Содержание к диссертации
Введение
1 Проблемы обеспечения безопасности нефтегазового оборудования и трубопроводов в условиях действия сероводородсодержащих сред 11
1.1 Основные причины интенсификации разрушений, обусловленных действием сероводородсодержащих рабочих сред 11
1.2 Основные критерии оценки сопротивления металла водородному охрупчиванию под воздействием наводораживающих рабочих сред 28
1.3 Методы повышения работоспособности нефтегазового оборудования и трубопроводов, работающих в условиях действия наводораживающих сред 33
Выводы по главе 1 43
2 Исследование закономерностей влияния сероводородсодержащих сред на характеристики безопасности нефтегазового оборудования и трубопроводов 44
2.1 Современные критерии оценки стойкости к сероводородному воздействию конструктивных элементов действующего оборудования и трубопроводов нефтегазовых объектов 44
2.2 Особенности испытаний элементов оборудования и трубопроводов на стойкость к коррозионно-механическому растрескиванию 53
2.3 Влияние наводораживающих сред на механические характеристики сталей 75
2.4 Физико-механические характеристики взаимодействия водорода со сталями 101
2.5 Основные закономерности изменения механических характеристик сталей под действием водорода 120
2.6 Диаграммы водородно-механического растрескивания 136
Выводы по главе 2 141
3 Исследование механических факторов охрупчивания металла низколегированных и малоуглеродистых сталей 142
3.1 Влияние жесткости напряженного состояния металла на процессы его охрупчивания 142
3.2 Исследование процессов мехшпіческого охрупчивания и старения малоуглеродистых и низколегированных сталей 156
Выводы по главе 3 168
4 Прогнозирование скорости роста коррозионно-механических трещин в элем ентах оборудования и трубопроводов 169
4.1 Явление усталостной повреждаемости 170
4.2 Кинетика развития усталостных трещин 180
4.3 Особенности развития трещин в условиях усталости с учетом действия рабочих сред 200
4.4 Оценка скорости развития коррозионно-механических трещин по критериям механохимической повреждаемости 214
Выводы по главе 4 224
5 Повышение безопасности нефтегазового оборудования и трубопроводов, при воздействии сероводородсодержащих сред 225
5.1 Система коррозионного мониторинга нефтепромыслового оборудования и трубопроводов 225
5.2 Обеспечение безопасности эксплуатации нефтегазового оборудования и трубопроводов регламентацией остаточного ресурса 254
5.3 Эффективность испытаний нефтегазового оборудования и трубопроводов повышенным давлением 273
5.4 Применение накладных усилительных элементов 277
5.5 Повышение безопасности эксплуатации нефтегазового оборудования и трубопроводов применением ингибиторов коррозии 285
Выводы по главе 5 304
Основные выводы и рекомендации 305
Библиографический список использованной литературы
- Основные критерии оценки сопротивления металла водородному охрупчиванию под воздействием наводораживающих рабочих сред
- Современные критерии оценки стойкости к сероводородному воздействию конструктивных элементов действующего оборудования и трубопроводов нефтегазовых объектов
- Исследование процессов мехшпіческого охрупчивания и старения малоуглеродистых и низколегированных сталей
- Особенности развития трещин в условиях усталости с учетом действия рабочих сред
Введение к работе
Обеспечение безопасности эксплуатации нефтегазового оборудования и трубопроводов в последние годы становится все более актуальным. Это обусловлено интенсификацией процессов добычи нефти и газа, их переработки и определенными изменениями сырьевой базы. Как интенсификация технологических процессов, определяющая увеличение рабочих давлений, температурных колебаний, и высокая коррозионная активность среды, так и изменение химического состава перерабатываемого продукта ухудшают условия эксплуатации нефтегазового оборудования и трубопроводов и приводят к значительному снижению их безопасности.
Основные критерии оценки сопротивления металла водородному охрупчиванию под воздействием наводораживающих рабочих сред
Принципиальные особенности основных методов определения долговременной прочности сталей под воздействием растягивающих напряжений и сред подробно изложены в работах [112, 144-147].
