Алиев Д.Э., Иманова Г.И.
ПРИМЕНЕНИЕ САМОВОССТАНАВЛИВАЮЩИХСЯ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ КОРРОЗИИ МОРСКИХ ТРУБОПРОВОДОВ *
Аннотация:
в данной статье рассмотрены результаты сотрудничества между Chevron, крупным владельцем нефтегазовых активов, Rust-Oleum, производитель комплекса средств защиты металлических поверхностей, поставщика микрокапсулированных самовосстанавливающихся агентов. Основная цель исследования заключалась в разработке, проверке и внедрении системы самовосстанавливающихся покрытий, которая продлит срок службы стандартных защитных покрытий, что приведет к снижению затрат и трудозатрат, связанных с обслуживанием покрытий для морских трубопроводов.
Ключевые слова:
самовосстанавливающиеся материалы, технология, образцы, контроль
Самовосстанавливающиеся материалы представляют собой класс материалов, способных к автономному восстановлению после повреждения при температуре окружающей среды без внешнего вмешательства. Концепция функциональности самовосстановления приобрела интерес, как научных кругах, так и в промышленности и привела к разработке различных концепций для создания функциональности самовосстановления в полимерных материалах.[1]Эти химические процессы и концепции включают методы, которые не требуют какого-либо внешнего вмешательства, и методы, требующие тепла или ультрафиолетового излучения, например, для облегчения реакции восстановления. Данные технологии можно применить в системах защитных покрытий, сталкивающимися с суровыми агрессивными средами. Внедрение этих технологий позволит избежать дорогостоящего обслуживанием и простоя.Целью первого этапа данного исследования было охарактеризовать механизм самовосстановления и характеристики, коммерчески доступного самовосстанавливающегося покрытия, в контексте масштабов повреждений, встречающихся в случаях использования покрытий, используемых в нефтегазовой отрасли.Менее масштабные повреждения были нанесены на покрытие с целью имитации микротрещин, которые обычно делают системы покрытия чувствительными к проникновению влаги. Известно, что проникновение влаги ухудшает адгезию покрытия к подложке и вызывает коррозию, что приводит к необходимости технического обслуживания.Механизм Восстановления.Оцениваемая самовосстанавливающаяся добавка состоит из жидкого заживляющего агента, содержащего полимеры на основе эпоксидной, силоксановой и/или алкидной химии, инкапсулированных в микрокапсулы диаметром от 10 до 20 мкм (0,4–0,8 мил), изготовленные из полимерной оболочки. После изготовления эмульсии масло-в-воде микрокапсулы выделяются посредством распылительной сушки. Затем микрокапсулы включаются в состав целевого покрытия вместе с другими сухими пигментами и другими добавками в виде частиц.[2]Механизм восстановления защитной способности покрытия зависит от вида и масштаба повреждения. Микротрещины и другие повреждения закупориваются полимеризованным восстанавливающимся агентом, стекающим из трещин. Когда традиционное покрытие повреждается, трубопровод обнажается и быстро подвергается коррозии. Коррозия распространяется на границе раздела покрытие-поверхность, приводя к дальнейшему отслоению покрытия. Повреждение аналогичного покрытия, включающего функцию самовосстановления на основе микрокапсул, приводит к разрыву микрокапсул, высвобождая самовосстанавливающийся агент в место повреждения. Полимеризуясь в месте повреждения, самовосстанавливающийся агент запечатывает повреждения.[3]Оптимизация состава и первоначальное тестирование.Для создания самовосстанавливающегося высокоэффективного покрытия в рецептуру коммерчески доступной эпоксидной смолы была включена самовосстанавливающаяся добавка. Далее приведена схема, показывающая сравнение стандартной грунтовки и версии, включающей самовосстанавливающуюся добавку (рисунок 1). Для первоначальной оценки производительности стандартная грунтовка и самовосстанавливающаяся версия были нанесены на стальные основы в два слоя общая толщина сухой пленки (ТСП) 200 мкм с последующим нанесением верхнего слоя.[4]Рис.1 (a) Стандартная систем, два слоя традиционного эпоксидного покрытия с последующим нанесением верхнего слоя полиуретана. (б) Самовосстанавливающаяся система, состоящая из двух слоев самовосстанавливающейся эпоксидной смолы, за которыми следует верхний слой полиуретана.