Содержание к диссертации
Введение
1 Особенности труб из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, перспективы применения в нефтегазовой отрасли 10
1.1 Особенности высокопрочного чугуна с шаровидным графитом 10
1.2 Микроструктура металла труб из ВЧШГ 15
1.3 Физико-механические свойства материала труб из ВЧШГ 18
1.4 Исследования коррозионной стойкости металла труб из ВЧШГ 19
1.5 Чугун в трубном производстве и трубопроводном транспорте 27
Выводы по разделу 1 32
2 Соединения чугунных труб 33
2.1 Механические соединения труб 34
2.2 Клеевые и клеемеханические соединения труб 39
2.3 Раструбно-замковое соединение типа "RJ" 44
2.4 Соединение труб типа "прямая прессовая посадка" 48
2.5 Соединения типа "обжимка раструба" 52
Выводы по разделу 2 56
3 Исследование работоспособности соединений труб из ВЧШГ 57
3.1 Раструбно-замковые соединения "RJ" 57
3.1.1 Расчёт напряженного состояния соединений "RJ" 57
3.1. Испытания соединений "RJ" 61
3.2 Соединение методом прямой прессовой посадки (1111) 67
3.2.1 Расчёт напряженного состояния соединений "1111" 67
3.2.2 Испытания соединений прямой прессовой посадкой "1Ш" 74
3.3 Соединение типа "обжимки раструба" 76
3.3.1 Расчёт напряженного состояния в соединении типа "обжимка раструба" 76
3.3.2 Испытания соединения типа "обжимка раструба" 77
Выводы по разделу 3 82
4 Промысловые испытания трубопроводов ВЧШГ 84
4.1 Промысловые испытания в период разработки технологии монтажа трубопроводов из ВЧШГ на основе клеевых соединений 84
4.2 Опыт применения трубопроводов из ВЧШГ на нефтяных месторождениях 87
4.3 Исследования металла труб из ВЧШГ и элементов соединений при промысловых испытаниях 92
4.3.1 Исследование качества труб из ВЧШГ, отработавших 11 лет в месторождениях НК "Башнефть" 92
4.3.2 Свойства металла труб ВЧШГ и соединительных элементов трубопровода Чуракаевского месторождения ООО "Лукойл-Пермь" 98
4.3.3 Исследование свойств труб из ВЧШГ, находившихся в эксплуатации на месторожденияхОАО "Самаранефтегаз" 100
4.3.4 Исследование соединения ВЧШГ типа прессовой посадки после эксплуатации в "РН-Юганскнефтегаз" 103
4.4 Влияние структурной неоднородности на коррозионную стой кость труб из ВЧШГ 105
Выводы по разделу 4 107
5 Проблемы широкого использования труб вчшг на нефтяных месторождениях 108
5.1 Производство труб из ВЧШГ 109
5.2 Нормативное обеспечение труб из ВЧШГ в нефтегазовой отрасли 111
Выводы по разделу 5 120
Общие выводы 121
Литература
- Физико-механические свойства материала труб из ВЧШГ
- Соединение труб типа "прямая прессовая посадка"
- Испытания соединений прямой прессовой посадкой "1Ш"
- Исследование качества труб из ВЧШГ, отработавших 11 лет в месторождениях НК "Башнефть"
Введение к работе
Актуальность работы
Одной из нерешённых проблем при обустройстве нефтяных месторождений является защита от коррозии трубопроводных систем. Стальные нефтегазопромысловые трубопроводы из-за сильной коррозионной агрессивности продуктов скважин имеют небольшой ресурс. Один из вариантов решения данной проблемы связан с применением труб из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ВЧШГ), который по сравнению с нелегированными сталями обладает рядом положительных свойств:
коррозионная стойкость труб из ВЧШГ в 4...10 раз выше, стоимость ниже, прочность практически на том же уровне;
хладостойкость труб из ВЧШГ сохраняется до температуры минус 80 С, что важно для северных регионов;
трубы из ВЧШГ практически не подвергаются старению, в том числе под воздействием сероводородсодержащих сред. Эта особенность делает их привлекательными на месторождениях с большим содержанием серы.
