авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Разработка стали повышенной прочности и коррозионной стойкости для производства нефтегазопроводных труб

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ДЕНИСОВА Татьяна Владимировна

РАЗРАБОТКА СТАЛИ ПОВЫШЕННОЙ

ПРОЧНОСТИ И КОРРОЗИОННОЙ СТОЙКОСТИ

ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА НЕФТЕГАЗОПРОВОДНЫХ ТРУБ

Специальность 05.16.09 Материаловедение (машиностроение)

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Пенза 2013

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тольяттинский государственный университет» и ООО «Самарский инженерно-технический центр».

Научный руководитель: доктор физико-математических
наук, профессор Выбойщик Михаил
Александрович
Официальные оппоненты: Кудря Александр Викторович,
доктор технических наук,
профессор, НИТУ «Московский государственный институт стали
и сплавов», профессор кафедры «Металловедение и физика
прочности»;
Андреев Валерий Георгиевич, доктор технических наук,
профессор, Кузнецкий филиал
ФГБОУ ВПО «Пензенский
государственный университет», заведующий кафедрой
«Естественнонаучные
и технические дисциплины»
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Тульский
государственный университет»

Защита состоится 11 апреля 2013 г., в 12.00 часов, на заседании диссертационного совета Д 212.186.03 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

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

Автореферат разослан «___» __________2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Воячек Игорь Иванович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ


Актуальность темы. Большинство транспортируемых сред на нефтяных месторождениях характеризуется наличием растворенных CO2, H2S и коррозионно-опасных микроорганизмов, поэтому углекислотная, сероводородная и бактериальная коррозии являются основными причинами интенсивного разрушения нефтегазопроводных труб.

Традиционно используемые стали для изготовления нефтегазопроводных труб с системой легирования Fe-Mn-Si (типа стали 09Г2С) обеспечивают требуемый уровень механических характеристик, но имеют низкую коррозионную стойкость в средах CO2, H2S и средах с бактериальной зараженностью. Стали с системой легирования Fe-V (типа 09ГСФ, 20Ф) стойки к водородному растрескиванию, но подвержены углекислотной и бактериальной коррозиям. Эксплуатационный срок труб нефтепроводов в средах с высокой коррозионной активностью остается крайне низким (2–3 месяца). По мере старения действующих и освоения новых месторождений коррозионная активность транспортируемых сред только увеличивается.

Необходима разработка новых технологий производства сталей, например, модифицирование редкоземельными элементами, а также разработка новых марок стали с более рациональным легированием и оптимальным выбором режимов их термической обработки, что обеспечит повышение долговечности нефтегазопроводных труб.

Несмотря на большой объем исследований по коррозионно-механическому разрушению оборудования в нефтедобывающей промышленности, вопросы повышения стойкости используемых материалов к углекислотной и бактериальной коррозиям изучены недостаточно и остаются актуальными.

Объект исследования металлические материалы, используемые для изготовления нефтегазопроводных труб.

Предмет исследования закономерности и особенности влияния состава и микроструктуры металла на механические, коррозионные и эксплуатационные свойства труб.

Цель работы разработать сталь для производства нефтегазопроводных труб с повышенными механическими и коррозионными свойствами за счет использования микролегирования, модифицирования редкоземельными элементами и оптимизации режимов термической обработки.

Для достижения поставленной цели необходимо решить задачи:

1. Провести сравнительные промысловые испытания труб в идентичных условиях эксплуатации (среды с повышенным содержанием H2S и CO2).

2. Установить зависимости и связи интенсивности развития коррозионно-механического разрушения труб при эксплуатации в средах повышенной агрессивности от химического состава металла трубы, длительности эксплуатации и выбрать базовую марку стали для дальнейшей доработки.

3. Исследовать влияние модифицирования редкоземельными элементами на форму и распределение неметаллических включений, механические и коррозионные свойства трубных сталей.

4. Разработать новую марку стали для производства нефтегазопроводных труб повышенной прочности и коррозионной стойкости.

5. Изучить особенности формирования микроструктуры предложенной марки стали при термической обработке.

6. Определить режим термической обработки для разработанной марки стали, обеспечивающий сочетание высоких механических и коррозионных свойств.

7. Разработать технические условия на производство нефтегазопроводных труб из новой марки стали.

8. Провести промысловые испытания труб из разработанной марки стали в средах с повышенным содержанием H2S, CO2 и высокой бактериальной зараженностью.

Методы исследования. Использован комплекс современных методов исследований микроструктуры, фазового рентгеноструктурного анализа, локального анализа химического состава, механических и коррозионных свойств металла и продуктов коррозии, что позволило получить представление о влиянии состава и структурного фактора на развитие коррозионно-механического разрушения стальных труб в лабораторных и эксплуатационных условиях. Экспериментальные исследования выполнены аттестованными лабораториями по стандартным и международным методикам с компьютерной обработкой полученных результатов.

