Изоляционные материалы в трубопроводном строительстве

В условиях магистральных  трубопроводов наиболее распространена электрохимическая коррозия — окисление металлов в электропроводных средах, сопровождающееся образованием электрического тока.

Термином «электрохимическая коррозия» объединяют следующие  виды коррозионных процессов: почвенная (коррозия подземных металлических сооружений под воздействием почвенного электролита), атмосферная (коррозия металлов в атмосфере воздуха или другого газа, содержащего пары воды), контактная (коррозия металлов в присутствии воды, вызванная непосредственным контактом двух металлов.), биокоррозия (коррозия, вызванная жизнедеятельностью микроорганизмов, вырабатывающих вещества, ускоряющие коррозионные процессы;), электрокоррозия (коррозия металлических сооружений под воздействием блуждающих токов) и коррозия в электролитах (коррозия металлов в жидких средах, проводящих электрический ток).

Основной причиной коррозии металла трубопроводов  является термодинамическая неустойчивость металлов.

Большинство металлов в земной коре находится в связанном  состоянии в виде солей, окислов и других соединений. Причина этого явления состоит в термодинамической неустойчивости металлов. Все вещества стремятся перейти в такое состояние, при котором их внутренняя энергия будет иметь наименьшее значение. Практически для всех металлов (кроме золота) при образовании окислов, солей и т.д. это правило выполняется. Поэтому окисление металлов, т.е. их коррозия, в естественных условиях процесс неизбежный.

Практически круговорот металла в природе выглядит так. Металлургическая промышленность, затрачивая большое количество энергии, осуществляет восстановление металлов из руд в свободное состояние, то есть переводит их на более высокий энергетический уровень. Однако когда этот металл уже в виде какой-то конструкции подвергается действию окислителей (кислорода), он самопроизвольно переходит в более стабильное окисленное состояние.

На коррозию влияют такие  факторы, как неоднородность состава  металла, неоднородность условий на поверхности металла,  состав транспортируемой среды. Следует сделать вывод, что коррозия металлов — процесс неизбежный, но зная механизм протекания коррозии, можно затормозить его таким образом, чтобы обеспечить сохранение работоспособности трубопроводов в течение достаточно длительного времени. Для этого применяют разнообразные изоляционные материалы. 

 

 

Изоляционные  материалы 

 

Основное условие  борьбы с грунтовой коррозией  подземных трубопроводов, а также  с воздушной коррозией надземных  трубопроводов — предотвращение непосредственного контакта металла  труб с агрессивной средой, что достигается созданием на поверхности трубопровода специальной оболочки, называемой изоляционным покрытием. Хорошее изоляционное покрытие исключает также попадание блуждающих токов на трубопровод, а следовательно, защищает его от электрохимической коррозии. Изоляционное покрытие имеет определенную конструкцию в зависимости от коррозионной активности грунтов. Магистральные трубопроводы имеют комплексную защиту , состоящую из изоляционного покрытия в сочетании с электрозащитой. Эффективность электрозащиты и ее стоимость во многом зависят от правильности выбора типа изоляционного покрытия, от свойств материала покрытия и качества его нанесения. Чем хуже свойства и качество покрытия, тем больше стоимость обслуживания трубопровода. В связи с этим ко всем материалам, применяемым для изоляции трубопроводов, предъявляют жесткие требования по соблюдению определенных физико-механических свойств, композиционного состава, геометрических размеров, состоянию поверхности, загрязненности примесями и т.п. Комплекс таких требований входит в технические условия, по которым и поставляют изоляционные материалы.

Изоляционные  материалы для защиты газонефтепроводов  можно подразделить на следующие: полимерные, битумные, лакокрасочные, стеклоэмалевые и др. Покрытия на основе этих материалов называются соответственно полимерными, битумными и т.д.

Изоляционное  покрытие, как правило, многослойное и может состоять из слоев различных  материалов (например, битумно-резиновые) или слоев одного материала (например, покрытие из полимерных лент, порошков или стеклоэмали, не считая грунтовки). Тип и общая толщина изоляционного покрытия зависят от коррозионной активности грунта, характеризующегося определенным значением его электросопротивления, а также от назначения трубопроводов, наличия блуждающих токов и других местных условий.

Применяют нормальный и усиленный тип изоляционных покрытий. Усиленный тип изоляционного  покрытия используют всегда при прокладке  трубопроводов диаметром 1020 мм и более в солончаковых и поливных почвах, на подводных переходах и поймах рек, на переходах через железные и автомобильные дороги и в других осложненных условиях прокладки.