К недостаткам труб из ВЧШГ относятся следующие особенности:
чугун, в том числе ВЧШГ, из-за высокого содержания углерода плохо поддаётся сварке, особенно в трассовых условиях;
пластичность труб из чугуна ниже, чем у стальных труб;
трубы из ВЧШГ изготавливаются методом центробежного литья и имеют весьма шероховатую поверхность.
Таким образом, для реализации всех положительных качеств труб из ВЧШГ необходимо оценить и снизить влияние отрицательных факторов.
Трубы из ВЧШГ нашли широкое применение в некоторых областях, в частности в водопроводных, канализационных, газопроводных сетях и системах теплоснабжения крупных городов мира. Широкое применение труб из ВЧШГ в нефтяной отрасли невозможно без соответствующей нормативной базы, учитывающей особенности отрасли и регламентирующей все вопросы на этапах производства труб, проектирования, строительства, испытаний и ввода в действие, эксплуатации и ремонта трубопроводов из ВЧШГ.
Предварительные консультации с техническими специалистами нефтедобывающих компаний показывают заинтересованность в применении новых материалов и технологий, в том числе труб из ВЧШГ.
Таким образом, обозначенные выше проблемы и анализ путей их решения позволили сформулировать цель и задачи исследований.
Цель работы - повышение ресурса нефтепромысловых трубопроводов внедрением труб из коррозионно-стойкого и высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.
Для решения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи:
-
Анализ эксплуатационных свойств труб из ВЧШГ в условиях эксплуатации нефтепромысловых трубопроводов;
-
Разработка эффективных методов соединения труб из ВЧШГ без применения сварки;
-
Исследования и стендовые испытания прочности и надёжности соединений труб из ВЧШГ;
-
Испытания технологий монтажа и работоспособности трубопроводов из ВЧШГ в промысловых условиях;
5. Разработка нормативной базы монтажа трубопроводов из ВЧШГ.
Методы решения поставленных задач
Основой для решения данных задач явились работы отечественных и зарубежных ученых и специалистов: Агапчева В.И., Айдуганова В.М., Бат-лера Дж., Гумерова А.Г., Загорского В.К., Иоффе А.В., Лаптевой Т.И., Мин-ченкова А.В., Новикова СВ., Носова В.А., Пермякова Н.Г., Ращепкина А.К., Родомакина А.Н., Сираева А.Г., Чахеева С.Л., Чахеева А.Л. и других.
В работе использованы положения теорий упругости и прочности, экспериментальные и теоретические методы исследования: металлографические исследования на электронном микроскопе, стендовые испытания по специальным программам, испытания технологий монтажа и промысловые испытания работоспособности трубопроводов.
Научная новизна результатов работы
1. Разработана математическая модель напряженно-
деформированного состояния соединения, полученного методом прямой
прессовой посадки труб из ВЧШГ в стальную муфту. Определены допусти
мые размеры муфты и параметры посадки, обеспечивающие необходимую
прочность соединения.
-
Решена задача о напряженном состоянии раструбно-замкового соединения типа «RJ», установлены основные закономерности. Полученные результаты и расчётная программа позволяют совершенствовать конфигурацию раструбной части труб.
-
Установлены закономерности формирования сил сцепления в соединении, полученном методом обжатия раструба трубы. Показано, что
роль механической составляющей деформаций сводится лишь к исключению зазора между трубой и обжимающим раструбом. Прочность соединения формируется за счёт остаточных радиальных„напряжений, имеющих термическое происхождение - нагрев при пластическом деформировании раструбной части. Положительный эффект также достигается за счёт предварительного нагрева раструбной части трубы перед обжатием.
-
Лабораторными и промысловыми исследованиями подтверждено, что скорость коррозии ВЧШГ в нефтепромысловых условиях в 4...10 раз ниже, чем нелегированных сталей. При этом установлено, что сами трубы из ВЧШГ обладают значительно более высокой коррозионной стойкостью, чем малые образцы, вырезанные из металла трубы. Обогащенные графитом подповерхностные слои стенки труб толщиной 50... 100 мкм оказывают дополнительное защитное действие, аналогично изоляционному покрытию.