В работе [69] склонность к водородному охрупчиванию определяли по критической прочности металла, при достижении которой чувствительность стали к этому виду охрупчивания резко возрастает. Установлено, что испытания при постоянной нагрузке более жесткие в сравнении с динамическим нагружением. Однако эта характеристика не является абсолютной и помимо состояния стали и условий наводораживания зависит в значительной степени от формы испытуемого образца. Автором работы [4] предложен новый тип образца для испытаний, позволяющий определить не только максимально допустимые напряжения при наводораживанни в определенных условиях, но и рассчитать минимальные напряжения, при которых образуются первые зародышевые трещины водородного растрескивания. За счет изменения диаметра по длине образца при нагружении происходит продольное распределение напряжений с отношением наибольших значений к наименьшим 1,85. После испытаний в наводорожившощей среде до разрушения образец разрезается вдоль для обнаружения трещин, зародившихся при более низких напряжениях, чем максимальные напряжения, обусловивших его разрушение по наименьшему сечению.
Для изучения процессов внутреннего водородного расслаивания, растрескивания и сопровождающего их пузырения используется методика, основанная на одностороннем наводораживанни плоского образца размерами 200 х 20S мм (S - толщина образца), помещенного в приспособление, обеспечивающее заданную деформацию его. Электролитические ячейки для наводораживания (фторопластовые ячейки позволяют использовать растворы, содержащие сероводород) помещаются непосредственно на испытуемом образце на участке равномерной деформации с обеих его сторон.
Конструкция установки позволяет производить наводораживание с одной стороны образца и одновременно с двух его сторон, испытывать образец без наружных напряжений и с приложенными внешними напряжениями растяжения и сжатия. Испытания образцов низколегированных сталей при наводораживанни данным методом закономерно приводили к формированию специфических дефектов расслаивания, растрескивания и пузырения, аналогичных наблюдаемым в металле оборудования, эксплуатируемого в средах, реализующих эти виды разрушения. Методика удобна для оценки влияния структурных параметров, природы неметаллических включений и напряженного состояния на все основные виды водородного растрескивания.
При обосновании состава стали для оборудования, подвергаемого воздействию водорода в процессе эксплуатации, так же как и при уточнении отдельных технологических процессов (термической обработки, сварки, холодной и горячей деформаций и пр.), важно правильно выбрать критерий, объективно характеризующий поведение материала в производственных условиях по результатам лабораторных испытаний.
Рассматривая проблемы, возникающие при эксплуатации конструкционных сталей в наводораживающих средах [144], показано, что выбор единого критерия оценки надежности затруднен, прежде всего, из-за сложности и неоднородности процессов водородного разрушения металла. В работе проведено исследование широкой группы свариваемых стали, характеризуемых гаммой микроструктур: феррито-перлитной, феррито-бейнитной и бейнитной, с применением различных методов испытания при катодной поляризации образцов и в газообразном водороде.
Вопреки распространенному мнению о том, что водородное охрупчивание сталей непосредственно зависит от их механических характеристик, авторы установили, что для свариваемых конструкционных сталей с пределом прочности от 30 до 100 кгс/мм нет явной зависимости между этими параметрами. Ограничением только механических характеристик (и установлением какого-то одного верхнего предела на твердость, например HRC 22) не обеспечивается надежная эксплуатация сварных сосудов в наводороживающих средах.
Современные критерии оценки стойкости к сероводородному воздействию конструктивных элементов действующего оборудования и трубопроводов нефтегазовых объектов
После газоотделителя газ направляется на факел, а конденсат с водой — в амбар для сжигания. Газ IV ступени сепарации поступает непосредственно на факел.
В состав установки «Порта-Тест» входят три дозировочные установки для подачи химических реагентов. С помощью первого насоса осуществляют ввод ингибитора в две точки: в нефтяную линию на входе в сепаратор первой ступени и в газовую линию на выходе из сепаратора первой ступени. Второй насос подает раствор ингибитора в дренажную линию на выходе из сепаратора третьей ступени, третий производит ввод ингибитора в конденсат и воду на выходе из газоотделителя.
Аппараты установки изготовлены из стали SA 516-70N состава: С — 0,25 %; Мп - 1,13 %; Si - 0,10 %; Р - 0,015 %; S - 0,014 %, легированной редкоземельными металлами. Предел текучести - 340 МПа, предел прочности - 560 МПа. Отечественным аналогом этой стали по механическим свойствам является сталь 16ГС. Трубопроводы изготовлены из стали SA 333-6 состава: С - 0,30 %; Мп - 1,06 %; Si - 0,10 %; Р - 0,048 %; S - 0,058 %, имеющей предел текучести 350 МПа, предел прочности -600 МПа. Отечественный аналог по механическим свойствам - сталь 10Г2.