Выбор материала  для изоляционного покрытия определяется комплексом предъявляемых к нему требований. Изоляционное покрытие не должно разрушаться в процессе укладки и засыпки трубопровода и должно надежно защищать его от коррозии в процессе эксплуатации. Поэтому оно должно быть плотным, прочным, обладать хорошей сцепляемостью с материалом трубопровода (адгезией), высокой теплоустойчивостью и морозостойкостью, высоким электросопротивлением, не содержать водорастворимых примесей, быть стойким против насыщения влагой (набухания).

 

 

Классификация изоляционных покрытий трубопроводов

 

Применяемые изоляционные покрытия должны обладать следующими свойствами:

1) водонепроницаемостью, исключающей возможность насыщения пор покрытия почвенной влагой и тем самым препятствующей контакту электролита с поверхностью защищаемого металла;

2) хорошей адгезией (прилипаемостью) покрытия к металлу, что предотвращает отслаивание изоляции при небольшом местном разрушении, а также исключает проникновение электролита под покрытие;

3) быть сплошным, обеспечивающей надежность покрытия, так как даже мельчайшая пористость в покрытии приводит к созданию электролитических ячеек и протеканию коррозионных процессов;

4) химической стойкостью, обеспечивающей длительную работу покрытия в условиях агрессивных сред;

5. электрохимической нейтральностью: отдельные составляющие покрытия не должны участвовать в катодном процессе в противном случае это может привести к разрушению изоляции при электрохимической защите металлического сооружения;

6) механической прочностью, достаточной для проведения изоляционно-укладочных работ при сооружении металлического объекта и выдерживающей эксплуатационные нагрузки;

7) термостойкостью, определяемой необходимой температурой размягчения, что важно при изоляции «горячих» объектов, и температурой наступления хрупкости, что имеет большое значение при проведении изоляционных работ в зимнее время;

8) диэлектрическими свойствами, определяющими сопротивление прохождению тока, предотвращающими возникновение коррозионных элементов между металлом и электролитом и обусловливающими экономический эффект от применения электрохимической защиты;

9) отсутствием коррозионного и химического воздействия на защищаемый объект;

10) возможностью механизации процесса нанесения изоляционного покрытия как в базовых, так и в полевых условиях;

11) быть не дефицитным (широкое применение находят только те материалы, которые имеются в достаточном количестве);

12) экономичностью (стоимость изоляционного покрытия должна быть во много раз меньше стоимости защищаемого объекта).

Очевидно, что  всем этим требованиям не отвечает ни один естественный или искусственный материал, поэтому выбор изоляционного покрытия определяется конкретными условиями строительства и эксплуатации трубопроводов, наличием сырьевой базы, технологичностью процесса нанесения покрытия и т.д., эти условия и определяют диапазон материалов, применяемых в качестве покрытий для стальных труб.

На следующей  странице представлена классификация  изоляционных покрытий трубопроводов. В этой классификации отражены назначения, типы, материалы изоляционных покрытий, способы, поверхности и температура нанесения изоляции и т.д., которые используются в настоящее время или прошли апробацию ранее с положительными или отрицательными результатами.

В настоящее  время трубопроводы в основном изолируются: полимерными ленточными покрытиям; битумными, битум-полимерным, асфальто-смолистыми мастиками с применением полимерных ленточных обёрток; полимерными покрытиями заводского нанесения с изоляцией сварных стыков термоусаживающимися лентами и манжетами.

 

                                                Рис. 1 Классификация изоляционных покрытий

Полимерные  материалы

 

Полимерные материалы - основные и перспективные для изоляции трубопроводов. По сравнению с другими  материалами они обладают рядом  преимуществ: лучшей водостойкостью, большим электросопротивлением и сроком службы, удобством и экономичностью использования. Полимерные материалы применяют в виде полимерных лент в базовых или трассовых условиях или в виде полимерных композиций, наносимых на поверхность труб в порошкообразном или жидком виде в заводских или базовых условиях. Наиболее перспективны заводские покрытия, обеспечивающие высокие эксплуатационные свойства.

                                                                 Рис. 2 Полимерные ленты

 

Полимерные  ленты предназначены для изоляции наземных и подземных трубопроводов диаметром не выше 1420 мм. Они подразделяются на две группы: основные функции защитного покрытия исполняет полимерная пленка, а клей служит для приклеивания этой пленки к трубе; защитной изоляцией является клей, а пленка играет роль подложки и обертки. Имеются также ленты, в которых изоляционными свойствами обладают оба элемента — и полимерная пленка, и клей. Поверх полимерных лент применяют защитные от механических повреждений обертки. Использование полимерных лент упрощает технологию изоляционных работ на базе или трассе, повышает производительность труда по сравнению с использованием битумного покрытия.

