автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Выбор состава и структуры стали для изготовления насосно-компрессорных труб с повышенными эксплуатационными характеристиками

На правах рукописи 0050577«о

Князькип Сергей Александрович

ВЫБОР СОСТАВА И СТРУКТУРЫ СТАЛИ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НАСОСНО-КОМПРЕССОРНЫХ ТРУБ С ПОВЫШЕННЫМИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

Специальность 05.16.09 - Материаловедение (машиностроение)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

АПР 2013

Пенза 2013

005057795

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Тольяттинский государственный университет» и в ООО «Самарский инженерно-технический центр».

Научный руководитель - доктор физико-математических наук,

профессор

Выбойщик Михаил Александрович

Официальные оппоненты: Ушаков Борис Константинович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана», профессор кафедры «Материаловедение»;

Розен Андрей Евгеньевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», заведующий кафедрой «Сварочное, литейное производство и материаловедение»

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет»

Защита состоится 11 апреля 2013 г., в 14 часов, на заседании диссертационного совета Д 212.186.03 в ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет».

Автореферат разослан 27 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Воячек Игорь Иванович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последнее время коррозионная активность нефтепромысловых сред повсеместно увеличилась, что привело к существенному снижению средней наработки лифтовых колонн, собранных из насосно-компрессорных труб (НКТ).

Участились случаи нарушения герметичности лифтовых колонн по причине сквозной язвенной коррозии по телу и по резьбовым соединениям. На месторождениях ОАО «Томскнефть», ООО «РН-Ставропольнефтегаз» и других месторождениях трубы разрушаются в течение двух-трех месяцев. Происходят катастрофические разрушения с обрывом лифтовых колонн (полеты) в результате критического утончения стенки труб и муфт из-за углеки-слотной язвенной коррозии, а также из-за растрескивания в сульфидсодержа-щей среде. Основным фактором, определяющим преобладающий механизм и кинетику развития коррозионно-механического разрушения труб нефтяного сортамента, является концентрация растворенных газов H2S и СО2.

Несмотря на относительно большой объем исследований по сульфидному коррозионному растрескиванию под напряжением и углекислотной коррозии, проблемы повышения коррозионной стойкости стальных труб при воздействии этих двух видов наиболее опасного коррозионно-механического разрушения остаются нерешенными и являются актуальными.

Необходима разработка новых сталей повышенной коррозионной стойкости для производства насосно-компрессорных труб, работающих в тяжелых условиях современных месторождений. Основой таких разработок является анализ причин, механизма и кинетики развития разрушения широко применяемых материалов. Необходимо определить факторы, влияющие на низкую длительность эксплуатации насосно-компрессорных труб и соответственно направления работ по разработке новых сталей.

Объект исследования: стали, используемые для изготовления насосно-компрессорных труб, и их эксплуатационные свойства.

Предмет исследования: установление связей между составом, структурой и свойствами сталей для изготовления насосно-компрессорных труб с целью повышения их эксплуатационных характеристик.

Цель работы заключается в повышении эксплуатационных характеристик насосно-компрессорных труб на основе выбора состава и структуры стали, увеличивающих их прочность и коррозионную стойкость.

Задачи исследования:

1. Разработать методику периодического мониторинга состояния насос-но-компрессорных труб по глубине скважины в условиях реальной эксплуатации.

2. Провести сравнительный анализ процессов накопления повреждаемости используемых в настоящее время насосно-компрессорных труб при лабораторных и промысловых испытаниях в средах, насыщенных H2S и СОг.

3. Определить рациональный состав стали, обеспечивающий высокую коррозионную стойкость к растрескиванию в сульфидсодержащей среде и углекислотной коррозии.

4. Выбрать режимы термической обработки насосно-компрессорных труб, обеспечивающие сочетание высоких механических свойств и коррозионной стойкости материала в средах, насыщенных H2S и С02.

5. Провести промысловые испытания насосно-компрессорных труб из предлагаемой стали.

Методы исследования. В процессе лабораторного анализа и промысловых испытаний использован комплекс исследований, включающий световую, просвечивающую и сканирующую электронную микроскопию, рентгено-структурный фазовый и локальный рентгеноспектральный химический анализы, механические испытания, коррозионные испытания на стойкость к водородной и общей углекислотной коррозии. Все испытания проведены в специализированных лабораториях на аттестованном оборудовании по стандартизированным российским и международным методикам. Результаты измерений обработаны с применением программных пакетов Microsoft Office.

Достоверность и обоснованность научных результатов обеспечиваются корректным применением основных положений материаловедения для описания физических закономерностей процессов разрушения металла насосно-компрессорных труб, сходимостью результатов лабораторных и промысловых (натурных) испытаний, а также положительными результатами внедрения в производство.

На защиту выносятся:

1. Результаты промысловых испытаний и лабораторных исследований развития разрушения металла насосно-компрессорных труб в средах с повышенным содержанием H2S и С02.

2. Методика мониторинга состояния материала насосно-компрессорных труб в процессе эксплуатации.

3. Сравнительный анализ строения, состава и структуры продуктов углекислотной коррозии на поверхности насосно-компрессорных труб из традиционно используемых сталей (марок 35Г2С и ЗОХМА) и предложенной стали марки 15Х5МФБЧ.

4. Закономерности и особенности формирования структуры и свойств при термической обработке стали 15Х5МФБЧ.

5. Химический состав и технология термической обработки стали 15Х5МФБЧ, обеспечивающие сочетание высоких механических свойств и коррозионной стойкости к растрескиванию в сульфидсодержащей среде и углекислотной коррозии.

6. Результаты промысловых испытаний насосно-компрессорных труб из стали 15Х5МФБЧ.

Научная новизна:

1. Показано, что при эксплуатации насосно-компрессорных труб механизм и кинетика развития водородного растрескивания под напряжением определяются количеством, формой и расположением неметаллических включений. Кинетика углекислотной коррозии определяется составом, строением и адгезией продуктов коррозии, образующихся на поверхности труб в процессе эксплуатации.

2. Выявлена идентичность механизмов развития разрушения насосно-компрессорных труб в средах с повышенным содержанием Н28 при эксплуатации и в лабораторных условиях.

3. Установлена связь скорости общей и язвенной углекислотной коррозии, состава и строения продуктов коррозии со структурой и составом металла насосно-компрессорных труб.

4. Показано, что продукты углекислотной коррозии, образовавшиеся на трубах из сталей ЗОХМА и 15Х5МФБЧ в процессе эксплуатации, сохраняют форму и расположение карбидной фазы стали и содержат в 3-7 раз больше Сг и Мо, чем легированная сталь, что определяет защитные свойства слоя коррозионных отложений к язвенному разрушению.

Практическая значимость:

1. Разработанная методика контроля состояния насосно-компрессорных труб лифтовых колонн в процессе эксплуатации позволила уменьшить число случаев катастрофического разрушения (полета) лифтовой колонны, затраты на ремонт скважин и снизить потери добычи нефти. На месторождениях Коми предотвращено 7 полетов подвесок насосно-компрессорных труб, в том числе на высокодебитных скважинах Баяндыскош месторождения.

2. Результаты лабораторных испытаний, подтвержденные промысловыми данными, позволяют научно обоснованно выбирать марку стали насосно-компрессорных труб с учетом условий эксплуатации конкретных месторождений (скважин).

3. Предложенные режимы термообработки насосно-компрессорных труб из стали 15Х5МФБЧ обеспечили сочетание высоких механических свойств с высокими показателями стойкости к растрескиванию в сульфидсодержащей среде, а также уменьшение скорости язвенной углекислотной коррозии в 10 и более раз по сравнению с применяемыми сталями.

