CC BY
58. НП-105-18. Правила контроля металла оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок при изготовлении и монтаже: Федеральные нормы и правила в области использования атомной энергии. М.: Федеральная служба по экологическому, технологическому и атомному надзору, 2018.
9. Polar A., Indacochea J. E., Blander M. Electrochemically generated oxygen contamination in submerged arc welding // Welding research supplement. 1990. Feb. P. 68-74.
10. Li H. G., Wu C. F., Zhao D., Zheng S. B., Zhai Q. J. Thermodynamic analysis of ultraline Ti oxide inclusion precipitation during steels solidification // Shanghai Metal. 2011. V. 33, iss. 2. Р. 36-39.
11. Xia W. Y., Wang Y. C., Wang M. L., Qiu S. T. Behavior of oxide precipitation in solidification process for aluminium-titanium deoxidized steels // Journal of Iron and Steel Research. 2011. V. 23, iss. 8. Р. 11-15.
12. Zhuo X. J., Wang X. H., Wang W. J., Lee H. G. Thermodynamic calculations and MnS solubility of Mn-Ti oxide formation in Si-Mn-Ti deoxidized steel // Journal of Iron and Steel Research. 2010. V. 17, iss. 2. Р. 10-17.
13. Носов С. И., Старченко Е. Г., Пронин В. П. Неметаллические включения в сварных соединениях корпусных C-Mn-Ni-Mo-V-сталей для сосудов высокого давления // Тяжелое машиностроение. 2010. № 9. С. 23-26.
DOI: 10.24412/cl-37269-2024-1-138-142
СТРУКТУРНАЯ НЕОДНОРОДНОСТЬ МЕТАЛЛА ТРУБ КАК ПРИЧИНА ПОТЕРИ НАДЕЖНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ, РАБОТАЮЩЕГО В УСЛОВИЯХ АРКТИЧЕСКОГО КЛИМАТА
Ялыгин С.А.1, Шапошников Н.О.2, Слепцов О.И.3, Ермаков Б.С.2, Швецов О.В. 2
1 ООО «НТЦ ГАЗПРОМНЕТЬ», Санкт-Петербург 2 Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАН, Якутск 3 Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург
Тенденция переноса добывающих производств в Арктическую и Субарктическую зону РФ, рост аварийности трубопроводных систем и строительных конструкций в условиях экстремально низких климатических температур потребовало разработать новый подход к оценке качества сварных труб различного назначения, использующихся как в системах добычи и транспортировки продуктов, например нефти и газа, так и при обустройстве месторождений. В работе выполнен анализ и показано, что повышенный уровень структурной неоднородности металла труб, не оказывающий существенного влияния при их эксплуатации в зоне умеренных широт является критически важным фактором при прогнозе работоспособности трубопроводных систем и строительных конструкций в регионах с низкими климатическими температурами.
В настоящее время одной из мировых тенденций в промышленности является нарастание потребления таких энергоносителей, как нефть и газ, а соответственно отмечается развитие транспортных систем их доставки, что приводит к росту мощностей сопутствующих производств, в частности производства стали, проката и труб. Нефтегазовая индустрия является основой мировой экономики и по-прежнему остается высокотехнологичной и наукоемкой отраслью промышленности, однако, на сегодняшний день большинство «классических» месторождений истощены и нефтегазовым компаниям приходится переходить к освоению новых месторождений, расположенных в труднодоступных северных регионах. В большей степени такие месторождения размещены на территории Крайнего Севера и акваториях Арктического шельфа. Выявленные и потенциальные запасы углеводородного сырья в российском секторе сосредоточены
в зоне континентального склона, континентального подножья, шельфа и зоны за пределами континентального склона. В Арктической зоне находится 90% извлекаемых ресурсов углеводородов всего континентального шельфа России, ведется добыча 91% природного газа и сконцентрировано 80% общероссийских разведанных запасов газа промышленных категорий [1, 2].
На данный момент в стране активно ведутся разработки труднодоступных сырьевых месторождений Дальнего Востока, Восточной Сибири, Ямала и континентального шельфа, основными особенностями которых являются сложные климатические условия, отсутствие или крайне слабое развитие путей снабжения. Это требует повышения надежности и долговечности материалов и конструкций, используемых при обустройстве этих объектов. Прокладка трубопроводов их эксплуатация и эксплуатация площадных объектов месторождений, идет в широкой географии геологических и климатических условий зачастую близких к экстремальным (сейсмическая активность и тектонические разломы, вечная мерзлота и низкотемпературные условия эксплуатации). При работе оборудования в данных обстоятельствах могут возникать сложности связанные с перепадом температуры, воздействием агрессивных сред и усиленной знакопеременной нагрузкой. В этой связи достижение однородных свойств и металлургического качества при изготовлении сварных прямошовных труб и оборудования из них для нефте- и газопромысловых объектов принимает критически важный характер. К таким трубам выдвигаются повышенные требования к прочностным свойствам, вязкости и трещи-ностойкости при пониженных температурах, высокого уровня пластичности, сопротивления повторным нагрузкам, хорошей свариваемости и т. д.
Однако, оценка долговечности и собственно качества основного металла и сварных соединений труб для трубопроводов и строительных конструкций нефте- и газопромыслов по существующим нормативным документам весьма ограничена и недостаточна, о чем свидетельствуют повышенная аварийность трубопроводных и строительных трубчатых элементов объектов, возведенных на месторождениях, при полном соответствии листового проката, методов и технологий формовки и сварки труб, из которых они изготовлены, требованиям существующей нормативно-технической документации. Это говорит о том, что виды и объем испытаний возможно недостаточны для обеспечения надежности, особенно в условиях низкотемпературной работы оборудования [3, 4].
Исходя из существующих трендов освоения территории с преимущественно низкотемпературной эксплуатацией в данной работе изучены основные структурные факторы, влияющие на работоспособность и надежность трубной продукции. К ним можно отнести оценку полосчатости, структурной однородности, контроль неметаллических включений и влияние этих факторов на механические свойства и стойкость к коррозионному разрушению. Целью данной работы явилось обоснование необходимости совершенствования нормативно-технической документации, определяющей технические требования к материалам труб, эксплуатация которых планируется в условиях северных широт, и показать, что для реализации планов по освоению Арктики (с температурой эксплуатации до минус 50 - минус 60 °С) и многолет-немерзлых грунтов необходимо более детально учитывать стабильность структурных факторов металла при пониженных температурах и их влияние на механические свойства, коррозионную стойкость и трещиностойкость металла трубной продукции.
Анализ отечественной и ряда источников зарубежной литературы, а также наши исследования повреждений трубопроводов и строительных конструкций показал, что одной из основных причин повышенной аварийности нефтепроводов различного назначения и строительных конструкций в Арктической зоне являются неметаллические включения и неравновесность структуры металла труб - полосчатость и разнозернистость микроструктуры, которые приводят к возникновению сложнонапряженных состояний в структуре металла, снижают динамические механические свойства, коррозионную стойкость и хладостойкость сталей, практически не оказывая воздействия на их прочностные характеристики [2, 5].
В соответствии с СП16.3330.2017 «Стальные конструкции» прямошовные трубы могут поставляться по ГОСТ 20295-85 только в термически обработанном состоянии после ТВЧ-сварки, или без термической обработки после сварки плавлением. Исследование влияния структурной неоднородности металла труб на их механические и коррозионные свойства было
изучено на металле вырезок из сварных (под флюсом) прямошовных труб 219х8 мм, изготовленных из стали 09Г2С (ГОСТ 20295-85) в исходном состоянии. Разброс значений механических свойств металла труб при 20 °С укладывался в 10% и соответствовал ГОСТ 20295 (00,2430-494 МПа, ов - 570-640 МПа, KCV при 20 °С - 50-61 Дж/см2, при минус 20 0С -47-51 Дж/см2. В то же время ударная вязкость при минус 60 °С составила от 12 до 46 Дж/см2 трещиностойкость металла труб 8шт (CTODmin) уже при минус 20 °С - от 0,09 до 0,64 мм (см. табл).
Анализ данных испытаний показал, что в зоне температур умеренного холода свойства материала всех исследованных труб близки между собой, в то же время наблюдается значительный разброс значений ударной вязкости и трещиностойкости при дальнейшем понижении температуры. Таким образом понижение температуры испытаний до минус 40 и минус 60 0С оказывает совершенно разное влияние на свойства одной и той же марки стали, произведенной по одному и тому же стандарту. Это проявляется в резком снижении ударной вязкости и тре-щиностойкости стали одних труб (трубы № 3 и № 5) и практически сохранением свойств других (трубы № 2 и № 4) - внутри одной произвольно выбранной партии. Такой разброс значений, характеризующих сопротивляемость низким температурам, предопределяет появление в действующих конструкциях зон, склонных к хрупкому низкотемпературному разрушению, снижению надежности и долговечности всей конструкции в целом и связан с особенностями структурного состояния металла каждой из использованных труб.
