I. ОСНОВНЫЕ ПРИЧИНЫ КОРРОЗИИ В ХИМИЧЕСКИХ ЗАВОДАХ

В процессе химического производства существует множество коррозионных сред. Типы, химический состав, концентрация, значение pH, примеси, влага и содержание кислорода в этих средах — все это внешние причины коррозии. Чем быстрее скорость потока среды, тем более вероятен коррозийный процесс, поскольку в процессе течения среды происходит разрушение защитной пленки, образуются вихри, турбулентность и пузырьки, что ведет к сильному износу от ударов и кавитационной коррозии. Кроме того, неправильный выбор материала является другой причиной коррозии. Если поверхность оборудования контактирует с коррозионными средами, а само оборудование не устойчиво к коррозии, то возникает коррозия поверхности. Чем более шероховатая поверхность, тем легче происходит коррозия. Проявлениями этого являются утечка, преждевременный износ, повреждения и аномальные звуки.

Равномерная коррозия поверхности может иметь две формы: с защитной пленкой или без нее. Коррозия без пленки очень опасна, так как процесс коррозии происходит с постоянной скоростью, что в основном вызвано неправильным выбором материала. Отсутствие мер защиты от коррозии или низкое качество строительства создают среду для повреждения от коррозии. Различные условия окружающей среды и выбор материала ведут к различным условиям коррозии. В процессе производства оборудования часто трудно добиться согласованности между выбором материала и условиями окружающей среды, вызывающими коррозию. Температура, концентрация и давление различаются, что приводит к различным условиям коррозии и выбору материалов. Кроме того, недостаточный контроль за строительством или низкое качество работ делают проблемы с коррозией неизбежными. К другим причинам коррозии относятся перегрев, чрезмерное давление в процессе эксплуатации, плохое управление оборудованием и недостаточное внимание к этому процессу, что способствует повреждениям от коррозии. Обычно чем выше температура и давление среды, тем быстрее происходит коррозия, так как коррозия — это химическая реакция. С каждым повышением температуры на 10°C скорость коррозии увеличивается в 1-3 раза.

I. Типы и состав химической промышленности

Химическая промышленность — это общее название для предприятий и организаций, занимающихся производством и разработкой химической продукции. Она включает такие отрасли, как химическая промышленность, нефтехимия, металлургия, энергетика, легкая промышленность, нефть и газ, охрана окружающей среды, фармацевтика, экология и военная промышленность. Эти отрасли занимаются проектированием, производством и переработкой химической продукции, энергетическими и техническими разработками, а также научными исследованиями.

Отрасль химической промышленности очень разнообразна, а масштабы предприятий сильно различаются. В зависимости от ассортимента продукции, химические предприятия можно разделить на химические объединения и предприятия, производящие отдельные продукты (например, заводы по производству синтетических материалов, соды, серной кислоты, удобрений и т.д.). Обычно химический завод состоит из основных производственных цехов (от переработки сырья до обработки готовой продукции), вспомогательных производственных цехов (электростанции или распределительные станции, энергетические цехи, водоочистные станции и т.д.) и производственных управленческих объектов (офисные здания, склады материалов и готовой продукции, гаражи и т.д.).

Ссылочные стандарты

Соответствующие действующие национальные стандарты, обязательные положения стандартов и другие;

"Нормы строительства для антикоррозионной защиты в проектных и приемочных работах" (GB50212-2002)

"Стандарт для уровня коррозии поверхности и уровня удаления ржавчины перед нанесением покрытия" (GB8923-1988)

"Правила безопасности для покрасочных работ, правила управления безопасностью" (GB6514-1995)

"Требования к качеству антикоррозионных покрытий" (GB6514-1991)

"Правила безопасности покрасочных работ, безопасность покрасочных процессов и вентиляция с очисткой воздуха" (DJ/T6931-1999)

"Нормы выполнения и приемки антикоррозионных работ на промышленном оборудовании и трубопроводах" (HGJ229-91)

"Правила безопасности для покрасочных работ, безопасность процессов предварительной обработки поверхности" (GB7692-87)

"Нормы шума на строительных площадках" (GB12523-90)

ISO9001 Документы системы управления качеством

ISO14001 Документы системы экологического менеджмента

GB/T28001 Документы системы управления охраной труда и безопасностью

1. Основания для проектирования

Условия окружающей среды: Уровень коррозионного воздействия на строительные стальные конструкции под длительным воздействием атмосферных условий можно определить согласно таблице 1.