Реализация результатов работы

Трубы из предложенной марки стали 15Х5МФБЧ испытывались на Во-зейском месторождении ООО «ЛУКОЙЛ-Коми» в нефтяной добывающей скважине № 1177. После 540 и 855 суток эксплуатации опытная подвеска не имела проявлений язвенной коррозии при содержании СОг в извлекаемом флюиде 350 мг/л. Средняя наработка насосно-компрессорных труб из используемых марганцовистых и хромомолибденовых сталей в этих условиях не превышает 230 суток.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены и обсуждались на международных научных конференциях: «Актуальные проблемы прочности» (Витебск, Беларусь, 2010, 2012 гг.), «Актуальные проблемы прочности» (Харьков, Украина 2011 г.), «Физика прочности и пластичности материалов» (Самара, Россия, 2012 г.), «Фазовые превращения и прочность кристаллов» (Черноголовка, Россия, 2012 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 19 печатных работ, из них 6 в изданиях, рекомендованных ВАК, и 3 патента РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы из 105 наименований и трех приложений. Работа изложена на 165 страницах основного текста, включает 42 рисунка и 7 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы; приведены цель и задачи исследования, научная новизна, практическая значимость; сформулированы положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ отечественных и зарубежных исследований, показаны основные направления в области повышения эксплуатационной надежности труб нефтяного сортамента.

Показано, что эксплуатируемые лифтовые колонны имеют малый срок эксплуатации, подвергаясь преждевременному разрушению. В зависимости от состава добываемой жидкости трубы разрушаются вследствие водородного растрескивания (обрыв) или из-за сквозной углекислотной язвенной коррозии. Средняя наработка до разрушения для скважин повышенной агрессивности месторождений: Крапивинское — 54 сут, Усинское — 83 сут, Мектебское -72 сут, Белозерско-Чубовское - 48 сут.

Несмотря на большой объем исследований по коррозионно-механи-ческому разрушению оборудования в нефтедобывающей промышленности, выполненный известными учеными Т. В. Тетюевой, В. И. Астафьевым, Р. К. Мелеховым, А. В. трейдером, И. С. Шпарбером и др., механизмы протекания углекислотной и бактериальной коррозий нефтегазопроводных труб в настоящее время достаточно не изучены. Задачи повышения стойкости сталей к углекислотной и бактериальной коррозиям остаются актуальными.

Повышение коррозионной стойкости лифтовых колонн в Нг8- и С02-со-держащих средах требует разработки и применения новых материалов. Для обеспечения разработки новых марок сталей насосно-компрессорных труб необходимо выявить причины и механизмы разрушения широко применяемых материалов и определить наиболее рациональные пути достижения требуемых эксплуатационных свойств насосно-компрессорных труб.

Сформулированы цель и задачи проведения работы.

Во второй главе приведены методика проведения промысловых испытаний, а также методики лабораторных исследований коррозионно-механи-ческого разрушения металла насосно-компрессорных труб.

В качестве объектов исследований использовали металл насосно-компрессорных труб из широко применяемых марок сталей 35Г2С и ЗОХМА, а также предлагаемой стали марки 15Х5МФБЧ. Химический состав, механические и коррозионные свойства широко применяемых марок сталей приведены в таблицах 1 и 2.

Выбор методов и средств исследований основан на необходимости получения информации о характере накопления повреждаемости металла объектов исследований при наводороживании под нагрузкой и при взаимодействии с диоксидом углерода.

Таблица 1 — Химический состав исследуемых сталей

Марка стали Содержание элементов, %

С Si Мп Cr Ni Cu Mo V Al s P

35Г2С* 0,36 0,48 1,46 - - - - - - 0,015 0,019

ЗОХМА** 0,32 0,27 0,50 0,91 0,12 0,17 0,15 0,03 0,031 0,005 0,007

* Сталь 35Г2С после контролируемой прокатки имеет высокую концентрацию удлиненных сульфидов.

** Сталь ЗОХМА после закалки и отпуска для глобуляризации неметаллических включений обработана кальцием.

Таблица 2 - Механические свойства металла исследуемых труб

Марка стали Норма- Группа прочности Одноосное растяжение Ударный изгиб, Дж/см2/ДВС*, % Твердость Стойкость к растрескиванию

тивный документ Св, МПа Со,2, МПа От/О, б5, % KCV +20°С KCV -40°С HRB Clh, % от О0,2 (NACE ТМ0177, метод А)

35Г2С ГОСТ633-80 д 646 511 0,79 24,3 63/10 36/0 92 60

ЗОХМА ТУ 1308-2060147016-2002 Лс** 791 712 0,90 20,8 227/100 208/100 100 75

* Доля вязкой составляющей.

** Трубы соответствуют группе прочности Л по ГОСТ 633-80, литера «с» означает: трубы повышенной коррозионной стойкости.

В работе использовались следующие методы исследований: - металлографический анализ и фрактографические исследования с помощью растровой электронной микроскопии (микроскоп фирмы «FEI», марки INSPECT S);

— локальный химический анализ (растровый электронный микроскоп, оснащенный микродисперсионным анализатором EDAX);

— дюриметрический анализ (микротвердомер ПМТ-3);

— механические испытания на статическое растяжение (разрывная машина фирмы «Tinius Olsen» Н50КТ), на ударную вязкость при отрицательных температурах (маятниковый копер фирмы «Zwick/Roell» BRA 342038306);

— фазовый рентгеноструктурный анализ (ДРОН-2);

— для имитации работы насосно-компрессорных труб в скважине с повышенным содержанием H2S цилиндрические образцы испытывали на установке «Cortest» аналогично испытаниям на стойкость к сульфидному коррозионному растрескиванию под напряжением (стандарт NACE ТМ0177). Для осложнения условий испытаний применяли дополнительный кольцевой надрез глубиной 0,6 мм и радиусом 0,2 мм на средней части рабочей поверхности цилиндрических образцов из стали 30ХМА;

— коррозионные испытания на стойкость к углекислотой коррозии (специальная методика с выдержкой образцов 120 часов в модельной среде, содержащей СОг в количестве 600 мг/л);

— промысловые испытания насосно-компрессорных труб в действующей скважине, добывающей продукцию с повышенным содержанием растворенных H2S и С02.

Для исследования поведения металла насосно-компрессорных труб в реальных условиях работы в скважине была разработана и внедрена специальная методика проведения промысловых испытаний, которая дает возможность использовать действующую скважину для проведения периодического мониторинга состояния насосно-компрессорных труб по глубине скважины в реальных условиях эксплуатации.

Третья глава посвящена исследованиям процессов накопления повреждаемости металла насосно-компрессорных труб при наводороживании под растягивающей нагрузкой и при углекислотной коррозии. На сталях 35Г2С и ЗОХМА исследовали металл труб до, в процессе и после коррозионных лабораторных и промысловых испытаний.

Коррозионно-механическое разрушение в средах с высоким содержанием H2S

Испытания образцов из стали 35Г2С на стойкость к растрескиванию в сульфидсодержащей среде в лабораторных условиях проводили по стандарту NACE ТМ0177, метод А, в установке «Cortest». Исследования проводили с применением методов металлографического и фрактографического анализа на продольных шлифах, а также на изломах, полученных внецентренным разрушением в плоскости прокатки труб или полученных в результате испытаний на одноосное растяжение.

Последовательность развития разрушения связана с проникновением водорода в металл, его молизацией на границе раздела «сульфид-матрица» с увеличением объема и образованием охрупченных зон пластической дефор-

мации - ловушек водорода (рисунок 1). В дальнейшем концентрация водородных ловушек в металле достигает критической величины, а локальное напряжение внутри ловушек приводит к образованию микротрещин. Охрупчен-ные участки от разных включений сливаются, возникают кластеры скольных или квазискольных фасеток, перерастающие в трещины БОШС, которые вызывают разрушение образца.

