Химсопрмат

К а ф е д р а «Машины и аппараты химических производств»

Н.Г. КАЦ, В.П. СТАРИКОВ, С.Н. ПАРФЕНОВА

ХИМИЧЕСКОЕСОПРОТИВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВИЗАЩИТА ОБОРУДОВАНИЯ НЕФТЕГАЗОПЕРЕРАБОТКИ ОТКОРРОЗИИ

Москва

Машиностроение

2011

УДК 620.197 ББК 35.514

Кац Н.Г.

Химическое сопротивление материалов и защита оборудования неф-

тегазопереработки от коррозии: учебное пособие / Н.Г. Кац, В.П. Стариков, С.Н. Парфенова. – Москва: Машиностроение, 2011. – 436 с.

ISBN 978-5-94275-555-3

Представлен материал по основам теории коррозионных процессов, коррозионной стойкости металлических и неметаллических материалов, необходимый при изучении курса «Химическое сопротивление и защита от коррозии». Пособие предназначено для подготовки инженеров, занимающихся вопросами проектирования и расчета оборудования химических, нефтеперерабатывающих и смежных с ними производств.

Материалы учебного пособия могут быть использованы студентами всех форм обучения специальностей 130602, 130603, 130401 и помогут всем, кто изучает вопросы коррозии и защиты металлов.

Рецензенты: М.Л. Медведева – д.т.н., профессор кафедры «Металловедения и неметаллических материалов» Российского государственного университета нефти и газа им. И.М. Губкина.

В.И. Барков – к.т.н., главный инженер проекта ОАО «Самаранефтехимпроект».

И.К. Гаркушин – д.х.н., профессор, заведующий кафедрой «Общая и неорганическая химия» Самарского государственного технического университета, заслуженный деятель науки России.

УДК 620.197 ББК 35.514

2

ВВЕДЕНИЕ

1. Социальные, экологические и экономические проблемы борьбы с разрушением конструкционных материалов

Металлы, сплавы и неметаллические материалы являются основ-

ными современными конструкционными материалами, и там, где они эксплуатируются, есть вещества, которые при взаимодействии с ними быстро или медленно их разрушают. Процесс разрушения металлов обычно обозначается словом «коррозия», происходящим от латинского

«corrodere», что означает «разъедать», или «corrosion» – «разъедание».

Проблема исследования коррозионного процесса определяется следующими задачами:

– экономические, которые имеют цель уменьшение материаль-

ных потерь в результате коррозии. Это главная движущая сила почти всех коррозионных исследований;

– повышения надежности работы оборудования, так как раз-

рушение оборудования происходит с катастрофическими последст-

виями;

– сохранность металлического фонда. Мировые ресурсы ме-

талла ограничены, а его потери вследствие коррозии проводят к до-

полнительным затратам энергии и воды.

К конструкционным материалам предъявляются все более высо-

кие требования для обеспечения надежной и долговечной работы тех или иных конструкций. В промышленности широкое распростране-

ние получают не только металлы, но и неметаллические конструкци-

онные материалы, которые также подвержены воздействию внешней среды. Вот почему термин «коррозия» наряду со специальными тер-

минами, например «старение», используется и применительно к пла-

стическим массам, бетону и т.д.

4

Промышленный фонд РФ имеет более 20000 предприятий и разнообразных технических производств [24]. Оборудование для них изготовлено из самых разнообразных сталей и сплавов, а также неметаллических материалов. Со временем это оборудование стареет морально и физически или разрушается вследствие коррозионных в широком смысле этого слова процессов, что приводит к экономическим потерям и создает предпосылки для экологических катастроф.

В РФ потери от коррозии составляют до 12% общей массы ме-

таллофонда, что соответствует утрате до 30% ежегодного производ-

ства металла [20, 24, 25].

Различают прямые и косвенные коррозионные потери.

Под прямыми потерями понимают стоимость замены (с учетом трудозатрат) прокорродировавших конструкций и машин или их час-

тей, например, затраты на перекраску конструкций для предотвраще-

ния ржавления или эксплуатационные затраты, связанные с катодной защитой трубопроводов. Прямые потери включают также расходы,

связанные с использованием коррозионно-стойких металлов и спла-

вов вместо углеродистой стали, а также стоимость нанесения защит-

ных металлических покрытий, стоимость ингибиторов коррозии, за-

траты на кондиционирование воздуха складских помещений для хра-

нения металлического оборудования. По данным Ростехнадзора, об-

щая сумма прямых коррозионных потерь по минимальной оценке со-

ставляет 4,2% валового национального продукта.

Косвенные потери по приближенной оценке исчисляются мил-

лиардами долларов. Например [47], замена прокорродировавшей тру-

бы нефтеперегонной установки стоит несколько сотен долларов, но недовыработка продукции за время простоя может принести убыток до 20000 долларов в час. Замена поврежденного коррозией котла или конденсатора мощностью 300 МВт может привести к недовыработке электроэнергии на 60000 долларов в день, а общая стоимость недо-

выработки электроэнергии и тепла из-за коррозионных простоев со-

ставляет десятки миллионов долларов в год.

