Selection of technological basis for intelligent anti-corrosion coating for protection of oil refining equipment

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

В современной нефтегазовой отрасли Российской Федерации отказ технологического оборудования является одной из наиболее актуальных, требующих детального рассмотрения проблемой. На предприятиях нефтепереработки и нефтехимии значительная часть оборудования работает в условиях воздействия коррозионно-активных сред, в которых присутствует большое количество щелочных соединений, солей, а также паро- и газоконденсата, содержащего кислоты [1–3]. Результатом взаимодействия металлической поверхности с этими соединениями является отказ технологического оборудования, который оказывает отрицательное влияние не только на производственные процессы и экономические показатели предприятия, но и непосредственно влияет на безопасность человека [4, 5]. Следует отметить, что в большинстве случаев на нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ) используется оборудование, изготавливаемое из углеродистых и низколегированных сталей (например, Ст3пс, 09Г2С, 16Г2АФ, 12ХГ2СМФ), которое не обладает достаточной коррозионной стойкостью по отношению к эксплуатируемым в нефтепереработке средам [6–8].

Процессы первичной переработки нефти являются основными на нефтеперерабатывающих заводах, на которые приходится основная доля капитальных и эксплуатационных затрат, в том числе связанных с коррозией технологического оборудования и трубопроводов. Коррозия аппаратуры атмосферных трубчатых и атмосферно-вакуумных трубчатых (AT и АВТ) установок обусловлена в основном присутствием в перерабатываемой нефти небольшого количества солей, неорганических кислот, сернистых и хлорсодержащих органических соединений [8–12]. Применяемые противокоррозионные мероприятия часто не обладают достаточной эффективностью и, к тому же, могут отрицательно влиять на эффективность технологических процессов и качество получаемых продуктов нефтепереработки и нефтехимии [13]. В настоящее время для предприятий нефтепереработки и нефтехимии предоставляется огромное количество видов защитных покрытий [14, 15]. Так, перспективным направлением является применение металлизированных лакокрасочных покрытий, например, цинконаполненных грунтовок и эмалей, или композиций, содержащих алюминиевую пудру, а также использование материалов, содержащих специальные добавки, которые придают покрытиям специальные ингибирующие (например, в покрытие вводится пигмент фосфат цинка, являющийся ингибитором коррозии) и барьерные свойства. Стоит учесть, что большое количество современных композиций лакокрасочных материалов позволяет производить технологические работы при отрицательных температурах, что существенно увеличивает зону эксплуатации данного вида коррозионной защиты и является положительным моментом для климатических условий Крайнего Севера.

Основной задачей данной работы является подбор основы интеллектуального покрытия на базе известных составов на рынке Российской Федерации, сравнение химической стойкости полученных составов защитных покрытий в средах высокой агрессивности, например, 3 %-ном растворе NaCl, имитирующем морскую воду, обладающую наибольшей коррозионной агрессивностью, определение адгезии лакокрасочного покрытия (далее – ЛКП) после выдержки в течение 7-ми календарных дней при статичном воздействии жидкости (1 этап) и при динамическом воздействии (перемешивание среды, 2 этап), оценкой и прогнозированием наилучшей основы для разработки нового состава с заданными свойствами.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

На первом этапе при выполнении данной работы были поставлены следующие задачи: определение химической стойкости двух типов покрытий – эпоксидного и кремнийорганического составов, адгезии, а также выдержки при отрицательных температурах (до -50°С) в криостате LOIP FT-311-80. Данные типы защитных покрытий были установлены основными после изучения технологических регламентов и приложений к ним из комплекса уфимских нефтеперерабатывающих заводов.

Для определения наиболее эффективного типа защитного покрытия, исходя из условий эксплуатации нефтеперерабатывающего оборудования, были проведены сравнения известных марок покрытий (всего 6 марок). Производилась оценка свойств эпоксидных и кремнийорганических покрытий. Сравнение технологических свойств покрытий проводилось по трем основным критериям: 1) температура: постоянная, пиковая; 2) время высыхания и полимеризации; 3) срок эксплуатации. В таблице 1 приведены результаты анализа свойств исследуемых защитных покрытий. Стоит отметить, что часть покрытий на данном этапе – иностранного производства, чья итоговая стойкость ниже российских аналогов.

 

Таблица 1. Анализ исследуемых защитных покрытий на первом этапе.