Рисунок 1 - Развитие трещины водородного растрескивания на удлиненных

сульфидах (сталь 35Г2С, лабораторные испытания): а - продольный металлографический шлиф; б - вид фасеток скола на удлиненном сульфиде (внецентренный излом); в - вид удлиненных сульфидов (внецентренный излом);

г - вид установки «Cortest»; д - объединение зон пластической деформации (внецентренный излом); е - трещина SOHIC на внецентренном изломе вдоль направления прокатки образца, выдержка 600 ч. (aj - направление приложенной нагрузки при испытаниях на установке «Cortest»)

Для сравнения с результатами лабораторных исследований была отобрана аварийная насосно-компрессорная труба из стали 35Г2С, оборвавшаяся по телу после 150 суток эксплуатации в скважине с повышенным содержанием H2S (таблица 3, скважина № 1).

Таблица 3 - Физико-химические характеристики извлекаемого флюида скважин

Номер рн н2о, р при 20°С, г/см3 со2, H2S, Ионный состав, мг/л

скважины % об. мг/л мг/л S042" СГ НСОз" Са2+ Mg2+ Na++K+

1 6,3 86 1,04 12 365 183 15765 770 4600 1581 16007

2 6,1 90 1,05 10 400 217 13987 813 4800 1673 15542

Под основной трещиной в области вторичных трещин БОШС на удлиненных сульфидах выявлены зоны пластической деформации (рисунок 2). Установлено, что механизм процесса водородного растрескивания стали 35Г2С в лабораторных и в реальных условиях эксплуатации имеет идентичный характер.

Необходимо отметить, что наблюдаемый механизм развития растрескивания в сульфидсодержащей среде был впервые описан в работах профессора Л. Р. Ботвиной в 1990 г., основанных на лабораторных и промысловых испытаниях, и полностью соответствует нашим наблюдениям развития разрушения как при лабораторном моделировании, так и в реальных условиях эксплуатации.

Рисунок 2 - Аварийная труба из стали 35Г2С: а - вторичные водородные трещины, параллельные плоскости основной трещины (металлографический шлиф); 6 - вид фасетки скола, образовавшейся на удлиненном сульфиде

(внецентренный излом)

Испытания образцов из стали ЗОХМА на стойкость к растрескиванию в сульфидсодержащей среде проводили по стандарту NACE ТМ0177, метод А, но использовали образцы с дополнительным кольцевым надрезом глубиной 0,6 мм и радиусом 0,2 мм в средней части рабочей поверхности, что позволило сделать условия испытаний более напряженными.

Образцы выдерживали различные промежутки времени при а = 0,6ов (где ав - временное сопротивление разрыву при растяжении образца с надрезом). После выдержки проводили испытания образцов на растяжение и фрактогра-фический анализ изломов.

Установлено, что с увеличением времени выдержки до 720 часов вокруг неметаллических включений округлой формы происходит образование квазихрупких участков «рыбьих глаз», повышение плотности квазисколов и образование так называемого «мозгового рельефа» в виде квазихрупких фасеток, что свидетельствует об охрупчивании стали (рисунок 3).

Аналогичные фасетки скола в виде квазихрупких участков вокруг неметаллических включений типа «рыбий глаз» характерны для изломов труб из стали ЗОХМА после эксплуатации в течение 750 суток в скважине, продукция

которой характеризуется повышенным содержанием H2S (см. таблицу 3, скважина № 2).

Рисунок 3 — Изменение структуры металла на внецентренных изломах образцов из стали ЗОХМА после выдержки на установке «Cortest» (с = 0,6св) и испытаний на растяжение: а - исходное состояние, вязкие ямки вокруг неметаллических включений; 6-160 часов, квазихрупкая округлая фасетка; в - 320 часов, повышение плотности квазисколов; г - 720 часов, объединение квазискольных фасеток в один рельеф

Образование участков квазихрупкого разрушения свидетельствует о существенном изменении свойств металла в процессе эксплуатации. Сталь ЗОХМА, которая считается стойкой к растрескиванию в сульфидсодержащей среде (по стандарту NACE ТМ 0177), также подвержена изменению прочностных и вязкопластических свойств при эксплуатации под нагрузкой в серо-водородсодержащей среде.

Таким образом, установлено, что лабораторные испытания позволяют моделировать процессы развития коррозионных повреждений, происходящих в металле лифтовых колонн насосно-компрессорных труб в нефтяных скважинах.

Коррозионно-механическое разрушение в средах с высоким содержанием С02

Проведен сравнительный анализ процессов коррозионного разрушения труб из сталей 35Г2С и ЗОХМА при лабораторных испытаниях и эксплуатации в средах с повышенным содержанием диоксида углерода.

После 120 ч выдержки в модельной среде, насыщенной СОг, образцы из стали 35Г2С покрылись равномерным рыхлым слоем продуктов коррозии толщиной 60-70 мкм. Расчетная скорость коррозии составляет 5,1 мм/год. Продукты коррозии представляли собой карбонат железа (РеС03) и цементит (Ре3С). Пластинки цементита, входившие в состав перлитных зерен, сохранили свою форму и взаимное месторасположение. Слой продуктов коррозии рыхлый, в нем много пор, трещин и расслоений, т.е. слой карбонатов железа подвержен деструкции в процессе выдержки в С02. Продукты коррозии легко разрушаются, и могут образовываться язвы по электрохимическому механизму, но при лабораторных испытаниях язвенная коррозия не проявляется.

Слой продуктов коррозии, образовавшийся на поверхности образцов на-сосно-компрессорных труб из стали ЗОХМА после выдержки в среде, насыщенной СОг, в течение того же времени, что и 35Г2С, отличается по строению от слоя на стали 35Г2С. Он более плотный, с хорошей адгезией к поверхности образца. Толщина слоя составляет от 15 до 30 мкм. Скорость общей коррозии стали ЗОХМА равна 2,2 мм/год, что в 2 раза ниже, чем стали 35Г2С в тех же условиях.

Коррозионный слой состоит из карбонатов железа и насыщен хромом до 4 %. Хром образует рентгеноаморфную фазу, по литературным источникам состава Сг(ОН)3, обладающую катионной селективностью. Продукты коррозии такого типа препятствуют проникновению ионов С032~ , НС03~ и СГ, тем самым снижая скорость развития коррозионных процессов.

Для исследований особенностей углекислотной коррозии в реальных условиях нефтепромыслов была отобрана насосно-компрессорная труба из стали 35Г2С, вышедшая из строя из-за сквозной язвенной коррозии после 120 суток эксплуатации в скважине с повышенным содержанием СОг (таблица 4, скважина № 1). Скорость язвенной коррозии превышала 15 мм/год, что в 3 раза выше скорости общей коррозии в лабораторных условиях. В продуктах коррозии преобладали карбонат (РеСОз) и гидрооксид (аРеООН) железа.

Таблица 4 - Физико-химические характеристики извлекаемого флюида скважины

Номер скважины/марка стали рн н2о, % р при 20°С, г/см3 СОз, мг/л Н28, мг/л Ионный состав, мг/л

8042~ СГ НСОз" Са2+ м82+ Ыа++К+

Скважина № 1/ 35Г2С 6,4 90 1,03 308 23 388 10730 388 6400 1920 16358

Скважина № 2/ ЗОХМА 6,5 93 1,02 350 20 215 12640 410 4800 1730 14981

Локальная коррозия на трубах представлена отдельными мелкими язвами или объединившимися крупными язвами, частично заполненными продуктами коррозии. Продукты коррозии в язвах гораздо более рыхлые, по сравнению со слоем продуктов коррозии вне язв, содержат большое количество пустот, что обусловлено большей интенсивностью растворения железа в язвах, чем при общей коррозии (рисунок 4,а,б). На некоторых участках сохраняется

только «карбидный каркас» исходной структуры металла, состоящий из пластинок цементита.