Данные о рабочих давлениях и температуре, а также парциальном давлении сероводорода по ступеням сепарации при исследовании разведочных скважин приведены в таблице 2.1.
Температурный интервал 35...64 С работы установки «Порта-Тест» является опасным, так как наиболее интенсивно процессы сероводородного коррозионного растрескивания и общей сероводородной коррозии протекают в интервале температур 20...60 С.
Применение сталей, стойких к сероводородному растрескиванию в нефтяных и газовых средах, термообработка аппаратов и сварных швов, предусмотренный трехкратный запас прочности и 100 % контроль оборудования должны были обеспечить предотвращение внезапного разрушения аппаратов и трубопроводов. В этих условиях ставилась задача защиты сепарационной установки от общей и местной коррозии.
Как отмечено в работах [89, 196], углеродистые и низколегированные стали во влажном нефтяном газе подвергаются значительной общей коррозии при скорости 0,5...2,0 мм/год. На установке с вращающимся цилиндрическим образцом исследована общая коррозия стали 20 в нефти месторождения «Тенгиз», разгазированной при 0,1 МПа и 20 С [23]. Установлена зависимость скорости коррозии от числа Рейнольдса, что свидетельствует о том, что коррозионный процесс протекает с транспортным ограничением. При переходе от ламинарного режима течения к турбулентному коррозионные потери значительно возрастают. Поскольку при полном отсутствии воды сероводород в жидких углеводородах не вызывает коррозию стали, увеличение коррозионных потерь объясняется интенсификацией подвода воды и сероводорода к поверхности металла при снижении толщины диффузионного слоя. В экспериментах скорость коррозии возрастала от 0,5 до 2,0 г/(м -ч) при увеличении числа Рейнольдса от ЗіО3 до 4І04.
Для защиты сепарационных емкостей и нефтяных линий при исследовании большинства скважин применялся ингибитор коррозии «Север-1» при концентрациях до 500 г/м3, для защиты газопроводов -ингибитор «ИФХАНГАЗ-1» при удельных расходах до 50 г/1000 м3 газа.
Образцы для коррозионных испытаний устанавливали в штатных контрольных пунктах на каждой ступени сепарации. Обводненность нефти, поступающей из разведочных скважин, не превышала 0,1 %.
Из приведенных данных следует, что в эксплуатационных условиях скорость коррозии достигает 0,4 мм/год даже при ингибировании нефтей с содержанием воды, находящимся в рамках ТУ на подготовленную нефть (0,1 %), и не исключается местная коррозия несмотря на низкую обводненность нефти.
В 1995-1996 гг. ИПТЭР выполнил работу по оценке степени опасности внутренней коррозии магистральных нефтепроводов (МН) России на основании статистического анализа данных внутритрубного обследования линейной части (ЛЧ) ряда МН диагностическими снарядами типа «Ультраскан» [134]. Хотя среди обследованных МН не было таких, по которым перекачивается нефть с содержанием H2S до 10 мг/дм3 (что, согласно ТУ, допустимо для нефти Тенгизского месторождения), полученные результаты можно принять за исходную базу для оценки основных закономерностей и опасности внутренней коррозии МН на участке Тенгиз — Атырау.
В целом, внутренняя коррозия ЛЧ характеризуется показателями таблицы 2.3, в которой Птах - максимальная скорость коррозии в среднем за период эксплуатации, а количество коррозионных дефектов глубиной более 1 мм, приходящееся на 100 км трубопровода (плотность), приведено с округлением до десятков.
Исследование процессов мехшпіческого охрупчивания и старения малоуглеродистых и низколегированных сталей
При одновременном воздействии на металл коррозионной среды и механических напряжений (внутренних или внешних) коррозионные процессы активизируются, так как эти напряжения понижают термодинамическую устойчивость металла и нарушают сплошность защитных пленок.
В [13, 216, 219] коррозионное растрескивание определяют как хрупкое (без пластической деформации) разрушение металла, происходящее при совместном воздействии коррозионной среды и длительных статических (растягивающих) напряжений, меньших предела текучести.
Коррозионное растрескивание металлов во влажной сероводородсодержащей среде называют сероводородным коррозионным растрескиванием под напряжением. СР [212, 208-213] зависит от комплексного влияния различных факторов, к которым относятся концентрация сероводорода и общее давление в системе; водородный показатель (рН) коррозионной среды; химический состав металла, предел его прочности, термообработка и микроструктура; величина полного растягивающего напряжения в металле; температура; время воздействия коррозионной среды и т. д.
