автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Влияние металла основы и технологических факторов на пористость и работоспособность эмалевых покрытий нефтепромысловых труб

Введение

Глава 1 Состояние вопроса и постановка задач исследования

1.1. Особенности коррозионного поведения трубных сталей в средах, содержащих Н^?, СОди 1К). и методы их защиты

1.2. Природа эмалевых покрытий и особенности их формирования

1.3 Влияние состава и структуры стали на ее эмалируемость и качество эмалевых покрытий

1.4 Влияние дробеструйной обработки на состояние поверхностного слоя стали

1.5 Методы контроля качества эмалевых покрытий

1.6. Акустическая эмиссия как метод контроля структурных изменений в материалах при внешнем воздействии

1.7. Результаты промысловых испытаний эмалированных труб полученных по типовой технологии эмалирования

Глава 2. Объекты и методы исследования

2. 1 Объекты исследования

2.2. Исследование структуры покрытия и металла основы

2.3. Метод механических испытаний

2.4. Метод акустической эмиссии

2.5. Электролитический способ обнаружения нарушений в покрытиях

Глава 3.Выявление основных причин нарушения сплошных эмалевых покрытий 46 3.1 Адгезия эмалевого слоя

3. 2. Влияние загрязненности металлическими частицами на пористость эмалевых покрытий

3.3. Зарождение и развитие пористости эмалевых покрытий

3.4. Требования к эмалируемым сталям

Глава 4. Влияние структуры, состава и подготовки поверхности стальных труб на качество эмалевых покрытий

4.1. Разработка режимов термической обработки нефтепромысловых труб из стати

4.2. Разработка режимов термической обработки бесшовных горячекатанных труб из стали 09ГСФ

4.3. Влияние предварительной термообработки на состояние поверхности поверхности после дробеструйной обработки

4.4. Влияние предварительной термической обработки и других технологических факторов на качество эмалевых покрытий

4.5. Влияние сочетания разных видов шликера на сплошность эмалевых покрытий

Глава 5 Разработка интегрального метода оценки качества эмалевых покрытий

5.1. Исследование акустической эмиссии при нагружении индентором эмалевых покрытий различной структуры

Глава 6. Соединение эмалированных труб в трубопроводы и промысловые испытания

Нефтяная промышленность страны является одной из важнейших и весьма металлоемких отраслей народного хозяйства, так как характеризуется большой протяженностью трубопроводов, а также большим количеством нефтепромыслового оборудования. Из-за повышенной агрессивности транспортируемой по трубопроводам среды, содержащей такие компоненты как сероводород, углекислый газ. кислород и высокоминератизованные рассолы, металлические конструкции подвергаются интенсивной коррозии. Масштабы потерь металла в результате коррозионного разрушения очень велики. Сроки службы нефтепромысловых коммуникаций намного ниже нормативных. Средний срок службы нефтепроводов составляет 5-6 лет при нормативном 20, а на некоторых объектах из-за локальной питтинговой коррозии массовые порывы начинаются через

5-6 месяцев эксплуатации. Кроме потерь металла из-за коррозии, происходит утечка нефти при авариях, что кроме экономических потерь приводит к значительным экологическим последствиям.

Для ОАО «Самаранефтегаз» решение вопроса защиты от коррозии нефтепромысловых коммуникаций является приоритетным ввиду высокой обводненности добываемой продукции (около 85%), наличия значительного количества коррозионно-активных составляющих в пластовых водах, длительного срока эксплуатации оборудования и трубопроводов, отсутствия труб в коррозионно-стойком исполнении, а также высокой стоимости трубной продукции.

Для борьбы с коррозией ведется поиск новых коррозионно-стойких материалов и высокоэффективных защитных покрытий. Наиболее эффективным способом защиты является нанесение на внутреннюю поверхность труб эмалевых покрытий. Эмаль обладает высокой стойкостью в самых агрессивных средах. Состав покрытия можно 5 варьировать применительно к агрессивным средам определенных месторождений.

Дополнительным преимуществом эматевого покрытия является его многофункциональность. Оно позволяет обеспечить не только защиту трубопроводов от коррозии, но и предотвращает образование на поверхности труб отложения парафинов и солей, снижает гидравлическое сопротивление трубопроводов и насосного оборудования за счет уменьшения шероховатости, защищает оборудование от эрозионного и механического износа, обеспечивает чистоту перекачиваемого продукта, уменьшает металлоемкость трубопроводов.

