автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Повышение коррозионной стойкости сварных соединений нефтепромысловых труб

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1, Анализ состояния вопроса и задачи исследования.

1Л. Факторы коррозионного разрушения сварных труб из феррито-перлитных сталей.

1.2. Влияние структурного и фазового состояния феррито-перлитных сталей на особенности процессов коррозионного разрушения.

1.3. Влияние напряженно-деформированного состояния на процессы наводороживания и растрескивания.

1.4. Особенности коррозионно-механического разрушения сварных соединений.

1.5. Микролегирование как способ повышения коррозионной стойкости сталей.

1.6. Экспериментальные методы оценки коррозионной стойкости металла сварных труб.

1.7. Задачи исследования.

ГЛАВА 2. Обоснование и выбор марок сталей, режимов термической обработки, условий эксперимента.

2.1. Выбор марок сталей и режимов термической обработки.

2.2. Условия проведения эксперимента и методы сравнительного анализа рассматриваемых вариантов.

2.2.1. Металлографический анализ микроструктуры и неметаллических включений.

2.2.2. Оценка механических характеристик.

2.2.3. Методика испытаний металла труб на стойкость против сульфидного коррозионного растрескивания

Современные месторождения нефти и газа характеризуются присутствием значительного количества растворенных газов (О2, СО2, НгЗ), поэтому эксплуатация нефтепроводов осложняется процессами кислородной, углекислотной и сероводородной коррозии, так как общепризнанно, что сероводород НгЗ может вызывать интенсивную общую и локальную коррозию, а также приводить к более серьезному виду разрушения - коррозионному растрескиванию.

Большая продолжительность эксплуатации трубопроводов России (средний срок службы более 12. 15 лет), ускоренные темпы развития нефтяной и газовой промышленности предъявляют новые высокие требования к качеству, надежности и долговечности нефтегазового оборудования. Весьма тревожно и состояние существующих магистральных нефтепроводов. Возрастающая доля старых трубопроводов, отработавших свой нормативный срок, является одной из главных причин увеличения количества аварий [Г.

Повышенная агрессивность среды в нефтяных скважинах и связанное с этим ухудшение условий эксплуатации трубопроводов требуют повышения прочности сварных труб нефтяного сортамента, хладостойкости и высокой стойкости к воздействию различных агрессивных сред. Наличие сварных соединений в конструкциях, работающих в таких условиях, усложняет технологические решения по обеспечению их коррозионной стойкости ввиду отсутстВИЯ обоснованных рекомендаций по выбору свариваемых материалов и технологии.

Современные свариваемые трубные стали, имеют сложную неоднородную структуру, коррозионные свойства которой определяются свойствами матрицы стали, соотношением фаз в сплаве, величиной зерна, строением карбидной фазы, внутренними (структурными, остаточными сварочными и др.) напряжениями. Поэтому и мероприятия, направленные на повышение стойкости сталей к разрушению, должны разрабатываться с учетом требований, к легированию и структуре металла. 5

Традиционные стали, работающие в современных условиях нефте- и газодобычи, практически уже не обеспечивают требуемью прочностные и коррозионные харатеристики. Повышение долговечности сварных трубопроводов в значительной степени может быть достигнуто созданием новых типов сплавов и правильным выбором технологических процессов их обработки. Легирование, пластическая деформация и термическая обработка металлов назначаются с позиций формирования такой структуры, которая обеспечивает необходимые эксплуатационные свойства материала - прочность, вязкость, пластичность, коррозионную стойкость и т.д. Таким образом, создание свариваемых сталей со специальными свойствами - одно из немногих действенных и экономически целесообразных средств повышения эксплуатационных характеристик сварных труб нефтяного сортамента.

Целью настоящей работы является радикальное повышение эксплуатационной надежности сварных нефтегазопромысловых труб из феррито-перлитных сталей.

выводы

1) Установлено, что вблизи линии сплавления в прямошовных трубах из сталей марок 22ГЮ и 20 формируется зона протяженностью до 1 мм с мартенсито-бейнитной структурой.

2) Показано, что нормализация прямошовных труб из стали марки 22ГЮ приводит к формированию около линии сплавления феррито-перлитной полосчатой структуры с волокном, ориентированным поперек стенки трубы.

3) Показано, что термическая обработка - отпуск приводит к формированию в околошовной зоне структуры сорбита отпуска с карбидами зернистой формы, способствующей повышению хладостойкости, коррозионной стойкости и прочности сварного соединения.

