Содержание к диссертации
Введение
1 Проблема коррозии и защиты трубопроводов применительно к условиям нефтегазовой промышленности и подходы к ее решению 7
1.1. Актуальность проблемы коррозии и противокоррозионной защиты трубопроводов для нефтегазовой отрасли 7
1.2 Коррозия на нефтегазопромысловых и транспортных трубопроводах, виды и особенности 12
1.3 Особенности механизма углекислотной и смешанной коррозии в нефтегазопромысловых средах, транспортируемых по трубопроводным системам 19
1.4 Основные факторы, определяющие скорость коррозии стали в нефтегазопромысловых средах 23
1.5 Системы информационной поддержки обеспечения защиты от коррозии при безопасной эксплуатации нефтегазопромысловых трубопроводов 34
Выводы по разделу 47
2. Модельные эксперименты процесса коррозии и оценка скорости коррозии трубопроводной стали в водных средах 48
2.1. Модельные эксперименты процесса коррозии в минерализованной воде трубопроводной системы месторождения Западной Сибири 48
2.2. Модельные эксперименты процесса коррозии и ингибирования в минерализованной воде трубопроводной системы месторождения Ставропольского края
2.3. Проверка воспроизводимости коррозионных опытов 83
2.4. Статистическая математическая модель процесса коррозии стали
2.5. Выбор функции для оценки скорости коррозии 90
Выводы по разделу 92
3. Разработка информационной системы поддержки принятия решений в задачах коррозионной защиты 94
3.1. Расчетные модели оценки скорости углекислотной коррозии в нефтегазопромысловых средах 94
3.2. Описание информационной системы «Барьер-СОг» 106
3.3. Проверка соответствия расчетных результатов скорости коррозии стали с реальными скоростями на объекте 116
Выводы по разделу 117
Основные результаты и выводы 118
Литература
- Коррозия на нефтегазопромысловых и транспортных трубопроводах, виды и особенности
- Системы информационной поддержки обеспечения защиты от коррозии при безопасной эксплуатации нефтегазопромысловых трубопроводов
- Статистическая математическая модель процесса коррозии стали
- Проверка соответствия расчетных результатов скорости коррозии стали с реальными скоростями на объекте
Введение к работе
з Актуальность работы.
Коррозия промышленного оборудования и трубопроводов - одна из основных причин снижения их эксплуатационного ресурса, вызывает экономические потери и наносит экологический ущерб. Каждый год ~ 4% валовой общественной продукции теряется из-за коррозии. В РФ действует 350 тыс. км трубопроводов, на которых происходит до 25 тыс. аварий ежегодно. В результате: потери углеводородного сырья при добыче и транспортировке - до 7% от добываемого объема; потери металла - до 20% годового производства стали; ущерб промышленному производству - сотни млрд. рублей в год. Аварийность технологических систем в нефтегазовой отрасли из-за коррозии достигает 31 % от общего числа, что связано с большой металлоемкостью оборудования и сооружений, и агрессивностью среды.
Наблюдают несколько видов коррозии, среди которых значителен вклад углекислотной в разрушения трубопроводов нефтяных и газовых месторождений. В частности, для Западно-Сибирского мегабассейна - одного из крупнейших в мире, углекислотная коррозия составляет 30-40%, при этом протекает с высокой скоростью (до 8 мм/год). В связи с этим актуальным проблемам определения опасности коррозии и защиты от нее уделено внимание в работе.
Ингибирование - эффективный и технологичный метод защиты от коррозии. Исследования в области коррозии и ингибиторной защиты проводятся в течение многих десятилетий в ИФХЭ РАН (акад. Цивадзе А.Ю., проф. Кузнецов Ю.И., Андреев Н.Н., Маршаков А.И., Малкин А.И. и др.), ТГУ им. Г.Р. Державина (проф. Вигдорович В.И.), ПГУ (Шеин А.Б.), РГУ (Григорьев В.П. и др.), в отраслевых институтах ООО «Газпром ВНИИГАЗ», ОАО «ВНИИСТ», ОАО «ВНИИ Коррозии» (Тимонин В.А.), ОАО «НижневартовскНИПИнефть» (Завьялов В.В.) и др. Решение задачи эффективного снижения скорости коррозии на современном этапе требует научно-обоснованного выбора ингибиторов и развития новых подходов, таких как моделирование коррозионных процессов и создание компьютерных систем
4 поддержки принятия решений в задачах оценки коррозионной опасности и защиты. Это направление получило развитие недавно. Можно отметить работы, проводимые в «МАТИ» - РГТУ им. К.Э. Циолковского (проф. Дмитренко В.П.), в ГУЛ ИПТЭР (Уфа).
