Повышение коррозионной стойкости труб на основе создания термической обработкой поверхностных остаточных сжимающих напряжений

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

features of corrosion destruction of petrogas pipes under operating conditions komi and western Siberia
© 2010
A.V. Ioffe, candidate of technical sciences, vice director on a science V.A. Revyakin, candidate of technical sciences operating E.A. Borisenkova, engineer S.A. Knjazkin, chief of department of trade tests
Open Company «Samara technical center», Samara (Russia)
Keywords: trumpet steels- natural tests- corrosion firmness- the mechanism and kinetic developments of corrosion damageability.
Annotation: character and features of corrosion destruction of oil-field pipes in excited environments of Komi and Western Siberia Is revealed.
УДК 621. 78: 539.4. 014. 11
ПОВЫШЕНИЕ коррозионной СТОЙКОСТИ ТРУБ НА ОСНОВЕ СОЗДАНИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ ПОВЕРХНОСТНЫХ ОСТАТОЧНЫХ сжимающих напряжений
© 2010 М. А. Выбойщик, доктор физико-математических наук, профессор, профессор кафедры «Материаловедение и механика материалов» Р. Н. Быков, младший научный сотрудник А. И. Волков, кандидат технических наук, доцент кафедры «Материаловедение и механика материалов»
Тольяттинский государственный университет, Тольятти (Россия)
А. В. Иоффе, кандидат технических наук, заместитель управляющего по науке ООО «Самарский инженерно-технический центр», Самара (Россия)
Е. А. Николаев, ведущий инженер ОАО «НефтеГазСервис», Самара (Россия)
Ключевые слова: остаточные напряжения- коррозионная стойкость- водородная повреждаемость- термическая обработка- методика расчета.
Аннотация: проведено исследование распределения остаточных напряжений в трубах различных заводов изготовителей. Определены режимы обработки труб для получения значительных сжимающих напряжений на обеих поверхностях. Исследованы зависимости коррозионных и механических свойств от напряженного состояния. Создана методика расчета остаточных напряжений в трубах для различных режимов термической обработки.
В месторождениях нефти присутствует значительное количество растворенных газов О2, СО2, Н^, что приводит к кислородной, углекислотной и сероводородной коррозиям и интенсификации процессов разрушения. Высокая агрессивность сред нефтяных месторождений и связанные с этим более жесткие условия эксплуатации требу-
ют повышения коррозионной стойкости труб нефтяного сортамента.
Одним из основных факторов, определяющим кинетику развития коррозионно-механического разрушения металлических изделий, является наличие в них остаточных напряжений (ОН). Коррозионное и механическое раз-
рушения труб зарождаются и развиваются на поверхности, поэтому величина и знак поверхностных ОН имеет первостепенное значение, особенно для развития водородной хрупкости. Известно, что сжимающие ОН на поверхности препятствуют возникновению и распространению трещин и повышают усталостную и коррозионную стойкость, в то же время поверхностные растягивающие напряжения способствуют ускорению развития разрушения. Однако, количественные оценки влияния остаточных напряжений на развитие коррозионной повреждаемости металлических изделий из углеродистых и низколегированных сталей в Н^-содержащих средах в литературе отсутствуют. К сожалению, в настоящее время наличие остаточных напряжений в трубах не контролируется производителями и не нормируется технической документацией.
Отсутствуют представления как о величине ОН, обеспечивающих необходимую коррозионную стойкость, так и о технологических режимах их получения. Необходимо разработать методики расчета распределения ОН по толщине стенки труб, особенно для условий массового производства.
Требуемое распределение ОН в трубах можно получить методами термической обработки при определенных параметрах и режимах термической обработки (ТО).
Исследования проводили на трубах из сталей ферри-то-перлитного класса (таблица 1), которые условно разделили на две группы: низкоуглеродистые (стали 10 и 20) и среднеуглеродистые низколегированные (стали 23Г2А, 37Г2С, 30ХМА, 45ГБ). Это позволило охватить почти весь спектр типичных сталей, используемых в нефтедобывающей промышленности.
При отработке режимов термической обработки за критерий оценки принимали величину сжимающих ОН на внешней и внутренней поверхностях трубы.
Вначале определили исходное распределение ОН в трубаха т. е. в с-остоянии поставки, а затем исследовали изменение ОН в зависимости от'- следующих параметров обработки: способа охлаждения (одностороннее и двустороннее) — температуры и времени выдержки- интенсивности (скорости) охлаждения и кратности циклов обработки.