4) Установлено, что при близких концентрациях углерода и режимах прокатки повышение концентрации марганца вызывает увеличение доли перлита и степени феррито-перлитной полосчатости.

5) Показано, что микролегирование ванадием, приводящее к образованию мелкодисперсных, распределенных по объему металла трубы карбонитридов У(С К), снижает негативное влияние осевой ликвации и уменьшает склонность к образованию расслоев при наводороживании.

6) Для изготовления прямошовных труб, предназначенных для эксплуатации в коррозионно-активных сероводородсодержащих средах, предложена сталь марки стали 09ФСБ с ограниченным содержанием Мп, микролегированная и V.

7) Предложен режим локальной термической обработки сварных соединений труб из стали марки 09ФСБ, обеспечивающий выравнивание микроструктуры, механических свойств и коррозионной стойкости металла вблизи линии сплавления.

8) Разработаны рекомендации для опытно-промышленного производства сварных труб на ОАО «Уралтрубпром». Результаты исследований легли в основу разработки технических условий ТУ 1303-169-0147016-01 на «Трубы стальные электросварные прямошовные, нефтегазопроводные повышенной коррозионной стойкости и хладостойкости из стали 09ФСБ для местрождений «Тюменской нефтяной компании»».

1. Патон Б.Е. Современные направления повышения прочности и ресурса сварных конструкций // Автоматическая сварка. 2000. № 9 10.1. С. 3-9.

2. Шпарбер И.С. Сульфидное растрескивание стали и борьба с ним в нефтегазодобывающей промышленности ( обзор зарубежной литературы ). М.: ВНИИОЭНГ, 1970.

3. Структура и коррозия металлов и сплавов: Атлас. Справ, изд.

4. Сокол И.Я., Ульянин Е.А., Фельдгандлер Э.Г. и др. ~ М.: Металлургия, 1989.

5. Защита от водородного износа в узлах трения / Под ред. A.A. Полякова . -М.: Машиностроение, 1980.

6. Белоглазов СМ. Наводороживание стали при электрохимических процессах. Л.: Изд - во ЛГУ, 1975.

7. Карпенко Г.В., Крипякевич В.И. Влияние водорода на свойства стали. -М.: Металлургия, 1962.

8. Стеклов О.И., Басиев К.Д., Есиев Т.С. Прочность трубопроводов в коррозионных средах. Владикавказ: РИИП, 1995.

9. Pöpperling R., Schwenk W/ Einflußgrößen der H induzierten Spannungrißkorrosion bei niedriglegierten Stählen. " Werkst. Und Korros. ", 1980, 31, № 1, s. 15-20.

10. Галактионова H.A. Водород в металлах. М.: Машиностроение, 1970.

11. Сухотин A.M. Физическая химия пассивирующих пленок на железе. Л.: Химия, 1989.

12. И. Жук Н.П. Курс теории коррозии и защиты металлов.М: Металлургия,1976.

13. Ньюмен Дж. Электрохимические системы. Пер. с англ. М.: Мир, 1977.

14. Черток Ф.К. Коррозионный износ и долговечность сварных соединений. Л.: Судостроение, 1977.

15. Томашов Н.Д., Чернова Г.П. Теория коррозии и коррозионностойкие конструкционные сплавы. М.: Металлургия, 1986.

16. Стеклов О.И. Прочность сварных конструкций в агрессивных средах. М.: Машиностроение, 1976.

17. Стеклов О.И. Механокоррозионная прочность сварных конструкций // Автоматическая сварка. 2000. № 9- 10. С. 130 137.

18. Разрушение. Т.З. Инженерные основы и воздействие внешней среды. Под ред. Г. Либовица. Пер. с англ. М.: Металлургия, 1976.

19. Гудремон Э. Специальные стали. Т.2. М.: Металлургиздат , 1960.

20. Hieber П., Erdmann Jesnitzer F. Das verhalten von Kohlenstoffarmen bei wasserstoffbelandung und plastischer Verformung, Arch. Eisenqüttenw, 1973, 44, № 9, s/ 685 - 690.

21. Левченко В.П., Гольцов H.A., Гельд П.В. Водородопроницаемость отожженных и деформированных углеродистых сталей со структурой пластинчатого перлита // ФХММ, 1969, № 12, С. 182 187.

22. Немец Я. Прочность и жесткость стальных деталей. Пер. с чешек., М.: Машиностроение, 1970.

23. Богоявленский В.Л. Коррозия сталей на АЭС с водным теплоносителем. М.: Энергоатомиздат, 1984.