Тип покрытия	Температуры		Время высыхания и полимеризации	Срок эксплуатации
	Постоянная	Пиковая
Покрытие на эпоксидной основе 1	600	650	30 минут (t=20oC)	До 15 лет
Покрытие на кремнийорганической основе 1	800	1200	30 минут	До 15 лет
Покрытие на кремнийорганической основе 2	650	720	120 минут	До 15 лет
Покрытие на эпоксидной основе 2	600	650	120 минут	До 15 лет
Покрытие на кремнийорганической основе 3	650	700	120 минут	До 15 лет
Покрытие на эпоксидной основе 3	350	400	150 минут	До 15 лет

 

На основании данной таблицы, для проведения испытаний были отобраны образцы «Покрытие на кремнийорганической основе 1 – № 1» и «Покрытие на эпоксидной основе 1 – № 2». На основе этих составов подготовлены две группы образцов: светло-серые образцы являются образцами с эпоксидным покрытием, черные – с кремнийорганическим покрытием (рисунок 1).

 

Рисунок 1. Исходный вид полученных образцов.

 

Далее, на основании ГОСТ 31149-2014, подготовлены образцы из стали 09Г2С, которая является одной из основных, применяемых на предприятиях нефтепереработки и нефтехимии Российской Федерации. Полученные образцы были исследованы:

1. в атмосферных условиях (при отрицательных температурах);
2. в агрессивной среде (3 %-ный раствор NaCl) в течение 7-ми дней.

При визуальном осмотре образца покрытия № 1 можно выявить декоративные и защитные дефекты покрытия (рисунок 2):

1. изменение цвета покрытия – изменение цветового оттенка хорошо заметно;
2. меление покрытия – частицы пигмента легко отделяются при касании;
3. покрытие вспучилось, местами образовались пузыри – происходит нарушение внешнего слоя покрытия;
4. поражение всей поверхности образца продуктами коррозии.

 

Рисунок 2. Образцы покрытия №1 после выдержи в агрессивной среде: а, б – изменение цвета покрытия и образование продуктов коррозии, в – меление покрытия при определении адгезии методом решетчатых надрезов.

 

При исследовании адгезионных свойств методом решетчатого надреза по ГОСТ 31149-2014 можно сделать вывод о том, что наблюдается отслаивание покрытия вдоль краев разреза, площадь отслаивания составляет около 65 % сетки, балл – 4.

При исследовании адгезионных свойств методом решетчатого надреза по ГОСТ 31149-2014 можно сделать вывод о том, что края надрезов полностью гладкие и все квадраты решетки остались без изменений. Балл – 0 (рисунок 3).

 

Рисунок 3. Образец эпоксидного покрытия после выдержи в агрессивной среде.

 

При определении адгезионных свойств покрытия № 1 методом решетчатых надрезов по ГОСТ 31149-2014 сделали вывод том, что наблюдается отслоение покрытия частично вдоль краев надрезов на различных частях квадратов. Площадь отслоения покрытия не превышает 35 % от всей площади решетки. Балл – 3 (рисунок 4). Полученные результаты по этапу 1 исследования показали, что покрытия на эпоксидной основе – более стойкие к химическому воздействию, но склонны к разрушению при отрицательных температурах. Обратный вывод – для покрытий на кремнийорганической основе.

 

Рисунок 4. Покрытие № 2 и покрытие № 1 после выдержки при отрицательных температурах: а – разрушение эпоксидного покрытия при отрицательных температурах, б – определение адгезионных свойств покрытия № 1 при отрицательных температурах.

 

Вторая часть исследований заключалась в большей выборке покрытий и испытаниях при перемешивании агрессивной среды (3 %-ный раствор NaCl), при отрицательных температурах и в условиях образования конденсата. Суть сводится к работе состава лакокрасочного материала, нанесенного на металл (в данном случае – сталь марки 09Г2С, являющаяся одним из основных конструкционных материалов в нефтепереработке и нефтехимии), в среде, которая находится в постоянном перемещении с целью получения или прогнозирования свойств готового покрытия к истиранию.

В качестве среды выбран модельный раствор (3 %-ный водный раствор NaCl), являющийся одной из агрессивных коррозионных сред. Среда подготавливается, заливается в специальные колбы, в которые параллельно установлены образцы с ЛКП. Далее колба закрывается и дополнительно плотно изолируется с целью избежать разбрызгивания среды. Установленная емкость помещается на магнитную мешалку, выбирается скорость работы мешалки. Время выдержки устанавливается 7 дней.

После чего образцы извлекаются, промываются, сушатся, и проводится изучение адгезии по известным методам надрезов в зависимости от толщины покрытия – до 250 мкм применяется метод решетчатых надрезов, более 250 мкм – метод Х-образного надреза. После чего по отслоению покрытия делается вывод о стойкости покрытия в данной среде, а также дальнейшие рекомендации по испытаниям и выбору основной композиции ЛКМ.