Таблица 1. Химический состав используемых сталей
Марка стали Соде ржание элементов, % (масс.)
С Si Мп Р S Сг № Мо
10 0,1 0,25 0,51 0,031 0,021 0,111 0,085 — -
20 0,2 0,24 0,51 0,029 0,021 0,108 0,076 — -
23Г2А 0,23 0,18 1,41 0,027 0,019 0,098 0,046 — -
30ХМА 0,3 0,25 0,49 0,018 0,017 0,6 0,048 0,18 —
37Г2С 0,37 0,511 1,42 0,028 0,019 0,1 0,049 0,07 —
45ГБ 0,45 0,23 0,83 0,019 0,018 0,12 0,084 — 0,043
Измерения распределения ОН по глубине стенки трубы и величину ОН на внутренней и внешней поверхностях проводили механическим и рентгенографическим спо со-бами, а также прибором СИТОН-АРМ по намагничиванию на трубах и кольцах шириной 60 мм, вырезанных из труб. На таких же кольцах проводили и лабораторные исследования по выбору режимов ТО.
Величина и распределение ОН в горячекатаных трубах нефтяного сортамента определяются технологией изготовления и режимами термообработки, используемыми заводами изготовителями труб и могут изменяться в весьма широких пределах (таблица 2).
Как показали проведенные измерения, в трубах отечественного производства имеется большой разброс в рас-
пределении ОН, что должно вызвать дополнительную нестабильность коррозионной стойкости. Требуется как контроль распределения ОН, так и разработка мероприятий по обеспечению получения поверхностных сжимающих ОН, что особенно важно для внутренней поверхности труб, контактирующей с агрессивными средами.
На основе исследований параметров обработки создан способ окончательной термической обработки (ОТО) [1] для получения на обеих поверхностях труб сжимающих ОН, который заключается в нагреве труб до температур ниже Ас1, выдержке при этой температуре и последующем двухстороннем охлаждении со скоростью 75… 100 °С/с.
Таблица 2. Остаточные напряжения на поверхности труб
№ Трубы Завод изгото- витель Размеры, мм Мате- риал Состояние поставки Нстаточные напряжения, МПа
Наруж- ная певерx- ность Внут- ренняя певерx- ность
ПНТЗ 073×5,5 37Г2С Прокат + ТН1 -180 +175
2 073×5,5 37Г2С Прокат + ТН -160 +155
3 073×5,5 37Г2С Прокат + ТН -170 +115
4 073×5,5 37Г2С Прокат + ТН -190 -50
5 073×5,5 37Г2С Прокат + ТН -170 +160
6 073×5,5 37Г2С Прокат + ТН -155 +150
7 СинТЗ 073×5,5 37Г2С Прокат + ТН -190 +135
8 ИТЗ 073×5,5 37Г2С Прокат + ТН -160 +145
9 СинТЗ 073×5,5 37Г2С Прокат -60 +55
10 073×5,5 37Г2С Прокат + ТМН2 -95 -30
11
12 073×5,5 37Г2С Прокат + ТН -210 -80
13 073×5,5 45ГБ Прокат +40 +35
14 073×5,5 45ГБ Прокат + ТМН -140 -125
15
16 089×6 10 Прокат -20 -20
17 073×5,5 10 Прокат + ТМН -80 -60
089×6 20 Прокат -35 -30
089×8 20ДС Прокат + ТН3 -80 -50
Примечание: 'ТН — термическая обработка (закалка + отпуск) 2ТМН — термомехеническая обработка 3 — двойная закалка + отпуск
Изменение распределения тангенциальных ОН по толщине стенки после ОТО для некоторых труб показано на рис. 1. Видно, что величина изменения ОН в некоторой степени зани-сит от'- исходного распреденения ОН. Общая тенденция изменения ОН после ОТО остается постоянной: растягивающие ОН на поверхности уменьшаются и переходят в сжимающие, поверхностные ОН сжатия только увеличивают свои значения.
Металлографический анализ, проведенный для всех марок сталей, не выявил изменений структуры в поверхностных и внутренних слоях металла, вносимых ОТО.
