Анализ металлургического качества стали преждевременно вышедших из строя нефтепромысловых труб, работающих в агрессивных средах Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 620.1

АНАЛИЗ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО КАЧЕСТВА СТАЛИ ПРЕЖДЕВРЕМЕННО ВЫШЕДШИХ ИЗ СТРОЯ НЕФТЕПРОМЫСЛОВЫХ ТРУБ, РАБОТАЮЩИХ В АГРЕССИВНЫХ СРЕДАХ Пугачева Татьяна Михайловна, к.т.н., доцент

(e-mail: [email protected]) Суслина Анастасия Алексеевна, магистрант (e-mail: [email protected]) Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия

В данной статье рассмотрено металлургическое качество сталей отечественных производителей нефтепромысловых труб, работающих в агрессивных средах, установлены причины преждевременного выхода этих труб из строя, а также предложены мероприятия для повышения долговечности труб.

Ключевые слова: трубопровод, коррозионное повреждение, механические свойства.

Для исследования были предоставлены образцы трубопроводов, аварийно вышедших из строя в процессе эксплуатации, от двух разных отечественных производителей. Трубопроводы использовались для перекачки во-донефтяной эмульсии, содержащей сероводород в количестве 45-46 мг/дм . Внешний вид объектов исследования представлен на рисунке 1 (а, б).

а) Объект №1

б) Объект №2

Рисунок 1 - Внешний вид объектов исследования

Внешний осмотр объектов исследования показал, что они имеют сквозной промыв в месте сварного соединения и коррозионное повреждение.

Для определения причин преждевременного разрушения из трубопроводов были изготовлены образцы для определения химического состава металла, испытаний на одноосное растяжение, ударную вязкость, твёрдость, фазовый анализ, биологическую коррозию, а также исследования микроструктуры.

Химический состав стали определяли методом спектрального анализа на атомно-эмиссионных спектрометрах с индуктивно - связанной плазмой iCAP6500 и SA-2000 в соответствии с ГОСТ 18895-97.

Испытания на растяжение проводили на разрывной машине Р-10М-авто на образцах с продольным расположением волокна в соответствии с ГОСТ 10006.

Испытания на ударную вязкость производили на образцах Шарпи (с U-образным надрезом), на маятниковом копре МК-30 в соответствии с ГОСТ 9454-78.

Замер твёрдости производили методом Роквелла на твердомере ТК-2М по шкале HRA в соответствии с ГОСТ 9013-59 с последующим переводом в шкалу НВ Бринелль.

Анализ загрязнённости стали неметаллическими включениями проводили на нетравленых микрошлифах с продольным расположением волокна, на оптическом микроскопе «Leitz» MM6 (Германия) в соответствии с ГОСТ 1778-80.

Размер зерна оценивали методом сравнения с эталонными шкалами с использованием оптического микроскопа «Leitz» ММ6 в соответствии с ГОСТ 5639-82.

Анализ микроструктуры металла выполняли с использованием оптического микроскопа «Leitz» ММ6 на микрошлифах с поперечным и продольным расположением волокна. Фотосъемку микроструктуры и фазный анализ продуктов коррозии выполняли на микрорентгеноспектральном анализаторе «Jeol» Superprobe 733 (Япония).

Оценка бактерицидной эффективности химических реагентов относительно адгезированных клеток СВБ производится по стандарту компании «Роснефть» №П1-01 СЦ-080.

Сущность метода заключается в экспонировании стальных образцов в активной культуре СВБ для получения адгезионных форм клеток бактерий. По окончании срока экспозиции образцы обрабатывают бактерицидом и асептически переносят в питательную среду. Затем определяют минимальную концентарацию химического реагента, обеспечивающую полное подавление роста и развития адгезионных бактерий. Испытания проводятся в статических условиях.

Таблица 1- Химический состав объектов исследования

Маркировка объекта Содержание элементов, %

C Mn Cr Si Ni Cu Mo S P

1 0,15 0,35 0,08 0,20 0,22 0,24 0,08 0,010 0,012

2 0,21 0,32 0,10 0,19 0,18 0,24 0,05 0,011 0,012

Сталь 20 ГОСТ 1050 0,17-0,24 (±0,01) 0,35-0,65 <0,25 0,170,37 (±0,02) Не регламентируется <0,040 <0,035 (-0,005)

Твердость соответствуют требованиям НТД (таблица 2). Прочностные характеристики и относительное удлинение соответствуют требованиям ГОСТ 8731-74 при удовлетворительной вязкости (таблица 3) [1].

Таблица 2 - Результаты замера твердости

Маркировка объекта Шкала НВ Среднее значение

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 144 153 144 159 161 153 159 147 141 150 151

2 116 110 119 111 103 112 116 122 117 119 115

ГОСТ 8731-74 гр. В < 156

Таблица 3 - Механические характеристики объекта исследования.

Объект На одноосное растяжение Ударная вязкость, КСУ, (Дж/см2)

Временное сопротивление, <3в, МПа Предел текучести <<т, МПа Относительное удлинение, 5, %

1 494,4 358,5 32,2 129

2 497,8 345,6 30,3 126

ГОСТ 8731-74 В >412 >245 >21 -

Химический анализ показал, что состав стали (таблица 1) обоих трубопроводов соответствует марке 20 с заниженным содержанием углерода (0,15% вместо 0,16-0,25%) у первого образца.

Микроструктурный анализ основного металла трубопроводов показал:

1. Микроструктура объекта 1 характеризуется однородной по сечению, феррито-перлитной структурой. Размер зерна 10 баллов. Структурная полосчатость по сечению стенки составляет 3 балла. Максимальная загрязненность металла точечными оксидами достигает 2 балла, неметаллические включения иной конфигурации отсутствуют.

