«СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ И НАНЕСЕНИЯ ПОЛИУРЕТАНОВЫХ ПОКРЫТИЙ НА ТРУБНЫЕ УЗЛЫ СЛОЖНОЙ КОНФИГУРАЦИИ ...»

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

УХТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

КОЗЛОВ ДМИТРИЙ ИГОРЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ

И НАНЕСЕНИЯ ПОЛИУРЕТАНОВЫХ ПОКРЫТИЙ

НА ТРУБНЫЕ УЗЛЫ СЛОЖНОЙ КОНФИГУРАЦИИ

Специальность – 25.00.19 – Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н. А.С. Кузьбожев Ухта –

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 1 Обзор и анализ состояния вопроса диагностирования защитного покрытия соединительных деталей и запорной арматуры 1.1 Виды и конструкции защитных покрытий соединительных деталей и запорной арматуры 1.2 Технология нанесения защитных покрытий 1.3 Современные полиуретановые покрытия, применяемые при строительстве магистральных трубопроводов 1.3.1 Анализ свойств полиуретанового покрытия марки «Уризол»

соединительных деталей и запорной арматуры магистральных трубопроводов 1.3.2 Анализ защитной способности и устойчивости покрытия марки «Кортекор» в условиях низких температур 1.3.3 Анализ нормативных требований к защитным покрытиям соединительных деталей и запорной арматуры 1.3.4 Анализ нормативных требований к транспортировке и хранению соединительных деталей и запорной арматуры с защитными покрытиями 1.4 Обзор и анализ способов диагностирования защитного покрытия 1.4.1 Определение адгезионной прочности сцепления покрытия со сталью методом нормального отрыва 1.4.2 Контроль толщины покрытия 1.4.3 Оценка сплошности покрытия электроискровым методом 1.4.4 Акустический контроль сплошности покрытия 1.5 Постановка цели и задач диссертационной работы 2 Исследование особенностей поведения защитных покрытий фасонных изделий в условиях атмосферного хранения 2.1 Общая статистика по дефектам покрытия соединительных деталей и запорной арматуры 2.2 Влияние климатических условий районов Крайнего Севера на защитную способность полимерных покрытий 2.3 Повышение морозоустойчивости полиуретановых покрытий эксплуатирующихся в условиях Крайнего Севера 2.4 Прогнозирование климатической устойчивости защитных покрытий 3 Результаты экспериментального исследования и анализа неоднородности толщины защитного покрытия фасонных изделий 3.1 Цели и задачи анализа диагностирования защитных покрытий 3.2 Напряженно-деформированное состояние покрытий трубных узлов сложной конфигурации 3.3 Методика расчета напряженно-деформированного состояния защитного покрытия тройникового узла с применением программного пакета Ansys Mechanical 3.3.1 Постановка задачи расчета 3.3.2 Ввод исходных данных 3.3.3 Тепловой расчет исходной модели 3.3.4 Прочностной расчет исходной модели 3.4 Характеристики объектов диагностирования 3.5 Методика диагностирования состояния покрытия 3.5.1 Методика диагностирования защитного покрытия тройников 3.5.2 Методика диагностирования защитного покрытия корпуса запорной арматуры 3.5.3 Методика диагностирования защитного покрытия крутоизогнутого отвода 3.6 Анализ результатов диагностирования защитных покрытий тройников 3.7 Анализ результатов диагностирования защитных покрытий шаровых кранов 3.8 Анализ результатов диагностирования защитных покрытий 3.9 Анализ результатов статистической обработки толщины покрытия 4 Разработка требований к технологии трассового нанесения и ремонта защитного покрытия запорной арматуры и соединительных деталей 4.1 Общие требования к технологии трассового нанесения покрытия на 4.2 Разработка порядка и очередности нанесения покрытия на узлы 4.3 Оптимизация траектории движения инструмента при нанесении 4.4 Требования к технологии нанесения покрытия на криволинейные 4.5 Требования к технологии нанесения покрытия особых

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Для предотвращения развития коррозионных повреждений внешние поверхности соединительных деталей и запорной арматуры магистральных трубопроводов покрываются защитными полиуретановыми покрытиями. Длительная устойчивость защитных покрытий к воздействию внешних факторов закладывается на этапах подготовки исходных компонентов покрытий, подготовки поверхностей изделий перед нанесением, нанесения покрытий.

К показателям, характеризующим качество нанесения защитного покрытия, относятся адгезионная прочность, отсутствие внутренних напряжений в покрытии, характеристики механических свойств и толщина покрытия.

Несоответствие показателей нормативным требованиям способствует снижению срока эксплуатации покрытия, а также снижает его способность воспринимать внешние нагрузки без развития повреждений. Нарушение технологии нанесения покрытия снижает его способность воспринимать внешние нагрузки, способствует развитию повреждений покрытий при хранении на открытых площадках. К повреждениям покрытия, формирующимся при хранении трубных изделий, относятся растрескивание и отслаивание на участках поверхности, характеризуемых сложностью формы.

Впоследствии при строительстве трубопровода, при монтаже соединительных деталей или запорной арматуры, атмосферные повреждения могут получить развитие под действием теплового поля, формируемого в металле изделия при сварке. Температурные деформации, возникающие в покрытии, могут способствовать его отслаиванию, причем данный процесс будет характерен преимущественно для поверхностей со сложной геометрией.

Современная технология нанесения покрытия на поверхности фасонных изделий, реализуемая на предприятиях, не позволяет обеспечить равномерного распределения наносимых слоев покрытия, соответственно, переизбыток или недостаток материала на определенных участках покрытия будет снижать качество его нанесения, и приводить к снижению эксплуатационных характеристик.

Поэтому совершенствование методов нанесения полиуретановых покрытий на трубные узлы сложной конфигурации является актуальной задачей.

Цель работы: Совершенствование методов диагностирования и нанесения полиуретановых покрытий на трубные изделия сложной конфигурации.

Задачи исследования:

– на основании обзора и анализа выполнить выбор и обоснование оптимальных способов диагностирования покрытий соединительных деталей и запорной арматуры на этапе атмосферного хранения;

– разработать классификацию характерных дефектов защитного покрытия фасонных изделий, возникающих на этапе хранения, на основании которой будет выполняться прогноз изменения климатической устойчивости покрытий;

– разработать рациональные схемы диагностирования состояния защитных покрытий фасонных изделий с учетом особенностей их геометрии и хранения;

– разработать рациональные схемы нанесения покрытия на трубные детали магистральных трубопроводов с учетом характеристик применяемого оборудования.

Научная новизна:

Выявлены закономерности ухудшения климатической устойчивости защитных покрытий фасонных трубных изделий с удалением баз хранения в северном направлении с максимальным приростом дефектов до 20% на 580 – северной широты, при этом максимально допустимый срок атмосферного хранения изделий с покрытием составляет 2,7 – 4,3 года с ошибкой прогнозирования ±10%;

Выявлены закономерности в неравномерности распределения толщины защитного покрытия фасонных изделий с максимальным коэффициентом вариации толщины покрытия 32,7% для шаровых кранов, на основании которых введена балльная система оценок необходимости проведения дополнительного контроля на отслаивание защитного покрытия трубных изделий с превышением граничного значения коэффициента вариации толщины покрытия более 33%, позволяющая оптимизировать объемы детального контроля покрытий на отслаивание;

Выявлены индивидуальные закономерности в траекториях движения инструмента для распыления покрытия и параметрах применяемого оборудования с однородностью толщины покрытия трубных изделий, позволяющие предложить рациональные схемы нанесения покрытия, обеспечивающие однородность толщины покрытия трубных изделий с коэффициентом вариации не более 14%.

Защищаемые положения:

– выявление новых закономерностей нарушения защитных покрытий фасонных изделий в зависимости от мест размещения площадок их хранения, позволяющие определить максимально допустимый срок атмосферного хранения изделий с покрытием;

– экспериментальное обоснование корреляционных связей участков поверхности покрытий фасонных изделий со склонностью к образованию дефектов, позволяющее оптимизировать объемы детального контроля покрытий трубных изделий на отслаивание;

– рациональные схемы нанесения покрытия при проведении восстановительного ремонта покрытий фасонных изделий, обеспечивающие однородность толщины покрытия с коэффициентом вариации не более 14%.

Практическая значимость работы заключается в разработке стандарта организации ООО «Газпром трансгаз Ухта» «Рекомендации по контролю и мониторингу состояния защитных покрытий труб, запорной арматуры, соединительных деталей, настройке ЭХЗ МГ при эксплуатации в нестабильных мерзлых грунтах», регламентирующего использование разработанных методик при диагностировании и ремонте защитных покрытий заводского нанесения на запорной арматуре и фасонных изделиях. Разрабатываемые предложения и рекомендации по совершенствованию технологии диагностирования и нанесения защитных покрытий трубных узлов позволят устранить условия для развития повреждений покрытий, не допустить развития коррозионных повреждений, обеспечить надежность эксплуатации трубопроводов. Разработанные рекомендации внедрены в ходе строительства газопровода Бованенково – Ухта, а также на площадках временного хранения труб в структурных подразделениях ООО «Газпром трансгаз Ухта». Эффективность методов определяется сокращением объемов детального контроля покрытий на отслаивание и значением индекса эффективности не менее 3,5.

Достоверность результатов проведенных исследований Достоверность полученных результатов измерений обеспечивается проведением натурных исследований на фасонных изделиях с защитным покрытием, репрезентативным количеством выполненных измерений, а также использованием поверенного измерительного оборудования.

Также была выполнена апробация рациональных схем нанесения покрытия на фасонные изделия в трассовых условиях, что позволило нанести гладкий слой покрытия и снизить неоднородность его толщины, тем самым улучшить качество адгезии покрытия с металлом.

Внедрение результатов исследований. Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс для проведения лекций, практических и лабораторных работ по кафедре ПЭМГ по специальностям 130501 «Проектирование, сооружение и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ» и 131000 «Нефтегазовое дело», что повышает уровень подготовки специалистов в университете.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на XIII международной молодежной научной конференции «Севергеоэкотех – 2012» (21 – 23 марта 2012 г., Ухта); научнотехнической конференции преподавателей и сотрудников УГТУ (17 – 20 апреля 2012 г., Ухта); VIII международной учебно-научно-практической конференции Трубопроводный транспорт – 2012 (Уфа, 2012); XIII научно-технической конференции молоджи ОАО «Северные МН» (г. Ухта, 12 – 14 дек. 2012 г.); международном семинаре «Рассохинские чтения» (8 – 9 февраля 2013 г., Ухта); XIV международной молодежной научной конференции «Севергеоэкотех – 2013»

(20 – 22 марта 2013 г., Ухта); научно-технической конференции преподавателей и сотрудников УГТУ (16 – 19 апреля 2013 г., Ухта); V открытой научнопрактической конференции молодых работников и специалистов Инженернотехнического центра (г. Ухта, 26 – 28 июня 2013 г.); международном семинаре «Рассохинские чтения» (6 – 7 февраля 2014 г., Ухта).

Публикации: по теме диссертации опубликовано 16 работ, из них 3 в ведущих рецензируемых научных изданиях, определенных ВАК Минобрнауки РФ.

Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 138 страниц текста, 61 рисунок, 31 таблицу и список литературы из 100 наименований.

1 Обзор и анализ состояния вопроса диагностирования защитного покрытия соединительных деталей и запорной арматуры 1.1 Виды и конструкции защитных покрытий соединительных деталей и запорной арматуры В качестве заводских покрытий фасонных соединительных деталей магистральных трубопроводов наибольшее распространение получили полиуретановые, модифицированные полиуретановые (полимочевинные) и эпоксиднополиуретановые защитные покрытия. В соответствии с требованиями ГОСТ Р 51164-98 "Трубопроводы стальные магистральные. Общие требования к защите от коррозии" (п.4.6) …. изоляционные покрытия крановых узлов, фасонных изделий и сварных стыков труб с заводским покрытием по своим характеристикам должны соответствовать основному покрытию труб [32,33].

Используемые для этой цели битумно-мастичные и полимерные ленточные покрытия по своим физико-механическим, защитным характеристикам, по температурному диапазону применения в значительной степени уступают заводским полиэтиленовым покрытиям труб.

Исследованиями проблем защитных покрытий фасонных изделий и запорной арматуры в разное время занимались различные научные институты (среди которых следует выделить ООО "Институт ВНИИСТ" и ООО «Газпром ВНИИГАЗ»). Среди отечественных ученых следует выделить Алексашина А. В., Борисова Б. И., Низьева С. Г., Петрова Н. А., Протасова В. Н., Сазонова А. П., Санжаровского А. Т., Стрижевского И. В.

Проведенные исследования по выбору и испытаниям материалов, накопленный отечественный и зарубежный опыт показывают, что для заводской изоляции элементов трубопроводов, имеющих сложную конфигурацию (фасонные соединительные детали, отводы, запорная арматура) в наибольшей степени подходят защитные покрытия, получаемые из полиуретана [42,63].

Полученные данные испытаний показали, что наряду с заводскими полиэтиленовыми покрытиями труб полиуретановые и модифицированные полиуретановые покрытия в наибольшей степени отвечают предъявляемым техническим требованиям и способны обеспечить долговременную защиту фасонных изделий от коррозии (таблица 1.1).

Таблица 1.1 Сравнительный анализ свойств полимерных покрытий 2. Диэлектрическая ческом напряже- ческом напряже- напряжении 10 кВ на 3. Прочность покрытия при ударе, Дж/мм, при температуре:

4. Адгезия покрытия к стали при температуре тании методом нормального отрыва, МПа 5. Снижение адгезии к стали, % от исходной величины, после 1000 ч испытаний в воде при температуре:

Продолжение таблицы 1. 6. Температура размягчения, 0С 7. Температура плавления, 0С 8. Температура стеклования, 0С 9. Площадь катодного отслаивания покрытия, см2, после 30 суток испытаний в 3%-ом растворе NaCl при потенциале поляризации 1,5 В, при температуре испытаний:

плюс (60±5) °С 10. Переходное сопротивление покрытия в 3 % -ом растворе NaCl при температуре (20±5) С, Ом·м – исходное – после 100 суток испы- не менее таний 11. Водопоглощение отслоенного покрытия через 1000 часов при плюс (20±5)°С, % 12. Прочность при растяжении отслоенного покрытия при температуре плюс (20±5)°С, МПа температуре плюс (20±5) 15. Сопротивление пенетрации (вдавливанию), плюс (20±5)°С Продолжение таблицы 1. 14.Устойчивость покрытия к термоциклированию, количество циклов без отслаивания и растрескивания покрытия, при температурах испытаний от минус (60±3)°С до плюс (20±5)°С и толщинах покрытия:

9,0 – 11,5 мм 16. Удельное электрическое объемное сопротив- 1011 1012 1011 1012 1014 ление, Ом·м Таким образом, установлено, что по комплексу проведенных испытаний полиуретановые покрытия обладают высокими защитными свойствами: прочностные, температурные, диэлектрические и адгезионные свойства соответствуют параметрам заводского полиэтиленового покрытия.

Видно, что температуры размягчения и плавления покрытия превосходят аналогичный параметр полиэтиленовой композиции. Это необходимо в связи с тем, что нагрев корпуса запорной арматуры, толщина стенки которой в 2 3 раза больше толщины стенки трубы, при сварочном процессе осуществляется до более высоких температур. Температура стеклования (охрупчивания) покрытий соответствует отрицательным температурам климата районов Крайнего Севера.

Адгезионные характеристики групп полиуретановых покрытий вполне сопоставимы с заводскими полиэтиленовыми, при этом процесс снижения адгезионной прочности протекает менее интенсивно.

Прочностные характеристики групп полиуретановых покрытий (прочность при растяжении, относительная деформация, сопротивление пенетрации) примерно одинаковы с характеристиками полиэтиленовых покрытий. Также наблюдается низкое влагопоглощение всех групп покрытий (покрытия оберегают объекты от действия воды и погоды). По диэлектрическим показателям (переходное сопротивление, удельное объемное электрическое сопротивление) покрытия относят к группе изоляторов (диэлектриков).

На основании вышеизложенного анализа свойств полиуретановых покрытий можно сделать вывод о том, что их применение в качестве защитных покрытий запорной арматуры и фасонных соединительных деталей газопроводов вполне допустимо [57].

1.2 Технология нанесения защитных покрытий Полиуретановые покрытия наносятся на фасонные детали следующим образом:

использование мобильных установок с ручным управлением. Нанесение происходит безвоздушным распылением рабочей смеси компонентов. Применяется как в заводских, так и в трассовых условиях;

ручное нанесение. Используются валик, кисть, шпатель, двухштоковый микроконтейнер. В основном применяется в трассовых условиях.

Вне зависимости от выбранной технологии нанесения (заводская или трассовая) наружная изоляция фасонных соединительных деталей осуществляется в следующей последовательности:

очистка и подготовка металлической поверхности перед нанесением покрытия;

подготовка изоляционных материалов, технологического и вспомогательного оборудования к нанесению покрытия;

нанесение защитных покрытий;

контроль качества защитного покрытия.

При производстве работ по очистке наружной поверхности изолируемых изделий и нанесению полиуретанового покрытия применяются средства и оборудование, рекомендованные фирмой-поставщиком изоляционных материалов.

Все работы по нанесению в заводских и трассовых условиях защитного полиуретанового покрытия выполняются специализированными бригадами в соответствии с требованиями проекта и СНиП III-4-80 "Техника безопасности в строительстве", специалистами, прошедшими обучение, инструктаж и медицинский осмотр [68].

Для удаления пыли, паров и газов из рабочей зоны при проведении работ по очистке и изоляции изделий в заводских (базовых) условиях производят монтаж системы приточно-вытяжной вентиляции.

При проведении переизоляционных работ используют защитные респираторы и маски для предотвращения попадания распыленного материала во внутренние дыхательные пути. Для защиты кожи лица и рук используют защитные костюмы и перчатки [31, 80].

В процессе нанесения покрытия механическим путем перемешивание материалов продолжается благодаря перекачке материалов в установке. Перед началом распыления полиуретанового покрытия с помощью установки прогревают основной компонент и отвердитель до заданной температуры, обеспечив при этом их непрерывную циркуляцию.

Осуществляется раздельный подогрев компонентов (температура основы 60оС, температура отвердителя около 20оС), с подачей компонентов отдельными насосами и соединением основы и отвердителя в заданной пропорции в миксере на распылительной головке.

Прежде чем наносить покрытие на поверхность металлических изделий выполняется нанесение покрытия на лист гладкого полиэтилена или полипропилена. При этом отрабатывается оптимальный рисунок движения пистолетараспылителя, характер его положения, расстояние до изолируемой поверхности, количество наносимых слоев для получения заданной толщины покрытия.

Через несколько минут пробное покрытие отделяется от гладкой поверхности полиэтилена (полипропилена), оценивается его толщина и качество.

Маляры перемещают подготовленные изделия в окрасочную камеру. Маляр контролирует в камере температуру и влажность воздуха, определяет точку росы, контролирует температуру поверхности изделий при помощи соответствующих приборов. Измерительные приборы должны быть поверены.

Для предотвращения конденсации влаги температура изолируемой поверхности выше точки росы не менее, чем на 30С, а относительная влажность воздуха не превышает 85%. Если температура изделий превышает точку росы не менее чем на 3°С, то можно наносить покрытие на поверхности изделий. Если температура поверхности изделий ниже чем на 3°С точки росы, то производится дополнительный подогрев изделий в камере.

Рабочие режимы нанесения покрытий производятся в соответствии с рекомендациями производителей материалов.

В начале напыления на поверхность стали покрытие напыляют первые 4 секунды не на защищаемую поверхность, а в пластиковый мешок или другую емкость для предотвращения попадания на поверхность растворителя из тонкого шланга высокого давления, смесителя и распылителя. Попадание растворителя вызывает вздутие покрытия и его размягчение.

Нанесение покрытия на изделия производится по длине изделия, у торцов рекомендуется проходить несколько проходов по диаметру.

При нанесении покрытия на изделия сложной конфигурации (фасонные изделия, места врезок трубопроводов и т.д.) процесс напыления покрытия начинают с наиболее труднодоступных участков, а затем равномерно покрывают остальную поверхность изделия [80,84].

В процессе распыления изоляционных материалов направляют пистолетраспылитель под прямым углом к изолируемой поверхности и удерживают его на расстоянии около 40 50 см от поверхности.

Нанесение покрытия на изделие производится участками, в виде полос, по несколько проходов, нанесенная полоса покрытия перекрывает полосу от предыдущего нанесения на 1/3. Покрытие на изделие наносится за несколько проходов. Количество проходов определяется размерами и формой поверхности изделия.

Для того, чтобы не образовывалось потеков, и для нанесения покрытия равномерной толщины производится 5 10 проходов при нанесении каждой очередной полосы. Количество проходов зависит от площади покрытия, диаметра сопла форсунки.

Длина неизолированных концевых участков для соединительных деталей и монтажных узлов трубопроводов изготавливается согласно таблице 1.2.

Таблица 1.2 Длина неизолированных концевых участков Отводы круто- ГОСТ 17375изогнутые Тройники ные Тройники ные Переходы ТУ 102-488- 1020-1420 Длина неизолированных концевых участков на монтажных узлах трубопроводов соответствует длине неизолированных концевых участков соответствующих изделий. Длина неизолированных концевых участков на изделиях не указанных в таблице составляет (80±20) мм или (130±20) мм. Выбор длины зависит от типоразмера изделия и согласовывается с заказчиком [71, 74].

При начале процесса напыления и в конце напыления, когда нажимается и отпускается курок распылителя, пистолет направляют мимо покрываемого изделия, чтобы струя материала не попадала на его поверхность. По окончанию распыления измеряют толщину покрытия гребенкой на различных участках изделия и при необходимости наносят дополнительный слой покрытия.

Время высыхания покрытия зависит от температуры окружающего воздуха и температуры поверхности изделия.

