Размещено на http://www.allbest.ru/

Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу

Спеціальність 05.15.13 - Нафтогазопроводи, бази та сховища

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Науково-прикладні основи забезпечення експлуатаційної надійності промислових трубопроводів при низьких температурах

Чернов Володимир Юрійович

Івано-Франківськ - 2003

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Івано-Франківському національному технічному університеті нафти і газу Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант:

- доктор технічних наук, професор ШЛАПАК Любомир Степанович, Івано-Франківській національний технічний університет нафти і газу, професор кафедри спорудження та ремонту газонафтопроводів і газонафтосховищ, м. Івано-Франківськ

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор ГРУДЗ Володимир Ярославович, Івано-Франківській національний технічний університет нафти і газу, завідувач кафедри спорудження та ремонту газонафтпроводів і газонафтосховищ, м. Івано-Франківськ

доктор технічних наук, професор НИКИФОРЧИН Григорій Миколайович, Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, завідувач відділу корозійно-водневої деградації та захисту матеріалів, м. Львів

доктор технічних наук, професор СТЕКЛОВ Олег Іванович, Російський державний університет нафти і газу ім. І.М. Губкіна, завідувач кафедри зварювання та захисту від корозії, м. Москва

Провідна установа - Інжинірінгово-виробниче підприємство "Всеукраїнський науковий і проектний інститут транспорту газу (ВНІПІТРАНСГАЗ), м. Київ.

З дисертацією можна ознайомитись в науково-технічній бібліотеці Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу за адресою: 76019, Україна, м. Івано-Франківськ, вул. Карпатська, 15.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д20.052.04 Корнута О.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Безупинно зростаючі потреби в енергоносіях змушують інтенсифікувати видобуток нафти і газу, що пов'язано з освоєнням нафтогазових родовищ у північних районах. Це зумовлює необхідність будівництва промислових і магістральних трубопроводів у суворих кліматичних та інженерно-геологічних умовах. При цьому виконання зварювально-монтажних робіт є можливим, переважно, узимку при низьких температурах повітря (до -50⁰С). Трубопроводи, що застосовуються для видобутку і транспортування нафти і газу, постійно контактують з корозійно-агресивними продуктами, їхнє руйнування супроводжується великими матеріальними збитками і важкими екологічними наслідками.

Як показує практика, термін експлуатації трубопроводів в значній мірі визначається корозійною тривкістю і тріщиностійкістю трубних сталей і їхніх зварних з'єднань. Основу трубопровідного будівництва складають зварювально-монтажні та ізоляційно-укладальні роботи, якість виконання яких значною мірою визначає технологічну міцність і експлуатаційну надійність трубопроводів.

При цьому велике значення має також підвищена схильність трубних сталей і їхніх зварних з'єднань до водневого окрихчування, особливо зі зниженням температури навколишнього повітря при зварюванні. Відсутність науково обґрунтованих критеріїв оцінки і вибору режимів зварювання при від'ємних температурах ускладнює розробку оптимальної технології, яка б забезпечила високу технологічну міцність зварних з'єднань і мінімальний негативний вплив термічного циклу зварювання на метал труб. Це призводить до необхідності здійснення додаткових заходів (попереднього і наступного нагрівання, теплоізоляції монтажних стиків та ін.), що значно збільшує вартість монтажу трубопроводів.

Експлуатація нафтових і газових родовищ нерозривно пов'язана з корозійним руйнуванням нафтогазового устаткування, зокрема, промислових трубопроводів. Однією з основних причин такого виду руйнування є присутність у продукті, що транспортується, сірководню і вуглекислого газу. Водонафтогазова емульсія має корозійно-агресивні властивості, які визначаються її складом і концентрацією розчинених солей, наявністю кисню і кислих газів (вуглекислого газу, сірководню), їхнім парціальним тиском, температурою, а також швидкістю руху і характером потоку.

Тому конструкційні матеріали повинні мати необхідне сполучення міцнісних і в'язкопластичних властивостей, що зберігають свою стабільність у широкому інтервалі температур і тисків, з високою корозійною тривкістю, у тому числі до водневого окрихчування, корозійного розтріскування й інших специфічних видів корозійного руйнування, які проявляються в умовах впливу нафтогазових середовищ.

Забезпечення довговічності і надійності промислових трубопроводів родовищ нафти і газу в значній мірі визначається раціональним вибором конструкційних матеріалів і вимагає впровадження нових, більш якісних трубних сталей. Для забезпечення необхідної довговічності та надійності трубопроводів, виготовлених з найбільш поширених вуглецевих (наприклад, сталь 10 і 20) і низьколегованих (О9Г2С, 09Г2, 17Г1С) сталей, потрібно застосовувати різноманітні методи протикорозійного захисту, наприклад, інгібірування, з розробкою технологічних варіантів зниження корозійної агресивності середовища, а також різні методи поверхневої обробки і захисту конструкційних матеріалів. Однак найчастіше перелічені вище методи не забезпечують необхідної стійкості поверхонь труб проти корозії, особливо якщо вони використовуються окремо. Тому в останні роки все більшого застосування знаходять комбіновані методи захисту нафтогазового обладнання, зокрема транспортних трубопроводів, від впливу агресивних середовищ.

Альтернативою цьому є метод поліпшення якості і підвищення механічних і корозійних властивостей основного і наплавленого металу, що полягає в мікролегуванні трубних сталей і зварних швів елементами-модифікаторами, зокрема, рідкісно- (РЗЕ) і лужноземельними (ЛЗЕ). Ефективність впливу таких мікродомішок пов'язана зі зміною морфології, розподілу і дисперсності структурних складових металу, а також складу і стану границь зерен. Питання впливу модифікуючих домішок на деформаційну здатність і корозійну стійкість трубних сталей і зварних з'єднань, особливо при низьких температурах, і досі залишається не вивченим.

Існуючі дотепер науково-технічні і конструкторські розробки з підвищення термінів служби промислових трубопроводів містять протиріччя і невизначеність. В них відсутні кількісні науково обґрунтовані практичні рекомендації з оптимального вибору електродних матеріалів і технології монтажного зварювання неповоротних стиків стосовно до змінюваних умов експлуатації нафтогазопроводів. Все це вказує на необхідність комплексного і системного вивчення зазначеної проблеми з розробкою раціональних антикорозійних і конструкторсько-технологічних заходів при спорудженні і ремонті трубопроводів у трасових умовах нафтових родовищ.

