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. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. Проведены исследования, результаты которых позволили обеспечить качество испытаний трубных сталей нефтегазового назначения в условиях современных требований к их жизненному циклу. Показано, что использование разработанной методики испытаний, использующей постоянное (медленное) нагружение образцов в ходе испытания позволяет, не снижая точности получаемых результатов сократить срок испытаний в четыре-семь раз. 2. Научно и экспериментально обоснована, разработана, опробована и проходит стадию промышленного внедрения на ряде предприятий, поставляющих трубы нефтяного сортамента, методика исследования склонности трубных сталей к коррозионному растрескиванию в растворах, содержащих сероводород. В качестве критериев оценки склонности к сульфидному растрескиванию при медленной скорости нагружения предложены: - для сталей, проявляющих склонность к растрескиванию в сероводородной среде при напряжениях выше предела текучести εп – пороговая относительная деформация, соответствующая разрушению образца, стали в коррозионной среде и Кε – коэффициент, показывающий степень воздействия коррозионной среды на снижение пластичности; - для сталей, проявляющих склонность к растрескиванию в сероводородной среде при напряжениях при напряжениях ниже предела текучести материала - σп – пороговое напряжение, ниже которого сталь не проявляет склонности к SSC при испытаниях, МПа, и Кσ – коэффициент, показывающий степень склонности стали к SSC. 3. Подтверждена сходимость результатов определения склонности к SSC трубных сталей различных групп прочности и назначения, полученных по методу А стандарта NACE TM 0177 и разработанной методике. Было показано, что испытания образцов с медленной скоростью нагружения позволяют с несколько раз снизить время на проведение сертификационных испытаний, уменьшить длительность производственного цикла на выпуск готовой продукции, а следовательно, и ее себестоимость. 4. На основании проведенных исследований и анализа отечественной и зарубежной литературы доказано, что влияние таких параметров внешней коррозионной среды как температура, рН, скорость потока, а также воздействие растворенных газов (О2, H2S и СО2) на растворение металла труб (как одной из стадий коррозионного растрескивания) подчиняется единым электрохимическим законам. Поэтому полученные зависимости справедливы для всех низколегированных трубных сталей, которые испытываются в аналогичных условиях. 5. Установлено, что медленная постоянная скорость деформации равная 8,53‧10-7 с-1 (0,0013мм/мин) позволяет получить результат оценки склонности трубных сталей к сульфидному растрескиванию сопоставимый достоверностью результатов, получаемых по методу А стандарта NACE TM 0177. При этом время, затрачиваемое на получение результатов, снижается с 720 до 70–100 часов. При этом в случае испытаний высокопрочных сталей разрушение образцов происходит при уровне напряжений ниже предела текучести материала. Причиной такого разрушения является интенсивный рост трещин по механизму КР и уменьшению «живого» сечения испытуемого образца. Стали с меньшим уровнем прочности при испытаниях со скоростью 0,0013мм/мин в среде с H2S разрушаются при напряжениях выше предела текучести материалов. В среде с СО2 разрушение образцов сталей, независимо от уровня их прочности, происходит только при напряжениях выше их предела текучести. 6. Показано единообразие механизмов разрушения образцов трубных сталей различных групп прочности, испытанных по стандарту NACE TM 0177 и разработанной методике, что указывает на соответствие режимов испытаний и, дополнительно, подтверждает достоверность результатов, полученных при испытаниях на склонность к по разработанной методике. 7. В ходе исследований было установлено, что стали с условным пределом текучести Ϭ0.2 от 200 МПа до 400 МПа в среде с H2S независимо от методики испытаний подвергаются растрескиванию только при напряжениях выше предела текучести. При практическом применении такие стали не подвержены SSC, поскольку материалы с нагрузками выше условного предела текучести не закладываются в конструкцию. Стали с пределом текучести от 400 МПа до 600 МПа в среде с H2S могут проявлять склонность к растрескиванию. 8. Подтверждена идентичность результатов испытаний на склонность к растрескиванию в средах, насыщенных сероводородом, выполненных по стандарту NACE TM 0177 и разработанной методике, правильность и обоснованность выбора критериев оценки склонности к коррозионному растрескиванию дополнительно осуществлено при проведении межлабораторных испытаний металла труб нефтяного сортамента различного назначения. В ходе испытаний было показано полное соответствие результатов, полученных при испытаниях по стандарту NACE TM 0177 и разработанной методике при значительном сокращении времени испытаний. 