-
Экспериментально (методом циклических гидравлических и механических испытаний) определены допустимые области применения и допустимые параметры эксплуатации каждого из трёх основных видов соединений труб из ВЧШГ.
На защиту выносятся:
результаты исследования ВЧШГ в условиях эксплуатации нефтепромысловых трубопроводов;
механизм защитного действия ВЧШГ в коррозионных средах;
результаты испытаний трёх вышеуказанных видов соединений труб из ВЧШГ в стендовых и промысловых условиях;
закономерности формирования напряженно-деформированного состояния и прочности соединений и технологические параметры, позволяющие контролировать их надёжность;
технологии монтажа трубопроводов из ВЧШГ для эксплуатации на нефтяных месторождениях.
Практическая ценность и реализация результатов работы
-
Результаты исследований показали возможность получения равнопрочных соединений труб из ВЧШГ без использования сварки, что позволяет применять их при строительстве нефтепромысловых трубопроводов-
-
Исследованы и рекомендованы к практическому использованию в нефтепромысловых условиях три наиболее эффективные технологии монтажа трубопроводов из ВЧШГ: раструбно-замковое соединение с использованием герметизирующей резиновой манжеты, прямая прессовая посадка в
стальную муфту, соединение обжатием раструбной части одной из стыкуемых труб. В последних двух технологиях используется клей-герметик и достигаются высокие показатели по прочности и герметичности. Первая технология отличается простотой и рекомендуется для водоводов.
-
Установлено, что трубы из ВЧШГ обладают прочностью в 4...5 раз больше, чем заявлено в технических условиях. Предложен заводу-изготовителю ряд рекомендаций по более полному использованию потенциальных возможностей труб из ВЧШГ. . . .
-
Результаты исследований использованы в «Инструкции по монтажу нефтегазопромысловых трубопроводов из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом неразъёмными соединениями: методом обжимки раструба, муфтовым соединением обжимкой и прессовой посадкой» и в проекте «Инструкции по проектированию, строительству, эксплуатации и ремонту промысловых нефтегазопроводов из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом». Предложенные технологии исключают сварку, высокопроизводительны и низкочувствительны к погодным условиям.
Апробация результатов работы
Основные положения и результаты работы докладывались на:
Международных научно-практических конференциях «Проблемы и методы обеспечения надёжности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» (Уфа, 2010-2011 гг.);
Всероссийских научно-практических конференциях «Энергоэффективность. Проблемы и решения» (Уфа, 2009-2010 гг.);
Международных учебно-научно-практических конференциях «Трубопроводный транспорт» (Уфа, 2008-2010 гг.);
Международных научно-технических конференциях «Проблемы строительного комплекса России» (Уфа, 2010-2011 гг.).
Публикации
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 17 научных трудах, в том числе в 3 ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендуемых ВАК Министерства образования и науки РФ.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, библиографического списка использованной литературы, включающего 105 наименований. Работа изложена на 132 страницах машинописного текста, содержит 42 рисунка, 32 таблицы.
Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю Гумерову Кабиру Мухаметовичу и сотрудникам ГУП «ИПТЭР» РБ за обсуждение и критические замечания при разработке математического аппарата, лабораторных исследованиях и стендовых испытаниях; Чахееву Андрею Леонидовичу и производственному персоналу ООО «ПКФ Малый Сок» за содействие при стендовых и промысловых испытаниях и практическом внедрении результатов работы.
Физико-механические свойства материала труб из ВЧШГ
Чугун с шаровидным графитом обладает высокими механическими характеристиками, однако уступает чугуну с пластинчатым графитом по литейным свойствам и теплопроводности. Сплав, сочетающий в себе положительные свойства чугунов с пластинчатым и шаровидным графитом, является перспективным для отливок ответственного назначения. Таким сплавом является чугун с вермикулярным графитом. Механические, физические и литейные свойства чугуна с вермикулярным графитом существенно зависят от количества шаровидного графита, организующегося с вермикулярным графитом. При этом чем больше шаровидного графита, тем выше предел прочности при растяжении ав и относительное сужение при разрыве 8, ниже теплопроводность А, и больше объем усадочных раковин.