Влияние ОТО на механические свойства при растяжении исследовали на плоских образцах, вырезанных из труб разных сталей. измерения проводили на образцах в состоянии поставки (СП) и после проведения ОТО. Дополнительно контролировали изменение ОН на поверхности образцов. Как видно из результатов испытаний (таблица 3) значения прочностных и пластических свойств практически не меняются. На диаграммах растяжения образцов, прошедших ОТО, появляется площадка текучести, что, по-видимому, связано с влиянием сжимающих ОН на поверхности образцов, которые до определенного уровня растягивающих напряжений препятствуют развитию пластических деформаций и выходу дислокаций на поверхность. Проведенные испытания на ударный изгиб при комнатной температуре также не обнаружили существенного изменения свойств.
Таблица З. Влияние ОТО на механические свойства металла
№ образца Материал Вид Т О ОН на поверхности, МПа S, % а-, 2, МПа Ов, МПа
1 30ХМА СП -35 15,3 б85 820
2 СП + ОТО -180 1б, 5 750 835
3 23Г2А СП -35 13,5 725 830
4 СП + ОТО -1б5 14,1 730 835
5 Сталь 20 СП -35 1б, 8 3б0 530
б СП + ОТО -140 15,4 370 525
7 Сталь 20ДС СП -35 22,7 310 4б0
8 СП + ото -150 19.9 325 510
а)
: G п: ^ 1
/, 1 3 4
д)
е)
Рис. 1. Изменение ]3ac-npi^-i^. nisnnji тгшг3!^!!!],^ альных ОН после ОТО:
а) тpyбa J№ 9, сталь 31Г2С, 013×5,5, пpокaт-
б) тpyбa №& gt- 10, ^Taji& gt- 31Г0С, 013×5,5, пpокaт + ТМО-
в) тpyбa J№ 11, с-т^^ 31Г2С, 013×5,5, пpокaт + ТО-
г) тpyбa № 12, ст^ь 45ГБ& gt- (313×5, 5, пpокaт
д) тpyбa № 14, стaль 10, 089×6, пpокaт
е) тpyбa № 11, стaль 20ДС, 089×8, пpокaт + ТО-
-Н--------состояние поставки- -О------ОТО
Отсутствие изменений структуры и механических свойств при проведении ОТО обусловлено как относительно низкой температурой ОТО, так и тем, что исследуемые стали уже подвергались высокотемпературному отпуску.
Влияние ОТО на коррозионную стойкость оценивали по испытаниям на общую коррозию, на водородное охрупчивание, по изменению механических свойств образцов после пребывания 720 ч в H^-содержащей среде (NACE TM 02−84).
Стойкость к общей коррозии оценивали по потере массы образцов после выдержки в коррозионной среде (начальная pH 3,14, конечная pH 3,76- H2S начальная — 2920 ppm, H2S конечная — 2615ppm). Образцы в виде колец вырезали из труб, одну часть из которых подвергали ОТО, а другую — отжигу для снятии ОН. Для всех образцов контролировали величину поверхностных ОН. Усредненные результаты скорости общей коррозии для четырех образцов в зависи-
мости от величины поверхностных сжимающих ОН приведены на рис. 2. Видно, что увеличение поверхностных сжимающих ОН до уровня 200 МПа уменьшает скорость коррозии с 0,57 до О, 33мм/год.
Рис. 2. Зависимость скорости общей коррозии от величины поверхностных ОН
Принято, что достаточный уровень коррозионной стойкости нефтепромысловых труб обеспечивается при общей скорости коррозии 0,4 мм/год, который показан пунктирной линией на рис. 2. ОТО позволяет получить на обеих сторонах труб сжимающие напряжения 200 МПа, что с учетом рабочих растягивающих напряжений в транспортирующих трубах (араб. мах. = 50 МПа) позволяет сохранить сжимающие поверхностные напряжения на уровне 150 МПа, что вполне достаточно для обеспечения скорости коррозии менее 0,4 мм/год.
Влияние ОТО на стойкость металла к водородному растрескиванию оценивали по изменению механических свойств образцов при растяжении до и после выдержки 720 ч в Н2Т-содержащей среде (стандарт №ЛСЕ 02−84). Образцы вырезали из труб и часть ие них подвергали ОТО. Изменение механических свойств рассчитывали по формуле:
А = А°^А^ 100%
А '
где- Ао с, А — своДства до с оосае нахождения в коррозсонноД среде-.