Таким образом, актуальность темы обусловлена важностью решения проблемы, так как трубопроводные системы являются эффективным инструментом реализации государственной политики.
Цель работы: заключается в комплексном исследовании проблем коррозии углеродистой стали в неингибированных и ингибированных нефтепромысловых водных средах с применением технологии математического моделирования и вычислительного эксперимента.
Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи: провести комплексный факторный анализ влияния различных параметров нефтепромысловой среды и технологических на процесс коррозии, в частности, на скорость;
провести модельные эксперименты процесса коррозии углеродистой стали и сопряженного процесса солеотложения в неингибированных и ингибированных нефтепромысловых водных средах;
провести экспертную оценку коррозионной агрессивности нефтепромысловой среды (минерализованной воды) по основным факторам, определяющим скорости коррозии и солеотложения;
разработать статистическую математическую модель, описывающую влияние параметров среды на скорость коррозии металла;
разработать математическую модель расчета скорости коррозии стали в реальной нефтепромысловой среде по ее физико-химическим и технологическим факторам;
провести экспериментальную проверку разработанного
формализованного подхода к оценке коррозионной агрессивности среды и скорости коррозии стали по значимым факторам, адекватности и точности разработанных моделей;
выработать научно-обоснованные рекомендации по построению баз данных по средам отдельных объектов и базы данных по ингибиторам коррозии и разработать алгоритм работы информационной системы поддержки принятия решений в задачах коррозионной защиты.
Основные научные результаты, выносимые на защиту:
математическая модель расчета скорости коррозии углеродистой стали в водных нефтепромысловых средах, содержащих растворенный СОг, в том числе при коррозии, осложненной солеотложением, позволяющая значительно упростить и унифицировать расчеты прогнозных скоростей коррозии, осуществить рациональный выбор ингибитора;
статистические математические модели, описывающие влияние концентрации ингибитора на скорость коррозии металла;
результаты исследований процесса коррозии стали в неингибированной и ингибированной нефтепромысловой среде, содержащей растворенный С02, осложненного солеотложением, путем проведения модельных экспериментов в лабораторных условиях;
результаты экспертной оценки влияния различных факторов на скорость коррозии стали, оценки коррозионной агрессивности среды и необходимости в ингибировании определенным типом ингибитора;
рекомендации по построению и реализации баз данных сред применительно к отдельным объектам и ингибиторов;
алгоритмы работы информационной системы, расчета скорости коррозии и выбора рационального ингибитора по факторам среды и технологическим. Научная новизна работы.
Установлены характер и закономерности влияния комплекса факторов на скорость коррозионного процесса стали в ингибированной и неингибированной водной среде.
Показано, что факторы: рН, общая минерализация (М), концентрации ионов и растворенных газов (Ссг, С , С :_, ССОг, C0i, C„iS), температура
6 (Т), скорость потока (VnoTOKa) значимые при определении скорости коррозии в водной нефтепромысловой среде.
Скорректирована математическая модель расчета скорости коррозии де Ваарда-Миллиамса с учетом параллельно протекающего процесса солеотложения, позволяющая повысить точность расчета скоростей коррозии сталей в жесткой минерализованной воде.
Разработана математическая модель расчета скоростей коррозии углеродистых сталей в нефтепромысловых водных средах, в том числе содержащих растворенный С02, учитывающая физико-химические показатели среды и технологические параметры. Модель позволяет значительно упростить, унифицировать и повысить точность расчетов прогнозных скоростей коррозии.
Разработаны статистические математические модели, описывающие
влияние концентрации ингибитора на скорость коррозии металла,
позволяющие осуществить рациональный выбор технологии ингибирования.
На базе созданных моделей разработаны алгоритмы работы
информационной системы, расчета скорости коррозии и выбора ингибитора.