Изделия устанавливаются таким образом, чтобы был обеспечен максимальный доступ к их поверхности. Такое пространственное положение изолируемых изделий имеет следующие преимущества:

снижается трудоемкость процесса нанесения (устраняется необходимость в перестановке изделий для продолжения процесса нанесения);

покрытие наносится за один цикл (в противном случае возможно плохое сцепление между слоями и конструкция покрытия может быть не монолитной).

В случае если дополнительный, верхний слой покрытия нанесен на изолируемую поверхность по прошествии 3 часов и более после нанесения предыдущего слоя, между этими слоями не будет достаточного сцепления. В таких случаях производят абразивную очистку изолированного участка наждачной бумагой, шлифмашинкой, пескоструйным методом и лишь затем наносят дополнительный слой покрытия.

В случае остановки напыления не позднее чем через 5 7 секунд промывают систему тонкого шланга, распылитель растворителем, входящим в систему установки. В качестве растворителя используют толуол, метилэтилкетон, их смеси.

Более поздняя промывка тонкого шланга высокого давления и распылителя приводит к забивке их материалом отвержденного покрытия и выходе из строя.

При нанесении покрытия ручным способом с учетом короткого времени жизни смеси (около 10 минут при 20оС) общий объем подготовленной смеси не превышает того количества, которое может быть нанесено за период ее "жизни".

Для снижения времени на смешение компонентов используют дрель с насадкой. Целесообразно, чтобы один человек смешивал компоненты, а другой наносил материал. Покрытие наносят кистью с короткой жесткой щетиной или валиком. Поверхность изолируемого изделия при этом хорошо очищена, сухая и имеет температуру не менее, чем на 3оС выше точки росы.

При необходимости нанесения второго слоя покрытия (для получения покрытия заданной толщины) осуществляют сушку первого слоя и лишь затем, по истечению 2 4 часов, наносят второй слой покрытия. Если время сушки первого слоя превысит 24 часа, то поверхность покрытия зашкуривается до получения однородного матового цвета, после чего наносится второй слой покрытия [80].

При выполнении изоляционных работ в трассовых условиях во время дождя или при выпадении других осадков (снег, иней, туман и др.) процесс нанесения покрытия прекращается.

Если дождь начнется во время проведения изоляционных работ, то прекращают работу или принимают меры для того, чтобы влага не попадала на обработанную поверхность (оборудуют место проведения работ укрытием, палаткой и т.д.) [20,66].

Нанесение антикоррозионных покрытий на трубы, соединительные детали, запорную арматуру и монтажные заготовки в заводских (базовых) условиях имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с трассовой изоляцией.

Некоторые типы покрытий практически невозможно нанести в условиях трассы.

Основные преимущества заводского нанесения покрытий:

высокое качество подготовки поверхности нанесению;

постоянный автоматизированный контроль за технологическим процессом нанесения;

постоянный аппаратурный контроль качества получаемых покрытий;

автоматизированное нанесение покрытий;

высокая производительность применяемого оборудования;

гарантированное качество выпускаемой продукции [22,56].

1.3 Современные полиуретановые покрытия, применяемые при строительстве магистральных трубопроводов Полиуретаны состоят из двух типов сырья, изоцианата и полиола, которые получают из сырой нефти. При смешивании двух готовых к переработке жидких компонентов системы, которые содержат различные вспомогательные средства (катализаторы, вспениватель, стабилизаторы и т.д.), образуется реакционно-способная смесь.

В зависимости от рецептуры и соотношения компонентов, при соответствующей технологии можно отрегулировать спектр свойств образующегося полиуретана можно получить жесткий, мягкий, интегральный, ячеистый (вспененный) или монолитный.

Полиуретаны могут быть вязкими жидкостями или тврдыми продуктами от высокоэластичных мягких резин до жстких пластиков и перерабатываются практически всеми существующими технологическими методами: экструзией, прессованием, литьем, заливкой.

Важнейшее свойство, которым обладает полиуретан высокая износостойкость, которая сочетается с не менее высокой масло-, бензо- и озоностойкостью. Полиуретан так же имеет превосходные демпфирующие, теплофизические и эластичные свойства.

Наиболее спорным вопросом, относящимся к получению полиуретановых покрытий, является их адгезионная прочность. Одни и те же авторы по этому вопросу приводят противоречивые сведения. С одной стороны, они утверждают, что увеличение количества полиуретановых связей в структуре сетчатого полимера улучшает адгезионные свойства покрытий, с другой – глубоко сшитые структуры на начальной стадии реакции уретанизации ухудшают адгезию пленки. Эти же авторы считают, что адгезионная прочность покрытия снижается с ростом температуры его отверждения, начиная с 50 – 600С, за счет повышения интенсивности теплового движения сегментов и из-за разрушения межмолекулярных водородных связей. Но в то же время утверждают, что адгезия полиуретановых покрытий, полученных при 20 0С, заметно ниже, чем покрытий, отвержденных при повышенных температурах. Единственно, что не вызывает сомнения, это зависимость поверхностной энергии пленкообразователя и подложки.

Адсорбционная (молекулярная) теория исходит из правила полярности:

высокой адгезии нельзя достичь между полярной подложкой и неполярным пленкообразователем, как и в противоположном случае. Полиуретан, имеющий низкую поверхностную энергию, не способен обеспечивать хорошую адгезионную прочность с большинством высокополярных подложек.

При отверждении полиуретанового покрытия в естественных условиях подбирают в качестве грунтовочного слоя термопластичную грунтовку с поверхностной энергией приблизительно такой же, как и у подложки.

Если к антикоррозионным свойствам полиуретанового покрытия не предъявляют очень высоких требований, то адгезию повышают за счет снижения концентрации в полимере уретановых связей, так как это уменьшит его когезионную прочность, но улучшит ориентацию макромолекул к подложке.

Известно, что хорошие защитные свойства покрытия зависят не только от глубины химических превращений, но и от величины адгезии к подложке. Однако не следует забывать, что адгезия полиуретанового покрытия и глубина химических превращений находятся во взаимном противоречии: чем чаще химические связи в полимере, тем хуже адгезионная прочность покрытия. Это связано, по-видимому, со способностью уретановых групп образовывать в первую очередь водородные связи, прочность которых составляет 13– ккал/моль [23,56].

К новому классу защитных покрытий относятся быстро отверждающиеся покрытия на основе полимочевины.

Монолитные и эластичные покрытия на основе полимочевины начали применяться на территории РФ в качестве наружных защитных покрытий труб и соединительных деталей трубопроводов всего в начале 21 века [25,44,66].

При всем многообразии полимерных покрытий, полимочевина занимает в их ряду особое место благодаря следующим уникальным особенностям:

большинство традиционных полимерных покрытий (эпоксидных, полиэфирных, акриловых, хлорсульфополиэтиленовых, каучуковых, и др.) наносятся тонкими слоями в несколько проходов с длительной промежуточной сушкой и отверждаются только при положительных температурах в течение от нескольких часов до нескольких суток. Высокая скорость химической реакции отверждения полимочевины дает возможность наносить покрытие требуемой толщины (до нескольких миллиметров) без подтеков за один проход, перемещаться по покрытию или совершать внутрицеховые перевозки изделий с покрытием практически сразу после его нанесения, сокращая до минимума время простоя и повышая производительность. При этом известны примеры успешного напыления полимочевины на холодную поверхность с высоким теплопоглощением, например сталь, при -20°С. Такая непревзойденно низкая чувствительность полимочевины к температуре окружающей среды и основания уменьшает негативную роль сезонного фактора при проведении изоляционных работ в строительстве.

покрытия на полиэтиленовой основе наносятся только на идеально сухую поверхность с температурой, превышающей точку росы не менее чем на 3°С, при относительной влажности воздуха не более 80%. Содержимое бочек с компонентами даже в течение короткого времени работы должно быть надежно изолировано от контакта с атмосферной влагой. Выполнение этих требований не всегда возможно или затруднительно, а несоблюдение их приводит к большим экономическим потерям в виде безнадежно испорченного покрытия вследствие его подвспенивания или наличия микропор, мелких отверстий, пузырьков и кратеров. Напротив, скорость реакции мочевинообразования столь высока, что побочная реакция изоцианата с водой не может с ней конкурировать, и опасности выделения СО2 не существует. Поэтому полимочевина мало чувствительна к влажности и может наноситься в экстремальных условиях, при которых все остальные полимерные покрытия неработоспособны.

отсутствие примесей (в отличие от большинства полимерных покрытий, содержащих большие или меньшие количества летучих органических растворителей, вызывающих проблемы, связанные с их пожарной опасностью и токсичностью, данный тип покрытий представляет собой полимер со 100%-ным содержанием твердой фазы, отвечающий самым строгим экологическим требованиям. Полимочевинное покрытие не содержит пластификаторов, склонных с течением времени к «выпотеванию», сопровождаемому постепенной усадкой и охрупчиванием полимерной пленки. В нем нет и часто добавляемых для удешевления, но обладающих канцерогенным воздействием на организм человека каменноугольных смол и дегтей, равно как и твердых наполнителей, вызывающих абразивный износ насосов, смесительных камер и сопел распылительных установок) [6,61,73].

1.3.1 Анализ свойств полиуретанового покрытия марки «Уризол»

соединительных деталей и запорной арматуры магистральных трубопроводов Покрытие марки «Уризол» применяют на объектах строительства газопровода в условиях Крайнего Севера для защиты запорной арматуры и фасонных соединительных деталей.

«Уризол» наносят в заводских (базовых) и трассовых условиях на изолируемые изделия методом «горячего» безвоздушного распыления с помощью специальных установок высокого давления. Покрытие «Уризол» имеет следующий ряд преимуществ:

оптимальная скорость полимеризации (с момента смешения компонентов в распылительном пистолете начинается химическая реакция образования полимочевины, сопровождаемая переходом системы из жидкого состояния в нетекучее гелеобразное, а затем и в твердое состояние. Если скорость полимеризации недостаточно высока, невозможно быстро наращивать толщину слоя покрытия из-за образования подтеков, а долго сохраняющаяся липкость препятствует проведению промежуточных контрольных замеров толщины и сплошности покрытия, внутрицеховых перемещений изделий и т.д. Напротив, при чрезмерно быстрой полимеризации ухудшается адгезия покрытия к стали, проявляются «шагрень» и разнотолщинность изоляции, часто засоряется распылительный пистолет. Тщательный подбор состава компонентов покрытия «Уризол» позволил избежать таких крайностей).

автокаталитическая реакция (высокая реакционная способность компонентов полимочевины обеспечивает полимеризацию в отсутствии катализаторов. Следствием автокаталитической реакции являются стабильность свойств системы в процессе ее хранения и воспроизводимость результатов в различных условиях применения, а также при переходе от одной партии сырья к другой.

Повышению надежности технологического процесса напыления полимочевины способствует также ее относительно низкая чувствительность к влажности и температуре, например в сравнении с полиуретановыми покрытиями аналогичного назначения. Полиэтилены значительно более склонны к образованию пористых пленок вследствие реакции с влагой, всегда присутствующей в исходных сырьевых компонентах, на изолируемой поверхности и в окружающем воздухе. Разумеется, это преимущество полимочевины реализуется только при соблюдении требований к подготовке изолируемой поверхности) [66].