Чугун с шаровидным графитом почти не окисляется и не обезуглероживается [10], что представляет интерес с точки зрения эксплуатации трубопроводов в месторождениях с большим содержанием сероводорода.
Для выплавки чугуна с шаровидным графитом используются различные плавильные агрегаты: вагранки с горячим дутьём, электропечи (индукционные и дуговые), дуплекс процесс (вагранка и электропечь). Применяется чистая по содержанию вредных примесей исходная шихта (титана до 0,15 %, хрома до 0,005 %, висмута, мышьяка, олова и сурьмы до 0,02 %, бора до 0,01 %). С целью снижения содержания серы проводят десульфурацию чугу на, чаще всего карбидом кальция, реже известью. Содержание серы в чугуне после десульфурации составляет 0,012-0,015 %.
Сфероидизующая обработка чугуна в основном производится в открытых ковшах магниевыми лигатурами. Наиболее распространены магний-железо-кремнистые лигатуры, содержащие кальций. На втором месте стоят никель-магниевые и никель-магний-кремниевые лигатуры. Некоторые цеха модифицируют жидкий чугун металлическим магнием и коксом, пропитанным магнием [27].
Сфероидизующие модификаторы выпускаются рядом крупных промышленных фирм [100]. Они характеризуются однородностью химического состава, оптимальным содержанием магния и заданным фракционным составом [72]. Это даёт возможность автоматизировать процесс модифицирования чугуна. Расход модификаторов составляет 1-2,5 % массы чугуна. Температура чугуна к началу сфероидизирующей обработки, как правило, составляет не ниже 1400С. Длительность сохранения эффекта модифицирования - 10-15 минут, максимально - 25 минут.
С целью подавления карбидообразования во время затвердевания ВЧШГ производится обработка жидкого сфероидизированного чугуна гра-фитизирующими инокуляторами (вторичное модифицирование). Такая обработка способствует получению ферритной матрицы чугуна с графитом улучшенной формы, увеличивает живучесть модифицированного расплава.
Большую роль играет момент инокулирования. Как показывает практика, наиболее эффективно позднее инокулирование, например, в момент заливки металла в форму. Хорошие результаты дает также использование каскадного модифицирования, когда инокуляторы вводят несколькими малыми порциями в различные моменты времени [93]. Наиболее распространённым видом инокулятора служит 75 %-ный ферросилиций. Применяются также инокуляторы более сложных специальных составов [72]. Трубы из ВЧШГ, как правило, подвергаются ферритизирующему отжигу. Для этого применяются методические печи, горизонтальные печи камерного типа, а также шахтные печи с верхней загрузкой.
Применяются самые разнообразные режимы термической обработки. Наиболее распространены следующие: 1. Выдержка при 730-780С в течение нескольких часов с последующим охлаждением с печью. 2. При наличии в структуре цементита - отжиг при 870-900С в течение 1,5-2 часов, затем охлаждение с печью или дополнительная выдержка при 730-760С для распада перлита. 3. Нагреваются трубы до температуры 920-980С, выдерживаются до 750С, затем медленно охлаждаются до 700С для получения ферритной структуры.
Высокопрочный чугун с шаровидным графитом обычно используют для замены литой стали в изделиях ответственного назначения (валки горячей прокатки, станины и рамы прокатных станов, молотов и прессов). Даже поковки ответственного назначения из легированных сталей можно заменить на отливки из ВЧШГ. Высокопрочный чугун используют для замены серого чугуна, если необходимо увеличить срок службы изделий.
Первые исследования микроструктуры труб из ВЧШГ у нас в стране проводились в институте ВНИИСПТнефть (ныне ГУП "ИПЭР") в 1983 году [48]. Исследования показали, что в отличие от стальных труб, чугунные трубы имеют неоднородную структуру по толщине стенки. Это вполне естественно для технологии центробежного литья, когда температурный режим кристаллизации металла неодинаков по толщине стенки. Поэтому оценка свойств материала чугунных труб требует особого подхода к изготовлению образцов для физико-механических и коррозионных испытаний. При изучении микроструктуры труб из ВЧШГ в период апробации и освоения производства (1983 г.) образцы металла, вырезанные из труб, подвергались следующей обработке:
Выявление микроструктуры проводилось химическим травлением, с использованием 3 % раствора HN03 в этиловом спирте. Продолжительность травления при комнатной температуре составляла 25-30 секунд. Изучение микроструктуры проводилось на металлографическом микроскопе МИМ-8М.
