Повышение стойкости металлопластмассовых промысловых трубопроводов к воздействию агрессивных сред

На правах рукописи

ГАРАЕВ ИЛЬМИР ГАМИРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ СТОЙКОСТИ МЕТАЛЛОПЛАСТМАССОВЫХ ПРОМЫСЛОВЫХ ТРУБОПРОВОДОВ К ВОЗДЕЙСТВИЮ

АГРЕССИВНЫХ СРЕД

Специальность 05.16.09 – «Материаловедение»

(машиностроение в нефтегазовой отрасли)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

УФА – 2010

Работа выполнена на кафедре «Материаловедение и защита от коррозии» Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Гареев Алексей Габдуллович

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Закирничная Марина Михайловна;

кандидат технических наук

Малинин Андрей Владимирович

Ведущая организация Автономная некоммерческая организация

«Технопарк-ОГУ»

Защита состоится « 22 » октября в 15-00 на заседании диссертационного совета Д 212.289.05 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062 Республика Башкортостан, г. Уфа,
ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан « 22 » сентября 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Лягов А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Всего на территории Российской Федерации находится в эксплуатации более 350 тыс. км внутрипромысловых трубопроводов, на которых ежегодно отмечается свыше 50 тыс. инцидентов, из них 25% приходятся на коррозионные разрушения. Коррозионные разрушения промысловых трубопроводов заметно сокращают срок их службы, нарушают герметичность и, соответственно, приводят к разливам нефти и пластовой минерализованной воды, выбросу газа. При этом ущерб наносится вследствие не только потери продукции, но и загрязнения окружающей среды.

Вопросам коррозионного разрушения внутренней поверхности промысловых трубопроводов посвящены работы таких авторов, как Гутман Э.М., Абдуллин И.Г., Гареев А.Г., Мостовой А.В., Мустафин Ф.М., Асфандияров Ф.А., Харикова И.О., Пелевин Л.А., Бугай Д.Е., Гетманский М.Д., Фаритов А.Т., Гоник А.А., Юсупов И.Г., Загиров М.М. и др. Опыт эксплуатации промысловых трубопроводов показывает, что наиболее характерными видами разрушения являются канавочное коррозионно-механическое разрушение («ручейковая коррозия») и коррозионная усталость. Коррозионное растрескивание промысловых трубопроводов встречается только в системе сбора сырого газа.

В зависимости от параметров транспортируемой среды и условий эксплуатации при сооружении промысловых трубопроводов используются трубы из самых различных материалов: стальные; из цветных металлов и чугуна; пластмассовые; стеклянные; стальные трубы, плакированные металлами и неметаллами. Одним из способов плакирования внутренней поверхности стальных труб является их футерование пластмассовыми трубами, где стальная оболочка обеспечивает прочность, а пластмассовая оболочка – коррозионную стойкость, что с практической и экономической точки зрения является одним из наиболее простых способов в применении. Применение стальных труб, футерованных полиэтиленом (металлопластмассовых труб), позволило повысить коррозионную стойкость промысловых трубопроводов к воздействию агрессивных сред, значительно сократить количество отказов. Однако опыт эксплуатации металлопластмассовых промысловых трубопроводов системы сбора нефти и поддержания пластового давления выявил наличие коррозионного растрескивания металла трубы как в зоне сварного шва, так и по телу трубы.

Несмотря на большое число исследований в области материаловедения, коррозионное растрескивание металла металлопластмассовых промысловых трубопроводов не изучено. В связи с этим, проблема повышения их стойкости и уменьшения отказов нефтепромысловых трубопроводов является весьма актуальной.

Цель работы

Установление причин коррозионного растрескивания металла из марки стали 20 металлопластмассовых промысловых трубопроводов от действия коррозионной среды, разработка на этой основе методов прогнозирования остаточного ресурса, повышения их коррозионной стойкости.

Реализация поставленной цели в диссертационной работе осуществляется путем постановки и решения следующих основных задач.

1. Анализ отказов металлопластмассовых промысловых трубопроводов.

2. Разработка методов прогнозирования и оценка остаточного ресурса металлопластмассовых промысловых трубопроводов.