2. Микроструктура основного металла образца 2 характеризуется однородной по сечению, феррито-перлитной структурой. Размер зерна 9 баллов. Структурная полосчатость по сечению стенки составляет 2 балла. Максимальная загрязненность металла точечными оксидами составляет 1 балл, неметаллические включения иной конфигурации отсутствуют.

Таким образом, микроструктура обоих трубопроводов практически одинакова и характерна для подобных изделий.

На рисунке 2 изображен типичный фрагмент области повреждения объекта 1 на микроструктурном уровне: выявлено коррозионное повреждение поверхности разрушенного фрагмента, причем вблизи зоны разрушения наблюдается скопление неметаллических включений. Следов пластической деформации и растрескивания не обнаружено.

На рисунке 3 изображен типичный фрагмент области повреждения объекта 2 на микроструктурном уровне: выявлено коррозионное повреждение поверхности, непровар сварного шва. Следов пластической деформации, скоплений неметаллических включений и растрескивания не обнаружено.

Анализ фазового состава продуктов коррозии показал наличие в продуктах коррозии обоих объектов железа, кремния, серы, в образце 1 еще и кальция (таблица 4).

Неметаллические включения а) х1000 б) х1000

Рисунок 2- Микроструктура области повреждения металла объекта исследования 1

а)х1000 б)х300

Рисунок 3- Микроструктура области повреждения металла объекта исследования 2

Таблица 4 - Результат анализа продуктов коррозии на наличие _сульфато-восстанавливающих бактерий_

№ образца труб Вес соскоба, мг Количество клеток СВБ на см2 Количество клеток СВБ/см2мг навески Опасность бактериальной коррозии

1 100,95 0 - -

2 74,95 102 272,567 средняя

Анализ полученных результатов позволил сделать следующие выводы:

1.Образец № 1 в рамках технического задания соответствует требованиям ГОСТ 8731-74 В по механическим свойствам и не соответствует по химическому составу.

В ходе фазового анализа в продуктах коррозии были найдены остатки серы. В процессе металлографического исследования были обнаружены скопления неметаллических включений вблизи зоны разрушения, присутствие которых может увеличить скорость сквозного коррозионного разрушения оборудования. Но, стоит отметить, что металлографические параметры не регламентируются ГОСТ 8731-74 В.

Таким образом, образование промыва связано с коррозионно-эрозионным разрушением поверхностей труб вследствие воздействия транспортируемой жидкости, содержащей сероводород, известняк (наличие Ca в продуктах коррозии), песок (наличие Si в продуктах коррозии).

2. Образец № 2 в рамках технического задания соответствует требованиям ГОСТ 8731-74 В.

В ходе фазового анализа в продуктах коррозии были найдены остатки серы, свидетельствующие об образовании серосодержащих соединений на поверхности металла.

В ходе металлографического исследования был обнаружен непровар сварного шва. Непровар уменьшает сечение шва и вызывает значительную концентрацию напряжений, что может привести к разрушению объекта.

Таким образом, возможной причиной зарождения промыва послужил дефект сварного соединения. Развитие промыва было катализировано транспортируемой жидкостью, содержащей песок (наличие Si в продуктах коррозии) и колониями сульфат - восстанавливающих бактерий. Результатом явилась разросшаяся сквозная язва.

При дальнейшем строительстве и ремонтных работах предлагаем следующие рекомендации:

1.Применять металл труб, прошедший коррозионные испытания по стандартам NACE TM0177, NACE TM0284, ГОСТ 9.905.

2.Проводить регулярное диагностическое обследование исследование качества металла труб на других участках трубопровода.

3.Вводить в нефтепромысловые среды бактерициды. Технологический процесс не оказывает отрицательного влияния на процесс подготовки нефти и не ухудшает ее качество. Ингибитор и продукты его разложения не

отравляют катализаторы, применяемые при переработке нефти, а также не ухудшают качество нефтепродуктов. Введение ингибитора в нефтепромысловые среды подавляет рост сульфатвосстанавливающих бактерий. 4.Использовать трубы с полимерным покрытием.

Список использованных источников 1. ГОСТ 8731-74

Pugacheva Tatiana Midtailovna, Cand.Tech.Sci., docent

(e-mail: [email protected])

Samara State Technical University, Samara, Russia

Suslта Anastasia Alekseevna, student

(e-mail: [email protected])

Samara State Technical University, Samara, Russia ANALYSIS OF METALLURGICAL QUALITY OF STEEL BEFORE-TEMPORARILY FAILED OIL-FIELD PIPES, IN CORROSIVE

ENVIRONMENTS

Abstract. In this article metallurgical quality staly domestic manufacturers of the oil-field pipes working in hostile environment is considered the reasons of a premature exit of these pipes out of operation are established, and actions for increase in durability of pipes are also offered.

Keywords: pipeline, corrosion damage, mechanical properties.

УДК 620.1

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИЧИН ПРЕЖДЕВРЕМЕННОГО РАЗРУШЕНИЯ НАСОСНО-КОМПРЕССОРНЫХ ТРУБ КЛАССА

ПРОЧНОСТИ Е Пугачева Татьяна Михайловна, к.т.н., доцент

(e-mail: [email protected]) Суслина Анастасия Алексеевна, магистрант (e-mail: [email protected]) Кощеев Кирилл Игоревич, студент Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия

(e-mail: [email protected])

В данной статье проведен анализ химического состава, микроструктуры, механических свойств и коррозионной стойкости двух насосно-компрессорных труб класса прочности «Е» с целью определения причин преждевременного их разрушения.

Ключевые слова: насосно-компрессорные трубы, микроструктура, механические свойства, коррозионное повреждение.

Насосно-компрессорные трубы (НКТ) предназначены для транспортирования нефти и газа из продуктивного слоя. Колонна составляется из труб