Второй вид испытаний проводился в климатической камере с целью определения работы ЛКМ и полученных ЛКП в условиях холодного климата, а также с учетом наличия конденсата на поверхности образцов до проведения испытаний. После чего образцы извлекаются, промываются, сушатся и проводится изучение адгезии по известным методам надрезов в зависимости от толщины покрытия – до 250 мкм применяется метод решетчатых надрезов, более 250 мкм – метод Х-образного надреза. После чего по отслоению покрытия делается вывод о стойкости покрытия в данной среде, а также дальнейшие рекомендации по испытаниям и выбору основной композиции ЛКМ, исходя из второго метода проведения испытаний.

Выборка образцов (рисунок 5) лакокрасочных материалов следующая: эпоксидные композиции, кремнийорганические композиции, силиконоакриловое покрытие и композиция на основе полиуретанового лака. Отметим, что один из образцов получил своеобразный рисунок в процессе сушки покрытия, что является технологической особенностью для кремнийорганического покрытия с добавлением цинка в его состав [16–17]. Более широкая выборка покрытий обусловлена тем, что были получены сведения с нефтеперерабатывающих комплексов города Уфы об опытных испытаниях силиконакриловых покрытий и составов на основе полиуретанового лака в качестве альтернативы кремнийорганическим покрытиям.

 

Рисунок 5. Подготовленная выборка образцов.

 

На рисунке 6 показаны образцы после испытания кремнийорганических и силиконакрилового покрытий в перемешивающейся среде. Результатом для этих образцов является низкий балл по определению адгезии методом решетчатых надрезов – балл 5, изменение цвета и полное отслаивание покрытий.

 

Рисунок 6. Образцы кремнийорганических и силиконакрилового покрытий в перемешивающейся среде после испытаний: а, б – кремнийорганические покрытия, в – силиконакриловое покрытие.

 

Лучшим результатом для данного комплекса испытаний является покрытие на основе полиуретанового лака (рисунок 7). Покрытие после испытаний не поменяло цвет, не обнаружено продуктов коррозии, балл адгезии – 0. Подобные результаты для данного состава наблюдаются и при комплексе климатических испытаний. Также на основании документации уфимских нефтеперерабатывающих заводов с указанием свойств и стоимости составов было установлено, что, помимо высоких показателей по химической стойкости, данный тип покрытия обладает более низкой стоимостью по сравнению с кремнийорганическими составами.

 

Рисунок 7. Образцы на основе полиуретанового лака после испытаний: а – в перемешивающейся среде, б – выдержка при отрицательных температурах, в – в условиях конденсата.

 

При оценке двух проведенных этапов испытаний отмечено, что наилучшим покрытием является композиция на основе полиуретанового лака, которая станет базой для требуемого интеллектуального покрытия. Основным технологическим свойством данного состава будет являться наличие в нем специального пигмента, улучшающего эксплуатационные характеристики состава. Однако во время проведения эксперимента на данной стадии была нарушена логистическая цепь поставок, из-за чего основу покрытия на момент написания данной статьи подготовить невозможно. Поэтому проводится дополнительный комплекс испытаний для покрытий на кремнийорганической основе и введением в них специальных добавок.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

При выполнении данной работы были получены следующие результаты:

На этапе 1 установлено, что эпоксидная основа покрытия обладает низкой стойкостью к низким температурам, о чем свидетельствуют малые показатели адгезии и разрушения покрытия в течение короткого времени. Покрытия на кремнийорганической основе, которые являются термостойкими, обладают низкой химической стойкостью – изменение внешнего вида покрытия, низкие показатели адгезии после выдержки в коррозионной среде.

На втором этапе работы установлено, что из более широкого комплекса испытаний и при большей выборке типов покрытий наилучшими показателями по химической стойкости обладает покрытие на основе полиуретанового лака. Также данные типы составов обладают более низкой стоимостью по сравнению с термостойкими кремнийорганическими составами.

На основании указанных фактов, базой нового типа покрытия выбрана база на основе полиуретанового лака, которая в большинстве случаев является однокомпонентной, плюс возможна добавка специальных пигментов для придания специальных свойств покрытия.

About the authors

Mikhail A. Bondar

Ufa State Petroleum Technological University

Email: mikhailbondar7@gmail.com

Postgraduate student

Russian Federation, Ufa

Oleg R. Latypov

Ufa State Petroleum Technical University

Author for correspondence.
Email: o.r.latypov@mail.ru

Doctor of Technical Sciences, Professor

Russian Federation, Ufa

References

Supplementary files