Металлографическим исследованиями установлено, что по сечению трубы можно выделить внешнюю, среднюю, внутреннюю зоны, отличающиеся по конфигурации графитовых включений (рис. 1.2).
Для средней зоны характерно равномерное распределение графитовых включений. Все включения имеют шаровидную форму. Диаметр включений 7-15 мкм. Плотность 70-90 шт. на 1 мм . Металлическая основа ферритная или феррито-перлитная. Зерна ориентированы по направлению отвода тепла.
Внешняя зона имеет относительно равномерное распределение графита. Величина графитовых включений становится крупнее по сравнению с включениями средней зоны, а степень их сфероидизации уменьшается. Включения имеют диаметр порядка 10-25 мкм. Наряду с шаровидными встречаются включения неправильной формы. Металлическая матрица имеет повышенное содержание феррита. Ориентация зерен уменьшается. Плот-ность включений составляет 60-70 шт. на 1 мм .
Соединение труб типа "прямая прессовая посадка"
Клеевые и клеемеханические соединения в процессе эксплуатации трубопроводов подвергаются воздействию механических нагрузок и агрессивных сред. Под влиянием этих факторов в клеевом слое с течением времени могут протекать процессы, вызывающие изменение его физико-механических свойств, ослабление межмолекулярных взаимодействий, проникновение среды к перенапряженным участкам клеевого слоя, снижение его адгезии к металлу и т.п. При этом поверхностно-адсорбционные эффекты воздействия среды будут усиливать действие механических напряжений и активизировать процесс разрушения клеевых соединений.
Известно, что агрессивность перекачиваемых эмульсий в первую очередь зависит от содержания сероводорода. В связи с этим были проведены исследования прочности клеевых соединений из стали и чугуна в агрессивных средах при равномерном отрыве и сдвиге с растяжением.
Для испытаний применялись образцы из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. В качестве клея применялся состав на основе эпоксидной смолы ЭД-20, пластифицированный тиоколом и наполненный алюминиевой пудрой. Склеенные образцы выдерживались в эксикаторах под нагрузкой, составляющей 30 % от кратковременной прочности, в высокоминерализованной водной среде, насыщенной сероводородом до концентрации 500 мг/л. Нагружение склеенных образцов осуществлялось с помощью тарированных пружин, покрытых слоем полимера при температуре 20С (рис. 2.1). Перемешивание модельной среды в эксикаторах осуществлялось с помощью электромагнитных мешалок. После выдержки определенное время измерялась остаточная прочность клеевых соединений путём отрыва.
Влияние сероводородосо держащей водной среды на прочность клеевых соединений чугуна при равномерном растяжении ( т) и сдвиге (т) Полученные данные показывают, что наибольшее снижение прочности клеевых соединений наблюдается в течение первых 150-200 часов выдержки в среде. При дальнейшей выдержке прочность клеевых соединений практически стабилизируется.
Снижение прочности клеевых соединений в указанных эксплуатационных условиях вызвано снижением прочности самого клеевого слоя.
Исследования показали, что клеевое соединение при работе на сдвиг имеет более низкие показатели. В связи с этим для соединения труб была разработана конструкция конусного типа, которая обеспечивает увеличение общей прочности за счёт распределения осевого усилия по большей площади, а также за счёт регулирования толщины клеевого слоя. В соединении также предусмотрены кольцевые канавки на сопрягаемых поверхностях. Канавки совмещаются при сборке и заполняются полимерной композицией, образуя своеобразные стопорные кольца. В таком соединении полимерная композиция в кольцевых проточках работает на срез, а прочность соединения определяется как адгезионной прочностью клея с чугуном, так и когезионной прочностью самого полимера.