Покрытие «Уризол» используется для промышленного нанесения на наружную поверхность изделий, предназначенных для строительства и реконструкции объектов магистральных трубопроводов. Основные физикомеханические свойства покрытия представлены в таблице 1.3 [61].

Таблица 1.3 Физико-механические свойства покрытия «Уризол»

ском напряжении, кВ/мм, не менее 3. Прочность при ударе, Дж/мм, при температурах:

плюс (40±3)°С 4. Адгезия к стали при температуре отрыва, МПа 5. Снижение адгезии к стали, % от исходной величины, после 1000 ч испытаний в воде при температуре плюс (60±3)°С 6. Площадь катодного отслаивания, см2, при поляризации 1,5 В не более:

плюс (20±5)°С 30 суток плюс (60±3)°С 7 суток 7. Переходное сопротивление, Омм2,:

исходное после 100 суток выдержки в 3% растворе NaCl при температуре плюс (60±3)°С 8. Сопротивление пенетрации (вдавливанию), мм, не более:

лее, при температуре плюс (60±3)°С %, не менее Продолжение таблицы 1. 12. Устойчивость к термоциклированию, количество циклов без отслаивания и растрескивания покрытия, в диа- 10 пазоне температур от минус (60±3)°С до плюс (20±5)°С, не менее 13. Поры на срезе покрытия на границе кратном увеличении под углом (35±5)° 1.3.2 Анализ защитной способности и устойчивости покрытия марки «Кортекор» в условиях низких температур Данный тип покрытия прошел внедрение в условиях ЗАО «Тяжпромарматура» (г. Алексин). Покрытие наносится на фасонные изделия методом безвоздушного распыления, при температуре компонентов 60 80°С и соотношении компонентов 1:1. Испытания защитного покрытия, проводимые ООО «Институт ВНИИСТ», показали (см. таблицу 1.4), что покрытие «Кортекор-867»

выдерживает без растрескивания и отслаивания как длительные испытания на воздухе при температурах до минус 70С, так и испытания на устойчивость к термоциклированию в диапазоне температур от минус 60С до плюс 20С.

Таблица 1.4 Результаты испытаний полиуретанового покрытия «Кортекор-867» ООО «КорТех»

1. Диэлектрическая сплошность, кВ Отсутствие пробоя при 20 кВ 2. Прочность покрытия при ударе, Дж, не менее при температуре:

Продолжение таблицы 1. 3. Адгезия покрытия к стали при температуре плюс (20±5) °С при испытании методом нор- 7,8 -12, мального отрыва, МПа 4. Площадь катодного отслаивания покрытия, см2, после 30 суток испытаний в 3%-ом растворе NaCl при потенциале поляризации 1,5 В, при температуре испытаний:

плюс (60±5) °С 5. Переходное сопротивление покрытия в 3 % ом растворе NaCl при температуре (20±5) С, Ом·м – исходное 6. Водопоглощение отслоенного покрытия через 1000 часов при плюс (20±5)°С, 7. Прочность при растяжении отслоенного покрытия при температуре плюс (20±5)°С, МПа 8. Относительное удлинение при разрыве отслоенного покрытия при температуре плюс (20±5) 9.Устойчивость покрытия к термоциклированию, количество циклов без отслаивания и растрескивания покрытия, при температурах испытаний от минус (60±3)°С до плюс (20±5)°С и толщинах покрытия:

9,0 – 11,5 мм Для исследований использовали покрытие «Кортекор-867», которое наносили на образцы из стали Ст20 в заводских условиях. Покрытие наносили на подготовленную методом дробеструйной обработки до шероховатости 100±20 мкм и очищенную поверхность образцов. Были изготовлены образцы с толщиной покрытия 1,0; 3,2; 5,0 и 11,5 мм.

Коррозионные испытания проводили следующим образом. На покрытие стальной пластинки приклеивали цилиндрическую ячейку диаметром 40 мм, в которую заливали 3 %-й раствор NaCI. Ячейку закрывали фильтровальной бумагой и помещали в термостат с температурой плюс 30 °C; в ячейку периодически доливали воду. Пластину с покрытием взвешивали до и после испытаний на аналитических весах ВЛР-200 с точностью до четвертого знака. Потерю массы образцов (или привес) с единицы площади покрытия за фиксированное время определяли по формуле:

где m0 и m1 – масса образца до и после испытаний, г; S – площадь контакта покрытия с 3 %-м раствором NaCI, см2.

В таблице 1.5 приведены результаты длительных испытаний покрытия «Кортекор-867» различной толщины в 3%-м растворе NaCI.

Таблица 1.5 – Результаты коррозионных испытаний покрытий «Кортекорв 3 %-м растворе NaCI при температуре плюс 30 °C Толщина Потеря массы образцов (-) или привес покры- (+) m, 1·10-4 г/см2 за время испытатия, мм ний, сут 3,2 +2,5 +2,9 +3,3 +3,7 +3,7 -0,8 -1, 5,0 +2,2 +2,4 +2,4 +2,6 +2,7 +2,5 +2, 11,5 +2,2 +2,5 +2,6 +2,8 +2,7 +2,7 +2, Как видно из представленных данных, для всех толщин покрытия в течение первых 120 суток испытаний наблюдается небольшой привес массы, что связано, по-видимому, с начальным небольшим набуханием полимерного материала и проникновением электролита в поры покрытия.

Для толщины покрытия 1,0 и 3,2 мм после 150 и 180 суток испытаний соответственно наблюдалась небольшая потеря массы образцов за счет незначительной коррозии (потери не превышали 2,5·10 -4 г/см2); после удаления покрытия явных коррозионных поражений стали не обнаружено.

Для покрытия «Кортекор-867» с толщиной 5,0 и 11,5 мм за время испытаний 210 суток потерь массы металла не обнаружено. Процесс проникновения электролита в покрытие большей толщины также существенно уменьшился (привес не превышал 2,8·10-4 г/см2 за 210 суток испытаний). Внешний вид покрытия различной толщины за длительное время испытаний не изменился; отслоения, трещин, вспучивания покрытия выявлено не было [51].

Для оценки работоспособности материала покрытия в условиях низких температур образцы с покрытием помещали в криокамеру и выдерживали при температуре минус 75 °C в течение 20 суток. После испытаний определяли наличие отслоений, трещин, вспучивания покрытий, внешний вид, ударную прочность, пробивное напряжение, удельное электрическое сопротивление, адгезию (таблица 1.6). По результатам исследований установлено, что внешних изменений покрытия по сравнению с исходным состоянием не наблюдается;

растрескивание, отслаивание, а также пузырение отсутствуют.

Наряду с высокой морозостойкостью покрытия «Кортекор-867», следует отметить его высокую прочность при ударе в широком диапазоне температур и достаточно высокую эластичность защитного покрытия.

Ниже приведены результаты исследований покрытия «КОРТЕКОР-867».

Испытания при воздействии агрессивных сред и атмосфер были проведены на стальных пластинах 100*50*2 мм, предварительно обезжиренных, отдробеструенных и обеспыленных. На подготовленные таким образом образцы в заводских условиях наносили покрытие «КОРТЕКОР-867». Толщина покрытий составляла 1,0; 3,2; 5,0; 11,5 мм.

Таблица 1.6 Внешний вид покрытия «Кортекор-867» в исходном состоянии и после испытаний при температуре минус 75 °C в течение 20 суток Толщина покрытия, Покрытие черного цвета, Внешний вид покрытия не измеглянцевое, однородной нился, глянец слегка потускнел.

структуры, плотное, без ви- Отслаивания, трещин, вспучивадимых поверхностных де- ния, коррозии основного металла Испытания в климатических камерах, имитирующих условия эксплуатации в умеренно-холодном и холодном климате, проводили по методу 13 ГОСТ 9.401-91. Образцы с покрытиями помещали в камеру влажности и выдерживали при t=+40±2°C и относительной влажности =97±3% в течение 2-х часов. Затем обогрев камеры выключался и образцы выдерживали в ней 2 часа. Далее образцы переносили в камеру холода и выдерживали при t=-30±3°C в течение 6 часов. Из камеры холода образцы переносили в термокамеру и выдерживали в течение 5 часов при t=+60±2°C. Из термокамеры образцы переносили в камеру холода и выдерживали при t=-60±3°C в течение 3-х часов. Затем образцы выдерживали на воздухе при комнатной температуре 15...30°С и относительной влажности воздуха не более 80% в течение 6 часов. Это составило 1 цикл испытаний. Всего было проведено 240 циклов. Осмотры образцов осуществляли через 30, 60, 90, 120, 150, 180 и 240 циклов (суток) испытаний [31].

До и после климатических испытаний определяли следующие физикотехнические свойства покрытия: прочность покрытия при ударе в соответствии с ГОСТ 4765-73 на приборе У-1; твердость покрытия по маятниковому прибору М-3 в соответствии с ГОСТ 5233-67; удельное объемное электрическое сопротивление ( v) в соответствии с ГОСТ 6433.2-71 и пробивное напряжение по ГОСТ 6433.4-71 на приборе тераомметр Е6-13А со специальной рабочей площадкой для закрепления образцов.

В таблице 1.7 приведены обобщенные данные по физико-механическим, диэлектрическим свойствам покрытия «КОРТЕКОР-867» различной толщины после всех видов испытаний (в водном 3% раствор NaCl (имитат морской воды) и в камере солевого тумана).

После воздействия агрессивной среды все характеристики покрытия «Кортекор 867» несколько снизились, причем в большей степени для покрытия с толщиной 1,0 мм. Можно отметить, что для толщины 3,2 мм прочность покрытия при ударе, твердость, диэлектрические характеристики практически не изменились, а адгезия незначительно уменьшилась. Для покрытия с толщиной 5,0; 11,5 мм эти характеристики после 210 суточных испытаний в 3% растворе NaCI практически не изменились, оставшись на уровне, близком к исходному.

Таким образом, результаты испытаний в 3% растворе NaCI показывают, что покрытие «Кортекор 867» толщиной от 3,2 до 11,5 мм обладает высокими защитными свойствами и сохраняет свои физико-технические характеристики на уровне, близком к исходному состоянию. Высокая эффективность полиуретанового покрытия «Кортекор 867» обусловлена более плотной трехмерной структурой материала, имеющей малую пористость. Такая структура существенно затрудняет проникновение электролита к поверхности стали, практически полностью изолирует его от агрессивной водно-солевой среды [1,31].

После испытаний в камере холода, образцы с покрытием выдержали часов при комнатной температуре в эксикаторе с плавленым CaCI2 и определили прочность покрытия на удар, твердость, диэлектрические характеристики и адгезию. В таблице 1.7 представлены результаты, из которых видно, что эти характеристики практически не изменились по сравнению с исходными. Таким образом, «Кортекор 867» сохраняет свои физико-механические и защитные свойства при длительном воздействии очень низких отрицательных температур.

