Влияние воды на сталь
Обновлено: 07.05.2024
Довольно распространенным обстоятельством для оцинкованной стали является ее взаимодействие с водой. Влага оказывает сильное коррозионное воздействие на большинство металлов, включая железо и цинк. Несмотря на сложность прогнозирования коррозии, горячее цинкование металла является одним из лучших способов защиты от коррозии для подобных металлоконструкций из-за его полного и равномерного покрытия. По аналогии с цинковой патиной в атмосферных условиях, в некоторых жидких средах цинковое покрытие приобретает пассивную пленку на поверхности, замедляя скорость коррозии.
Также как и в почве, прогнозировать скорость коррозии металла в воде довольно трудно. Многие параметры влияют на коррозию металлов в водной среде, в том числе уровень рН, содержание кислорода, температура воды, течение, присутствие ингибиторов, а также условия приливов и отливов. Первым шагом в решении вопроса долговечности оцинкованной стали является правильное покрытие для металлоконструкций, чтобы определить, какой тип воды будет использоваться. Вода может быть разделена на несколько различных типов: чистая вода (например, дистиллированная вода), пресная вода или морская вода и каждый из них имеет различные механизмы, которые определяют максимальную скорость коррозии.
Чистая вода
Чистая или дистиллированная вода, как правило, очень агрессивна по отношению к цинковому покрытию из-за присутствия растворенного кислорода и углекислого газа. Скорость коррозии стали растет с аэрацией чистой воды. Растворенный кислород в чистой воде усиливает скорость коррозии в пять-десять раз в сравнении с уголекислотой.
Пресная вода
Цинкование успешно используется для защиты стали, которая контактирует с пресной водой. Пресная вода относится ко всем формам воды, кроме морской воды. Такая вода может быть классифицирована в соответствии с ее происхождением или применением. Сюда входят такие типы воды как горячая и холодная бытовая вода, промышленные воды, речная, озерная и вода каналов. Коррозия цинка в пресной воде представляет собой сложный процесс, контролируемый в основном примесями в воде. Даже дождевая вода содержит кислород, азот, углекислый газ и другие растворенные газы, в дополнение к частицам пыли и дыма.
В грунтовых водах зачастую присутствуют микроорганизмы, продукты эрозии почвы, гниющая растительность, растворенные соли кальция, магния, железа и марганца, и взвешенных коллоидных веществ. Все эти вещества и другие факторы, такие как рН, температура и движение воды влияют на структуру и состав продуктов коррозии, образующихся на открытой поверхности цинка.
Относительно небольшие различия в содержании пресной воды или условиях контакта может привести к сравнительно существенным изменениям в скорости коррозии оцинкованной стали. Таким образом, не существует простого правила, регулирующего скорость коррозии цинка в пресной воде. Тем не менее, некоторые исследования показывают, что жесткая вода гораздо меньше влияет на скорость коррозии стали, чем мягкая вода. В условиях умеренной или высокой жесткости воды, естественный масштаб нерастворимых солей имеет тенденцию к образованию на оцинкованной поверхности. В сочетании с цинком они образуют защитный барьер карбоната кальция и основного карбоната цинка, которые замедляют скорость коррозии.
Самыми существенными факторами, влияющими на скорость коррозии цинка в пресной воде, являются растворенные газы, минеральный уровень жесткости и скорость потока.
Газы: больше кислорода означает, что больше продуктов коррозии образуется на поверхности цинка, которые увеличивают ее скорость. По этой причине, полное погружение в воду оцинкованных металлоконструкций лучше, чем частичное погружение, так как под водой меньше кислорода. Средние и нижние слои воды, как правило, имеют более низкое содержание растворенных частиц кислорода, поэтому коррозия является низкой, в то время как поверхностные воды и источники имеют более высокие коррозионные показатели.
