Введение к работе
Актуальность темы
В настоящее время в условиях возрастающей коррозионной активности нефтепромысловых сред наблюдается низкая коррозионная стойкость труб и другого оборудования. Проблема повышения долговечности нефтепромысловых труб в средах, содержащих сероводород природного или бактериального происхождения, может быть решена за счет применения труб с регулируемым химическим составом, структурой и механическими свойствами. Данная работа посвящена исследованию закономерностей физико-химических процессов взаимодействия металла труб с сероводородсодержащими средами и разработке рекомендаций по химическому составу, структуре и механическим характеристикам труб.
Проблеме сероводородной коррозии низколегированных сталей посвящен ряд фундаментальных исследований, выполненных сотрудниками Академии нефти и газа, ВНИИГаза, ВНИИС'Га и др. Основное направление работ посвящено анализу механизмов водородного растрескивания (ВР) и сульфидного коррозионного растрескивания под напряжением (СКРН), как наиболее опасным видам коррозионного поражения.
Однако, процесс коррозии начинается со взаимодействия металла с коррозионной средой с образованием на поверхности металла пленок продуктов коррозии, через которые атомарный водород диффундирует и металл. Физико-химические процессы па границе металл -коррозионная среда, состав и морфология коррозионных слоев, а также закономерности их образования, влияние структуры продуктов коррозии, их химического состава на интенсивность иаводороживания практически не исследованы, и литературные данные по этому аспекту сульфидной коррозии ограничены. Вместе с тем очевидно решающее влияние структуры и состава продуктов коррозии на наводороживание и коррозионное растрескивание. Цель работы:
Повышение коррозионной стойкости нефтепромысловых труб в сероводородсодержа-
щих средах за счет регламентирования химического состава и микроструктуры сталей.
Основные задачи исследований: ' "
-
Исследование закономерностей и выявление стадийности процессов сульфидной коррозии и иаводороживания металла в модельной НгБ-содержащей коррозионной среде.
-
Исследование влияния температуры и давления среды на структуру, фазовый и химический состав продуктов коррозии.
-
Исследование влияния химического состава, структуры и механических характеристик металла на стадийность процессов сульфидной коррозии, наводороживание и скорость общей коррозии.
-
Разработка рекомендаций по химическому составу и структуре металла труб, обла-
дающих повышенной коррозионной стойкостью. Методы исследований.
В работе использовался специально разработанный для решения подобного рода задач комплексный подход, заключающийся в оценке реакции материала на агрессивное воздействие сред посредством изучения структурного состояния, фазового и химического состава продуктов коррозии. Соответственно, для исследования применяли послойный металлографический анализ структуры продуктов коррозии, фазовый рентгеноструктурный и химический микрорентгеноспектральный методы, с использованием следующего оборудования: металлографический микроскоп ММ-6 фирмы «Leitz», микрорентгеноспектральный анализатор «8ирегргоЬе-733»фирмы «Jeol», дифрактометр ДРОН-3, анализатор водорода RH-2 фирмы «Leko», прибор контроля качества покрытия КППК. Исследования проводились в последовательности:
-
Послойный фазовый рентгеноструктурный анализ поверхности.
-
Микрорентгеноспектральный анализ тех же участков.
-
Металлографический анализ структуры продуктов коррозии на шлифах. Для выявления распределения элементов в продуктах коррозии использовали изображение элементов в характеристическом рентгеновском излучении.
-
Количественный и качественный локальный микрорентгеноспектральный анализ.
-
Определение защитных свойств продуктов коррозии
-
Определения содержания в металле абсорбированного водорода.
-
Определение скорости коррозии металла.
Определение химического состава продуктов коррозии проводилось методом локального микрореитгеноспектрального анализа на анализаторе «Superprobe-733» по линии, перпендикулярной границе раздела металл - продукты коррозии с расстоянием между точками 5...15 мкм, начиная с металла по направлению вглубь продуктов коррозии. Ускоряющее напряжение ЮкВ. Диаметр электронного зонда Змкм. Расчет содержания химических элементов в весовых процентах осуществлялся на ЭВМ по методу ZAF. Фазовый состав продуктов коррозии определялся методом рентгеноструктурного анализа на дифрактометре "ДРОН-3" ( программным обеспечением для автоматической записи рентгенограмм в заданном интерва ле углов с использованием отфильтрованного от (3 - лучей СотКа- излучения. Сопоставлеши результатов определения фазового и химического состава коррозионного слоя позволяет по лучить объективную информацию о последовательности и характере распределения фаз входящих в состав продуктов коррозии.
Определение содержания поглощенного водорода в стали проводили путем плавлени образцов в токе инертного газа в графитовых тиглях с кондуктометрическим методом рега
страции содержания водорода на анализаторе RH-2.