В настоящее время применение эмалированных труб находится в стадии опытного апробирования без проработки вопроса в соответствии с уровнем решаемых проблем. Для их массового использования в нефтедобывающей промышленности требуются значительные исследования по отработке технологии эмалирования, обеспечивающей сплошность покрытий, а также решения вопросов контроля качества покрытий и надёжного соединения эмалированных труб при монтаже трубопроводов. 6

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Дробеструйная обработка перед эмалированием вносит значительное повреждение металла трубы. Поверхностный слой подвержен сильной деформации. Образуется большое количество пор и мелких трещин, имеющих выход на поверхность.

2. Описаны механизм и кинетика образования газовых пузырей, их отрыва и всплытия в расплаве эмали.

3. Основными причинами образования крупных пор и пузырей является локальность мест газовыделения и загрязненность расплава эмали металлическими включениями.

4. Присутствие металлических включений в расплаве эмали обусловлено: загрязненностью шликера, наличием остатков дроби и частиц металла на внутренней поверхности трубы после дробеструйной обработки и отрывом частиц металла в результате электрохимической коррозии, интенсивность которой определяется состоянием и структурой поверхности слоя труб-5. Разработаны режимы предварительной термообработки труб из стали 20 и 09ГСФ, обеспечивающие необходимые требования по структуре и свойствам, что позволило повысить механические свойства, уменьшить повреждаемость поверхности при дробеструйной обработке и повысить хладостойкость.

7. Разработан состав эмалевого шликера для безгрунтовых покрытий, обеспечивающий высокие адгезионные свойства с металлом основы.

8. Сочетание эмали ЭСТ-7 со вторым слоем легкоплавкой эмали и двухслойное покрытие легкоплавкой эмалью обеспечивают повышение сплошности эмалевого слоя.

9. Разработан способ контроля пористости и механических свойств эмалевых покрытий, основанный на анализе сигнала акустической эмиссии при внедрении индентора в покрытие.

10 Разработан метод соединения эмалированных труб в трубопроводы, обеспечивающий равные по коррозионной стойкости свойства всего трубопровода.

136

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

2. Кузнецов В.П. Механизм углекислотной коррозии газопромыслового оборудования / РНТС. Сер. Коррозия и защита в нефтегазовой промышленности -ВНИИОЭНГ, 1976. -№11. -с. 6-10

3. Коррозия: Справочник / Под ред. Л.Л. Шрайера. Пер. с англ. М.: Металлургия, 1981

4. Василенко И.И., Мелехов Р.К. Коррозионное растрескивание сталей К.: Наукова думка, 1977

5. Маркин А.Н., Легезин Н.Е. Исследование углекислотной коррозии стали в условиях осаждения солей / Защ. мет. 1993. - 29, №3. - с. 452-459

6. Защита трубопроводов нефтяных промыслов от сероводородной коррозии / Гутман Э.М., Гетманский М.Д., Клапчук О.В. и др. М.: Недра, 1988

7. Предупреждение локальной коррозии нефтепромыслового оборудования -М.: ВНИИОЭНГ, 1981

8. Кузнецов В.П. Некоторые особенности углекислотной коррозии оборудования газоконденсатных и газовых скважин в жесткой пластовой воде / РНТС. Сер. Коррозия и защита в нефтегазовой промышленности ВНИИОЭНГ, 1979.-№1.~ с. 19-24

9. Нельсон Г.Г. Водородное охрупчивание // В кн.: Охрупчивание конструкционных сталей и сплавов / Под ред. К.Л. Брайента, С.К. Бенерджи. Пер. с англ. М.: Металлургия, 1988

10. Колачев Б.А. Водородная хрупкость металлов М.: Металлургия, 1985137

11. Ikeda A., Morita Y., Terasaki F. In: Second Intern. Congr. on Hydrogen in Metals, 6-11/VI/1977. Paris, 1977

12. Ikeda A., Ueda M., Mukai S. In: Proc. Intern. Corrosion Forum, Corrosion-85, Massathysets, 1985, Paper 29

13. Назаров A.A. Сульфидное коррозионное растрескивание стали и способы ее защиты / Защ. мет. 1992. - 28, №4. - с. 531 -544