Практическая значимость работы заключается в том, что на основе
полученных моделей расчета скорости коррозии разработана структура
информационной системы «Барьер-С02» , использование которой позволяет
существенно упростить расчет прогнозных скоростей коррозии на отдельных
участках сложной технологической цепи промысловых трубопроводов,
выкидных линий и скважин, повысить качество и оперативность подготовки
экспертных заключений при оценке коррозионной агрессивности
нефтегазопромысловых сред, что подтверждается Актами внедрения
результатов на предприятиях.
Объект исследования - процесс коррозии стали в неингибированной и ингибированной пластовой воде, с учетом протекающего параллельно процесса солеотложения на поверхности стали.
Предмет исследования - модель оценки скорости коррозии для информационной вычислительной системы поддержки принятия решений в задачах коррозионной защиты.
Методы исследования. В процессе теоретических и экспериментальных исследований использованы теория математического моделирования, статистические методы, физико-химические теории процессов коррозии и солеотложений; методы определения скорости коррозии (гравиметрический и поляризационного сопротивления), оценки агрессивности среды (химический и инструментальный анализ) и влияния солеотложения на процесс коррозии (химический и физико-химический анализ отложений).
Реализация работы. Результаты исследований скорости коррозии стали в неингибированной и ингибированной нефтепромысловых средах, в том числе содержащих растворенный С02, применены на сервисных предприятиях ООО «Группа компаний «ТехноТЭК», 000 «Коррсистем», 000 «Объединенный центр исследований и разработок», а также в ЗАО «Юговостоктехмонтаж».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на III Международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы противокоррозионной защиты» (РАСР-2009) 000 «Газпром ВНИИГАЗ», Всероссийская научно-техническая конференция «Современные проблемы экологии», Международной молодежной научной конференции XXXIII «Гагаринские чтения»; научно-методических семинарах кафедры промышленной экологии и безопасности производства «МАТИ» - РГТУ им К.Э. Циолковского, ежегодных научно-технических совещаниях 000 «Объединенный центр исследований и разработок».
Публикации по теме исследования. По результатам проведенных исследований опубликовано 11 работ, в т.ч. 2 в списке работ, рекомендованных ВАК, и 1 патент РФ (список основных работ приведен в конце автореферата).
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, выводов, 5 приложений, списка литературы из Д6
8 источников. Работа изложена на 148 страницах, содержит 23 рисунка и 17 таблиц.
Коррозия на нефтегазопромысловых и транспортных трубопроводах, виды и особенности
Процесс коррозии стали в бескислородной водной среде, содержащей растворенную углекислоту, является электрохимическим. Механизм электрохимической коррозии стали при контакте с водной средой можно описать двумя сопряженными процессами — катодный и анодный. В обоих случаях коррозия обусловлена наличием минерализованной водной фазы и растворенной в ней углекислоты. СО2, растворяясь в воде, образует слабую угольную кислоту Н2СОз (иногда ее обозначают как C02aq), диссоциирующую с образованием бикарбонат- и карбонат-ионов: С02 + Н20± Н2С03; (1.Н) Н2С03 - Я+ + НС03 константа диссоциации при 25СК1= 4,47 10-7; (1.12) НСО; + Н++ СО] константа диссоциации при 25С К2 = 4.68 10-11. (1.13)
Образующиеся в результате реакций 1.11-1.13 ионы и молекулы способны при определенных условиях участвовать в катодном процессе. Большинство исследователей считают [39-49], что механизм углекислотной коррозии существенно отличается от процессов обычной коррозии в растворах сильных кислот. Известно [50], что при одной и той же величине рН коррозия в углекислотной среде протекает более интенсивно, чем в эквимолярных растворах сильных кислот. Существуют два различных объяснения этого явления. Первое — в растворах угольной кислоты, наряду с Я+ и НСО , присутствуют недиссоциированные молекулы Н2СО3, играющие роль буфера, обеспечивающего пополнение ионов Я+, расходуемых на деполяризацию. В то время как в растворах сильных кислот ионы водорода доставляются к коррозирующей поверхности за счет диффузии, в углекислотнои среде деполяризация осуществляется ионами Я+, образующимися в приэлектродном слое при диссоциации Н2СО3. Полагая, что скорость диссоциации Н2СОз намного превышает скорость диффузии Я+ из объема раствора, из этого делают вывод, что катодный процесс углекислотнои коррозии не лимитируется диффузионными ограничениями. Другое объяснение состоит в том, что Н2СОз непосредственно участвует в катодном процессе [35].
