Введение к работе
Актуальность темы. Большинство транспортируемых сред на нефтяных месторождениях характеризуется наличием растворенных CO2, H2S и коррозионно-опасных микроорганизмов, поэтому углекислотная, сероводородная и бактериальная коррозии являются основными причинами интенсивного разрушения нефтегазопроводных труб.
Традиционно используемые стали для изготовления нефтегазопроводных труб с системой легирования Fe-Mn-Si (типа стали 09Г2С) обеспечивают требуемый уровень механических характеристик, но имеют низкую коррозионную стойкость в средах CO2, H2S и средах с бактериальной зараженностью. Стали с системой легирования Fe-V (типа 09ГСФ, 20Ф) стойки к водородному растрескиванию, но подвержены углекислотной и бактериальной коррозиям. Эксплуатационный срок труб нефтепроводов в средах с высокой коррозионной активностью остается крайне низким (2–3 месяца). По мере старения действующих и освоения новых месторождений коррозионная активность транспортируемых сред только увеличивается.
Необходима разработка новых технологий производства сталей, например, модифицирование редкоземельными элементами, а также разработка новых марок стали с более рациональным легированием и оптимальным выбором режимов их термической обработки, что обеспечит повышение долговечности нефтегазопроводных труб.
Несмотря на большой объем исследований по коррозионно-механическому разрушению оборудования в нефтедобывающей промышленности, вопросы повышения стойкости используемых материалов к углекислотной и бактериальной коррозиям изучены недостаточно и остаются актуальными.
Объект исследования – металлические материалы, используемые для изготовления нефтегазопроводных труб.
Предмет исследования – закономерности и особенности влияния состава и микроструктуры металла на механические, коррозионные и эксплуатационные свойства труб.
Цель работы – разработать сталь для производства нефтегазопроводных труб с повышенными механическими и коррозионными свойствами за счет использования микролегирования, модифицирования редкоземельными элементами и оптимизации режимов термической обработки.
Для достижения поставленной цели необходимо решить задачи:
1. Провести сравнительные промысловые испытания труб в идентичных условиях эксплуатации (среды с повышенным содержанием H2S и CO2).
2. Установить зависимости и связи интенсивности развития коррозионно-механического разрушения труб при эксплуатации в средах повышенной агрессивности от химического состава металла трубы, длительности эксплуатации и выбрать базовую марку стали для дальнейшей доработки.
3. Исследовать влияние модифицирования редкоземельными элементами на форму и распределение неметаллических включений, механические и коррозионные свойства трубных сталей.
4. Разработать новую марку стали для производства нефтегазопроводных труб повышенной прочности и коррозионной стойкости.
5. Изучить особенности формирования микроструктуры предложенной марки стали при термической обработке.
6. Определить режим термической обработки для разработанной марки стали, обеспечивающий сочетание высоких механических и коррозионных свойств.
7. Разработать технические условия на производство нефтегазопроводных труб из новой марки стали.
8. Провести промысловые испытания труб из разработанной марки стали в средах с повышенным содержанием H2S, CO2 и высокой бактериальной зараженностью.
Методы исследования. Использован комплекс современных методов исследований микроструктуры, фазового рентгеноструктурного анализа, локального анализа химического состава, механических и коррозионных свойств металла и продуктов коррозии, что позволило получить представление о влиянии состава и структурного фактора на развитие коррозионно-механического разрушения стальных труб в лабораторных и эксплуатационных условиях. Экспериментальные исследования выполнены аттестованными лабораториями по стандартным и международным методикам с компьютерной обработкой полученных результатов.
Достоверность и обоснованность научных результатов обеспечивается: применением различных методов и достаточным объемом исследований свойств и структурного состояния металла; сходимостью результатов, полученных при лабораторных и промысловых испытаниях; соответствием результатов и выводов основным положением современных представлений материаловедения, теорий прочности и коррозионного разрушения материалов; положительными результатами внедрения в производство.
На защиту выносятся:
1. Результаты сравнительного анализа коррозионной повреждаемости нефтегазопроводных труб из сталей 20, 09Г2С, 13ХФА и 08ХМФА при эксплуатации в условиях высокой агрессивности транспортируемых сред.