14. Гутман Э.М., Гетманский М.Д., Клапчук О.В., Кригман JI.E. Оптимальные способы защиты трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащий нефтяной газ / РНТС. Сер. Коррозия и защита в нефтегазовой промышленности -ВНИИОЭНГ, 1985.-вып. 8

15. Ботвина JI.P., Тетюева Т.В., Иоффе A.B. Стадийность множественного разрушения низколегированных сталей в среде сероводорода / МиТОМ 1998. -№2.-с. 19-22

16. Тетюева Т.В., Ботвина JI.P., Крупнин С.А. Закономерность повреждаемости низколегированных сталей в коррозионно-активных сероводородсодержащих средах / ФХММ. 1990. - №2. - с. 27-33

17. Grobner P.J., Sponseller D.L., Cias W.W. Development of higher strength bLS-resistant steels for oil field applications / Mater. Perform. 1975. - 14, №6. - p. 35-43

18. Петров JI.H. Коррозия под напряжением К.: Вища школа, 1986

19. Первухин Л.Б. Сравнительный анализ различных методов защиты труб от коррозии // В кн.: Междунар. научно-техн. конф. «Композиты в народное хозяйство России» (Композит '95), Барнаул, 6-8 сен. 1995. Тез. докл. - Барнаул, 1995-с. 28-29

20. PTFE/Stahl, Email/Stahl: zwei Verbund Werkstoffe für die chemische Technik / Mitt. Ver. Dtsch. Emailfachleute und Dtsch. Zentrums 1993. - 41, №6. - S. 82-85

21. Петцольд А., Пёшманн Г. Эмаль и эмалирование: Справочник / Пер. с нем. -М.: Металлургия, 1990

22. Морозов Ю.Л. Состояние и перспективы развития антикоррозионных покрытий трубопроводов. Обзор М., 1972138

23. Эмалирование металлических изделий / Под общ. ред. В.В. Варгина JL: Машиностроение, 1972

24. Литвинова Е.И. Металл для эмалирования М.: Металлургия, 1987

25. Joseph W. Emaillieren ein Verfahren der Oberflächenveredelung / Mitt. Ver. Dtsch. Emailfachleute und Dtsch. Zentrums - 1995. - 43, №3. - S. 29-36

26. Technologisches Verfahren zur Erhöhung der chemischen Beständigkeit von Emails, insbesondere Titanemails / Mitt. Ver. Dtsch. Emailfachleute und Dtsch. Zentrums 1992. - 40, №4. - S. 37-42

27. Локшин В.Я. Технология эмалирования металлических изделий M.: Росгизместпром, 1955

28. Liu Hang-Hsing, Shueh Yingshihg, Yang Feng-Shyang, Shen Pouyan. Microstructure of the enamel steel interface: cross-sectional ТЕМ and other metallographic studies / Mater. Sei. and Eng. A. - 1992. - 149, №2. - p. 217-224

29. Ходский Л.Г., Стефанюк И.В., Шкадрецова В.Г. и др. Антикоррозионные свойства стеклоэмалевых покрытий в сероводородсодержащих средах / Стекло и керамика 1993. -№3.-с. 28-29

30. Поляк М.С. Технология упрочнения. В 2-х тт. М.: Л.В.М.-Скрипт, Машиностроение, 1995

31. Одинцов Л.Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием: Справочник М.: Машиностроение, 1987

32. Саверин М.М. Дробеструйный наклеп М.: Машгиз, 1955

33. Петросов В.В. Гидродробеструйное упрочнение деталей и инструмента М.: Машиностроение, 1977

34. Солнцев С.С. Защитные технологические покрытия и тугоплавкие эмали -М.: Машиностроение, 1984

35. Benes V., Bouse V., Slamova M. e.a. Bubble structure of enamel coatings and its determination / Ceramics Silikaty. - 1994. - 38, №1. - p. 4-8

36. Гобатенко B.E., Кричевский Б.И., Сурков B.B. / Стекло и керамика 1969. -№2. - с. 20-22139

37. Панюков Д.И. Разработка методики акустико-эмиссионного контроля повреждаемости покрытий под нагрузкой. Дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук -Тольятти: ТолПИ, 1999