Трубопроводы — это основной способ транспортировки на химических предприятиях, обладающий высокой эффективностью транспортировки, высокой безопасностью и экономической выгодой. Исходные материалы химических заводов имеют такие характеристики, как воспламеняемость, взрывчатость и способность к распространению. В случае утечки трубопровода это может оказать неблагоприятное воздействие на окружающую среду вдоль маршрута, угрожать безопасности персонала и привести к серьезным экономическим потерям и загрязнению окружающей среды. Поэтому очень важно усилить защиту от коррозии трубопроводов. Причины коррозии на химических заводах сложны и включают множество факторов, влияющих на процесс, что делает защиту трубопроводов от коррозии важной проблемой для химической промышленности.

1. План защиты от коррозии трубопроводов при нормальной температуре

Коррозия трубопроводов — это химические и электрохимические реакции между поверхностью металлических материалов и окружающей средой, приводящие к деградации и повреждению материалов. Основной причиной коррозии трубопроводов на химических заводах являются такие коррозионные вещества, как CO2, H2S, C1-, растворенный кислород и бактерии в нефти, которые непосредственно взаимодействуют с металлом, вызывая химическую коррозию.

Химическая коррозия не столь опасна, однако основной причиной образования ям и отверстий на поверхности стальных труб является электрохимическая коррозия. Когда металл подвергается электрохимической реакции, участки с более низким электродным потенциалом теряют электроны и становятся анодами, в то время как участки с более высоким электродным потенциалом получают электроны и становятся катодами. В присутствии O2 и H2O Fe(OH)2 образует гидратированный оксид железа, что ведет к коррозии.

Чтобы повысить эффективность защитного покрытия и максимизировать его антикоррозионный эффект, в зависимости от реальной ситуации с коррозией трубопроводов, к требованиям к антикоррозионным покрытиям относятся: 1) хорошая стабильность к коррозионным средам; 2) хорошая водоотталкивающая способность, обеспечивающая низкое водопоглощение; 3) хорошая механическая прочность; 4) отличная электрическая изоляция.

Таблица 1: Технический проект антикоррозионного покрытия внешней поверхности оцинкованных трубопроводов

II. Защита от коррозии теплоизоляционных/холодозащитных трубопроводов

Коррозия под теплоизоляцией (Corrosion Under Insulation, сокращенно CUI) — это тип коррозии, который происходит на поверхности трубопроводов, обернутых теплоизоляционными материалами в химических заводах. Согласно данным, только в химической промышленности ежегодные убытки, вызванные коррозией под теплоизоляцией, могут достигать десятков миллиардов долларов. Это приводит не только к поломкам оборудования и вынужденным простоям, утечкам продуктов, росту затрат на ремонт, но и создает серьезные угрозы для безопасности производства. В последние годы с увеличением осведомленности о безопасности в химических заводах и усилением внимания к поведению коррозии CUI ситуация начала меняться.

Обычно коррозия возникает из-за попадания конденсата или дождевой воды в систему теплоизоляции, что приводит к локальной коррозии наружной поверхности труб или оборудования. Когда в системе теплоизоляции присутствует влага, трубопроводы, выполненные из углеродистой стали, низколегированных сталей и аустенитных нержавеющих сталей, становятся особенно уязвимыми для электрохимических процессов, точечной коррозии, усталостных трещин и щелевой коррозии. Поскольку поверхность коррозии скрыта под теплоизоляцией, коррозия под изоляцией обычно бывает трудно обнаружена. В зависимости от материала оборудования различают два типа CUI: коррозия на углеродистой стали (чаще всего проявляющаяся в виде точечной коррозии или утончения материала) и коррозия на нержавеющей стали (чаще всего проявляющаяся в виде точечной коррозии или коррозионных трещин от напряжений).

Наносимая на поверхность теплоизоляции водная нанотехнологическая теплоизоляционная краска DreamHeat 300 снижает температуру поверхности с 300℃ до 78℃ при толщине покрытия от 2,0 до 5 мм, снижая тепловые потери и повышая энергоэффективность на 15%, что способствует увеличению производительности, а также предотвращает ожоги у работников. DreamHeat 300 — это водная нанотехнологическая теплоизоляционная краска, изготовленная из микрочастиц пустотелой керамики и водных наноматериалов, обеспечивающая комплексную защиту от теплопотерь и коррозии. Формула микрономарных пористых наполнителей и краски обладает: исключительно низкой теплопроводностью; тонким слоем значительно снижается теплопередача и тепловое излучение — обеспечивая отличную теплоизоляцию.

