Влияния ультрафиолетового излучения на уложенные в штабеля трубы с наплавленным эпоксидным покрытием ч.1

В этой статье рассказывается о втором этапе программы масштабного ремонта труб, хранящихся в Северной Америке, а именно — в Канаде. На этом этапе проводились проверки и испытания критически важных характеристик покрытия, чтобы оценить их целостность на трубах, хранившихся штабелями почти десять лет на различных объектах Западной Канады. Эту информацию в дальнейшем можно использовать как для анализа последствий долгосрочного хранения труб с нанесенным на них покрытием, так и для определения эффективности таких методов хранения наплавленных эпоксидных покрытий. Результаты такого подхода к технической проверке покрытий на трубах, хранящихся в штабелях в Канаде, также сравнили с выводами предыдущего исследования по восстановительным работам в США [1], тем самым определив, могут ли методы хранения труб в штабелях в США и Канаде привести к разным результатам с точки зрения ухудшения характеристик покрытий под воздействием ультрафиолетового излучения и погодных условий.

Недавняя программа компании TC Energy, владеющей и пользующейся трубопроводами в Канаде, была направлена на оценку целостности наплавленных эпоксидных покрытий на штабелированных трубах в Соединенных Штатах в рамках этапа Keystone XL проекта нефтепровода «Кистоун». В рамках программы выяснилось, что наплавленные эпоксидные покрытия на трубах, расположенных с наружной стороны штабелей (с белым защитным покрытием от ультрафиолета), сохранили все свои свойства, кроме эластичности, а покрытия на трубах, находившихся внутри штабеля, защищенные от непосредственного воздействия ультрафиолетовых лучей и погодных условий, сохранили все свои изначальные свойства и уровень эффективности. Полевые и лабораторные испытания показали, что свойства покрытий на трубах, расположенных внутри штабеля, оставались аналогичными полученным при производстве, таким образом, покрытие отвечало требованиям и критериям, установленным как компанией, так и национальными стандартами [1].

В проекте задействовано около 530 км труб на территории Канады и 1400 км в США, где трубы соединяют станции нефтепереработки в Иллинойсе, Оклахоме и на побережье Мексиканского залива в Техасе. Производство и нанесение наплавленного эпоксидного покрытия на магистральные трубы, приобретенные для проекта, выполнялось в 2009, 2010 и 2011 годах. Затем трубы в больших количествах уложили в штабеля на нескольких объектах по всей Канаде и США. После укладки в штабеля большинство труб с наплавленным эпоксидным покрытием оставались неиспользованными, пока в августе 2018 года не была инициирована программа по их проверке и восстановлению.

В этой статье рассказывается о втором этапе программы масштабного ремонта труб, хранящихся в Северной Америке, а именно — в Канаде. На этом этапе проводились проверки и испытания критически важных характеристик покрытия, чтобы оценить их целостность на трубах, хранившихся штабелями почти десять лет на различных объектах Западной Канады. Эту информацию в дальнейшем можно использовать как для анализа последствий долгосрочного хранения труб с нанесенным на них покрытием, так и для определения эффективности таких методов хранения наплавленных эпоксидных покрытий. Результаты такого подхода к технической проверке покрытий на трубах, хранящихся в штабелях в Канаде, также сравнили с выводами предыдущего исследования по восстановительным работам в США [1], тем самым определив, могут ли методы хранения труб в штабелях в США и Канаде привести к разным результатам с точки зрения ухудшения характеристик покрытий под воздействием ультрафиолетового излучения и погодных условий.

Воздействие ультрафиолетового излучения на наплавленные эпоксидные покрытия

Как уже говорилось в предыдущей статье, под воздействием ультрафиолетового излучения наплавленные эпоксидные покрытия подвергаются разрушению полимеров, которое обычно называют мелением. Этому явлению подвержены все наплавленные эпоксидные покрытия, которые, в первую очередь, предназначены для использования только под землей. Кер [2] утверждает, что, если слой наплавленного эпоксидного покрытия, подвергшейся мелению, остался цельным, он защищает низлежащий слой покрытия и позволяет ему сохранить свои изначальные свойства. Однако, если защитный слой покрытия удалить, то новая поверхность заново подвергнется процессу меления. Предыдущее исследование в полевых условиях [1,2,3] продемонстрировало, что продолжающееся разрушение покрытия сопровождается заметным уменьшением его толщины на 10-40 микрон в год.

На фактическую степень утончения покрытия влияют следующие факторы:

• стойкость наплавленного эпоксидного покрытия к воздействию ультрафиолетового излучения;
• интенсивность УФ-воздействия; Интенсивность воздействия можно определить по расположению трубы в штабеле и продолжительности хранения;
• интенсивность непосредственного воздействия погодных условий; интенсивность ультрафиолетового излучения на юге США гораздо выше, чем в Канаде [4];
• воздействие влаги из-за осадков;
• периоды защиты от ультрафиолетового излучения под снежным покровом.