Защитные свойства коррозионных слоев под действием поляризующего напряжения в среде агрессивных анионов изучался на приборе ПККП, основанном на анодно-поляризациопном методе экспрессной диагностики качества покрытий. Прибор позволяет измерить интегральный параметр К, изменяющийся в интервале от 0 до 1. Интегральный параметр К количественно характеризует сопротивление разрушению слоя при анодной поляризации участка поверхности в электролите, содержащем агрессивные анионы (СП-Скорость коррозии оценивали гравиметрическим методом. Объекты исследования.
Для реализации поставленной в работе задачи были выбраны широко используемые в нефтяной промышленности марки сталей, подвергнутые различным видам термической обработки. Выбор химического состава проведен в соответствии с известной информацией о влиянии легирующих элементов на стойкость металла к паводороживаншо и сульфидному коррозионному растрескиванию под напряжением (СКРН). Варьировали три основных элемента: С, Мп и Сг. Исследование проводили на образцах, изготовленных из металла труб следующих марок стали:
импортные трубы С-75-2 (С-0,3%, Si-0,27%, Мп-0,95%, ат-635МПа) и SM-90SSU (С-0,29%, Si-0,28%, Мп-0,53%, Сг-0,95%, от-679МПа), характеризующиеся повышенной стойкостью к СКРН, Сталь марки С-75-2 по химическому составу близка к отечественной марке стали 30Г2; SM-90SSU - отечественной марке стали 30ХМА:
трубы из стали марки 30Г2 (С-0,34%, Si-0,24%, Мп-1,51%) групп прочности "Д" (от-464МПа), "К" (стт-622МПа), "Л" (от-72ШПа);
трубы из стали марки ЗОХМА (С-0,31%, Si-0,27%, Мп-0,63%, Сг-0,92%) группы проч-
ности "Е" (ст-632МПа), "Л" (от-7б2МПа);
- трубы из стали марки 20 (С-0,20%, Si-0,30%, Мп-0,55%) нормализованной (от-
255МПа), "Дс" (сгг-402МПа);
Исследование влияния термической обработки и образующихся микроструктур проводили после следующих видов термической обработки: нормализации, полной объемной закалки и различных температур отпуска, после закалки из межкритического интервала температур До- Асз и последующего высокотемпературного отпуска. Термическая обработка труб проводилась в заводских условиях в проходных газовых печах.
Испытания проводились в двух коррозионных средах:
в модельной среде NACE: 5%-ный водный раствор хлористого натрия, 0,5%-ный раствор уксусной кислоты, концентрация сероводорода 3000 -3400 мг/л, рН 3,4;
в пластовой воде Белозерского месторождения НГДУ "Жигулевскпефть": концентрация
сероводорода 240 мг/л, рН 5,6, общая минерализация 247 г/л. Режимы испытаний: статический, динамический, автоклавный.
Научная новизна работы. Впервые установлены корреляционные связи между физико-химическими процессами, протекающими на границе среда - металл, со структурой и химическим составом металла. Экспериментально и теоретически доказано, что процесс сульфидной коррозии начинается с образования оксидного слоя, обладающего барьерными свойствами для проникновения атомарного водорода.
Основные защищаемые положения На защиту выносятся:
Закономерности процессов сульфидной коррозии и наводороживания в зависимости от химического состава и структуры металла.
Влияние химического состава и структуры металла на стадийность образования и защитные свойства коррозионных слоев.
Влияние факторов коррозионной среды на защитные свойства продуктов коррозии.
Механизм влияния структуры металла на стойкость к коррозии в НгБ-содержащих средах.
Обоснование возможности повышения коррозионной стойкости труб за счет регламентирования химического состава и микроструктуры металла.
Практическая ценность работы.
Выданы рекомендации по технологии термической обработки труб повышенной коррозионной стойкости в НгЗ-содержащих средах и разработаны технические условия для выпуска опытно-промышленных партий нефтепромысловых труб.
Реализация в промышленности
Основные положения диссертационной работы использованы при разработке технических условий на Синарском трубном заводе: 1. ТУ 14-161-150-94 Трубы насосно-компрессорные и муфты к ним сероводородостойкие и хладостойкие; 2. ТУ 14-161-149-94 Трубы обсадные и муфты к ним сероводородостойкие и хладостойкие.
По указанным Техническим условиям были изготовлены опытные и промышленные партии труб, которые установлены на нефтедобывающих предприятиях г. Нижневартовска, Самарской области, на месторождении Жанажол (Казахстан).
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на 6-ой международной конференции «Mechanical Behaviour of Materials» Kyoto, 1991; на конгрессе «Защита-92», Москва, 1992г; на научно-техническом совете ВНИИТ-нефть, Самара, 1994, 1995г; на научном семинаре кафедры МДТТ Самарского Государствен-
ного университета, Самара, 1995, 1998г.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 5 работ.
Объем и структура работы