Рисунок 4 - Сечение язв и слоя продуктов углекислотной коррозии в язвах, образовавшихся на поверхности труб 073><5,5 мм из сталей 35Г2С (а, б) и ЗОХМА (е, г) при эксплуатации в скважинах с концентрацией С02 308 мг/л и 350 мг/л соответственно

Таким образом, образовавшиеся на внутренней поверхности труб продукты коррозии сходны по строению с продуктами, сформировавшимися на образцах из стали 35Г2С в процессе лабораторных испытаний. Они представляют собой слой карбонатов железа, содержащий пластины цементита и неметаллические включения, унаследованные от исходной структуры металла. Процессы С02-коррозии могут приводить к образованию и росту язв, их объединение может привести к обрыву колонны насосно-компрессорных труб.

Внутренняя поверхность насосно-компрессорной трубы из стали ЗОХМА после 105 суток эксплуатации в скважине с содержанием С02 350 мг/л (см. таблицу 4, скважина № 2) покрыта слоем темно-коричневых отложений толщиной 300 мкм. Продукты коррозии на внутренней поверхности трубы представлены следующими фазами: РеС03, РеООН. На внутренней поверхности трубы, свободной от язв, слой продуктов коррозии по строению и составу аналогичен полученному в лабораторных условиях (рисунок 5,а,б). Как и после лабораторных испытаний, максимальная концентрация хрома достигает 4 % (рисунок 5,в), который, вероятно, входит в состав аморфной фазы Сг(ОН)з.

Обнаружены повреждения в виде язв глубиной до 3,5 мм и диаметром до 13 мм. С учетом глубины обнаруженных язв максимальная скорость язвенной коррозии составила 12 мм/год, а скорость общей коррозии на участках без язв -1 мм/год.

Слой коррозионных отложений в язве состоит из карбонатов железа (РеСОз) и сохранившейся от исходной структуры металла карбидной составляющей. В слое продуктов коррозии наблюдается большое количество трещин, снижающих защитные свойства слоя карбонатов железа, так как способствуют проникновению транспортируемой среды к поверхности металла под продуктами коррозии (см. рисунок 4,в,г).

Рисунок 5 - Продукты коррозии на поверхности трубы 073><5,5 мм из стали ЗОХМА после 105 суток эксплуатации в скважине № 2 (см. таблицу 4): а, б- общий вид строения продуктов коррозии; в - распределение хрома по толщине слоя

Таким образом, используемые в настоящее время для производства на-сосно-компрессорных труб марганцовистые и хромомолибденовые стали не обладают стойкостью к язвенной углекислотной коррозии. Требуется новый подход к решению этой проблемы.

Четвертая глава посвящена разработке новой марки стали для изготовления насосно-компрессорных труб, обладающих повышенной стойкостью в средах, содержащих высокую концентрацию Н28 и С02, а также комплексом высоких механических свойств.

Исследования, проведенные в ООО «Самарский инженерно-технический центр», и анализ литературных источников показали, что легирование стали хромом в количестве 5 % значительно снижает скорость углекислотной коррозии, которая не превышает 0,5 мм/год. Сталь 15Х5М (5 % Сг, 1 % Мо), известная как жаростойкая, с высокими механическими свойствами была выбрана в качестве базовой для разработки новой стали, способной обеспечить повышенную работоспособность и надежность насосно-компрессорных труб в средах высокой агрессивности.

Сталь 15Х5М дополнительно микролегировали V и МЬ в количестве до ОД %, что позволило измельчить зерно и повысить прочность за счет выделения карбонитридов этих элементов. Для глобуляризации неметаллических включений и повышения коррозионной стойкости сталь была также модифицирована редкоземельными металлами (РЗМ) в количестве 30 ррт. В результате введения РЗМ сформировались равномерно распределенные по металлу округлые неметаллические включения размером 2-3 мкм, состоящие из двух фаз: оксида РЗМ и сульфида Са8.

Химический состав запатентован, и стали присвоена марка 15Х5МФБЧ на производство насосно-компрессорных труб, разработаны ТУ 14-148-124 (таблица 5). Сталь выплавлена на ОАО «Мечел», из нее изготовлены горячекатаные трубы 073x5,5 мм, прокатанные по обычной технологии на ОАО «Первоуральский новотрубный завод».

Таблица 5 - Химический состав стали 15Х5МФБЧ

Содержание элементов, %

С Мп Сг № Си Мо V ЫЬ А1 8 Р

0,14 0,37 0,70 4,52 0,08 0,08 0,44 0,08 0,06 0,05 0,007 0,007

Наличие высоких прочностных и вязкопластических свойств в сложноле-гированной стали 15Х5МФБЧ определяется составом, дисперсностью и распределением карбидных выделений, формирование которых при различных режимах термической обработки исследуется в работе.

Сталь 15Х5МФБЧ обладает повышенной устойчивостью переохлажденного аустенита и соответственно бейнитной прокаливаемостью. Сравнительный металлографический анализ показал, что после нормализации и закалки из аустенитной области микроструктуры стали мало отличаются и представляют собой колонии бейнита. Для уменьшения уровня остаточных напряжений была выбрана нормализация от 900 °С с охлаждением водовоздушной смесью (ВВС). Микроструктура стали 15Х5МФБЧ после нормализации и охлаждения водовоздушной смесью (рисунок 6) состоит из верхнего и нижнего бейнита.

Рисунок 6 - Микроструктура металла после нормализации от 900 °С с охлаждением водовоздушной смесью

Нормализованные образцы-патрубки длиной 250 мм подвергали высокотемпературному отпуску (линия Ас, - 820 °С) при 680, 720, 730, 740, 760, 770 и 780 °С в течение 1 часа в лабораторной муфельной печи. Точность поддержания температуры в печи составляла ±5 °С.

Механические свойства и коррозионная стойкость металла труб после отпуска при разных температурах приведены в таблице 6.

Таблица 6 - Зависимость механических и коррозионных свойств стали 15Х5МФБЧ от температуры отпуска

Технология термообработки Ов, МПа <*0,2, МПа СО,2 / Св, §5, % KCV-40 °С, кДж/м2 K-lssc, МПа-мш Oth, ОТ Оо,2, %

Закалка 900 °С 1321 855 0,65 13,5 0,5 - -

Закалка 900 °С + отпуск 680 °С 770 675 0,88 17,0 165 11,5 60

Закалка 900 °С + отпуск 720 °С 725 625 0,86 18,5 210 26,5 75

Закалка 900 °С + отпуск 730°С 720 605 0,84 20,5 245 31,5 80

Закалка 900 °С + отпуск 740 °С 675 555 0,82 20,5 270 28,5 80

Закалка 900 °С + отпуск 760 °С 645 515 0,80 22,5 320 30,5 -

Закалка 900 °С + отпуск 770 °С 615 470 0,76 22,5 300 31,5 -

Закалка 900 °С + отпуск 780 °С 595 445 0,75 24,5 355 31,0 -

При повышении температуры отпуска от 680 до 780 °С наблюдается постепенное снижение прочностных и рост пластических характеристик, что обусловлено уменьшением плотности дефектов в ферритной матрице и увеличением доли рекристаллизованных зерен.