При любом непосредственном воздействии ультрафиолета на наплавленные эпоксидные покрытия исходная эластичность покрытия снижается, что выяснилось при проверке согласно методу испытания на эластичность в условиях низких температур Канадской ассоциации стандартов (CSA Z245.20). Изменение блестящего внешнего вида, как правило, сопровождается охрупчиванием покрытия, что выражается в потере адгезии согласно испытаниям на адгезию в сухом состоянии. Таким образом, любое снижение интенсивности УФ-воздействия благоприятно скажется на сокращении или устранении повреждений полимерной структуры наплавленного эпоксидного покрытия.

Рисунок 1. Штабель в Саскачеване.

Данные о трубах и их хранении

Оценке подвергли определенные участки трубопровода, характеризующие состояние труб в штабеле. Характеристики труб и покрытий:

1. Внешний диаметр 36 дюймов (914 мм) × толщина стенок 0,465 дюйма (11,8 мм), согласно спецификации API 5L (44-я редакция), труба PSL 2, сталь марки X70 (483), со спиральным швом, полученным дуговой сваркой под слоем флюса, с наружным наплавленным эпоксидным покрытием в соответствии с требованиями стандарта CSA Z245-20, система 1A, без акрилового покрытия для защиты от ультрафиолетового излучения (белое защитное покрытие).
2. Та же труба и наплавленное эпоксидное покрытие, но с наружным слоем нанесенного позднее белого акрилового покрытия для защиты открытых участков от ультрафиолетового излучения.
3. Все трубы, рассматриваемые в данном канадском исследовании, произведены в Японии, а наплавленное эпоксидное покрытие наносили на них в Канаде. Затем, уже в полевых условиях, наносились белые защитные покрытия.

Штабели, как правило, были высотой по четыре или пять труб, скрепленных веревками толщиной 19 мм, которые выполняли роль разделителей (рисунок 1), и размещались на объектах в Альберте и Саскачеване, Канада.

Рисунок 2. Пример поврежденного и отслаивающегося беленого акрилового покрытия на трубе с наплавленным эпоксидным покрытием в Шаунавоне, Саскачеван.

Беленые трубы, хранящиеся на объектах, по оценкам, составляли примерно 20% от 28 000 соединительных труб длиной 24 м, которые хранились в штабелях в рамках данного проекта. Канадские трубы хранились примерно 24-36 месяцев до первого нанесения белого покрытия. Это покрытие наносили повторно через каждые 4 года. Во всех случаях все открытые участки наплавленного эпоксидного покрытия были обработаны белым защитным покрытием, за исключением наружных участков на концах каждой трубы, на которых были нанесены идентификационные маркировки. Однако, когда маркировки перенесли на внутреннюю поверхность труб согласно требованиям стандартов CSA, большинство труб были полностью покрыты защитными акриловыми покрытиями, устойчивыми к УФ-излучению.

В большинстве случаев после повторного нанесения белое акриловое покрытие на трубах в штабелях, хранившихся в Канаде, практически не потускнело. В США, между тем, часто наблюдалось значительное потускнение белого покрытия. Однако в некоторых канадских штабелях обнаружили примеры ухудшения адгезии и отслаивания белого покрытия, что показано на рисунке 2. Отслаивание белого покрытия снизило его эффективность с точки зрения устойчивости к ультрафиолетовому излучению, что проявилось в виде утончения покрытия в местах отслаивания. Поскольку главная причина отслаивания белого покрытия не была точно установлена, предполагается, что его вызывают повреждения при перемещении труб или, что более вероятно, неэффективные процедуры подготовки и нанесения покрытия. В целом, состояние белого защитного покрытие все же было отличным, даже после 10 лет хранения. Пример отличного состояния белого покрытия в Канаде представлен на рисунке 3.

Целью проводимой оценки было, во-первых, определение воздействия погодных условий в Канаде на трубы под белым покрытием, а также выяснение качества наплавленного эпоксидного покрытия. Во-вторых, установление критериев эффективности покрытий на трубах, которые хранились внутри штабеля и не подвергались ультрафиолетовому излучению.

Для оценки целостности покрытия на трубах был подготовлен план проверки и испытаний покрытий. Осмотр включал в себя следующие пункты:

• наплавленное эпоксидное покрытие, которое было покрыто белым акриловым покрытием для защиты от ультрафиолетового излучения;
• наплавленное эпоксидное покрытие с труб, которые хранились внутри штабеля и не подвергались ультрафиолетовому излучению.

