Совершенствование метода испытаний на коррозионное растрескивание трубных сталей нефтегазового назначения в агрессивных газовых средах.

Актуальность работы и степень ее разработанности: Потребность в добыче углеводородных источников энергии в настоящее время необычайно высока во всем мире и в ближайшей перспективе будет постоянно нарастать. Российская Федерация обладает огромными запасами нефти и газа – к эксплуатируемым месторождениям добавляются вновь открытые. Для обеспечения добычи углеводородов необходимо создавать и использовать специальное добывающее оборудование, основную часть которого составляют стальные трубы различного назначения, большинство из которых изготовлены из низколегированных сталей. С учетом высокой коррозионной агрессивности перекачиваемого по трубам флюида, состоящего из нефти, водного потока (содержащего растворенные хлориды и сульфаты натрия, кальция, магния) и газовой фазы, в которую входят сероводород и углекислый газ, материал труб должен быть стойким к данным условиям. Анализ коррозионных процессов, в том числе коррозионного растрескивания в агрессивных средах трубопроводов нефтегазового назначения достаточно давно привлекает внимание многих ведущих ученых РФ и мира. Известно, что трубы должны иметь не только достаточную коррозионную стойкость и необходимую прочность, но и не подвергаться под действием агрессивных сред и механических нагрузок коррозионному растрескиванию, одному из наиболее опасных видов коррозионного воздействия. Эти вопросы подробно освещены в работах таких ученых и специалистов как Ю.Р. Эванс, Ажогин Ф.Ф., Гоник А.А., Кеше Г., Арчаков Ю.И., Иванов Е.С, Улиг Г.Г., Реви Р.У., Маркин А.Н., Низамов Р.Э., Хайдерсбах Р. И многих других. В их работах достаточно подробно описаны электрохимические и механические аспекты зарождения и развития коррозионной трещины в условиях внешнего воздействия агрессивной среды и механических напряжений, возникающих в ходе эксплуатации оборудования, методы защиты от коррозии. Однако, до настоящего времени вопросам аттестационных и сертификационных испытаний трубных материалов на стойкость против коррозионного растрескивания не уделялось достаточного внимания. В основном все испытания проводятся по методике, описанной в стандарте NACE TM 0177. Учитывая, что современное производство стремится к оптимизации сроков и стоимости продукции возникает необходимость совершенствования существующих или разработки новых методов испытаний материалов на склонность к коррозионному растрескиванию – менее затратных как с финансовой, так и временной точек зрения. Поэтому решенная в диссертационной работе проблема повышения качества и снижения сроков проведения испытаний трубной продукции нефтегазового назначения, в условиях воздействия агрессивных сред, за счет внедрения ускоренных методик испытаний, позволяющих сократить цикл изготовления труб, является важной и актуальной задачей.
Целью диссертационной работы является обеспечение качества испытаний трубных сталей нефтегазового назначения в условиях современных требований к их жизненному циклу.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: - разработать методику, позволяющую в сжатые сроки оценить склонность материалов труб нефтяного сортамента к коррозионному растрескиванию в водных растворах хлоридов в присутствии углекислого газа и сероводорода; - теоретически обосновать, разработать и экспериментально опробовать метод ускоренных испытаний на коррозионное растрескивание при растяжении образцов с медленной (постоянной) скоростью деформирования в присутствии сероводорода (SSC – sulfide stress cracking, сульфидное растрескивание под напряжением) и углекислого газа (SCC – stress corrosion cracking, коррозионное растрескивание под напряжением); - научно обосновать выбор критериев для определения склонности трубных сталей к коррозионному растрескиванию и подтвердить его при проведении испытаний в заданных условиях; - изучить характер и скорость коррозионных процессов, которые сопутствуют коррозионному растрескиванию сталей, при изменении температуры, рН, скорости движения коррозионной среды и концентрации углекислого газа и сероводорода; - определить чувствительность низколегированных трубных сталей к коррозионному растрескиванию в присутствии сероводорода и углекислого газа в зависимости от механических свойств стали и внешней среды с применением метода ускоренных испытаний; - провести сравнительные испытания трубных сталей на склонность к SSC (по методу А стандарта NACE TM-0177 и по разработанной методике) и сопоставить полученные результаты; - разработать и оформить в виде научно-технической документации методику ускоренных испытаний трубных сталей на склонность сульфидному коррозионному растрескиванию.
