Производственно-технический нефтегазовый журнал
+7 (903) 580-85-63 +7 (495) 371-01-74 info@glavteh.ru
  • Главная
  • Механизированная добыча
  • Надежность элементов погружного оборудования при эксплуатации в условиях коррозионно-активных сред. Расследование причин преждевременных отказов

Надежность элементов погружного оборудования при эксплуатации в условиях коррозионно-активных сред. Расследование причин преждевременных отказов

Погружное скважинное оборудование (НКТ, штанги и валы насосов УЭЦН) работает в жестких условиях, подвергаясь циклическим, растягивающим и скручивающим нагрузкам, а также коррозионному воздействию добываемой среды. Кроме того, в настоящее время большое количество нефтяных месторождений находится на поздней стадии разработки, вследствие чего добываемая продукция характеризуется высокой степенью обводненности и наличием растворенных в ней углекислого газа и сероводорода. В зависимости от преобладания того или иного коррозионного агента можно наблюдать как общую, так и локальную коррозию, а также коррозионное растрескивание металла погружного оборудования.

В статье приведены результаты исследований причин преждевременных отказов различных элементов погружного оборудования в условиях коррозионно-активных нефтепромысловых сред.

Цель исследований – выявление причин и изучение механизма преждевременного разрушения оборудования. Нам удалось составить объемную репрезентативную базу данных по отказам всевозможных видов нефтяного оборудования, что позволило выявить неочевидные на первый взгляд закономерности. В свою очередь, правильное определение механизма разрушения позволяет четко определить критерии выбора материалов и вариантов исполнения погружного оборудования.

09.05.2017 Инженерная практика №01-02/2017
Иоффе Андрей Владиславович Руководитель департамента специального металловедения, к.т.н., ООО «ИТ-Сервис».
Липатов Роман Александрович Инженер отдела промысловых испытаний и экспертизных исследований ООО «ИТ-Сервис»
Зырянов Андрей Олегович Ведущий инженер отдела материаловедения ООО «ИТ-Сервис»

КОРРОЗИОННОЕ РАСТРЕСКИВАНИЕ

Коррозионное растрескивание стали в присутствии сероводорода (сульфидное коррозионное растрескивание под напряжением, СКРН, или SSC) представляет собой один из наиболее опасных видов разрушения внутрискважинного оборудования, так как прогнозировать вероятность образования трещин и скорость их развития очень сложно. В связи с этим в 70-х годах прошлого века был разработан международный стандарт NACE MR0175 (ISO 15156), в котором содержится классификация коррозионных сред по их способности вызывать коррозионное растрескивание в зависимости от содержания в них сероводорода, pH и др. Кроме того, стандарт описывает общие принципы выбора материалов для эксплуатации в сероводородсодержащих средах и факторы, влияющие на их стойкость к растрескиванию. Стандарт устанавливает требования к химическому составу, твердости, термической и механической обработке материалов, обладающих стойкостью к СКРН.

РАЗРУШЕНИЕ МУФТ НКТ

В табл. 1 приведен список исследованных аварийных муфт НКТ группы прочности К по ГОСТ 633-80, эксплуатировавшихся на месторождениях Поволжья, Пермской и Оренбургской областей. Среды указанных месторождений содержат сероводород.

Таблица 1. Исследованные аварийные муфты НКТ группы прочности К
Таблица 1. Исследованные аварийные муфты НКТ группы прочности К

Типичный вид разрушения рассматриваемых муфт представлен на рис. 1 и 2.

Рис. 1. Характер разрушения муфты №12 после 1 СПО и 17 сут эксплуатации
Рис. 1. Характер разрушения муфты №12 после 1 СПО и 17 сут эксплуатации
Рис. 2. Характер разрушения муфты №14 после двух СПО и 56 сут эксплуатации
Рис. 2. Характер разрушения муфты №14 после двух СПО и 56 сут эксплуатации

Чаще всего к разрушению приводит развитие продольной хрупкой трещины, которая, как правило, зарождается на наружной поверхности близ торца муфты, причем часто в области трещины видны следы от затяжки ключом.

Если не проводить дополнительные исследования, то можно сделать очевидный вывод: нарушен регламент проведения спускоподъемных операций (СПО), а муфта раздавлена ключом. Однако исследования химического состава, механических свойств и микроструктуры аварийных муфт показали, что данный вывод неверен.