3. Изучение коррозионной стойкости металла металлопластмассовых промысловых трубопроводов к воздействию агрессивных сред.

4. На основе изучения физико-механических и электрохимических свойств металла из марки стали 20 металлопластмассовых промысловых трубопроводов выявление причин их разрушения.

5. Разработка мероприятий по повышению коррозионной стойкости промысловых трубопроводов к воздействию агрессивных сред.

Научная новизна

1. В результате статистической обработки данных по отказам металлопластмассовых промысловых трубопроводов обнаружено, что 30 % отказов таких трубопроводов, эксплуатирующихся в системе нефтесбора и поддержания пластового давления, происходит по причине коррозионного растрескивания металла по нижней образующей трубопровода, причем наибольшее количество отказов наблюдается в зоне сварного шва, защищенного протектором из алюминиевого сплава. Найденная экспоненциальная зависимость времени до разрушения и ее параметры позволяют оценить остаточный ресурс металлопластмассовых промысловых трубопроводов.

2. На основании проведенных исследований определено, что причиной коррозионного растрескивания металла металлопластмассовых промысловых трубопроводов является совместное воздействие макрогальванопар «металл – протектор» и «металл – продукты коррозии» в сероводородсодержащей среде.

3. Экспериментально установлено, что происходит локальное охрупчивание металла металлопластмассовых промысловых трубопроводов, связанное с повышенным уровнем содержания водорода, приводящее к увеличению твердости металла в 2 раза около трещины, причем проведенными исследованиями показано, что данный вид растрескивания отличается от похожего по внешним признакам растрескивания магистральных газопроводов.

Практическая значимость

1. Предложено использовать экспоненциальный закон распределения для прогнозирования образования трещин на металлопластмассовых промысловых трубопроводах, который позволяет определить остаточный ресурс их безопасной эксплуатации.

2. Разработаны неразъемные соединения промысловых трубопроводов с внутренним антикоррозионным покрытием, изготовленные из поликарбоната, обладающего стойкостью к перекачиваемым агрессивным средам.

3. Результаты диссертационной работы используются ООО НПВП «Электрохимзащита» при проектировании и строительстве промысловых трубопроводов и в учебном процессе Уфимского государственного нефтяного технического университета при чтении лекций и проведении практических занятий по дисциплинам «Механика разрушения конструкционных материалов» и «Коррозия и защита нефтегазового и нефтегазопромыслового оборудования», а также при дипломном проектировании студентами специализации 240801 «Машины и аппараты химических производств».

На защиту выносятся:

- выявление причин разрушения металлопластмассовых промысловых трубопроводов и прогнозирование времени их наработки на отказ;

- результаты лабораторных исследований металла очаговых зон отказавших металлопластмассовых промысловых трубопроводов;

- мероприятия по предотвращению разрушений стыковых соединений промысловых трубопроводов с внутренним антикоррозионным покрытием.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на следующих конференциях: молодежной научно-практической конференции ОАО «Татнефть», посвященной 60-летию начала разработки Ромашкинского месторождения (г. Бавлы, 2008 г.); семинаре молодых специалистов ОАО «Татнефть» (г. Альметьевск, 2008 г.); молодежной научно-практической конференции ОАО «Татнефть», посвященной 50-летию НГДУ «Джалильнефть» (п.г.т. Джалиль, 2009 г.).

Публикации

По теме диссертации опубликованы 5 научных работ, в числе которых
2 статьи в изданиях по списку ВАК РФ, получен 1 патент РФ, подана заявка на изобретение (№ 2009124530), на которое получено решение о выдаче патента РФ.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов и пяти приложений, содержит 134 страницы машинописного текста,
10 таблиц, 48 рисунков, библиографический список использованной литературы из 100 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведена общая характеристика работы, сформулированы цель и основные задачи исследования.

В первой главе проведен анализ опубликованных работ по проблеме коррозии нефтепромысловых трубопроводов.