38. Safai S., Herman Н., Опо К. Acoustic emission study of thermal-sprayed oxide coatings / Am. Ceram. Soc. Bull. 1979. -58, №6. - p. 624

39. Ono K., Safai S., Herman H. Acoustic emission study of thermal-sprayed oxide coatings / Thin Solid Films. 1979. -63, №1. - p. 108

40. Ishikawa Y., Zen M., Nishida O. On hydrogen induced fracture of porcelain enamel layers / 4lh Int. Conf. on Fract. Waterloo, 19-24 June 1977. Pt. Ill b. Pergamon, 1978.-p. 1007-1014

41. Грешников B.A., Дробот Ю.Б. Акустическая эмиссия М.: Изд-во стандартов, 1976

42. Акустическая диагностика и контроль на предприятиях топливно-энергетического комплекса / В.М. Баранов, А.И. Гриценко, A.M. Карасевич и др. -М.: Наука, 1998

43. Eisenblatter J. Acoustic emission analysis: introduction, present status and future development // In: Acoustic Emission / Transl. from German Deutsche Gesellschaft fur Metallkunnde, 1980

44. Иванов В.И., Белов В.М. Акустико-эмиссионный контроль сварки и сварных соединений М.: Машиностроение, 1981

45. Баранов В.М., Молодцов К.И. Акустико-эмиссионные приборы ядерной энергетики М.: Атомиздат, 1980

46. Eisenblatter J., Fanninger G. Zur anwendung der shallemissionanalyse in forschung / Metall. 1977. - 31, № 1. - s. 58

47. Brindley B.J., Mott J., Palmer L.G. Acoustic emission. Part 3. The use of ringdown counting / NDT. - 1973. - 6, №12. - p. 299-306

48. Горбунов А.И., Лыков Ю.И. и др. Установка «Спектр» для анализа спектральных характеристик акустической эмиссии / Дефектоскопия. 1988. - №1. -с. 31-36140

49. Роулингз Р.Д. Методы акустической эмиссии / В кн.: Техн. эксперим. работ по электрохимии, коррозии и поверхн. обраб. металлов: Справ.: Пер. с англ. -СПб., 1994.-с. 357-412

50. Патент №2116271 от 27.07.98 «Эмалевый шликер для безгрунтового покрытия» / Козлов A.A., Губа Н.И., Дробот И.А., Герман В.Д., Колеснев C.B., Гуща А.П.

51. Горбатенко В.Е., Ткачев А.Г. и др. / Стекло и керамика 1980,№4,с.16

52. Демченко Н.С.,Ивахин С.И. . / Стекло и керамика 1973,№3,с.25

53. Горбатенко В.Е., Кричевский Д.И. . // Стекло и керамика 1976,№ 1 O.e. 18

54. Лошкин В.Я. Технология эмалирования металлических изделий М. РосГизМестпром, 1955

55. Савченко В.И. Технология эмалирования и оборудование эмалировочных цехов Харьков, Металлургиздат, 1961

56. Юкалов И.Н. Стали и чугуны для эмалирования М.,Металлургиздат, 1961

57. Литвинов Е.И. Металл для эмалирования — М., металлургия, 1964

58. Колеснев C.B. О состоянии антикоррозионной защиты в ОАО «Самаранефтегаз» // сб. трудов IV региональной научно-технической конференции «Новые высокие технологии в нефтегазовой отрасли и проблемы экологии». Самара, 19с.38-39

59. Выбойщик M.А., Колеснев C.B. Применение эмалированных труб в нефтедобывающей промышленности. // сб. «Наука, техника, образование г.Тольятти и Волжского региона» -Тольятти, 1999, часть 2,с.313-316

60. РазуваевА.А., Мерсон Д.Л., Выбойщик М.А., Колеснев C.B. Исследование акустической эмиссии при нагружении индентором эмалевых покрытий различной структуры. // «Наука, техника, образование г.Тольятти и Волжского региона» -Тольятти.2000, часть 3

61. Патент 2080510 от 27.05.97 г., Бюл. №15 «Соединение эмалированных труб» /Казаков В.А., Колеснев C.B., Сынтин Е.П., Канашук H.H.

62. Колеснев C.B. Трубы защищиются эмалью // Металлоснабжение и сбыт. -1996г., №3,с.21