Соединения без кольцевых проточек имеют исходную прочность на 28 % выше по сравнению с проточками (рисунок 2.3). Это объясняется меньшей толщиной клеевого слоя в соединении. Однако после длительной выдержки в водной среде у образцов без кольцевых проточек имеет место значительное снижение прочности (на 30 %), в то время как у образцов с кольцевыми проточками прочность снижается незначительно и через 30 суток становится выше, чем в соединении без проточек.
В результате комплекса работ по подбору составов полимерных клеев, оптимизации параметров конструкций соединений, а также анализа влияния технологических условий склеивания на прочность и долговечность в нефтяных и водных средах, была предложена технология склеивания чугунных труб в раструб, предусматривающая клеевое соединение конусного типа (рис. 2.4). Технология предусматривала нанесение клеящего слоя и посадку с натягом конического конца трубы в раструб. При этом возникают остаточные механические напряжения в соединяемых элементах, что создает дополнительный эффект в формировании прочности. Поэтому такое соединение следует называть клеемеханическим.
Длительная прочность клеевых соединений в водной среде (1 - соединение без кольцевой проточки; 2 - соединение с кольцевой проточкой).
Результаты исследований прочности и долговечности клеемеханиче-ских соединений труб позволяют прогнозировать вероятный срок безотказной эксплуатации трубопроводов из ВЧШГ с такими соединениями до 15 лет. Соединение стойко к агрессивным средам, выдерживает осевые усилия от внутреннего давления и температурных деформаций, возникающих при перекачке нефтепромысловых сред. Соединение герметично при температуре эксплуатации от минус 40С до плюс 40С, относится к классу ремонтопригодных.
Испытания соединений прямой прессовой посадкой "1Ш"
Результаты испытаний показали, что методом прямой прессовой посадки в муфту достигается прочность на уровне 90 % от предела текучести материала трубы (чугуна с шаровидным графитом). Достижению прочности на уровне 100 % не позволяет неравномерное распределение напряжений и деформаций в соединении [17]. Трубопровод, сооруженный из чугунных труб по данной методике, может эксплуатироваться при рабочих давлениях до 11,0 МПа, но не более допустимого рабочего давления самих труб.
Данная задача была решена А.Н. Родомакиным [60] при изучении работоспособности соединений стальных труб, имеющих внутреннее полимерное покрытие. При этом изучались остаточные напряжения в муфте и трубе.
Обжатие чугунного раструба и стальной муфты происходят по одним и тем же законам, описываются одинаковыми уравнениями, поэтому результаты, полученные А.Н. Родомакиным в полной мере можно распространить к данной задаче.
В работе [60] были получены результаты, которые можно переформулировать к соединению "обжимка раструба" и сделать следующие выводы:
1. За счёт механического обжатия раструба невозможно получить сжимающие остаточные напряжения, способные вызвать силы трения, формирующие прочность соединения.
2. При пластическом деформировании раструба будет совершаться работа, которая переходит в тепловую энергию. Причем, основную часть энергии получит стенка раструба. Это приведет к повышению температуры раструба прямо в процессе обжатия. Затем происходит выравнивание температур, в процессе чего обжатый раструб будет стремиться уменьшиться в размерах и появятся сжимающие в радиальном направлении напряжения. Они и приведут к появлению сил трения (сцепления), которые будут формировать прочность соединения.
Расчёты показали, что при нагреве на 1 появляется контактное давление между обжатым раструбом и трубой порядка 0,25...0,5 МПа в зависимости от размеров трубы.
Если раструб специально нагреть непосредственно перед обжатием, то контактное давление можно дополнительно увеличить на те же 0,25...0,5 МПа на каждый градус. Следовательно, можно поднять прочность соединения типа "обжимка раструба" до уровня, соответствующего соединению типа "прямая прессовая посадка" (« 20 МПа).
Таким образом, соединений типа "обжимка раструба" могут обеспечить высокую прочность трубопроводов из ВЧТТТГ.
