К вопросу об оценке скорости старения изоляционного покрытия подземного трубопровода
К вопросу об оценке скорости старения изоляционного покрытия
подземного трубопровода
Старочкин А.В., Блинов И.Г., Кравцов В.В.
Противокоррозионное покрытие приводит не только и не столько к механической изоляции стали от прямого контакта с коррозионной средой, сколько к изменению ее энергетического состояния.
Высокая реакционная способность поверхности приводит к тому, что на ней адсорбируются различные вещества, а это вызывает еще большее изменение свойств поверхности. Из-за неоднородности поверхности металла, в частности трубной стали, отдельные участки начинают работать как гальванические микроэлементы.
Изоляционное покрытие наружной поверхности подземных трубопроводов, взаимодействуя с окружающим грунтом, находится в напряженном состоянии и подвергается ползучести и другим деформациям из-за плохой адгезии с защищаемым металлом. Создается ситуация, когда на покрытие действуют одновременно механические напряжения и жидкие агрессивные среды с поверхностно-активными компонентами. В этом случае усиливаются сорбционные процессы, приводящие к механическому разрушению покрытий (проявлению эффекта Ребиндера).
В большинстве случаев среда, вызывающая подземную коррозию стальных конструкций, представляет собой слабые растворы различных солей, кислот и органических соединений, образовавшиеся на базе грунтовых вод. Кроме того, в этой среде находится растворенный кислород и ионы водорода, являющиеся деполяризаторами катодных реакций на поверхности металла.
В такой среде коррозионные процессы носят электрохимический характер. Скорость любого электрохимического процесса зависит от скорости двух сопряженных реакций, идущих на поверхности металла, а именно: анодной (заключающейся в переходе ион-атомов из кристаллической решетки в раствор и сопровождающейся освобождением электронов) и катодной (заключающейся в ассимиляции освобождающихся при анодной реакции электронов деполяризатором).
Коррозия стали под изоляционным покрытием сопровождается появлением новой фазы на границе раздела. Для образования этой новой фазы необходимо совершить работу, соответствующую работе по отрыву покрытия от поверхности защищаемой стали.
Локальные повреждения покрытия накапливают в местах разрушения воду. Коррозия трубы в этих случаях происходит за счет коррозионных гальванических элементов, образующихся на стальной поверхности вследствие ее гетерогенности. Долговечность покрытия определяется адгезионной прочностью покрытия с защищаемой трубой, деформацией, ползучестью, гоф-рообразованием и нарушением целостности покрытия при его взаимодействии с окружающим грунтом.
Поглощение влаги покрытием не всегда инициирует процесс коррозии. Опасность коррозии возникает лишь тогда, когда вода и кислород концентрируются на границе раздела металл — покрытие и образуют электролитическую среду, в которой происходят коррозионные электрохимические реакции. Таким образом, защитные свойства покрытия обусловлены не только диффузией, но в большей степени явлениями, происходящими на границе раздела покрытие — металл. При коррозии металла под покрытием возникают новые вещества. Вследствие этого образование новой фазы, появляющейся при взаимодействии металла с агрессивной средой, сопряжено с отрывом покрытия от поверхности металла.
Непроницаемость некоторых покрытий еще не свидетельствует о соответствующих защитных свойствах. При плохой адгезии защитные свойства таких покрытий низкие.
Отметим, что адгезионная прочность покрытия к защищаемому металлу в большей степени влияет на защитные свойства, чем проницаемость или другие сорбционно-диффузионные характеристики покрытий.
Резюмируя изложенное, можно отметить важнейшие факторы, влияющие на долговечность антикорорзионных покрытий:
- величина начальной адгезии изоляционного материала к металлической поверхности;
- температурно-временная зависимость адгезии;
- интенсивность молекулярной деструкции изоляционного материала под воздействием коррозионной среды.
Набухание покрытия под действием сорбируемых компонентов жидких и газообразных сред приводит к появлению значительных дополнительных напряжений, результирующим которых во многих случаях являются нормальные к поверхности (отрыв).