Согласно первой точке зрения, углекислота не обладает каким-либо специфическим коррозивным действием, а стимулирует коррозию только через снижение рН (при увеличении Pcoi) и компенсацию ионов Н+, расходуемых на деполяризацию.
Катодное выделение водорода является одной из самых изученных электродных реакций, механизм которой подробно описан в литературе [51, 52]. Суммарная реакция 2Я30+ +2е - Н2+2Н20; (1-14) протекает через стадии разряда Н30+ + Г -+НуіДС+Н20; (1-15) рекомбинации Я дс + Я - Я2; (1.16) или электрохимической десорбции H c+H30+ +е -+Н2+Н20, (1.17) каждая из которых может быть лимитирующей и контролировать скорость всего процесса. Наибольшее распространение получила точка зрения, согласно которой прямое восстановление Н2СОз вносит основной вклад в деполяризацию коррозионного процесса при углекислотной коррозии. Классическим считается подход, развитый в работах К. Де-Варда - Д. Миллиамса [53, 54], которые предложили следующее уравнение деполяризации катодного процесса при углекислотной коррозии стали (замедленная стадия) н2со3 + «г - Я щс + нсо; (1.18) «Обычное» катодное выделение водорода также может иметь место, но не является определяющим.
Второй сопряженный процесс электрохимической коррозии — это анодное растворение металла — переход металла в раствор в виде ионов. Это сложный процесс, теория которого наиболее последовательно изложена в трудах Я. М. Колотыркина [55, 56] и его школы [57]. Согласно этой теории, электрохимическое растворение металлов протекает через ряд стадий, одна из которых может рассматриваться как химическая. Химическая стадия может влиять на скорость последующей электрохимической стадии, а значит, и на скорость процесса в целом. Как и в случае катодного процесса компоненты среды (анионы) могут принимать непосредственное участие в анодной реакции даже в том случае, когда они не входят в состав конечного продукта окисления. Анионы образуют промежуточные комплексы, которые затем распадаются. Участие ионов ОН" в процессе анодного растворения железа объясняет тот факт, что скорость растворения значительно возрастает при переходе от кислого раствора к щелочному [52, 57]. Предложено множество схем процесса анодного растворения железа с участием гидроксид-ионов. В частности, каталитический механизм К. Хойслера для кислых сред. Fe + ОН о- (FeOH)MC + е ; (1.19) (FeOH)MC +Fe± (Fe(FeOH))MC (1.20); (Fe(FeOH))MC + OH - (FeOH)MC + FeOH+ + 2e (1-21); FeOH+ +H30+ - Fe2+ +2H20 (1.22). Стадия (1.19) — быстрая с образованием промежуточного комплекса (РеОН)ддс _ катализатора процесса. Стадия (1.21) — лимитирующая.
Рассмотренные механизмы имеют место при отсутствии солей на поверхности металла. Однако во многих реальных нефтепромысловых системах процесс углекислотой коррозии осложнен отложением солей на коррозирующую поверхность металла. Чаще всего водная фаза продукции скважин выделяет соли вследствие действия следующих факторов (или их комбинации): уменьшения общего давления в системе; изменения температуры (например, вероятность осаждения карбонатов кальция и железа возрастает с повышением температуры); изменения химического состава воды, что может наблюдаться как при смешении вод различного состава, так и в результате коррозии, когда вода обогащается ионами железа. Для рассматриваемых систем наиболее распространенными отложениями являются карбонаты кальция и железа, а также коррозит [47]. Отложение солей замедляет общую скорость коррозии металла, но во многих случаях из-за пористости осадка скорость локальной скорости коррозии под слоем отложений может быть очень высокой (при значительном содержании коррозионных компонентов в среде).
Таким образом, можно заключить, что механизм электрохимической коррозии углеродистых сталей чрезвычайно сложен и определяется существующими условиями в системе. Он состоит из целого ряда стадий, параллельно и последовательно протекающих химических реакций и физических процессов (отложение солей и формирование слоя продуктов коррозии). Скорость процесса коррозии в целом будет определяться лимитирующей стадией. Введение химических веществ, предотвращающих коррозию — ингибиторов, как правило, существенно оказывает влияние на механизм процесса и в конечном итоге — на скорость коррозии. Характер этого влияния определяется химическим типом вводимого ингибитора и его адсорбционной способностью.