Таблица 2: Техническое проектирование защиты от коррозии высокотемпературных трубопроводов

III. Защита от коррозии подземных трубопроводов

Некоторые химические трубопроводы прокладываются под землей, и окружающая почва оказывает огромное влияние на их состояние. Состав почвы весьма сложен, она содержит большое количество воды, углекислого газа, кислотно-щелочных солей, а также различные металлические ионы, которые могут вступать в электролитические или электрохимические реакции с трубами, а также способствовать различным химическим реакциям, вызывающим коррозию трубопроводов. Влажность, кислотность, сопротивление и температура почвы — все эти факторы влияют на скорость и степень коррозии труб. Как правило, чем выше температура и влажность почвы, чем более агрессивна кислотность или быстро изменяется содержание влаги, тем быстрее происходят электролитические и химические реакции, вызывающие ускоренную коррозию. Обычно, чем глубже прокладывается трубопровод, тем выше температура окружающей почвы. На коррозию труб также влияют различные микроорганизмы в почве и корни растений в непосредственной близости, а также посторонние электрические токи, которые могут создавать помехи и вызывать электрохимическую коррозию.

I. Коррозия резервуаров

1. Коррозия наружной поверхности резервуара

Химические заводы строят большие резервуары. Коррозия наружной поверхности резервуара в основном вызвана атмосферной коррозией. Кислотные газы в воздухе химической зоны, под воздействием дождевой воды или воды для охлаждения летом, вызывают реакцию деполяризации кислорода на металлической поверхности резервуара. Когда температура воздуха циклично падает, вода с растворёнными электролитами конденсируется на внешней поверхности резервуара, образуя тонкую электролитную плёнку, что ведёт к коррозии. С развитием химической промышленности атмосфера стала более агрессивной, и в прибрежных районах воздух насыщен хлоридами и другими солями, которые оседают на наружной поверхности резервуара, образуя электролитную плёнку с растворёнными солями. Хлориды имеют высокую проницаемость и могут вызвать серьёзную локальную коррозию. В районах с сильными ветрами и песчаными бурями песок или пыль из ветра также могут вызывать механическое изнашивание покрытия резервуара.

2. Коррозия нижней части резервуара и краевых плит

Из-за капиллярного действия грунтовые воды поднимаются, и дно резервуара часто оказывается в влажной среде. Также из-за того, что дно резервуара требуется сваривать, защитное покрытие в местах сварных швов повреждается, что приводит к усиленной коррозии в этих областях. Вокруг резервуара давление на песчаную подложку снижается по сравнению с центром резервуара, что вызывает неравномерное содержание кислорода в пористом песке, что способствует образованию гальванических элементов: центральная часть дна становится анодом, а окружающие области — катодами, что приводит к более интенсивной коррозии в центре.

В процессе эксплуатации резервуара может возникать необходимость в его нагреве для очистки или для хранения промежуточных продуктов. Когда температура резервуара повышается, вода из грунта испаряется, увеличивая концентрацию солей и усиливая коррозию. Также, с течением времени, из-за изменения нагрузки на резервуар могут возникать деформации, а изменения температуры окружающей среды могут привести к расширению и сжатию дна резервуара. Это создаёт трещины между резервуаром и основанием, которые, расширяясь и сужаясь в процессе эксплуатации, предоставляют коррозионным агентам, таким как дождь, путь для проникновения, что вызывает коррозию в местах трещин. Следовательно, наружная поверхность дна резервуара и края резервуара требуют особого внимания.

Под резервуарами часто проходят сложные электрические токи, и если резервуар не защищён от катодной защиты, а рядом есть электросварка, электрифицированные железнодорожные пути или устройства постоянного тока, то могут возникать помехи от блуждающих токов. Эти токи ускоряют коррозию дна резервуара и его краевых плит, что усложняет защиту от коррозии.

