Одним из направлений, обеспечивающих надежную защиту труб от внутренней коррозии, является применение силикатно-эмалевых покрытий. Использование их позволяет сохранить в чистоте транспортируемую воду, уменьшить затраты на транспортировку, содержание и техническое обслуживание, значительно увеличить срок службы трубопроводов.

Для применения эмалированных труб в системах горячего водоснабжения силикатно-эмалевые покрытия должны удовлетворять ряду требований:

• обладать химической устойчивостью к горячей воде;
• обеспечивать надежную защиту от внутренней коррозии на весь период эксплуатации труб;
• быть конкурентоспособными по сравнению с другими покрытиями;
• составы покрытий должны быть достаточно дешевыми и недефицитными.

Металлические изделия, покрытые силикатными эмалями во многом превосходят полимерные, гальванические, алюмокерамические покрытия, а также изделия из нержавеющей стали. Например, микротвёрдость стекло-эмалевого покрытия превышает в десятки раз цинконаполненное покрытие, в сотни раз - полиэтиленовое и алюмокерамическое; прочность на растяжение -4-6 раз, а прочность на сжатие в десятки раз выше, чем у сравниваемых видов покрытий.

Комплексная оценка относительной стоимости основных видов антикоррозионных покрытий и длительности срока их службы показывает, что силикатно-эмалевое покрытие имеет наиболее продолжительный срок службы - 50 лет, что в 5 раз превышает срок службы цинконаполненного покрытия; в 3 с лишним раза - полиэтиленового, в 2 раза - алюмокерамического.

ИСПОЛЬЗОВАЕНИЕ ЭМАЛИРОВАННЫХ ТРУБ

Применение эмалированных труб позволяет исключить коррозионное разрушение на наружной и внутренней поверхности нефтегазопроводов, продуктопроводов, теплопроводов, в трубопроводах горячего и холодного водоснабжения. Так, например, они широко используются для предотвращения отложений парафина и соли при добыче и перекачке нефти и нефтепродуктов. Для различных условий эксплуатации имеются различные технологии и методы защиты от коррозии внутренних сварных соединений при строительстве трубопроводов различного назначения с внутренним стеклоэмалевым покрытием.

Силикатная эмаль – затвердевшая, преимущественно стеклообразная, из окислов, неорганическая масса, основой которой является кремнезем, которая одним или несколькими слоями наплавлена на металлическое изделие, например, на стальные трубы и фасонные изделия.

Основой создания силикатных покрытий являются природные силикаты и другие минералы. Поэтому вопрос о количественных соотношениях элементов в пределах земной коры (толщина земли – коры составляет около 16 км) представляет практический интерес. Так, известно, что элементы – кремнезем, алюминий, железо, кобальт, никель, натрий, магний, литий, калий и др. составляет 98% массы земной коры и являются основой для применения в силикатной промышленности. Имеются неограниченные запасы этих нерудных месторождений.

К числу наиболее надежных и универсальных средств защиты металлических изделий от коррозии относится эмалирование, сочетающее прочностные свойства металла – стали с высокой химической устойчивостью силикатных эмалей.

Эмалированию подвергают трубы, аппараты, мешалки, решетки, вентили, клапаны, ванны, мойки, раковины, детали холодильников, газовых плит, посуду, ректификационные колонны до 20 м, реакторы от 50 до 63000 литров, сборники, теплообменники, варочные котлы, автоклавы, железную кровлю, например, в США ведется производство даже целых эмалированных домов.

Силикатную эмаль изготовляют из сравнительно дешевых и доступных материалов. Силикатно-эмалевое покрытие предохраняет металл от коррозии, они устойчивы против кислот и щелочей до температуры 300°С. Благодаря прочности и твердости, покрытия обладают длительным сроком службы. Недостатком является сопротивляемость удару, это в основном относится к наружным покрытиям, однако, можно повысить сопротивляемость к удару за счет применения защитных оберточных материалов.

