Структурные факторы коррозионной стойкости сталей для нефтепромысловых трубопроводов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.01, кандидат технических наук Эндель, Наталья Иосифовна

• Эндель, Наталья Иосифовна
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Эндель, Наталья Иосифовна

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Механизмы коррозионных повреждений нефтепромыслового оборудования

1.1.1 Основные виды коррозионных повреждений

1.1.2 Механизмы общей коррозии внутренней поверхности трубопроводов

1.1.3 Механизмы локальной коррозии нефтедобывающего оборудования

1.1.4 Механизмы коррозионного растрескивания промысловых нефтепроводов

1.1.5 Коррозионная усталость трубопроводов 18'

1.1.6 Коррозионная кавитация

1.1.7 Коррозионная эрозия

1.1.8 Влияние химического состава среды на коррозионную стойкость стали

1.2 Влияние химического состава, микроструктуры, чистоты стали по неметаллическим включениям на ее коррозионную стойкость

1.2.1 Влияние химического состава стали на ее коррозионную стойкость

1.2.2 Влияние микроструктуры на коррозионную стойкость стали

1.2.3 Влияние неметаллических включений на коррозионную стойкость стали

1.2.4 Механизмы влияния КАНВ на коррозионные процессы

1.2.4.1 Возможности ускорения коррозионных процессов в присутствии КАНВ из-за измененного напряженно-деформированного состояния матрицы во круг включений

1.2.4.2 Влияние химического состава КАНВ и зон вокруг них на ускорение коррозионных процессов 33 1.2.4.3. Возможности реализации нетрадиционных схем транспорта кислорода в присутствии КАНВ 34 1.2.4.4 Механизмы ускорения коррозионных процессов в присутствии КАНВ

1.2.5 Пути повышения стойкости стали против коррозионно-механического разрушения

1.3 Методы исследования неметаллических включений

1.4 Методы коррозионных испытаний углеродистых и низколегированных сталей

1.4.1 Общеметодологические подходы к оценке коррозионной стойкости металлов и сплавов

1.4.2 Система показателей коррозионной стойкости к локальным видам коррозии сталей

1.4.3 Обзор нормативной базы в области стандартизации коррозионных испытаний металлов и сплавов

1.4.4 Сравнительная характеристика методов коррозионных испытаний углеродистых и низколегированных сталей 1.5 Постановка задачи исследования

2 МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Материал для исследования

2.2 Методы оценки коррозионной стойкости стали

2.3 Методы исследования неметаллических включений, в том числе, КАНВ, их состава, свойств и морфологии

2.4 Электрохимические методы исследования

2.5 Металлографическое выявление структуры стали и определение ее параметров, в том числе, при помощи автоматических средств

2.6 Термокинетический анализ различных форм водорода

3 АНАЛИЗ ФАКТОРОВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ КОРРОЗИОННУЮ СТОЙКОСТЬ УГЛЕРОДИСТЫХ И НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ В УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ НЕФТЕПРОМЫСЛОВЫХ ТРУБОПРОВОДОВ, ТРАНСПОРТИРУЮЩИХ СРЕДЫ, НЕ СОДЕРЖАЩИЕ СЕРОВОДОРОД

3.1 Комплексные исследования образцов от разрушенных участков нефтепромысловых трубопроводов с различным сроком эксплуатации

3.2 Проведение динамических лабораторных коррозионных испытаний в средах, не содержащих сероводород

4 ПРОМЫСЛОВЫЕ ИСПЫТАНИЯ В УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ НЕФТЕПРОМЫСЛОВЫХ ТРУБОПРОВОДОВ, ТРАНСПОРТИРУЮЩИХ СРЕДЫ, НЕ СОДЕРЖАЩИЕ СЕРОВОДОРОД

4.1 Результаты длительных промысловых испытаний образцов в байпасном участке нефтепромыслового -трубопровода Западной Сибири