3. Коррозия под теплоизоляционным слоем

Коррозия под теплоизоляционным слоем возникает на трубопроводах, резервуарах и оборудовании, подвергающихся высокотемпературной теплоизоляции или низкотемпературной теплоизоляции. Когда теплоизоляционный слой закрывает внешнюю поверхность, в нормальных условиях работы, особенно при термических циклах, из-за конденсации влаги под изоляцией накапливаются электролитные растворы, что вызывает коррозию стали. Коррозия под теплоизоляционным слоем крайне опасна, так как её трудно обнаружить. Обычно, чтобы улучшить внешний вид, после нанесения теплоизоляции покрывают её слоем нержавеющей стали или алюминиевой фольгой. Поэтому в нефтехимической отрасли часто обнаруживают коррозию под теплоизоляцией слишком поздно, что приводит к множеству аварий. Особенно при температуре ниже 150°C, когда под изоляцией может скапливаться конденсат, что делает материал влажным. Это приводит к тому, что металл долгое время находится в закрытом, влажном и высокотемпературном окружении, что ускоряет коррозию в несколько десятков раз по сравнению с обычными темпами. Исследования показывают, что вероятность коррозии под теплоизоляцией значительно увеличивается после 5 лет эксплуатации оборудования, а через 10 лет в 60% теплоизоляционных слоёв образуется коррозионный конденсат. Для нефтехимической отрасли существует дополнительная сложность: так как эта отрасль включает много различных технологических процессов, железобетонные конструкции, покрытые теплоизоляцией, часто подвергаются термическим циклам. Для традиционных термостойких покрытий различия в коэффициенте теплового расширения с металлом могут привести к увеличению напряжений в покрытии, что ускоряет его разрушение и усугубляет коррозию под теплоизоляцией. Коррозия под теплоизоляцией является серьёзной проблемой для нефтехимической и нефтехимической отрасли. В настоящее время некоторые трубопроводы и резервуары используют покрытия, которые интегрируют теплоизоляцию и защиту от коррозии, не оставляя промежутка между теплоизоляцией и антикоррозийным покрытием, что исключает конденсацию воды и решает проблему коррозии под изоляцией.

II. Антикоррозийные покрытия для наружных поверхностей резервуаров

В зависимости от реальных условий окружающей среды, наружная поверхность резервуара может быть разделена на различные области, такие как: поверхность стальных конструкций в условиях атмосферной коррозии, внешняя поверхность утеплённых резервуаров, наружная поверхность резервуаров в шахтах, нижняя поверхность резервуара и соединения краевых плит с основанием. Поскольку каждая из этих областей подвергается разным условиям коррозии, для них требуются различные антикоррозийные решения.

1. Обычные наружные поверхности резервуаров

Эти поверхности подвержены типичной атмосферной коррозии. В зависимости от местоположения резервуара, климатических условий и уровня коррозионной агрессии, можно ориентироваться на стандарт ISO 12944-5-2018 «Системы защитных покрытий», GB/T 50393-2017 «Технические стандарты для защиты от коррозии стальных нефтяных резервуаров» и SY/T 0320-2010 «Технические стандарты для наружных защитных покрытий стальных резервуаров» для разработки покрытий, отвечающих условиям окружающей среды и требованиям долговечности. В связи с развитием технологий покрытия и учетом высоких затрат на ремонт, а также концепции анализа жизненного цикла (life cycle cost analyst), для уменьшения числа ремонтов наиболее часто используется система покрытия с эпоксидно-цинковым грунтом или неорганическим кремний-цинковым грунтом / эпоксидным средним слоем / акриловым полиуретановым финишным слоем. Таблица 3-3-55 представляет типичную систему покрытия для C5 коррозионной среды с проектируемым сроком службы 15-25 лет, согласно ISO 12944-5-2018.

2. Наружная поверхность утеплённых резервуаров

Эта область относится к защите от коррозии под теплоизоляцией. Поскольку температура на наружной поверхности резервуара в отличие от химических трубопроводов не превышает 200°C, можно ориентироваться на стандарты SY/T 0320-2010 и HG/T 5178-2017, а также NACE SP 0198-2010, принимая во внимание температурные диапазоны для проектирования соответствующих покрытий.

3. Антикоррозионные покрытия для внутренних поверхностей резервуаров с готовым нефтепродуктом

Из-за высокой чистоты и низкого содержания примесей готовое масло имеет минимальную коррозийность. Проектирование резервуаров для хранения готовых нефтепродуктов может напрямую опираться на проектирование резервуаров для промежуточных продуктов, обычно используя эпоксидные или фенольные эпоксидные антистатические покрытия. Толщина покрытия на дне и в верхней части будет больше, чем на других участках стенки резервуара. В отличие от резервуаров для промежуточных продуктов, резервуары для готовых нефтепродуктов, благодаря низкой температуре, меньшему содержанию примесей и pH, который обычно находится в нейтральном диапазоне, могут использовать неорганический цинк-силикатный грунт для удовлетворения как требований по защите от коррозии, так и антистатических требований. Также может быть использована система, сочетающая "эпоксидный грунт с богатым цинком + антистатическое покрытие", которая удовлетворяет обоим требованиям.