Рішення науково-технічної проблеми, спрямованої на розробку високоефективних ресурсозберігаючих технологічних процесів і матеріалів для виготовлення промислових трубопроводів, а також методів підвищення їхньої надійності й експлуатаційної довговічності являє собою актуальну задачу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась в рамках державної науково-технічної програми “Новітні технології розвитку паливно-енергетичного комплексу”, що входить до Національної програми “Нафта і газ України до 2010 року”.

Тематика роботи є частиною планових державних науково-дослідних робіт з розвитку нафтопромислового комплексу РФ.

Наукові дослідження по темі дисертації проведені у відповідності з планом НДР Координаційної ради по зварюванню і міжвузівських програм.

Викладені в дисертації результати покладені в основу розробленої за участю автора науково-технічної концепції розвитку трубопровідного транспорту Самотлорського родовища (в рамках Програми реконструкції Самотлорського родовища).

Мета і задачі дослідження. Метою даної дисертації є розробка науково-прикладних основ підвищення експлуатаційної надійності промислових трубопроводів для суворих кліматичних умов. Вона досягається вирішенням важливих науково-практичних задач:

1. Дослідження природи і механізму вуглекислотної корозії трубних сталей в умовах експлуатації в агресивних середовищах.

2. Дослідження причин і встановлення механізму локальної корозії зварних нафтопроводів з розробкою математичних моделей корозійних процесів для прогнозних оцінок ресурсу промислових трубопроводів.

3. Виявлення ступеня впливу водню на механізм сульфідного корозійного розтріскування під напруженням (СКРН), а також індукованого ним розшарування (ВІР) металу труб з розробкою електрохімічних і математичних моделей механізмів вказаних видів руйнування.

4. Розробка науково обґрунтованих практичних рекомендацій з підвищення корозійної тріщиностійкості трубних сталей та їхніх зварних з'єднань, а також технологічної міцності промислових трубопроводів.

5. Дослідження і розробка рекомендацій з оптимізації хімічного складу трубних сталей, вмісту в них водню і способів реалізації, що забезпечують високу тріщиностійкість холодостійких сталей у широкому інтервалі зміни температур (+40...-60⁰С).

6. Розробка нових марок сталей для виготовлення промислових труб, проведення випробувань їхніх холодостійких і корозійних властивостей, а також організація дослідно-промислової перевірки і впровадження на промислах.

7. Розробка нової марки електродів для зварювання кореневих швів монтажних стиків, проведення випробувань їхніх зварювально-технологічних характеристик і властивостей металу шва.

Об'єкт дослідження. Промислові трубопроводи; удосконалені низьковуглецева сталь 20А і низьколегована сталь 08ХМЧА з високими антикорозійними властивостями, холодо- і тріщиностійкістю при експлуатації в корозійно-активних середовищах; розроблений електрод марки АНО-ТМ.

Предмет дослідження. Механізм локальної (пітингової і канавкової) корозії; концепція ступеня впливу водню на СКРН і розшарування металу труб; математична модель опору металу нафтогазопроводів утворенню тріщин, спричинених статичною (циклічною) водневою втомою; закономірності впливу домішок-модифікаторів РЗЕ, ЛЗЕ на корозійну тривкість, міцнісні та опору крихкому руйнуванню характеристики і тріщиностійкість низьколегованих трубних сталей та їхніх зварних з'єднань.

Методи досліджень. Дослідження проводилися за допомогою чисельних методів з використанням загальновідомих і оригінальних методик експериментальних досліджень. Під час досліджень і металографічного аналізу структури і геометрії дефектів використовувалося сучасне спеціальне обладнання із застосуванням відповідних комп'ютерних технологій.

Фазовий рентгеноструктурний аналіз продуктів корозії проводився в Со_кб випромінюванні. Фазовий склад визначався методом порівняння значень міжплощинних відстаней з табличними аналогічними значеннями елементів і з'єднань. Кількісне співвідношення між фазами визначалося порівнянням інтегральних інтенсивностей їхніх дифракційних ліній.

Якісний мікрорентгеноспектральний аналіз проводився за довжинами хвиль рентгенівського випромінювання з допомогою Si-Li детектора “Link”.

Загальна корозія металів визначалася методом малоциклової вольтамперометрії, локальна - згідно із спеціально розробленими методиками НДФХІ (м. Москва); кількісна оцінка корозійної стійкості - потенціодинамічним методом кольорових індикаторів.

Швидкість корозії встановлювалася прямим методом (профілографуванням) і експрес-методом (вимірюванням поляризаційного опору і потенціалу корозії).

Випробування на сульфідне розтріскування проводилося згідно з методикою стандарту NACE TM-01-77.

При розробці математичних моделей розрахунку і чисельного прогнозування корозійної тривкості і в'язкого руйнування використовувалися методи кореляційного, дисперсійного і регресійного аналізу.

Вміст водню в сталевих зразках визначався методом вакуум-плавки на хроматографічній установці VH-6 фірми “Гереус” (Німеччина).

Для визначення залежності між твердістю і швидкістю охолодження металу зони термічного впливу (ЗТВ) використовувалася методика, в основу якої покладене зварювання клиновидної проби.

Наукова новизна одержаних результатів. За результатами виконаних теоретичних і експериментальних досліджень розроблений єдиний підхід для розв'язання важливої науково-технічної проблеми з підвищення експлуатаційної надійності і довговічності промислових трубопроводів, які працюють в умовах впливу активних корозійних продуктів при температурах навколишнього середовища до -60⁰С. В рамках розробки цієї концепції отримані такі наукові результати:

а) вивчені природа і механізм вуглекислотної корозії трубних сталей нафтогазового призначення в широкому інтервалі зміни температур, тисків і концентрації О₂, СО₂ і Н₂S, що дозволило по-новому оцінити вплив цих компонентів на її кінетику і вперше сформулювати науково обґрунтовані принципи підвищення корозійної стійкості трубних сталей, експлуатованих в агресивних середовищах;