9. Расчет экономической эффективности от внедрения разработанной методики на предприятиях металлургической, в том числе трубной промышленности, показал, что за счет сокращения сроков отгрузки продукции, производственных затрат и капиталовложений предприятий достигается эффект более 18 млн рублей в ценах 2021 года. Рекомендации и перспективы дальнейшего исследования: наиболее перспективными направлениями дальнейшей разработки темы являются: - расширение сортамента исследуемых сталей – оценка возможности применения методики для высоколегированных сталей и сплавов; - разработка и сертификация оборудования для проведения испытаний; - разработка методики ускоренных испытаний сварных соединений трубных сталей на стойкость к коррозионному растрескиванию в хлоридных водных растворах, содержащих сероводород и углекислый газ. Основные положения диссертации отражены в следующих работах: Публикации в журналах из Перечня ВАК РФ: 1. Кондратьев, С.Ю. Критерии ускоренной оценки склонности трубных сталей к коррозионному растрескиванию в условиях нефтедобычи/ С.Ю. Кондратьев, А.А. Альхименко, А.А. Харьков, О.В. Швецов, А.Д. Давыдов//Металловедение и термическая обработка металлов, 2021; 2. Альхименко, А.А. Разработка методики ускоренных испытаний трубных сталей нефтяного сортамента на коррозионное растрескивание/А.А. Альхименко, А.А. Харьков, Б.А. Шемякинский, Н.О. Шапошников//Заводская лаборатория. Диагностика материалов, 2020 – Т. 86. № 9. С. 70-76. 3. Альхименко, А.А. Исследование влияния параметров испытаний на оценку стойкости сталей к углекислотной коррозии / А.А. Альхименко, А.С. Федоров, Е.Л. Алексеева, А.А. Ковалев, Н.О. Шапошников // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. Том: 87, номер: 12, стр. 36-41, 2021 4. Алексеева, Е.Л. Оценка коррозионных свойств стальных двухслойных насосно-компрессорных труб для нефтедобычи/Е.Л. Алексеева, А.А. Альхименко, М.А. Ковалев, Н.О. Шапошников, М.Л. Шишкова, Н.А. Девятерикова, А.Д. Бреки, А.Г. Колмаков, А.Е. Гвоздев, С.Н. Кутепов//Материаловедение, 2021. № 4. С. 10-16. 5. Кондратьев, С.Ю. Прогнозирование ресурса трубных сталей при эксплуатации в присутствии сероводорода и углекислого газа/С.Ю. Кондратьев, А.А. Альхименко, А.А. Харьков, О.В. Швецов, А.Д. Давыдов//Заготовительные производства в машиностроении, 2021. Т. 19. № 10. С. 469-476. 6. Альхименко, А.А. Методы коррозионных испытаний, применяемые при разработке и промышленном освоении новых судостроительных сталей и сплавов и технологий их производства. Часть 1. Лабораторные коррозионные испытания/А.А. Альхименко, А.Д. Давыдов, А.А. Харьков, С.Ю. Мушникова, О.А. Харьков, О.Н. Парменова, А.А. Яковицкий//Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2022. Т. 65. № 1. С. 48-56. 7. Альхименко, А.А. Методы коррозионных испытаний, применяемые при разработке и промышленном освоении новых судостроительных сталей и сплавов и технологий их производства. Обзор. Часть 2. Испытания на коррозионное растрескивание и натурные морские испытания/А.А. Альхименко, А.Д. Давыдов, А.А. Харьков, С.Ю. Мушникова, О.А. Харьков, О.Н. Парменова, А.А. Яковицкий// Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2022. Т. 65. № 3. С. 154-162. Публикации в изданиях, входящих в наукометрические базы Web of Science и Scopus: 8. Alkhimenko, A.A. Peculiarities of corrosion cracking of high-strength pipe steels in hydrogen sulfide environment/ A.A. Alkhimenko, B.S. Ermakov, E.L. Alekseeva, S.Y. Mushnikova. – International Journal of Mechanical and Production Engineering Research and Development. Vol. 10, Issue 3, 15175-15184, 2020. 9. Ermakov, B.S. Investigating the influence of temperature on the selection of criteria for evaluating the propensity of tube steels to corrosion cracking at low loading speeds/B.S. Ermakov, A.A. Alkhimenko, A.A. Kharkov, O.V. Shvetsov, A.D. Davydov. – «Corrosion oil and gas 2020», E3 Web of conferences. 10. Kharkov, A.A. SSRT method: application to studying the mechanism of stress corrosion cracking in steels and alloys/ A.A. Kharkov, A.A. Alkhimenko, N.O. Shaposhnikov, E.L. Alekseeva. – Materials physics and mechanics, 2021. 11. Alkhimenko, A.A. Development of the Methodology of Accelerated Testing of Oil-Gas Pipe Steels for Stress Corrosion Cracking/ A.A. Alkhimenko, A.A. Kharkov, B.A. Shemyakinskiy, N.O. Shaposhnikov. – Inorganic Materials, 2021. 12. Alkhimenko, А.А. Сorrosion testing of experimental steels for oilfield pipelines, 1st international conference on corrosion in the oil and gas industry/ A.A. Alkhimenko. – Saint Petersburg, 2019, E3 Web of conferences. 13. Alkhimenko, А.А. Сriteria for accelerated estimation of susceptibility of pipe steels to corrosion cracking under oilfield conditions/ A.A. Alkhimenko, S.Y. Kondrat’ev, A.A. Khar’kov, O.V. Shvetsov, A.D. Davydov – Metal Science and Heat Treatment. Vol. 63, Nos. 9-10, 2022. Монографии: 14. Альхименко, А.А. Оценка качества бурильных труб с использованием комплексной методики материаловедческих, механических, коррозионных и триботехнических исследований: монография/ А.А. Альхименко, В.А. Яхимович и др. – Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, Тульский государственный университет, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Институт проблем машиноведения РАН, Тульский государственный педагогический университет имени Л.Н. Толстого, Российский государственный университет правосудия, Академия проблем качества РФ. Тула, 2019. Охранные документы: 15. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ RU 2019663575, Программа для выбора марки стали или сплава по заданным параметрам/ А.Д. Давыдов, А.А. Альхименко, Н.О. Шапошников, A.A. Харьков. Заявка № 2019662339. Дата поступления 08.10.2019. Дата гос. регистрации в Реестре программ для ЭВМ 18.10.2019.