Введение к работе
Актуальность проблемы
Проблема защиты металлического оборудования от коррозии является одной из важнейших при решении задач обеспечения его надежной работы и долговечности в условиях воздействия коррозионногенных газовых и электролитических сред.
Несмотря на значительную распространенность методов и средств ингиби-торной защиты в нефтегазовой отрасли многие вопросы технологии производства и промышленного применения ингибиторов остаются недостаточно изученными. Известны тысячи химических веществ, замедляющих коррозионные процессы, однако до настоящего времени не созданы продуктивные теоретические подходы к выбору структуры химического соединения, проявляющей максимальную защитную эффективность в тех или иных конкретных условиях. Более того, даже для оптимальной системы "ингибитор - защищаемый металл" не существует отработанных технологий производства ингибиторов на основе дешевого и доступного сырья, которые бы имели относительно низкую стоимость и не уступали по комплексу характерных для ингибиторов свойств отечественным и зарубежным аналогам. Большинство реагентов, используемых для защиты металла от коррозии в нефтегазовой промышленности, получены на основе дорогостоящих и малодоступных химических или нефтехимических продуктов, в связи с чем они применяются в основном на конкретных отдельно взятых объектах. В то же время многие побочные продукты и отходы нефтехимических производств обладают рядом свойств, которые, как правило, присущи соединениям, проявляющим в коррозионных средах высокую ингибируюшую способность.
Поскольку с теоретической точки зрения невозможно создать универсальный (единый) ингибитор коррозии, эффективный в любой системе "коррозионная среда - металл", возникает необходимость в разработке большого числа реагентов. Эта проблема еще более обостряется из-за наличия в России нескольких климатических поясов, так как многие высокоэффективные ингибиторы при низких температурах теряют свои технологические и защитные свойства.
Сходная ситуация существует в области проблем, связанных со снижением энергопотребления при функционировании установок ингибиторной защиты, способами и средствами нанесения ингибиторов в ремонтный период, технологиями контроля эффективности ингибиторной защиты на действующих трубопроводах и др.
Учитывая, что рациональное решение технологических проблем ингибиторной защиты металлического оборудования от коррозии способствует не только существенному повышению рабочего ресурса промышленных объектов, но и стабилизации экологической обстановки в регионах с развитой нефтегазовой и нефтехимической промышленностью, становится очевидным, что исследования в данном направлении являются актуальной научно-технической задачей.
Работа выполнялась в соответствии с научно-технической программой ГКНТ СССР 0.10.08 "Исследование химии кислород-, азот-, серосодержащих гетероциклических соединений с целью получения продуктов с ценными свойствами на основе нефтехимического сырья", планами научно-исследовательской работы по КНТП "Реактив" Министерства образования РФ (приказ Госкомвуза РФ от 26.06.92, № 377), Государственной научно-технической программой "Малотоннажные химические продукты, технические составы и реактивы", (постановление Совета Министров РБ от 26.06.96), научно-технической программой АН РБ по теме "Нефтехимия. Химия новых веществ и материалов" (постановление Совета Министров РБ от 12.07.93, № 289), перечнем приоритетных направлений фундаментальных исследований Российской АН (п. 3.8).
Цель работы
Целью настоящей работы являлись подбор высокоэффективных, недорогостоящих ингибиторов коррозии нового поколения для различных агрессивных сред на базе нового теоретического подхода к выбору реагентов и разработки их состава, а также создание энергосберегающих технологий их производства и применения.
При выполнении работы решались также следующие задачи:
Разработка новых ингибирующих составов на основе гетероорганических соединений нефтехимии (включая отходы нефтехимических производств), имеющих высокую защитную и технологическую эффективность в условиях нефтегазовых промыслов;
Разработка технологии и оборудования для производства многокомпонентных ингибиторов на нефтехимическом предприятии;
Разработка технологии промысловых испытаний ингибитора на действующем трубопроводе;
Разработка технологии дозирования ингибитора в трубопровод с помощью энергии перекачиваемого продукта;
Разработка технологии напорного дозирования многокомпонентных ингибиторов;
Разработка технологии нанесения ингибитора на поверхность трубопровода в период ремонта;
Разработка технологий контроля эффективности ингнбиторной защиты на действующем оборудовании.