Силикатные эмали в технике эмалирования различаются на грунтовые, покровные и безгрунтовые. По технике нанесения мокрый (шликерный) и пудровые способы. По способу оплавления на печной и индукционный нагревы. Причем, индукционное оплавление покрытия является приоритетом бывшего Союза и России.

Процесс обжига-оплавления покровных эмалей прост. Они сцепляются с грунтовым покрытием. Напротив, наплавление грунтовых эмалей представляет собой сложный процесс. Если все органические покрытия, адгезия к металлу основаны на клеящейся способности материалов, то при наплавлении грунтовых и безгрунтовых эмалей к металлу адгезия к металлу происходит в период размягчения покрытия за счет окисления металла и термохимического взаимодействия железа и силикатного расплава, в котором находятся активаторы сцепления – оксиды кобальта, никеля, марганца, меди и других элементов при температуре 550-900°С.

На основании служебных свойств силикатно-эмалевых покрытий представляется возможным наметить следующие основные области их применения в энергетическом строительстве.

В трубопроводах химводоочистки:

• кислопроводах;
• щелочепроводах;
• коагулянтопроводах;
• сбросных трубопроводах;
• трубопроводах концентрированных растворов солей;
• фасонных частях и запорно-регулирующей арматуре трубопроводов.

В оборудовании химводоочисток:

• фильтрах разных;
• декарбонизаторах;
• бочках, растворниках, мешалках, дозаторах;
• емкостях и цистернах для перевозки и хранения концентрированных кислот, щелочей и т.п.;
• кислотостойких и щелочестойких насосах;
• смесителях, распределителях потоков;
• энжекторах.

В трубопроводах тепловых сетей, прокладка которых представляет значительный объем в теплоэнергетическом строительстве. Тепловые сети, транспортирующие теплоноситель подвергаются активному воздействию электрохимической, почвенной и биологической коррозии и блуждающих токов. Следовательно, их защита стеклоэмалевыми покрытиями является весьма эффективной.

Это подтверждается работами, проведенными институтами ВНИПИэнергопромом, ОРГРЭС, ВТИ им Дзержинского и др., так, примененные силикатноэмалевые (стеклоэмалевые) покрытия на теплопроводах г. Ленинграда с 1961 года и в г. Москве с 1967 года имеют высокие защитные показатели на теплопроводах, в данное время коррозионные процессы на этих трубах отсутствуют. Поэтому применение их можно рекомендовать как для магистральных, так и для распределительных сетей.

Параметры транспортируемых сред:

• сетевая вода (прямая): р< 25 атм., t>180°С;
• сетевая (обратная): ): р< 10 атм., t>100°С, при различных pH.

В трубопроводах гидрозолоудаления, имеющиеся в отечественной и зарубежной практике данные свидетельствуют не только о высокой коррозионной стойкости стеклоэмалевых покрытий, но и сопротивляемости абразивному износу, наблюдаемому при гидротранспорте сред, содержащих взвешенные частицы (гидрозолоудаление, бетоноводы и др.). В связи с тем, что такие трубопроводы при их подземной прокладке подвержены снаружи воздействию агрессивных сред (почвенной и биологической коррозии и блуждающих токов), двухсторонней электрохимической коррозии и разрушающемуся действию серосодержащих шлаков изнутри стеклоэмалевые покрытия могут быть рациональны. Транспортируемая среда таких трубопроводов – смесь сырой воды с дробленным шлаком, золой и другими наполнителями, загрязненная примесями сернистых соединений с содержанием кислот и щелочей. Диаметры трубопроводов колеблются в пределах от 200 до 600 мм. Параметры среды: p<14 кгс/см; t<60°С, при различных рН.

В станционных:

• трубопроводах - конденсатопроводы диаметром 50 – 400 мм, t<150°С;
• маслопроводы диаметром 50 – 300 мм, р< 40 атм., t<70°С;
• мазутопроводы диаметром 100 – 800 мм;
• трубопроводы циркуляционного и технического водоснабжения и питьевой воды диаметром 50 – 2000 мм, р=2,5─20 атм., t=0+60°С;
• трубопроводы сжатого воздуха диаметром 10 – 100 мм, р=10 – 40 атм.;
• кислородо- и ацетиленопроводы диаметром 10 – 100 мм, р<16 атм., t<40°С;
• станционные трубопроводы низкого давления диаметром 20 - 600 мм, р<16 атм., t<200°С при различных рН;
• конвективные поверхности нагрева котлоагрегатов.