Испытательный стенд изготовлен следующим образом. Подготовлены две составные трубы, состоящие из стальной и чугунной частей. При этом соединение стальной и чугунной труб осуществлено с помощью стальной обжимной муфты и втулки. Затем две составные трубы со единены друг с другом чугунными концами. При этом гладкий конец одной трубы вдет в раструбный конец другой трубы, затем раструбная часть обжата. Таким образом, стенд содержал три соединения, полученные методом обжима.
Диаметр труб 114 мм. Толщина стенки чугунных труб 9 мм. Общая длина испытательной плети 436 + 440 = 876 см.
Разрушение произошло по соединению стальной трубы с чугунной. При этом стальная труба вышла из муфты. Элементы плети не получили повреждения. Раструбное соединение между чугунными трубами выдержало все этапы испытания. До момента разрушения герметичность плети сохранялась. В момент разрушения (давление 20,0 МПа, подъём с грузами по 150 кГ) в стенке труб были следующие напряжения: окружное 106,7 МПа, продольное 170,6 МПа. С учётом результатов обследования разрушенного соединения опыт был продолжен, поскольку раструбное соединение оставалось неразрушенным.
Плеть восстановили до размеров: общая длина плети 8,76 м; диаметр чугунных труб 114 мм, толщина стенки 9 мм. Этапы дополнительных испытаний: 1. Плеть заполнили водой и установили давление 5,0 МПа. Герметичность и прочность сохранилась. 2. Подняли давление до 10,0 МПа. Плеть оставалась на опорах. 3. Давление 15,0 МПа. 4. Давление 20,0 МПа. 5. Давление 23,5 МПа. Наступило разрушение раструбного соединения. При разрушении гладкий конец чугунной трубы вышел из раструба. При этом ни один элемент по отдельности не получил повреждений. До момента разрушения герметичность соединения сохранялась.
Исследование качества труб из ВЧШГ, отработавших 11 лет в месторождениях НК "Башнефть"
В мае 2011 года было исследование состояние стальной муфты после эксплуатации в течении одного года в нефтесборном коллекторе К-237-т.вр. (КПП) ООО "РН-Юганскнефтегаз". Муфта была изготовлена из стали 20 и посажена на концы чугунных труб DN100 при монтаже трубопровода с применением технологии "прямая прессовая посадка". При посадке натяг составлял 2 мм. Предварительно на концы чугунных труб был нанесён слой герметика согласно инструкции по монтажу.
При осмотре выявилось, что слой герметика присутствует на всей внутренней поверхности муфты и на внешней поверхности концов труб. Из 103
лишек герметика заполнил зазоры в районе ограничительного буртика муфты, в том числе зазоры между торцами чугунных труб (рис. 4.5). Контакт муфты с перекачиваемой жидкостью отсутствовал.
Рисунок 4.5 - Внутренняя поверхность стальной муфты после эксплуатации в составе трубопровода ВЧШГ в течение одного года (1 - муфта из стали 20; 2 - чугунная труба, контактировавшая с продуктом; 3 - герметик, заполнивший зазоры в зоне стыка; 4 - механический рез, выполненный при демонтаже соединения)
Данный трубопровод находился под действием продуктов средней коррозионной агрессивности. Учитывая присутствие в транспортируемой среде H2S, С02 и других примесей, можно было предположить возможность протекания на данном участке карбонатной коррозии и сероводородной коррозии. Однако контроль утонения стенки трубы и механических свойств металла труб не выявил практически никаких изменений. Верхняя оценка скорости утонения стенки труб, основанная на измерениях толщины стенки, со 104 ставляет 0,03...0,05 мм в год. Визуальный осмотр труб после разрезки по образующим также не выявил язв коррозионного происхождения. Однако на внутренней поверхности труб обнаружены дефекты металлургического происхождения (газовые пузыри) глубиной до 0,7 мм, которые при эксплуатации не получили существенного развития.
Изучая структуру стенки труб из ВЧШГ обратили внимание на её неоднородность. Из-за особенностей технологии центробежного литья, теплового взаимодействия жидкого чугуна с формой, внутренняя и внешняя поверхности труб сильно отличаются по структуре друг от друга и от внутренних (центральных) участков стенки (рис. 4.6).