Обычно для производства муфт группы прочности К используют стали, легированные марганцем до 2 % (например, 32Г2, 40Г и др.). При охлаждении на воздухе из аустенитной области, например, с температуры окончания прокатки или после нормализации с дополнительного нагрева, такая сталь претерпевает перлитное превращение, в результате которого формируется феррито-перлитная микроструктура. Стандарт ISO 15156 допускает использование нормализованной стали с феррито-перлитной микроструктурой в сероводородсодержащих средах.

Большинство аварийных муфт изготовлены из стали типа 25Г2Ф, в которой при охлаждении на воздухе происходит образование бейнитной микроструктуры (рис. 3), что приводит к повышению прочности и снижению пластичности и трещиностойкости стали.

Рис. 3. Характерная бейнитная микроструктура муфт
Рис. 3. Характерная бейнитная микроструктура муфт

Все исследованные муфты, формально отнесенные изготовителем к группе прочности К, фактически соответствуют более высоким группам прочности Л и М. Твердость большинства исследованных аварийных муфт превышает 22 HRC, что недопустимо для низколегированной стали, стойкой к растрескиванию в сероводородсодержащих средах согласно ISO 15156.

Следует отметить, что ГОСТ 633-80 не регламентирует верхние значения пределов прочности и текучести для труб группы К, поэтому при выполнении требований по относительному удлинению к группе К можно отнести более прочные муфты.

Металлографические исследования показали, что при взаимодействии со средой, содержащей сероводород, на поверхности исследованных муфт возникает целая система микротрещин. Причем, микротрещины зарождаются не только на вмятинах от затяжки ключами, но и на недеформированных участках (рис. 4). Развитие одной из таких микротрещин в итоге и привело к разрушению изделия. Следы от затяжки ключами ускоряют процесс, но назвать их первопричиной разрушения муфт нельзя.

Рис. 4. Характерные вторичные коррозионные трещины на муфте
Рис. 4. Характерные вторичные коррозионные трещины на муфте

Таким образом, первопричина отказов – неблагоприятная микроструктура, повышенная твердость и прочность стали, что связано с неправильным выбором химического состава и термической обработки муфт. Совокупность этих свойств обусловила низкую стойкость муфт к коррозионному растрескиванию под воздействием сероводородсодержащей среды, характерной для месторождений Поволжья, Пермской и Оренбургской областей, где наблюдалось наибольшее число отказов.

Для подтверждения полученных результатов механизм разрушения муфт был воспроизведен в лабораторных условиях, в ходе которых были проведены испытания металла одной из аварийных муфт на стойкость к СКРН по методу А стандарта NACE TM 0177.

Методика испытаний заключается в выдержке под растягивающей нагрузкой гладкого цилиндрического образца (без концентраторов напряжений, коими чаще всего были следы от ключей) в среде, содержащей растворенный сероводород. Согласно стандарту, если образец металла муфты не разрушился в течение 720 ч выдержки под нагрузкой, равной 72% от минимально гарантированного НД предела текучести, считается, что материал муфты обладает повышенной стойкостью к растрескиванию в среде, содержащей растворенный сероводород.

Испытания металла муфты из стали типа 25Г2Ф были проведены при меньшей нагрузке – 60% от минимально гарантированного предела текучести для группы К. Образец разрушился всего через 48 ч выдержки. Следует отметить, что разрушение произошло не за счет уменьшения площади сечения образца в результате коррозии с потерей массы, а из-за образования хрупких коррозионных трещин.

На основании результатов проведенной работы было запрещено использование муфт из стали марки 25Г2Ф в скважинах, продукция которых содержит даже малую концентрацию растворенного сероводорода.

РАЗРУШЕНИЕ НИППЕЛЕЙ НКТ

Обрыв НКТ в области резьбы ниппеля – еще одна распространенная причина разрушения погружного оборудования. В табл. 2 приведен список исследованных аварийных НКТ, разрушившихся по ниппельной части.