4.2 Результаты кратковременных промысловых испытания в средах, не содержащих сероводород

4.2.1 Промысловые испытания в течение 1 месяца вдействугоидах трубопроводах Западной Сибири с умеренно жесткими условиями эксплуатации

4.2.2 Промысловые коррозионные испытания в течение двух недель в действующем трубопроводе с жесткими условиями эксплуатации

4.2.2.1 Сравнительные испытания образцов разных марок сталей в различные периоды времени

4.2.2.2 Влияние химического состава стали типа 20-КСХ на коррозионную стойкость (по результатам промысловых испытаний)

4.2.2.3 Оценка возможности повышения допустимого значения

КАНВ до 3-4 шт./мм

5 ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ СТОЙКОСТЬ СТАЛЕЙ ПРОТИВ ЛОКАЛЬНОЙ КОРРОЗИИ В НЕФТЕПРОМЫСЛОВЫХ СРЕДАХ, СОДЕРЖАЩИХ СЕРОВОДОРОД

5.1 Лабораторные коррозионные испытания в средах, содержащих сероводород

5.1.1 Статические лабораторные коррозионные испытания в средах, содержащих сероводород

5.1.2 Лабораторные методы испытаний в соответствии с ГОСТ 9.506-87 95 5.3 Промысловые коррозионные испытания в средах содержащих сероводород

5.3.1 Промысловые коррозионные испытания на промыслах

ОАО «Самаранефтегаз»

5.3.2 Промысловые коррозионные испытания в условиях Усинского месторождения (АО Коми)

6 РАЗРАБОТКА И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ КОРРОЗИОННОЙ СТОЙКОСТИ СТАЛЕЙ ДЛЯ НЕФТЕПРОМЫСЛОВЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

6.1 Преимущества и недостатки существующих методов оценки коррозионной стойкости сталей для нефтепромысловых трубопроводов

6.2 Возможности использования электрохимических методов для оценки коррозионной стойкости трубных сталей

6.3 Опробование методики оценки стойкости стали против локальной коррозии СТО 00190242-001-2008 на образцах проката для электросварных труб из стали различных марок

6.4 Разработка электрохимических методов выявления неблагоприятных типов неметаллических включений и структурных составляющих, отрицательно влияющих на коррозионную стойкость стали

7 ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ КОРРОЗИОННУЮ СТОЙКОСТЬ И ЭКСПЛУАТАЦИОННУЮ НАДЕЖНОСТЬ СОЕДИНИТЕЛЬНЫХ

ДЕТАЛЕЙ НЕФТЕПРОМЫСЛОВЫХ ТРУБОПРОВОДОВ •

ВЫВОДЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Структурные факторы коррозионной стойкости сталей для нефтепромысловых трубопроводов»

Актуальность проблемы.

Основной причиной многочисленных аварий нефтепромысловых трубопроводов является коррозия внутренней поверхности. Из-за высокой обводненности транспортируемых сред, содержания в них агрессивных компонентов — ионов хлора, углекислого газа, сероводорода механизмы коррозионных повреждений, в отличие от характерных для магистральных газо- и нефтепроводов, электрохимические. Повышенная аварийность нефтепромысловых трубопроводных систем при полном соответствии стали требованиям существующих нормативных документов, свидетельствует о том, что эти требования, а также методы испытаний стали, недостаточны для обеспечения требуемой коррозионной стойкости и эксплуатационной надежности. Поэтому актуальна разработка дополнительных требований к сталям и методам их испытаний для повышения коррозионной стойкости и ресурса эксплуатации нефтепромысловых трубопроводов, экологической безопасности нефтедобычи.

Цель и задачи исследования.