Таблица 1.7 Физико-механические и диэлектрические характеристики покрытия «КОРТЕКОР-867» различной толщины в исходном состоянии и после испытаний в различных агрессивных средах В таблице 1.7 приведены обобщенные данные по физико-механическим, диэлектрическим и адгезионным свойствам покрытия «Кортекор 867» различной толщины после всех видов испытаний. Можно видеть, что покрытие с толщиной 1,0 мм имеет меньшие значения всех характеристик, чем покрытия с большими толщинами. Однако влияние агрессивных сред на покрытие всех толщин не очень велико [51,58].

1.3.3 Анализ нормативных требований к защитным покрытиям соединительных деталей и запорной арматуры Основными документами, регламентирующими процессы нанесения, приемки, транспортирования и хранения покрытия являются:

ГОСТ Р 51164-98 "Трубопроводы стальные магистральные. Общие требования к защите от коррозии";

ГОСТ 17375 2001 Детали трубопроводов бесшовные приварные из углеродистой и низколегированной стали. Отводы крутоизогнутые типа 3D (R = 1,5 DN). Конструкция;

ГОСТ 17376 2001 Детали трубопроводов бесшовные приварные из углеродистой и низколегированной стали. Тройники. Конструкция;

ГОСТ 15846 2002 Продукция, отправляемая в районы Крайнего Севера и приравненные к ним местности. Упаковка, маркировка, транспортирование и хранение;

ГОСТ 24950 81 Отводы гнутые и вставки кривые на поворотах линейной части стальных магистральных трубопроводов. Технические условия;

ГОСТ 10692 80 Трубы стальные, чугунные и соединительные части к ним. Приемка, маркировка, упаковка, транспортирование и хранение;

ГОСТ 25142 87 Шероховатость поверхности. Термины и определения;

ГОСТ 9.402 80 Покрытия лакокрасочные. Подготовка металлической поверхности перед окрашиванием;

ОТТ 25.220.01-КТН-215-10 Общие технические требования ОАО «АК Транснефть» на наружное антикоррозионное покрытие труб, соединительных деталей и механотехнологического оборудования;

ВСН 008 88 «Строительство магистральных и промысловых трубопроводов. Противокоррозионная и тепловая изоляция»;

Временный регламент приемки качества антикоррозионного покрытия запорной арматуры, нанесенного в заводских условиях, для объектов капитального строительства магистральных и технологических газопроводов ОАО «Газпром»;

СТО Газпром 2 4.1 273 2008 Технические требования к соединительным деталям для объектов ОАО «Газпром»;

ТУ 1390 014 86695843 2011 «Трубы и детали трубопроводов стальные с наружным двухслойным эпоксидным антикоррозионным покрытием»;

ТУ 2226-003-95971812-2007 – «Композиция полимерная антикоррозионная «Кортекор-867»;

ТУ 2313-006-05785572-2007 «Защитное покрытие арматуры трубопроводной усиленного типа для магистральных и технологических газопроводов»;

«Технические условия погрузки и крепления грузов» Раздел «Трубы»

М.: Транспорт, 1988.

1.3.4 Анализ нормативных требований к транспортировке и хранению соединительных деталей и запорной арматуры с защитными покрытиями Транспортирование и хранение изолированных трубных узлов производится в соответствии с требованиями ГОСТ 10692 80, ВСН 008 «Строительство магистральных и промысловых трубопроводов. Противокоррозионная и тепловая изоляция», разработанными АО «ВНИИСТ», г. Москва, 1989 г., ТУ 1390 014 86695843 2011 «Трубы и детали трубопроводов стальные с наружным двухслойным эпоксидным антикоррозионным покрытием» [21,66,29,76].

После нанесения покрытия в заводских условиях изолированные изделия первоначально хранят внутри помещений при температуре окружающего воздуха не ниже плюс 10оС. В зависимости от температуры воздуха срок хранения изделий в помещении должен составлять до 7 суток при 20оС (до полного набора покрытием химической стойкости), после чего изделия вывозят наружу.

Хранение изделий осуществляется на деревянных поддонах, которые использовались в процессе нанесения. Также возможно их хранение в подвешенном состоянии (применительно для отводов с заводской изоляцией, см. рисунок 1.7 в). Таким образом, положение изделий при хранении во время отверждения покрытия соответствует их пространственной ориентации при нанесении.

Погрузочно-разгрузочные работы и хранение изолированных трубных узлов производятся в условиях, предотвращающих механические повреждения покрытия:

предусматривается специальная упаковка, предохраняющая поверхности изделий от возможных внешних механических и ударных воздействий.

Упаковка разрабатывается Исполнителем работ и согласуется с Заказчиком (Потребителем);

для защиты наружного покрытия от механических повреждений устанавливаются на соединительные детали трубопроводов эластичные кольца или мягкие прокладки;

прямое использование стальных канатов, строп, способных привести к разрушению покрытия и повреждению торцов трубных элементов запрещено.

Перевозка изолированных трубных узлов осуществляется автомобильным, железнодорожным, а также речным и морским транспортом, оборудованным специальными приспособлениями, исключающими перемещение трубных узлов и повреждение покрытия. Исходные изоляционные материалы перевозят в оригинальной упаковке, в горизонтальном виде [74].

Транспортирование изделий с покрытием допускается после выдержки готового покрытия не менее суток при температуре (20±5)°С.

Запрещается волочение изделия в таре и без тары по поверхности земли.

Размещение и крепление трубных узлов в железнодорожных полувагонах производится в соответствии с требованиями «Технических условий погрузки и крепления грузов» МПС.

Не допускается проведение погрузочно-разгрузочных и строительномонтажных работ при температуре окружающей среды ниже минус 450С и выше плюс 500С согласно требованиям на покрытие.

Исходные изоляционные материалы (смола, отвердитель) хранятся в оригинальной герметичной упаковке при температуре окружающего воздуха от плюс 5оС до плюс 30оС. Изделия поставляют и хранят на транспортных щитах предприятия-изготовителя.

До монтажа изделия допускается хранить на открытых складских площадках в районах с умеренным или холодным климатом (в диапазоне температур от минус 600С до плюс 500С) в условиях, предотвращающих механические повреждения упаковки, изделия и его комплектующих, покрытия.

При длительном хранении (более 6 месяцев с момента изготовления) изделия предохраняют от воздействия ультрафиолетового излучения путем использования навесов, укрытий или других подходящих методов. В этом случае периодически (не реже двух раз в год) осматривают изделия.

Хранение не должно приводить к нарушению сплошности покрытия. В случае замерзания материалов проводят их нагрев до плюс 20-400С в теплом помещении или нагревательными полотенцами. При соблюдении вышеперечисленных условий хранения гарантийный срок хранения изоляционных материалов до 2 лет от даты изготовления [20,80,84].

1.4 Обзор и анализ способов диагностирования защитного покрытия К основным методам контроля защитных покрытий, реализуемых при хранении и монтаже фасонных изделий можно отнести:

– визуально-измерительный контроль;

– контроль толщины;

– контроль сплошности;

– оценка адгезионной прочности.

По результатам визуально-измерительного контроля определяется соответствие внешнего вида покрытия нормативным требованиям (по цвету, структуре, качеству нанесения), а также выявляются видимые дефекты (повреждения), фиксируются их размеры и назначаются ремонтные мероприятия.

Контроль толщины, сплошности и адгезионной прочности выполняется с использованием специального измерительного оборудования и предполагает оценку качества нанесения покрытия на соответствие требованиям по толщине и адгезии к поверхности изделия. Толщина оценивается магнитными толщиномерами, сплошность – с помощью оборудования для электроискрового и акустического контроля, адгезионная прочность оценивается с использованием адгезиметров.

1.4.1 Определение адгезионной прочности сцепления покрытия со сталью методом нормального отрыва Целью испытаний является контроль показателя адгезионной прочности покрытия к стали с определением усилия отрыва на образцах реальных изделий [57].

На покрытие приклеивается приспособление, представляющее собой цилиндр, в нижней части которого расположен диск диаметром 10 или 20 мм, а в верхней проушина для присоединения адгезиметра. Устройство изготавливается из алюминиевого сплава или стали. При установке, на нижнюю часть устройства наносится специальный клеевой состав, и далее устройство устанавливается на покрытие и плотно к нему прижимается. Испытания проводят не ранее чем через 24 ч после установки устройства. Покрытие по периметру приклеенного устройства прорезается до металла. Испытания проводят в нескольких точках изделия. Среднее значение адгезионной прочности Gср вычисляют из выражения:

где nп – количество испытанных полос.

Адгезионную прочность оценивают как удовлетворительную, если Gср > Gнтд (Gнтд – величина адгезионной прочности, нормируемая требованиями НТД).

1.4.2 Контроль толщины покрытия Для контроля толщины немагнитных покрытий на ферромагнитной основе широкое распространение получили индукционные толщиномеры [58].

Их действие основано на определении изменения магнитного сопротивления (проводимости) магнитной цепи, состоящей из ферромагнитной основы (металл изделия), преобразователя прибора и немагнитного зазора между ними (изоляционное покрытие), который является объектом измерений.

На рисунке 1.1 приведена схема индукционного толщиномера. Преобразователь представляет собой три катушки: возбуждающую и две измерительные, включенные дифференциально. Катушки размещены на ферромагнитном сердечнике.

1 – генератор; 2 – возбуждающая катушка; 3 – сердечник преобразователя;

4 – объект контроля; 5 – две измерительные катушки;

6 – блок обработки сигнала; 7 – блок индикации; 8 – блок автоматики Рисунок 1.1 – Структурная схема индукционного толщиномера Возбуждающая катушка питается переменным током частоты 200 Гц.

Вдали от ферромагнитной детали электродвижущая сила (ЭДС), наводимая на измерительные катушки, расположенные по обе стороны от возбуждающей, взаимно компенсируется. При поднесении преобразователя к ферромагнитной детали его магнитная симметрия нарушается и в измерительной обмотке наводится ЭДС, которая в определенных пределах пропорциональна расстоянию между деталью и преобразователем. Для питания преобразователя служит генератор, формирующий синусоидальное напряжение.

Одновременно генератор является источником опорного напряжения, подаваемого на блок обработки сигнала. Последний состоит из усилителей опорного напряжения и напряжения сигнала преобразователя. После усиления оба напряжения подаются на выпрямитель, являющийся частью блока обработки сигнала. Выпрямленное напряжение после усиления в усилителе постоянного тока подается на стрелочный прибор, показания которого пропорциональны измеряемой толщине покрытия.

В данном приборе блоки модулятора и автоматики служат для автоматической разбраковки контролируемых деталей. Блок модулятора предназначен для преобразования постоянной составляющей сигнала, выделяемой амплитудно-фазовым детектором, в сигналы прямоугольной формы, подающиеся на блок автоматики. Последний позволяет автоматически регистрировать и прослеживать уровень импульсных сигналов, пропорциональных толщине покрытия.

При работе с магнитными толщиномерами необходимо учитывать многочисленные факторы, влияющие на результаты измерений. К ним относятся колебания магнитных свойств покрытия или металлической основы, состояние поверхности, форма изделия и др.

Контроль толщины покрытия, осуществляемый с помощью магнитного метода, направлен на оценку и при необходимости корректировку этого параметра путем изменения технологических режимов нанесения.

Нормативными документами регламентирована минимально допустимая толщина покрытия, а максимальный предел ограничен экономическими требованиями, не допускающими перерасхода материалов.