Научная новизна диссертационной работы: - разработана модель ускоренных испытаний трубных сталей нефтегазового назначения на коррозионное растрескивание в агрессивных газовых средах, основанная на динамическом нагружении образцов; - определены параметры ускоренных испытаний трубных сталей, которые позволяют обеспечить качество ускоренных испытаний на коррозионное растрескивание, за счет установления допустимых значений динамического нагружения, температуры и характеристик агрессивной газовой среды; - установлены критерии определения склонности трубных сталей к коррозионному растрескиванию, включающие прочностные и пластические свойства сталей, в зависимости от их группы прочности.
Методология и методы исследования. Данная диссертационная работа основывается на теоретическом и эмпирическом исследовании с использованием следующих методов и теорий: металлографии, фрактографии, электрохимии, методов анализа коррозионной стойкости металлов в газонасыщенных средах, методов концептуализации и интерпретации данных.
Практическая значимость результатов работы: - разработана методика ускоренных испытаний трубных сталей нефтегазового назначения на коррозионное растрескивание в агрессивных газовых средах, основанная на динамическом нагружении образцов; - стандартизованы параметры ускоренных испытаний трубных сталей и критериев определения склонности трубных сталей к коррозионному растрескиванию; - разработана опытная установка для ускоренных испытаний трубных сталей нефтегазового назначения на коррозионное растрескивание в агрессивных газовых средах; - разработано программное обеспечение, позволяющее на основании обработки результатов испытаний сформировать базу данных результатов испытаний, на основе которой предлагается решение по выбору марки стали труб нефтегазового назначения.
Теоретическая значимость: - разработана и научно обоснована теоретическая возможность проведения динамических испытаний на коррозионное растрескивание трубных сталей в хлоридных водных растворах, содержащих сероводород и углекислый газ; - усовершенствован метод испытаний на коррозионное растрескивание трубных сталей в хлоридных водных растворах, содержащих сероводород и углекислый газ, разработана модель проведения ускоренных испытаний на коррозионное растрескивание с динамическим нагружением образцов; определен необходимый и достаточный диапазон скоростей нагружения образцов в ходе испытаний; - предложены, теоретически и экспериментально обоснованы критерии оценки стойкости против коррозионного растрескивания трубных сталей в хлоридных водных растворах, содержащих сероводород и углекислый газ.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту: - метод испытаний на коррозионное растрескивание трубных сталей в агрессивных газовых средах; - параметры для проведения испытаний на коррозионное растрескивание трубных сталей в хлоридных водных растворах, содержащих сероводород и углекислый газ; - критерии, определяющие склонность на коррозионное растрескивание трубных сталей в хлоридных водных растворах, содержащих сероводород и углекислый газ; - опытная установка и программное обеспечение для проведения испытаний; - результаты верификации методики испытаний.
Личный вклад автора заключается в непосредственном участии в постановке задач исследования, выборе методов анализа материала, проведении экспериментов, обработке и обсуждении полученных результатов, выявлении обобщенных закономерностей и формулировании выводов.
Достоверность экспериментальных результатов и сделанных на их основе выводов обусловлена воспроизводимостью и согласованностью полученных данных, доказана значительным объемом экспериментальных исследований, выполненных в обоснование основных теоретических положений, применением современного сертифицированного оборудования и лицензионных программных средств для обработки информации. Теория построена на известных, проверяемых данных, взятых из открытых источников, согласуется с экспериментальными данными, полученными в диссертационной работе.
Апробация результатов работы. Материалы диссертации доложены и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: международная конференция «Механика, ресурс и диагностика материалов и конструкций», 2016, Екатеринбург; конференция «Коррозия в нефтегазовой отрасли», 2019, Санкт-Петербург; Современные материалы и передовые производственные технологии (СМППТ-2019); Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке, IX Международная научно-техническая конференция, 2019; «Евразийский симпозиум по проблемам прочности и ресурса в условиях низких климатических температур», 2020; конференция «Коррозия в нефтегазовой отрасли», 2021, Санкт-Петербург.
Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 13 статьях, из них 7 в журналах из перечня ВАК, 6 в изданиях, индексируемых Scopus, получено 1 свидетельство о регистрации, опубликована 1 монография.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов, 4 приложений и списка литературы. Работа изложена на 166 страницах, содержит: 14 таблиц, 65 рисунков. Список литературы включает 134 наименования.