Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ 3
Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА 9
Распространение и активность СВБ в природе 9
Микробиологические факторы локальных коррозионных явлений 32
Оценка коррозионной агрессивности грунта с учетом микробиологических факторов
Выводы литературного обзора 55
Экспериментальная часть
Глава 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Объекты исследований 5 8
Методы полевых и лабораторных исследований 58
Моделирование процессов биокоррозии 75
Результаты и обсуждение
Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ПОЛЕВЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Экология сульфатредукции в грунтах трубопроводов 83
Распространение и коррозионная агрессивность СВБ в грунтах 92
Прогноз биокоррозионной агрессивности, оценка достоверности при использовании различных критериев
Глава 4. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПОЧВЕННОЙ КОРРОЗИИ С УЧАСТИЕМ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ
Результаты моделирования в вегетационных сосудах 1 ] 5
Результаты полигонного моделирования КРН с учетом 129
микробиологических факторов
Результаты моделирования биокоррозии в условиях двухфазных, стабилизированных агатом систем ЭХЗ в условиях жидких культур СВБ 140
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 141
Основные выводы 144
Список использованной литературы 147
ПРИЛОЖЕНИЯ 167-1
Введение к работе
Эффективность и надежность работы транспортных трубопроводных систем топливно-энергетического комплекса нашей страны являются важнейшей задачей. Однако почвенная коррозия остается пока одной из самых распространенных причин аварий подземных трубопроводов даже в условиях нормально работающей катодной защиты. В комплексной агрессивности по отношению к подземным сооружениям существенен вклад биокоррозионной активности микроорганизмов грунта. По зарубежным данным, от 10 до 50 % случаев коррозионных повреждений подземных сооружений связано с деятельностью почвенной микрофлоры [101, 128]. Ежегодная сумма потерь, официально учтенных как биогенные, в промышленно-развитых странах, где антикоррозионная защита осуществляется удовлетворительно, составляет от 2 до 3 % стоимости произведенных материалов [30, 100]. При этом в США не менее 75 % случаев локальных коррозионных поражений приписывают активности сульфатвосстанавливающих бактерий (далее СВБ) [100, 105]. В нашей стране потери нефтяной промышленности по причине биокоррозии составляют до 2 % стоимости металлофонда, причем 70-80% этих потерь относят за счет коррозии с участием СВБ [28, 29, 79, 97].
Таким образом, СВБ являются не только важнейшим биохимическим агентом круговорота серы в биосфере, но и первостепенным фактором биокоррозии в такой техногенной нише, как грунты, транспортируемые обводненные среды, а также внутренняя и наружная поверхность металла трубопроводов.
Надежная защита от коррозии с участием биогенных факторов представляет собой сложную техническую задачу. Необходимо отметить, что микроорганизмы принимают участие в наиболее опасной разновидности коррозионных процессов, а именно, в местных коррозионных разрушениях: питтинге, язвенной коррозии под изоляционным покрытием, ручейковой коррозии, коррозионном растрескивании под напряжением (КРН) и т.п. [91, 159, 189]. Локальная коррозия при ничтожных потерях металла может вызвать катастрофическое падение прочности и труднее поддается контролю. Сквозное разрушение трубопроводов или резервуаров влечет за собой потерю продукции, загрязнение окружающей среды, приводит к взрыво- и пожаро-опасности как за счет попадания в среду транспортируемых горючих продуктов (нефти, газа), так и при накоплении пирогенных биогенных продуктов коррозии, например, сульфидов железа [33, 36, 79, 93]. В этом случае не удается избавиться от опасности за счет увеличения припуска толщины стенки труб для компенсации потерь металла, необходимо применение специальных мер по устранению причин локализации коррозии, т.е. контроль фактора биокоррозии. Моделирование локальных видов коррозионных поражений с участием микроорганизмов в лабораторных условиях встречает наибольшие трудности, вызванные многофакторностью данного явления in situ.
