Прокачка сероводорода в трубопроводах газа и нефти

Размещено на http://www.allbest.ru/

Прокачка сероводорода в трубопроводах газа и нефти

С открытием и освоением нефтегазовых месторождений в составе продукции скважин которых содержится сероводород, проблема защиты металлоконструкций от сероводородной коррозии встала со всей остротой. В России более 20% разведанных месторождений газа имеют сероводород и углекислый газ. По данным Ростехнадзора, на территории России в эксплуатации находится около 350 тыс. км промысловых трубопроводов (ПТ), на которых ежедневно отмечается 20 тыс. случаев нарушения герметичности, приводящих к потерям нефти и загрязнению окружающей среды. По информации «Гринпис», картина выглядит еще более ужасающе: 30-50 тыс. аварий в год, которые приводят к разливу 10-20 млн. тонн нефти. При этом около 90 % аварий происходит по причине коррозионного поражения материала труб .

На территории Республики Узбекистан процент таких месторождений подавляющий. Природные газы большинства месторождений Республики Узбекистан относятся к малосернистым и среднесернистым, содержащие до 8% сероводорода Н₂S.

Впервые с проблемами, связанными с эксплуатацией труб в средах с повышенным содержанием сероводорода, столкнулись в середине прошлого века при разработке нефтегазовых месторождений в США и Канаде. Ряд аварий на месторождениях обнаружил очевидную необходимость создания нормативной документации, регламентирующей требования к материалам, пригодным для эксплуатации в «кислых» средах. По требованию нефтедобывающих компаний в 1950 г. в NACE был создан комитет, который занялся анализом причин случающихся аварий и выработкой рекомендаций по их предотвращению. Результатом работы комитета явилась разработка стандарта NACE MR0175 [1], который за прошедшие годы претерпел несколько редакций, с внесением изменений. В настоящее время стандарт NACE MR0175/IS0 15156 «Нефтяная и газодобывающая промышленность - Материалы для применения в H₂S-coдержащих средах для добычи нефти и природного газа» (вступил в силу в 2003 г.) является гармонизированным международным стандартом, в разработке которого помимо NACE принимала участие Европейская федерация по коррозии (EFC). Этот документ на сегодняшний день является основным, регламентирующим выбор материалов, стойких к воздействию сероводородсодержащих сред.

Российский научно-исследовательский институт трубной промышленности (ОАО «РосНИТИ», г. Челябинск) образован в 1961 году (УралНИТИ) - головная организация в области трубного производства России. Направления работы - разработка научной, технической, нормативной документации, практическое применение которых позволяет обеспечивать устойчивое развитие трубной промышленности, разработку новых технологий, перспективных материалов и новых видов трубной продукции.

С 2004 г. институт является корпоративным членом международной ассоциации инженеров-коррозионистов (NACE - «National Associationof Corrosion Engineers», штаб-квартира - Хьюстон, США). NACE является законодателем и основным разработчиком стандартов и другой нормативной документации в области испытаний и аттестации материалов для нефтегазодобывающей и перерабатывающей отраслей промышленности.

В Российском научно-исследовательском институте трубной промышленности имеется структурное подразделение - Лаборатория коррозионных испытаний, аттестованная «Челябинским центром стандартизации, метрологии и сертификации», в которой имеется необходимое оборудование для проведения комплексных исследований коррозионной стойкости материалов. В качестве нормативной базы при проведении испытаний используются ГОСТ 9.905-82 «Методы коррозионных испытаний. Общие требования».

Несмотря на вышесказанное и на то, что уже значительные мощности нефтегазодобывающей промышленности вовлечены в процесс добычи, переработки, транспортировки сероводосодержащей продукции, проблеме противокоррозионных мероприятий в текущей, практической деятельности уделяется недостаточное внимание.

В статье дано общее представление о влиянии сероводорода, растворенного в газообразных и жидких средах продукции скважин на углеродистые стали труб и оборудования и описаны мероприятия по нейтрализации этого воздействия, опробованные в ходе проектирования, составлении технических частей контрактов, заказах на поставку. Показана также практическая работа по внедрению рекомендаций и инструкций по выбору материалов труб. Информация необходима специалистам проектных, монтажных организаций, заводов-поставщиков труб, арматуры, соединительных деталей трубопроводов, аппаратов. В статье изложена, кроме прочего, информация по материалам труб. Соединительным деталям трубопроводов, арматуре, оборудованию посвящены отдельные статьи, объединенные вместе с этой статьей в цикл.

Цель написания статей: вовлечь инженерные силы в процесс современного и многостороннего подхода к материальному оформлению оборудования, арматуры, установок, трубопроводов, находящихся под воздействием сероводорода.

Влияние сероводорода на сталь выражается в сероводородном растрескивании под напряжением (СРН) и водородным растрескиванием (ВР) типа расслоения. Кроме того, в средах в присутствии влаги происходит электрохимическая в т. ч. сплошная локальная коррозия внутренней поверхности труб и оборудования.

Низшим пределом концентрации сероводорода в газах, при котором возникают вышеуказанные виды коррозии, принято считать концентрации, обуславливающие при рабочем давлении в трубопроводе парциальное давление сероводорода P_H2S более 300 Па.

Что касается жидкостей, предельной концентрацией является растворенный сероводород в количестве, соответствующем его растворимости при парциальном давлении также более 300 Па.

Наивысшим нормируемым пределом концентрации является P_H2S=1,5 МПа соответственно в газах и жидкостях.

Сложнее коррозия протекает непосредственно на поверхности контактирующей с влажной средой, содержащей сероводород, и приводит к уменьшению толщин стенок трубопроводов и оборудования, образованию язв, питтингов, сквозных свищей, ослаблению конструктивной прочности. Этот вид разрушений протекает сравнительно медленно и может быть выявлен с помощью неразрушающих методов контроля. Газ с относительной влажностью менее 60% можно считать неагрессивным т. к. пленка электролита не образуется и процесс электрохимической коррозии заторможен.

Сероводородное растрескивание сталей является следствием наводораживания и снижения пластических свойств металла в процессе электрохимической коррозии в присутствии сероводорода.

Этот вид разрушений появляется в форме водородного растрескивания (ВР) с возникновением видимых визуально трещин и мелких расслоений во многих, расположенных в плоскостях параллельных поверхности трубы, постоянно растущих по величине под напряжением металла и без напряжения.

Кроме этого, сероводородное растрескивание проявляется в растрескивании под напряжением (СРН). Это наиболее опасная форма проявляется в развитии под напряжением одной трещины, направленной перпендикулярно действующим напряжениям растяжения. Это наиболее быстрый и трудно контролируемый в развитии вид разрушения. Одним из главных факторов, определяющих стойкость стали в сероводородсодержащей среде, является ее химический состав.

Какими возможностями для защиты располагаем мы перед этими грозными факторами.

Прежде всего это контроль за химическим составом стали. Необходимо ограничить содержание углерода (С) уровнем не выше 0,15 %, , чтобы после завершения сварки не появлялись тенденции к образованию карбидной фазы, к закалке и образованию мартенситных структур. Содержание марганца следует ограничить в пределах 1% , чтобы не увеличивать бейнитную составляющую, которая играет отрицательную роль на стойкость к наводораживанию.

Вредные примеси в стали , серы (S), фосфора (Р) следует ограничить в пределах 0,010 % и 0,025 % соответственно, чтобы уменьшить образование неметаллических включений и возможность выделений их в межзерных границах.

Наличие меди (Cu) оказывает благоприятное влияние, т. к. ее присутствие в стали уменьшает способность стали поглощать водород. В низколегированных сталях положительную роль играет алюминий (Аl). При содержании 0,2-0,6 % , в составе стали он замедляет диффузию водорода. Итак, химический состав стали должен выглядеть так ( %) :

С ? 0,15; Si ? 0,35; Mn ? 1,0; P ? 0,025; S ? 0,010; Cu ? 0,3; Cr ? 0,3;

Mo ? 0,10; Nb ? 0,04; W ? 0,07.

Международным институтом сварки (IIW) разработана формула для прогнозирования свариваемости углеродистых и низколегированных сталей.

С_э = С + Mn/6 + (Cr + Mo +V)/5 + (Cu + Ni)/ 15,

при этом Cu + Ni + Cr + Mo ? 0,9

При этом расчетный углеродный эквивалент С_э должен быть не более значения 0,38, при отсутствии в переходной зоне структур, металлических или интерметаллических соединений, снижающих стойкость зоны термического влияния к коррозионному растрескиванию ниже уровня основного металла при ручной и автоматической сварке

Механические свойства стали, во многом, определяют стойкость труб и других изделий против сероводородного растрескивания.