Таблица 2. Свойства материала НКТ и подвесного патрубка разрушившихся из-за СКРН
Таблица 2. Свойства материала НКТ и подвесного патрубка разрушившихся из-за СКРН

Материал труб обладает феррито-перлитной структурой (рис. 5) и характеризуется относительно невысокой твердостью. В соответствии с отраслевыми стандартами материал с такой структурой и механическими свойствами в среде, содержащей сероводород, разрушаться не должен. Тем не менее поступившие на исследование образцы обладают признаками коррозионного растрескивания в области сбега резьбы.

Рис. 5. Характерная микроструктура металла исследованных НКТ
Рис. 5. Характерная микроструктура металла исследованных НКТ
Рис. 6. Преждевременное разрушение подвесного патрубка по механизму СКРН
Рис. 6. Преждевременное разрушение подвесного патрубка по механизму СКРН

Характерный пример неочевидного на первый взгляд разрушения подвесного патрубка НКТ представлен на рис. 6. Очаги зарождения магистральной трещины расположены во впадинах витков сбега резьбы. В результате металлографических исследований в области очагов разрушения было установлено, что на участках сбега резьбы, где при ее нарезании происходит выход режущего инструмента, металл трубы наклепан, о чем можно судить по изменению структуры металла вблизи поверхности. Следы пластической деформации видны как на поперечных, так на продольных металлографических шлифах (рис. 7, 8).

Рис. 7. Микроструктура металла во впадинах резьбы до очага и в очаге разрушения
Рис. 7. Микроструктура металла во впадинах резьбы до очага и в очаге разрушения

Как известно, наклепанный металл характеризуется высоким уровнем остаточных напряжений и склонен к коррозионному растрескиванию. Согласно ISO 15156, если в результате холодной деформации степень пластической деформации низкоуглеродистых сталей превышает 5%, то изделие должно подвергаться термической обработке для снятия напряжений. В рассматриваемом случае степень деформации существенно выше. Термическая обработка для снятия напряжений после нарезки резьбы не проводилась.

В наклепанном слое наблюдается система коррозионных микротрещин, заполненных продуктами коррозии (см. рис. 7, 8). Продукты коррозии представлены преимущественно сульфидами железа. Растрескивание наклепанного слоя произошло из-за присутствия в затрубном пространстве сероводорода.

Рис. 8. Микроструктура металла во впадине в области сбега резьбы
Рис. 8. Микроструктура металла во впадине в области сбега резьбы

Еще один пример аналогичного разрушения НКТ представлен на рис. 9.

Рис. 9. Внешний вид аварийной НКТ и ответных изломов
Рис. 9. Внешний вид аварийной НКТ и ответных изломов
Рис. 10. Металлографические исследования в области очага разрушения
Рис. 10. Металлографические исследования в области очага разрушения

Здесь также видны признаки коррозионного растрескивания пластически деформированного металла в области сбега резьбы (рис. 10).

Следует отметить, что общепринятые стандарты не регламентируют описанные дефекты сбега резьбы. В результате при контроле качества резьбы НКТ оцениваются только нитки с полным профилем. Однако проведенные исследования показывают, что наклеп металла на сбеге резьбы может привести к преждевременному разрушению НКТ в скважинах, добывающих продукцию с растворенным сероводородом.

Отсутствие формальных требований к сбегу резьбы в нормативной документации делает невозможным выставление формальной претензии изготовителю. Тем не менее, специалистам ремонтных баз, следует обратить внимание на опасность таких дефектов и скорректировать технологию нарезания резьбы.

РАЗРУШЕНИЕ НАСОСНЫХ ШТАНГ

Следующая группа объектов исследований – насосные штанги. На рис. 11 представлены штанги, разрушившиеся при эксплуатации в скважинах Поволжья. Глубина скважин на данном месторождении составляет около километра, при этом использовались штанги группы прочности «Д». Материал штанг обладает повышенной твердостью и, соответственно, высокими прочностными характеристиками (табл. 3).

Рис. 11. Типичный характер разрушения насосных штанг
Рис. 11. Типичный характер разрушения насосных штанг
Таблица 3. Список исследованных насосных штанг и их свойства
Таблица 3. Список исследованных насосных штанг и их свойства

Как было отмечено выше, в соответствии с ISO 15156 металл с твердостью более 22 HRC в сероводородсодержащих средах может претерпевать растрескивание и охрупчивание. Твердость металла насосных штанг существенно превышает 22 HRC. Вероятно, выбор материала штанг повышенной прочности был обусловлен желанием повысить стойкость к усталостному разрушению в условиях циклических нагрузок, характерных при работе колонны насосных штанг.