Системы информационной поддержки обеспечения защиты от коррозии при безопасной эксплуатации нефтегазопромысловых трубопроводов
Установлено, что содержание хрома в процентном отношении максимально в отложениях с образца 03, минимально в отложениях с образца 1.1. В количественном отношении хрома обнаружено в отложениях с образца 03 в 3 раза больше, чем с образца 1.1, и в 97 раз больше, чем в отложениях с образца 01.
Установлено, что в процентном и количественном отношении содержание титана максимально в отложениях с образца 03. По общему содержанию, в отложениях с образца 1.1, его в 12 раз меньше, а в отложениях с образца 01 - в 101 раз меньше, чем в отложениях с образца 03.
По количеству в составе поверхностного слоя содержание элементов Сг, Ni, Си, Zn в образце 1.1 одинаково, а на образцах 01 и 03 - сильно различаются.
Содержание Си, Ni, Cr, Zn, Ті в поверхностном слое металлических образцов полностью определяется составом металла и его качеством, в частности, устойчивостью в коррозионном отношении, так как в составе проб воды присутствие этих элементов незначительно.
Отмечено, что количество железа значительно превышает остальные элементы в отложениях с поверхности металлических образцов 1.1, 01 и 03 (рис. 2.4).
Фактор концентрации железа в отложениях с поверхностного слоя металлических образцов из системы ППД на каждом из исследуемых участков 1.1,01,03 В составе отложений с металлического образца 1.1. зафиксировано значительное содержание железа (550 г/кг). Отмечено, что по внешнему виду внутренней поверхности образцы 1.1 значительно пострадали от коррозии -глубокие и многочисленные язвы. Появление железа в поверхностном слое отложений — это результат протекания коррозионного процесса. Минимально содержание железа в составе отложений с поверхности образца 01 (30 г/кг), что полностью подтверждает его внешний вид — без язв, с беловатым солевым осадком на внутренней поверхности. Таким образом, фактор является значимым и его вес велик при протекании процесса коррозии.
Образованием карбонатно-оксидных пленок на поверхности металла тесно связано с анодным растворением металла. Протекают следующие анодные реакции: Fe + 2Н20 - Fe(OH)2TB + 2ІҐ + 2е при рН 7; (2.13) 2Fe + 02 + 2Н20 -»2 Fe(OH)2TB; при рН 7 в присутствии 02. (2.14) Основываясь на полученных результатах анализа, можно утверждать, что в солевой состав продуктов слоя отложений входят сульфаты и карбонаты стронция, бария, марганца, кальция, магния в поверхностном слое, формирующемся под действием воды.
Сульфат-ионы в данных системах «поверхность металла — вода» выполняют двойную функцию. Во-первых, они участвуют в процессе осадкообразования, во-вторых — в коррозионном процессе, являясь инициаторами питтинговой коррозии. В первом случае их роль скорее положительна в коррозионном отношении, так как образуются на поверхности металла трудно растворимые соединения, защищающие поверхность металла. Во втором отрицательна - ускоряется локальная коррозия.
Таким образом, фактор концентрации таких элементов как стронций, марганец, барий в отложениях с поверхностного слоя металлических образцов значим и имеет большой вес для конкурирующего процесса солеотложения, а фактор концентрации железа значим и весом для процесса коррозии стали. Полученные данные по факторам, влияющим на процесс коррозии, подтверждены данными по скорости коррозии «чистых» образцов низкоуглеродистой стали СтЗ и на образцах трубной стали (непосредственно вырезанных из системы) при физическом моделировании процесса (рис. 2.5 (а), (б)).
Сущность гравиметрического метода измерения скорости коррозии заключается в экспозиции образцов низкоуглеродистой стали СтЗ в коррозионно-активной среде заданного состава, в течение заданного промежутка времени — 5-8 часов в ячейках при скорости движения жидкости от 0,5 до 1 м/с и от 1 до 30 суток в коррозионно-активной среде с месторождений без перемешивания. Образцы правильной геометрической формы с площадью поверхности 1,09x10" м .
Критериями оценки влияния химических реагентов на коррозионное поведение стали являлось: изменение внешнего вида; изменение (потеря) массы образцов за определенный промежуток времени и расчетное значение скорости коррозии; время до появления видимых очагов коррозии; наличие и характер локальных очагов коррозии (размеры и количество на единицу поверхности).