Производство труб и фасонных изделий с силикатноэмалевым покрытием.

В России эмалированные трубы и соединительные детали изготавливаются с двухсторонним и внутренним стеклоэмалевым покрытием в соответствие с требованиями ГОСТ Р 51164-98, СНиП 2.05.06-85, СНиП Ш-42-80, ВСН 088-88, РД 39-132-94 «Правила по эксплуатации, ревизии, ремонту и отбраковке нефтепромысловых трубопроводов», РД 153-34.0-20.158-2003 «Типовая инструкция по защите трубопроводов тепловых сетей от наружной коррозии», технических условий отечественных заводов-изготовителей трубной эмалированной продукции и другими документами, утвержденными в установленном порядке.

В мировой практике производства эмалированных труб используется традиционно известная печная технология эмалирования труб.

В России разработана и внедрена в производство принципиально новая технология индукционного эмалирования труб. Процессы эмалирования осуществляются на промышленных высокопроизводительных технологических поточных линиях. Скорость эмалирования на линиях достигает 1 – 2 м/мин., что примерно в 3 раза снижает затраты времени по отношению к эмалированию в печах.

Для изоляции труб и соединительных деталей используются в основном безгрунтовые силикатно-эмалевые покрытия.

Техническая характеристика безгрунтового силикатно-эмалевого покрытия приведена в таблице.

В зависимости от требований Заказчика трубы диаметрами 57 – 426 мм с заводской изоляцией изготавливаются с двухсторонним, внутренним или наружным силикатноэмалевым покрытием. Сварку труб и защиту внутреннего сварочного соединения от коррозии осуществляют в соответствии с требованиями «Инструкции по строительству, эксплуатации и ремонту трубопроводов с силикатноэмалевым покрытием», разработанной ОАО «ВНИИСТ» и согласованной с Госгортехнадзором РФ.

ОСНОВНЫЕ НЕДОСТАТКИ ТЕХНОЛОГИИ ЭМАЛИРОВАНИЯ ТРУБ В ПЕЧАХ

Современные эмалировочные печи очень громоздки, их высота достигает 30 м и более, они снабжены мощным телескопическим подъемником, кочегарным хозяйством, сложными механическими, гидравлическими и электротехническими установками. Для получения стеклоэмалевого покрытия высокого качества приходится подвергать многократному нагреву совместно с подставками, которые весят не меньше самих изделий, что значительно повышает их стоимость.

Высота обжигательных камер, где эмалируемые изделия расположены вертикально, достигает 9 – 12 м. Поэтому трудно обеспечить равномерный нагрев: у свода печи (перегретые зоны) стеклоэмалевое покрытие легко сгорает, у пода же (недогретые зоны) покрытие остается сырой. В обжигательных печах для нагрева эмалируемых изделий в зависимости от их размеров требуется от 30 мин. до 2 часов.

При эмалировании в печах к обрабатываемым конструкциям предъявляются особые требования: повышенная жесткость изделия, одинаковая толщина стенок по всей поверхности, соответствие габаритов изделий размерам печных камер.

ИНДУКЦИОННЫЙ МЕТОД ЭМАЛИРОВАНИЯ ТРУБ

Индукционный метод эмалирования исключает все перечисленные ограничения, предотвращает образование дефектов, значительно снижает стоимость эмалирования, улучшает качество стеклоэмалевых покрытий. Сущность метода в том, что для нагрева эмалируемого металла и расплавления эмалевого шликера применяется энергия электромагнитного поля, создаваемого токами повышенной или обычной промышленной частоты. При этом используется явление электромагнитной индукции.