2. Результаты и анализ влияния модифицирования редкоземельными элементами (церий и лантан) на количество, форму, строение и состав неметаллических включений, а также на механические и коррозионные свойства низкоуглеродистых низколегированных сталей.
3. Химический состав стали марки 08ХМФБЧА для производства нефтегазопроводных труб повышенной прочности и коррозионной стойкости.
4. Диаграмма термокинетического распада переохлажденного аустенита стали марки 08ХМФБЧА, позволяющая выбрать режим термической обработки.
5. Режимы термической обработки труб, обеспечивающие сочетание высоких механических свойств с повышенной стойкостью к сероводородной, углекислотной и бактериальной коррозиям.
6. Особенности микроструктуры и механических свойств низкоуглеродистой низколегированной стали после термической обработки, заключающиеся в образовании следующего структурного построения: незамкнутой мелкозернистой ферритной сетка по границам бывшего аустенитного зерна и разнонаправленных бейнитных структур, позволяющих получить сочетание высоких прочностных и вязкопластических свойств.
7. Результаты эксплуатации нефтепроводов, изготовленных из труб стали марки 08ХМФБЧА.
Научная новизна:
1. Показано, что модифицирование кальцием и редкоземельными элементами (церий и лантан) повышает стойкость стали к сульфидному коррозионному растрескиванию под напряжением.
2. Впервые установлено, что введение церия и лантана в состав низкоуглеродистых низколегированных сталей оказывает значительное бактерицидное воздействие (уменьшение клеток сульфатвосстанавливающих бактерий в 10 раз и снижение их активности в 5 раз).
3. Показано, что закалочные структуры представлены в виде незамкнутой мелкозернистой ферритной сетки по границам бывшего аустенитного зерна и разнонаправленных бейнитных структур (верхний, нижний и бескарбидный бейнит), обеспечивают сочетание высоких прочностных, пластичных и коррозионных свойств стали марки 08ХМФБЧА.
5. Установлено, что распад пластин остаточного аустенита бескарбидного бейнита при отпуске проходит по схеме: образование нижнего бейнита с последующим выделением цепочек дисперсных карбидов, армирующих и упрочняющих феррит.
Практическая ценность:
1. Предложена новая сталь 08ХМФБЧА для изготовления нефтегазопроводных труб группы прочности К52 и насосно-компрессорных труб группы прочности «К, Е» и установлены эффективные режимы ее термической обработки, обеспечивающие повышенную коррозионную стойкость и долговечность труб в H2S-, CO2-содержащих средах и в средах с высокой бактериальной заражённостью.
2. Разработаны технические условия ТУ 1308-015-48124013 на изготовление коррозионностойких нефтегазопроводных труб из стали 08ХМФБЧА.
Личный вклад автора заключается в непосредственном участии в постановке задач исследования, проведении экспериментов и выполнении расчетов, обработке полученных результатов и формировании выводов, разработке и внедрении рекомендаций для изготовления нефтегазопроводных труб из разработанной марки стали.
Из 17 опубликованных по теме диссертации работ 12 работ опубликовано непосредственно по теме диссертации с долей личного участия 60 %.
Реализация результатов работы.
По ТУ 1308-015-48124013 изготовлено 6000 т нефтегазопроводных труб диаметром 159х8 мм из стали 08ХМФБЧА. Трубы опытной партии установлены в трубопровод на месторождении ОАО «Газпромнефть-Ноябрьскнефтегаз» и безаварийно эксплуатируются в течении 5 лет.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы были представлены и обсуждались на международных научных конференциях: «Физика прочности и пластичности материалов» (Самара, 2010, 2012), «Актуальные проблемы прочности» (Витебск, Беларусь, 2011, 2012), «Фазовые превращения и прочность кристаллов» (Черноголовка, ФППК, 2012), научном семинаре Тольяттинского государственного университета «Материаловедение и физика прочности» (Тольятти, 2012, 2013).
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 17 печатных работ, из них 5 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и 5 патентов РФ.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы из 110 наименований и приложения. Работа изложена на 128 страницах основного текста, включает 38 рисунков и 19 таблиц.
