ВВЕДЕНИЕ
Своевременная диагностика и качественный ремонт являются основными направлениями обеспечения работоспособности и безопасности эксплуатации технических систем, в том числе оборудования и трубопроводов.
В результате диагностики технического состояния оборудования и трубопроводов устанавливаются параметры их фактического состояния: 1) уровень напряженности, дефектность и качество металла и сварных соединений; 2) стойкость и состояние изоляционных материалов; 3) наличие и состояние катодной защиты; 4) стабильность грунта и способность кольцевых стыков воспринимать горизонтальные перемещения грунта и др. Указанные параметры и факторы дополняются сведениями о разрушениях и утечках, гидравлических (пневматических) испытаниях и др. Указанные данные являются исходными для принятия соответствующего решения (дальнейшая эксплуатация, соответствующий ремонт или реконструкция). Важным и своевременным является вопрос об установлении очередности ремонта того или иного дефекта или неисправности, что вызывает необходимость установления степени их опасности. Причем, в зависимости от типа дефекта или неисправности могут быть использованы различные критерии оценки степени их опасности. Например, для элементов с дефектами основного металла и сварных соединений в качестве критериев опасности дефектов могут быть использованы коэффициенты снижения прочности (рр и долговечности cpt. Очевидно, что (рр ^ 1,0 и cpt < 1. Значение фр = cpt = 1,0 соответствует бездефектным трубам. Элементы с меньшими значениями срр и cpt должны ремонтироваться раньше. При определенных значениях фр и cpt трубы могут эксплуатироваться без ремонта.
Необходимо отметить, что оценка значений срр и cpt представляет достаточно сложную задачу как в теоретическом, так и в экспериментальном отношениях. Это объясняется, прежде всего, сложностью определения напряженно-деформированного состояния в окрестности дефектов, имеющих раз-
4
личные размеры, конфигурацию, ориентацию, местоположение и др. Большую роль при оценке фр и cpt играют критерии наступления предельного состояния. При оценке прочности труб с дефектами необходимо применение критериев локального разрушения.
Требуют совершенствования базовые кинетические уравнения для описания процессов накопления повреждений металла труб при эксплуатации.
Проблеме оценки ресурса трубопроводов с учетом одновременного действия коррозии и механических напряжений посвящено достаточно большое количество опубликованных работ, в частности О.И. Стеклова, Э.М. Гутмана, Р.С. Зайнуллина, И.Г. Абдуллина и др. Между тем, большинство существующих расчетных методов оценки ресурса элементов конструкций в условиях коррозионного действия рабочих сред базируется на экспериментальных кривых коррозионно-механической прочности металла в координатах «приложенное напряжение - время до разрушения», которые аппроксимируются соответствующими аналитическими функциями. По кривым коррозионно-механической прочности устанавливают величину допустимого напряжения, не вызывающего разрушения в назначенный срок службы элемента. Этот подход практикуется в расчетах трубопроводов, работающих в средах, вызывающих коррозионное растрескивание. В условиях общей коррозии по заданному сроку эксплуатации трубопровода t и скорости коррозии и0 устанавливается определенный запас на толщину стенки труб А8 (Д5 = 5ср - 8пр, где 5Ф и 5пр - фактическая и предельная толщина стенки): А5 = оо [t]. Может решаться и обратная задача. По установленным значениям оо и Д8 определяется ресурс трубопровода: tp = Д8 / и0. Обычно, на практике величина ио устанавливается стандартными методами в заданной рабочей среде ненапряженного металла.
Известно влияние механических напряжений на коррозионную стойкость металлов. Однако в существующих методах расчета на прочность трубопроводов этот фактор учитывается лишь при выборе материала. При этом запас на коррозионный износ устанавливается преимущественно по коррози-
5
онной стойкости ненапряженного металла. Одна из причин этого - отсутствие надежной расчетной зависимости между величиной действующего напряжения и скоростью коррозии, особенно в условиях, когда металл испытывает плоское и объемное напряженное состояние, характерное для работы трубопроводов. С другой стороны, коррозионное воздействие на металл способствует возрастанию степени напряженности стенок труб и дальнейшему интенсифицированию коррозионных процессов (подобно автокаталитическому процессу), что приводит к резкой потере ресурса трубопроводов. Особенно этот факт характерен для работы промысловых объектов.
Анализ условий эксплуатации и работоспособности промысловых трубопроводов ставит задачу расчета их геометрических и эксплуатационных параметров на основе учета кинетики механохимической повреждаемости.