1.4.3 Оценка сплошности покрытия электроискровым методом Электроискровой метод основан на создании высокого испытательного напряжения между щупом и металлом изделия и индикации электрического пробоя воздушного промежутка, возникающего в местах нарушения сплошности покрытия [57]. Неразрушающий характер метода определяет его максимальное применение на стадии контроля качества покрытия в заводских условиях. Этим методом контролируется 100 % поверхности антикоррозионного покрытия.

Качество покрытия оценивается по альтернативному признаку, при этом основным показателем, характеризующим процесс проведения этого вида контроля, является величина испытательного напряжения, прикладываемого к изоляционному покрытию в зависимости от его толщины (5 кВ/мм) [58].

Функциональная схема электроискрового дефектоскопа представлена на рисунке 1.2.

1 – источник электропитания; 2 – трансформатор; 3 – ключевой транзистор;

4 – одновибратор; 5 – регулятор; 6 – генератор запускающих импульсов;

7 – тиристор; 8 – диод; 9 – накопительный конденсатор; 10 – высоковольтный трансформатор; 11 – детектор искрового пробоя импульсов;

Рисунок 1.2 – Функциональная схема электроискрового дефектоскопа Дефектоскоп содержит источник постоянного тока (батареи аккумуляторов) 1, с подключенным к нему трансформатором 2, первичная обмотка которого включена в цепь коллектора транзистора 3, работающего в ключевом режиме. Вторичная обмотка трансформатора 2 через диод 8 подключена к накопительному конденсатору 9. Ключевой транзистор 3 управляется импульсами одновибратора 4 с регулируемой длительностью импульсов регулятором 5, образующим RС – цепь одновибратора, который запускается генератором импульсов 6. Устройство включает также тиристор 7, служащий для разряда конденсатора 5 через высоковольтный трансформатор 10, а также генератор импульсов для запуска тиристора 7. Детектор искрового пробоя 11 включен во вторичную цепь высоковольтного трансформатора 10, а узел сигнализации 12 подключен к детектору 11.

Работа устройства происходит следующим образом. При подключении источника питания 1 к электрическим цепям устройства и в том числе к трансформатору 2, в момент подачи положительного импульса на базу транзистора от одновибратора 4 через первичную обмотку трансформатора 2 протекает линейно нарастающий по величине ток. В трансформаторе 2 накапливается энергия магнитного поля по закону:

где Lинд – индуктивность, Гн; I – сила тока, А.

При запирании транзистора 3 окончаниями импульсов одновибратора энергия магнитного поля трансформатора 2 создает в его обмотках импульсы напряжения. Положительный импульс с выхода вторичной обмотки проходит через диод 8 и заряжает накопительный конденсатор 9. Диод 8 предотвращает разряд конденсатора 9 через вторичную обмотку трансформатора 2.

При подаче управляющих импульсов (с частотой 30-35 Гц) с выхода генератора 6 на управляющий электрод тиристора 7 происходит срабатывание последнего, при этом накопительный конденсатор 9 подключается к первичной обмотке высоковольтного импульсного трансформатора 10. Вторичная обмотка высоковольтного трансформатора индуцирует высокое напряжение между испытательным электродом (щупом) и заземленной стенкой трубы. В процессе измерения щуп накладывается на поверхность контролируемого изоляционного покрытия изделия.

При возникновении искрового разряда между щупом и заземленной стенкой трубы в местах разрывов изоляционного покрытия во вторичной обмотке высоковольтного трансформатора возникает импульс тока, который вызывает появление сигнала на выходе детектора искрового пробоя 11 и включение узла сигнализации 12, что свидетельствует об установленном дефекте в сплошности покрытия [54].

1.4.4 Акустический контроль сплошности покрытия Акустический контроль сплошности покрытия выполняется с помощью акустического дефектоскопа, оснащаемого раздельными или совмещенными акустическими преобразователями [55].

Структурная схема дефектоскопа приведена на рисунке 1.

ПУ ФНЧ СУ ПД И

ТГИ ДЧ Т АСД

Рисунок 1.3 – Структурная схема дефектоскопа Основными функциональными узлами дефектоскопа являются:

– акустический преобразователь;

– входной предварительный усилитель (ПУ);

– фильтр нижних частот (ФНЧ);

– стробируемый усилитель (СУ);

– пиковый детектор (ПД);

– автоматический сигнализатор дефектов (АСД);

– звуковой сигнализатор (ЗС);

– синдикатор (стрелочный, жидкокристаллический);

– тиристорный генератор импульса (ТГИ);

– делитель частоты (ДЧ);

– синхрогенератор (СГ);

– формирователь питающих напряжений.

В зависимости от типа подключенного преобразователя в электронном блоке автоматически устанавливается соответствующий режим работы таймера Т и автоматического сигнализатора дефектов АСД.

При прижатии преобразователя к контролируемому образцу, через установленный в преобразователе выключатель включается питание дефектоскопа.

С включением питания начинает работать синхрогенератор СГ, сигналы которого через делитель частоты ДЧ периодически запускают тиристорный генератор импульсов ТГИ. Последний возбуждает излучающий вибратор преобразователя. Этот вибратор создает в контролируемом изделии импульсы затухающих упругих колебаний, амплитуда и несущая частота которых зависят от механического импеданса контролируемого изделия. Воздействуя на приемный пьезоэлемент вибратора, эти импульсы преобразуются в соответствующие электрические сигналы, поступающие на вход предварительного усилителя ПУ.

При работе с раздельно-совмещенными преобразователями сигнал пропускается через фильтр нижних частот ФНЧ. При использовании совмещенных преобразователей сигнал минует упомянутый фильтр. После усиления усилителем СУ и формирования сигнал детектируется пиковым детектором ПД и поступает на стрелочный индикатор и автоматический сигнализатор дефектов АСД. Стрелочный индикатор используется для настройки дефектоскопа и наблюдения за уровнем выходного сигнала. АСД служит для включения светового (светодиод в преобразователе) и звукового (телефонный наушник) сигналов при превышении уровнем сигнала верхнего порога срабатывания или уменьшения этого уровня нижнего порога срабатывания АСД.

Дефектоскоп состоит из блока электронного и датчика. На передней панели блока установлены:

– стрелочный, жидкокристаллический или электролюминесцентный индикатор;

– звуковой сигнализатор дефекта (слева от стрелочного индикатора);

– разъемы для подключения преобразователя и телефона;

– переключатели порогов АСД и времени задержки для преобразователя PA-4S (PA-2S);

– светодиод, сигнализирующий о необходимости замены источника автономного питания;

– регулятор усиления.

На задней стенке установлен разъем для подключения внешнего зарядного устройства.

При работе с прибором используются раздельно-совмещенные преобразователи, которые имеют одинаковую конструкцию и отличаются только размерами и рабочими частотами. Каждый из этих преобразователей содержит по два составных пьезоэлектрических вибратора, один из которых излучает, другой принимает импульсы упругих колебаний. Вибраторы прижимаются к контролируемому изделию пружинами. В корпусе преобразователя расположен микровыключатель, включающий питание дефектоскопа только при прижатии преобразователя к изделию. В верхней части преобразователя расположен светодиод, автоматически включающийся от АСД при наличии в изделии дефекта.

Преобразователи соединяются с блоком электронными кабелями.

Совмещенный преобразователь в отличие от раздельно-совмещенного содержит один вибратор, излучающий и принимающий упругие колебания и имеющий одну зону касания с контролируемым объектом.

Дефектоскоп позволяет контролировать изделия как с плоскими, так и криволинейными поверхностями. Минимальный радиус кривизны цилиндрических (выпуклых) поверхностей контролируемых изделий составляет 6 мм.

Минимальная площадь S дефектов, расположенных на заданной глубине h, обнаруживаемых с помощью преобразователей, входящих в комплект поставки дефектоскопа, должна соответствовать значениям, приводимым в таблице 1.8.

Таблица 1.8 – Предельно допустимые параметры дефектоскопии Отношение показателей стрелочного индикатора дефектоскопа в бездефектной зоне образцов (U1) и в зоне искусственного дефекта в стандартном образце (U2) должно быть не менее указанного в таблице 1.9 [55,3].

Таблица 1.9 – Отношение измерений дефектоскопа в бездефектной и дефектной зонах 1.5 Постановка цели и задач диссертационной работы В качестве покрытий фасонных соединительных деталей магистральных трубопроводов раньше применялись различные полимерные материалы. Однако применяемые покрытия не обеспечивали требуемого уровня адгезии, что приводило к различным дефектам в виде отслаивания и растрескивания. При наличии сквозного дефекта изоляционного покрытия, наблюдается “провал потенциала”. При проведении электрометрического контроля покрытий в местах запорной арматуры наблюдается уменьшение защитного потенциала до значений, не обеспечивающих полноту катодной защиты, что приводит к ухудшению состояния электрохимзащиты на протяженных участках трубопроводах.

Вопрос с заводской технологией нанесения полиуретановых покрытий изучен и проработан достаточно хорошо. Однако в трассовых условиях процесс нанесения характеризуется рядом особенностей:

– фасонные изделия обладают сложной развитой поверхностью, имеющей различные многочисленные экранирующие элементы (острые кромки, вогнутые зоны, застойные участки), которые препятствуют равномерному распределению покрытия;

– отрицательное влияние погодных условий (возможны потери покрытия за счет сдувания ветром).

Таким образом, на конструктивных элементах трубных узлов наблюдается неравномерность нанесения. Известно, что повышенная по сравнению с нормативными требованиями толщина покрытия приводит к ухудшению качества адгезии покрытия с металлом, что проиллюстрировано на графике изменения напряжений для покрытий с нормативным и повышенным значением толщины (рисунок 1.4 а, б) [2,7,12,19,53,65,69].

Рисунок 1.4 – Изменение изменения напряжений для покрытий с нормативным (а) и повышенным (б) значением толщины Также с увеличением толщины покрытия увеличивается критерий Био, с ростом которого увеличиваются напряжения в покрытии, возникающие в результате сварочного процесса. Кроме того, с увеличением толщины покрытия ухудшается его способность к деформациям, т.е. возрастает склонность к образованию трещин [8–11,16,37,46,67,78,81].

Таким образом, поставленная в работе цель – совершенствование методов диагностирования и нанесения полиуретановых покрытий на трубные изделия сложной конфигурации – является актуальной.

Поэтому основными задачами исследования являются следующие:

– на основании обзора и анализа выполнить выбор и обоснование оптимальных способов диагностирования покрытий соединительных деталей и запорной арматуры на этапе атмосферного хранения;

– разработать классификацию характерных дефектов защитного покрытия фасонных изделий, возникающих на этапе хранения, на основании которой будет выполняться прогноз изменения климатической устойчивости покрытий;

– разработать рациональные схемы диагностирования состояния защитных покрытий фасонных изделий с учетом особенностей их геометрии и хранения;

– разработать рациональные схемы нанесения покрытия на трубные детали магистральных трубопроводов с учетом характеристик применяемого оборудования.