Жесткость: в жесткой воде при контакте с оцинкованным металлом образуется карбоната цинка, который, в отличие от оксида цинка, не растворяется в воде. Карбонатные отложения цинка на поверхности цинка создают пассивную пленку, замедляя коррозию. Чем мягче вода, тем ниже процент содержания карбоновых солей; поэтому, мягкая вода является более коррозионной, чем вода жесткая.
Скорость потока: более высокие скорости потока имеют тенденцию к увеличению коррозии, так как он действует аналогично ветру при атмосферном воздействии — это означает повышенный абразивный износ.
Оцинкованные покрытия и морская вода
Оцинкованные покрытия обеспечивают значительную защиту стали, погруженную в морскую воду и подвергнутую воздействию солевого тумана. Факторы, влияющие на коррозию цинка в пресной воде, также применяются к морской воде.
Температура: Чем теплее вода, тем выше атака на цинк из-за реакции между кислородом и цинком, которая происходит быстрее при более высоких температурах. Поэтому в тропическом климате морская воде гораздо более коррозионная, чем морская вода умеренного климата. Умеренные морские воды имеют цикл замораживания, и часто менее агрессивных по отношению к оцинкованной стали, чем даже пресная вода.
Ионизация: При умеренной температуре существует образование форм солей цинка с магнием и кальцием, которые не растворимы в воде. Эти пассивные соединения образуют на поверхности цинка, препятствующего коррозии металла от реакции с кислородом и хлоридами, и замедляют скорость коррозии. Тропические воды имеют тенденцию к затруднению развития этих соединений, поскольку чем холоднее температура, тем лучше их образование.
Учитывая высокий уровень содержания хлоридов в морской воде, можно было бы ожидать очень высокой скорости коррозии цинка. Тем не менее, присутствие ионов магния и кальция в морской воде оказывает сильное ингибирующее действие на коррозию цинка в этом типе окружающей среды. При ускоренных лабораторных испытаниях иногда используют солевой раствор (NaCl), чтобы имитировать эффекты воздействия морской воды на оцинкованную сталь. Реальные результаты часто существенно отличаются от ускоренных лабораторных испытаний.
В воде
Исследование влияния природной пластовой воды на коррозию стальных труб, применяемых при строительстве и эксплуатации нефтедобывающих скважин (на примере Юрубчено-Тохомского месторождения)
Ключевые слова:солеобразование, отложение солей, коррозия, факторы коррозии, влияние природной пластовой воды
Проблема коррозии металлических труб остро стоит в области бурения и эксплуатации нефтедобывающих скважин. Технический прогресс тормозится из-за ряда нерешенных проблем с коррозией. В результате коррозии ежегодно теряются десятки миллионов тонн металлов, приходит в негодность огромное количество аппаратуры, оборудования, приборов, инструментов.
Широко применяемые в настоящее время методы разработки нефтяных месторождений с поддержанием пластового давления могут приводить к осложнениям в добыче нефти, которые связаны с отложением твердых осадков неорганических солей, накапливающихся на стенках труб.
Важнейшей задачей в нефтяной промышленности является повышение эффективности добычи нефти. Одно из существенных направлений в решении этой проблемы — решение задачборьбы с отложениями неорганических солей при эксплуатации скважин. Образование отложений солей приводит к снижению продуктивности скважин, преждевременному выходу из строя глубинного насосного оборудования, внеплановым текущим и дорогостоящим капитальным ремонтам скважин и, как следствие, значительному ухудшениютехнико-экономических показателей нефтегазодобывающих предприятий.
Самыми распространенными факторами, влияющими на техническое состояние и срок службы стальных труб, являются коррозионно-агрессивное влияние скважинной среды и циклические нагрузки, которые испытывают трубы в процессе эксплуатации.
Химический состав пластовых вод нефтяных и газовых месторождений разнороден и классифицируется по характерным признакам. Состав и свойства пластовых вод в процессе разработки месторождений изменяются и зависят от снижения давления и температуры, а также от контакта с другими пластовыми водами, что приводит к дегазации и нарушению ионного обмена.
