Введение к работе
Актуальность темы исследования. Основной причиной выхода из строя трубопроводных транспортных систем остается коррозионное разрушение стальной стенки трубы. Коррозионные отказы сопряжены не только с огромными затратами на ремонт и восстановление трубопровода, но и интенсивным нарушением природной среды. Более 70 % отказов происходит на трубопроводах, проработавших более 20 лет, что связано с ухудшением их технического состояния. Важным решающим фактором, определяющим надежность трубопроводов, является противокоррозионная защита. В настоящее время экономически эффективным способом защиты подземных трубопроводов от коррозии является катодная защита (КЗ) в комплексе с изоляционными покрытиями. Сущность ее заключается в поддержании с помощью внешнего тока такого потенциала на трубе, при котором не происходит коррозии.
Важнейшим элементом КЗ являются анодные заземлители (АЗ), поэтому их надежная работа определяет безотказность и срок службы защищаемых коммуникаций. Срок службы АЗ зависит от плотности стекающего с них тока, свойств материала, из которого они изготовлены, и используемого активатора. В качестве материалов анодных заземлителей большое распространение получили: стальной и чугунный металлолом, углеграфитовые аноды. Широко применяемые в настоящее время АЗ не удовлетворяют требованиям в связи с высокой скоростью растворения, и поэтому ставится задача о поиске новых малорасходуемых анодов.
Другим важным аспектом в реализации КЗ является рациональное использование электроэнергии. Высокие затраты электроэнергии на работу станций катодных защит (СКЗ) требует постановки задач повышения энергетической эффективности. Поэтому в настоящее время большой интерес представляет импульсный метод КЗ. При импульсной катодной защите (ИКЗ) подаются короткие импульсы, чередующиеся с более продолжительными паузами, когда ток на защищаемое сооружение не подается. В странах Европы и США ИКЗ используется с конца 90-х годов ХХ века и показала свою эффективность, так как не только позволяет экономить электроэнергию, но и снижает риск наводороживания защищаемой трубы.
В связи с тем, что одними из приоритетных задач государственной
энергетической политики являются повышение эффективности
использования материально-энергетических ресурсов и создание условий для перевода экономики на энергосберегающий путь развития (Федеральный закон РФ №261-ФЗ), поставленные задачи являются актуальными.
Степень разработанности темы. Повышению эффективности электрохимической защиты посвящено большое количество работ, как в нашей стране, так и за рубежом. Среди них можно отметить работы В. А. Притулы, И. В. Стрижевского, В. Н. Ткаченко, А. И. Зорина, В. С. Петухова, В. Ф. Синько, Ю. Б. Томашевского, В. И. Хижнякова,
А. Д. Колевой, Р. Ш. Закирова, Т. М. Doniguian, V. Ashworth, J. Bauman, F. Kajyama и других. Несмотря на большое количество научных работ, остаются не решенными вопросы, касающиеся снижения эффекта перезащиты, снижения затрат электроэнергии на работу катодной защиты, использования малорасходуемых анодных материалов. В настоящее время можно выделить основные направления в усовершенствовании защиты подземных трубопроводов: использование импульсного режима катодной защиты; подбор малорасходуемых анодных материалов с учетом эксплуатационных сред.
Цель настоящей работы - сопоставить закономерности электрохимического окисления традиционных и малорасходуемых материалов анодных заземлителей при импульсной поляризации и применить их для снижения расхода АЗ и повышения энергоэффективности катодной защиты.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
-
выбран наиболее эффективный малорасходуемый материал АЗ на основе исследований влияния анодной поляризации на скорость анодного растворения материалов АЗ в неагрессивной и агрессивной средах, в широком диапазоне плотностей тока (1 - 10 мА/см2), температур (5 - 50 С). Проведены полигонные испытания различных АЗ;
-
изучено влияние режима импульсной поляризации (импульс -пауза) на физико-механические характеристики трубной стали марки Ст20; выбран оптимальный режим, позволяющий сохранить величину защитного потенциала трубной стали во время паузы;
3) исследовано влияние импульсной поляризации на анодное
поведение и расход материалов АЗ;
-
получены новые композиционные материалы (КМ) с различными углеродными наполнителями в качестве АЗ и исследована скорость их анодного растворения при постоянной и импульсной поляризации в различных коррозионных средах;
-
проведены расчеты расхода анодных заземлителей и затрат на электроэнергию для заданного участка подземного трубопровода при постоянной и импульсной поляризации.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Установлен ряд зависимости скорости анодного растворения материалов анодных заземлителей для агрессивных сред (3 %-й хлорид натрия): титан, модифицированный диоксидом марганца (ТДМ) < КМ < эластомер (ЭЛЭР - 2) < ферросилид - 2 < ферросилид - 1 < Ст3 < высокопрочный чугун с шаровидным графитом (ВЧШГ) и неагрессивных сред (водопроводная вода): ТДМ < КМ < ферросилид - 2 < ЭЛЭР - 2 < ферросилид - 1< ВЧШГ < Ст3.
Впервые выявлено оптимальное соотношение времени импульса (Wп.) и времени паузы (tп.), позволяющее поддерживать защитный потенциал на стали при импульсной поляризации в пределах: от -0,73 до -1,03 В (нормальный хлоридсеребряный электрод); показано, что механические
свойства трубной стали за счет снижения наводороживания остаются без изменений.