Рассматриваемые системы включали пять различных покрытий, в том числе акриловые, алкидные, акрил-уретановые, полиэфирно-уретановые и эпоксидные. После отверждения покрытий в течение как минимум семи дней на подложках с покрытием с помощью инструмента для разметки толщиной 500 мкм были сделаны две параллельные отметки на расстоянии <50 мм между ними. Полученным образцам затем дали достичь равновесия при комнатной температуре в течение 24 часов перед началом воздействия соляного тумана (ASTM B117). Приведенная пара изображений, показывающая характеристики самовосстанавливающегося покрытия по сравнению со стандартным аналогом, показана на рисунке 2(а), а данные о средней потере адгезии покрытия от отметки после 1000 часов воздействия соляного тумана для каждой из пяти оцененных систем показаны на рисунке 2(b).По сравнению со стандартной системой, системы с функцией самовосстановления продемонстрировали улучшение адгезии вокруг отмеченных участков минимум на 50%.Рис.2 (a) Сравнение подложек, покрытых стандартным покрытием, и самовосстанавливающейся версией после 1000 часов воздействия соляного тумана. (b) Сводные данные о средней ползучести отметки для контрольных (стандартная грунтовка, используемая в пяти системах покрытия) и систем самовосстановления (самовосстанавливающаяся грунтовка, используемая в пяти системах покрытия) в зависимости от времени воздействия соляного тумана [5].Характеристика самовосстанавливающегося механизма.Для проверки технологии самовосстановления системы защитного покрытия в чрезвычайно агрессивных средах был разработан протокол испытаний с использованием нескольких аналитических методов для дальнейшего изучения механизма восстановления системы. В этих экспериментах для систем управления и самовосстановления специальные стальные подложки, подвергнутые абразивоструйной очистке, были покрыты двумя слоями эпоксидной смолы толщиной примерно 100 мкм каждый, а затем верхним слоем полиуретана толщиной примерно 50 мкм. Для моделирования мелкомасштабных повреждений системы покрытия, таких как микротрещины, использовалось лезвие с острым кончиком и толщиной ~635 мкм.Затем образцы немедленно подвергались воздействию соляного тумана и ежедневно оценивались для фотографического документирования кинетики коррозии на подложке. Дефекты на тестовых образцах также были охарактеризованы с помощью оптической профилометрии, сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) /энергодисперсионной спектроскопии (ЭДС) и элементного картирования. Результаты, полученные после трех дней воздействия соляного тумана, обобщены в следующих параграфах.[6]В случае контроля исходная ширина и глубина участка, выбранного для анализа, составляли 91 и 129 мкм. Образование продуктов коррозии внутри образца было очевидно после одного дня пребывания в соляном тумане. После трех дней воздействия соляного тумана ширина отметки уменьшилась на 40% до 55 мкм, а глубина уменьшилась до 12 мкм (рис. 3[a]). Изменение ширины отметки, вероятно, произошло из-за некоторого движения гибкого связующего эпоксидной смолы под воздействием слегка повышенной температуры (35 °C) соляного тумана. Изменение глубины отметки для контрольного образца, по-видимому, во многом связано с продуктами коррозии, образующимися внутри образца. ЭДС-анализ сразу после повреждения показал сильный сигнал железа (Fe), возникающий из-за обнаженной подложки, а продукты коррозии можно было наблюдать на начертании с помощью СЭМ.В случае системы самовосстанавливающегося покрытия первоначальная ширина и глубина оцениваемых участков составляли 124 и 144 мкм соответственно. После одного дня пребывания в соляном тумане не было обнаружено образования продуктов коррозии внутри отметки. После трех дней воздействия соляного тумана наблюдалось некоторое окрашивание покрытия оксидом железа вдоль линии отметки. Было замечено, что ширина отметки уменьшилась на 54% до 57 мкм, а глубина уменьшилась на 98% до 3 мкм (рис. 3[b]). Следует отметить, что изменения размеров значительно больше по сравнению со стандартной системой.Рис. 3 (a) Анализ профиля системы стандартного покрытия сразу после повреждения и через три дня после повреждения. (б) Анализ профиля системы самовосстанавливающегося покрытия сразу после повреждения и через три дня после повреждения.