Научная новизна
Линейные и циклические ацетали, их серо- и азотсодержащие гетероанало-ги являются эффективными ингибиторами коррозии низкоуглеродистьгх и низколегированных сталей в кислотных и сероводородсодержащнх средах, в том числе при действии на металл мехашгческих нагрузок.
Показано, что ингибирующая способность соединений данного класса вызвана их высокой адсорбируемостью на металлической подложке, приводящей к существенному замедлению наводороживания сталей. Наиболее полное представление о защитной эффективности ингибиторов может быть составлено на основании сопоставления результатов злектрохимігческих, квантовохимиче-ских и коррозионно-механических исследований.
Установлено, что защитный эффект изученных соединений зависит от природы гетероатомов молекулы, числа неподеленных пар р-электронов и электронной плотности (дипольного момента) на атомах, что позволяет в опреде-
ленной мере прогнозировать ингибируюшую способность различных соединений. Наибольший защитный эффект ацеталей и их гетероаналогов имеет место в случае, когда между избыточными электронами атомов кислорода, серы и азота и вакантными d-орбиталями атомов металла образуется донорно-акцеп-торная связь. На поверхности металла это проявляется в образовании экранирующего адсорбционного слоя. Чем выше поверхностная плотность образуемых донорно-акцепторных связей, тем более выражен защитный эффект ингибитора.
Наибольший защитный эффект от сероводородной коррозии достигается в случае применения азот- и серосодержащих аналогов ацеталей. При этом максимальной степенью защиты обладают ингибиторы, образующие на поверхности металла эластичную положительно заряженную пленку.
Все испытанные ацетали и их.гетероаналоги (более 300 соединений) обладают защитным эффектом, однако его величина зависит от состава коррозионных сред и конкретных условий. Изученные соединения весьма технологичны, поскольку их защитный эффект постоянно возрастает при увеличении концентрации в среде, не проходя экстремума, что очень важно при промышленном использовании веществ, когда постоянное точное дозирование ингибиторов практически невозможно из-за нестабильности режимов течения продуктов в трубопроводе.
Установлено, что продукты гидролиза ацеталей (гликоли и альдегиды) реагируют с серосодержащими соединениями, образуя соответствующие тритиа-ны, обладающие, как правило, более высоким защитным эффектом, чем исходные ацетали.
Показано, что индивидуальные гетероорганические соединения и некоторые содержащие их отходы нефтехимических производств могут служить доступным и недорогостоящим сырьем для производства высокоэффективных ингибиторов коррозии нефтегазового оборудования в промысловых средах, содержащих минеральные соли и сероводород.
Разработаны и осуществлены в производственной практике технологии получения более 10 ингибиторов коррозии типа "Реакор", основными компонентами которых являются ацетали и их гетероаналоги. Установлено, в частности, что базовый компонент ингибитора Реакор-7Г, представляющий собой продукт конденсации а-метилстирола и формальдегида в присутствии кислотного катализатора, проявляет высокий защитный эффект при солянокислотной обработке нефтедобывающих и нагнетательных скважин, сталей в строительной индустрии.
Впервые установлено, что при одновременном осуществлении ингибитор-ной и электрохимической защиты оборудования оболочкового типа возможно значительное снижение (до 30 %) энергозатрат без уменьшения защитного эффекта.
Практическая ценность
На сырьевой базе нефтехимических производств разработана серия ингибиторов различного назначения, которые, наряду с высокой эффективностью, в среднем на 15-20 % дешевле отечественных и зарубежных аналогов независимо от конъюнктуры рынка нефти и нефтепродуктов. Подготовлена и утверждена нормативно-техническая документация на разработанные реагенты.
Технология производства многокомпонентных ингибиторов коррозии внедрена на заводе малотоннажных химических продуктов и реактивов "Уфареак-тив", на опытном заводе института проблем нефтехимпереработки (ИПНХП) АН РБ, а также на Стерлитамакском нефтехимическом заводе, что позволило в период с 1995 по 1998 г. наработать более 1000 тонн ингибиторов типа "Реакор" (Реакор-1, Реакор-2, Реакор-5, Реакор-7, Реакор-21, Реакор-2В и др.), которые были использованы для защиты оборудоваїшя и трубопроводов систем ППД и нефтесбора различных НГДУ АНК "Башнефть", а также на предприятиях стройиндустрии.