б) вперше встановлено, що висока стійкість проти загальної і пітингової корозії, а також СКРН низьколегованих сталей і їхніх зварних з'єднань досягається шляхом економного модифікування мікродомішками, які сприяють глибоким структурно-фазовим перетворенням, гальмуючи процеси корозійних пошкоджень; науково обґрунтовано вибір оптимального вмісту модифікаторів;

запропоновані математичні моделі чисельного прогнозування основних параметрів корозійних процесів зварних з'єднань і основного металу, що експлуатуються в СО₂- і Н₂S-вмісних середовищах під напруженням, які можуть використовуватися для інженерних розрахунків та прогнозних оцінок експлуатаційного ресурсу зварних металоконструкцій нафтогазових об'єктів;

в) розроблена математична модель опору матеріалу нафтогазопроводів утворенню тріщин, спричинених статичною водневою втомою, в основу якої покладений механізм водневого окрихчування металу, що контактує з сірководневмісним середовищем. Зазначена модель враховує особливості структури сталі і вміст розчиненого в ній водню, що дозволяє прогнозувати надійність і працездатність трубопровідних конструкцій, експлуатованих в агресивних середовищах нафтогазових родовищ;

г) вперше розроблені науково обґрунтовані практичні рекомендації з підвищення технологічної міцності промислових трубопроводів, що полягають у виборі оптимальної технології зварювання з використанням термокінетичних діаграм сталей, на які нанесені криві охолодження. Такий підхід гарантує отримання потрібних механічних і службових властивостей зварних з'єднань без утворення холодних тріщин при низьких температурах (до -60⁰С);

д) на основі комплексних механічних, корозійних і металографічних досліджень встановлені оптимальні концентрації домішок-модифікаторів, при введенні яких у низьколеговану сталь і зварний шов значно зростають характеристики в'язкості руйнування і показники крихкої міцності і тріщиностійкості металу;

е) вперше виявлена контролююча роль неметалевих включень (оксидів і оксисульфідів) глобулярної форми у процесі крихкого руйнування холодостійкої сталі, економнолегованої Ni, Mo, V, РЗЕ, ЛЗЕ і Zr, що сприяють подрібненню мікроструктури, при цьому з введенням РЗЕ, ЛЗЕ і Zr, окрім того, подрібнюються частки другої фази. Встановлено, що неметалеві включення є джерелами зародження субмікротріщин на межах зерен і обмежують можливість підвищення запасу в'язкості металу; розроблені нові підходи до формування і вибору елементів-модифікаторів, які ґрунтуються на використанні їхнього впливу на подрібнення структурних складових металу, очищення їхніх меж, глобуляризації сульфідних з'єднань Fe i Mn, зниження кількості неметалевих включень при одночасному збільшенні їхньої дисперсності і рівномірності розподілу в структурі S, P, Mn i Si. Вказані підходи розвивають металургійний принцип створення трубних сталей і їхніх зварних з'єднань з високими корозійно- і холодостійкими властивостями;

є) сформульована основна концепція створення універсальних електродів з поліпшеними зварювально-технологічними властивостями, призначених для виконання кореневих швів трубопроводів у монтажних умовах, в основу якої покладені принципи вибору оптимального вмісту і співвідношення основних газошлакоутворюючих компонентів (СаСО₃, СаО, СаF₂, ТіО₂) і феросплавів (FeMn, FeSi, FeTi) для отримання високих експлуатаційних характеристик електродів і якісного формування шва при зварюванні у різних просторових положеннях і змінному монтажному зазорі (до 7 мм), особливо в умовах низьких температур (до - 60⁰С); розроблені електрод марки АНО-ТМ, а також технологія зварювання і ремонту з його використанням монтажних стиків неповоротних трубопроводів, які забезпечують формування зворотного валика при зварюванні кореня шва в стельовому положенні без наступного підварювання зсередини труби. Електроди атестовані Міжнародною страховою компанією Ллойда, Морським Регістром РФ і Міжнародним науково-технічним центром сертифікації “СЕПРОЗ”. Організовано їхнє виробництво і застосування при монтажному зварюванні і ремонті неповоротних стиків трубопроводів нафтогазових підприємств ВАТ “Нижневартовскнефтегаз”, ВАТ “Сибнефтегазпереработка” та ін. Економічний ефект від впровадження нових електродів перевищив 4 млн. руб. (у цінах на 1999р.);

ж) розроблені нові марки вуглецевої (сталь 20А) і низьколегованої (08ХМЧА) сталей для виготовлення нафтогазопровідних труб з підвищеними корозійними і холодостійкими властивостями, які успішно пройшли дослідно-промислові випробування на нафтових родовищах ВАТ “Нижневартовскнефтегаз” і рекомендовані до впровадження. Організоване їхнє дослідно-промислове виробництво на основних заводах-виготовлювачах трубної продукції нафтогазового призначення.

Практичне значення одержаних результатів. Результати досліджень і запропонованих рішень стали науковою основою створення ефективних технологічних процесів і розробки хімічних складів прогресивних сталей для виготовлення труб, що характеризуються високими холодостійкими і корозійними властивостями, для експлуатації у суворих кліматичних і природно-геологічних умовах.

Впровадження труб з високими корозійними і холодостійкими властивостями для монтажу нафтопроводів дозволило підвищити надійність і довговічність, скоротити число поривів трубопроводів, знизити витрати на їхній поточний капітальний ремонт, значно поліпшити екологічний стан в районах спорудження нафтогазопроводів, водогонів, трубопроводів газліфтних систем і компресорних станцій.

Економічний ефект від застосування труб з підвищеною корозійною тривкістю у ВАТ “Нижневартовскнефтегаз” і його дочірніх підприємствах складає (у тис. руб. на 1 км трубопроводу): при газліфтному видобутку нафти 319,6 (114 мм); 665,0 (219 мм); 1509,3 (420 мм); при механізованій експлуатації свердловин 298,7 (114 мм); 517,1 (219 мм); 1120,5 (420 мм), що досягнуто за рахунок збільшення терміну служби нафтопроводів та інших металоконструкцій з 4...5 до 10...15 років у порівнянні з аналогічними конструкціями, виготовленими з труб з низькими корозійними і в'язкими характеристиками.

Рекомендації з оптимізації хімічного складу трубних сталей підвищеної корозійної тривкості й тріщиностійкості використовуються в металургійних і технологічних відділах заводів-виробників трубного прокату: Синарського трубного, Челябинського трубопрокатного, Северського трубного, Волзького трубного і Виксунського трубного заводів, а також Таганрозького металургійного комбінату.