Достоверность и обоснованность научных результатов обеспечивается: применением различных методов и достаточным объемом исследований свойств и структурного состояния металла; сходимостью результатов, полученных при лабораторных и промысловых испытаниях; соответствием результатов и выводов основным положением современных представлений материаловедения, теорий прочности и коррозионного разрушения материалов; положительными результатами внедрения в производство.

На защиту выносятся:

1. Результаты сравнительного анализа коррозионной повреждаемости нефтегазопроводных труб из сталей 20, 09Г2С, 13ХФА и 08ХМФА при эксплуатации в условиях высокой агрессивности транспортируемых сред.

2. Результаты и анализ влияния модифицирования редкоземельными элементами (церий и лантан) на количество, форму, строение и состав неметаллических включений, а также на механические и коррозионные свойства низкоуглеродистых низколегированных сталей.

3. Химический состав стали марки 08ХМФБЧА для производства нефтегазопроводных труб повышенной прочности и коррозионной стойкости.

4. Диаграмма термокинетического распада переохлажденного аустенита стали марки 08ХМФБЧА, позволяющая выбрать режим термической обработки.

5. Режимы термической обработки труб, обеспечивающие сочетание высоких механических свойств с повышенной стойкостью к сероводородной, углекислотной и бактериальной коррозиям.

6. Особенности микроструктуры и механических свойств низкоуглеродистой низколегированной стали после термической обработки, заключающиеся в образовании следующего структурного построения: незамкнутой мелкозернистой ферритной сетка по границам бывшего аустенитного зерна и разнонаправленных бейнитных структур, позволяющих получить сочетание высоких прочностных и вязкопластических свойств.

7. Результаты эксплуатации нефтепроводов, изготовленных из труб стали марки 08ХМФБЧА.

Научная новизна:

1. Показано, что модифицирование кальцием и редкоземельными элементами (церий и лантан) повышает стойкость стали к сульфидному коррозионному растрескиванию под напряжением.

2. Впервые установлено, что введение церия и лантана в состав низкоуглеродистых низколегированных сталей оказывает значительное бактерицидное воздействие (уменьшение клеток сульфатвосстанавливающих бактерий в 10 раз и снижение их активности в 5 раз).

3. Показано, что закалочные структуры представлены в виде незамкнутой мелкозернистой ферритной сетки по границам бывшего аустенитного зерна и разнонаправленных бейнитных структур (верхний, нижний и бескарбидный бейнит), обеспечивают сочетание высоких прочностных, пластичных и коррозионных свойств стали марки 08ХМФБЧА.

5. Установлено, что распад пластин остаточного аустенита бескарбидного бейнита при отпуске проходит по схеме: образование нижнего бейнита с последующим выделением цепочек дисперсных карбидов, армирующих и упрочняющих феррит.

Практическая ценность:

1. Предложена новая сталь 08ХМФБЧА для изготовления нефтегазопроводных труб группы прочности К52 и насосно-компрессорных труб группы прочности «К, Е» и установлены эффективные режимы ее термической обработки, обеспечивающие повышенную коррозионную стойкость и долговечность труб в H2S-, CO2-содержащих средах и в средах с высокой бактериальной заражённостью.

2. Разработаны технические условия ТУ 1308-015-48124013 на изготовление коррозионностойких нефтегазопроводных труб из стали 08ХМФБЧА.

Личный вклад автора заключается в непосредственном участии в постановке задач исследования, проведении экспериментов и выполнении расчетов, обработке полученных результатов и формировании выводов, разработке и внедрении рекомендаций для изготовления нефтегазопроводных труб из разработанной марки стали.

Из 17 опубликованных по теме диссертации работ 12 работ опубликовано непосредственно по теме диссертации с долей личного участия 60 %.

Реализация результатов работы.

По ТУ 1308-015-48124013 изготовлено 6000 т нефтегазопроводных труб диаметром 159х8 мм из стали 08ХМФБЧА. Трубы опытной партии установлены в трубопровод на месторождении ОАО «Газпромнефть-Ноябрьскнефтегаз» и безаварийно эксплуатируются в течении 5 лет.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы были представлены и обсуждались на международных научных конференциях: «Физика прочности и пластичности материалов» (Самара, 2010, 2012), «Актуальные проблемы прочности» (Витебск, Беларусь, 2011, 2012), «Фазовые превращения и прочность кристаллов» (Черноголовка, ФППК, 2012), научном семинаре Тольяттинского государственного университета «Материаловедение и физика прочности» (Тольятти, 2012, 2013).