4. Антикоррозионные покрытия для внутренних поверхностей резервуаров для сточных вод

Химический состав сточных вод сложен и включает различные неорганические и органические примеси, а также коррозионные среды. В зависимости от коррозионной активности химикатов в сточных водах, можно выбрать эпоксидные покрытия, фенольные эпоксидные покрытия или виниловые эфирные покрытия. Виниловые эфирные покрытия обеспечивают лучшую стойкость к химическим веществам по сравнению с эпоксидными или фенольными эпоксидными покрытиями. Распространенные виниловые эфирные покрытия для облицовки включают стандартные типы бисфенола А и фенольные эпоксидные типы. Фенольные эпоксидные типы обеспечивают лучшую термостойкость и стойкость к химикатам. Виниловые эфирные покрытия обычно используют стеклянные чешуйки в качестве функциональных наполнителей, что усиливает экранирующий эффект, создавая эффект лабиринта в пленке покрытия. Кроме того, стеклянные чешуйки помогают снизить внутреннее напряжение, возникающее в процессе усадки объема при отвердении винилового эфира, повышая трещиностойкость покрытия.

5. Антикоррозионные покрытия для внутренних поверхностей резервуаров для пожарной воды

Среда в резервуарах для пожарной воды — это в основном пресная вода. Для этой области обычно используются эпоксидные покрытия с высоким содержанием твердых веществ, эпоксидные покрытия без растворителей или фенольные эпоксидные покрытия.

1. План защиты стали от коррозии на химическом заводе на открытом воздухе

Виды стальных конструкций и окружающая среда могут сильно различаться, и даже для одного и того же стального сооружения меры защиты от коррозии могут различаться в зависимости от условий окружающей среды каждой его части. Эти сооружения можно классифицировать как внутренние или внешние стальные компоненты, которые подвергаются воздействию различных коррозионных сред, таких как химические газы, промышленная атмосфера, морская атмосфера, кислые воды и почва. Чтобы обеспечить долгосрочную эксплуатацию без необходимости в крупных ремонтах, необходимо применять разумные антикоррозийные покрытия. Конкретный план должен определяться с учетом коррозионной среды и состава среды. Здесь мы рекомендуем антикоррозийные покрытия на основе окружающей среды, в которой работает большое стальное сооружение, среды, с которой сталкиваются различные его части, требований к обработке поверхности и условий эксплуатации.

Внешние стальные компоненты: Стальные конструкции на открытом воздухе подвергаются воздействию солнечного света, песчаных бурь, дождя, снега, инея и сезонных изменений температуры. Кислород и влага в атмосфере являются основными факторами, вызывающими коррозию стальных конструкций на открытом воздухе, что приводит к электрохимической коррозии. Воздух в химических парках содержит SO2, CO2, NO2, CI2, H2S и NH3, которые наносят наибольший вред стали. Эти вещества могут разрушать пассивационную пленку на металлической поверхности, образуя кислотные дожди и ускоряя коррозию.

Таблица 1: Использование технологии графенового покрытия для стальных конструкций на открытом воздухе

2. План защиты от коррозии стальных конструкций в химическом заводе с внутренними помещениями

Внутренние стальные элементы: коррозия стали при комнатной температуре в основном является электрохимической коррозией. Когда стальные конструкции используются в атмосферной среде при комнатной температуре, сталь корродирует под воздействием влаги, кислорода и других загрязнителей (например, неочищенных сварочных шлаков, ржавчины и загрязнений на поверхности) в воздухе. Когда относительная влажность воздуха составляет менее 60%, коррозия стали незначительна; однако при повышении относительной влажности до определенного значения скорость коррозии стали резко увеличивается, и это значение называется критической влажностью. При нормальной температуре критическая влажность для обычной стали составляет от 60% до 70%. В химических цехах, где воздух загрязнен кислотными туманами, или в прибрежных районах, где воздух содержит соль, критическая влажность намного ниже, и на поверхности стали легко образуется водная пленка. В этот момент сварочные шлаки и неочищенная ржавчина (окисленная железная пленка) действуют как катод, а компоненты стальной конструкции (основной металл) — как анод, вызывая электрохимическую коррозию в водной пленке. Водная пленка, образующаяся на поверхности стали в результате поглощения влаги из воздуха, является решающим фактором коррозии. Относительная влажность воздуха и содержание загрязнителей — важные факторы, влияющие на атмосферную коррозию.

Таблица 2: Применение технологии покрытия с графеном для стальных конструкций в внутренних помещениях завода