Скорость коррозии при гравиметрических опытах определялась на основании данных о потере массы образцов после выдержки в воде и удаления продуктов коррозии, отнесенной к, м единице его поверхности, в единицу времени, и вычисляется по формуле [105]: где mi — масса исходного образца, г; т2 — масса образца после испытаний, г; S - площадь поверхности образца; t — время испытания, ч.
Этот метод широко применяется в коррозионной практике, так как недорог и относительно прост. Метод применим в любых по электрической проводимости средах и позволяет выявить наличие местной (язвенной, питтинговой) коррозии и оценить ее среднюю скорость; образцы могут быть использованы для оценки возможности отложения солей и колонизации металлической поверхности СВБ. Он позволяет определить скорость общей (равномерной и не равномерной) коррозии.
На рис. 2.5 представлены сравнительные данные по скорости коррозии образцов трубной стали и стали СтЗ в минерализованной воде В 1.1, В01 и ВОЗ с трех участков технологической системы.
Установлено, что по абсолютной величине скорость общей равномерной коррозии трубной стали, вырезанной из системы, в пробе воды 1.1 -максимальна; а в пробе воды 01 - минимальна. Это полностью подтверждает выводы, сделанные на основе оценки агрессивности среды по химическому составу.
С течением времени скорость коррозии понижается на всех участках. Это связано с процессом формирования защитного слоя из продуктов коррозии и солей, который протекает в исследованном временном интервале аналогично в трех средах.
Зависимость скорости коррозии от времени менее выражена в пробе воды 01, содержащей минимальное количество ( и максимально - сероводорода.
Установлено, что на образце металла 1.1 скорость равномерной коррозии трубной стали, вырезанной из системы, выше нормативной. Таким образом, сталь малостойкая к протекающей в ней воде (бал 9, ГОСТ 13819), требует обязательной защиты. На образце 03 скорость коррозии ниже, однако, несмотря на это, течение коррозионного процесса с такой скоростью также представляет собой опасность и также необходима обязательная защита. Таким образом, при ингибировании эффективная концентрация применяемых ингибиторов должна быть разной.
Скорость общей коррозии на «чистых» стандартных образцах низкоуглеродистой стали СтЗ в воде из трех точек системы ППД отличается, но не столь значительно. По абсолютной величине скорость равномерной коррозии СтЗ в пробе воды 1.1— максимальна; а в пробе воды минимальна, как и в эксперименте с образцами, вырезанными из системы. Тенденция снижения скорости коррозии с течением времени на образцах с «чистой» поверхностью сохраняется только в пробе воды 1.1. Таким образом, можно сделать вывод, что процесс формирования защитного слоя протекает несколько в иных условиях, определяемых исходной структурой поверхности металла.
Статистическая математическая модель процесса коррозии стали
Предложенная модель рассматривает влияние ограниченного числа факторов среды на процессы коррозии и солеотложения. Применительно к промысловым объектам для учета большего количества значимых факторов предлагается другая модель расчета VKop, формализованная следующим образом.
При анализе многофакторного объекта Y (коррозионная среда) выделены значимые факторы Aj, влияющие на скорость и интенсивность коррозионных разрушений нефтегазопромысловых трубопроводов, контактирующих с агрессивной средой. Показатель веса каждого такого фактора gj =1, так как он является значимым, в противном случае gi =0. Каждому из них присвоен вес значения фактора W; на основе экспертных данных, включающих результаты модельных экспериментов процесса коррозии, сопоставления их с результатами анализа сред и осадков и литературными данными. Это позволило преобразовать исходные данные, представленные в разных единицах измерения, в сопоставимые величины для оценки коррозионной агрессивности среды (табл. 3.2). Условно принято, что определенный вес значения фактора Wj соответствует определенной категории агрессивности среды следующим образом: 0,2 — неагрессивная, 0,4 - слабоагрессивная, 0,6 - агрессивная, 0,8 — очень агрессивная, 1 — чрезвычайно агрессивная.