Изломы исследованных штанг действительно схожи с усталостными, на шлифах видны характерные ветвления усталостной трещины. Однако в результате более подробных металлографических исследований на поверхности штанги выявлены коррозионные язвы, на дне которых располагаются коррозионные трещины, заполненные сульфидами железа (рис. 12).

Рис. 12. Типичный характер разрушения насосных штанг
Рис. 12. Типичный характер разрушения насосных штанг

Таким образом, можно сделать вывод, что основной механизм разрушения штанги – коррозионное растрескивание, а не усталостное разрушение. В результате из-за неверной классификации ведущего механизма разрушения высокопрочный материал применялся в среде, содержащей растворенный сероводород, что лишь увеличивало вероятность его разрушения.

С учетом проведенных исследований потребителю рекомендовано отказаться от использования высокопрочных штанг в относительно неглубоких скважинах, среда которых содержит сероводород.

РАЗРУШЕНИЕ ВАЛОВ ЭЦН

Последнюю группу исследованных объектов составили валы УЭЦН (табл. 4), для изготовления которых часто используют нержавеющие стали марки UNS S15500 (XM-12 или 05Х16Н4Д2Б).

Таблица 4. Исследованные валы УЭЦН
Таблица 4. Исследованные валы УЭЦН

Типичный химический состав таких сталей, изготовленных по различным техническим условиям, приведен в табл. 5.

Таблица 5. Химический состав металла исследованных валов
Таблица 5. Химический состав металла исследованных валов

В ООО «ИТ-Сервис» поступило на исследование большое количество валов, разрушившихся при эксплуатации в скважинах Самарской и Оренбургской областей, добывающих продукцию с повышенным содержанием растворенного сероводорода. Схожие условия эксплуатации характерны для месторождений ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ» и ООО «ЛУКОЙЛ-Коми».

В табл. 4 приведены механические свойства исследованных валов. Видно, что все разрушившиеся валы обладали высокими прочностью и твердостью. В рамках проведенных работ оценить правильность выбора прочности вала для конкретных условий эксплуатации не представляется возможным. Однако следует отметить, что для всех валов, разрушившиеся в сероводородсодержащей среде, характерны высокие прочностные свойства (категория прочности Т11-Т13 по ТУ14-1-5587).

Установлено, что разрушение валов происходит по механизму хрупкого разрушения, для которого в условиях кручения типично развитие трещины под углом 45° к оси вала (рис. 14). К хрупкому разрушению вала может привести либо усталость металла, либо коррозионное растрескивание.

Рис. 14. Вал ЭЦН № 2, наработка 138 сут
Рис. 14. Вал ЭЦН № 2, наработка 138 сут

В результате исследований большого количества аварийных узлов было установлено, что обычно разрушение связано не с усталостью, а с коррозионным растрескиванием. Об этом свидетельствует наличие множественных вторичных ветвящихся трещин (рис. 13), которые часто заполнены продуктами коррозии, содержащими сульфиды. Такой вид растрескивания характерен именно для СКРН.

Рис. 13. Типичная микроструктура валов
Рис. 13. Типичная микроструктура валов

Материал валов представляет собой мартенситную, дисперсионно-твердеющую сталь, которая характеризуется тем, что при охлаждении на воздухе из аустенитной области она закаливается на мартенсит (рис. 13). Сталь содержит около 2% меди. Растворимость меди в аустените (около 2% при 900°С) существенно выше, чем в феррите (около 0,2%), поэтому образующийся при закалке мартенсит будет перенасыщен медью. В процессе отпуска сталь XM-12 будет подвержена упрочнению за счет выделения мелкодисперсных частиц меди из твердого раствора. То есть в отличие от привычной углеродистой стали сталь XM-12 при отпуске будет упрочняться, а не разупрочняться.

На рис. 15 показана зависимость механических свойств стали XM-12 от температуры отпуска. Видно, что при проведении отпуска при температуре 482°С сталь действительно упрочняется. Повышение температуры отпуска до 550°С приводит к некоторому разупрочнению стали и повышению ее относительного удлинения, характеризующего пластичность стали. Наибольшее повышение пластичности наблюдается при проведении двукратного отпуска при температурах 760 и 620°С.