Кроме того, хотя ЭДС-анализ отметок сразу после повреждения выявил сильный сигнал Fe, возникающий из-за обнаженной подложки, после трех дней воздействия соляного тумана СЭМ-анализ показал отчетливые морфологические изменения внутри отметки, которые не соответствовали морфологии, характеризуемой как коррозия в стандартном покрытие. ЭДС и элементный картографический анализ не выявили значительного отложения или образования продуктов коррозии внутри отметки. Вместо этого на одном краю писца наблюдалось равномерное распределение солевого отложения, вероятно, захваченного полимеризованным заживляющим агентом, не позволяющим ему достичь подложки.[7]Применение технологий и их ценность.Продление срока службы покрытий для морских трубопроводов дает существенную выгоду. В недавнем отчете NACE International оценила глобальный годовой ущерб от коррозии в 2,5 триллиона долларов США, что эквивалентно 3,4% мирового ВВП (2013 г.). Исследование также показало, что экономия до 35% на фактических затратах на техническое обслуживание, связанное с коррозией (не включая упущенную выгоду из-за простоя) в течение срока службы актива может быть достигнута путем простого внедрения доступных методов борьбы с коррозией. По оценкам NACE, общий ущерб от морской коррозии во всем мире составляет от 50 до 80 миллиардов долларов в год.[8]Отдельный анализ, основанный на данных, опубликованных в ранее упомянутой статье NACE, показал, что увеличение срока службы краски всего лишь на 25% (например, с 12 до 15 лет) может привести к экономии затрат на 32,7%. Необходимо обратить внимание, на то, что представленные здесь предварительные данные (рис. 2) предполагают возможность гораздо большего увеличения срока службы, поскольку характеристики самовосстанавливающегося покрытия после 1000 часов воздействия соляного тумана превышают показатели стандартного покрытия через 250 часов. В дополнение к морским применениям, наземные объекты, подвергающиеся воздействию агрессивных сред, также могут получить выгоду от продления срока службы покрытия. Хотя затраты на отправку бригад технического обслуживания на береговые площадки менее значительны, чем на море.[9]Выводы.Это исследование доказало, что после нанесения разметочного повреждения покрытиям встроенная в них система самовосстановления высвобождает заживляющий агент, который образует барьер в месте повреждения, в результате чего глубина разметочного повреждения значительно превосходит реакцию повреждения разметочного покрытия. система управления (сравните рисунки 3[а] и [б]).Хотя процесс самовосстановления произошел в течение первых трех дней воздействия соляного тумана, он привел к сохранению адгезии покрытия к подложке после повреждения и надлежащей защите подложки, что привело к снижению количества коррозии на 65%. ползучесть наблюдается после 1000 часов воздействия ASTM B117 (рис. 2[b]). Целью текущих исследований является оценка надежности этой системы покрытия путем проведения ряда испытаний на устойчивость к циклическому старению, предусмотренных нефтегазовой промышленностью для квалификации морских верхних строений.В целом, результаты, обсуждаемые в этой статье, позволяют предположить, что самовосстанавливающиеся добавки можно использовать для улучшения характеристик системы покрытия, которая подвержена механическим повреждениям, микротрещинам и последующей коррозии во время эксплуатации. Хотя будущая работа будет способствовать дальнейшему развитию понимания ограничений и функциональности, обеспечиваемых включением самовосстанавливающихся добавок в защитные покрытия для морских работ, то, чего мы достигли на данный момент, позволяет предположить, что покрытия, демонстрирующие такой вид ремонта повреждений, могут значительно снизить затраты на техническое обслуживание за счет оптимизации обслуживания, увеличения срока службы и сокращение времени простоя трубопроводов.
Номер журнала Вестник науки №3 (72) том 1
Ссылка для цитирования:
Алиев Д.Э., Иманова Г.И. ПРИМЕНЕНИЕ САМОВОССТАНАВЛИВАЮЩИХСЯ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ КОРРОЗИИ МОРСКИХ ТРУБОПРОВОДОВ // Вестник науки №3 (72) том 1. С. 459 - 468. 2024 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/13220 (дата обращения: 18.05.2024 г.)
Вестник науки СМИ ЭЛ № ФС 77 - 84401 © 2024. 16+