24. Медведева М.Л., Лившиц Л.С. Критерий оценки стойкости сталей к сульфидному растрескиванию // РНТС ВНИИОЭНГ, сер. « Коррозия и защита в нефтегазовой промышленности », 1980, № 11, С. 2 3.

25. Разрушение. Т.6. Разрушение металлов. Под ред. Г. Либовица. Пер. с англ. М.: Металлургия, 1976.

26. Мороз Л.С, Чечулин Б.Б. Водородная хрупкость металлов. М.: Металлургия, 1967.

27. Стеклов О.И., Перунов Б.В., Попов В.А. Влияние растягивающих напряжений на макрораспределение диффузионно-подвижного водорода

28. РНТС ВНИИОЭНГ, сер. « Коррозия и защита в нефтегазовой промышленности », 1978, №9, С. 3-4.

29. Гутман Э.М. Механохимия металлов и защита от коррозии. М.: Металлургия, 1974.

30. Прочность газопромысловых труб в условиях коррозионного износа / Гутман Э.М., Зайнуллин P.C., Шаталов А.Т. и др. М.: Недра, 1984.

31. Карпенко Г.В., Василенко И.И. Коррозионное растрескивание сталей. Киев: Техника, 1971.

32. Петров Л.Н. Коррозия под напряжением. Киев: Вища школа, 1986.

33. Об изменении электродного потенциала при приложении растягивающих напряжений на коррозионное растрескивание / Зайцев В.В., Ложкин Л.Н., Скорчеллетти В.В., // Защита металлов, 1977, т. XIII, вып. 3,1. С. 308-3 1 1.

34. Сварка в СССР. Т.2. Теоретические основы сварки, прочности и проектирования. Сварочное производство. М.: Наука, 1981.

35. Гельман A.C. Основы сварки давлением. М.: Машиностроение, 1970.

36. Винокуров В.А., Куркин С.А., Николаев Г.А. Сварные конструкции. Механика разрушения и критерии работоспособности. М.: Машиностроение, 1996.

37. Теоретические основы сварки / Под ред. В.В. Фролова. М.: Высшая школа, 1970.

38. Прохоров H.H. Физические процессы в металлах при сварке. Т.1. Элементы физики металлов и процесс кристаллизации. М.: Металлургия, 1968.

39. Предупреждение появления трещин при сварке ТВЧ в соединениях труб из низкоуглеродистых и низколегированных сталей / И.П. Можаренко, А.Д. Ветлянская, С.Ф. Куприй и др. // Сварочное производство, 1988, JN» 7. С. 9 И .

40. Петров Г.Л. Неоднородность металла сварных соединений. Л.: Суд-промгиз, 1963.

41. Лебедев Б.Д. О характере выделений избыточной фазы в перлитно-ферритных сварных швах // Сварочное производство, 1974, № 1, С. 11 12.

42. Скорчеллетти В.В. Теоретические основы коррозии металлов. Л.: Химия, 1973.

43. Винокуров В.А. Сварочные деформации и напряжения. М.: Машиностроение, 1968.

44. Халамез Е.М. Условие устойчивости кромок при высокочастотной сварке труб // Сварочное производство, 1978, № 12, С. 22-23.

45. Сигаев A.A. Дис. . канд. техн. наук. Пермь, 1997.

46. Потак Я.М. Хрупкое разрушение стали и стальных деталей. М.: Обо-ронгиз, 1955.

47. Ажогин Ф.Ф. Коррозионное растрескивание и защита высокопрочных сталей. М.: Металлургия, 1974.

48. Венгжин Я. Влияние субструктуры феррита на свариваемость малоуглеродистых сталей // Докл. междунар. симпозиума « Научные проблемы сварки и специальной электрометаллургии », Киев, май 1970, С.35 46.

49. Аснис А.Е. Некоторые вопросы повышения прочности сталей для сварных конструкций путем легирования // Докл. междунар. симпозиума « научные проблемы сварки и специальной электрометаллургии » , Киев, май 1970, С. 7- 18.

50. Riecke Е., Johnen В. Einflüsse von Mo, V, Nb, Ti, Zr und deren Karbiden auf die Korrosion und Wasserstoffnahme von Eisen in H2S haltigen Lösungen // Werkst, und Korros. - 1991.-42, №10, s. 528 - 536.

51. Испытания сталей и сварных соединений в наводороживающих средах / О.И. Стеклов, Н.Г. Бодрихин, В.М. Кушнаренко и др. М.: Металлургия, 1992.

