Актуальность работы. В месторождениях нефти и газа присутствует значительное количество растворенных газов 02, С02, Н28, что приводит к кислородной, углекислотной и сероводородной коррозиям и интенсификации процессов разрушения. Удельная частота отказов (разрушений) трубопроводов по Самарской губернии составляет 0,63 шт./км.год, а в месторождениях Западной Сибири — (0,4 шт./км. год), что на порядок превышает допустимые нормы надежности нефтетранспортирующих систем в зонах приоритетного природопользования и в пять раз на остальных участках. Высокая агрессивность сред в нефтяных скважинах и связанные с этим более жесткие условия эксплуатации требуют повышения коррозионной стойкости труб нефтяного сортамента.
Основной причиной аварийности промысловых труб является внутренняя коррозия.
Повышенная агрессивность сред в нефтяных скважинах и связанные с этим более жесткие условия эксплуатации трубопроводов требуют повышения работоспособности труб нефтяного сортамента. Традиционные стали, применяемые в современных условиях добычи и транспортировки нефти и газа, не обеспечивают требуемые прочностные и коррозионные характеристики оборудования. Требуется значительное повышение его коррозионной стойкости в С02, Н28-содержащих средах.
Методы повышения коррозионной стойкости трубных сталей на основе увеличения содержания легирующих элементов и подбора режимов термической обработки во многом исчерпали себя или связаны со значительными экономическими затратами. Необходимы новые решения этого вопроса.
Одним из основных факторов, определяющим кинетику развития коррозионно-механического разрушения металлических изделий, является наличие в них остаточных напряжений. Остаточные напряжения возникают при деформации, термической обработке, правке, обработке резанием, при сварке и других видах обработки. Наличие остаточных напряжений в готовых изделиях не контролируется и не нормируется технической документацией, что обусловлено как отсутствием, необходимого внимания к этому важному вопросу, так и отсутствием надежных методик измерения остаточных напряжений в условиях серийного и массового производств.
Коррозионное и механическое разрушения труб зарождаются и развиваются на поверхности, поэтому величина и знак поверхностных остаточных напряжений имеет первостепенное значение, особенно для развития водородной хрупкости. Сжимающие остаточные напряжения на поверхности деталей препятствуют возникновению и распространению трещин и повышают усталостную и коррозионную прочность, в то же время поверхностные растягивающие напряжения способствуют ускорению развития разрушения. Часто растягивающие напряжения суммируются с напряжениями от внешних нагрузок, инициируют разрушение и увеличивают скорость коррозионных процессов в десятки раз [1−5].
Особенно остро вопрос коррозионно-механического разрушения стоит для нефтедобывающих и нефтепроводных труб, работающих в средах с повышенным содержанием Н28, ССЬ и Н20 и соответственно подверженных водородному растрескиванию и язвенной углекислотной коррозии. Однако, количественные оценки влияния остаточных напряжений на развитие коррозионной повреждаемости металлических изделий из углеродистых и низколегированных сталей в Н28-содержащих средах в литературе отсутствуют. К сожалению, в настоящее время наличие остаточных напряжений в трубах не контролируется производителями и не нормируется технической документацией.
По нашему мнению коррозионную стойкость нефтепромысловых труб, работающих в условиях высоких силовых нагрузок и агрессивных коррозионных сред, можно значительно увеличить за счет создания сжимающих остаточных напряжений на поверхности. Получить на поверхности сжимающие остаточные напряжения можно поверхностным наклепом (дробеструйная, пескоструйная, ультразвуковая и другие обработки) и термическим воздействием. Поверхностный наклеп крупногабаритных изделий с внутренней полостью (трубы) 6 трудноосуществим. Термическая обработка для получения контролируемого распределения ОН в нефтепромысловых трубах до настоящего времени не использовалась.
Отсутствуют представления как о величине ОН, обеспечивающих необходимую коррозионную стойкость, так и о технологических режимах их получения. Так же необходимы надежные методы контроля распределения ОН по толщине стенки, особенно для изделий массового производства.
Цель работы и основные задачи исследования.
Цель: Повышение коррозионной стойкости нефтепромысловых труб на основе создания контролируемого распределения остаточных напряжений по стенке трубы.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи.
1. Отработать методику измерения распределения остаточных напряжений по толщине стенки кольцевых образцов, вырезанных из труб.
2. Провести анализ распределения остаточных напряжений в трубах нефтяного сортамента изготовленных разными производителями и по различной технологии производства.
3. На плоских, кольцевых образцах и трубах установить изменение характера распределения остаточных напряжений в зависимости от вида и интенсивности охлаждения.
4. Получить зависимости механических и коррозионных свойств металла труб от знака и величины поверхностных остаточных напряжений.
5. Разработать режимы окончательной термической обработки труб (ОТО), обеспечивающие повышенную коррозионную стойкость стальных труб в Н28-содержащих средах.
6. Разработать методику расчета распределения термических ОН для труб различного размера в зависимости от вида и интенсивности охлаждения.
Научная новизна работы.
1. Впервые показано, что ускоренное двухстороннее охлаждение от температур ниже Ас| позволяет получить на поверхности труб из углеродистых и низкоуглеродистых сталей получить значения сжимающих остаточных напряжений более 200 МПа.
2. Разработана методика расчета распределения остаточных напряжений, в зависимости от способа и интенсивности охлаждения и типоразмера труб, учитывающая температурные изменения теплофизических и механических свойств металла.