На основании исследования анодного поведения широкого круга материалов АЗ установлено, что под действием импульсной поляризации скорость анодного растворения как традиционных материалов АЗ (сталь), так и новых малорасходуемых материалов снижается (для стали в 2-3 раза в зависимости от состава коррозионной среды).
Впервые установлено влияние природы электропроводящих добавок: дисперсного терморасширенного графита, углеродных волокон (УВ), металлизированных углеродных волокон, углеродных нанотрубок (УНТ) марки «Таунит - М», на электропроводность и анодное поведение КМ в качестве АЗ, состоящего из эпоксидной смолы, трихлорэтилфосфата (ТХЭФ) и отвердителя низкомолекулярного полиамида. На основании измерений электропроводности выявлены КМ (электроды 3, 4) с приемлемой электропроводностью для применения в качестве материалов АЗ.
Теоретическая и практическая значимость работы:
Выбраны и рекомендованы материалы АЗ для эксплуатации в агрессивных средах (3 %-й хлорид натрия) - титан модифицированный (ТДМ) и КМ (электрод 3, 4); в неагрессивных средах (водопроводная вода) наибольшей стойкостью обладают ферросилиды. Режим эксплуатации: импульс - 0,1 с; пауза - 4 с. Работы проводились по заказу ООО «ГазРегионЗащита» - г. Саратов и прошли апробацию в Нижегородском филиале АО «Гипрониигаз» и ООО «Диалл Альянс» г. Саратова. Имеются акты апробации.
Получены композиционные материалы на основе эпоксидной смолы для АЗ с различными углеродными наполнителями с приемлемым удельным объемным сопротивлением (0,56 - 0,64 Омм) и скоростью анодного растворения порядка ~ 0,2 - 1,2104 г/(смч), что значительно ниже, чем у стали и чугуна. Полученные материалы обладают высокими механическими свойствами (Gиз= 182 МПа, ауд=162 кДж/м2, Нв= 84 МПа, где Gиз - разрушающее напряжение при изгибе; ауд - ударная вязкость; Нв - твердость по Бринеллю).
Результаты диссертационного исследования используются в учебном процессе в ЭТИ (филиале) СГТУ имени Гагарина Ю.А. при подготовке бакалавров и магистров направления «Химические технологии», профиля «Технология электрохимических производств».
Методология и методы исследований базируются на комплексе современных электрохимических и физико-химических методов, позволяющих исследовать скорость анодного растворения анодных заземлителей, их структуру и свойства.
Результаты измерений получены по данным 3-6 параллельных опытов.
На защиту выносятся следующие основные положения: > Комплексные исследования скорости анодного растворения различных материалов АЗ в зависимости от плотности тока, температуры, состава коррозионной среды и характера поляризации (постоянная и импульсная);
Результаты исследования по выбору импульсного режима катодной поляризации трубной стали, позволяющего поддерживать защитный потенциал;
Результаты исследования новых КМ в качестве АЗ с различными углеродными наполнителями при постоянной и импульсной поляризации;
Практические рекомендации по режиму импульсной катодной защиты, обеспечивающие ее энергоэффективность и по составу КМ для АЗ с повышенным сроком службы.
Степень достоверности и апробация результатов работы
Достоверность результатов исследования подтверждается большим объемом экспериментальных данных, полученных с применением комплекса современных электрохимических, физико-химических методов исследования на современном оборудовании, их анализом и статистической обработкой с доверительной вероятностью 0,95.
Результаты настоящего диссертационного исследования обсуждались
на: VIII Всероссийской научно-практической конференции «Защитные и
специальные покрытия, обработка поверхности в машиностроении и
приборостроении» (Пенза, 2011); Всероссийской молодежной конференции
«Наукоемкие технологии и интеллектуальные системы в наноинженерии»,
(Саратов, 2012); XXV Международной научной конференции «Участники
школы молодых ученых и программы УМНИК» (Саратов, 2012);
Всероссийской молодежной конференции «Химия под знаком Сигма:
исследования, инновации, технологии» (Казань, 2012); IV Международной
конференции Российского химического общества им. Д.И. Менделеева
«Химическая технология и биотехнология новых материалов и продуктов»
(Москва, 2012); IV Всероссийской научно-технической конференции
«Информационные технологии, системы автоматизированного
проектирования и автоматизация» (Саратов, 2012); 10-й Международной
конференции «Покрытия и обработка поверхности» (Москва, 2013);
Международной конференции «Перспективные полимерные
композиционные материалы. Альтернативные технологии. Переработка. Применение. Экология» - «Композит» (Энгельс, 2010, 2013, 2016); VIII Международной научно-инновационной молодежной конференции «Современные твердофазные технологии: теория, практика и инновационный менеджмент» (Тамбов, 2016); IV Международной научно-практической конференции «Теория и практика современных электрохимических производств» (Санкт-Петербург, 2016).
Публикации. По материалам диссертации опубликована 21 работа, наиболее значимые 15, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.
Структура и объём диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 174 наименований и приложений. Диссертация изложена на 169 страницах, содержит 88 рисунков и 20 таблиц.