Природная пластовая вода содержит в себе множество различных солей и их соединений. Эти соли могут оседать на стенках труб, иными словами — солеобразование представляет собой отложения, закупоривающие перфорационные каналы, обсадные и эксплуатационные колонные НКТ, клапаны, засоряя, таким образом скважину и препятствуя потоку жидкости. [1]
К основным причинам отложения солей можно отнести следующие факторы:
‒ изменение химического состава воды, при смешивании вод различных типов.
‒ Плотные (до 5 мм)
‒ Плотные, с выпадением кристаллов среднего размера (15–18 мм)
‒ Плотные крупнокристаллические (до 25 мм)
Максютин А.В [2] называет следующие причины отложения солей:
Скорость и объем выпадения солей зависит от ряда факторов:
‒ первоначальной солевой насыщенности пластовой воды;
‒ типа ионов в пластовой воде;
‒ режимов эксплуатации добывающих скважин и способов добычи скважинных флюидов;
‒ совместимости пластовых вод различных продуктивных пластов;
Рис. 1. Солеобразование в эксплуатационной колонне
Солевой осадок в эксплуатационных колоннах НКТ может встречаться в виде толстого слоя, плотно прилегающего к их внутренней поверхности. Зачастую он имеет толщину в несколько сантиметров и имеет кристаллы диаметром до 1 см и более. Первичный эффект роста солевых отложений заключается в том. что скорость добычи снижается за счет увеличения неровности поверхности труб, при этом в них снижается диаметр протока. Солеотложение крайне негативно влияет на безопасность эксплуатации стальных труб.
Так же эти соли могут привести к различного вида коррозии.
Коррозию различаю по прямым и косвенным показателям.
‒ убыль или увеличение массы, отнесенные к единице поверхности;
‒ доля поверхности, занятая продуктами коррозии;
‒ количество коррозионных язв или точек, на единице поверхности;
‒ объем выделившегося с единицы поверхности водорода или поглощенного кислорода;
‒ время до появления первого очага коррозии;
‒ время до появления коррозионной трещины или до полного разрушения образца;
‒ величина тока коррозии.
Косвенные показатели. После определенного времени коррозионных испытаний степень коррозионного разрушения можно определить по изменению:
По скорости протеканию коррозию можно разделить на 3 типа:
1) Мало подвержены разрушению (до 0.1мм / год)
2) Среднекоррозионные (до 0.5 мм / год)
3) Агрессивные (более 0.5 мм / год)
Факторы влияющие на скорость коррозии можно разделить на две группы:
Внутренние факторы. К внутренним факторам, влияющим на скорость коррозии, относятся химический состав, структура, внутренние напряжения и состояние поверхностии металла. Чистые металлы при прочих равных условиях менее подвержены коррозии, чем сплавы.
Менее других подвержены коррозии сплавы, имеющие структуру твердого раствора.
Внутренние напряжения материала способствуют коррозии его наклепанный материал разъедается больше, чем материал с нормальной структурой. Наличие внутренних напряжений и наклеп способствуют образованию гальванопар.
Чем ровнее поверхность металла, тем меньше он корродирует. При повреждении поверхности металл начинает корродировать быстрее. Причиной этого является то обстоятельство, что гладкая поверхность лучше покрывается защитной пленкой.
Внешние факторы. К внешним факторам, влияющим на скорость коррозии, относятся действие на металла окружающей среды: воды, кислот, щелочей, солей и газов, а также температура окружающей среды. [4]
Целью настоящей работы является исследование влияния природной пластовой воды на коррозию стальных труб, применяемых при строительстве и эксплуатации нефтедобывающих скважин (на примере Юрубчено-Тохомского месторождения).
В работе решаются следующие задачи:
- Анализ влияния природной пластовой воды на протекание коррозии. Факторы, влияющие на коррозию стали.