В гл. 1 было показано, что факторы (Т, PCOi, М, Ccr, Cflco_, CCQ?. , VnoTOKa), влияющие на интенсивность и скорость коррозионных разрушений, условно независимы друг от друга при определенных граничных условиях, отраженных в табл. 3.2. В связи с этим к оценке скорости коррозии применена линейная факторная модель. Оценочная функция при этом имеет вид:
Эта функция положена в основу расчета прогнозируемой скорости коррозии углеродистой стали, контактирующей с нефтегазопромысловой водной средой.
Скорость коррозии рассматривается как один из видов выхода продукта комплекса химических и электрохимических реакций (описанных в гл. 2), протекающих при коррозионном процессе. При этом учитываем, что все факторы заключены в определенные граничные условия (табл. 3.2). Отсюда получаем следующую математическую модель расчета скорости коррозии: = F(Y)-F(Y)mia мм/год (3.21) hP nY)mm-F(Y)min где VKop - скорость коррозии по результатам факторного анализа для среды, основу которой представляет минерализованная вода, мм/год, Vmax — максимальная измеренная на объекте (реальная), мм/год, F(Y) - оценочная функция [114].
В таблице 3.2 приведены данные закладываемой в программу экспертной оценки коррозионной агрессивности среды.
Основываясь на критериальной оценке вклада каждого из факторов, в программу закладывается расчет скорости коррозии (равномерной), исходя из агрессивности среды, по формуле 3.2. По результатам рассчитанной скорости определяется категория агрессивности среды и выдается заключение о необходимости защитных мероприятий, в частности, введение или неведение ингибиторов коррозии в среду, в соответствии с данными, представленными в табл. 3.3 [115].
Диапазон скоростей коррозии, мм/год Диапазон скоростей коррозии, г/м2ч Категория среды Заключение о необходимости защитных мероприятий (ингибирование) более 1,016 Более 0,899 чрезвычайно агрессивная Обязательное. Ингибиторы высокоэффективные (Z 90%)
Помимо получения расчетного значения скорости коррозии в программу может быть заложено определение типа коррозии стали в реальной среде по механизму коррозии, исходя из наличия в среде растворенного коррозионно-агрессивного газа, непосредственно участвующего в катодном процессе и определяющего механизм процесса коррозии стали в целом (табл. 3.4). В разработанном варианте рассмотрен только один тип коррозии -углекислотный.
Таким образом, можно сделать следующие выводы: - в ходе работы были преобразованы исходные данные по факторам, влияющим на скорость коррозии, представленным в разных единицах измерения, в сопоставимые величины для оценки коррозионной агрессивности среды, - разработана математическая модель расчета равномерной скорости коррозии, исходя из влияния значимых факторов для конкретной системы «поверхность металла — минерализованная вода», - построены экспертные оценки коррозионной агрессивности среды по десяти значимым факторам, - построены экспертные оценки категории среды по ее агрессивности (по типу механизма коррозии) и необходимости в ее ингибировании.
В информационной системе «Барьер-СОг» предусматривается две базы данных - БД «Объект» и БД «Ингибиторы». БД «Объект» предназначена для сбора и хранения следующей информации: название и тип месторождения, название и тип технологического участка (оборудование), дата, шифр точки контроля, тип среды, характеристические параметры среды на точке контроля. В системе может быть предусмотрено деление нефтегазопромысловых сред на четыре типа: вода (минерализованная, подтоварная, сточная, смешанная, наземная природная и т.д.), нефть, водонефтяная эмульсия и газ. В рамках данной работы рассмотрен только один тип среды - вода, где проблема коррозии стоит наиболее остро. БД «Объект» — физико-химическая характеристика сред по каждому месторождению из списка включает общую и физико-химическую характеристику:
При разработке программы предусматривается, что в открывающихся окнах пользователь может вносить данные по выбранной для анализа среды. Для рассматриваемого в работе типа среды «вода» вносятся следующие физико-химические и технологические показатели: Месторождение/Точка отбора/дата; Плотность, кг/м ; Величина рН; Содержание СОг, мг/л; Содержание H2S, мг/л; Содержание 02, мг/л; Содержание Fe, мг/л; Содержание Са" , мг/л; Содержание Mg ,мг/л; Содержание SO4"", мг/л; Содержание НС03", мг/л; Содержание СОз ", мг/л; Содержание СГ, мг/л; Минерализация, г/л; Скорость потока, м/с; Температура, С; Общее давление Р, МПа;
Проверка соответствия расчетных результатов скорости коррозии стали с реальными скоростями на объекте
Из выбранного перечня ингибиторов на последней ступени в программе должен быть предусмотрен выбор по стоимости с ориентацией на минимальное значение.