Цель настоящей работы состояла в установлении закономерностей влияния химического состава и структурного состояния на коррозионную стойкость сталей для нефтепромысловых трубопроводов, обосновании и разработке требований к сталям повышенной коррозионной стойкости и методов ее оценки.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- исследовать влияние химического состава, характеристик микроструктуры и загрязненности неметаллическими включениями разных типов на коррозионную стойкость углеродистых и низколегированных сталей в нефтепромысловых средах;

- разработать методы оценки коррозионной стойкости сталей при аттестации металлопродукции, адекватно прогнозирующие эксплуатационную надежность нефтепромысловых трубопроводов;

- разработать технические требования к трубным сталям повышенной коррозионной стойкости и эксплуатационной надежности, в том числе по химическому составу, микроструктуре, чистоте по неметаллическим включениям и примесям;

- провести сравнительную оценку коррозионной стойкости образцов проката и труб из стали, удовлетворяющей разработанным требованиям, и металлопродукции текущего производства.

Научная новизна.

В результате проведенных исследований получены следующие новые результаты:

1. Установлено, что в нефтепромысловых средах, не содержащих сероводород, основными факторами аномального ускорения локальной коррозии углеродистых ис низколегированных сталей с феррито-перлитной структурой являются: присутствие в стали коррозионно-активных неметаллических включений (КАНВ), имеющих средние размеры 1 -5 мкм, содержащих кальций в виде оксидной или сульфидной составляющей, в количестве более 2 включений на 1 мм2 площади микрошлифа; микроструктурная полосчатость более 2 балла и наноразмерные карбонитридные выделения, вызывающие дисперсионное твердение.

К повышению коррозионной стойкости стали типа 20 приводит снижение содержания углерода о г 0,20 до 0,15 % и кремния до 0,2 % и менее, а также присутствие в стали хрома, никеля и меди в количестве 0,1-0,3 %.

2. Показано, что в нефтепромысловых средах, содержащих сероводород, основной причиной ускорения коррозионных процессов является присутствие в сталш ^модифицированных включений сульфида марганца. Для предупреждения их присутствия в стали требуется ограничение содержания серы - не более 0,005 % и произведения [Mn] х [S] - не более 0,003- 0,005 и/или модифицирование сульфидных включений присадками РЗМ, при*- ограничении модифицирования кальцием, обеспечивающее содержание КАНВ - не более 2 вкл/мм2.

3. Разработаны методы испытаний для оценки коррозионной стойкости в условиях: эксплуатации нефтепромысловых трубопроводов. Определены.состав испытательной среды, диапазоны значений потенциалов, в очаге коррозии в реальных условиях эксплуатации, оптимальные скорости изменения потенциала в процессе испытаний для полной реализации коррозионных процессов, связанных с присутствием неблагоприятных включений и: состоянием матрицы (от появления очага коррозии до активации матрицы вокруг неметаллических включений), критерии коррозионной стойкости, прогнозирующие реальную скорость коррозии при эксплуатации.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

1. Разработаны технические требования к стали и трубам, а также к соединительным деталям повышенной коррозионной стойкости для нефтепромысловых трубопроводов, которые легли в основу новых нормативно-технических документов (технических условий) на металлопродукцию, в том числе, согласованных с Госгортехнадзором РФ.

2. В соответствии с разработанными требованиями в ОАО «Северсталь» выпущено более 42 тыс. т проката из стали 20-КСХ (сталь 20 - коррозионностойкая и хладостойкая).

3. Разработаны новые методы оценки стойкости стали против локальной коррозии, которые можно использовать для аттестации металлопродукции, а также для дальнейшего повышения эксплуатационной надежности нефтепромысловых трубопроводов.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Обоснование определяющего влияния на коррозионную стойкость сталей в условиях эксплуатации нефтепромысловых трубопроводов загрязненности стали неметаллическими включениями, в том числе, коррозионно-активными (КАНВ), химического состава стали, характеристик микроструктуры.

2. Обоснование оптимального химического состава и допустимого уровня , загрязненности углеродистых и низколегированных сталей неметаллическими включениями, в том числе коррозионно-активными, для обеспечения высокой коррозионной стойкости в условиях эксплуатации нефтепромысловых трубопроводов.