После отпуска при 680 °С в структуре стали 15Х5МФБЧ выявлены легированные хромом карбиды цементитного типа Ме3С и УС. Повышение температуры отпуска до 720 °С стимулирует коалесценцию легированного хромом цементита и образование карбидов Ме7С3 на месте растворения карбидов цементитного типа Ме3С. В результате отпуска при 730 °С фазовый состав карбидной составляющей не изменяется. Увеличивается доля рекристаллизованных зерен. Вследствие повышенной стабильности микроструктуры не происходит резких скачков прочностных и вязкопластических характеристик. Металл имеет однородную мелкозернистую ферритно-карбидную структуру. Преимущественно наблюдаются карбиды (Ме7С3) удлиненной формы и мелкодисперсные карбиды УС (рисунок 7). При этом сохраняется незначительное количество округлых карбидов Ме3С. На границах бывшего аустенитного зерна начинается зарождение и последующий рост новых рекристаллизованных зерен феррита.

п1*

Рисунок 7 - Микроструктура металла труб из стали 15Х5МФБЧ и дифракционный состав карбидов после нормализации + отпуск 720-730 °С: а - растровая микроскопия; б, в- электронная микроскопия на просвет; г, д - дифракционная картина карбидов УС и Ме7С3

Дальнейшее повышение температуры отпуска в интервале 740-780 °С приводит к стабилизации карбидной фазы. В структуре стали уменьшается количество карбидных частиц Ме7С3 и наблюдается выделение и коалесцен-ция частиц Ме2зС6. Повышение относительного удлинения и ударной вязкости в исследуемом интервале температур отпуска происходит из-за снижения плотности дефектов и увеличения доли рекристаллизованного феррита.

Таким образом, режим термической обработки (нормализация 900 °С + отпуск 730 °С) для стали 15Х5МФБЧ обеспечивает наиболее высокие показатели по механическим свойствам и стойкости к растрескиванию в сульфидсо-держащей среде (см. таблицу 6).

Опытную партию насосно-компрессорных труб из стали 15Х5МФБЧ, термообработанных по выбранным режимам (нормализация 900 °С + отпуск 730 °С), подвергали дополнительным лабораторным и промысловым испытаниям.

Лабораторные испытания на стойкость к углекислотной коррозии показали, что после выдержки 600 ч в С02-насыщенной среде (600 мг/л) на образцах из стали 15Х5МФБЧ образовался тонкий равномерный слой продуктов коррозии с хорошей адгезией к поверхности металла. Толщина слоя достигает

30 мкм. Скорость коррозии за указанный срок выдержки составила 0,4 мм/год. Слой продуктов коррозии состоит из карбоната железа (РеСОз) и рентгеноаморфной фазы. В составе продуктов коррозии обнаружены также карбиды хрома Сг7С3. Продукты коррозии содержат до 40 % хрома, который предположительно входит в состав Сг(ОН)3.

В промысловых испытаниях опытной партии насосно-компрессорных труб из стали 15Х5МФБЧ в скважине с повышенным содержанием С02 350 мг/л в течение 540 суток скорость коррозии составила 0,25 мм/год. Язвенной коррозии не выявлено. При этом насосно-компрессорные трубы из стали 35Г2С предшествующей подвески, работавшей в этой же скважине, вышли из строя по причине сквозной язвенной коррозии за 129 суток. Скорость язвенной коррозии превышала 10 мм/год.

Продукты коррозии на насосно-компрессорных трубах из стали 15Х5МФБЧ представлены тонким плотным слоем темно-коричневого цвета, состоящим из карбонатов железа (ТеСОз), метагидрооксида (аРеООН) и рентгеноаморфной фазы, предположительно Сг(ОН)з. Как и в лабораторных условиях зафиксировано обогащение продуктов коррозии хромом до 40 % и молибденом до 5 % (рисунок 8).

а) б)

Рисунок 8 - Продукты коррозии на насосно-компрессорных трубах из стали 15Х5МФБЧ после 540 суток эксплуатации в скважине

с содержанием С02 350 мг/л: а - сечение слоя; б - распределение хрома, молибдена и кислорода по толпщне слоя продуктов коррозии

Сравнительный анализ работоспособности лифтовых подвесок насосно-компрессорных труб из разных марок сталей показал, что использование стали 15Х5МФБЧ уменьшает в десятки раз скорость локальной коррозии по сравнению с обычно используемыми сталями 35Г2С и ЗОХМА (рисунок 9).

35Г2С ЗОХМА 15Х5МФБЧ

Шрцсгалк

Рисунок 9 - Скорость углекислотной коррозии насосно-компрессорных труб из различных марок стали в средах с высоким содержанием С02.

(Промысловые испытания, С02= 350 мг/л)

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Используемые в настоящее время для производства насосно-ком-прессорных труб марганцовистые и хромомолибденовые стали не обладают достаточной стойкостью к язвенной углекислотной коррозии, что проявляется в характере разрушения и низком сроке эксплуатации лифтовых колонн.

2. Установлено, что механизм развития процесса сульфидного коррозионного растрескивания под напряжением стали 35Г2С в лабораторных и реальных условиях эксплуатации имеет идентичный характер: преимущественное накопление водородной повреждаемости у удлиненных сульфидных включений, молизация водорода на границе «сульфид-матрица» и образование хрупких зон (преимущественно у вершин сульфидов), объединение охрупченных зон и образование микротрещин, а затем и макротрещин 80Н1С.

3. Сталь ЗОХМА после закалки и отпуска с округлыми неметаллическими включениями, считающаяся стойкой к растрескиванию в сульфидсодер-жащей среде, также подвержена изменению прочностных и вязкопластиче-ских свойств при выдержке под нагрузкой в сероводородсодержащей среде.

4. Показано, что повышение содержания хрома до 5 % и дополнительное легирование стали ванадием, ниобием и модифицирование редкоземельными металлами обеспечивают как высокую коррозионную стойкость к сульфидному коррозионному растрескиванию под напряжением и углекислотной коррозии, так и повышение механических свойств.

5. Предложенные режимы термической обработки насосно-компрес-сорных труб из стали 15Х5МФБЧ (нормализация 900 °С + отпуск 730 °С) обеспечивают сочетание высоких механических свойств и коррозионной стойкости к растрескиванию в сульфидсодержащей среде и углекислотной

коррозии. При этом достигнуты показатели (рв = 720 МПа, а0>2 = 625 МПа, 35= 20,5 %, КСУ = 245 Дж/м2, К,550 = 31,5 МПа-м1/2, <тЛ = 0,8ао,2), значительно превышающие аналогичные показатели для насосно-компрессорных труб из сталей 35Г2С и 30ХМА.

6. Промысловые испытания насосно-компрессорных труб из разработанной стали 15Х5МФБЧ в нефтяной скважине с высоким содержанием углекислого газа (350 мг/л) в транспортируемой среде в течение 540 суток не выявили развития язвенной углекислотной коррозии. Наработка опытных насосно-компрессорных труб превысила среднюю наработку труб из широко применяемых марок сталей системы легирования Ре-Мп-Б! (35Г2С) и Ре-Сг-Мо (30ХМА) в 3,5 раза.

7. Скорость язвенной углекислотной коррозии, являющейся основной причиной разрушения насосно-компрессорных труб в С02-содержащих средах, у предлагаемой стали 15Х5МФБЧ в 10 и более раз меньше, чем у используемых сталей 35Г2С и 30ХМА.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ

1. Князькин, С. А. Влияние легирования хромом на развитие коррозион-но-механического разрушения нефтепроводных труб в месторождениях с высокой агрессивностью транспортируемых сред / А. В. Иоффе, В. А. Ревя-кин, Е. А. Борисенкова, С. А. Князькин // ВЕКТОР НАУКИ Тольятганского государственного университета. - 2010. -№ 4 (14). - С. 47-^19.