Наиболее интересными являются труды отечественных и зарубежных авторов: Гоника А.А., Маричева Ф.Н., Гетманского М.Д., Саакияна Л.С., Абдуллина И.Г., Худякова М.А., Гареева А.Г., Кеше Г. и др., в которых показано, что нефтепромысловые трубопроводы, построенные из углеродистой и низколегированной стали, подвержены, в основном, канавочному коррозионно-механическому разрушению и коррозионной усталости, а газосборные трубопроводы – коррозионному растрескиванию.

Одним из основных технологических способов борьбы с коррозией нефтепроводов, транспортирующих обводненную нефть, является дополнительная загрузка нефтепровода, и получение критической скорости движения газожидкостной смеси, при которой выделившаяся по нижней образующей трубопровода вода могла бы перейти в структуру потока и при дальнейшем движении по телескопическому трубопроводу не выпадала в отдельную фазу. Также активно используются ингибиторы для снижения коррозионной активности водной фазы, уменьшения коэффициента трения стенки трубопровода и увеличения скорости движения водной фазы.

Наиболее эффективным способом борьбы с коррозией нефтепромысловых трубопроводов является создание барьера между внутренней поверхностью труб и транспортируемой средой. Стальные трубы, футерованные полиэтиленом, так называемые металлопластмассовые трубы (МПТ), применяются в России с начала 80-х годов XX века. Футерованные трубы представляют собой двухслойную систему, состоящую из стальной наружной трубы и внутренней полиэтиленовой трубы. Полиэтиленовые трубы химически стойки к нефти, нефтепромысловым сточным водам и по литературным данным срок их эксплуатации может достигать 50 лет.

На основании проведенного анализа поставлена цель и определены задачи диссертационного исследования.

Во второй главе описан объект исследования, рассмотрены особенности проявления коррозионного растрескивания на металлопластмассовых нефтепромысловых трубопроводах, выполнен анализ и прогнозирование их отказов.

Металлопластмассовая труба – это стальная труба, защищённая от коррозионного воздействия транспортируемой среды по внутренней поверхности за счёт футерующей полиэтиленовой оболочки и по наружной поверхности от почвенной коррозии за счёт полимерной изоляции. Концы МПТ имеют конструкцию, позволяющую при сооружении трубопровода осуществлять сварное соединение по традиционной технологии, с помощью электродуговой сварки. Протектор из алюминиевого сплава 1915, находящийся в конструкции стыка, защищает от коррозии внутреннюю поверхность трубы на весь срок эксплуатации трубопровода. Для изготовления МПТ ООО УК «Татнефть-Трубопроводсервис» использует стальные трубы, из марки стали 20 группы В по ГОСТ 8731-74 и ГОСТ 10705-80.

МПТ предназначены для сооружения технологических трубопроводов обустройства нефтяных месторождений, для транспортирования нефти, агрессивных сточных вод и их смесей, перекачки пресной воды в системах водоснабжения, различных сред химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей отраслей промышленности, к которым полиэтилен химически стоек. Максимальная допустимая температура транспортируемой среды не более +70 оС. На рисунке 1 приведена конструкция МПТ.

Рисунок 1 – Конструкция металлопластмассовой трубы

Опыт эксплуатации МПТ на нефтепромыслах выявил следующие преимущества по сравнению с трубопроводами, выполненными из обычных марок сталей (ВСт3сп, 20, 17ГС, 17Г1С, 09Г2С и т.д.):

– срок эксплуатации в агрессивных средах увеличивается в несколько раз. Опыт на нефтепромыслах Татарстана показал, что этот срок увеличился с 4,4 года до 25 лет;

– повышенная надёжность трубопровода, сооруженного из металлопластмассовых труб, позволяет уменьшить количество нарушений герметичности;

– пропускная способность трубопроводов при эксплуатации не изменяется;

– при перекачивании нефти уменьшается отложение парафинов.

Однако в ходе эксплуатации проявились и недостатки МПТ. Обследование катушек, вырезанных из металлопластмассовых труб, выявило, что протекторные втулки подвергаются значительной коррозии. Продукты коррозии протекторной втулки имеют объем, намного больший объема исходного металла протектора, что приводит к деформации наконечника. На рисунке 2 приведена деформация защемляющего наконечника.