Как известно, первая стадия диффузии (нестационарный процесс) может быть описана вторым законом Фика.
С достаточной для практики точностью коэффициент диффузии D для ограниченно набухающих полимеров рассчитывают по уравнению [1]:
D »0,05 h 2 / t 0,5 (1)
где h – толщина образца;
t 0,5 – полупериод сорбции при D m = D mmax / 2
D mmax – максимальное приращение массы образца (в состоянии равновесия).
Вторая стадия диффузии (стационарный процесс) наступает после полного достижения границы пленки фронтом диффузии [1,2] и определяется первым законом Фика.
Коэффициент проницаемости Ро для стационарного периода диффузии можно оценить по формуле [2]:
Ро = Q×h×p / t×S (2)
где Q – количество вещества, прошедшего через пластину толщиной h и площадью S за время t при потоке IСТ и градиенте концентрации D с= l;
р – давление пара диффузанта [2].
Коэффициент проницаемости Ро связан с коэффициентами диффузии D и сорбции (растворимости) Z соотношением:
Ро = Д× Z (3)
Наряду с сорбционно-диффузионными характеристиками полимеров другим, не менее важным фактором, является прочность адгезионных соединений и ее сохранность в течение максимально возможного периода воздействия рабочей среды. Существует понятие о коэффициенте аккомодации или прилипания fn = nА / n, характеризующем ту часть от общего числа столкнувшихся с поверхностью молекул (групп) n, которая при этом мгновенно адсорбируется [3].
В состоянии равновесия число мгновенно образующихся связей сможет быть оценено по зависимости [4]:
(4)
где n1 и n2 - частоты перехода соответственно из состояния адсорбции к десорбции и наоборот.
Если релаксационные и флуктуационные процессы при разрушении адгезионного соединения охарактеризовать значением x и учесть значение внутренних касательных напряжений sА, действующих в плоскости подложки и направленных против сил адгезии, то
А = x (А¢×SФ - sА) (5)
Неполнота контакта полимера с подложкой вызывается образованием так называемых «слабых граничных слоев». При отсутствии одного из компонентов слабого граничного слоя, например жидких продуктов, соответствующий фактор исключается из рассмотрения. В работе [3] представлено выражение для адгезионной прочности А:
А = x (`а ×n*SП ×fП×fn ×fОР ×fКР ×КМР×fС - sА ) (6)
где `а – усредненная сила единичной связи, определяющая адгезию;
n - общее число столкнувшихся с поверхностью молекул ;
SП - номинальная (истинная) удельная площадь подложки;
fП – фактор энергетической активности подложки;
fN - коэффициент аккомодации (прилипания);
fОР – фактор ориентации функциональных групп полимера по отношению к подложке;
fКР – доля связей, выведенных из сферы адсорбции при кристаллизации;
КМР – степень микрореологического затекания полимера в поры и микронеровности подложки;
fС = fГ × fЖ ×× fТ – доля поверхности фактического контакта макромолекул полимера с подложкой, экранированной газообразными, жидкими и твердыми продуктами, составляющими слабые граничные слои;
Все величины, входящие в уравнение (6), кроме `а, n, SП , sА, x меньше или равны 1. Это выражение представляет собой модель и включает, несмотря на формализованный вид, значительное число факторов, влияние которых на величину А может быть обнаружено экспериментально. При достижении молекулами диффундирующей среды подложки наступает период взаимодействия среды с поверхностью металла и адгезионными связями полимера (конкурентная адсорбция).
Выше температуры стеклования полимера ТС конкурентная адсорбция на металле осуществляется со взаимным вытеснением одного вещества другим [3]. Условием стабильности адгезионных связей является в > в¢, где в = к1 / к2 – отношение констант скоростей адсорбции и десорбции данного компонента, в¢ = к1¢ / к2¢ - адсорбционная поверхность компонентов коррозионной среды.
Ниже ТС полимера или при наличии хемосорбционных связей полимер-металл условием стабильности адгезии должно быть превышение энергии взаимодействия полимер-металл ЕПМ над энергией взаимодействия металл-коррозионная среда ЕМС, т.е. ЕПМ > ЕМС. Адсорбция среды в этом случае на поверхности металла возможна только на вакантные места.
