Ефремов А.П. Химическое сопротивление материалов - файл n1.doc
Ефремов А.П. Химическое сопротивление материаловскачать (2354.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc
А. П. Ефремов
ХИМИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ Допущено Учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации по нефтегазовому образованию в качестве учебного пособия для подготовки дипломированных специалистов по специальности 130603 “Оборудование нефтегазопереработки” направления 130600 “Оборудование и агрегаты нефтегазового производства”.
ГУП Издательство «Нефть и газ»
РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина
Москва 2004
127 (035)
УДК 620.193.17.
Ефремов А.П. Химическое сопротивление материалов.
Учебное пособие.- М.:ГУП Издательство «Нефть и газ»
РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2004. – с.
Учебное пособие для студентов нефтегазовых вузов и факультетов, обучающихся по специальности 171700 – Оборудование нефтегазопереработки. Может быть полезно для аспирантов, научных и инженерно-технических работников нефтегазоперерабатывающих и нефтехимических предприятий, проектных и исследовательских организаций, занимающихся защитой металлов от коррозии.
Даны современные представления о термодинамике и кинетике химической коррозии, механизмах и различных видах электрохимической коррозии с учетом сред и условий, характерных для оборудования нефтегазоперерабатывающей и нефтехимической промышленности. Изложены научные принципы создания коррозионностойких сталей и сплавов повышенной пассивируемости, и способов защиты от коррозии конструкционных материалов.
Рецензенты:
Зав. кафедрой аналитической химии и экологии Тамбовского государственного университета им. Г.Р.Державина, засл. деятель науки РФ,
д-р хим. наук, проф. Вигдорович В.И.;
канд. техн. наук, проф. кафедры оборудования нефтегазопереработки РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина Круглов С.А.
ВВЕДЕНИЕ
Химическим сопротивлением материалов или коррозией называется самопроизвольное разрушение металлических материалов вследствие химического или электрохимического взаимодействия их с окружающей средой. Разрушение металлов и сплавов от коррозии отличается от других видов самопроизвольного разрушения, например, от эрозии или изнашивания, которые вызываются механическим взаимодействием с контртелом или средой.
У большинства металлов и сплавов в условиях их эксплуатации более устойчивым является окисленное (ионное) состояние, в которое они переходят в результате коррозии. Термин «коррозия» происходит от латинского слова «corrodere», что означает «разъедать».
Коррозия металлов имеет место в большей или меньшей степени всюду, где обрабатываются металлы или эксплуатируются металлические изделия, конструкции или сооружения, и приводит к большим экономическим потерям. Так, амортизационный лом, включающий и вышедшие из строя вследствие коррозии металлические конструкции составляет около 20% от годового производства стали. Около двух третей от массы прокорродировавшего металла восстанавливается путем переплавки, однако 8-10% от начальной массы металлических конструкций теряется безвозвратно.
Потери от коррозии принято делить на прямые и косвенные.
К прямым потерям относятся:
стоимость металла, который превращается в продукты коррозии, а также стоимость прокорродировавшего оборудования, вышедшего из строя до исчерпания предусмотренного техническими условиями амортизационного срока. При этом, как правило, стоимость изготовления оборудования намного превышает стоимость металла, из которого оно изготовлено;
увеличение припусков на коррозию, что приводит не только к увеличению расхода металла, но и к ухудшению конструкции. Например, для трубопровода, при одном и том же внешнем диаметре, повышенный припуск металла влечет уменьшение полезного сечения, и, следовательно, понижение пропускной способности трубы;
затраты на защитные мероприятия в виде металлических и неметаллических покрытий, коррозионно-стойких материалов, ингибиторов и др.
Косвенные потери от коррозии вызываются следующими причинами:
дополнительными расходами на внеплановый ремонт оборудования, вышедшего из строя;
недопроизводством продукции в результате остановок на ремонт разрушенного коррозией оборудования;
возможностью аварий, взрывов и пожаров;
утечкой продукции при образовании в результате коррозии сквозных отверстий в стенках оборудования;
уменьшением сечения трубопроводов в результате отложения продуктов коррозии, что требует дополнительной затраты энергии для поддержания необходимой мощности потока жидкости;
снижением качества продукции в результате загрязнения продуктами коррозии.
Примерно десятая часть потерь металла от коррозии приходится на нефтяную и газовую промышленность. Это связано не только с высокой агрессивностью технологических сред и с жесткими условиями эксплуатации оборудования, но также с большой металлоемкостью оборудования. Так, в нефтеперерабатывающей промышленности металлоемкость оборудования составляет 32 кг. на каждую тонну перерабатываемой нефти и в результате коррозии расходуется не менее 1 кг. металла.
Современное нефте- и газоперерабатывающее предприятие представляет собой комплекс мощных установок первичной переработки нефти и газа, каталитического крекинга, гидроочистки, риформинга, депарафинизации масел, производства битума и др. Производительность современных установок первичной переработки нефти достигла 8-9 млн. т/год и газа 5 млрд. м
3/год. Существенно возросли мощности установок, осуществляющих вторичные процессы: вторичную перегонку бензинов, каталитический крекинг, пиролиз и др.