Результати досліджень, викладені в дисертації, знайшли місце в навчальних курсах “Матеріалознавство”, “Технологія конструкційних матеріалів”, “Спорудження і ремонт нафтогазопроводів”, що читаються в Івано-Франківському національному технічному університеті нафти і газу, Нижньовартовській філії Тюменського державного нафтогазового університету і Миколаївському державному аграрному університеті; у лабораторному практикумі; курсовому і дипломному проектуванні; у науково-дослідній роботі студентів спеціальностей “проектування та спорудженнях нафтогазопроводів і сховищ” і “експлуатація та ремонт нафтогазопроводів і сховищ”.

Рекомендації автора впроваджені в галузеві нормативні документи, що використовуються ЗАТ “НижневартовскНИПИнефть” при проектуванні промислових баз і нафтогазових об'єктів, зокрема, кущових і дотискних насосних станцій, пунктів підготовки нафти, нафтозбірних мереж та ін. при облаштуванні і реконструкції нафтових родовищ. Викладені в дисертації результати покладені в основу розробленої за участю автора науково-технічної концепції розвитку трубопровідного транспорту Самотлорського родовища (у рамках Програми реконструкції Самотлорського родовища).

Особистий внесок здобувача. Основні положення, що складають сутність дисертації, були вирішені автором самостійно [14, 15, 17, 18, 21, 26, 32, 33, 35, 38]. У роботах, опублікованих у співавторстві, здобувачем, зокрема: досліджені особливості електрохімічної корозії і механізм руйнування зварних трубопроводів у корозійно-активному середовищі [1, 2, 36, 37]; проаналізовані різні варіанти технологічних процесів протикорозійного захисту труб [1, 2]; аналітично досліджена довговічність трубних покриттів і розроблені математична модель прогнозування їхнього руйнування, а також матеріали для них [1, 2]; визначений вплив водню на механізм сульфідного корозійного розтріскування під напруженням і статичну (циклічну) водневу утому сталей промислових трубопроводів при низьких температурах [1, 2, 11, 27]; встановлений механізм локальної (пітингової) корозії [12, 15, 34] і запропонована формула для інженерного розрахунку і прогнозування ресурсу надійності і працездатності експлуатованих і споруджуваних зварних трубопроводів [2, 13, 39]; розроблені практичні рекомендації з підвищення технологічної міцності трубних сталей, їхньої корозійної тріщиностійкості [2, 24, 27, 37, 40, 41, 49, 51, 52].

Автор брав участь в удосконаленні хімічного складу трубних сталей 20А и 08ХМЧА [1, 2, 24], а також їхніх зварних з'єднань [7, 13, 16, 19, 21, 22, 30, 31, 42, 43]; визначенні впливу модифікуючих мікродомішок РЗЕ і ЛЗЕ на механічні властивості, тріщино- і корозійну тривкість [1, 2, 19, 20, 28, 29, 45, 50]; у розробці електрода АНО-ТМ [1, 2, 4-6, 8, 9, 25, 44-47]; його впровадженні при спорудженні та ремонті промислових трубопроводів [1, 2, 25, 48].

Апробація результатів дисертації. Головні положення і результати дисертаційної роботи були повідомлені на: міжнародній науково-технічній конференції “Нафта і газ Західного Сибіру” (м. Тюмень, 1996 р.); регіональній науково-технічній конференції “Нові матеріали і технології в машинобудуванні” (м. Тюмень, 1997 р.); технічних радах ВАТ “Нижневартовскнефтегаз” (1995-1999 рр.) і ЗАТ “НижневартовскНИПИнефть” (1998 р.); науково-технічному семінарі “Підвищення надійності нафтозбірних мереж” (м. Нижньовартовськ, 1999 р.); науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу механічного факультету МДАУ (1991-2003 рр.); загальних зборах Академії інженерних наук України (м. Дніпропетровськ, 2000 р.); розширеному семінарі кафедри “Спорудження та ремонт газонафтопроводів і газонафтосховищ” ІФНТУНГ (2001, 2003 рр.); VI-ій Міжнародній конференції “КОРОЗІЯ - 2002” (м. Львів, 2002 р.); ІІІ-й Міжнародній промисловій конференції “Ефективність реалізації наукового, ресурсного і промислового потенціалу в сучасних умовах” (м. Київ - Славське, 2003 р.).

Публікації. За матеріалами дисертації видано 3 монографії (у співавторстві), опубліковано 75 робіт, у тому числі 40 статей у наукових журналах і збірниках наукових праць, 9 публікацій у матеріалах і тезах конференцій.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаної літератури з 250 найменувань, 3 додатків, викладена на 430 сторінках і містить 142 рисунки і 31 таблицю.

модифікатор сульфідний корозія метал нафтогазопровід

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність проблеми пошуку шляхів протикорозійного захисту нафтопроводів, експлуатованих в умовах високоагресивних середовищ і низьких температур довкілля. Наведені: мета роботи, задачі і методи досліджень, наукова новизна, практичне значення отриманих результатів, а також перелік місць апробації результатів досліджень.

Наведений у першому розділі огляд літературних даних свідчить, що основними причинами руйнувань трубопроводів є: дефекти зварних з'єднань, вплив низьких температур навколишнього повітря, активний вплив на зародження мікротріщин мікрофлори, зокрема, сульфатвідновлювальних бактерій (СВБ), водневе окрихчування зони термічного впливу (ЗТВ) зварного з'єднання, а також нерівномірне осідання основи (ґрунту) трубопроводів та ін.

Для оцінки аварійності трубопроводів прийнятий показник - питома частота поривів (шт/кмрік), який при довжині діючих трубопровідних систем нафтозбору ВАТ “Нижневартовскнефтегаз” 2231,7 км досягає 0,793 шт/кмрік.

Показано, що основною причиною аварійності трубопроводів Самотлорського родовища є локальна (пітингова) корозія стінок труби і зварного з'єднання, спричинена високою обводненістю нафтових шарів. Проаналізована ефективність введення в експлуатацію труб із внутрішнім ізоляційним покриттям. Доведено, що зменшення аварійності можна досягти і шляхом зміни способу видобутку продукції, зокрема переведенням свердловин газліфтного фонду на механізований видобуток нафти, а також введенням в експлуатацію труб з підвищеною товщиною стінки.