- Исследование влияния природной пластовой воды, на коррозию стальных труб.
- Результаты испытания сталей.
Юрубчено-Тохомское крупное нефтегазоконденсатное месторождение в России. Расположено в Красноярском крае, в 280 км к юго-западу от п. Тура. Открыто в 1982 году. Освоение началось в 2009 году.
По системе геологического нефтегазового районирования Юрубчено-Тохомское месторождение расположено в пределах Байкитской нефтегазоносной области в составе Лено-Тунгусской нефтегазоносной провинции. В тектоническом отношении местрождение приурочено к центральной части Камовскоого свода Байкитской антеклизы. Нефтегазоносность связана с карбонатными и терригенными (песчаники) отложениями вендского и рифейского возрастов. Извлекаемые запасы Юрубчено-Тохомского месторождения составляют по категории С1–64,5 млн тонн нефти, С2–172,9 млн тонн, газа (С1+С2) — 387,3 млрд кубометров. Плотность нефти составляет 0,850 г/см3 или 34° API. Содержание серы составляет 0,2 %. Содержание парафина составляет 1 %. [5]
С данного месторождения была взята природная пластовая вода(СКВ № 76 Юрубченская пл., 2500–2504м) и проанализирована в лаборатории. В результате был составлен отчет, в котором был указан подробный состав солей и другая информация.
Отчет осоставе пластовой воды
Компонент
Метод анализа
Чувст-ть метода, мг/дм 3
НД на МВИ
Концентрация, мг/дм 3
Морская коррозия
Морская вода является хорошо аэрированным (4-10 мг/л О2) нейтральным (рН = 7,3-8,6) электролитом с высокой электропроводностью (γ=0,5-6,7 См/м), обусловленной наличием солей от 2 (воды заливов, моря в местах впадения рек) до 40%. Средняя соленость открытых морей и океанов составляет 35%.
Солевой состав морской воды включает в себя в основном хлориды и сульфаты натрия, магния, кальция и калия. Благодаря большому содержанию хлоридов морская вода характеризуется высокой способностью к депассивации металлов. Морская коррозия металлов протекает по электрохимическому механизму преимущественно с кислородной деполяризацией и смешанным диффузионно-кинетическим катодным контролем.
Для разрушения металлов в морской воде характерно наряду с общей равномерной коррозией наличие разрушений в виде язв и питтинга. Средняя скорость коррозии стали в морской воде, рассчитанная по потере массы, составляет от 0,05 до 0,20 мм/год, а язвенной коррозии — до 1 мм/год. Холодное цинкование в среднем имеет скорость коррозии около 0,02 мм/год
На скорость коррозии металлов в морской воде оказывает влияние ряд факторов. Общая соленость морской воды не сильно влияет на интенсивность коррозионного процесса, в то время как некоторые отклонения от обычного состава, например, наличие сероводорода или различных загрязнений могут в несколько раз увеличить скорость коррозии.
Движение морской воды увеличивает скорость доставки кислорода к катодным участкам поверхности металла, а отсюда и скорость коррозии большинства металлов. В то же время для коррозионностойких сталей увеличение диффузии кислорода приводит к усилению пассивации поверхности и защите от питтинга.
При еще более значительных скоростях движения как морской, так и пресной воды могут появиться коррозионно-эрозионные разрушения, когда электрохимическая коррозия сильно ускоряется вследствие разрушения потоком воды защитной пленки на металле (пленки пассивности или продуктов коррозии). К таким разрушениям особенно склонны цинк, алюминий, медь и медные сплавы.
При очень быстром движении воды наблюдается коррозионная кавитация, когда наряду с коррозионным процессом происходит механическое разрушение металла ударным воздействием воды при смыкании вакуумно-паровых пузырьков. Скорости коррозионной кавитации могут достигать десятков миллиметров в год.