2. Князькин, С. А. Особенности коррозионного разрушения нефтегазо-проводных труб в условиях эксплуатации Коми и Западной Сибири / А. В. Иоффе, В. А. Ревякин, Е. А. Борисенкова, С. А. Князькин // ВЕКТОР НАУКИ Тольятганского государственного университета. - 2010. — № 4 (14). -С. 50-53.

3. Князькин, С. А. Коррозионно-механическое разрушение насосно-ком-прессорных труб углеродистых и легированных сталей при эксплуатации в средах, содержащих сероводород / А. В. Иоффе, Т. В. Тетюева, М. А. Вы-бойщик, С. А. Князькин, А. О. Зырянов // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2012. - № 10. - С. 4-9.

4. Князькин, С. А. Особенности коррозионного разрушения насосно-компрессорных труб при эксплуатации в средах с повышенным содержанием углекислого газа / С. А. Князькин, А. В. Иоффе, М. А. Выбойщик, А. О. Зырянов // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2012. - № 10. -С. 10-14.

5. Князькин, С. А. Влияние модифицирования, микролегирования и термической обработки на коррозионную стойкость и механические свойства стали 15Х5М / Т. В. Тетюева, А. В. Иоффе, М. А. Выбойщик, С. А. Князькин,

Е. А. Трифонова, А. О. Зырянов // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2012. -№ 10. - С. 15-22.

6. Князькин, С. А. Коррозионно-механическое разрушение трубных сталей в процессе эксплуатации / А. В. Иоффе, Т. В. Тетюева, В. А. Ревякин, Е. А. Борисенкова, С. А. Князькин, Т. В. Денисова // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2012. - № 10. - С. 22-28.

Публикации в других изданиях

7. Князькин, С. А. Формирование карбидной фазы при отпуске хромо-молибденовых сталей / М. А. Выбойщик, А. В. Иоффе, С. А. Князькин, Е. А. Трифонова // Актуальные проблемы прочности : материалы 51-й Междунар. конф.-Харьков, 2011.-С. 374.

8. Князькин, С. А. Влияние легирования хромом и молибденом на коррозионную стойкость нефтепромысловых труб / А. В. Иоффе, М. А. Выбойщик, Е. А. Борисенкова, С. А. Князькин // Актуальные проблемы прочности : сб. материалов. - Витебск, 2010. - Ч. 2. - С. 195-197.

9. Князькин, С. А. Особенности развития коррозионной повреждаемости нефтепроводных труб при эксплуатации в условиях Западной Сибири / А. В. Иоффе, М. А. Выбойщик, Е. А. Борисенкова, С. А. Князькин // Актуальные проблемы прочности : сб. материалов. - Витебск, 2010. - Ч. 2. -С. 197-199.

10. Князькин, С. А. Влияние модифицированного РЗМ на коррозионную стойкость низколегированных сталей / А. В. Иоффе, Т. В. Денисова, А. О. Зырянов, Е. А. Борисенкова, С. А. Князькин // Актуальные проблемы прочности : сб. материалов 50-го Междунар. симп. - Витебск, 2010. - Ч. 2. -С. 201-202.

11. Князькин, С. А. Коррозионно-механическое разрушение насосно-компрессорных труб при эксплуатации в Н28-содержащих средах / А. В. Иоффе, М. А. Выбойщик, С. А. Князькин, А. О. Зырянов // Физика прочности и пластичности материалов : сб. тез. XVIII Междунар. конф. - Самара, 2012. -С. 127-128.

12. Князькин, С. А. Коррозионно-механическое разрушение насосно-компрессорных труб при эксплуатации в средах с повышенным содержанием углекислого газа / А. В. Иоффе, М. А. Выбойщик, С. А. Князькин, А. О. Зырянов // Физика прочности и пластичности материалов : сб. тез. XVIII Междунар. конф. - Самара, 2012. - С. 128-129.

13. Князькин, С. А. Влияние модифицирования, микролегирования и термической обработки на коррозионную стойкость и механические свойства стали 15Х5М / А. В. Иоффе, Т. В. Тетюева, М. А. Выбойщик, С. А. Князькин, Е. А. Трифонова, А. О. Зырянов // Физика прочности и пластичности материалов : сб. тез. XVIII Междунар. конф. - Самара, 2012. - С. 130-131.

14. Князькин, С. А. Разработка стали для изготовления насосно-ком-прессорных труб высокой работоспособности в коррозионно-активных сре-

дах/ А. В. Иоффе, М. А. Выбойщик, С. А. Князькин, А. О. Зырянов // Физика прочности и пластичности материалов : сб. тез. XVIII Междунар. конф. - Самара, 2012. - С.132.

15. Князькин, С. А. Влияние термической обработки на механические и коррозионные свойства стали 15Х5МФБЧ / А. В. Иоффе, Т. В. Тетюева, М. А. Выбойщик, С. А. Князькин, Е. А. Трифонова, А. О. Зырянов // Актуальные проблемы прочности : сб. материалов 53-й Междунар. науч. конф. - Витебск, 2012. - С. 27.

16. Князькин, С. А. Влияние термической обработки на механические и коррозионные свойства стали 15Х5МФБЧ / А. В. Иоффе, Т. В. Тетюева, М. А. Выбойщик, С. А. Князькин, Е. А. Трифонова, А. О. Зырянов // Фазовые превращения и прочность кристаллов : сб. тез. VII Междунар. конф. — Черноголовка, 2012. - С. 197.

Патенты РФ

17. Пат. 2361958 Российская Федерация, МПК С22С38/С26. Коррозионно-стойкая сталь для магистральных и промысловых нефтепродук-топроводов / Иоффе А. В., Денисова Т. В., Тетюева Т. В., Князькин С.А. [и др.] ; патентообладатель ОАО «Северсталь». - № 2007134119/02 ; заявл. 12.09.07.; опубл. 29.11.2011.

18. Пат. 89162 Российская Федерация, МПК Е21В 17/00. Элетросварная коррозионно-стойкая труба для нефтяных скважин / Иоффе А. В., Тетюева Т. В., Князькин С. А. [и др.]; патентообладатель ООО «Самарский ИТЦ». -№ 2009129026 ; заявл. 27.07.2009 ; опубл. 27.11.2009.

19. Пат. 95780 Российская Федерация, МПК F16L9/02. Бесшовная труба для транспортировки нефтепромысловых сред / Иоффе А. В., Князькин С. А., Тетюева Т. В. [и др.] ; патентообладатель ООО «Восток-Азия». -№ 2010110074/22; заявл. 17.03.2010 ; опубл. 10.07.2010.

Научное издание

Князькин Сергей Александрович

ВЫБОР СОСТАВА И СТРУКТУРЫ СТАЛИ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НАСОСНО-КОМПРЕССОРНЫХ ТРУБ С ПОВЫШЕННЫМИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

Специальность 05.16.09 - Материаловедение (машиностроение)

Редактор Т. В. Веденеева Технический редактор М. Б. Жучкова Компьютерная верстка М. Б. Жучковой

Подписано в печать 25.02.13. Формат 60х84'/16. Усл. печ. л. 1,16. Тираж 100. Заказ № 002089.