В последнее время на промысловых трубопроводах участились случаи растрескивания МПТ в зоне сварного шва и по телу трубы. Возникновение коррозионных трещин на промысловых трубопроводах из МПТ представляет особый интерес, поскольку, как было показано в первой главе диссертации, считается, что промысловые трубопроводы не подвержены коррозионному растрескиванию, за исключением трубопроводов сбора сырого газа.

Рисунок 2 – Деформация защемляющего наконечника продуктами растворения протекторной втулки

Анализ отказов металлопластмассовых промысловых трубопроводов за период с 2005 по 2008 год показал, что из общего числа отказов отказы по причине образования трещин составляют в среднем 30%. Доля отказов по причине коррозионного растрескивания увеличивается с каждым годом (рисунок 3). Как видно на рисунке 4, доля трещин от общего числа отказов в системе нефтесбора и поддержания пластового давления (ППД) примерно одинакова, что говорит о необходимости решения проблемы для промысловых трубопроводов в целом.

Рисунок 3 – Динамика доли трещин в общем количестве отказов

Рисунок 4 – Доля трещин в общем количестве отказов в системе ППД и нефтесбора

На рисунке 5 показано, что с каждым годом увеличивается доля трещин, расположенных в зоне сварного шва. Также с каждым годом увеличивается количество отказов на трубопроводах, срок эксплуатации которых равняется или превышает 10 лет (рисунок 6).

Рисунок 5 – Характеристика трещин по расположению дефекта

Рисунок 6 – Характеристика трещин по сроку эксплуатации трубопровода

С целью прогнозирования образования трещин на металлопластмассовых трубах системы нефтесбора и поддержания пластового давления был произведен статистический анализ отказов технологических трубопроводов. Выяснено, что распределение отказов не может быть описано с помощью нормального распределения. Дополнительное тестирование с помощью графических представлений «ящика с усами» и нормальной вероятностной сетки подтвердило вышеизложенное. Таким образом, распределение отказов МПТ по причине образования трещин искалось при помощи альтернативных распределений – в первую очередь экспоненциального, которое широко используется для прогнозирования отказов. При этом среднее значение до образования трещины равно 10 годам (рисунок 7). Нормирование на толщину стенки трубы не выявило существенной разницы. Это говорит о том, что локальному участку охрупчивания одновременно подвергается металл в зоне действия коррозионной среды.

а – по годам; б – нормированные на толщину стенки трубы

Рисунок 7 – Гистограмма распределения отказов нефтесборных
трубопроводов из МПТ

Таким образом, время остаточного ресурса безопасной эксплуатации трубопроводов на рассмотренных участках может быть описано с помощью простейшего потока отказов, составляющего 0,1 отказ/год.

Анализ существующих методов защиты от коррозии сварных стыков показал, что на сегодняшний день нет метода защиты сварного стыка, который бы в полной мере удовлетворял всем предъявляемым требованиям.

В третьей главе описываются методы исследований металла из марки стали 20 металлопластмассовых промысловых трубопроводов.

Для исследования химического состава, механических свойств, микроструктуры анализа, электрохимических и физико-механических свойств металла отказавших металлопластмассовых трубопроводов использовались образцы труб:

– образец №1 – труба аварийного запаса 1149 производства ООО УК «Татнефть-Трубопроводсервис»;

– образец №2 – разводящий водовод 897 от КНС (кустовая насосная станция) до скважины, протяженностью 4,085 км, был запущен в 2000 году, транспортирует сточную воду, рабочее давление 114,6 МПа, температура перекачиваемой жидкости 10 °С. Отказ был обнаружен в мае 2009 года, трещина образовалась в районе сварного шва (

рисунок 8 а);

– образец №3 – разводящий водовод 1149 от КНС до скважины, протяженностью 3,693 км, был запущен в 1995 году, транспортирует сточную воду, рабочее давление 142,2 МПа, температура перекачиваемой жидкости 20 °С. Отказ был обнаружен в мае 2009 года, трещина образовалась по телу трубы
(

рисунок 8 б).

а	б
а – трещина в зоне сварного шва; б – трещина по телу трубы Рисунок 8 – Отказавшие элементы трубопровода из МПТ