Температура воды двояко влияет на скорость коррозии: с одной стороны, повышение температуры ускоряет диффузию кислорода и реакции на анодных и катодных участках, а, с другой стороны, уменьшает растворимость кислорода, а отсюда и скорость коррозии.
Поэтому зависимость скорости коррозии от температуры воды имеет вид кривой с максимумом, соответствующим различным температурам при различных условиях (тип сплава, состав воды, возможности сохранения кислорода в закрытых системах и т.п.).
Металлический контакт разнородных металлов в морской воде приводит к усилению коррозии более электроотрицательного металла и снижению (или подавлению) коррозии более положительного металла. Заключение о коррозионном поведении контакта различных металлов можно сделать на основании сопоставления их стационарных потенциалов в данной среде. При неправильном выборе контактирующих металлов и отсутствии средств защиты возникает опасность весьма значительных коррозионных повреждений.
На интенсивность коррозии металлов в морской воде может оказать влияние обрастание поверхности морскими организмами (биокоррозия). На коррозию углеродистых и низколегированных сталей обрастание не оказывает особо заметного влияния, причем коррозия может при этом как усиливаться (при наличии сульфатредуцирующих бактерий, возникновении пар дифференциальной аэрации), так и уменьшаться (вследствие снижения содержания кислорода и кроющего действия обрастателей).
Влияние обрастания на коррозию нержавеющих сталей, алюминиевых и медных сплавов также неоднозначно, но в целом преобладает отрицательное влияние. Объясняется это тем, что эти материалы склонны к щелевой коррозии в зазорах, образуемых обрастателями, и к усилению коррозии при нарушениях сплошности пассивной пленки в связи с уменьшением содержания кислорода.
Резкое усиление коррозии металлоконструкций в морской воде, иногда в десятки раз, может иметь место в зоне действия блуждающих токов или токов утечки, когда поверхность металла подвергается сильной анодной поляризации под действием стекающего тока.
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Коррозионное воздействие воды представляет собой опасность для незащищенных металлических труб, сосудов и другого оборудования. Коррозионное воздействие увеличивается при добавке в воду смачивателей, пенообразователей и антифризов. Для предотвращения образования коррозии сосуды покрывают внутри защитным слоем ( например, коррозионноустойчивыми пластмассами) или в воду вводят ингибиторы коррозии. [1]
Коррозионное воздействие воды представляет собой опасность для незащищенных металлических труб, сосудов и другого оборудования. Коррозионное воздействие увеличивается при добавке в воду смачивателей, пенообразователей и антифризов. Чтобы предотвратить коррозию, сосуды покрывают внутри защитным слоем ( например, коррозионноустойчивыми пластмассами) или в воду вводят ингибиторы коррозии. [2]
Силикаты уменьшают коррозионное воздействие воды на железобетонные конструкции. Силикатирование почвы, осуществляющееся нагнетанием раствора силиката в слой почвы, прилегающий к железобетону, предохраняет от коррозии железную арматуру. [3]
Силикаты могут также уменьшить коррозионное воздействие воды на железобетон в подземных условиях. Силикатирование почвы, достигающееся нагнетанием раствора силиката в слой почвы, прилегающий к бетону, предохраняет его от коррозии и уменьшает водопроницаемость почв. [4]
Он практически не подвержен коррозионному воздействию воды и водных растворов солей. Сам по себе и в составе сплавов на основе Fe этот металл обладает повышенной сопротивляемостью воздействию серной кислоты невысоких концентраций. Благодаря данному свойству Ni были разработаны стали, имеющие высокую коррозионную стойкость в серной и фосфорной кислотах различных концентраций при повышенных температурах, что позволило создать новые процессы производства ряда продуктов в химической и нефтехимической промышленности. [5]