На підставі аналізу фактичних даних визначений передбачуваний безаварійний термін експлуатації трубопроводів системи нафтозбору, виготовлених із сталевих труб, у залежності від їхньої корозійної стійкості. Для труб з підвищеними антикорозійними властивостями і збільшеною товщиною стінки при механізованому способі видобутку він не перевищує 15 років, для інших - цей показник є значно меншим, тому принципово важливого значення набувають теоретичні дослідження з цієї проблеми і наукова обґрунтованість прийнятих технічних рішень.

Показано, що на працездатність і надійність промислових трубопроводів із сталей підвищеної і високої міцності, особливо при експлуатації в умовах низьких температур (до -60⁰С), впливають холодні тріщини, які утворюються, як правило, в біляшовній зоні зварних з'єднань. При зварюванні таких трубних сталей імовірність виникнення холодних тріщин з'являється, коли швидкість охолодження W⁶⁰⁰₅₀₀ перевищує 12...30⁰С/с , що є характерним для ручного дугового зварювання покритими електродами в умовах низьких температур повітря. При цьому холодні тріщини спостерігаються, незважаючи на відсутність гартівних структур у зварних з'єднаннях. Можливість утворення тріщин підвищується в зв'язку зі збільшенням залишкових напружень і кількості розчиненого в металі водню. Встановлено, що головними причинами руйнування промислових трубопроводів Самотлорського родовища є низька корозійна тривкість матеріалу труб при контакті з корозійно-активними продуктами й утворення холодних тріщин у біляшовній зоні зварного з'єднання при мінусових температурах навколишнього середовища (до -60⁰С).

Проблема підвищення надійності на стадії експлуатації діючих промислових трубопроводів вимагає системного підходу і передбачає проведення комплексу заходів. Проте для реалізації на практиці організаційно-технічних заходів з підвищення надійності промислових трубопроводів необхідно знати закономірності й особливості зміни тріщиностійкості трубних сталей та зварних з'єднань промислових трубопроводів в залежності від основних технологічних факторів системи транспорту продуктів. Це вимагає проведення комплексних досліджень з визначення:

- причин і механізму локальної (пітингової і канавкової) корозії промислових нафтопроводів; впливу водню на механізм СКРН і водневого розшарування трубних сталей;

- причин зниження корозійної стійкості нафтопроводів з урахуванням впливу сульфатвідновлювальних бактерій на процес корозії труб;

- природи і механізму вуглекислотної корозії в широкому інтервалі зміни температур, тисків і концентрацій О₂, СО₂ і Н₂S;

- показників тривкості проти СКРН и ВІР трубних сталей нафтового сортаменту вітчизняного і зарубіжного виробництва;

- характеристик опору корозії, міцнісних властивостей і в'язкості руйнування основного металу і зварних з'єднань при легуванні їх РЗЕ і ЛЗЕ;

- впливу нікелю, ванадію і молібдену на опірність крихкому руйнуванню;

- оптимального хімічного складу холодостійкої низьколегованої сталі і зварних швів з розробкою методів, що забезпечують їхню високу корозійну і тріщинотривкість під час експлуатації в агресивних середовищах під напруженням;

- ефективності розроблених практичних рекомендацій для підвищення холодостійкості і технологічної міцності промислових трубопроводів, споруджуваних і експлуатованих в умовах низьких температур довкілля;

- ефективності нових марок сталей і електродів, їх дослідно-промислові випробування і впровадження при спорудженні та ремонті нафтопроводів.

Другий розділ присвячений теоретичному дослідженню і експериментальній розробці методів підвищення корозійної стійкості промислових трубопроводів. Отримані результати комплексних досліджень дозволили розробити науково обґрунтовані рекомендації з хімічного складу трубних сталей, зварювальних електродів і технології ручного дугового зварювання у суворих природно - кліматичних умовах. Сформульовані основні положення технологічних і металургійних методів при спорудженні і ремонті нафтогазопроводів, оптимізовано склад основного і зварювального матеріалів трубопроводів, установлені причини і механізм локальної (пітингової і канавкової) корозії, визначено вплив різних її видів на терміни служби промислових трубопроводів. Отримані аналітичні залежності для прогнозування величин їхніх основних експлуатаційних показників.

Показано, що причиною зниження корозійної стійкості нафтопроводів Самотлорського родовища є утворення приповерхневих мікротріщин, зумовлених фазовими напруженнями внаслідок локального розігріву поверхневих об'ємів металу до температур аустенізації під впливом дробеструминної обробки поверхонь труб. З метою запобігання значних деформацій і розігрівів приповерхневих шарів удосконалена технологія дробеструминної обробки поверхонь труб, що дозволило ефективно захистити їх від пітингової і канавкової корозії.

Дослідженнями причин і механізму пітингової корозії нафтогазопроводів установлено, що активація локальної електрохімічної корозії трубних сталей та їхніх зварних з'єднань зумовлена присутністю СВБ і локалізується в їхніх застійних ділянках із зародженням мікротріщин. Це призводить до сульфатного розтріскування стінки труби або ЗТВ зварних з'єднань аж до руйнування трубопровідної конструкції. Досліджено також, що зазначена корозія стінки труби супроводжується наводнюванням металу навколо зародків виразок, що спричинює його окрихчування, яке полегшує зародження і поширення тріщин. Найбільш інтенсивно цей процес відбувається по нижній твірній труби. Між утвореною свіжою металевою поверхнею і вкритою продуктами корозії виникає електрохімічна реакція, внаслідок чого утворюється канавка. Цей процес може інтенсифікуватися за рахунок механічного зрізання металу труби в околі канавки частками домішок у вигляді піску і продуктів корозії, які осипалися. Стоншення труби по нижній твірній призводить до пластичної деформації металу, що підтверджується відповідними дослідженнями шліфів, виготовлених перпендикулярно до площини канавки. Одночасно інтенсифікується процес наводнювання деформованого металу канавки. На подовжених сульфідах утворюються характерні тріщини водневого розтріскування. В подальшому вони об'єднуються і під дією напруження переростають у тріщини, які зумовлюють розшарування металу стінки труби і утворення канавок.