Помимо внутренней коррозии при транспортировке
сероводородсодержащих газов или нефтей, условия биокоррозии могут реализоваться при катодной защите трубопроводов в грунтах с высоким уровнем сульфидогенеза. Результаты докладов, представленных на НТС и научно-практических конференциях ОАО «Газпром» по коррозионной защите газопроводов в 1990-2000 гг, свидетельствуют о недостаточной изученности комплексного механизма почвенной коррозии и КРН.
В настоящее время в нефтедобывающей промышленности в области контроля биокоррозии с участием СВБ достигнуты определенные успехи. Однако данные о жизнедеятельности СВБ в такой техногенной нише, как грунты подземных трубопроводов, в отечественной литературе весьма малочисленны. Количественных критериев оценки биокоррозионной активности грунтов в нашей стране практически не существует, значимость биогенной сульфатредукции как фактора почвенной коррозии подземных сооружений не охарактеризована. Вопрос о механизме анаэробной коррозии с участием СВБ еще далек от своего окончательного разрешения, вследствие чего затруднен поиск адекватных способов противокоррозионной зашиты. Защиту трубопроводов от биокоррозии на основе разработки современных способов оценки биокоррозионной агрессивности грунта следует признать одной из актуальных проблем, требующих выполнения комплексных НИОКР по созданию и освоению технологических процессов, технических средств и нормативной документации. Решение этой проблемы требует изучения распространения и коррозионной активности СВБ в грунтах трубопроводов как ведущей коррозионно-агрессивной группы микроорганизмов, сопоставления полученных данных с реальной коррозионной ситуацией, определения факторов, контролирующих биокоррозионную агрессивность и основных механизмов биокоррозии. В силу перечисленного тема данной диссертации представляется актуальной и своевременной.
Целью данной работы является повышение эксплуатационной надежности трубопроводных систем за счет разработки и внедрения критериев количественной оценки фактора биокоррозии в грунтах и обоснования специальных мер защиты в этих условиях.
В задачи исследования входило:
1. Разработать способы определения и критерии оценки биокоррозионной агрессивности грунта как фактора почвенной коррозии трубопроводов. Провести ранжирование грунтов основных почвенно-климатических зон по биокоррозионной агрессивности. Провести апробацию системы экспертных оценок опасности биокоррозии в грунте на основе инструментальных методов неразрушающего контроля.
2. Изучить распространение СВБ в грунтах разных почвенно-климатических зон. Разработать способ определения активности сульфатредукции in situ и получить количественные данные об этом процессе в различных типах грунта; выявить определяющие экологические факторы проявления биокоррозионпой агрессивности. 3. Установить механизмы и количественный вклад биогенных факторов в
интенсификацию процессов локальной коррозии и КРН трубных сталей при
лабораторном моделировании и in situ.
4. Получить прямые доказательства биогенного пути формирования продукіов биокоррозии под отслоившимся изоляционным покрытием.
5. Установить эффективность повышения минимального защитного потенциала ЭХЗ в условиях моделирования биокоррозии.
6. Показать необходимость разработки специальных мер противокоррозионной защиты трубопроводов на участках трасс с высокой биокоррозионной агрессивностью грунта, выявляемых в ходе специального экспертного обследования.
Научная новизна
Установлена величина количественного показателя сульфидогенеза, выше которого имеется прямая взаимосвязь процессов биогенной сульфатредукции и биокоррозионной агрессивности грунтов трубопроводов, генетически связанных с дерново-подзолистыми, торфянистыми, буроземными дерново-подзолистыми, черноземными, каштановыми, серо-бурыми полупустынными и пустынными, а также солончаковыми почвами.
Разработан не имеющий прямых аналогов радиохимический метод определения интенсивности биогенной сульфатредукции (ИБС) применительно к условиям почвы или грунта in situ (А.С. СССР № 1096582). Установлено, что основным определяющим фактором развития сульфатредукции в грунтах является содержание сульфатов в почвенном растворе.