Рис. 15. Влияние термической обработки на механические свойства стали S15500 по данным AKSteel Corp., Огайо
Рис. 15. Влияние термической обработки на механические свойства стали S15500 по данным AKSteel Corp., Огайо

Обычно, чем более пластична сталь, тем лучше она будет выдерживать воздействие сероводорода. Стандарт ISO 15156, регламентирующий требования к материалам, используемым в сероводородсодержащих средах, предписывает для данной стали проведение двойной термообработки при температурах 620°С и 620°С или 760°С и 620°С, когда ее временное сопротивление соответствует категории прочности Т9-Т10, а твердость не превышает 33HRC.

Все валы, поступившие на исследование в лабораторию ООО «ИТ-Сервис», были существенно прочнее, соответственно они были склонны к хрупкому разрушению в сероводородсодержащей среде.

В отечественной нормативной документации на валы часто указывают, что материал валов должен обладать стойкостью к коррозионному растрескиванию. Анализ фактических свойств валов показывает, что применяемая изготовителями термическая обработка, не может обеспечить стойкость к коррозионному растрескиванию, что и приводит к существенному количеству отказов.

ВЫВОДЫ

Значительное число отказов глубинного насосного оборудования, насосных штанг, НКТ и муфт связано с коррозионным растрескиванием под напряжением. Наш опыт показывает, что растрескивание ГНО почти всегда связано с неправильным выбором химического состава стали, технологии ее термической обработки, наклепом из-за неправильного выбора режима резания и др.

Определение механизма разрушения требует специальных навыков и применения сложного оборудования, поэтому в полевых условиях коррозионное растрескивание часто путают с другими механизмами: усталостным разрушением, хрупким растрескиванием из-за удара и др. Это не позволяет исключить эксплуатацию не стойких к СКРН материалов и приводит к повторению аварий по тому же механизму.

Сложившаяся ситуация может быть улучшена только совместной работой изготовителей оборудования, потребителей и независимых металловедческих лабораторий. Лаборатории должны оперативно и достоверно определять причину отказов и выдавать рекомендации по повышению долговечности изделий. Потребителям следует доносить рекомендации до изготовителей и требовать их выполнения.

Реклама Дисковый фильтр производства АО «Новомет-Пермь» помог увеличить наработку УЭЦН в семь раз!
Комментарии

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

Написать комментарий
Комментировать
Читайте далее
Комплекс оборудования для добычи нефти струйным насосом
Новые технологии механизированной добычи компании «Шлюмберже» для осложненных скважинных условий
Реклама
Свежий выпуск
Инженерная практика №09/2017

Инженерная практика

Выпуск №09/2017

Механизированная добыча. Трубопроводный транспорт
Эксплуатация осложненного фонда скважин: оборудование, реагенты, методики, ОПИМониторинг работы механизированного фонда скважин, одновременно-раздельная эксплуатацияОборудование и технологии для эксплуатации малодебитных скважин и скважин малого диаметраИспытания высокотемпературных систем погружной телеметрииПроизводство погружных вентильных двигателейДиагностика трубопроводов установками на основе ультразвуковых датчиков
Ближайшее совещание
Механизированная добыча
Осложненный фонд — 2017
Производственно-техническая конференция

Эксплуатация осложненного фонда скважин ‘2017

14-16 ноября 2017 г., г. Тюмень
Анализ опыта и определение наиболее экономически и технологически эффективных решений в области работы с фондом скважин, эксплуатация которых осложнена различными факторами (коррозия, солеотложения, мехпримеси, АСПО и гидраты, высокая вязкость продукции, высокий газовый фактор, технические ограничения и др.), работа с часто ремонтируемым фондом скважин, организационные решения.
Ближайший тренинг
Капитальный ремонт скважин
Ловильный сервис — ноябрь 2017
Тренинг-курс

Ловильный сервис на нефтяных и газовых скважинах

20-24 ноября 2017 г., г. Пермь
ООО «Инженерная практика» проводит набор группы специалистов для прохождения производственно-технического тренинга по программе «Ловильный сервис на нефтяных и газовых скважинах». Пятидневный тренинг - курс будет проводиться в г. Перми («АМАКС Премьер-отель») в рамках авторского курса С. Балянова.