3. Требования к аттестационным и исследовательским методам оценки коррозионной стойкости стали. Обоснование преимуществ электрохимических методов оценки стойкости стали против локальной коррозии.

Заключение диссертации по теме «Металловедение и термическая обработка металлов», Эндель, Наталья Иосифовна

Выводы

1. По результатам исследования химического состава, микроструктуры, загрязненности неметаллическими включениями образцов стали от разрушенных участков нефтепромысловых трубопроводов, комплексных коррозионных испытаний; в промыс-ловых и лабораторных условиях, установлены основные факторы, определяющие коррозионную стойкость, стали в рассматриваемых средах. Показано, что для нефтепромысловых трубопроводов, транспортирующих водные среды, не содержащие сероводород, основным структурным, фактором, определяющим коррозионную стойкость стали, является ее чистота по коррози-онно-активным неметаллическим включениям (КАНВ).

2. Разработаны^ требования к стали повышенной стойкости против различных видов коррозионного и коррозионно-механического разрушения, применяемой • для« изготовления; труб- й соединительных .деталей. Для нефтепромысловых трубопроводов Западной Сибири (транспортирующих водные среды, не содержащие сероводород) плотность КАНВ не должна превышать 2 вкл/мм2 площади микрошлифа: При обеспечении чистоты по КАНВ к повышению коррозионной стойкости приводит' снижение содержания углерода от 0,20 до 0,15% и кремния до 0,8% и менее, а также присутствие в стали хрома, никеля и меди в количестве 0,1-0,3%. ':■•'■ Л- ■ . ; '''■■.',■''.■.'

3. .В нефтепромысловых средах, содержащих сероводород, основным условием высокой коррозионной» стойкости является чистота стали - по ^модифицированным сульфидам марганца: Это достигается ограничением содержания серы - не более 0,005%. и произведения [Мп]х[8] - не более. 0,003- 0,005, а также модифицированием сульфидных; включений присадками с;участием. РЗМ, при ограничении модифициро-вания кальцием; обеспечивающем-: содержание КАНВ - не более 2*вкл/мм2, а также легирование стали хромом.

4. Разработаны^ электрохимические: методы, оценки стойкости стали против, локальной коррозии. Результаты оценки влияния химического состава стали, ее микроструктуры, загрязненности неметаллическими включениями: (в том числе КАНВ) хо-рошо коррелируют с реальным поведением-сталей? в условиях эксплуатации нефте-промысловых трубопроводов. Методы могут применяться- для аттестации, мсталло-продующи и в; целях дальнейшего повышения эксплуатационной надежности стали нефтепромысловых; трубопроводов. " ■

5. Для разрушения прямолинейных участков нефтепромысловых трубопроводов основную опасность представляет локальная коррозия. Соединительные детали подвержены также водородному растрескиванию (ВР), сульфидному коррозионному растрескиванию под напряжением (СКРН), коррозионной кавитации и эрозии от нарушений стабильности потока, более интенсивного механического воздействия компонентов среды на внутреннюю поверхность детали. Для повышения стойкости соединительных деталей следует использовать стали, чистые по КАНВ и по наноразмерным частицам карбидов ванадия и/или ниобия, стойкие против ВР и СКРН, а сами детали после их изготовления подвергать дополнительной термической обработке для снятия напряжений.