5

В межремонтный период происходят утечки нефти, газа и воды вследствие коррозионных повреждений, из-за отложения продуктов коррозии ухудшается теплопроводность поверхностей теплообмена,

уменьшение проходных сечений трубопроводов из-за отложения ржавчины требует повышения мощности насосов – все это обходится в миллионы долларов в год.

Загрязнение продукции также оценивается в миллиарды долла-

ров, например, небольшое количество меди, поступившее в систему в результате коррозии медного трубопровода или латунного оборудо-

вания, может испортить целую партию продукта. Следы металлов могут изменять цвет красителей. Свинцовое оборудование не может быть использовано для приготовления и хранения пищевых продук-

тов из-за токсичности солей свинца. Мягкая вода, проходящая по свинцовым трубопроводам, небезопасна для питья. По заключению Бюро продуктов питания и лекарственных препаратов, допустимая концентрация свинца в пище не должна превышать 1 мг/л [50, 53, 57].

К этой же группе потерь относится порча продуктов питания из-

за ржавления металлических емкостей. Один из заводов [53], консер-

вирующих фрукты и овощи, терпел убытки около миллиона долларов в год до тех пор, пока не были выявлены и устранены металлургиче-

ские факторы, приводившие к локальной коррозии. Другая компания,

использующая металлические крышки на стеклянных консервных банках, теряла 0,5 млн долларов в год из-за точечной коррозии кры-

шек, что приводило к бактериальному заражению продукции.

При расчете толщины стенки аппаратов и его проектировании используются допуски на коррозию. В тех случаях, когда скорости коррозии неизвестны, а методы борьбы с коррозией неясны, задача оптимального проектирования значительно усложняется. Надежные данные о скорости коррозии позволяют более точно оценить срок эксплуатации оборудования и упрощают его проектирование. Напри-

мер, расчетная толщина стенки трубопровода диаметром 200 мм и длиной 362 км с учетом коррозии составляет 8,18 мм. А применение

6

соответствующей защиты от коррозии позволяет снизить эту величи-

ну до 6,35 мм, что приводит к экономии 3700 т стали и увеличению полезного объема трубопровода на 5%.

Отсюда видно, что косвенные потери составляют существенную часть общих коррозионных потерь, однако их подсчет представляет собой трудную задачу даже в рамках одной отрасли промышленно-

сти. В ряде случаев потери вообще не могут быть выражены в денеж-

ных единицах. К ним относятся аварии, связанные с взрывами, раз-

рушением нефтехимического оборудования, или вызванные коррози-

ей катастрофы самолетов, поездов, автомобилей, приводящие к поте-

ре здоровья или гибели людей.

В США, по последним данным NACE [50], ущерб от коррозии и затраты на борьбу с ней составили 3,1% от ВВП (276 млрд долларов).

В Германии этот ущерб составил 2,8% от ВВП. По оценкам специа-

листов различных стран, эти потери в промышленно развитых стра-

нах составляют от 2 до 4% валового национально продукта. При этом потери металла, включающие массу вышедших из строя металличе-

ских конструкций, изделий, оборудования, составляют от 10 до 20%

годового производства стали [51]. При этом подсчитано [48], что око-

ло 15% этих потерь можно избежать, своевременно используя посто-

янно совершенствуемые средства противокоррозионной защиты.

По данным фирмы «Du Pont» США [47], в 247 случаях выхода из строя оборудования этой фирмы 79% аварий произошли по причине коррозионных повреждений. При этом на долю общей коррозии пришлось 31,5% случаев, на коррозионное растрескивание (стресс-

коррозию) – 21,6% случаев, питтинговая коррозия стала причиной

15,7% выходов оборудования из строя, а межкристаллитная коррозия явилась причиной аварий в 10,2% случаев.

Росту потерь от коррозии способствует постоянное и интенсив-

ное развитие наиболее металлоемких отраслей промышленности – энергетической, транспортной, металлургической, химической, неф-

7

тяной, нефтехимической и других, а также ужесточение условий экс-

плуатации конструкционных материалов.

В настоящее время общий металлофонд РФ составляет порядка 1,6 млрд т [24, 25], в частности по отраслям:

При этом 40-50% устройств работают в агрессивных средах, 30%

– в слабоагрессивных, и только 10% не требуют антикоррозионной защиты. Наибольшие потери от коррозии наблюдаются в топливноэнергетическом комплексе – 30%, химии и нефтехимии – 20%, сельском хозяйстве – 15%, металлообработке – 5% [7, 24].

Значительная часть сооружений исчерпала свой плановый ресурс и вступает в период интенсификации отказов, например резервуар-

ный и газгольдерный парк потенциально опасных химических, неф-

техимических нефтегазоперерабатывающих и азотных производств изношен на 60-80% [24, 25, 28, 30, 32]. Анализ причин отказов и ава-

8