За результатами досліджень сформульовані науково обґрунтовані пропозиції щодо запобігання цих видів корозійного ушкодження трубопроводів. Їхнє впровадження зумовило підвищення надійності споруджуваних і експлуатованих металоконструкцій нафтогазових об'єктів.

За даними хімічного, локального мікрорентгеноспектрального аналізів зразків, виготовлених з аварійних труб, виявлено два типи продуктів корозії, що відрізняються за фазовим складом, структурою і ступенем адгезії з поверхнею металу труб, а отже, за впливом на інтенсивність виразкової корозії. Відмінності між ними пов'язані з різною концентрацією іонів кальцію в транспортованому середовищі. Таким чином, на поверхні труби утворюються багатошарові продукти корозії, представлені шарами фаз, що чергуються, Fe₃O₄, FeCO₃, FeS, CaCO₃ і їхнім сполученням. Виявлений механізм утворення продуктів корозійної пошкоджуваності нафтопроводів показав, що одним з перспективних напрямків зниження корозійної активності транспортованого середовища є видалення з нього іонів кальцію за допомогою спеціальних хімічних реагентів (бутилцелюзольву і етилацетату). Це враховано при розробці методів підвищення корозійної стійкості труб, які полягають у поліпшенні їхніх механічних і корозійних властивостей за рахунок сприятливої зміни хімічного складу сталевих штрипсів, зокрема, ощадливого їхнього модифікування корисними домішками.

Для визначення і розробки способів підвищення корозійної тривкості нафтогазопроводів було досліджено 10 марок вуглецевих і низьколегованих трубних сталей виробництва 6-ти заводів. При оцінці тривкості сталей проти загальної і пітингової корозії за методом НДФХІ ім. Карпова (м. Москва) застосовували вольтамперометрію з малим числом циклів, використовуючи вуглекислотну модель пластової води, гальваностатичну і потенціодинамічну поляризацію, а також хімічний метод кольорових індикаторів. Аналіз результатів досліджень показав, що термічна обробка (ТО) сталі 20 підсилює її корозійну тривкість і не впливає на сталь 09Г2С. Легування стали 20 церієм також підвищує її тривкість проти корозії, як і проведення ТО, а введення до неї хрому (до 1%) є неефективним. Сталь марки 08Х18Н10Т-Ш відрізняється високою тривкістю проти загальної корозії і не піддається пітинговій корозії в розчинах з великим вмістом хлору. Встановлено, що легування трубних сталей РЗЕ і ЛЗЕ є надзвичайно перспективним для підвищення їхньої корозійної тривкості.

Визначені оптимальні концентрації мікродомішок РЗЕ і ЛЗЕ, введення яких у сталь істотно підвищує корозійні характеристики металоконструкцій нафтогазових об'єктів. У дослідах використовували наступні мікродомішки: рідкісноземельні елементи - церій та ітрій; лужноземельні - барій і кальцій. Окрім РЗЕ і ЛЗЕ для порівняння додавали також цирконій. Домішки-модифікатори знаходилися в порошкоподібному металевому вигляді. Для експериментів зразки одержували плавленням в індукційній високочастотній печі сталі марки 17Г1С (як найбільш широко розповсюдженої при будівництві нафтогазових та інших відповідальних металоконструкцій на нафтових родовищах), у процесі якого в розплавлену ванну додавали церій, ітрій, барій, кальцій і цирконій.

Першу серію зразків виготовляли з отриманих сталевих заготовок для випробувань на швидкість корозії, другу серію зразків стандартних розмірів - на корозійне сульфідне розтріскування. Через велике число змінних зовнішніх факторів і можливий їхній взаємовплив застосовувався метод багатофакторного планування експерименту.

Встановлено, що різке гальмування корозійного процесу спостерігається при легуванні металу церієм, ітрієм, барієм і кальцієм, у меншій мірі - цирконієм. Це підтверджено результатами проведених випробувань як в автоклаві (реальних середовищах), так і за методикою NACE. Результати комплексних досліджень дають можливість припустити, що головною причиною поліпшення корозійних характеристик випробуваних сталей є позитивні зміни мікроструктури металу, легованого Се, Y, Са і Ва, що якісно і кількісно підтверджено даними фрактографічних вивчень зламів зразків, які зруйнувалися як у корозійному середовищі, так і на повітрі. Встановлено, що найвищий позитивний ефект від легування модифікуючими домішками спостерігається при введенні їх у низьколеговану сталь у кількості (%): церій 0,01...0,03; ітрій 0,01...0,025; барій 0,007...0,015; кальцій 0,001...0,0025; цирконій 0,02...0,04.

Результати експериментів з визначення корозійної тривкості низьколегованої сталі оброблялися методами кореляційного, дисперсійного і регресійного аналізу, що дозволило створити моделі для чисельного прогнозування корозійних процесів. Розроблені математичні моделі є зручними для інженерних розрахунків і прогнозних оцінок. Результати обчислень за цими моделями підтверджують підвищення терміну служби нафтогазопроводів у 2...3 рази, тобто до 10...15 років.

Відомо, що однією з важливих характеристик зварних з'єднань трубопроводів є стійкість до сульфідного розтріскування. Так, у сірководневмісних середовищах небезпечні фазово-структурні зміни металу (при зварюванні низьколегованих сталей, наприклад, 17Г1С, 09Г2С та ін.) супроводжуються утворенням структур гартівного типу, схильних до сульфідного розтріскування. Якщо метал знаходиться в пасивному чи гранично-пасивному стані, то особливо небезпечними є залишкові зварювальні напруження, які навіть без зовнішнього навантаження можуть спричинити розтріскування металу. Цей вид руйнування пов'язаний з тим, що сірководень, який міститься у водонафтовій суміші, дисоціює на стінках трубопроводів під плівкою вологи і збагачує метал воднем. Воднева крихкість відіграє важливу роль у процесі розтріскування під дією сульфідної корозії.