Издательство ПГУ. 440026, Пенза, Красная, 40. Тел./факс: (8412) 56-47-33; е-таП:пс@рп2§и.ги

Министерство образования и науки Российской Федерации ГОУ ВТТО «Тольяттинский государственный университет»

' ВЫБОР СОСТАВА И СТРУКТУРЫ СТАЛИ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НАСОСНО-КОМПРЕССОРНЫХ ТРУБ С ПОВЫШЕННЫМИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

Специальность 05.16.09 - Материаловедение (машиностроение)

На правах рукописи

Князькин Сергей Александрович

О 00

Научный руководитель:

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

доктор физ.-мат. наук, профессор Выбойщик М.А.

Тольятти - 2013 г.

СОДЕРЖАНИЕ стр.

Введение................................................................................................................5

1. Анализ состояния вопроса и задачи исследования............................11

1.1. Разрушение низкоуглеродистых микролегированных сталей в сероводородсодержащих средах................................................................................11

1.1.1. Изменение характеристик сталей при взаимодействии с сероводородом............................................................11

1.1.2. Влияние химического состава на прочность и коррозионную стойкость сталей в сероводородсодержащих средах..............................................................21

1.1.3. Влияние микроструктуры и неметаллических включений на процесс сероводородного растрескивания

сталей..........................................................................................................26

1.2. Особенности разрушения низкоуглеродистых микролегированных сталей в средах с повышенным содержанием углекислоты..................................................................................................................36

Выводы. Цель и задачи исследований.......................................................................51

2. Объекты и методы исследования...........................................................53

2.1. Исследуемые материалы.....................................................................................53

2.2. Методы лабораторных исследований................................................................53

2.2.1. Металлографиче ские исследования............................................53

2.2.2. Фрактографические исследования...............................................54

2.2.3. Измерение механических свойств...............................................55

2.2.4. Коррозионные испытания.............................................................56

2.2.5. Рентгеноструктурный анализ.......................................................62

2.2.6. Локальный спектральный анализ.................................................63

2.2.7. Дюриметрические исследования.................................................66

2.3. Методы проведения промысловых испытаний................................................67

Выводы..........................................................................................................................73

3. Сравнительный анализ результатов эксплуатации насосно-компрессорных труб с данными лабораторного моделирования..................................................................................................74

3.1. Среды с высоким содержанием сероводорода.................................................74

3.1.1. Лабораторные испытания стали 35Г2С на стойкость к растрескиванию в сульфидсодержащей среде 74

3.1.2. Исследование аварийной трубы из стали 35Г2С

после эксплуатации в среде, насыщенной Н28.......................................77

3.1.3. Лабораторные испытания стали ЗОХМА на стойкость к растрескиванию в сульфидсодержащей среде 81

3.1.4. Промысловые испытания труб из стали ЗОХМА.......................83

Выводы.......................................................................................................85

3.2. Среды с высоким содержанием углекислоты...................................................85

3.2.1. Лабораторные коррозионные испытания стали

35Г2С..........................................................................................................85

3.2.2. Лабораторные коррозионные испытания стали

ЗОХМА........................................................................................................90

3.2.3. Промысловые испытания труб из стали 35Г2С..........................92

3.2.4. Промысловые испытания труб из стали ЗОХМА.......................97

Выводы.....................................................................................................101

4. Разработка сталей для изготовления насосно-компрессорных труб, повышенной работоспособности в

средах с высокой коррозионнойагрессивностью.....................................102

4.1 Предложения по повышению долговечности лифтовых колон при эксплуатации в скважинах, среды которых могут одновременно вызывающих язвенную углекислотную коррозию и разрушение (обрыв) из-за растрескивания в сульфидсодержащей

среде............................................................................................................................102

4.2 Выбор режимов термической обработки стали 15Х5МФБЧ........................106

4.3. Лабораторные испытания стали 15Х5МФБЧ в среде насыщенной диоксидом углерода............................................................................112

4.4. Промысловые испытания опытной подвески труб из стали 15Х5МФБЧ в скважине с повышенным содержанием диоксида

углерода.......................................................................................................................114

4.5. Расчет экономической эффективности применения труб из

стали 15Х5МФБЧ.......................................................................................................120

Выводы........................................................................................................................123

Заключение......................................................................................................124

Список использованной литературы.........................................................126

Приложение А. ТУ 14-158-24........................................................................140

Приложение Б. Материалы патентов.........................................................148

Приложение В. Акты использования результатов работы..................161

ВВЕДЕНИЕ

В последнее время степень коррозионной активности нефтепромысловых сред повсеместно увеличилась, что привело к существенному снижению средней наработки лифтовых колонн, собранных из насосно-компрессорных труб (НКТ) по ГОСТ633 и ГОСТ Р 53366-2009. Например, в скважинах месторождений ОАО «Томскнефть» ВНК и ООО «РН-Ставропольнефтегаз» в 5 и более раз. Бытующее предположение, что это связано с ухудшением качества труб, не соответствуют результатам коррозионных испытаний. Основная причина преждевременных отказов - коррозионно-механическое разрушение, обусловленное повышением агрессивности извлекаемого флюида, т.е. его физико-химическими характеристиками. К факторам, определяющим коррозионную активность промысловых сред, относятся:

- высокая обводненность продукции скважин;

- наличие С02 в газе и растворенной углекислоты в водной фазе;

- наличие механических примесей, состоящих из песка и отслоившихся с поверхности труб продуктов коррозии и окалины;

- образование осадков солей железа и кальция на поверхности лифтовой колонны;

- наличие Н28 реликтового или биогенного происхождения.

Основным фактором, определяющим преобладающий механизм и кинетику развития коррозионно-механического разрушения труб нефтяного сортамента, является концентрация растворенных газов углекислоты и сероводорода.

Участились случаи негерметичности лифтовых колонн НКТ по причине сквозной язвенной коррозии по телу и по резьбовым соединениям. Трубы разрушаются в течение двух месяцев, например на месторождениях ОАО «Томскнефть» ВНК, ООО «РН-Ставропольнефтегаз» и пр. Кроме того, в скважинах указанных предприятий происходят катастрофические разрушения с обрывом лифтовых колонн (полеты) в результате критического утонения стенки

труб и муфт из-за углекислотной язвенной коррозии. Также случаются полеты эксплуатационных подвесок, разрушающихся по механизму сульфидного коррозионного растрескивания под напряжением, например на месторождениях ООО «ЛУКОЙЛ-Коми».

Для повышения коррозионной стойкости насосно-компрессорных труб необходима разработка и применение новых материалов. Основой таких разработок является анализ причин, механизма и кинетики развития разрушения широко применяемых материалов. Выявление факторов, определяющих низкую долговечность применяемых НКТ, определит пути решений по разработке новых сталей, значительно более стойких в условиях эксплуатации в средах высокой агрессивности.

Сегодня российская трубная промышленность продолжает поставлять нефтяникам насосно-компрессорные трубы по ГОСТ633-80 и ГОСТ Р 533662009. В наиболее дешевом исполнении трубы поставляются из сталей системы легирования Ре-М§-81, преимущественно низких групп прочности (Д, К), без специальных требований к выплавке. К НКТ относятся как к расходному материалу, что совершенно не оправдано экономически, учитывая стоимость ремонтных работ и потерь в добыче нефти.

За последнее десятилетие в связи с увеличением объема добычи нефти и газа с высоким содержанием коррозионно-активных компонентов (сероводорода и обычно сопутствующей ему двуокиси углерода) расширились исследования по разработке и производству трубных сталей со специальными свойствами.

Несмотря на относительно большой объем исследований по сульфидному коррозионному растрескиванию под напряжением и углекислотной коррозии проблемы повышения коррозионной стойкости стальных труб при совместном воздействии этих двух видов наиболее опасного коррозионно-механического разрушения остаются нерешенными и являются актуальными. Необходима разработка новых сталей повышенной коррозионной стойкости для производства

в первую очередь насосно-компрессорных труб, работающих в наиболее жестких условиях современных месторождений.