2 Исследование особенностей поведения защитных покрытий фасонных изделий в условиях атмосферного хранения 2.1 Общая статистика по дефектам покрытия соединительных деталей и запорной арматуры Было выполнено исследование дефектного состояния покрытий фасонных изделий в условиях атмосферного хранения. Выполнен анализ характерных дефектов защитных покрытий типа «Кортекор» (рисунок 2.1, а) и «Уризол»

(рисунок 2.1, б) и в общем (рисунок 2.1, в) фасонных изделий, находящихся на площадках атмосферного хранения.

19% отсутствие диэлектрической сплошности вздутия локальное уменьшение толщины покрытия наплывы иные механические повреждения Проанализировав рисунок 2.1 (а – в) видно, что для покрытия типа «Кортекор 867» основными дефектами являются: отсутствие диэлектрической сплошности, наплывы. Для покрытия типа «Уризол» основным дефектом является растрескивание. При этом основным дефектом покрытий фасонных изделий является растрескивание, что составляет 63% от общего количества дефектов.

В таблице 2.1 и на рисунке 2.2 представлена поверхностная плотность дефектов на 1000 м2 покрытия () и удельная плотность дефектов на 1000 единиц изделий ().

Таблица 2.1 Сводная статистика по дефектам покрытия типа «Кортекор-867» и «Уризол»

отсутствие диэлектрической сплошности следы коррозии металла в месте трещины локальное уменьшение толщины покрытия оплавление кромок изоляционного материала отслаивание; 2 вздутия; 3 растрескивание; 4 наплывы; 5 коррозия металла в месте растрескивания покрытия; 6 локальное уменьшение толщины покрытия; 7 иные дефекты Для предотвращения образования дефектов покрытия в дальнейшем следует изучить причины их образования. Различают следующие причины образования дефектов: механические и климатические. Механические причины образования дефектов покрытия связаны с несоблюдением технологии нанесения покрытия, а также транспортирования, приемки и хранения трубных узлов с покрытиями.

Климатические причины образования дефектов покрытия связаны с воздействием атмосферных явлений на слой покрытия.

При длительном действии низких температур покрытия приобретают хрупкость, что проявляется в виде развития нарушений в адгезионном соединении с полным или частичным отделением внешнего полимерного слоя от металла трубного узла (отслаивание). Резкие суточные перепады температуры воздуха и дополнительный нагрев поверхности покрытия солнечным излучением, особенно в весеннее и осеннее время, приводит к появлению напряжений, которые при знакопеременном изменении действия сил «расшатывают» прочностную конструкцию адгезионного соединения, что приводит к накоплению усталостных деформаций и ускорению их развития [60].

Установлено, что доминирующим фактором образования повреждений покрытия при атмосферном хранении является понижение температуры ниже граничного значения (минус 20 С), при этом большинство дефектов (57,1 %) зарождается в первом цикле отрицательного температурного воздействия. В повторных циклах образование повреждений протекает менее интенсивно. Причем максимально вероятная интенсивность зарождения дефектов (6 % от общего количества исследуемых трубных узлов) приурочена к температуре минус 30 С, которая является экстремально критическим температурным порогом, при достижении которого возникает зарождение повреждений, сопровождаемое снижением работоспособности изделия в том же темпе.

Так, необратимые микроразрушения и микрорастрескивания структуры адгезионного слоя за счет его охрупчивания в результате длительного действия низких отрицательных температур являются первоосновой ослабления адгезионных связей при последующих термодеформационных циклах. Нагрев адгезионного слоя до температуры, близкой к температуре размягчения, обусловливает сдвиг покрытия под влиянием деформационных сдвиговых напряжений с нарушением адгезионных связей. Это означает, что все виды температурных атмосферных колебаний, вызывающих охрупчивание и размягчение адгезионного слоя, приводят к ухудшению адгезионных характеристик покрытия, причем степень ухудшения зависит от продолжительности срока хранения труб и амплитуды температурных перепадов [72].

К повреждениям покрытия механической природы образования относят следующие типы дефектов: сдир изоляции; отсутствие защитного колпачка; сколы покрытия с поверхности металла; локальное уменьшение толщины покрытия;

оплавление кромок изоляционного материала; непрокрасы; несквозные царапины;

срез покрытия; вмятины; пропуски.

К повреждениям покрытия климатической природы образования относят следующие типы дефектов: вздутия; растрескивания; отслаивание покрытия.

В таблице 2.2 представлено абсолютное (абсол.) и относительное (относ.) соотношение причин образования повреждений покрытий соединительных деталей.

Таблица 2.2 Характер повреждения покрытий соединительных деталей Тип повреждения Очевидным является преобладание климатических повреждений над механическими в 302/45=6,7 раза.

2.2 Влияние климатических условий районов Крайнего Севера на защитную способность полимерных покрытий Основные общие вопросы влияния холодного климата на полимеры описаны в работах авторов [34,82] и сводятся к следующему. Большое количество солнечных дней с глубоким ультрафиолетом за счет большой прозрачности атмосферы (0,74-0,88) приводит к двум процессам в полимерах – разрыву макроцепей (деструкции) и радиационному нагреву. Возникающие при этом свободные радикалы, являясь активными центрами инициирования процесса разрыва макроцепей, способствуют лавинообразному разрушению полимеров в более глубоком слое образца. Естественно, при низких температурах, где способность рекомбинации свободных радикалов резко снижается [39], процессы деструкции полимеров под действием свободных радикалов проходят значительно глубже. Все это приводит к резкому уменьшению молекулярной массы, появлению хрупкости и быстрому ухудшению эксплуатационных свойств [87].

Резкие суточные перепады температуры воздуха и дополнительный нагрев образцов лучистой энергией, особенно в весеннее и осеннее время, приводят к появлению термических напряжений [89], которые за счет больших времен релаксации структурных элементов макромолекул высокополимеров накапливаются при циклических перепадах температур, что способствует растрескиванию материалов. Особенно это характерно для жестких композиционных материалов, где термические напряжения усиливаются еще за счет различия коэффициентов теплового расширения материала и наполнителя.

Переходы через 0 °С дважды в сутки в весеннее и осеннее время приводят к сорбции и десорбции влаги, ее замораживанию и размораживанию. При этом за счет увеличения объема поглощенной воды в процессе замораживания происходит увеличение макро- и микропустот в полимерах. Этот процесс роста пустот при частом переходе воды в лед и обратно в конце концов приводит к растрескиванию, появлению критических трещин и хрупкому разрушению материала при действии определенных нагрузок. По всей вероятности, это должно больше всего сказаться на композиционных материалах с органическим наполнителем, способным впитывать в себя сорбированную влагу. Сорбированная влага в ряде материалов, например в полиамидах, поликарбонатах и т. д., может образовывать водородные связи и приводить к появлению новых релаксационных процессов или воздействовать на существующие в полимерах [83].

2.3 Повышение морозоустойчивости полиуретановых покрытий эксплуатирующихся в условиях Крайнего Севера Накопленный практический опыт показал, что наибольшие проблемы возникают при транспортировании и хранении запорной арматуры (задвижек, шаровых кранов) с наружным защитным покрытием в зимний период времени.

Так, в зимний период при поставке и складировании задвижек с наружным защитным полиуретановым покрытием «Protegol UR Coating 32-55» в условиях аномально низких температур Восточной Сибири (минус 50-55 С) были отмечены многочисленные факты растрескивания и отслаивания покрытия от стали.

В результате проведенных в ООО «Институт ВНИИСТ» экспериментальных исследований было установлено, что основной причиной растрескивания и отслаивания покрытия является его повышенная в сравнении с нормативными требованиями толщина. В некоторых случаях фактическая толщина защитного покрытия задвижек достигала значений 10 12 мм, при требованиях АК «Транснефть» от 1,5 до 3,0 мм и требованиях технических условий заводовизготовителей – не менее 2,5 мм.

Для определения оптимальной минимальной толщины, при которой защитное покрытие сохраняет свою сплошность при температурах минус 60 и минус 70оС, были испытаны полученные от ЗАО «Протекор» поставщика изоляционных материалов «Protegol» и от ОАО «Тяжпромарматура» (г. Алексин) несколько серий образцов-свидетелей с покрытиями «Protegol UR-Coating 32-55» и «Protegol UR-Coating 32-60» толщиной: 2,0 4,5; 8,0 и от 8 мм и выше.

Установлено, что во всех случаях при проведении испытаний защитных покрытий на устойчивость к термоциклированию (один цикл испытаний соответствует 8 ч выдержки образцов на воздухе при температуре минус 60 оС и 16 ч выдержки в воде при температуре плюс 20 оС), а также в процессе длительной выдержки образцов на воздухе в криокамере при температурах минус 60 и минус 70 оС растрескивания и отслаивания покрытия не наблюдалось на образцах с толщиной покрытия до 4,0 4,5 мм. При толщинах покрытия 5 6 мм его растрескивание и отслаивание происходило после 6 8 термоциклов испытаний, а при толщинах покрытия от 8 мм и выше отслаивание покрытия наблюдалось уже через один – три цикла испытаний. Такое же снижение морозостойкости с увеличением толщины полиуретановых покрытий отмечалось и в ходе непрерывной выдержки образцов в криокамере при температурах испытаний минус 60 и минус 70 оС. По результатам вышесказанного предлагаются следующие критерии определения работоспособности покрытия в условиях низких температур в зависимости от толщины (таблица 2.3).

Из этого следует, что добиться значительного повышения морозостойкости полиуретановых покрытий можно уже за счет снижения общей толщины покрытий до значений не выше 4,5 мм.

Экспериментальные данные подтверждаются и данными натурных испытаний. Так, в случае нанесения покрытия «Protegol UR-Coating 32-55» на гнутые отводы в условиях ОАО «Трубодеталь», ЗАО «Соединительные отводы трубопроводов» и ОАО «Нефтегаздеталь» (при средней толщине покрытия 2,5 – 4, мм) не было выявлено фактов отслаивания и растрескивания покрытия при транспортировке и хранении изолированных отводов в зимнее время, в том числе в условиях Восточной Сибири.

Таблица 2.3 – Морозоустойчивость покрытия в зависимости от толщины нанесения Толщина, мм требованиям норма- Особенности хранения 2 – 4,5 мм Соответствует площадках вне зависимости от температуры окружающей среды Нанесение защитных покрытий на задвижки и шаровые краны сопровождается целым рядом технологических особенностей. Эти особенности обусловлены сложной развитой поверхностью изделий, наличием труднодоступных мест и теневых зон, острых кромок, ребер жесткости, большой удельной массой изделий и использованием в конструкции материалов различной природы.

При проведении работ изоляции запорной арматуры отмечается большая неравномерность толщины покрытия на различных участках изделия (минимальная толщина – на острых кромках, ребрах жесткости, в зонах сварных швов, максимальная – на вогнутых участках, в застойных зонах). С целью увеличения толщины покрытия до номинальных значений, установленных техническими требованиями, наносятся дополнительные слои покрытия, при этом на отдельных участках изделия толщина покрытий может достигать 8 – 10 мм и выше. Для оптимизации и снижения толщины покрытия необходимо, прежде всего, оптимизировать технологию подготовки поверхности задвижек и нанесения на них защитного покрытия (сглаживать и шлифовать острые кромки, наносить предварительно на труднодоступные участки задвижек материалы ручного нанесения, использовать для повышения толщины покрытия на острых кромках и труднодоступных местах армирующие материалы и др.).