Результати випробувань показали, що легування металу шва мікродомішками (Се, Y, Са, Ва і Zr) сприятливо впливає на його стійкість проти сульфідного розтріскування (рис.1). За ступенем впливу мікродомішок на цей вид корозійного руйнування металу вони утворюють наступний ряд (у міру збільшення стійкості проти корозійного сульфідного розтріскування): Zr, Са, Ва, Y і Се. Привертає увагу те, що в такій же послідовності розташовані елементи за ступенеступенеа загальну корозію. Така аналогія не є випадковою і свідчить про те, що вищезгадані домішки сприяють глибоким структурно-фазовим перетворенням у сталях, які гальмують процеси корозійних ушкоджень. Зазначені перетворення полягають у подрібненні зерен аустеніту і внутрішньозеренних бейнітних пакетів, у зникненні або зменшенні зони доевтектоїдного фериту, зниженні кількості неметалевих включень при одночасному збільшенні їхньої дисперсності, причому вони набувають глобулярної форми, а також у зменшенні рівня сегрегаційної неоднорідності S, P i Si.

Отримані результати дозволили встановити, що позитивний ефект від мікролегування Се, Y, Са, Ва і Zr спостерігається стабільно при введенні їх у метал зварних швів у кількостях (%): церію (0,01...0,02), ітрію (0,015...0,022), барію (0,0014...0,0025), кальцію (0,0012...0,0020) і цирконію (0,031...0,044). Подальше збільшення їхнього вмісту зумовлює засмічення металу великими частками силікатів Се, Y, Са і Ва і нітридів цирконію і є недоцільним.

Наведені дані досліджень, які підтверджують виявлені раніше тенденції впливу концентрації NaCl в електроліті, парціального тиску СО₂ і температури на корозійне поводження металу. Отримані залежності впливу цих факторів на корозійну тривкість металу, легованого в досить широкому діапазоні мікродомішками Се, Y, Са, Ва і Zr. Встановлені кількісні показники такого взаємного впливу можуть бути основою при прогнозуванні корозійного поводження з'єднань, а також визначенні раціональної області застосування їх в залежності від умов і режимів експлуатації.

Результати комплексних випробувань тріщиностійкості зварних з'єднань, як і для трубної сталі, оброблялися методами кореляційного, дисперсійного і регресійного аналізу і були використані при створенні моделей чисельного передбачення корозійних явищ. Регресійні моделі синтезовані в середовищі матричних рівнянь, а для оцінки невідомих параметрів регресії застосовували метод найменших квадратів. Адекватність моделей перевірялася за критерієм Фішера з довірчою імовірністю понад 95%. Розрахунки велися на ЕОМ типу ІВМ PC/AT₁ 386 за програмою STATGRAPНІCS, версія 2.1, фірми STSC (США).

Аналіз отриманих аналітичних залежностей дозволяє стверджувати, що технічно ефективним і економічно доцільним є метод підвищення корозійної тривкості зварних металоконструкцій нафтогазових об'єктів мікролегуванням елементами-модифікаторами: РЗЕ, ЛЗЕ і Zr.

На підставі отриманих даних з дослідження режиму течії багатофазових потоків запропонована низка конструкторсько-технологічних заходів, що забезпечують оптимальні гідродинамічні режими експлуатації промислових трубопроводів з складним профілем траси, які, в свою чергу, створюють підвищений опір корозійним ушкодженням їхніх внутрішніх поверхонь.

За результатами комплексних аналітико-експериментальних досліджень, що наведені в третьому розділі, розроблена концепція впливу водню на механізм СКРН сталей промислових трубопроводів, яка добре узгоджується з даними їх експлуатації на нафтогазових родовищах.

Створена математична модель опору нафтогазопроводів утворенню тріщин, спричинених статичною водневою втомою, в основу якої покладений механізм водневого окрихчування металу, що контактує з сірководневмісним середовищем. При цьому враховані особливості структури сталі й вміст розчиненого в ній водню, що дозволяє прогнозувати надійність і працездатність споруджуваних трубопровідних конструкцій, які експлуатуватимуться в корозійно-активних середовищах.

Розроблені науково обґрунтовані практичні рекомендації з підвищення технологічної міцності промислових трубопроводів, що полягають у виборі оптимального технологічного варіанту зварювання з використанням термокінетичних діаграм зварюваних сталей, на які нанесені криві охолодження з позначенням забезпечуваної при цьому твердості (рис.2). Такий підхід гарантує отримання потрібних механічних і службових властивостей зварних з'єднань без утворення холодних тріщин в широкому інтервалі температур (до -60 ⁰С).

Встановлено, що зниження вмісту водню дозволяє істотно збільшити інтервал оптимальних режимів зварювання для одержання зварних з'єднань без холодних тріщин. Наприклад, використання низьководневих електродів з покриттям основного типу АНО-ТМ для сталі 17Г1С допускає зварювання при низьких температурах трубопроводу з товщиною стінки до 12 мм без попереднього підігріву. Режим останнього повинен вибиратися, виходячи з критичної тривалості охолодження металу шва в інтервалі температур 300...100 °С, вище якої тріщини не утворюються. Ці оптимальні умови дозволяють забезпечити тріщиностійкість швів при зварюванні в зимовий період із застосуванням низьководневих електродів (Н_диф<3 см³/100г).

На основі системного вивчення особливостей зварюваності низьколегованих трубних сталей при низьких температурах повітря і багаторічного досвіду впровадження, накопиченого при спорудженні та ремонті нафтопроводів в умовах Самотлорского родовища, сформульовані основні положення технології їхнього зварювання, яка знижує водневу крихкість і підвищує тріщиностійкість з'єднань:

· зниження рівня дифузійного водню в металі різними технологічними способами;

· зменшення швидкості охолодження, що дозволяє одержати більш пластичний і менш схильний до водневої крихкості метал шва і ЗТВ, а також підсилити ефект видалення водню з металу в процесі охолодження;

· підвищення температури попереднього, а в деяких випадках і супутнього підігріву (до 100...200°С), що знижує водневу крихкість, зумовлену дифузійним і молекулярним воднем;

· проведення “відпочинку” з'єднань безпосередньо після зварювання при підвищеній температурі, у процесі якого виділяється дифузійний водень;

· режим зварювання варто вибирати з урахуванням того, що на кожних 10^оС підвищення температури повітря варто зменшувати погонну енергію зварювання на 3...5% за рахунок зниження величини зварювального струму. Так, зварювання низьколегованих сталей класу С52/40, С60/45, С70/50 доцільно виконувати фтористокальцієвими електродами з погонною енергією 1,3...2,5 МДж/м;

· застосування для виготовлення труб у північному виконанні холодостійких сталей, що характеризуються підвищеною стійкістю до водневого окрихчування при мінусових температурах повітря.