6. Разработанные технические требования к стали и трубам, а также к соединительным деталям для нефтепромысловых трубопроводов легли в основу новых нормативно-технических документов (технических условий) на металлопродукцию повышенной коррозионной стойкости: ТУ 14-1-5491-2004 «Трубы стальные электросварные прямошовные неф-тегазопроводные повышенной стойкости против локальной коррозии. Опытная партия» и изменение №2 к ним от 01.01. 2011 г., ТУ 14-1-5598-2010 «Детали трубопроводов стальные соединительные приварные с повышенной коррозионной стойкостью и хладостойкостью». В соответствии с разработанными требованиями в ОАО «Северсталь» выпущено более 42 тыс. . т проката из стали 20-КСХ (сталь 20 - коррозионностойкая и хладостойкая).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Эндель, Наталья Иосифовна, 2011 год

1. Гоник A.A. Коррозия нефтепромыслового оборудования и меры ее предупреждения / A.A. Гоник. М.: Недра, 1976: - 192 с.

2. Улиг Г.Г. Коррозия и борьба с ней. Введение в• коррозионную науку и технику;/ Г.Г. Улиг, Р.У-. Реви.-Л.: «Химия», 1989.-455 с. '. ; /

3. Маняхина Т.И. Современное, состояние защиты нефтерезервуаров от коррозии : обзорная информация.-; сер;«Борьбах коррозиейш?защита окружающей: среды»?/

4. Т.И. Маняхина,А.М.Ефимова, Е.Я. Люблинский. -М. : ВНИИОЭНГ, 1986. Вып. 3(55).-47 с. , : ^ / ' : ' '''

5. RiM. Oriniston; М;С. Luce/ S^face Processing: of Carbon; Dioxide in EÖR projects. // Journal of Petroleum Technology. • 1986. Vol. 38. - №9. - pp. 823-828.

6. Усиление борьбы с коррозией в сборных трубопроводных системах. Защита от коррозии и охрана окружающей среды, 1995, N6-7, с.32-34. ;

7. Жук Н.П. Курс теории коррозии- и защиты- металлов / Н.П. Жук. М: : • Металлургия, .1976. - 476 с. " •

8. Медведев А.П: Об усиленной коррозии трубопроводов систем сбора нефти / А.П. Медведев, А.Н. Маркин // Нефтяное хозяйство. 1995. - №11. - С. 56 - 59.

9. Гоник А.А. Причины и механизм локальной коррозии< внутренней; поверхности нефтесборных трубопроводов на месторождениях Западной Сибири / А.А. Гоник, Корнилов Г.Г.//Защита металлов. 1999: - т. 35. - №1.- С. 83 - 87.

10. Бекбаулиева А.А. Совершенствование методов и . технических средств защиты промысловых нефтепроводов'от внутренней коррозии/ :. автореф. дис . канд: технич. наук /А.А. Бекбаулиева Уфа : ГУГ1 «ИПТЭР», 2010. -24 с.

11. Зайцев;Ю.В1 Механика разрушения для строителей / Ю.В: Зайцев; — Ml : Высшая школа, 1991.-288 е. . . " .

12. Кушнаренко Е.В. Повышение безопасности эксплуатации- трубопроводов сероводородсодержащих месторождений: автореф. канд. тех,, наук* / Е;В; Кушнаренко. Уфа : ОГУ, 2008. - 22 с. ,

13. Badmos A.Y. Corrosion Petroleum Pipelines / A.Y. Badmos, H.A. Ajimotokan, E.O. Emmanuel //New York Science Journal; -.2009; №2 (5). - pp. 36 - 40.

14. Foroulis Z.A. Causes, mechanisms and prevention of internal corrosion in storage tanks for crude oil and distillates / Z.A. Foroulis // Anti-Corrosion Methods and Materials. -1981.-Vol. 28.-№9.- pp. 4-9.

15. Kadry S. Corrosion Analysis of Stainless Steel / S. Kadry // European Journal of Scientific Research. 2008. - Vol. 22. - No.4. - pp. 508 - 516.

16. Uhlig H.H. Corrosion and corrosion'control : An introduction to corrosion science and engeneering : 4-th ed. / H.H. Uhlig, R.W. Revie. — New York : John Wiley and Sons, 1985.-514 p.