Повышение твердости и прочности стали, связано, как правило, с повышением склонности ее растрескиванию под напряжением. Поэтому твердость стали ограничивается максимальной величиной не более 22 единиц по Роквеллу (шкала С).

Остаточные напряжения после холодной или тепловой обработки также повышают склонность изделия к сероводородному растрескиванию под напряжением.

Высокие напряжения возникают также в зонах термического влияния сварки. Напряжения снимаются отпуском при температуре в интервале 550-650 ⁰С.

Процессу коррозии способствует также температура, находящаяся в пределах от +20 ⁰С до +40 ⁰С.

Магистральные и промысловые нефте- и газопроводы, применяемые для добычи и транспортировки нефти и газа, зачастую работают в экстремальных климатических и природно-геологических условиях, контактируя с коррозионно-агрессивными продуктами; их разрушение сопровождается крупными материальными потерями и экологическими катастрофами.

Объем металла контактирующего с коррозионно-активной рабочей средой слагается из материала промысловых трубопроводов, включая материал труб, соединительных деталей трубопроводов, арматуры, технологического оборудования, большую часть которого составляют аппараты, работающие под давлением, а также приборы автоматики.

Прежде всего, выясним, какое влияние сероводород оказывает на трубы. Учет всех факторов, влияющих на работоспособность труб, непременное условие точности разрабатываемых прогнозов.

Как правило, для транспортирования сероводородсодержащих сред применяются трубы из спокойных углеродистых и низколегированных сталей с вышеуказанными свойствами, прошедшими лабораторные и промышленные испытания и допущенные к эксплуатации по методикам NACE TM 0177-90 [6]. и NACE TM0284-90 [2]. и MCKP 01-85[3]. Причем бесшовные трубы должны изготовляться из катанной или кованой заготовки (применение литой заготовки не допускается) с испытанием механических свойств металла труб на растяжение по ГОСТ 10006-80 и испытанием на твердость по ГОСТ 9012-59.

Содержание серы и фосфора в материале трубных заготовок, получаемых на установках непрерывной разливки стали (УНР), не должно превышать 0,010 % и 0,015% соответственно. Трубы из таких заготовок допускаются к применению, только при наличии положительного заключения специализированной организации (ВИИГАЗ). Вид трубной заготовки должен быть указан в сертификате на трубы.

Все бесшовные трубы должны подвергаться на заводе - изготовителе гидравлическому испытанию на давление, соответствующее не менее 80% от номинального предела текучести, с указанием факта в сертификате на поставленные трубы.

Электросварные трубы испытываются напряжением равным 0,95у _0,2, и подвергаются экспандированию с деформацией не более 1,2 %.

Толщина стенок труб, транспортирующих сероводородсодержащие газы, рассчитывается по формуле

д = P * D_н / 2*(k*у_т+Р) + С₁+ С₂

где:

Р - расчетное давление в трубопроводе, МПа;

D_н - наружный диаметр труб, мм ;

К - коэффициент допускаемого напряжения в долях от предела

текучести металла;

у_т - минимальный предел текучести металла труб гарантируемый

техническими условиями на поставку труб, МПа;

С₁ - минусовой допуск на изготовление бесшовных труб или на

изготовление листа для электросварных труб, мм ;

С₂ - добавка к толщине труб на общую коррозию (не менее 2 мм)

Коэффициент К=0,4-0,65 у_т в зависимости от категории участка трубопровода (В, I, II, III, IV).

Толщины стенок соединительных деталей трубопроводов, корпусов арматуры, корпусов аппаратов и другого оборудования рассчитываются аналогично, со снижением допускаемого напряжения и зависит от категории трубопровода и класса сосуда работающего под давлением.

Механические свойства металла труб должны быть в пределах:

Временное сопротивление разрыву у_в , МПа 420 ч 520;

Предел текучести у _0,2, МПа 300 ч 400;

Относительное удлинение не менее е , % 24.

Среднее значение вязкости металла труб;

Тип образца Менаже (KCU) - 50 кгм/см²

Тип образца Шарпи (KCV) - 4,0 кгм/см².

Разумеется, при этом увеличивается толщина стенок труб, корпусов арматуры, соединительных деталей трубопроводов, корпусов оборудования сравнительно с аналогичными, работающими с некоррозионной средой.

Трубы поставляются нормализованные, с полученной мелкозернистой структурой металла с зерном по ГОСТ не ниже балла 8; общей длинной 10,5 ч 11,9 м.