Углеродистая сталь до некоторой степени подвергается коррозионному воздействию воды уже при низкой температуре. Но при температуре между 225 С и точкой насыщения при первоначальном парообразовании из слабощелочного раствора на поверхности образуется пассивирующая магнетитовая пленка, которая обладает защитными свойствами в чистой воде в отсутствие кислорода. В то же время примеси воды, появляющиеся в паровой фазе в основном из-за протечек конденсатора, могут привести к серьезному ухудшению условий работы испарительного участка парогенератора. [6]
В реальных условиях эксплуатации конструкционные материалы технологического оборудования химических заводов испытывают коррозионное воздействие воды не только вследствие наличия в ней молек ляпного кислопода но и угольной кислоты и. Следует отметить, что некоторые виды микробиологической коррозии наблюдаются в отсутствие кислорода, так как он потребляется при ее развитии. [7]
При обработке воды ингибиторами следует различать три случая: первый - огда требуется лишь уменьшить коррозионное воздействие воды на трубопроводы и аппаратуру; второй - когда основным требованием является уменьшение образования накипи; третий ( встречающийся чаще всего на практике) - когда требуется не только уменьшить агрессивные свойства воды, но и позаботиться о том, чтобы на водопроводах не образовывались в большом количестве карбонатные отложения, а на теплообменной аппаратуре накипь. [8]
Эти топливорастворимые соединения предохраняют оборудование для хранения и перекачки топлив и топливные коммуникации двигателей от коррозионного воздействия воды , всегда сопутствующей топливу. [9]
Срок службы фильтра любой системы короче срока службы обсадных труб, так как он подвергается более интенсивному коррозионному воздействию воды и механическому износу. Кроме того, он может обрастать известковыми, железистыми и другими отложениями. Сетчатые фильтры могут изнашиваться в течение четырех-шести лет, особенно когда применена латунная сетка, которая с железной трубой образует гальваническую пару, что способствует коррозии фильтра ( рис. 15) и зарастанию ее отложениями. [10]
Исследованиями способов устранения накипеобразова-ния в системах охлаждения, выполненными в ХИЭИ в 1959 г., установлено, что коррозионное воздействие воды в результате магнитной обработки значительно ослабевает. При этом не только уменьшается количество отложений и ржавчины, но изменяется и цвет металлических поверхностей. Последние покрыты накипью желто-коричневого цвета или ржавчиной при отсутствии магнитной обработки воды, в то время как при магнитной обработке налет рыхлых частиц имеет серый цвет, а свободная металлическая поверхность - темно-серый или черный. [11]
При оценке характеристики вод и определения их свойств проводят анализы на общую минерализацию воды и ее жесткость, содержание шести основных компонентов для отнесения исследуемой воды к определенному типу, концентрацию водородных ионов, газосодержание, бактериологическое и микробиологическое содержание, а также по определению некоторых физических свойств - температуры, плотности, запаха, вкуса, цвета, прозрачности, коэффициента поверхностного натяжения. Коррозионное воздействие воды на конструкционные материалы зависит от общей минерализации. [12]
Обычные вододисперсионные лакокрасочные материалы из-за коррозионной активности воды непригодны для окрашивания черного металла. Совмещение их с ингибиторами, подавляющими коррозионное воздействие воды , позволило и этими материалами окрашивать черные металлы, причем покрытия, сформированные из них, проявляют высокую защитную способность. [13]
Природные воды северных районов с низкими величинами щелочности и рН отличаются повышенной коррозионной агрессивностью по отношению к трубопроводам и конструкциям из бетона и черных металлов. В сточных водах могут присутствовать разнообразные соединения, усиливающие коррозионное воздействие воды на бетон и металлы. [14]
В производстве фильтров применяются различные материалы: сталь, нержавеющая сталь, бетон, пластические массы и стеклопластики. В настоящее время большинство фильтров делают из металла, который разрушается под коррозионным воздействием воды . При этом необходимо различать два вида коррозии: электрохимическую, обусловленную действием микрогальванических пар, и биологическую, вызванную жизнедеятельностью бактерий. [15]
Читайте также: