Производственно-технический нефтегазовый журнал
+7 (903) 580-85-63 +7 (495) 371-01-74 info@glavteh.ru

Особенности разрушения сталей, эксплуатируемых в сероводородсодержащих средах

Сероводород значительно влияет на интенсивность коррозионных процессов, развивающихся в сталях. Одним из наиболее опасных видов разрушения, связанных с воздействием сероводорода, является разрушение, происходящее по механизму сульфидного коррозионного растрескивания (sulfide stress cracking, SSC).  С целью изучения стойкости сталей к сульфидному коррозионному растрескиванию проведена серия экспериментов для низколегированных, аустенитных и коррозионно-стойких сталей различного химического состава и уровня прочности.

26.01.2018 Инженерная практика №12/2017
Шапошников Никита Олегович Руководитель проектов НИОЦ «Везерфорд-Политехник» Санкт-Петербургского политехнического университета (СПбПУ) Петра Великого
Алексеева Екатерина Леонидовна Ведущий инженер НИОЦ «Везерфорд-Политехник» Санкт-Петербургского политехнического университета (СПбПУ) Петра Великого

Сульфидное коррозионное растрескивание представляет собой один из наиболее опасных видов коррозионно-механического разрушения, происходящего при одновременном воздействии внешней агрессивной среды и механических напряжений. Особая опасность сульфидного коррозионного растрескивания связана со значительными скоростями развития трещин.

Рис. 1. Механизм процесса коррозионного растрескивания в сероводородной среде
Рис. 1. Механизм процесса коррозионного растрескивания в сероводородной среде

МЕХАНИЗМ КОРРОЗИОННОГО РАСТРЕСКИВАНИЯ

В первом приближении механизм коррозионного растрескивания в сероводородной среде можно представить следующим образом (рис. 1). Поверхность металла взаимодействует с агрессивной средой в виде раствора электролитов или влажной среды, содержащей сероводород. Последний диссоциирует, в результате чего на поверхности металла образуется атомарный водород, который в силу своей высокой подвижности диффундирует внутрь металла.

В результате взаимодействия поверхности металла с агрессивной средой образуется защитная пленка, при повреждении которой на поверхности металла формируются язвы. Эти язвы в дальнейшем становятся концентраторами механических напряжений, вследствие чего в их основании скапливается атомарный водород. При достижении критичного количества атомарного водорода в металле под действием нагрузок образуется трещина, которая приводит к разрушению.

ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ

Таблица 1. Исследование конструкционных сталей аустенитного, мартенситного и перлито-бейнитного классов различного химического состава и уровня прочности
Таблица 1. Исследование конструкционных сталей аустенитного, мартенситного и перлито-бейнитного классов различного химического состава и уровня прочности

В табл. 1 приведены физико-механические характеристики и химический состав рассматриваемых сталей, исследованные стали имеют широкий диапазон по уровню легирования, прочности. Так же представленные стали можно подразделить на коррозионно-стойкие и коррозионно-нестойкие (табл. 1). Данные стали применяются для изготовления оборудования и конструкций, которые могут эксплуатироваться в сероводородсодержащих средах.

Рис. 2. Принципиальные схемы испытательного оборудования
Рис. 2. Принципиальные схемы испытательного оборудования

Испытания проводились по методу А стандарта NACE TM-0177 (рис. 2). В раствор хлористого натрия, подкисленного до pH 2,8 и насыщенного сероводородом, были помещены стандартные цилиндрические образцы, вырезанные вдоль направления проката, которые выдерживались в этом растворе в течение 720 ч при различных уровнях приложенного напряжения. Затем при помощи металлографических исследований был изучен характер повреждений и разрушений.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ

Низколегированная сталь группы прочности L80 показала высокую стойкость к коррозионному растрескиванию: в рабочей части образца не было обнаружено дефектов в виде язв или питтингов и других повреждений. Это обусловлено невысокой прочностью стали, благодаря чему коррозионные процессы под действием напряжений не приводят к зарождению и росту трещин.

Среднелегированная сталь марки 10ХН5МДФ продемонстрировала низкую стойкость к сульфидному коррозионному растрескиванию: разрушений не было обнаружено при уровне нагрузки 30% от пределов текучести (табл. 2).

Таблица 2. Результаты испытаний низколегированных, аустенитных и нержавеющих сталей
Таблица 2. Результаты испытаний низколегированных, аустенитных и нержавеющих сталей

На микрофотографии сечения излома по магистральной трещине разрушенного образца стали 10ХН5МДФ обнаружен ряд трещин, расположенных параллельно приложенным нагрузкам, что свидетельствует о протекании разрушения по механизму напряженно-ориентированного водородного растрескивания (stress-oriented hydrogen induced cracking, SOHIC). Посредством металлографических исследований отдельных участков было определено, что разрушение проходило по границам зерен остаточного аустенита (рис. 3).