Конкретні відомості про технологію зварювання при низьких температурах викладені в розроблених автором спільно з фахівцями ЗАТ “НижневартовскНИПИнефть” рекомендаціях з виконання зварювально-монтажних робіт при спорудженні та ремонті зварних металоконструкцій нафтогазових об'єктів, призначених для роботи в складних природно - кліматичних умовах.

Отримані та викладені у четвертому розділі результати дозволяють стверджувати, що в досліджуваних сталевих зразках рівень технологічної міцності визначається не величиною зерен, а дисперсністю часток другої фази неметалевих включень. Крім того, коефіцієнт в'язкості стали К_в=(R_МВ/_0,2) також багато в чому залежить від розміру останніх. Здрібнювання структури призводить до збільшення умовної границі текучості _0,2, але при сталому рівні напруження мікровідколу R_МВ це неминуче супроводжується падінням запасу в'язкості, причому тим більшим, чим вищим є темп зростання границі текучості. Таким чином, істотного підвищення технологічної міцності низьколегованої сталі можна досягти реалізацією принципу, що об'єднує необхідну і достатню умови, а саме:

а) максимальне здрібнювання зерна структури (необхідна умова);

б) максимальна дисперсність неметалевих включень (достатня).

Для реалізації цього принципу на практиці низьколеговану сталь бажано ощадливо модифікувати такими елементами, як Се, Y, Са, Ba, Zr та ін., що подрібнюють не тільки структуру сталі, але й неметалеві включення.

Позитивний ефект, пов'язаний з присутністю в сталі Ni, Mo і V, у сутності виявився нереалізованим до кінця (досягнуте лише підвищення ударної в'язкості і характеристик в'язкого руйнування, тобто K_1c, _с, КСV). Метал, який містить 1,5% Ni, 0,9% Mo і 0,06% V, у кожному конкретному випадку має менший коефіцієнт в'язкості (у температурному інтервалі -40...-60^оС), ніж метал без цих елементів.

Використання моделі мікровідколу для аналізу структурної залежності опору крихкому руйнуванню металу дозволило виявити ефективний структурний параметр, що контролює процес крихкого руйнування. У даному випадку таким виявився розмір часток другої фази, тобто неметалевих включень. Тому використання як легуючих елементів Ni, Mo і V, які не впливають на дисперсність цих включень, не забезпечує підвищення технологічної міцності металу. Зростання рівня ударної в'язкості і характеристик в'язкого руйнування зі збільшенням вмісту Ni, Mo і V не відбиває дійсного запасу в'язкості металу і може бути пояснено зростанням границі текучості. При цьому встановлене зниження позитивного впливу нікелю на механічні властивості наплавленого металу. Для підвищення стійкості проти крихкого руйнування поряд з визначенням оптимального вмісту Ni, Mo і V необхідно правильно підібрати систему розкислення (зокрема, марганець, кремній, титан, алюміній та ін.). Істотне зростання технологічної міцності металу і зварного шва досягається застосуванням модифікаторів Ce, Y, Ca і Ba, що дозволяє цілком реалізувати їх металургійний і металографічний потенціал (рис. 3).

Встановлена контролююча роль неметалевих включень (оксидів і оксисульфідів) глобулярної форми у процесі крихкого руйнування холодостійкої сталі, економнолегованої вказаними модифікаторами. Неметалеві включення є джерелами зародження субмікротріщин на границях зерен і обмежують, тим самим, можливість підвищення запасу в'язкості металу.

Показано, що легуючі мікродомішки церію, ітрію, барію і кальцію (нарізно) зумовлюють, окрім здрібнювання структури металу шва і ЗТВ, очищення границь зерен від неметалевих включень і сторонніх фаз, причому зникають сульфідні з'єднання Fe i Mn великої довжини; вони набувають глобулярної форми при одночасному зменшенні їхнього числа.

Отримані дані про залежність характеристик міцності і пластичності металу від структурних параметрів дозволяють визначити методи подальшого підвищення механічних властивостей низьколегованих холодостійких сталей, що полягають у здрібнюванні елементів структури, здатних ініціювати зародження субмікротріщин. Як показали результати досліджень, оптимальне сполучення технологічної міцності і запасу в'язкості реалізується при відношенні величини зерна сталі до діаметра глобулярної частки другої фази, рівному 25 і більше, при одночасному максимальному їх диспергуванні. Ця вимога успішно виконується в досліджуваних сталевих зразках, модифікованих Се, Y, Ва, Са, і не витримується для сталей, що містять Ni, Мo і V.

Досліджено, що характер руйнування і топографія поверхні руйнування металу змінюються в широкому інтервалі температур, причому руйнування починається відколом від в'язких тріщин критичної довжини, які утворюються злиттям мікропорожнин у тілі феритних зерен. Запропонована схема зміни механізму руйнування металу одношарових швів, виконуваних електродами основного типу, в інтервалі температур крихко-в'язкого переходу. Зроблено висновок про те, що немає необхідності завжди прагнути до досягнення максимальних характеристик пластичності, достатньо сполучити високу в'язкість руйнування з в'язким механізмом руйнування шляхом злиття мікропорожнин.

Створені математичні моделі для чисельного прогнозування характеристик в'язкості металу трубних сталей та їхніх зварних з'єднань, експлуатованих в агресивних середовищах під напруженням, які можуть використовуватися для інженерних розрахунків і прогнозних оцінок тривкості проти крихкого руйнування металоконструкцій нафтогазових об'єктів, де у якості параметрів були прийняті:

X₁ = % Се; Х₂ = % Y; Х₃ = % Са; Х₄ = % Ва; Х₅ = % Zr.

Функціями відгуку були: критичний коефіцієнт інтенсивності напружень К_1С, МПам^1/2; розкриття тріщини _c, мм; діаметр аустенітного зерна основного металу d₀, мкм; діаметр рівноважних дендритів d, мкм; довжина l, мм і ширина h, мкм стовпчастих дендритів; швидкість росту тріщин V, мм/цикл.

Регресійні моделі синтезовані в середовищі матричних рівнянь, а для оцінки невідомих параметрів регресії застосовували метод найменших квадратів.