3. Впервые показана связь коррозионной стойкости труб из углеродистых и низколегированных сталей в Н^-содержащих средах от знака и величины остаточных напряжений. Экспериментально показана возможность повышения коррозионной стойкости металлических труб на основе создания термической обработкой поверхностных сжимающих остаточных напряжений.
На защиту выносятся.
1. Результаты измерения остаточных напряжений в горячекатаных трубах серийного производства разных производителей и разной технологии производства.
2. Методика расчета распределения остаточных напряжений в зависимости • от способа и интенсивности охлаждения и типоразмера труб.
3. Метод и режимы получения на поверхности труб сжимающих остаточных напряжений более 200 МПа.
4. Результаты измерений и зависимости коррозионной стойкости в H2S-содержащих средах образцов трубных сталей от знака и величины остаточных напряжений на их поверхности.
Практическая значимость и реализация результатов работы.
1. Разработана технология и предложены режимы ОТО, позволяющие получить на поверхности стальных изделий сжимающие остаточные напряжения по величине более 200 МПа (Патент РФ).
2. ОТО значительно уменьшает интенсивность общей коррозии и снижает деградацию металла труб в Н28-содержащих средах (испытание на водородное растрескивание по стандарту NACE ТМ 02−84), что выражается следующими числовыми показателями:
• интенсивность общей коррозии уменьшается с 0,57 до 0,33'мм/год;
• падение пластичности после испытаний на водородное растрескивание по относительному сужению (А|/) уменьшается с 13 до 5% для низкоуглеродистых сталей и>с 20 до 8% для среднеуглеродистых сталей и по относительному удлинению (А5) соответственно с 19 до 12% и с 20 до 10%;
• падение пластичности по обобщенному показателю пластичности (К) уменьшается с 10 до 4% для низкоуглеродистых сталей и с 13 до 5% для среднеуглеродистых сталей;
• падение пластичности по величине условной деформации (АЛ) при испытаниях на сплющивание уменьшается с 6,1 до 3,7% для низкоуглеродистых сталей и с 26 до 12% для среднеуглеродистых сталей.
Апробация. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на конференциях: первая международная конференция «Безопасность. Технология. Управление» (Тольятти 2005 г.) — Всероссийская научно-техническая конференция «Теплофизические и технологические аспекты управления качеством в машиностроении» (Тольятти 2005 г.) — III, IV и V Евразийские научно-практические конференции «Прочность неоднородных структур» (Москва 2006, 2008, 2010 гг.) — XVI международная конференция Физика прочности и пластичности материалов (Самара 2006 г.) — II Международная школа «Физическое материаловедение», XVII Уральская школа материаловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» (Тольятти 2006 г.) — Международная конференция «Взаимодействие дефектов неупругие явления в твердых телах» (Тула 2007 г.) — V и VI Международные конференция «Прочность и разрушение материалов и конструкций» (Оренбург 2008, 2010 гг.) — III международная научно-практическая конференция «Материалы в автомобилестроении» (Тольятти 2008 г.) — XVII международная конференция Физика прочности и пластичности материалов (Самара 2009 г.) — XLVIII Школа материаловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» (Тольятти 2009 г.) — 9.
50 Международный научный симпозиум"Актуальные проблемы прочности" (Витебск 2010 г).
Публикации. Основное содержание работы отражено в 17 публикациях, среди которых 2 в изданиях рекомендованных ВАК и 1 патент РФ.
Выводы.
1. Распределение ОН по стенке в горячекатаных трубах нефтяного сортамента зависит от технологии формообразования и режимов используемой термической обработки и изменяется в широких пределах от -210 до +175 МПа, что влияет на коррозионную стойкость.
2. Разработан способ окончательной термической обработки (ОТО), позволяющий получить на обеих поверхностях труб сжимающие ОН по величине превышающие 200 МПа (патент РФ № 2 299 251), заключающийся в нагреве трубы до 600 °C, выдержке и последующем двухстороннем интенсивном охлаждении.
3. Основной эффект воздействия поверхностных сжимающих напряжений заключается в значительном уменьшении интенсивности общей коррозии и в снижении величины деградации металла в Н28-содержащих средах, что выражается следующими числовыми показателями:
• интенсивность общей коррозии уменьшается с 0,57 до 0,33 мм/год;
• падение пластичности после испытаний по относительному сужению (А|/) уменьшается с 13 до 5% для низкоуглеродистых сталей и с 20 до 8% для среднеуглеродистых сталей и по относительному удлинению (А8) соответственно с 19 до 12% и с 20 до 10%;
• падение пластичности по обобщенному показателю пластичности (К) уменьшается с 10 до 4% для низкоуглеродистых сталей и с 13 до 5% для среднеуглеродистых сталей;
• падение пластичности по величине условной деформации (АД) при испытаниях на сплющивание уменьшается с 6,1 до 3,7% для низкоуглеродистых сталей и с 26 до 12% для среднеуглеродистых сталей.
4. Разработана методика расчета ОН, учитывающая температурные зависимости теплофизических и механических свойств, релаксацию напряжений и влияние сжимаемости. Сравнение показало хорошее совпадение экспериментальных и расчетных результатов.
5. ОТО обеспечивает принятые требования по коррозионной стойкости нефтепроводных труб (менее 0,4 мм/год).
6. Применение ОТО дает наибольший эффект повышения коррозионной стойкости в Н28-содержащих средах для среднеуглеродистых стали низколегированных сталей (30ХМА, 37Г2С, 45ГБ) по сравнению с низкоуглеродистыми (10 и 20).
