Антикоррозионное буровое оборудование иинструмент

6.2.1. Маркисталей

Склонность сталей к коррозионному сульфидному растрескиванию определя- ется рядом факторов: механическими характеристиками материалов, составом и структурой сплава, приложенным напряжением, составом и свойствами коррозион- ной среды, условиями эксплуатации и др. Склонность сталей к сульфидному растрес- киванию под напряжением возрастает при увеличении прочности стали и приложенного напряжения. Лабораторные данные [44, 47, 63] о прочностных харак- теристиках, приложенном напряжении, безопасном уровне наводораживания для ста- лей, пригодных для эксплуатации в среде сероводорода, далеко не однозначны. На основании многочисленных исследований [44, 47, 63] и практического опыта можно считать, что в этом случае необходимо применять мягкие, пластичные стали. Однако склонность материалов к растрескиванию меняется в зависимости от окружающей сре- ды, влияния свойств стали и различных металлургических факторов, поэтому к выбору материала следует подходить с достаточным вниманием. В особо агрессивных средах сульфидное коррозионное растрескивание под напряжением может возникнуть даже в материалах с малой прочностью. Водородная хрупкость возможна даже при незначи- тельных количествах поглощаемого водорода. Например, для стали 4340 (предел прочности 160 кПа) уровень наводораживания, приводящий к уменьшению относи- тельного сужения образца с 45 до 3%, составляет 0,2 мг/л.

Влияющие на растрескивание металла особенности среды – это концентрация сероводорода, значения рН и температуры, сопутствующие вещества. Повышение концентрации сероводорода приводит к образованию трещин.

Сдвиг значения рН в сторону кислотности создаёт условия для растрескивания, нейтральная и щелочная среды затрудняют образование трещин. В случае углероди- стых сталей следует серьёзно относиться к значениям рН ≈ 4,5-6,5.

Многие исследователи [44, 47, 63] указывают, что при повышении температуры окружающей среды (бурового раствора) скорость коррозии стали в присутствии серово- дорода значительно снижается, причём устойчивость к водородному охрупчиванию воз- растает. В связи с этим указывается, что при температуре 80-90°С, но не менее 65°С, необходимо использовать обсадные трубы из стали Р-100 или даже более прочные.

В работе [44] авторами сделана попытка определить возможность использова- ния сталей различных марок в сероводородсодержащих средах в зависимости от тем- пературы, содержания сероводорода и предела текучести.

Отмечается ведущая роль структуры сталей на склонность их к коррозионному растрескиванию, особенно в условиях водородного охрупчивания [63]. Так, напри- мер, сталь, имеющая структуру материала отпуска, обладает большей стойкостью к коррозионному растрескиванию, чем сталь с промежуточной структурой или норма- лизованная. Сплавы с ферритной структурой менее склонны к водородному растрес- киванию. Углеродистая сталь, термообработанная для получения структуры со сфероидизированными карбидами, более стойкая к водородному растрескиванию, чем сталь со структурой пластичного перлита, бейнита илимартенсита.

Путём введения легирующих элементов можно изменять склонность сталей к водородному растрескиванию. Такие добавки как медь, молибден, никель повышают стойкость сталей к этому виду разрушения, тогда как сера и фосфор значительно снижают её.

Следует иметь в виду, что один и тот же элемент может по-разному влиять на склонность стали к сульфидному растрескиванию, в зависимости от его содержания, что является следствием образования при этом различных структур. Так, добавки к стали У8 марганца в количестве 1% влияют отрицательно, что связывается с появле- нием бейнитовой составляющей. Увеличение содержания марганца до 8% делает сталь У8 стойкой против растрескивания, что объясняется образованием аустенито- вой структуры.

Номенклатура сталей, устойчивых против различных видов коррозии, в том числе в сероводородсодержащих средах, постоянно растёт. Например, в России раз- работаны и применяются коррозионно- и эрозионностойкие легированные стали ма- рок Х17Н13МЗТ, 2 х 13, 3 х 13 и др. Среди них деформируемые и литейные низколегированные стали марок 2010,09 х Г2ИАБЧ и литейные стали марок 12ГМЛ и 20 ЮНП, из которых рекомендуется изготавливать трубы и оборудование, предназна- ченные для эксплуатации на газоконденсатных месторождениях в условиях серово- дородной агрессии [47].

Для работы в особо агрессивных средах, содержащих сероводород и другие вредные вещества, фирмой Mannetsman (ФРГ) разработана марка легированной стали АF-22 с содержанием хрома 22%, никеля 6% и молибдена 3% [23]. Химический со- став стали подобран таким образом, что после термической обработки она приобрета- ет двойную структуру, включая примерно 50% аустенита и 50% феррита. Благодаря легирующим добавкам и микроструктуре аустенито-ферритная сталь AF-22 обладает высокой устойчивостью к местной и точечной коррозии, а также к коррозионному растрескиванию под действием сероводорода или хлоридов.

Присутствие сероводорода в буровом растворе предъявляет особые требования к противовыбросовому оборудованию, которое в условиях сероводородной агрессии должно собираться из узлов и деталей заводского изготовления отечественной или импортной поставки. Допускается применение отдельных узлов и деталей, изготов- ленных на базах производственного обслуживания организации в соответствии с тех- ническими условиями, согласованными с противофонтанной службой и утверждёнными в установленном порядке. Изготовленные узлы и детали должны иметь паспорта по установленной форме.

Материал противовыбросового оборудования выбирают с учётом стойкости к сульфидной коррозии.

В [29, 75] представлены типовые чёрные металлы, приемлемые для прямого кон- такта с сернистой окружающей средой (табл. 6.1). Нержавеющие стали, приемлемые для работы в сернистой среде, согласно данным [29, 75] приведены в таблице 6.2.

Для того чтобы исключить влияние способа выплавки на марки сталей, термо- обработки заготовок и готовой продукции, термообработку проводят дважды. По- скольку химические составы сталей колонных головок, превенторных установок, задвижек, дегазаторно-факельных установок, стойких к сероводороду и углекислому газу, в разных странах различны, в таблице 6.3 представлены химические составы сталей, применяемых в условиях сероводородной агрессии. Составы сталей, из кото- рых изготовляют оборудование, необходимы для правильного его выбора и, в частно- сти, для выбора электродов при проведении сварочных работах.

Таблица 6.1 – Типовые чёрные металлы, приемлемые для прямого контакта с сернистойсредой

Примечание: * конструкция из отожжённой и нормализованной стали, если была хо- лодная сварка.

Таблица 6.2 – Нержавеющие стали, приемлемые для контакта с сернистой средой

6.2.2. Защитныепокрытия

Применяют металлические, полимерные, лакокрасочные и другие покрытия [37, 53, 64]. По возрастанию водородопроницаемости металлы могут быть расположены в следу- ющий ряд: алюминий, медь, никель, сталь Х18Н10Т и 2 х 13, сталь 20. Таким образом, наибольший экранирующий эффект может быть достигнут при применении алюминие- вых, медных и никелевых покрытий. Толщина покрытий составляет 20-250 мкм. В при- сутствии ионов хлора стойкость никелевых покрытий снижается.

Эффективной защитой от коррозии и наводораживания стали служат кадмие- вые покрытия.

Кроме указанных выше, применяются покрытия на основе титана, цинка, бора и ряда других металлов, а также многокомпонентные. Например, в работе проводи- лись исследования [37] коррозионной стойкости плазменных покрытий из сплава ПГ-СР-2 (Ni-Cr-B-Si), которые обладают высокой стойкостью в очень жёстких рабо- чих условиях – коррозионная среда, повышенная температура, ударные нагрузки, аб- разивное воздействие. Лабораторные и промысловые испытания показали, что скорость коррозии образцов с таким покрытием в сероводородсодержащей среде в 40 раз меньше, чем без покрытия[31].

Таблица 6.3 – Химические составы сталей, рекомендуемых для сред, содержащих сероводород

Покрытия на основе пенопласта могут эксплуатироваться в среде сероводорода при температуре до 85°С.

На основе фуриловых смол разработаны лаки ФЛ-1 и ФЛ-4, которые применя- ются для создания устойчивых покрытий.

Покрытие эмалью КО-198, разработанной на основе кремнийорганических по- лимеров-силоксанов обладает высокой устойчивостью к воздействию минерализо- ванных грунтовых вод, паров серной и соляной кислот, а также газов – хлора и сероводорода. Оптимальная антикоррозионная стойкость проявляется при толщине покрытия 75 мкм. Покрытие не разрушается при многократном изменении темпера- туры от –60°С до 500°С.

Для защиты от наводораживания в условиях воздействия сероводородсодер- жащих сред предлагается композиционное модифицированное покрытие [25], кото- рое не ухудшает механических характеристик металлов. Таким образом, практика показывает, что применение защитных покрытий согласно [25, 31, 37, 53, 64] позво- ляет существенно повысить устойчивость сталей к сероводородной агрессии и про- длить сроки эксплуатации изделий их них.

6.2.3. Ингибиторы коррозиистали

Потери от коррозии металлов, особенно в промышленно развитых странах, в настоящее время чрезвычайно велики. Так, в США они составляют около 82 млрд долларов в год, в Японии – свыше 20 млрд долларов[55].

Ингибиторы тормозят процессы наводораживания и коррозионно- механического разрушения. Отличаются простотой и дешевизной использования.

Молекулы ингибитора как бы блокируют внутреннюю поверхность металла, либо обеспечивают её защиту электрохимическим путём. Возможно и сочетание этих механизмов. Данные о наиболее широко применяемых у нас в сероводородсодержа- щих средах ингибиторах приведены в таблице 6.4.

Таблица 6.4 – Ингибиторы коррозии стали