Таким образом, система разрабатывается как клиент-серверное многопользовательское приложение. Клиентская часть системы «Барьер-СОг» предназначена для работы под управлением ОС Windows 2000, ХР, Vista, а также ОС семейств Unix. Серверная часть системы «Барьер-СОг» предназначена для работы на серверах под управлением ОС Windows 2000, ХР, 2003 или ОС семейства Unix. Серверная часть организована на основе СУБД PostgreSQL. Клиентская часть написана на языке Java с использованием среды разработки Eclipse SDK.
При разработке программы предусматривается, что при выборе названия нужного месторождения в списке пользователь попадает на экран БД «Объект». Экран состоит из общих для каждого месторождения верхней и боковой панелей и набора перелистываемых страниц. На верхней панели расположено название текущего месторождения, участка и даты, на боковой панели располагается название месторождения и общие для всех кнопки «Сохранить», «Удалить», «Печать». На страницах для конкретных сред располагается кнопка «Анализ». Первая версия системы разработана совместно со специалистом в области информационных систем и телекоммуникаций Ловянниковым П.Ю. Окно программы с заполненными значениями для среды «Вода» месторождения Варандей (Трубопроводі, 2009-10-27) (Приложение 5).
Данная программа (ИС) предназначена для комплексного исследования прикладной проблемы - коррозии и защиты от коррозии трубопроводов на нефтегазопромысловых объектах.
Проверка соответствия расчетных результатов скорости коррозии с реальными скоростями на объекте проведена по данным исследования участков 1.1, 01 и 03 системы ГШД одного из типичных месторождений Западной Сибири. Известны реальные значения скоростей коррозии трубной стали на выбранных участках (табл. 3.6). В ходе испытаний получены значения скоростей коррозии, которые использованы в дальнейших расчетах. Результаты (табл. 3.6) показали, что VKop. расчетНая (3.21) колеблется в пределах 0,50 -1,17мм/год и попадает в диапазон VKop. реальная. Помимо этого проведены расчеты по скорректированной модели (3.19) с учетом параллельно протекающего процесса солеотложения, имеющего место быть в жесткой минерализованной воде. Получены следующие значения VKop. расчетная: 0,72 - 1,04 мм/год, которые также попадают в диапазон VKOp. реальная. Отсюда следует, что данная модель позволяет наиболее приблизиться к оценке реальных VKOp. на нефтепромысловых системах типа «низкоуглеродистая сталь — минерализованная вода», осложненных солеотложением. Для сравнения проведены расчеты по уравнению (3.10). Ошибка по предлагаемым моделям расчета VKop (3.19) и (3.21) ниже и составляет не более 20% (табл. 3.6).
Проведена экспертная оценка коррозионной агрессивности нефтегазопромысловой среды (минерализованной воды) для определения типа коррозии и необходимости ингибирования.
Отмечено, что существующие математические модели и компьютерные системы в области коррозии и противокоррозионной защиты не учитывают специфику углекислотной коррозии и ингибирования сред в трубопроводах систем ППД. В связи с этим разработана математическая модель расчета скорости коррозии стали по значимым факторам в нефтепромысловой среде с применением линейной факторной модели.
Разработана структура автоматизированной вычислительной системы поддержки принятия решений в задачах коррозионной защиты «Барьер-ССЬ» для повышения уровня безопасной эксплуатации нефтегазопромысловых трубопроводов, где защита от коррозии является неотъемлемой частью системы безопасной эксплуатации.
Выработаны научно-обоснованные рекомендации по построению структур баз данных сред по отдельным объектам и базы данных по ингибиторам коррозии.
Разработан алгоритм работы автоматизированной вычислительной системы и полный алгоритм расчета скорости коррозии.
Определены составляющие обобщенного критерия К, используемого для выбора рационального ингибитора, и проведена их балльная оценка. Проведена экспериментальная проверка разработанного формализованного подхода к оценке коррозионной агрессивности среды и скорости коррозии стали, показавшая, что предлагаемые модели позволяют удовлетворительно решить задачу расчета скорости коррозии по факторам агрессивности среды с учетом процесса солеотложения и применять их при прогнозировании скоростей на промыслах.