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 17 печатных работ, из них 5 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и 5 патентов РФ.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы из 110 наименований и приложения. Работа изложена на 128 страницах основного текста, включает 38 рисунков и 19 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 по основным направлениям в области повышения эксплуатационных характеристик нефтепромысловых труб и коррозионной стойкости используемых материалов.

Транспортируемые среды современных нефтяных месторождений характеризуются наличием растворенных CO2, H2S и коррозионно-опасных микроорганизмов, что вызывает углекислотную, сероводородную и бактериальную коррозии, являющиеся основными причинами разрушения нефтегазопроводных труб. Процессы разрушения, связанные с H2S коррозией, в настоящее время описаны относительно подробно.

Несмотря на большой объем исследований по коррозионному разрушению нефтегазопроводных труб, выполненный известными учеными О. И. Стекловым, В. И. Астафьевым, Т. В. Тетюевой, В. И. Кушнаренко и другими, механизмы протекания углекислотной и бактериальной коррозии нефтегазопроводных труб достаточно не изучены. Задачи повышения стойкости сталей к углекислотной и бактериальной коррозиям остаются актуальными.

На основании проведенного анализа сформулированы цель работы и задачи исследований.

Во второй главе описаны методики исследований. Выбор методов исследований основан на необходимости получения информации об изменении микроструктуры, механических и коррозионных свойств металла труб в зависимости от содержания легирующих элементов и термической обработки. В работе использовались следующие методы исследований:

– металлографический анализ, включающий световую микроскопию (микроскоп ME-2278 фирмы «UNION»), растровую электронную микроскопию (микроскоп фирмы «FEI», марки INSPECT S), а также просвечивающую электронную микроскопию на тонких фольгах (микроскоп ЭМВ-100Л);

– механические испытания на статическое растяжение (разрывная машина Tinius Olsen H50KT), на ударную вязкость при температурах –40 °С и –60 °С (маятниковый копер МК-30);

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

– фазовый рентгеноструктурный анализ (ДРОН-2);

– дилатометрический метод (дилатометр «Linseis L78 R. I. T. A.») для построения термокинетической диаграммы распада переохлажденного аустенита;

– коррозионные испытания на стойкость к СКРН (стандарт NACE ТМ0177 с определением коэффициента интенсивности напряжений в вершине коррозионной трещины (K1ssc) и порогового напряжения (th);

– коррозионные испытания на стойкость к углекислотной коррозии (специальная методика, с выдержкой образцов 120 ч в модельной СО2-содержащей среде).

– испытания на стойкость к бактериальной коррозии.

В третьей главе приведены результаты сравнительных промысловых (байпасных) испытаний нефтегазопроводных труб из сталей 20, 09Г2С, 13ХФА и 08ХМФА в условиях высокой агрессивности транспортируемых сред месторождений ОАО «Лукойл-Коми» и ООО «РН Ставропольнефтегаз».

Химический состав, механические свойства сталей и физико-химические характеристики транспортируемых сред приведены в таблицах 1–3.

Таблица 1 – Химический состав исследуемых сталей

Марка стали Содержание элементов, % (масс.)
С Si Mn P S Cr Al V Nb Ca
09Г2С 0,12 0,58 1,42 0,011 0,016 0,01 0,032
20 0,21 0,27 0,007 0,005 0,08 0,029 0,05
13ХФА 0,08 0,28 0,54 0,005 0,002 0,55 0,040 0,050 0,02 0,0010
08ХМФА 0,11 0,33 0,54 0,009 0,006 0,62 0,031 0,044 0,01 0,0020

Таблица 2 – Механические свойства исследуемых сталей

Марка стали Вид термической обработки в 0,2 , % 0,2/в KCV-40 Доля вязкой составляющей
МПа Дж/см2 %
09Г2С –  460 340 32,0 0,74 116 40
20 Закалка 870 °С Закалка 800 °С Отпуск 670 °С 544 435 27,5 0,74 275 100
13ХФА Закалка 880 °С Закалка 780 °С Отпуск 720 °С 520 415 33,5 0,80 280 100
08ХМФА Закалка 900 °С Закалка 800 °С Отпуск 710 °С 545 413 29,0 0,76 310 100

Таблица 3 – Физико-химические характеристики транспортируемых сред
месторождений ОАО «Лукойл-Коми» и ООО «РН Ставропольнефтегаз»

Месторождение Н2О, % рН Общая минерализация, г/дм3 Содержание корр. акт. комп.
H2S СО2
мг/дм3 мг/дм3
ОАО «Лукойл-Коми» 70,0 7,09 57,3 65,1 82,9
ООО «РН Ставропольнефтегаз» 89,0 6,6 75,9 2,0 75,9


Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.