Таким образом, на основании проведенного анализа поставлена цель работы.

Повышение эксплуатационных характеристик насосно-компрессорных труб на основе выбора состава и структуры стали, увеличивающих их прочность и коррозионную стойкость.

Указанная цель работы достигается при решении следующих задач:

1. Разработать методику периодического мониторинга состояния насосно-компрессорных труб по глубине скважины в условиях реальной эксплуатации.

2. Провести сравнительный анализ процессов накопления повреждаемости используемых в настоящее время НКТ при лабораторных и промысловых испытаниях в средах, насыщенных Н2Б и С02.

3. Определить рациональный состав стали, обеспечивающий высокую коррозионную стойкость к растрескиванию в сульфидсодержащей среде и углекислотной коррозии.

4. Выбрать режимы термической обработки НКТ, обеспечивающие сочетание высоких механических свойств и коррозионной стойкости материала в средах, насыщенных Н28 и С02.

5. Провести промысловые испытания НКТ из предлагаемой стали.

На защиту выносятся:

1. Результаты промысловых испытаний и лабораторных исследований развития разрушения металла НКТ в средах с повышенным содержанием Н25 и С02.

2. Методика мониторинга состояния материала НКТ лифтовых колонн в процессе эксплуатации.

3. Сравнительный анализ строения, состава и структуры продуктов углекислотной коррозии на поверхности НКТ из традиционно

используемых сталей (35Г2С и ЗОХМА) и предложенной стали 15Х5МФБЧ.

4. Закономерности и особенности формирования структуры и свойств при термической обработке стали 15Х5МФБЧ.

5. Химический состав и технология термической обработки стали 15Х5МФБЧ, обеспечивающие сочетание высоких механических свойств и коррозионной стойкости к растрескиванию в сульфидсодержащей среде и углекислотной коррозии.

6. Результаты промысловых испытаний НКТ из стали 15Х5МФБЧ.

Научная новизна:

1. Показано, что при эксплуатации насосно-компрессорных труб механизм и кинетика развития водородного растрескивания под напряжением определяется количеством, формой и расположением неметаллических включений. Кинетика углекислотной коррозии определяется составом, строением и адгезией продуктов коррозии, образующихся на поверхности труб в процессе эксплуатации.

2. Выявлена идентичность механизмов развития разрушения насосно-компрессорных труб в средах с повышенным содержанием Н28 при эксплуатации и в лабораторных условиях.

3. Установлена связь скорости общей и язвенной углекислотной коррозии, состава и строения продуктов коррозии со структурой и составом металла насосно-компрессорных труб.

4. Показано, что продукты углекислотной коррозии, образовавшиеся на трубах из ЗОХМА и 15Х5МФБЧ в процессе эксплуатации, сохраняют форму и расположение карбидной фазы стали и содержат в 3-7 раз больше Сг и Мо, чем легированная сталь, что определяет защитные свойства слоя коррозионных отложений к язвенному разрушению.

Методы исследований:

В процессе лабораторного анализа и промысловых испытаний использован комплекс исследований, включающий световую, просвечивающую и сканирующую электронную микроскопию, рентгеноструктурный фазовый и локальный рентгеноспектральный химический анализы, механические испытания, коррозионные испытания на стойкость к водородной и общей углекислотной коррозии. Все испытания проведены в специализированных лабораториях на аттестованном оборудовании по стандартизированным российским и международным методикам. Результаты измерений обработаны с применением программных пакетов Microsoft Office.

Практическая значимость работы:

1. Разработанная методика контроля состояния насосно-компрессорных труб лифтовых колонн в процессе эксплуатации позволила уменьшить число случаев катастрофического разрушения (полета) лифтовой колонны, затраты на ремонт скважин и снизить потери добычи нефти. На месторождениях Коми предотвращено 7 полетов подвесок НКТ, в т.ч. на высокодебитных скважинах Баяндыского месторождения.

2. Результаты лабораторных испытаний, подтвержденные промысловыми данными, позволяют научно обосновано выбирать марку стали насосно-компрессорных труб с учетом условий эксплуатации конкретных месторождений (скважин).

3. Предложенные режимы термообработки НКТ из стали 15Х5МФБЧ обеспечили сочетание высоких механических свойств с высокими показателями стойкости к растрескиванию в сульфидсодержащей среде, а также уменьшение скорости питтинговой (язвенной) углекислотной коррозии в 10 и более раз. по сравнению с применяемыми сталями.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы были представлены и обсуждались на: 50 Международном симпозиуме «Актуальные проблемы прочности» (Витебск, Беларусь, 2010 г.), 51 Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Харьков, Украина 2011 г.), XVIII Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» (Самара, Россия, 2012 г.), 53 Международной научной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Витебск, Беларусь, 2012 г.) и VII Международной конференции «Фазовые превращения и прочность кристаллов» (Черноголовка, Россия, 2012 г.).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 19 печатных работы, из них 6 в изданиях, рекомендованных ВАК, и 3 патента РФ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы из 105 наименований и трёх приложений. Работа изложена на 165 страницах основного текста, включает 42 рисунка и 7 таблиц.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ 1.1. Разрушение низкоуглеродистых микролегированных сталей в

сероводородсодержащих средах

1.1.1. Изменение характеристик сталей при взаимодействии с

сероводородом

Интенсивность разрушения стальных насосно-компрессорных труб при эксплуатации в скважинах большинства месторождений Поволжья, Удмуртии, Татарии, Башкирии, Оренбуржья и пр. зависит от содержания наиболее активного компонента - сероводорода, образующегося в результате распада сернистых соединений. Содержание сероводорода в продукции многих месторождений достигает 10% (масс.), а его концентрация в водном конденсате превышает 500 мг/л.

Проблемам сульфидной коррозии труб нефтяного сортамента посвящен ряд фундаментальных исследований, проведенных сотрудниками Академии нефти и газа им. Губкина, ВНИИГАЗа, ВНИИТнефть, ВНИИНефтемаша, ВНИИНефтехима, ВНИИСТа и некоторых других отраслевых институтов. Работы, выполненные Астафьевым В.И. [1, 2], Ботвиной Л. Р. [3, 4, 5, 6], Василенко И.И. [7], Кушнаренко В. М. [8], Карпенко Г.В. [9], Саакиян JI.C. [10], Тетюевой Т.В., Шрейдером A.B. и др., позволили определить особенности эксплуатации конструкционных сталей и сплавов в сероводородсодержащих средах, обобщить большой научный и практический материал, предложить новые способы и методы повышения надежности оборудования.

Углеродистые стали в сероводородсодержащих средах подвергаются усиленной общей и местной коррозии, наводороживанию и сероводородному коррозионному растрескиванию. Механизмы этих процессов подробно рассмотрены в технической литературе [1-10].

Наиболее опасным последствием воздействия влажной сероводородсодержащей среды является наводороживание стали.

Наводороживание может вызвать как рост в объеме металла внутренних трещин, так и коррозионное растрескивание металла под напряжением.

Поверхность металла в сероводородсодержащих средах подвержена действию общей и язвенной коррозии [11], протекающей с водородной деполяризацией. Следствием этих электрохимических процессов является низкотемпературное наводороживание нефтяного и газового оборудования, описанные Шрейдером A.B. и Шпарбером И.С. [12]. При контакте с водой газообразный сероводород растворяется в ней и диссоциирует, образуя слабокислую среду. Стимулирующую роль сероводорода в процессе наводороживания Smialowski М. и Иофа З.А. объясняют разными гипотезами: электролитической диссоциацией H2S на tf и Н" , что повышает концентрацию водорода и �