52. Куркин CA. Прочность сварных тонкостенных сосудов, работающих под давлением. М.: Машиностроение, 1976.

53. Лукьянов В.Ф., Людмирский Ю.Г., Напрасников В.В. Испытания элементов корпусных конструкций при двухосном напряженном состоянии // Заводская лаборатория, 1986, № 7, С. 59 62.

54. ТрубинВ.В. Дис. .канд. техн. наук. Москва, 1986.

55. Есиев Т.е. Дис. . канд. техн. наук. Москва, 1993.

56. Heady RI Evaluation of Sulfide Corrosion Crackinq Resistence in Low Alloy Steels // Corrosion. 1977. V.33, №3. P. 98 107.

57. Романив О. Н., Никифорчин Г.Н. Механика коррозионного разрушения конструкционных сплавов. М.: Металлургия, 1986.

58. Романив О.Н., Никифорчин Г.Н., Крыськив А.С. О применимости критериев механики разрушения для оценки водородной хрупкости высокопрочных сталей // ФХММ, 1980. Т. 16, № 6, С. 54 60.

59. Колотыркин Я.М. Металл и коррозия. М.: Металлургия, 1985.

60. Защита газопроводов нефтяных промыслов от сероводородной коррозии / Э.М. Гутман, М.Д. Гетманский, О.В. Клапчук, Л.Е.Кригман. -М. Недра, 1988.

61. Карвацкий Л.М., Коваль В.П. Влияние марганца на сульфидное растрескивание сталей. -РНТС, ВНИИОЭНГ. Сер. «Коррозия и защита в нефтегазовой промышленности», 1978, №5.

62. Афанасьева С.А., Шрейдер А.В., Дьяков В.Г. и др. Влияние легирования малоуглеродистой стали на ее стойкость к сероводородному растрескиванию. РНТС, ВНИИОЭНГ. Сер. «Коррозия и защита в нефтегазовой промышленности», 1980, №5, С.5-8.

63. Зикеев В.Н. Легирование и структура конструкционных сталей, стойких к водородному охрупчиванию // МиТОМ. 1982. №5, С. 18.

64. Рыхлевская М.С. Диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук. Влияние химического состава и структуры низколегированных трубных сталей на закономерности сульфидной коррозии, 1998.

65. Колотыркин Я.М. Металл и коррозия.-М.: Металлургия, 1985.

66. Заидита газопроводов нефтяных промыслов от сероводородной коррозии / Э.М. Гутман, М.Д. Гетманский, О.В. Клапчук, Л.Е. Кригман.- М.: Недра, 1988.

67. Карвацкий Л.М., Коваль В.П. Влияние марганца на сульфидное растрескивание сталей.- РНТС, ВНИИОЭНГ. Сер. «Коррозия и защита в нефтегазовой промышленности», 1978, №5.

68. Афанасьева С.А., Шрейдер A.B., Дьяков В.Г. и др. Влияние легирования малоуглеродистой стали на ее стойкость к сероводородному растрескиванию. РНТС, ВГИИОЭНГ. Сер. «Коррозия и защита в нефтегазовой промышленности», 1980, №5, С. 5-8.

69. Зикеев В.Н. Легирование и структура конструкционных сталей, стойких к водородному охрупчиванию. МиТОМ. 1982, №5, С. 18.

70. Тетюева Т.В., Шмелев П.С., Рыхлевская М.С. Закономерности сульфидной коррозии низколегированных трубных сталей. Нефтяное хозяйство, 1993, №6, Москва. Изд. «Топливо и энергетика».72. Стандарт NACE API 5СТ 96.

71. ГОСТ 9.905-82. Методы коррозионных испытаний. Общие требования.

72. ГОСТ 9.908-85. Методы определения показателей коррозии и коррозионной стойкости.

73. ГОСТ 9.907-83. Методы удаления продуктов коррозии после коррозионных испытаний.

74. ГОСТ 1497-78. Методы испытания на растяжение.

75. ГОСТ 9454-78. Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при повышенной, комнатной и пониженной температурах.

76. Иоффе A.B. Диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук. Механизм разрушения трубных сталей в сероводородсодержащей среде, 2000.

77. Выбойщик М.А., Тетюева Т.В., Платонов С.Ю., Куренкова Н.Г. Влияние термической обработки на структуру и коррозионную стойкость сварного соединения нефтерпомысловых труб. Техника машиностроения. №4, 2001г.-С. 32-38.