Металл трубы на наружной поверхности сильно обогащен графитом. При этом форма графитовых включений сохраняется преимущественно компактной, хотя и не шаровидной. Объёмная доля графита в этой зоне достигает 60.. .80 %. Толщина этой зоны составляет порядка 50... 100 мкм. Структура наружной подповерхностной зоны однородна, хотя и резко отличается от структуры центральной части металла.
Металл на внутренней поверхности трубы также обогащен графитом. Но, в отличии от других участков, графит там теряет шарообразную форму и компактность, объединяется в облакообразные образования. Объёмная доля графита в этой зоне составляет также 60...80 %. Толщина внутренней подповерхностной зоны составляет порядка 100...200 мкм, структура зоны сильно неоднородна.
Такая неоднородность не может не влиять на коррозионную стойкость труб из ВЧШГ. Влияние, очень возможно, происходит в положительном направлении. Большая плотность графита на поверхности тормозит коррозию, что и наблюдаем на практике.
Металл трубы из ВЧШГ, фактически оказывается защищенным от коррозии поверхностными слоями, обогащенными углеродом (графитом). Эти слои действуют аналогично изоляционному материалу, но с очень большой адгезией. Этим, возможно, объясняется один из интересных фактов, наблюдаемых на практике: коррозионная стойкость вырезанных из ВЧШГ мелких образцов намного ниже, чем самих труб, оказавшихся в тех же условиях. При изготовлении образцов поверхностные обогащенный графитом слои вырезаются и металл образцов оказывается без дополнительной защиты. Чугунные трубы находятся под защитой поверхностных слоев, обогащенных углеродом.
Таким образом, сама технология центробежного литья труб ВЧШГ оказывает благоприятное влияние на коррозионную стойкость чугунных труб. Выводы по главе 4 Промысловые испытания, выполненные в разных регионах страны и на разных нефтяных месторождениях, подтверждают высокую коррозионную стойкость труб из ВЧШГ. Соединения, выполненные по технологии прямой прессовой посадки, обеспечивают высокую надёжность трубопроводов, построенных из труб ВЧШГ.
В процессе длительной эксплуатации в промысловых условиях металл труб из ВЧШГ сохраняет все свои свойства: химический состав и структуру, механические свойства и хладостойкость в пределах до - 60С.
Из результатов анализа микроструктуры металла труб из ВЧШГ и их коррозионной стойкости выдвинуто предположение, что пересыщенные графитом подповерхностные слои металла играют роль защитного покрытия и значительно замедляют коррозию. Следовательно, технология получения труб из ВЧШГ методом центробежного литья, приводящая к получению такой структуры металла, благоприятно влияет на их служебные свойства в коррозионных средах.
Результаты лабораторных и промысловых исследований труб из ВЧШГ и их соединений убедительно показали перспективность применения таких труб при строительстве промысловых трубопроводов, где особенно актуальны проблемы защиты от коррозии при перекачке агрессивных скважинных продуктов, обогащенных разными химически активными компонентами. Однако широкое использование чугунных труб в нефтегазовой области требует решения ряда проблем.
1. Предприятия нефтегазовой отрасли относятся к опасным производствам, что предполагает получение специальных разрешений на применение новых материалов и оборудования. Для этого необходимо пройти комплекс исследований и испытаний в установленном порядке, с созданием специальных комиссий, экспертизой безопасности и т.д. [89-90].
2. Необходимо разработать нормативную базу, аналогичную [58, 73, 74, 75, 76, 78], предусматривающую все вопросы, включая проектирование трубопроводов из ВЧШГ, контроль, испытания, эксплуатацию, диагностику, ремонт. Все эти документы должны пройти экспертизу, и утверждены в установленном порядке.
3. Должно быть создано оборудование, позволяющее монтировать трубопроводы из ВЧШГ, ремонтировать в процессе строительства, сдачи в эксплуатацию, при эксплуатации. Оборудование также должно быть обеспечено соответствующей документацией, отвечать требованиям надёжности и безопасности.
4. Должны быть отработаны методические вопросы, связанные с обеспечением качества работ как при приемке труб и комплектующих, так и при монтаже и эксплуатации трубопроводов. Решения по этим вопросам должны найти отражение в разрабатываемой нормативной базе.