Таблица. Взаимосвязь микроструктуры и свойств металла труб из стали 09Г2С
Труба № Ов О0.2 5з KCV при Т, Smin D*max Dсред Полосчатость /балл К-во НВ** V*** корр. К-во блистеров
При 20 °С 20 °С -60 °С мм
МПа % Дж/см2 мм мкм шт/мм2 мм/год шт/см2
1 640 485 28 53 34 0,41 18,3 14,0 А1.7/3-4 3 0,36 5
2 621 494 30 50 41 0,64 12,4 8,9 А1.5/1 2 0,29 1
3 580 430 29 58 12 0,09 48,9 11,8 А1.9/5 6 0,41 11-14
4 595 455 33 61 46 0.56 14,7 9,3 А1.6/2 1 0,31 0
5 610 460 31 58 19 0,10 51,9 12,1 А1.8/4-5 7 0,39 10-13
* D - размер зерен: max - средний диаметр 5 самых крупных зерен в поле видимости шлифа при увеличении х100; средний размер зерен пор ГОСТ 5639. ** включения диметром более 10 мкм; *** испытания в среде 5% NaCl+C02
Исследования микроструктуры стали были проведены в поверхностных слоях и У толщины стенки трубы. Показано, что для микроструктуры металла исследованных труб с низкими характеристиками низкотемпературных трещиностойкости и ударной вязкости характерна значительная разнозернистость - результаты анализа структурного состояния, в соответствии с ГОСТ Р 54570-2011, приведены в табл. 1. Установлено, что в трубах с высоким уровнем ударной вязкости - форма ферритных зерен, в основном, гранулярная, разнозерни-стость минимальная. Ранжироваие труб по полосчатости показало, что максимальный уровень полосчатости структуры 5 балл (ГОСТ 5640), был обнаружен в У толщины трубы № 3 - трубы с минимальной ударной вязкостью и трещиностойкостью; минимальный - у труб № 2 и 4 (1-2 балл ГОСТ 5640). Было обнаружено, что в трубе № 2 (CTODmin = 0,09) разница между диаметрами пяти самых крупных зерен в плоскости шлифа и средним диаметром зерна в той же плоскости превысила 250%, в трубе № 5 (CTODmin = 0,10) - более 330%; перлитная полосчатость в этих трубах оказалась на уровне 4-5 балла; в то же время для труб № 2 и 4 (CTODmin -0,64 и 0,56 соответственно) - разница диаметров оказались на уровне 35-50%, а балл полосчатости на уровне первого - второго..
На основании результатов исследований, была выявлена однозначная зависимость низкотемпературных вязкости и трещиностойкости металла труб стали 09Г2С от неравновесности ее структуры. Еще одним фактором, охрупчивающим металл труб являются неметаллические включения, которые являются концентраторами напряжений и электродами, вокруг которых возникают электрохимические взаимодействия металла и агрессивных флюидов перекачиваемой среды, приводящие к возникновению коррозионных и коррозионно-механических дефектов. Анализ распределения коррозионно-активных металлических включений в трубах
показал, что металл всех труб загрязнен неметаллическими включениями, максимальное количество которых зафиксировано в металле трубы № 3, а минимальное - в трубе № 2.
Таким образом полностью подтверждается взаимосвязь между структурной неоднородностью металла труб и их низкотемпературными механическими свойствами, ранее подробно описанная в работе [2].
Учитывая особенности эксплуатации оборудования месторождений, высокую коррозионную активность добываемых флюидов и внешней среды (связанной, например, со значительными площадями кислых заторфованных грунтов в северных регионах страны) были проведены испытания, позволившие определить взаимосвязь структурного состояния металла труб и их коррозионной стойкости. Исследования были выполнены в соответствии со стандартами ASTM G3, G5, G59, G102 - определение скорости коррозии и NACE TM-0177 - стойкость к сульфидному растрескиванию под напряжением. При измерении поляризационных сопротивлений и дальнейших расчетах скоростей коррозии получены результаты, показавшие, что максимальная скорость коррозии была отмечена у сталей с высокой структурной неоднородностью (№ 5 и № 3) - минимальные у сталей № 2 и № 4.