На основе многофакторного анализа экспериментально определен количественный вклад биогенных факторов в интегральный механизм почвенной коррозии, создана методологическая база и технические устройства определения биокоррозионной агрессивности грунта. Установлены ранее неизвестные закономерности участия СВБ в процессе почвенной коррозии, заключающиеся в воздействии газообразных продуктов обмена веществ и бактериальных ферментов на металл под отслоившимся изоляционным покрытием.
Практическая значимость работы
Количественно охарактеризован важный фактор коррозии подземных трубопроводов - биокоррозионная агрессивность грунтов. Внедрены разработанные методы оценки указанной агрессивности по активности и численности СВБ [202], функциональному состоянию почвенной микрофлоры [203], составу газовой фазы грунта [204].
Внедрено в практику диагностических обследований выявление участков трасс трубопроводов, подверженных процессам биокоррозии и требующих применения специальных средств защиты. Сформированы исходные технические требования к системе экспертных оценок опасности биокоррозии подземных трубопроводов. Экспериментально установлена низкая эффективность таких методов защиты от биокоррозии, как подавление сульфат/редукции путем повышения минимального поляризационного потенциала ЭХЗ, увеличение аэрации, добавление нитратов, биоцидов; а также гамма-облучение грунта.
Полученные результаты нашли свое применение при разработке «Рекомендаций по защите металла и изоляции от микробных повреждений» (утверждены Миннефтегазстроем, ] 985 г); «Методических указаний по диагностике промысловых трубопроводов нефтяной компании ЮКОС» (согласованы Госгортехнадзором РФ в 1999 г); РД 102-008-2002 «Инструкция по диагностике технического состояния трубопроводов бесконтактным магнитометрическим методом» (согласована Госгортехнадзором РФ 10.12.02 г). Ряд важных положений подготовлен для включения в новую редакцию ГОСТ 9.602-89. Разработанные методы диагностики биокоррозии трубопроводов в 1980-2003 гг в прошли апробацию на объектах газотранспортных предприятий ОАО Газпром (ООО Баштрансгаз, ООО Волготрансгаз, ООО Лентрансгаз, ООО Мострансгаз, ООО Уралтрансгаз, ООО Пермтрансгаз, ОАО Оренбурггазпром, ОАО Севергазпром, ОАО Томсгазпром, ОАО Якутгазгтром); нефтяных компаний ЮКОС (ОАО Самаранефтегаз, ОАО Томскнефть «ВНК», ОАО Юганскнефтегаз), ОАО Татнефть, ОАО Башнефть, ОАО «Северная нефть», а также иных предприятий (АК «Алроса», ОАО «Таганрогмежрайгаз»).
Апробация работы Материалы работы были доложены: на 2-ой Всесоюзной конференции по биокоррозии (Киев, 1980), на Ш и IY Всесоюзных конференциях по биокоррозии и биоповреждениям (г. Горький, позже Нижний Новгород), происходивших соответственно в 1982 и 1991 гг; на Съезде Всесоюзного микробиологического общества (Алма-Ата, 1985), на Всесоюзном семинаре по проблемам защиты металлов от коррозии и биоповреждений (Москва, ВДНХ, 1989), на Всемирном Геохимическом Конгрессе ISEB XIII (г. Bari, Италия, 1997), на Европейском Коррозионном съезде «The European Corrosion Congress EUROCORR 97, Event № 208 (г. Трундхейм, Норвегия, 1997), на Международной конференции «Protect]оп-98» в Российском государственном университете нефти и газа им. Губкина (Москва, 1998); на 27-ом Международном Салоне изобретений (Женева, 1999), на Всемирной выставке «Дефектоскопыя-2002» (г. Барселона, 2002); на 6-ом Международном Салоне промышленной собственности «Архимед-2003» (Москва, 2003).
Публикации
Основные материалы диссертации изложены в 24 статьях и докладах на научно-практических конференциях ОАО Газпром, НК «ЮКОС», РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, а также в 3 монографиях; по теме диссертации имеется 5 разработок, защищенных патентными документами РФ.