Закон электромагнитной индукции использован для бесконтактной и строго направленной передачи электрической энергии в ту или иную часть эмалируемого изделия, а также с целью получения тепла непосредственно в эмалируемом металле. Концентрация электромагнитной энергии и передача ее в заданную зону изделия для его нагрева достигается путем применения соответствующих индукторов, снабженных в случае необходимости магнитопроводами и экранами. Индуктированный ток, а, следовательно, и тепло, выделяющееся в металле за счет джоулевых потерь, могут быть сосредоточены в отдельных зонах изделия любой конфигурации со стенками разной толщины.

Использование индукционного нагрева позволило перевести процесс формирования стеклоэмалевого покрытия из закрытых камер обжигательных печей на открытые платформы механических станков автоматического действия.

Принцип индукционного эмалирования заключается в следующем. Обжигательная печь заменяется станиной и компактным индуктором, который последовательно обходит эмалируемую поверхность и постепенно оплавляет шликерный слой. Индуктор, не касаясь трубы, остается параллельным эмалируемой поверхности. Во время движения трубы сквозь кольцо индуктора ток, проходящий по нему, создает быстропеременное электромагнитное поле, индуктирующее в трубе вихревые токи, которые за несколько секунд нагревают ее до 900°С. При этом шликер, нанесенный внутри и снаружи трубы, оплавляется, образуя стеклоэмалевое покрытие.

Гибкая и точная дозировка тока обеспечивает в зоне нагрева постоянную температуру оплавления. Быстрый нагрев предотвращает вскипание эмали и образование пузырей, нарушающих структуру покрытия. При эмалировании на станках-автоматах продолжительность нагрева металла значительно сокращается. Стеклоэмалевое покрытие оплавляется в течение нескольких секунд. Большая скорость нагрева исключает обильное выделение пузырьков, наполненных газом.

Для скоростного индукционного эмалирования труб разработаны рецептуры грунтовых, покровных и безгрунтовых эмалей. При промышленном производстве эмалированных труб в основном используются безгрунтовые эмали, которые используются в качестве антикоррозионной защиты внутренней поверхности трубопроводов. Фасонные изделия эмалируются в печах.

ЭМАЛИРОВАНИЕ И АЛЮМОКЕРАМИЧЕСКИЕ ПОКРЫТИЯ СТАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ.

В настоящее время эмалированные трубы производятся на двух предприятиях России – «НЕГАС» (Пенза) и «АКОР» (Ульяновск). В Ульяновске осуществляется покрытие стальных труб алюмокерамическим покрытием.

За время существования предприятия «НЕГАС» было изготовлено более 23 тыс. км эмалированных труб, которые в основном использовались мелиоративных систем и трубопроводов хозяйственно-питьевого назначения.

В настоящее время интерес представляет решение различных задач эмалированными трубами в нефтяной промышленности. Добыча нефти часто связана с необходимостью проведения кислотной обработки прибойной зоны пласта, с закачкой в пласт высокоминерализованной воды для поддержания пластового давления, абразивно-коррозионных износов, сопровождаемых поступлением песка из пласта. Все перечисленное, а также рост обводненности продукции скважины, приводит к возрастанию проблемы борьбы с коррозией и, как следствие, к решению экологических проблем. Помимо этого добыча нефти при определенных условиях приводит к необходимости решения проблемы солее- и парафиноотложения.

Главной причиной высокой аварийности на промысловых нефтепроводах и водоводах является отсутствие покрытий, защищающих от коррозии внутреннюю поверхность труб, и приводит к образованию большого количества сквозных коррозионных повреждений, приводящих к значительным утечкам экологических жидкостей, в особенности на водоводах пластовых вод. В результате предложенный срок эксплуатации нефтепроводов и водоводов существенно сократился, а на отдельных участках сквозные коррозионные повреждения возникают через несколько месяцев после их замены.

Защита внутренней поверхности труб, покрытых эмалью, предотвращает соле- и парафиноотложения, защищает от абразивного износа. Уменьшающиеся при этом потери давления на трение приводят к снижению забойного давления, а, следовательно, и к увеличению дебита нефти.