17. Liu Z.Y. Electrochemical state conversion model for occurrence of pitting corrosion on a cathodically polarized carbon;steel in a near-neutral pH solution / Z.Y. Liu, X.G. Li, Y.F. Cheng // Electrochimica Acta. 2011. - №56. - pp. 4167 - 4175.

18. Абабков B.T., Харчевников В.П., Литвиненко Д:А. Производство, свойства и применение атмосферостойких сталей. Сталь, 1978, №11, с. 1042-1046

19. Гудремон Э.А. Специальные стали : кн. в 2'т. Т.1. / Э.А. Гудремон. М. : Металлургия, 1966. - 734 с. <

20. Гудремон Э.А. Специальные стали : кн. в; 2' т. Т.2. / Э.А. Гудремон. М.: Металлургия, 1966. - 540 с.

21. Murakami Muneyoshi Development of High Strength UOE Pipe with Superior C02 Corrosion Resistance / Murakami Muneyoshi, etc. // Kawasaki Steel Giho. 1992. - Vol. 24.-№4.-pp. 307-313.

22. Propperliny P., Stilaltun Y.M., Rivereau J.M., Linke C. Influence of chromium addition up to 1% on weighloss corrosion of line pipe steels in wet CO2 envirments. The Eurupean Corrosion Congress EVROCORR-97, Trondheim, Norway, 1997,' pp.61-67.

23. Материалы конференции «Производство труб нефтяного сортамента повышенной эксплуатационной надежности», г. Волжский, 21-22 октябрь, 1997г

24. Ikeda A., Veda MI, Murai S. СОг-behavior of Carbon and Cr Steels. Advances in CO2-corrosion // NACE. 1984. - pp. 52-64.

25. Tobler W.J. Influence of molybdenum species of pitting corrosion of stainless steels: dissertation for the degree of Doctor of Technical sciences / W.J. Tobler. Zurich : Swiss Federal Institute of Technology, 2004. - 215 p.

26. Авторское свидетельство 1-11706 от 27.02.89 г., Япония

27. Калмыков В.В. Влияние структурных особенностей конструкционной стали на ее коррозию в 3% растворе NaCl при переменном погружении / В.В. Калмыков, В.Г. Раздобрев // Защита металлов. 1999. - т. 35. - №6. - С. 660 - 662.

28. Xue Н.В. Characterization of microstructure of Х80 pipeline steel and its correlation with hydrogen-induced cracking / H.B. Xue, Y.F. Cheng // Corrosion Science. 2011. - №53. -pp. 1201 -12081

29. Котельников Г.И'. Расчетная оценка коррозионной активности неметаллических включений в трубной стали / Г.И. Котельников, Д.А. Мовенко, K.JI. Косырев, P.C. Кулиш, С.А. Мотренко, А.В. Стонога // Электрометаллургия. 2011. - №2. - С. 36

30. Родионова И.Г. О роли неметаллических включений в ускорении процессов локальной коррозии нефтепромысловых трубопроводов из углеродистых и низколегированных сталей / И.Г. Родионова, О.Н. Бакланова, А.И. Зайцев // Металлы. 2004. - №5. - С. 13 - 18.

31. Филиппов Г.А. Взаимодействие дефектов структуры и деградация свойств конструкционных материалов / Г.А. Филиппов, О.В. Ливанова // Материаловедение. 2002. - №10. - С.17 - 21.

32. Плешивцев В.Г. Факторы, влияющие на эксплуатационную надежность трубопроводов / В.Г. Плешивцев, Ю.А. Пак, Г.А. Филиппов и др. // Деформация и разрушение. -2007. -№1.- С. 6- 11.

33. Колотыркин Я.М. Роль неметаллических включений в коррозионных процессах / Я.М. Колотыркин, Л.И. Фрейман // Коррозия и защита от коррозии. Сер. Итоги науки и техники. М.: ВНИИТИ, 1978. - №6. - С .3 - 52.