Полимерные  ленты применяют с битумно-полимерными, полимерные и даже простыми битумными  грунтовками. На поверхность труб грунтовку наносят распылением или специальными очистными или комбинированными с изоляционными машинами.

                                      Рис. 3 Нанесение грунтовки на трубопровод

 

Для изоляции трубопроводов  изготовляют липкие ленты из поливинилхлорида, пластифицированного специальными добавками, сообщающими ему необходимую эластичность и пластичность. Кроме того, к поливинилхлориду добавляют стабилизаторы, повышающие его стабильность в атмосферных условиях, а также пигменты для его окраски в коричневый или голубой цвет. Некоторые ленты изготовляют с клеевым слоем из бутил-каучуковой композиции. Такие ленты влагоустойчивы, обладают высокими диэлектрическими и защитными свойствами, хорошо противостоят различным растворителям.

 

Рис. 4 и 5 Нанесение полимерных лент в трассовых условиях

Также широко известны изоляционные ленты из полиэтилена. Такая лента обладает высоким  электрическим сопротивлением, лучшей прилипаемостью, меньшим водопоглощением, высокой химической стойкостью, особенно к минеральным кислотам и щелочам, и сохраняет механическую прочность в более широком интервале температур, чем поливинилхлоридные ленты. ленты. Полиэтиленовую ленту можно наносить на трубопроводы при отрицательных температурах, вплоть до -40 ºС. Изготавливают также дублированные полиэтиленовые ленты, обладающие значительно более высокой прочностью и морозостойкостью,а также стабильностью характеристик в широком интервале температур. Их изготавливают валково-каландровым способом.

Для защиты покрытий из полимерных лент от механических повреждений применяют различные рулонные обертки.

 

 

Заводские полимерные покрытия

 

Заводские полимерные покрытия обладают лучшими эксплуатационными  характеристиками по сравнению с  покрытиями, наносимыми на трассе, что  обеспечивает более тщательными проведением технологических операций по изоляции труб в стационарных условиях, а также прогрессивным применением новых технологических процессов и материалов. При этом увеличивается срок службы магистральных трубопроводов, устраняется сезонность выполнения работ, повышаются темпы строительства за счет сокращения операций очистки и изоляции трубы, значительно уменьшается загрязнение окружающей среды при строительстве трубопроводов.

 

        Рис. 6 Нанесение заводского полимерного покрытия                     Рис. 7 Трубы с заводской изоляцией

 

Трубы с заводским  покрытием не разрушается при  гнутье, обладают высокой химической стойкостью. Заизолированые трубы могут  долгое время находиться под открытым небом без заметного изменения свойств. В условиях трассы изолируют только стыки труб. Композиционные составы заводской изоляции и технология её нанесения постоянно совершенствуются. Улучшается также технология изоляции труб и ремонтных изоляционных работ в трассовых условиях.

 

Битумные материалы

 

Для изоляции магистральных  трубопроводов также применяют  специальные изоляционные или строительные твердые нефтяные битумы. Их получают окислением или обработкой паром  остаточных продуктов после прямой перегонки или после крекинга нефти или нефтепродуктов.

Рис. 8 Нанесение битумного покрытия

 

Битум представляет собой твердую, плавкую или вязкожидкую  смесь углеводородов и их неметаллических  производных, хорошо растворимых в  сероуглероде, хлороформе и других органических растворителях. По своей структуре битум - полимерное вещество, имеющее длинные цепи молекул. Этим объясняется его высокая пластичность и эластичность в твердом состоянии. На основе нефтяного битума для изоляции газонефтепроводов изготавливают мастики, грунтовки, рулонные обертки.

 

 

Лакокрасочные материалы

 

Лакокрасочные материалы — поверхностные пленкообразующие покрытия, так как при нанесении  их на какую-нибудь поверхность они  способны высыхать с образованием твердой  эластичной пленки. Их широко применяют  для защиты от коррозии наружной и внутренней поверхности газонефтепроводов, резервуаров, различных подземных, надземных и подводных строительных конструкций и т.д.

Процесс полимерного  пленкообразования на поверхности  труб заключается в переходе растворов  или расплавленных пленкообразователей в аморфное твердое (стеклообразное) состояние. Пленкообразующее покрытие — сравнительно тонкий защитный слой.