Рис. 3. Результаты испытаний низколегированных сталей L80 и 10ХН5МДФ
Рис. 3. Результаты испытаний низколегированных сталей L80 и 10ХН5МДФ

Данная сталь относится к классу высокопрочных с мартенситной структурой, которая характеризуется высокой плотностью дислокаций и другими несовершенствами кристаллической решетки, что, с одной стороны, позволяет достичь высоких прочностных характеристик, а с другой, – способствует проникновению и скоплению водорода в дефектных местах структуры, следствием чего являются зарождение и развитие трещин.

Аустенитные стали 45Г17Ю3 и 40Н13Г7МД2Ф в процессе испытаний не разрушились, но получили достаточно сильные коррозионные повреждения (табл. 2). Так, на рабочей части – образца стали 45Г17Ю3 имелись множественные объединенные питтинговые повреждения (рис. 4), что указывает на очень высокую скорость растворения металла, из-за которой на поверхности металла не успевали образоваться необходимые для формирования трещин условия.

Рис. 4. Результаты испытаний аустенитных сталей 45Г17Ю3 и 40Н13Г7МД2Ф
Рис. 4. Результаты испытаний аустенитных сталей 45Г17Ю3 и 40Н13Г7МД2Ф

Низкая коррозионная стойкость стали обусловлена наличием значительного количества марганца, который способствует ускоренному развитию коррозионных процессов. Электрохимический потенциал такой стали на 50 мВ отрицательнее, чем у перлитных сталей без марганца.

На поверхности образца аустенитной стали 40Н13Г7МД2Ф после испытаний появилась сульфидная пленка, которая, с одной стороны, препятствовала образованию дефектов в виде язв и питтингов, с другой, – способствовала проникновению внутрь металла водорода, что создало условия для формирования мелких трещин (рис. 4). Данная сталь более прочная, чем сталь 45Г17Ю3. Ее прочность обусловлена дисперсионным твердением. Суть данного процесса заключается в выпадении мелкодисперсных карбидов ванадия и молибдена по границам аустенитных зерен в сталях с высоким содержанием углерода, что значительно упрочняет аустенитную структуру. При образовании питтингов в момент воздействия коррозионной среды и механических нагрузок мелкие карбиды являются очагом зарождения трещиноподобных дефектов, которые с течением времени могут привести к разрушению материала по механизму SSC.

Образец аустенитной нержавеющей стали 08Х18Н10Т в процессе испытаний показал высокую стойкость к сульфидному коррозионному растрескиванию: на его поверхности не было обнаружено повреждений, так как сталь относится к классу низкопрочных и коррозионно-стойких.

Рис. 5. Результаты испытаний аустенитных нержавеющих сталей 08Х18Н10Т и 04Х20Н6Г11М2АФБ
Рис. 5. Результаты испытаний аустенитных нержавеющих сталей 08Х18Н10Т и 04Х20Н6Г11М2АФБ

Образцы из аустенитной нержавеющей стали 04Х20Н6Г11М2АФБ не разрушились, однако на поверхности появились многочисленные питтинговые поражения с зарождающимися трещинами (табл. 2, рис. 5). Интересно отметить, что для проведения испытаний были взяты образцы стали 04Х20Н6Г11М2АФБ после различных видов термообработки, и наибольшую склонность к коррозионному растрескиванию показали образцы, подвергнутые термообработкам, влекущим за собой образование карбидов и – карбонитридов.

Наконец, самую низкую стойкость к сульфидному коррозионному растрескиванию показала нержавеющая сталь 05Х16Н5Д2Б с мартенситно-аустенитной структурой. Уже через 194 ч испытаний при приложенном напряжении 50% от предела текучести на образце были обнаружены глубокие питтинговые повреждения и трещины (рис. 6). Трещины в стали 05Х16Н5Д2Б зарождаются на поверхности из первоначально образованных питтингов и распространяются вглубь металла, разветвляясь.

Рис. 6. Результаты испытаний высокопрочной нержавеющей стали 05Х16Н5Д2Б с мартенситно-аустенитной структурой
Рис. 6. Результаты испытаний высокопрочной нержавеющей стали 05Х16Н5Д2Б с мартенситно-аустенитной структурой

Из приведенных результатов видно, что стойкость к коррозионному растрескиванию снижается по мере увеличения прочности материала. Механизм развития СКР в зависимости от структуры стали и химического состава может иметь значительные отличия. При этом каждая новая марка стали требует отдельного исследования на склонность к коррозионному растрескиванию.

ПРОЕКТЫ «ВЕЗЕРФОРД-ПОЛИТЕХНИК»

Международный научный центр «Везерфорд-Политехник» создан в 2006 году Санкт-Петербургским политехническим университетом Петра Великого при поддержке нефтесервисной компании Weatherford с целью решения передовых задач материаловедения в области добычи, транспорта и переработки углеводородов. Деятельность центра основана на изучении коррозионных, коррозионно-эрозионных, коррозионно-механических процессов, развивающихся в металле оборудования, работающего в условиях нефтегазовых месторождений, линейных трубопроводов, НПЗ. Основной научный подход заключается в изучении эксплуатационных характеристик изделия, путем физического моделирования условий, наиболее близких к реальным.

