефть". Применение ингибиторов Реакор-1 и Реакор-2 для защиты нефтепро
водов и технологического оборудования НГДУ "Краснохолмскнефть" АНК
"Башнефть" позволило снизить количество отказов по причине коррозии в 1,82
раза. Использование ингибиторов серии "Реакор" для защиты от общей корро
зии и коррозии под напряжением различных узлов технологического оборудо
вания завода ОАО "УралНефтеХим" (г. Чайковский Пермской области) приве
ло к снижению коррозионных повреждений металла, регистрируемых визуаль
ным осмотром и на образцах-свидетелях, в среднем на 73 %.
Апробация и публикация результатов
Научные положения сформулированы и обоснованы на материалах выполненных под руководством автора научно-исследовательских работ в рамках инновационной научно-технической программы "Трансферные технологии, комплексы и оборудование (приказ Комитета по высшей школе Министерства науки, высшей школы и технической политики РФ № 686 от 16.11.1992 г.). Направление 1 - Трансферные технологии, комплексы и оборудование в химии. Раздел ТР-1: Разработка технологии производства ингибиторов коррозии для защиты металлов в условиях сероводородной среды", единого заказ-наряда по 53 бюджетной классификации (утвержден распоряжением Госкомвуза РФ от 18.01.1994 г.) "Раздел 61.69.99. Исследование защитных свойств и механизма ингибирующего действия нефтехимических соединений при коррозии металлов под напряжением. Этап 1 — Выявление связи между химической структурой и защитным действием ингибиторов коррозии металлов под напряжением", межвузовской научно-технической региональной программы "Башкортостан" (утверждена.распоряжением Госкомвуза РФ № 47; 48) "Раздел 1.1. Создание высокоэффективных ингибиторов коррозии на основе отходов продуктов нефтехимических производств Башкортостана".
Материалы диссертации доложены на научно-технических конференциях и семинарах по вопросам нефтехимии, механохимии металлов, электрохимии, теории и практики ингибиторной защиты, состоявшихся с 1989 по 1998 гг. в Москве, Санкт-Петербурге, Уфе, Томске, Волгограде, Нижнем Новгороде, Тюмени, а также Беер-Шеве, Чикаго, Атланте, Новом Орлеане, Орландо.
По результатам работы опубликовано 58 печатных трудов: 1 монография, 2 обзора, 13 статей в научных журналах, 9 патентов РФ, 1 отраслевой РД, 32 тезиса докладов на международных и республиканских конференциях.
Объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, приложений. Объем диссертации - 235 с. машинописного текста; приводятся 60 таблиц, 23 иллюстрации, 11 приложений. Список литературы содержит 300 наименований.