Разработаны, утверждены и внесены в отраслевой реестр лабораторные регламенты, технические требования и условия на 42 новых реактива, имеющих перспективу применения в качестве ингибиторов коррозии.
Технология дозирования ингибиторов в трубопровод с помощью энергии транспортируемого продукта успешно прошла опытно-промышленные испытания на байпасе промыслового нефтепровода в НГДУ "Краснохолмскнефть" АНК "Башнефть" и рекомендована к применению на действующих нефтепроводах управления и других предприятий Компании.
Технологии напорного дозирования ингибиторов, их промысловых испытаний и контроля эффективности на действующем трубопроводе, нанесения на поверхность трубопровода в период ремонта в настоящее время проходят опытно-промышленные и стендовые испытания в центрах научно-исследовательских и промышленных работ НГДУ "Краснохолмскнефть" и "Чекмагушнефть" АНК "Башнефть" с целью дальнейшего внедрения на нефтепромысловых трубопроводах и в системах ГГЛД и нефтесбора.
Ингибитор пассивирующего действия Реакор-2В внедрен в АО "Крупнопанельное домостроение" для защиты от коррозии и окисления армаруры железобетонных конструкций.
Ингибитор пленкообразующего действия Реакор-21 успешно применен для защиты железобетонных поверхностей складских помещений ПО "Салават-нефтеоргсинтез", предназначенных для хранения агрессивных веществ различного назначения (в частности, карбамида).
Ингибитор Реакор-7 внедрен на заводе сантехзаготовок АО "Башсантех-монтаж" для защиты от коррозии сантехнических заготовок, труб и арматуры.
За высокое качество ингибиторы серии "Реакор" отмечены дипломом 4-й международной специализированной выставки "Химия-98".
Личное участие автора диссертации выразилось в постановке и формулировании научных и практических задач исследований, обобщении и выявлении основных результатов работы, организации направленных действий ее исполнителей, самостоятельной подготовке комплекса научно-технической документации на разработанные технологии и оборудование, проведении их заводских и промысловых испытаний, а также в организации промышленного производства ингибиторов и их поставок заказчикам.
Апробация работы
Результаты обобщенных в диссертации исследований докладывались на 1-ом Советско-Болгарском симпозиуме по проблемам малотоннажной химии, новых материалов и передовой технологии (г. Уфа, 1986), всесоюзном совещании "Получение и применение реагентов для процессов добычи нефти и газа на базе нефтехимического сырья" (г. Уфа, 1987), научно-технической конференции "Химия и технология ацеталей. Органические реактивы на их основе" (г. Уфа, 1988), всесоюзной конференции по химии нефти (г. Томск, 1988), 10-й всероссийской конференции по химическим реактивам "Реактив-97" (Москва, 1997), 8-й международной научно-технической конференции по новым материалам IMEK-8 (г. Беер-Шева, Израиль, 1997), 1-й международной конференции "Magnesium-97 " (Мертвое море, Израиль, 1997), международном симпозиуме по спектроскопии и аналитической химии PITTCON-98 (г. Новый Орлеан, США, 1998), международной конференции "Проблемы нефтегазового комплекса России" (г. Уфа, 1998), 3-ем международном конгрессе "Защита-98" (Москва, 1998), 16-ом Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Санкт-Петербург, 1998), международном симпозиуме по современным материалам "TECHNOMAT-98" (г. Бургас, Болгария, 1998), 3-й международной конференции по нефтехимии (г. Баку, 1998) ), 11-й всероссийской конференции по химическим реактивам "Реактив-98" (Уфа, 1998).
Публикации
Материалы диссертации отражены в 2 монографиях, 1 научно-техническом обзоре, 7 статьях, 5 патентах РФ, 16 тезисах докладов на международных, всероссийских и республиканских конференциях, 3 заявках на изобретения.