Путем выбора соответствующих марок сталей и термической обработки при определенных ограничениях уровня действующих напряжений удается избежать коррозионного (сульфидного) растрескивания труб, но при этом сохраняется общее коррозионное воздействие агрессивных сред, вызывающих более или менее равномерный коррозионный износ стенок труб. Теоретически обоснованное назначение запаса на коррозионный износ в одних случаях позволяет повысить ресурс трубопровода, в других - уменьшить их металлоемкость.
В последнее время получили развитие расчетные методы оценки ресурса труб, базирующиеся на учете влияния механических напряжений и деформаций на коррозию металла [30, 53 и др.]. Однако, ввиду сложности этих методов, они не получили широкого применения в расчетной практике. Кроме того, существующие методы расчета ресурса труб относятся, в основном, к случаям общей (равномерной) коррозии.
Базируясь на известных закономерностях механохимии металлов и механики твердого деформированного тела, в работе предложено и обосновано кинетическое уравнение механохимической повреждаемости металлов, линейно связывающее степень изменения геометрических параметров кон-
6
структивных элементов их обобщенными инвариантными характеристиками упруго-пластического напряженного и деформированного состояния.
На основе выполненного анализа кинетики механохимической повреждаемости базовых элементов трубопроводов получены аналитические зависимости для определения долговечности и ресурса трубопроводов в условиях длительного статического нагружения на всех этапах деформирования, включая стадию спонтанного неконтролируемого разрушения.
Даны практические рекомендации по расчетной оценке безопасного срока эксплуатации конкретных трубопроводов, согласованные компетентными организациями и органами Госгортехнадзора России.
Цель работы - обеспечение работоспособности промысловых трубопроводов регламентацией безопасного срока эксплуатации, их эксплуатации определенного с учетом локализованной механохимической повреждаемости металла.
Основные задачи исследования:
- разработка математической модели локализованной механохимической повреждаемости и расчета долговечности конструктивных элементов трубопроводов;
- исследование долговечности конструктивных элементов промысловых трубопроводов;
- оценка долговечности конструктивных элементов промысловых трубопроводов в условиях локализованной механохимической повреждаемости при упруго-пластических деформациях;
- разработка методических рекомендаций по определению безопасного срока эксплуатации промысловых трубопроводов в условиях коррозионного износа.
Научная новизна:
- предложена математическая модель расчета долговечности труб промысловых трубопроводов при упругих и пластических деформациях;
- на основе анализа кинетики изменения скорости коррозии и напряженного состояния труб получены аналитические зависимости для определения долговечности промысловых трубопроводов при различных предельных состояниях;
- выявлены основные закономерности процесса локализованной меха-нохимической повреждаемости конструктивных элементов и предложены формулы для оценки долговечности промысловых трубопроводов с различными дефектами и концентраторами напряжений.
Практическая ценность работы заключается в том, что на основе разработанной методики становится возможным производить расчетную оценку безопасного срока эксплуатации промысловых трубопроводов с учетом локализованной механохимической повреждаемости металла в зонах дефектов и концентраторов напряжений.
На защиту выносятся математическая модель локализованной механохимической повреждаемости, аналитические зависимости для расчета долговечности и методика определения безопасного срока эксплуатации промысловых трубопроводов, работающих в коррозионных рабочих средах.
Работа выполнена в соответствии с планами важнейших научно-исследовательских работ в соответствии с Государственной научно-технической программой Академии наук Республики Башкортостан «Проблемы машиностроения, конструктивных материалов и технологии» по направлению 6.2. «Надежность и безопасность технический систем в нефтега-зохимическом комплексе», а также в ходе решения комплексной научно-технической программы Минвуза РСФСР «Нефть и газ Западной Сибири» и в рамках реализации подпрограммы Федеральной целевой научно-технической программы «Безоасность населения и народнохозяйственных объектов с учетом риска возникновения природных и техногенных катастроф - ФЦНТП ГШ «Безопасность» (2000-2003 гг.)
8
1 ПРОБЛЕМЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА НЕФТЕПРОМЫСЛОВЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
1.1 Основные факторы, формирующие ресурс нефтепромыслового оборудования (сосуды и трубопроводы)
Анализ механических отказов нефтепромыслового оборудования [52] показывает, что основными факторами, определяющими его работоспособность являются: а) коррозионная активность рабочих сред; б) качество изготовления и монтажа; в) стабильность поддержания технологических процессов; г) периодичность и качество ремонтно-профилактических работ и др. При этом частота отказов по времени эксплуатации близка к экспоненциальной зависимости с локализацией в нижней части базовых элементов оборудования. Аварийность оборудования существенно ниже при условии их надлежащей электрохимической защиты.
Для инициации и развития коррозионных процессов в нефтепромысловом оборудовании имеются достаточные условия [50-53, 70, 72, 86]. Продукция содержит коррозионно-активные минерализованные воды, агрессивные газы, технологические жидкости и химические реагенты. Необходимо отметить, что при большом количестве факторов, определяющих интенсивность процессов коррозии металла, скорость коррозии изменяется в широких пределах. Поэтому, с точки зрения разработки профилактических мероприятий, изучение условий, при которых возможный термодинамический процесс со временем замедляется, а в другом случае идет с большой скоростью, имеет большую практическую значимость.
Как известно [41, 50, 86], коррозия металлов в электролитах в общем случае может происходить с кислородной или водородной деполяризацией. В частности, для сосудов системы сбора и подготовки продукции скважин коррозия в водных растворах будет протекать в начальный период с кислородной или водородной деполяризацией (до полного расхода кислорода). В пластовых водах, в зависимости от ионного и газового состава, наличия микро-
9
организмов, коррозия металла может происходить с водородной деполяризацией. В свою очередь, коррозия с кислородной деполяризацией может идти с электрохимической или диффузионной кинетикой.
Электрохимическая кинетика особенно характерна для сильно перемешиваемых растворов. При этом наиболее замедленной является стадия присоединения электрона к молекуле кислорода. При диффузионной кинетике процесса коррозии доставка деполяризатора к реагирующей поверхности затруднена.
Рассмотрим основные механизмы коррозионных процессов оборудования в средах, содержащих сероводород (пластовые и сточные воды) и кислород (пресные и сточные воды) [41, 43, 45, 85 и др.]. Сероводород, как правило, ускоряет протекание катодного и анодного процессов и уменьшает перенапряжение водорода. Ускоряя процесс ионизации атомов железа, он является стимулятором наводораживания поверхностного слоя.
Современные представления о стимулирующем влиянии сероводорода на электродные реакции основаны на предположении образования промежуточных соединений металл-сероводород, ускоряющих протекание электрохимических реакций. Схема процесса представляется следующей:
Fe+H2S+H2O ^(FeHS)-MC+H3O+;
(FeHS)-Aflc^ FeHS++2e; (1.1)
FeHS+ +H3O+-*Fe2++H2S+H2O.
Получившийся комплекс металл-сероводород разлагается, и происходит регенерация сероводорода. Образование нефазового химсорбированного катализатора Fe(HS)Aflc на поверхности металла и прочная связь атомов железа с серой приводят к ослаблению связи между атомами металла, что облегчает их ионизацию. В этом же направлении действует снижение приэлек-тродной концентрации ионов двухвалентного железа в результате взаимодействия их с сульфидами по реакции: Fe^+HS^FeS+H*.
При этом происходит ускорение анодного процесса. Катодный процесс протекает по схеме:
10
Fe2++HS'~Fe(HS-W; (1.2)
+; H5O3+)-+Fe(HSH)^c+(H2O; 2H3O); (1.3)
Fe(HS"W+IW. (1.4)
При этом необходимо учитывать, что стадии (1.2) и (1.3) квазиобрати-мы и протекают быстрее, чем (1.4), которая, как наиболее заторможенная, определяет скорость всего процесса. Анионы HS, адсорбированные на поверхности железа, присоединяют протоны из ионов водорода и образуют молекулярный комплекс-катализатор Fe(H-S-H). Последний переносит протоны из раствора на металл по постоянно регенерируемым анионным мостикам (Ш')адс- Протоны катализатора попадают в металл, или, при катодной поляризации, восстанавливаются до атомов. Сероводород непосредственно в катодной реакции не участвует, а является лишь катализатором, ускоряющим разряд ионов водорода.
Механизм действия сероводорода на процесс коррозионного разрушения также связывают с его каталитическим действием на реакцию по уравнению
Fe+H2S" -»(FeHSWcH+e.
Одновременно протекает реакция Fe+H2O*-*(FeOH)^c+2H++2e
Образующиеся комплексы (FeHS)Aflc и Fe(OH)^c могут адсорбироваться на поверхности железа.
Большое значение в механизме протекания сероводородной коррозии придается продуктам коррозии, имеющим общую формулу FexSy. Сульфиды железа являются катодом по отношению к стали и обладают полупроводниковыми свойствами.
Сульфид железа, сформированный только при высоких концентрациях H2S, обладает защитными свойствами (2 г/л H2S).