В условиях отсутствия диффузии среды и коррозионных подпленочных процессов изменение адгезионной прочности в соответствии с моделью динамического адсорбционого равновесия на границе раздела определяется уменьшением эффективного числа связей NЭФ полимер-металл на величину NСР, определяемую адсорбционой активностью среды:
А = x [ аЭ × (nЭ – nС) ×SЭ - sА ] (7)
При диффузии среды нормально к поверхности подложки, что наиболее характерно для реальных покрытий, зависимость изменения адгезионной прочности под действием диффундирующей коррозионой среды отражается уравнением [8]:
Аt = А¥ [1-0,25×p ×ехр (-0,25× p2 × D×t / h2 )] (8)
Следует отметить, что оценка эксплуатационных параметров по рассмотренным зависимостям не дает возможности в полной мере оценивать взаимодействие элементов системы металл-покрытие-коррозионная среда и скорость подпленочной коррозии в зоне дефекта. Расчеты показали, что все изоляционные покрытия легко проницаемы для молекулярного кислорода и воды.
Учитывая большое количество систем защитных покрытий и в связи с этим громоздкостью расчетов, была разработана специальная программа на языке Delphi, позволяющая проводить расчеты параметров долговечности покрытий при старении в условиях контакта с рабочими средами, основанная на зависимости, известной из работ Бокшицкого М.Н. [4] и часто используемой для инженерных оценочных расчетов:
=, (9)
где - долговечность покрытия (срок службы до отбраковки), с;
- допустимая степень сохранности исходных свойств покрытия (функция сплошности твердого тела), характеризующая интенсивность старения:
, (10)
где - значение выбранного критерия долговечности по истечении времени τ;
- начальное значение (до экспозиции в среде) выбранного критерия долговечности;
АTi – параметр долговечности, зависящий от температуры.
, (11)
где А0 – структурно-чувствительный коэффициент, зависящий от природы и структуры материала покрытия, не зависящий от температуры, 1/с;
Е0 – энергия активации процесса старения, Дж/моль;
R – универсальная газовая постоянная, Дж/моль·град;
T - температура, К.
Экспериментально параметр АTi определяется из графиков, характеризующих кинетику изменения величины ψi.
. (12)
где - относительное изменение выбранного критерия старения к моменту времени
Энергия активации процесса старения определяется по формуле:
. (13)
Следует заметить, что при подобных расчетах возникают трудности в определении значений ψкр. Это связано с тем, что принятие решений об обновлении защитного покрытия в значительной степени носит субъективный характер. Можно лишь говорить о приблизительных значениях этой величины, которая составляет около 0,7 (степень повреждения покрытия 30 %).
Вывод.
Анализируя результаты исследований различных систем противокоррозионных неметаллических покрытий оборудования и трубопроводов, можно сделать заключение, что изучение влияния сорбционно-диффузионных характеристик и параметров материала покрытия, характеризующих влияние функциональных групп и микрореологических факторов, позволяет дать теоретическое обоснование величины адгезионной прочности покрытия. Для практических инженерных расчетов приемлемой является модель оценки долговечности полимерного покрытия без учета типа и состава по интенсивности снижения его адгезионной прочности при старении.
Литература
- 1.Неметаллические материалы и покрытия в противокоррозионной технике / В.В.Кравцов, Н.М.Черкасов, И.Ф.Гладких, О.В.Шингаркина.-С.-Пб.:ООО «Недра», 2008.-452с.
- 2.Манин В.Н., Громов А.Н. Физико-химическая стойкость полимерных материалов в условиях эксплуатации. – Л.: Химия; 1980. – 248 с.
- 3.Защитные покрытия и футеровки на основе термопластов / Ю.А. Мулин, Ю.А. Паншин, Н.А. Бугоркова, Н.Е. Явзина. – Л.: Химия, 1984. – 176 с.
- 4.Бокшицкий М.Н. Длительная прочность полимеров. - М.: Химия, 1978.- 308 с.