Осуществление столь разнообразных процессов при переработке нефти и газа потребовало применения аппаратуры, работающей в широком интервале изменения рабочих параметров. Так, например, температуры могут составлять от –60
0С (кристаллизация в производстве масел) до 800-900
0С (пиролиз), а давления – от глубокого вакуума (переработка тяжелых нефтяных остатков) до 150МПа (производство полиэтилена). Это приводит к росту потерь от коррозии и наносит серьезный ущерб как национальной экономике нашей страны, так и экономике промышленно развитых стран.
Особое место в этом плане занимает оборудование первичной переработки нефти, являющееся одним из самых металлоемких на каждом нефтеперерабатывающем заводе.
В зарубежных промышленноразвитых странах продолжительность межремонтных пробегов установок первичной переработки нефти составляет от 3 до 5 лет, а на предприятиях нашей страны от 1 до 2 лет. В результате коррозионных повреждений имеет место значительное количество внеплановых ремонтов установок первичной переработки нефти и, как следствие, большие дополнительные материальные потери.
Нефтегазоперерабатывающие и нефтехимические предприятия являются крупными водопотребителями с большой металлоемкостью теплообменного оборудования, при этом на долю конденсационно-холодильного оборудования приходиться 30-40% от всей теплообменной аппаратуры предприятий, а расходы на его капитальный ремонт достигают в среднем 25-30% от общих расходов на ремонт всех видов оборудования.
Одним из слабых в коррозионном отношении элементов системы оборотного водоснабжения являются градирни. Металлоемкость одной вентиляционной градирни составляет 70-130 т. в зависимости от числа секций. Потери металла за 10 лет эксплуатации одной вентиляторной градирни достигают 60% от ее металлоемкости, то есть ежегодно на каждой градирне теряется 6-8 т металла.
Важной частью основных производственных фондов является резервуарный парк. Большинство резервуаров изготовлено из незащищенной углеродистой стали, срок их службы составляет 15-20 лет. Отдельные коррозионные повреждения, особенно кровель резервуаров, проявляются уже через 1,5 года. При этом ежегодно из-за коррозии расходуется на ремонт резервуаров в среднем 2,6 кг металла на 1 м
3 емкости.
Коррозионные повреждения вызывают потери нефтепродуктов и загрязнение окружающей среды. Значительный ущерб причиняет засорение продуктами коррозии топлив и смазочных материалов. В топливе и маслах ржавчина составляет до 90% от механических примесей, которые являются абразивом, вызывающим усиленный износ двигателей внутреннего сгорания и других видов техники.
В последние годы особенно остро стоит вопрос о более глубокой переработке нефти на отечественных предприятиях. О необходимости такого развития свидетельствуют приведенные в таблице данные о структуре нефтеперерабатывающей промышленности в различных промышленноразвитых регионах (по данным за 1999 год).
Увеличение глубины переработки нефти приведет к повышению параметров различных технологических процессов (температуры, давления), а следовательно к увеличению коррозионной активности технологических сред. Кроме того, в последние годы резко возросли объемы переработки нефти и газа с повышенным содержанием сероводорода, углекислого газа и минеральных солей. Поэтому должно усилиться внимание к разработке мероприятий по повышению работоспособности оборудования в условиях воздействия коррозионноагрессивных технологических сред.
Показатель
|
Россия
|
США
|
Западная
Европа
|
Добыто нефти, млн. т.
|
304
|
284
|
298
|
Переработано, млн. т.
|
168
|
787
|
686
|
Глубина переработки, %
|
64,7
|
93
|
87
|
Мощность процессов в % от первичной
перегонки:
|
|
|
|
Каталитический крекинг
|
5,2
|
34,3
|
16,4
|
Термические процессы
|
6,9
|
12,3
|
14,2
|
Гидрокрекинг
|
0,38
|
8,7
|
6,5
|
Сумма процессов, углубляющих переработку нефти
|
12,48
|
55,4
|
37,1
|
Увеличение глубины переработки нефти приведет к повышению параметров различных технологических процессов (температуры, давления), а следовательно к увеличению коррозионной активности технологических сред. Кроме того, в последние годы резко возросли объемы переработки нефти и газа с повышенным содержанием сероводорода, углекислого газа и минеральных солей. Поэтому должно усилиться внимание к разработке мероприятий по повышению работоспособности оборудования в условиях воздействия коррозионноагрессивных технологических сред.
Наука о коррозии и защите металлов изучает взаимодействие металлов и сплавов с коррозионной средой, устанавливает механизм этого взаимодействия и его общие закономерности. Научной основой для учения о коррозии и защите металлов являются металловедение и физическая химия.
Своей конечной практической целью эта наука имеет защиту от коррозионного разрушения металлов при их обработке и эксплуатации оборудования.
Поэтому «Химическое сопротивление материалов» является в значительной мере профилирующей дисциплиной для студентов, обучающихся по специальности 171700 – Оборудование нефтегазопереработки, так как рассматривает закономерности коррозионного поведения сталей и сплавов в средах и условиях, характерных для нефтегазоперерабатывающей и нефтехимической промышленности, их выбор с учетом условий эксплуатации и способы повышения коррозионной стойкости.