Катодный процесс лимитируется диффузией ионов НзО+ и химической реакцией диссоциации H2S+H2O—>НзО++Н8.
Установлено, что величина скорости коррозии с повышением концентрации H2S во времени возрастает медленнее и при содержании 2 г/л начина-
11
ет уменьшаться за счет формирования фазовой пленки сульфида [23, 52]. В присутствии кислорода скорость сероводородной коррозии возрастает [23, 70, 77]. Это объясняется тем, что сероводород существенно снижает перенапряжение f|Fe—>Fe2+.
Процессу сероводородной коррозии способствует наличие СВБ [70, 77] продуктом жизнедеятельности которых является сероводород:
SOj- +8H+ ->S2" +4H2O. (1.5)
Выделяющиеся сульфид - ионы образуют на поверхности металла рыхлый слой FeS, который, в свою очередь, создает с металлом местную гальваническую макропару FeS- Fe, где FeS является катодом.
Продуктом метаболизма СВБ, кроме сероводорода, является СО2 [77]. При совместном присутствии сероводорода и СОг пленка сульфида железа обладает низкими защитными свойствами.
В присутствии сероводорода на поверхности стали происходит увеличение скорости разряда ионов водорода. Продуктом коррозии является нерастворимый сульфид FeSx.
В деаэрированной морской воде с рН=7, содержащей 10 мг/л H2S, на железе образуется Feo,9sS и Fe(OH)2 [77].
В присутствии СГ ионов анод (железо) сильно активируется. Пленка сульфида железа, образованная в присутствии ионов хлора, достаточно рыхлая и содержит большое количество полисульфидов и свободной серы, поэтому легко проницаема для хлор-ионов. В нейтральных растворах NaCl восстановление Н2 из сероводорода на FeS протекает значительно легче.
Далее рассмотрим особенности коррозии металла в сточных водах [52, 70].
Коррозия нефтепромыслового оборудования в нейтральных сточных водах носит ярко выраженный локальный характер. Язвы образуются в тех частях трубопровода, емкостей, которые покрыты осадком взвешенных в воде веществ (песок, глина и др.). В нижней части образуются огромные макропары дифференциальной аэрации, в которых металл под осадком является
12
анодом с небольшой площадью и быстро разрушается, а остальная поверхность, куда свободно проникает кислород, является катодом. Несмотря на незначительное содержание в воде кислорода, движущиеся в трубопроводах с большими скоростями объемы воды обеспечивают доставку его к катодным поверхностям в количестве, достаточном для эффективного функционирования аэрационных пар.
В нейтральных сточных водах содержится значительное количество хлор-ионов, являющихся активными депассиваторами. Влияние С Г на пассивную пленку на железе было изучено в работах [57, 82]. Показано, что внедрение хлор-иона в пассивную пленку на железе не происходит даже при его высоких концентрациях. Хлор-ионы концентрируются на внешнем слое пленки, образуя локальные солевые островки на поверхности пассивной пленки. Происходит снижение толщины окисной пленки под солевыми островками.
Механизм коррозии в растворах NaCl можно представить следующей схемой [39]:
Fe-»Fe2++2e;
02+2Н2О+4ё-*40Н;
4Fe2++2H2O+O2->4Fe3++4OH; (1.6)
Fe+Fe3+-+2Fe2++e".
Причем, гидролиз Fe2+ и Fe3+ приводит к подкислению, что также способствует усилению коррозии.
Одной из основных задач исследований в области коррозии трубопроводов и технологических емкостей является дальнейшее развитие представлений о процессах разрушения металлов в условиях эксплуатации и разработка на их основе эффективных методов повышения эксплуатационной надежности нефтепромыслового оборудования. Поэтому, целью исследований, выполненных и представленных в этом разделе, является разработка методических вопросов по оценке агрессивности пластовых и промысловых жидкостей в лабораторных, промысловых и эксплуатационных условиях.
13
Лабораторные исследования предусматривают определение скорости коррозии в динамических и статических условиях. Главной трудностью при выполнении лабораторных исследований является обеспечение чистоты эксперимента. Поэтому в лабораторных условиях достаточно трудно полное обеспечение моделирования условий эксплуатации технологических емкостей и трубопроводов. В этих условиях скорость коррозии определяют по наиболее сильному деполяризатору. При наличии в пластовых водах сероводорода, таким деполяризатором является, обычно, сероводород. Если возможен отбор проб пластовых жидкостей и газов, исследование проводят в естественных средах. Если этот процесс затруднен, то эксперименты проводят на моделях вод, идентичных по составу реальным водам. Результаты исследований по агрессивности сред в промысловых условиях приведены на рисунках 1.1-1.6, построенных по результатам работы [52].