Проблема выбора материалов, стойких к СР, во многом решена. Знания и опыт по этому вопросу обобщены в стандарте Национальной ассоциации инженеров-коррозионистов (NACE) MR 0175-90 и др. [203-204, 214, 218]. В стандартах определены граничные условия для газа, сырой нефти и многофазной (нефть, газ, вода) среды по содержанию сероводорода, общему давлению в системе, газовому фактору, превышение которых может вызвать СР сталей и сплавов, не стойких к этому виду разрушения.
В отечественных нормативных документах [158, 159] приняты ступенчатые классификации сероводородсодержащих сред: среды с низким, средним и высоким содержанием сероводорода [126] или категории в зависимости от парциального давления сероводорода и рН [131]. Такой подход дает больше возможностей при проектировании оборудования и трубопроводов для выбора материалов исходя из запаса прочности. Различные классификации сред, содержащих сероводород, представлены в таблице 2.5. Общим для всех классификаций является предел парциального давления сероводорода в газе, равный 300...350 Па, ниже которого незначительна вероятность СР обычных конструкционных сталей во влажном сероводородсодержащем газе, в жидкости, находящейся в равновесии с таким газом, или в жидкости, содержащей сероводород в концентрации, соответствующей его растворимости при указанном выше парциальном давлении [200-204].
Современные представления о механизме СР обобщены в [9, 13] и сводятся к следующему. Очагами зарождения микротрещин служат границы раздела матрица - неметаллическое включение и островки границ с плохим сопряжением кристаллических решеток смежных кристаллитов. Эти островки (каналы, вакансии) являются микрополостями-микроконцентраторами, в области которых под действием остаточных напряжений или внешних нагрузок возникает трехосное напряженное состояние. Водород проникает в металл в виде ионов, которые, попадая в микрополости через границы зерен и кристаллической решетки, захватывают из электронного облака металла электроны и превращаются в атомы, уменьшая прочность этих участков границ. По мере повышения концентрации атомов водород молизуется. Увеличение давления молизованного водорода в микрорасслоениях до критических значений и усугубляющее действие водорода, находящегося в областях трехосного напряженного состояния, приводят к активизации дислокационных процессов, микродеформациям и разрушению островков границ с хорошим сопряжением решеток смежных зерен. В дальнейшем процессы повторяются, вызывая рост и объединение микротрещин. Лабораторные испытания стальных образцов в среде NACE (водный раствор, содержащий 50 г/л хлористого натрия, 5 г/л уксусной кислоты и насыщенный сероводородом при давлении 0,1 МПа) показали, что в инкубационный период наблюдаются возникновение и рост нескольких микротрещин. При достижении одной из микротрещин определенного размера она становится лидирующей и перерастает в макротрещину. При наличии на образце поверхностного дефекта он локализует и активизирует процессы образования на границах зерен микронесплошностей, ускоряет наводораживание и инициирует зарождение одной из коррозионных микротрещин.
Испытания на стойкость к СР проводят, как правило, по стандарту NACE ТМ 01-77 [203], определяя пороговое напряжение (о Пор) в долях от предела текучести (сод) при продолжительности испытаний 720 ч в среде NACE. В отечественной практике известны и другие методики [49, 103]. Критериями оценки стойкости сталей к СР по этой методике служат приведенные величины относительного сужения, относительного удлинения, предела прочности и работы разрушения материала.
Водородным (водородиндуцированным) расслоением называют повреждение металла в виде расслоений, располагающихся в плоскости прокатки металла и возникающих во влажной сероводородсодержащей среде при отсутствии внешних напряжений [109]. Возникновение и развитие ВР связаны с проникновением в сталь водорода, образующегося в результате коррозии. Расслоения имеют вид щелей с раскрытием от сотых до десятых долей миллиметра. Их развитие происходит преимущественно по границам «неметаллические включения - матрица» вдоль проката. При этом формируется геометрическая структура ступенчатого вида. В процессе развития отдельные расслоения и области расслоений, расположенные на различных
Особенности развития трещин в условиях усталости с учетом действия рабочих сред
Условно при напряжениях С; сгт диаграмму растяжения делят на три области: легкого скольжения, деформационного упрочнения и динамического возврата.