На морозостойкость полиуретановых покрытий влияет также и подготовка поверхности изолируемых изделий. Известно, что в случае загрязнения поверхности задвижек маслами, СОЖ адгезия покрытия к стали заметно снижается. Поэтому необходимо осуществлять промывку загрязненной поверхности задвижек специальными растворами с последующей обработкой горячей обессоленной водой. Как вариант, перед нанесением полиуретановых покрытий можно опробовать праймирование поверхности задвижек эпоксидными грунтовками или пассивировать поверхность хроматными растворами (как в случае заводской полиэтиленовой изоляции труб) [58].

2.4 Прогнозирование климатической устойчивости защитных покрытий Под климатической устойчивостью (АЗ) покрытий понимается их способность сохранять свои защитные свойства под действием атмосферного влияния. При этом покрытие является климатически устойчивым, если имеет менее 20% дефектов в своем объеме или массе.

На основании имеющейся статистике повреждений покрытия, был выполнен анализ изменения его климатической устойчивости для различных баз хранения (КС Байдарацкая, Инта, Кожим, Косью, Кожва, Малая Пера, Сосногорск, КС «Бабаевская», КС «Грязовецкая») в соответствии с ГОСТ 9.401-91.

Поскольку базы хранения размещены в зоне с умеренной континентальностью климата, то на климатическую устойчивость покрытия влияет в основном координата широты (), так как с увеличением координаты широты происходит уменьшение среднегодовой температуры окружающей среды [31].

На защитные свойства покрытия влияют следующие дефекты: Т растрескивание, С отслаивание, П наличие вздутий, К коррозия металла. Количественную оценку климатической устойчивости рассчитывают по формуле:

где Хi коэффициент весомости каждого вида разрушения, X1 = 0,18, X2 = 0,25, X3 = 0,20, X4 = 0,37; Т, С, П, К количественные оценки растрескивания, отслаивания, образования вздутий, коррозии металла в месте растрескивания покрытия, величины которых рассчитывают по формулам:

где аТ, аС, аП, аК относительные оценки дефекта покрытия в зависимости от его площади (рисунок 2.3, а); mТ, mС, mП, mК относительные оценки дефекта покрытия в зависимости от его размера (рисунок 2.3, б) в соответствии с а параметр a дефектов покрытия; б параметр m дефектов покрытия;

1 растрескивание; 2 отслаивание; 3 вздутия; 4 коррозия металла в месте растрескивания Рисунок 2.3 Зависимость параметров дефектов покрытия от координаты широты базы хранения трубных изделий Видно, что с увеличением координаты широты процесс растрескивания и отслаивания покрытия протекает более интенсивно. Количество вздутий с увеличением координаты широты уменьшается из-за уменьшения хода разности температур теплого и холодного периодов. Явной зависимости коррозии металла не выявлено, наблюдается ее небольшое уменьшение. В целом заметно, что с уменьшением координаты широты базы хранения наблюдается снижение процесса образования дефектов, следовательно, увеличивается срок атмосферного хранения.

Поэтому оценим влияние климатических условий на срок атмосферного хранения трубных изделий с покрытием. Согласно И.С. Филатову [83] температурное влияние на слой покрытия может быть описано уравнением химической кинетики первого порядка:

константа скорости процесса, c-1.

где K Решаем уравнение (2.6):

Поскольку изделия, поступившие на базы хранения, не имели исследуемых дефектов покрытия, то АЗ(0) = 1. Тогда постоянная С определится следующим образом:

При достижении максимально допустимого срока атмосферного хранения величина АЗ становится равной критической обобщенной оценке климатической устойчивости покрытия АЗкр, АЗкр = 0,8. Тогда параметр К составит:

где t максимально допустимый срок атмосферного хранения, число лет.

Тогда, максимально допустимый срок атмосферного хранения трубных изделий с покрытием составит:

где tи время проведения испытаний, годы (срок атмосферного хранения).

Результаты расчетов представлены на рисунке 2.4 (а, б).

Рисунок 2.4 Зависимость климатической устойчивости покрытия (а) и срока хранения трубных изделий с покрытием (б) от координаты широты Таким образом, установлено, что с увеличением координаты широты происходит ухудшение климатической устойчивости покрытия. При этом максимально допустимый срок атмосферного хранения изменяется от 4,3 до 2, лет, то есть в среднем уменьшается на 0,14 года на каждый градус широты. При этом ошибка прогнозирования составляет ±10%.

3 Результаты экспериментального исследования и анализа неоднородности толщины защитного покрытия фасонных изделий 3.1 Цели и задачи анализа диагностирования защитных покрытий Целями моделирования распределения напряжений и диагностирования покрытий являются:

выявление основных факторов, повлекших образование неоднородности толщины покрытий;

определение характера и степени их влияния на возможную неравномерность толщины покрытия;

определение участков поверхности покрытий потенциально склонных к ослаблению адгезионной прочности, в которых является обязательным проведение контроля сплошности.

Можно выделить два основных фактора, снижающих равномерность толщины покрытия:

гравитационное перераспределение массы покрытия после напыления при отверждении («фактор нанесения»);

перераспределение массы покрытия во время длительного хранения при нагреве от солнечной радиации (происходит на площадках хранения).

«Фактор нанесения» образуется в результате влияние двух причин:

полностью не отвердевшее покрытие под действием сил тяжести перемещается по поверхности изделия вниз;

фасонные изделия обладают сложной развитой поверхностью, имеющей различные многочисленные экранирующие элементы (острые кромки, вогнутые зоны, застойные участки), которые препятствуют равномерному распределению покрытия.

В ходе анализа (см. главу 1) было установлено, что отсутствует автоматизированная технология нанесения покрытия на фасонные изделия, которая позволила бы производить равномерное нанесение покрытия по всей поверхности изделия с учетом всех его геометрических особенностей. Поэтому, так как нанесение производится оператором, степень равномерности распределения покрытия по поверхности изделия зависит от квалификации оператора, т.е. основным фактором неравномерности покрытия при его нанесении является недостаточная проработанность данной технологии. Также следует отметить, что практически невозможно нанести совершенно идентичные по геометрическим параметрам слои покрытия на два одинаковых изделия.

На рисунке 3.1 представлены положения фасонных изделий в пространстве на этапе нанесения покрытия.

Торцевые заглушки Рисунок 3.1 Схема расположения фасонных изделий при нанесении покрытия: тройник (а); шаровый кран (б); отвод (в) Однако для подавляющего большинства применяемых в мире композиций при попытке нанесения покрытий толщиной более 1,5 мм происходит стекание материала с образованием наплывов и потеков на боковых поверхностях и на нижних частях изделий [27].

Стрелками на рисунке 3.1 обозначены возможные пути перемещения покрытия, а заштрихованные области участки, где наиболее вероятно образование наплывов.

После нанесения происходит процесс отвердевания покрытия, при котором фасонные изделия не меняют своего пространственного положения. Следовательно, характер изменения толщины должен соответствовать положению изделия в пространстве, при котором покрытие формировалось.

Фактор хранения образуется из-за нагрева покрытия до температуры его размягчения в результате длительного действия солнечной радиации. Однако в условиях Крайнего Севера максимальная температура поверхности покрытия может повышаться до температуры 60 °С, что ниже температуры размягчения покрытия. Следовательно, возможные перераспределения маловероятны.

На основании вышеизложенного можно установить, что основные процессы по образованию неоднородности слоя покрытия происходят на этапе формирования монолитной конструкции покрытия по поверхности изделия.

3.2 Напряженно-деформированное состояние покрытий трубных узлов сложной конфигурации Защитная эффективность покрытия определяется его несущей способностью, т.е. способностью противостоять приложенным к покрытию различным механическим нагрузкам. Возможные разрушения покрытия происходят на фоне интенсивно развивающихся процессов ухудшения его свойств.

На рисунке 3.2 представлена схема изоляции трубных узлов сложной конфигурации на объектах единой системы газоснабжения [30,80].

На основной металл наносится эпоксидный слой 2, который обладает хорошей адгезией к металлу. На эпоксидный слой наносится клеевой слой 3. По своей природе клей является сополимером этилена [86]. В конце процесса на клей напыляется покрытие (слой 4). Таким образом, видно, что промежуточные слои 2, 3 являются связующими между покрытием и трубой. Наличие их необходимо, так как адгезионная связь между покрытием и трубой мала и требуемый уровень адгезии достигнут не будет.

1 – металл узла; 2 – эпоксидный слой; 3 – клеевой слой; 4 – покрытие Рисунок 3.2 – Схема изоляции участка трубного узла В процессе нагрева эпоксидный слой перемещаться относительно трубы не будет, так как силы сцепления достаточно велики (для перемещения требуется нагрев до температур плавления металла). Эпоксидный слой связан со слоем покрытия клеем. Такой тип связи носит когезионный характер. Суть когезионной связи заключается в следующем: два связующих элемента скреплены между собой элементом – когезивом. В процессе относительного перемещения двух скрепляемых элементов друг относительно друга каждый из них будет тянуть за собой когезив. Таким образом, когезив будет подвержен растягивающей нагрузке, и в определенный момент времени межмолекулярные связи когезива разрушатся, и когезив разорвется на две части, что в свою очередь еще больше ускорит процесс относительного перемещения двух слоев.

Изучение напряженно-деформированного состояния (НДС) покрытия в условиях адгезии с металлом трубного узла усложняется некоторыми факторами:

– непрямой контакт металла и покрытия и, как следствие, нечеткое моделирование процесса сдвига покрытия;

– послойное распространение тепла от покрытия к металлу и наоборот и, как следствие, сложность в описании процесса распространения теплоты;

– наличие когезионных и межмолекулярных связей промежуточных слоев, в результате чего динамический анализ системы «покрытие-металл» усложняется.

Считается, что в нормальных условиях покрытие характеризуется минимальными (остаточными) напряжениями. Кроме постоянных остаточных напряжений, в покрытиях возникают временные термические напряжения, которые действуют в момент нагревания или охлаждения трубных узлов и вызываются разностью истинных коэффициентов расширения покрытия и металла изделия, а также градиентом температуры в слое покрытия и в его основе (тепловая разность).

При температуре эксплуатации трубопроводов выше 35°С защитная эффективность покрытия определяется в основном его несущей способностью, т.е. способностью противостоять приложенным к покрытию различным механическим нагрузкам. Возможные разрушения покрытия происходят на фоне интенсивно развивающихся процессов его старения, что обусловливает, как правило, небольшие сроки службы изоляции, в отличие от «холодных» участков трубопроводов, где процессы старения покрытия развиваются гораздо с меньшей скоростью, а сроки его службы возрастают до нескольких десятков лет. В этом различие механизма изменения защитной способности покрытий на «горячих» и «холодных» участках трубопроводов [18,24,35,41,52,64].

Согласно Б.И. Борисову [17] к основным нагрузкам, действующим на защитное покрытие, относятся: