Механизм разрушения трубопроводов
В настоящее время наибольшее количество аварий трубопроводов систем сбора нефти (ССН) и нефтепромыслового оборудования происходит из-за внутренней коррозии и, в частности, на Самотлорском месторождении составляет более 1000 отказов за год.
К основным факторам, обусловливающим внутреннюю коррозию в ССН относятся: а) высокая обводненность транспортируемой продукции; б) наличие газа и растворенной углекислоты в водной фазе; в) наличие значительного количества взвешенных частиц (так называемых «механических примесей», состоящих из песка и осыпавшихся с поверхности трубы продуктов коррозии); г) осадки солей железа и кальция на внутренней поверхности трубопроводов; д) наличие сероводорода, являющегося продуктом жизнедеятельности СВБ, количество которых в настоящее время резко увеличивается. Установлено, что около 50 % всех потерь от коррозии трубопроводов происходит за счет биокоррозии.
Любопытно, что в начальный период отмечались коррозионные отказы преимущественно в виде коррозионных язв диаметром 30-50 мм, затем превалирующим видом отказа стала канавочная коррозия. Это коррозионное поражение металла трубы напоминает собой канавку переменной глубины, «проточенную» по нижней образующей трубопровода. Аварийные повреждения возникают как по основному металлу, так и по заводскому шву пли рядом с ним.
Анализ условий эксплуатации показал, что в конце прошлого столетия изменились гидравлические режимы работы трубопроводов: уменьшились средние скорости движения газожидкостных смесей; снизились расходные объемы газосодержания. Расчеты показывают, что при скоростях газожидкостной смеси и объемных газосодержаниях, характерных для трубопроводов ССН НГДУ «Белозернефгь» в конце восьмидесятых годов прошлого столетия, режим течения был дисперсионным, т.е. таким, когда газожидкостная смесь движется в форме гомогенного потока и при обводненности более 50 % образует эмульсию типа «нефть в воде».
В связи с реконструкцией ССН, начатой в 1989 г. и продолжающейся по настоящее время, изменились диаметры и длины большинства нефтесборных коллекторов, а также объемы газожидкостной смеси, перекачиваемой по ним. При реконструкции диаметры трубопроводов рассчитывали исходя из их максимальной загрузки. Реально из-за временных простоев фонда скважин трубопроводы ССН загружены, в среднем, на 70 % от максимальных расчетных значений. Это привело к тому, что во многих трубопроводах режим течения стал пробковым по всей их длине, а чаще - расслоенным, когда по нижней образующей трубы транспортируется жидкость повышенной коррозионной активности, над ней нефть и в верхней части трубы - газ. При этом по нижней образующей трубы перемещается большое количество механических примесей. При пробковом режиме течения газожидкостной смеси происходит чередование жидкости и газа - газ движется в виде «пробок» в жидкости. В момент прохождения «пробки газа» по отдельному участку длинного трубопровода на этом участке возникает сильная вибрация. Периодичность прохождения газовых пробок может быть от 1-2 в час до 15-25 в минуту.
Изменение гидравлических режимов работы нефтесборных коллекторов привело к тому, что большая их часть стала испытывать не только статические (давление газожидкостной смеси) и малоцикловые (связанные с периодическими изменениями загрузки трубопроводов), но и циклические нагрузки. Одновременное воздействие агрессивной коррозионной среды и циклических напряжений на металл трубопроводов приводит к коррозионной усталости металла, характеризующейся локализацией коррозионных процессов в вершинах коррозионно-механических трещин. При циклическом нагружении металла упругопластические деформации, локализованные в концентраторе напряжений, приводят к интенсивной локальной коррозии (механо-химическая коррозия) и развитию коррозионно-усталостной трещины.
Среди других мер защиты металла от коррозионного повреждения (ингибирование, поверхностные покрытия) реально осуществимым шагом является термообработка труб - один из эффективных методов повышения стойкости металла к коррозии под механическим напряжением. При этом режимы термообработки для конкретных видов труб должны выбираться с учетом особенностей коррозионной среды и механизма коррозии, характерных для условий конкретного месторождения.
Перспективным может быть также направление разработки комплексно-легированных коррозионностойких марок сталей.
Для разработки требований к качеству металла труб проведены экспертные исследования аварийных образцов, типичных для эксплуатации в условиях Западной Сибири. О химическом составе сред судили по фазовому и химическому составу продуктов коррозии и осадков, образовавшихся на поверхности металла труб после эксплуатации. Необходимость применения данной методики связана с тем, -что состав транспортируемых сред нестабилен, что затрудняет его контроль.
По данным химического, локального микрорентгеноспектрального и фазового микрорентгеноструктурного анализов выявлены два типа продуктов коррозии, отличающихся по фазовому составу, структуре и степени их адгезии с поверхностью металла трубы (рисунок ниже). Различия связаны с величиной концентрации в транспортируемой среде ионов кальция.
Два типа формирования продуктов коррозии
К первому типу относятся продукты коррозии, сформировавшиеся в средах с пониженным содержанием ионов кальция (менее 300 мг/л). Это плотные, хорошо «сцепленные» с металлом слои, которые до определенного времени хорошо защищают поверхность металла от контакта с коррозионной средой. В этом случае продукты коррозии состоят из чередующихся слоев фаз оксидов Fe3O4, карбонатов СаСО3 и их сочетания. На поверхности продуктов коррозии наблюдается выделение слоя макиновита FeS (рисунки ниже).
Строение продуктов коррозии на поверхности труб из Стали 20 после эксплуатации на Самотлорском месторождении
Вид прокатной окалины на внутренней поверхности трубы из Стали 20
При повышенной концентрации кальция (более 1000 мг/л) формируется второй тип продуктов коррозии. Наружный слой также представлен сульфидами FeS.
Под ним находится слой, состоящий из оксидов и осадков СаСО3. Слой, контактирующий с поверхностью металла, представлен оксидами Fe3O4, карбонатов железа FeСО3 практически не наблюдается.
Характерным свойством таких продуктов коррозии является слабая адгезия с поверхностью металла, повышенная пористость и рыхлость. Продукты коррозии легко отслаиваются от поверхности металла. При этом обнажаются участки железа, возникают гальванопары «сталь - продукты коррозии» и, соответственно, язвенная коррозия. Рассмотрим возможность и последовательность образования фаз при коррозионном взаимодействии поверхности металла со средой с учетом термодинамических расчетов. Значения энергии Гиббса, реакций образования фаз приведены в таблице ниже.
Более отрицательные значения энергии Гиббса указывают на более высокую реакционную способность металла и более высокую термодинамическую устойчивость продуктов реакции. Как видно из таблице ниже, образование оксидов железа энергетически более выгодно, чем карбонатов и сульфидов. За оксидами следуют карбонаты кальция. Образование же карбонатов железа при наличии в среде значительного количества ионов кальция энергетически возможно. Также энергетически возможно и образование сульфидов железа.
Таким образом, в средах Самотлорского месторождения при наличии в воде значительного количества ионов кальция образование карбонатов железа маловероятно.
Наличие в продуктах коррозии рыхлого слоя карбонатов кальция (являющихся осадками) приводит к отслаиванию последних от поверхности металла, образованию язв. Это связано с тем, что параметры кристаллической решетки карбонатов кальция и их удельный объем отличаются от остальных фаз, входящих в состав продуктов коррозии. Результатом взаимодействия с сероводородсодержащей средой и образования сульфидов железа является атомарный водород, который проникает через слои продуктов коррозии в металл трубы.
В дальнейшем проведены исследования закономерностей коррозионного разрушения металла труб для Сталей 10 и 17 ПС.
Значение энергии Гиббса, реакций образования различных фаз
|
№ п/п |
Фаза |
Энергия Гиббса, кДж/моль |
|
1 |
Fe3O4 |
-1023 |
|
2 |
CaCO3 |
-496 |
|
3 |
FeS |
-67 |
|
4 |
FeCО3 |
-33 |
Исследование закономерностей коррозионного разрушения металла труб проводили в средах с различной концентрацией ионов кальция для образцов, изготовленных из сталей марок 10 и 17 ПС, химический состав которых приведен в таблице ниже.
Для исследования закономерностей коррозионного повреждения металла трубы от продолжительности эксплуатации проводился анализ внутренней поверхности образцов - патрубков длиной 1 м, вваренных в действующий трубопровод. Образцы извлекались для анализа через один месяц, шесть месяцев и после окончательного разрушения трубопровода. Испытания проводились для двух сред, содержащих как 300 мг/л (первый тип), так и 1000 мг/л (второй тип) ионов Са. Концентрация сероводорода и углекислого газа в среде была приблизительно одинакова и составляла 15 и 100 мг/л, соответственно. Давление в трубопроводе было 1,5 МПа.
Начальный этап образования канавки протекает для обеих марок стали одинаково. Основным механизмом, приводящим к образованию канавки, является отслоение прокатной окалины от поверхности трубы. Наиболее интенсивно отслоение протекает по нижней образующей трубы. В средах, содержащих сероводород, когда на поверхности металла труб возможно протекание катодных реакций, образуется атомарный водород, который легко проникает через прокатную окалину. При этом возможен процесс выделения атомарного водорода на границе раздела «металл - продукты коррозии». Последующая молизация водорода, которая, как известно, идет со значительным увеличением его удельного объема, приводит к отслаиванию продуктов коррозии от поверхности трубы.
Описанный процесс может идти и в локальных объемах. Именно с ним следует связывать обнаруженные участки вспучивания и растрескивания продуктов коррозии. Через микротрещины проникает флюид и инициирует локальную коррозию. На микрофотографии шлифа отчетливо видны участки с отслоившейся прокатной окалиной и коррозией под ней. Между образовавшейся свежей металлической поверхностью по нижней образующей трубы и остальной поверхностью, покрытой продуктами коррозии, начинается электрохимическая коррозия, в результате которой будет происходить утонение толщины стенки по нижней образующей трубы. Этот процесс может интенсифицироваться за счет механического срезания металла трубы в области канавки частицами примесей в виде песка и осыпавшихся продуктов коррозии.
Химический состав сталей марок 10 и 17 Г1С
|
Марка стали |
Содержание элементов, % |
|||||||
|
С |
S |
р |
Si |
Мn |
Сr |
Ni |
Сu |
|
|
Сталь 17 ПС Сталь 10 |
0,16 0,08 |
0,013 0,016 |
0,014 0,020 |
0,41 0,20 |
1,47 0,58 |
0,012 0,011 |
0,04 0,03 |
0,012 0,010 |
Таким образом, атомарный водород оказывает доминирующее влияние на начальную стадию повреждаемости труб, эксплуатируемых в средах с относительно низким содержанием сероводорода. На наводороживание металла ускоряющее влияние оказывает также и углекислый газ.
Интенсивность коррозионного повреждения металла труб зависит от химического состава транспортируемой среды. Если поверхность трубы покрыта плотными продуктами коррозии, имеющими хорошую адгезионную связь с поверхностью трубы и играющими, по-существу, роль покрытия, коррозионное повреждение металла трубы смещается в сторону увеличения времени эксплуатации. Однако, наводороживание и сопутствующее ему отслоение прокатной окалины при этом будут продолжаться. В результате электрохимической коррозии в нижней части трубы образуется канавка, глубина которой будет увеличиваться, что, в конечном итоге, и приведет к механическому разрушению металла вдоль канавки из-за превышения действующих нагрузок предела прочности металла. Разрушение при этом обычно происходит срезом.
Если поверхность трубы в процессе взаимодействия с коррозионной средой покрывается продуктами коррозии второго типа, то периодически на поверхности образовавшейся канавки будут возникать участки, покрытые продуктами коррозии, и открытые участки стали, образовавшиеся из-за отслаивания продуктов коррозии. При этом будут возникать гальванопары «сталь (анод) - продукты коррозии (катод)» и провоцироваться язвенная коррозия.
В ряде случаев язвы образуются на дне канавки. Этот вид коррозии характеризуется как канавочно-язвенная коррозия. Если первый этап образования канавки протекает в условиях однородного электрического поля в электролите между канавкой - анодом и поверхностью трубы, покрытой продуктами коррозии - катодом, то второй связан с образованием катодноанодных пар в канавке между участками металла, покрытых тонким слоем продуктов коррозии, и оголенными ферритными Участками. Этот процесс идет в условиях действия прерывистых локальных электрических полей. При больших увеличениях обычно отчетливо просматриваются области, покрытые продуктами коррозии, представленными, по данным энергодисперсионного анализа, тонкими прослойками сульфидов и карбонатов кальция (катоды). Кроме того, наблюдаются участки, состоящие из ферритных зерен (аноды). Ферритные зерна подвергаются электрохимическому травлению, проявляющемуся в образовании фигур травления, ориентация которых зависит от типа кристаллографической плоскости. Причем, очевидно соответствие строения ферритных зерен, полученных методом химического травления на шлифах и в условиях электрохимического травления.
Анализ приведенных результатов исследования свидетельствует о том, что основным механизмом, приводящим к язвенной коррозии, является анодный процесс растворения металла. Учитывая, что он зависит от ряда структурных параметров металла, таких как вид микроструктуры, размер зерна, степень чистоты от вредных примесей, фазовый и химический состав неметаллических включений, можно за счет их регулирования значительно повысить коррозионную стойкость металла труб.
Для металла трубы из стали марки 17 ПС типичный вид коррозионного разрушения проявляется в мгновенном развитии хрупкой трещины вдоль канавки на значительное расстояние. Начальный этап разрушения связан с образованием канавки, деформацией утоненного участка металла трубы под действием окружных напряжений, интенсивным наводороживанием его и охрупчиванием.
В ИПТЭР (г. Уфа) для исследования последовательности накопления повреждаемости в металле трубы проводилось металлографическое исследование металла в зоне канавки на различных стадиях. Утонение трубы по нижней образующей приводит к пластической деформации металла в зоне канавки, что хорошо видно на микрошлифах, перпендикулярных плоскости канавки. Одновременно интенсифицируется процесс наводороживания деформированного металла канавки. На первом этапе, когда толщина стенки трубы мало отличается от исходной, происходит накопление водорода в ловушках типа сульфидов, его молизация и, возможно, слабое подрастание трещин водородного растрескивания. Кроме того, защищенный катодной защитой и имеющий отрицательный потенциал трубопровод под воздействием электрического поля притягивает водород, который, внедряясь в тело трубы, способствует водородному растрескиванию. Интенсивному росту трещин на сульфидах способствуют окружные напряжения в ослабленных канавочной коррозией сечениях трубы. Пластическая деформация приводит к образованию перемычек между трещинами, которые от водородного растрескивания разрываются, и начинается процесс СKPH. По классификации Икеды наблюдаемое явление - классический пример СКРН второго рода, характерный для низкопрочной стали. На рисунке ниже приведено схематическое изображение стадий накопления повреждаемости и образования трещин СКРН, приводящих к межзеренному хрупкому разрушению трубы по нижней образующей на большое расстояние с большими скоростями. При этом возможен разворот трубы, приводящий к тяжелым экологическим последствиям. Под действием напряжений эти трещины, объединяясь, превращаются в трещину сульфидного коррозионного растрескивания под напряжением.
Стадии накопления коррозионной повреждаемости
Для анализа поведения металла труб из стали марки 17Г1С в коррозионноактивных средах, содержащих сероводород и углекислый газ, способствующих наводороживанию металла и его хрупкому разрушению, были проведены лабораторные испытания по стандарту КАСЕ ТМ 01-77(90) по методу А. Результаты оценки величины порогового напряжения СКРН приведены в таблице ниже.
Зависимость времени до разрушения образца от прилагаемой нагрузки
|
№№ п/п |
Величина прилагаемой нагрузки, % от предела текучести |
Время (среднее) до разрушения, ч |
|
1 |
80 |
3 |
|
2 |
70 |
17 |
|
3 |
60 |
118 |
|
4 |
50 |
345 |
|
5 |
40 |
720 |
Как следует из таблицы выше, пороговая нагрузка СКРН oth для марки стали 17Г1С, оцениваемая как нагрузка, при которой не происходит разрушение образца за 720 ч, составляет 40 % от предела текучести. Следовательно, металл трубы из марки стали 17Г1С не является стойким к сульфидному коррозионному растрескиванию под напряжением.
Следует отметить, что пластическая деформация металла в области канавки будет дополнительно снижать стойкость к СКРН. Для анализа последовательности накопления повреждаемости были исследованы образцы после выдержки 200 и 300 ч под нагрузкой, равной 50 % от предела текучести. Затем из них были изготовлены шлифы и изучены закономерности развития трещин. Как видно из рисунок выше, трещины водородного растрескивания сначала зарождаются на удлиненных сульфидах. Затем, по мере увеличения времени выдержки, происходит процесс объединения этих трещин в направлении, перпендикулярном прилагаемой нагрузке. По классификации Икеды, это разрушение относится к СКРН второго рода.
Морфология трещин в образцах после испытаний по стандарту КАСЕ ТМ 01-77(90) по методу А и в образцах, вырезанных из аварийной трубы, имеют ряд общих черт - зарождение трещин на удлиненных сульфидах, объединение трещин путем разрушения перемычек между ними. Различия заключаются лишь в том, что пластическая деформация, которой подвергается металл трубы в области канавки, интенсифицирует процесс наводороживания и разрушения металла.
Таким образом, в процессах повреждения промысловых трубопроводов важную роль играют механические напряжения и деформации в сочетании с высокой агрессивностью рабочих сред.