В центре разработаны методики и оборудование, позволяющие изучать работоспособность материалов в средах с наличием сероводорода, углекислоты с разным парциальным давлением, pH, различным процентным соотношением жидкой и газовой фазы, наличием твердых частиц, с заданными размером и твердостью частиц, с управлением скоростью потока.

Разработан и внедрен подход к комплексной оценке качества внешних и внутренних покрытий труб.

Проводятся как тонкие исследования материалов (металлографические, фрактографические, рентгеноструктурные, микрорентгеноспектральные, электрохимические и др.), так и исследования полномасштабных изделий (бурильные трубы, насосно-компрессорные трубы, обсадные, промысловые и др.) для исследования таких параметров, как качество твердосплавных износостойких замковых наплавок, качество резьбовых соединений, стойкость к коррозионно-эрозионному воздействию и др.

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Анализ причин разрушения материала оборудования с месторождений, линейных трубопроводов, НПЗ с разработкой комплекса рекомендаций по безопасной эксплуатации;

Разработка методик с проектированием и изготовлением оборудования для моделирования условий эксплуатации, наиболее близких к реальным, с целью определения достоверных эксплуатационных характеристик изделия и материала;

Проведение стандартных коррозионных, коррозионно-эрозионных, коррозионно-механических, физико-механических испытаний по методикам NACE, ASTM, ГОСТ, металлографических, фрактографических исследований, растровой электронной микроскопии, просвечивающей электронной микроскопии, химического анализа материалов и др.

Проведение НИР и ОКР для нефтяных и газовых компаний, металлургических комбинатов, производителей нефтегазового оборудования.

Показать выдержки из обсуждения

ВЫДЕРЖКИ ИЗ ОБСУЖДЕНИЯ

Вопрос: Никита Олегович, на основе каких критериев были выбраны марки сталей для проведения исследований? Эту выборку никак нельзя назвать функциональным набором для нефтяников…
Никита Шапошников: В данном случае мы не ставили задачу провести специальное исследование для нефтяников, трубопроводчиков или представителей какой-то другой отрасли, а хотели выявить и показать подверженность различных марок стали сульфидному коррозионному растрескиванию.
Вопрос: Проводит ли Университет подобные исследования для отдельных отраслей?
Н.Ш.: Да, конечно. Университет сотрудничает со многими отраслями промышленности, по вопросам материаловедения наиболее тесно взаимодействует с предприятиями металлургического, машиностроительного и топливно-энергетического комплекса.
Вопрос: Есть теория, что стойкость материалов в сероводородсодержащих средах в значительной степени зависит от структуры стали в исходном состоянии. Учитывали ли вы это при проведении лабораторного эксперимента?
Н.Ш.: Безусловно, такой подход мы прорабатывали, но к каким-либо однозначным выводам не пришли, поэтому для нас вопрос об этой зависимости пока остается дискуссионным.
Комментарии

Эту публикацию еще никто не прокомментировал. Станьте первым, поделитесь своим мнением.

Написать комментарий
Комментировать
Читайте далее
Модель динамики притока жидкости в анизотропном пласте к горизонтальной скважине с МГРП
Производство и промысловые испытания соединительных деталей трубопроводов повышенной эксплуатационной надежности
Реклама
Свежий выпуск
Инженерная практика №01/2018

Инженерная практика

Выпуск №01/2018

Ремонтно-изоляционные работы: ограничение водопритока. Механизированная добыча
Проблемы, перспективы и целесообразность проведения РИР (ОВП) на сложных объектахПрименение новых тампонажных составов и составов для первичного цементирования скважинТехнические средства для ограничения водопритокаИнтеллектуализация и автоматизация работы механизированного фонда скважинИспытания долот PDC для интервалов поглощения бурового раствораЭнергоаудит и оптимизация насосных систем для ППД
Ближайшее совещание
Поддержание пластового давления, Разработка месторождений
ППД — 2018
Производственно-техническая конференция

Поддержание пластового давления ‘2018 (ППД-2018). Управление заводнением, повышение энергоэффективности и оптимизация систем ППД

13-14 марта 2018 г., г. Нижневартовск
Комплекс геологических и инженерных задач в области повышения эффективности заводнения нефтяных месторождений: мониторинг и анализ нагнетательного и добывающего фондов скважин, оптимизация систем заводнения, планирование и проектирование ГТМ, технологии воздействия на пласт с использованием закачки рабочих агентов, потокоотклоняющие технологии, автоматизация и модернизация БКНС и других узлов системы ППД, управление закачкой, защита оборудования ППД от коррозии, системы ВСП и МСП и др.
Ближайший тренинг
Механизированная добыча
Эффективность механизированного фонда — март 2018
Тренинг-курс

Повышение эффективности эксплуатации механизированного фонда скважин

19 – 23 марта 2018 г., г. Москва
Цель курса состоит в создании у слушателей комплексного и разностороннего представления о современной теории и практике работы с механизированным фондом скважин при решении ряда основных производственно-технических задач. Занятия проводятся с использованием новейших презентационных материалов и программных комплексов экспертами-практиками с большим производственным и научным опытом.