Vo.
час
0,3 ч
П9
10
14
20
t, сутки
Рисунок 1.1 - Зависимость скорости коррозии vo в сточных водах НГТУ «Прикамнефть» от времени испытаний t
14
Vo.
гм:
4QC
ОЛ
0.3
\
\
\
\
10
20
t. сутки
Рисунок 1.2 - Зависимости скорости ио в сточных водах НГТУ
«Лениногорскнефть» (скважина №9374) от времени испытаний t
Va
_гл: час
ОЛ
0.3
0.2
0.1
О
20
30
\. сутки
а. выкид насоса; 2- скважина №908; 3- скважина №2457 Рисунок 1.3 - Зависимость скорости коррозии х»о в сточных водах НГТУ «Иркеннефть» от времени испытаний t
15
Vo.
час 1?
/
1
0.8 /
/ ^\
0.4
3
о
12
18
24
\. сутки
1 - выкид насоса; 2- КНС; 3- скважина №2124 Рисунок 1.4 - Зависимость скорости коррозии Do в сточных водах НГТУ «Актюбанефть» времени испытаний t
Vo.
час 3
О
2
10
14
20
t, сутки
1- КНС 56 (15км) 2- скважина № 2628 (8км,); 3- скважина № 2933 Рисунок 1.5-Зависимость скорости коррозии d0 в сточных водах НГТУ «Азнакиевскнефть» от t
16
vo.
час
0,3
0.2
0.1
/ /
у.
2
10
20
t. сутки
1 - выкид насоса; 2- скважина №16021
1- Рисунок 1.6 - Зависимость u(t) в сточных водах НГТУ «Суливнефть» времени испытаний t
Из этих результатов можно сделать следующие выводы: в кислородо-содержащих средах на начальных этапах испытаний отмечается коррозия с последующей оптимизацией; в сероводород содержащих средах наоборот-скорость коррозии возрастает, а затем стабилизируется.
В первом случае уменьшение скорости коррозии можно объяснить образованием продуктов коррозии, обладающих защитными свойствами. При наличии сероводорода сульфиды не обладают высокими защитными свойствами и играют роль катода в коррозионной паре «металл-сульфид
металла».
В обоих случаях коррозионный процесс проходит с локализованным
неравномерным характером в виде «язв».
При смешении пластовых вод с пресными, содержащими кислород, возможно нарушение ионного равновесия, и за счет ввода деполяризатора, усиление процесса коррозии. Установлено [41, 70], что максимальной аг-
17
рессивностью обладает смесь, состоящая из 40 % пресной воды и 60 % пластовой, а также 10 % сточной и 90 % пресной вод.
Далее рассмотрим влияние обводненности продукции скважин на коррозионные разрушения оборудования.
Пластовые воды промыслов, извлекаемые вместе с нефтью, представляют собой высокоминерализованные электролиты, содержащие преимущественно ионы натрия, магния, хлора, кальция, обладающие нейтральным рН и стабильные в отношении выпадения осадков [41, 70].
Коррозионная активность добываемой газожидкостной смеси определяется составом и свойствами пластовой воды, поскольку нефть неагрессивна по отношению к металлу. Однако в присутствии нефти коррозионная активность пластовой воды, как правило, возрастает.
В связи с широким применением для ГШД сточных вод, опреснением пластовых вод, наличием сероводорода агрессивность пластовых вод стала резко возрастать. В частности [77], установлено, что при обводненности на 10 % коррозионная активность угленосной нефти, по сравнению с безводной нефтью, увеличилась с 0,208 до 0,463 г/м2 -час, то есть более чем вдвое. Далее с увеличением обводнености от 10 до 80 % скорость коррозии колеблется в пределах 0,453-0,439. При обводненности 90 % происходит резкий рост скорости коррозии. Скорость коррозии в пластовой воде значительно ниже (0,356 г/м2 -час), чем в смесях любого соотношения. Скорость коррозии в промысловой, неочищенной нефти составила 0,208 г/м2 час.
Анализ характера и распределения отказов незащищенных трубопроводов (таблица 1.1) показал, что распределение повреждений по поверхности водовода является неравномерным. Подводящие водоводы низкого давления, в основном, имеют порывы по телу трубы (92 %), около 80 % всех повреждений по телу трубы сосредоточено в нижней части трубы, а в верхней части трубы количество повреждений в 10 раз меньше. Другой причиной низкой

Получить работу