В сертификатах на прямошовные электросварные трубы

(спиралешовные не допускаются) должны быть сведения о 100% контроле листовой заготовки методом УЗД на сплошность.

NACE MR0175/IS0 15156 предполагает два метода оценки пригодности материалов:

1 - по результатам лабораторных испытаний;

2 - на основании опыта эксплуатации в реальных условиях.

В свою очередь, порядок проведения лабораторных испытаний регламентируется стандартами: NACE TM0169-2000[4], NACE ТМ0284-2003 [2], NACE ТM0184-96 [5], NACE TM0177-2005 [6]. Результаты лабораторных исследований позволяют сделать предварительную оценку коррозионной стойкости сталей и сплавов и принять решение о целесообразности проведения эксплуатационных испытаний.

В сертификатах на поставляемые трубы должны быть сведения о проведении вышеуказанных лабораторных испытаний металла труб на сероводородное растрескивание.

Однако при закупке сварных труб по импорту нами были приняты критерии, отличные от привычных в нашей практике, например, исключающие термообработку труб и гидравлическое испытание.

В Японии, в компании NKK, выплавляют стали только конверторным способом с десульфуризацией. Прокат листа ( HCR ) осуществляется способом контролируемой прокатки (TMCR) т.е с постоянным подогревом листа и с контролированием усилия прокатки, что исключает последующую термическую обработку трубы и весь объем работ связанный с этой операцией, включая контроль после термообработки.

Из технологического процесса выведена операция гидравлического испытания каждой трубы, т.к. весь технологический процесс находится под компьютерным контролем и, в связи с этим, качество достигается точностью выполнения всех операций и выполнением всего объема неразрушающего контроля.

Также по химическому составу было сделано допущение в технических требованиях связанное с повышением содержания марганца Мn на 0,05% свыше максимума, но не более 1,45% общего, каждый раз при снижении максимального содержания углерода С на 0,01% . Это требование стандарта API спецификация 5L, оно верно для углеродистых сталей с низким содержанием углерода (до 0,06%).

К примеру, при заключении контракта на строительство ДКС Шуртан НХК "Узбекнефтегаз" подготовила комплекс требований, в состав которых входили требования к материалам для изготовления сосудов работающих под давлением и труб для линий сернистого газа. Компания Bateman, выполняющая контракт, с целью установления представляет ли применение углеродистых сталей, входящих в требования, реальную альтернативу, заключила контракт с компанией Shell Global Solutions US на выполнение аналитического обзора.

В результате исследований были выработаны дополнительные требования к стальным материалам для изготовления сосудов работающих под давлением и труб для линий сернистого газа полностью соответствующие требованиям изложенным в приложению к контракту. Ранее, по нашим требованиям были осуществлены закупки электросварных труб изготовленных компанией NKK (Япония) и Выксунским металлургическим заводом общим объемом поставки более 24 тыс. тонн.

Материал труб прошел исследования по вышеуказанным методикам и в обоих случаях даны положительные заключения, которые отражены в сертификатах на трубы.

Таким образом, это подтверждает, что наши представления о воздействии сероводорода на углеродистые стали и мероприятия по нейтрализации этого воздействия находятся на современном уровне.

Выполнение вышеуказанных требований к материалу труб с проведением мероприятий по ингибированию их внутренних поверхностей - залог безопасной эксплуатации объектов нефтегазодобывающей промышленности в пределах расчетного срока.

Список литературы

трубопровод сероводород строительство

1. Стандарт NACE MR0175-95. Металлические материалы для оборудования нефтедобывающей промышленности, стойкие к растрескиванию под действием напряжений в сульфидсодержащей среде.

2. Стандартная методика NACE ТM 0284-96. Оценка сталей для трубопроводов и сосудов высокого давления на предмет стойкости к водородному растрескиванию.

3. МСКР 01-85 «Методика испытаний сталей на стойкость против сероводородного коррозионного растрескивания».

4. NACE TM0169-2000 «Стандартный метод испытаний. Лабораторные испытания металлов на коррозионную стойкость».

5. Стандартная методика NACE ТM 0184-96. Лабораторные испытания металлов на стойкость к растрескиванию под действием сероводородной коррозии в среде содержащей Н₂S.

6. NACE TM0177-2005 «Стандартный метод испытаний. Лабораторные испытания металлов на сопротивление сульфидному растрескиванию под напряжением и коррозионному растрескиванию под напряжением в H₂S-содержащих средах».

Размещено на Allbest.ru