План проверки и испытаний покрытий включал следующие мероприятия:

• документирование номеров труб и их расположения в штабеле;
• оценку эффективности сухой пленки в зависимости от толщины на конкретной трубе. Частота и расположение на трубе определялись и записывались в виде положения по условному часовому циферблату, например, 12, 4 и 8 часов;
• оценку адгезии в сухом состоянии согласно стандарту ISO 21809-3. Приложение Q. Испытание на адгезию [6];
• контроль сплошности защитных покрытий на конкретных трубах;
• передачу отобранных труб в лаборатории Канады для проведения лабораторных испытаний.

Рисунок 3. Пример белого акрилового защитного покрытия в отличном состоянии на объекте в Шаунавоне.

Цель оценки

1. Сопоставить методы определения толщины сухой пленки и адгезии в сухом состоянии и методы оценки целостности покрытия согласно стандарту CSA Z245.20-18.
2. Путем проведения ряда лабораторных испытаний установить, согласно требованиям регулирующих органов, могут ли результаты испытаний на адгезию в сухом состоянии и на определение толщины сухой пленки указывать на качество наплавленного эпоксидного покрытия на трубах, уложенных в штабели.
3. Подтвердить предположение о том, что наплавленное эпоксидное покрытие с белым защитным покрытием, не подвергавшееся воздействию ультрафиолетового излучения, остается пригодным для использования в качестве антикоррозионного покрытия подземного трубопровода.

Результаты программы оценки

Изначально для оценки было взято две трубы с белым защитным покрытием, которые хранились с наружной стороны штабелей. Кроме того, два соединительных участка без белого покрытия, которые хранились с наружной стороны штабелей, также оценили согласно плану проверки и испытаний, описанному выше. Четыре соединительных участка хранились на заводе компании, занимающейся нанесением покрытий на трубы, и подвергались расширенной проверке на предмет толщины сухой пленки, а также испытаниям на адгезию в сухом состоянии. Испытания проводили в помещении, чтобы минимизировать воздействие неблагоприятных погодных условий и обеспечить стабильные условия испытаний (см. рисунок 4). Температуры на заводе в процессе проверки постоянно регистрировались и составляли от 14°C до 15°C. Именно при такой температуре проводилась оценка покрытий в Литл-Рок, США [1]. Канадские трубы с покрытием подвергли последующей лабораторной оценке.

Рисунок 4. Проверка труб на заводе ShawCor в Камроузе, Альберта.

Результаты испытаний на адгезию в сухом состоянии и определение толщины сухой пленки всех четырех соединительных труб представлены в таблице 1. По сути, каждую соединительную трубу изолировали и испытывали три разных участка каждой трубы. В каждом месте испытания проводились в положениях по условному часовому циферблату 12, 4 и 8 часов. Испытания повторяли на концах и посередине каждой соединительной трубы. Все трубы с белым защитным покрытием показали приемлемую толщину покрытия. В спецификации компании к покрытиям указывается необходимая толщина наплавленного эпоксидного покрытия от 356 до 506 микрон на момент производства. Толщина покрытия с белым защитным покрытием составляла от 401 до 502 микрон, что означало, что оно полностью соответствует исходным параметрам. Единственным исключением стал один образец, толщина которого на одном участке составила всего 368 мм. Испытания на адгезию в сухом состоянии проводились на трубах с белым защитным покрытием и без него, при этом результаты стабильно соответствовали минимальным требованиям к покрытию. Как видно из таблицы 1, все 36 испытаний на адгезию в сухом состоянии, проведенные на четырех трубах, показали приемлемые результаты (1 или 2). Результаты всех испытаний, кроме двух, оказались идеальными (1).

Звенья каждой из четырех труб также подверглись дальнейшим лабораторным испытаниям. Звенья каждой трубы отправили на оценку в лаборатории компании, занимающейся нанесением покрытий, в Эдмонтон.

Лабораторные испытания

Трубы с белым защитным покрытием и без него оценивали в соответствии с критериями стандарта CSA Z245.20-18 по следующим параметрам:

1. Испытания на изгиб на 2,5 градуса при температуре −30°C. Если результаты были неудовлетворительными, градус изгиба уменьшали.
2. 24-часовое испытание на катодное отслаивание при 3,5 В и 65°C.
3. Испытание на адгезию после 24 часов вымачивания в воде при температуре 75°C.
4. Дополнительное испытание на изгиб на 1,5 градуса при температуре −30°C (три образца согласно требованиям компании, TC Energy) провели для оценки напряжения, деформации или изменений цвета.

Как и в случае с американскими испытаниями, использование дифференциальной сканирующей калориметрии  в рамках данной программы не рассматривалось из-за влияния поглощения влаги на результаты тепловых испытаний [7].

Таблица 1. Испытания на адгезию в сухом состоянии, проведенные на трубах в Камроузе 16 октября 2019 года.

Кит И.У. Колсон, Джеймс Фергюсон, компания TC Enegry, Калгари, Альберта, Канада

часть 2