Одной из особенностей северных месторождений нефти является то, что в составе добываемого флюида содержится достаточно высокая концентрация весьма агрессивного продукта - сероводорода. Воздействие сероводорода на коррозионное растрескивание изучено достаточно подробно и позволяет оценить этот фактор как один из наиболее значимых в процессе ускоренного разрушения промышленных и строительных объектов, связанных с перекачкой нефти, например, промысловых трубопроводов. Хотя известно [9], что сталь 09Г2С обычно не склонна к сульфидному растрескиванию, однако структурная неравновесность металла может оказать определенное негативное влияние на сопротивляемость к образованию и развитию коррозионных трещин, поэтому в работе была выполнена оценка влияния структурной неоднородности на сопротивляемость металла труб сульфидному растрескиванию. Испытания показали, что металл всех труб не склонен к сульфидному растрескиванию, однако, у сталей с высоким содержанием крупных (более 20 мкм) неметаллических включений имеются множественные блистеры. В трубах, где такие включения в металле отсутствуют - блистеры не обнаружены, что подтверждается данными ряда авторов, в том числе [6]. Развитие блистеров происходит в местах расположения крупных неметаллических включений, причем было показано, что межфазная граница между включением и матрицей растравлена, а в теле самого включения обнаружены микротрещины. Совокупность растравленных границ и микротрещин служит инициатором развития хрупкого трещинообразного дефекта и приводит к ускоренному разрушению трубы.
Результаты исследований указывают, на важную роль структурных (металлургических) факторов в формировании комплекса низкотемпературных свойств стали 099Г2С, которые обязательно должны контролироваться при поставке труб в регионы Арктики, Крайнего Севера и Сибири. Зафиксированный разброс значений низкотемпературных механических свойств и трещиностойкости приводит к снижению надежности трубопроводов и строительных конструкций, изготовленных из трубных элементов в условиях низкотемпературной эксплуатации, и требует разработки дополнительных методов и объемов контроля металла труб, поставляемых для строительства нефтепроводов и обустройства месторождений в северных регионах страны.
Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (тема № FSEG-2024-0009 Разработка моделей деградации служебных свойств металлических и композиционных материалов для строительства в условиях многолетнемерзлых грунтах).
Литература
1. Лаверов, Н.П. Фундаментальные аспекты освоения нефтегазовых ресурсов Арктического шельфа России / Н.П. Лаверов, А.Н. Дмитриевский, В.И. Богоявленский // Арктика: экология и экономика. 2011. - № 1. - С. 26 - 37.
2. Шапошников Н.О. Исследование основных структурных факторов, влияющих на надёжность труб из стали 10Г2ФБ, в условиях низкотемпературной эксплуатации нефтегазовой инфраструктуры. / Автореферат дисс. на соиск. уч .ст. к.т.н., СПбПУ, Санкт-Петербург, 2022, 22 с.
3. Дадонов Ю.А. Оценка риска аварий на магистральных нефтепроводах КТК-Р и БТС / Ю.А. Дадонов, М.В. Лисанов, А.И. Гражданкин, А.С. Печеркин, В.И. Сидоров, Д.В. Дегтярев, С.И. Сумской // Безопасность труда в промышленности. - 2002. - № 6. - С. 2 - 6.
4. Ялыгин С.А Влияние послесварочной термической обработки на эксплуатационные свойства стали 09Г2С, применяемой для изготовления буроопускных свай. / Ялыгин С.А., Ермаков Б.С., Столяров А.В., Койнов Е.Г., Швецов О.В., Шапошников Н.О., Токарев В.О., Голиков Н.И.// PROНЕФТЬ. Профессионально о нефти. Т. 9, № 1, 2024, с.173-182.
5. Ермаков, Б.С. Влияние технологических факторов на формирование свойств металла труб магистральных нефтепроводов / Б.С. Ермаков, Н.О. Шапошников // Металлург. -2018. - № 8(62). - С. 39-43.
6. Альхименко А.А. «Совершенствование метода испытаний на коррозионное растрескивание трубных сталей нефтегазового назначения в агрессивных газовых средах»/ Дисс. На соиск.уч.ст. к.т.н., Санкт-Петербург, СПбПУ Петра Великого, 2022, 148 с.