Для стадии легкого скольжения характерны невысокая плотность, равномерность и высокая подвижность дислокаций и дислокационных структур. Поэтому на этой стадии деформирования отмечаются сравнительно невысокие значения сопротивления их движению со стороны других дислокаций, степени деформационного упрочнения и локальной перенапряженности металла. Пластическое течение преимущественно реализуется в результате перемещения дислокаций с их выходом на свободную поверхность образца и образованием новых плоскостей скольжения. Стадия легкого скольжения завершается реализацией равномерного распределения дислокаций. При этом скопления дислокаций окружены ячейками дислокаций. Отмеченные закономерности формирования дислокационных структур предопределяют сравнительно низкий уровень упругой энергии в областях кристалла. Подведенная извне энергия почти полностью расходуется на перемещение дислокаций - пластическую деформацию [100].
На стадии деформационного упрочнения упругая энергия значительно возрастает с ростом нагрузки. Это связано с ростом плотности дислокаций р и приращения сдвиговых напряжений Дт, необходимых для преодоления дислокационных барьеров.
Как известно, рост плотности дислокаций приводит к уменьшению длины пробега дислокаций 1/р. Другими словами, в процессе пластической деформации происходит изменение размерного параметра дислокационной структуры, определяющей её подвижность.
Таким образом, для второй стадии характерна высокая степень концентрации упругих напряжений, возникающих, как правило, в зонах стеснения деформаций и препятствий (например границы зерен, включений и др.). При этом диссипативная часть энергии может быть близкой к нулю.
Другими словами, в этих зонах аккумулируется вся энергия, подведенная извне. Наряду с этим, зоны стеснения деформаций характеризуются высокой жесткостью напряженного состояния, при которой девиатор напряжений стремится к нулю. Поэтому в них, как правило, зарождаются трещины. Кроме того, эти характерные зоны являются «ловушками» для примесных атомов (азот, углерод и др.). В результате в них происходит дополнительная аккумуляция упругой энергии, способствующая росту концентрации примесных атомов и химического потенциала.
Третья стадия деформации (динамического возврата) связана с разрушением дислокационных скоплений путем поперечного скольжения, выстраиванием их в полигональные и ячеистые сплетения с ослаблением упругих полей. В результате происходят деконцентрация упругих напряжений, аннигиляция дислокаций, и как следствие, снижение упругой энергии. Начало третьей стадии (динамического возврата, или параболического упрочнения) деформирования зависит от величины энергии дефектов упаковки. На этой стадии деформирования дислокации имеют возможность обходить различные препятствия по известному механизму поперечного скольжения винтовых компонент [100].
Коэффициент деформационного упрочнения на стадии динамического возврата снижается до нуля. При этом деформация становится неустойчивой (локализованной), нагрузка и условные напряжения, достигая максимума, начинают снижаться. На этой стадии деформации упругая энергии заметно уменьшается, и в ряде случаев она составляет всего 5 % от всей затрачиваемой энергии. Остальные 95 % энергии переходят в тепло. В результате происходят аннигиляция упругих полей дислокаций, снижение степени диффузионных процессов примесных атомов в дислокациях и механическое старение.
Таким образом, приведенные данные по кинетике изменения дислокационных структур при холодной деформации сталей позволяют констатировать экстремальный характер изменения степени концентрации локальных напряжений в зонах скопления упругих дислокаций перед различными препятствиями по мере роста общих пластических деформаций в интервале, изменяющемся от деформации текучести єт (єт = GJ/E, где ат — предел текучести; Е - модуль упругости) до предельной равномерной деформации ев. При степенной аппроксимации диаграммы растяжения (ah, = С є"н, где а;,, - истинные номинальные напряжения и деформации; С и п - константы прочности и упрочнения) величина БВ приблизительно равна коэффициенту деформационного упрочнения п (Єі8И п).
Эффект деформационного охрупчивания по физической сущности достаточно прост и оценивается разницей величин исходной пластичности (например относительного удлинения 5) и степени пластической деформации є0. Таким образом, деформационное охрупчивание снижает запас пластичности, повышает предел текучести тт и соотношение пределов текучести тт и прочности сгв (Ктв = (Ут/Сц). При этом предел прочности стали не изменяется, т.е. crBD0 = ав. Указанные закономерности изменения свойств стали после деформационного старения поддаются адекватной количественной оценке, например, в случае аппроксимации диаграммы растяжения степенной функцией. Для оценки деформационного охрупчивания введем параметр D0, представляющий собой отношение приращения какой-либо механической характеристики к ее исходной величине.