Также оценку проводили по обобщенному показателю сопротивления масериала сероводородному
растре скиванию:
к. к, к =, _ ¦ 100% к
So
(2)
где Ч'-о, & lt-зо, 1, & lt-°, — овносительные -утеоня и удлинения при шении ебрвзцов до и после вы-дертки в коссозиооной среде.
Более чувствительными к водородной повреждаемо -сти, как и в большинстве исследоианий, оказалиси характеристики пластичности (5 и |/), относительное изменение которых покизано на рис. 3−5. Видно, что ОТО приводит к снижению потери пластично сти при ннхождении одразцов и коррозионной среде, что в среднем составило: по относительному удлинению для низкоуглеродистых сталей с 19 до 12%, и для среднеуглеродистых с 20 оо 10%- по относительному иужению для низкоуглеродистых оталей с13 до 5 0%, и для среднеуглеродистых с 23(- до !3%. Измениния обобщенного показателя также показывает уменьшение
в)
потерь пластичности для низкоуглеродистых сталей с 10 до 4%, и для среднеуглеродистых с 13 до 5%.
Влияние ОТО на коррозионную стойкость трубных сталей в Н28-содержащих средах также оценивали по испытаниям на сплющивание колец шириной 60 мм, вырезанных из труб. Обработку колец проводили, как и образцов для механических испытаний. Изменение пластических свойств при сплющивании оценивали по величине деформации образцов на момент появления трещины. Образование трещины фиксировали визуально и по изменению сигналов акустической эмиссии. Применение ОТО позволило в среднем снизить падение пластичности по величине условной деформации с 6,1 до 3,7% для низкоуглеродистых сталей, и с 26 до 12% для среднеуглеродистых сталей (рис. 6).
25
СО
С 20
2 15 І
У ю
и
^ г
& amp- 5
СтальЮ Сталь 10 Сталь 20 Сталь 20ДС
тмо тмо
а)
35
ю 30
«С
25
20
013
10
5
(1)
Сталь
37Г2С
Столь ЗСГСС тм о
Сталь
37ГСС
ТО
Сталь
45ГБ
Сгаль
45ГБ
ТМО
С
15
10
§
Рч
СтальЮ СтальЮ Сталь 20 Сталь 20ДС ТМО ТМО
а)
=с 30 & lt- 25
20
15
10
5
0
Сталь Сталь Сталь Сталь Сталь
37Г2С 37Г2С 37Г2С 45ГБ 45ГБ
ТМО ТО ТМО
б)
Рис. 4. Потери пластичности в коррозионной среде (по изменению |/):
а) малоуглеродистые стали- б) среднеуглеродистые стали
? СП + среда? СП + ОТО + среда
14
12
10
б)
? СП + среда? СП + ОТО + среда
Рис. 3. Потери пластичности її коррозионной среде (по изменению 5): малоуглеродистые стали- б) среднеуглоро-дистые стали.
ЧР
О'-'-
У
ь
'-, т «
СтальЮ СтальЮ Сталь 20 Сталь 20ДС ТМО ТМО
а)
образца (рис. 7).
25 20 15 -10 -5 0
?
Сталь
37Г2С
Сталь Сталь 37Г2С 37Г2С
ТМО ТО
б)
Сталь
45ГБ
Сталь
45ГБ
ТМО
Рис. 5. Обобщенный показатель сопротивления водородному растрескиванию:
а) малоуглеродистые стали- б) среднеуглеродистые стали
? СП + среда? СП + ОТО + среда
12
& lt- 10
I
л
СтальЮ СтальЮ Сталь20 Сталь20ДС ТМО ТМО
а)
50
30 20 10 ±

-
-1. V ь* •
А'-
Сталь Сталь 37Г2С 37Г2С
ТМО
Сталь
37Г2С
ТО
Сталь Сталь
45ГБ 45ГБ
ТМО
б)
Рис. 6. Потери пластичности в коррозионной среде (по изменению А):
а) малоуглеродистые ьтали- б) среднеуглеродистые стали
П СП + среда? СП + ОТО + среда
Как правило при сплющивании колец без ОТО возникающая трещина сразу же распространяется на всю длину
а) б)
Рис. 7. Трещины при сплющивании кольца из стали 45ГБ:
а) СП + среда- б) СП + ОТО + среда
На величину поверхностных остаточных- напряжений и на характер их распределения по толщине трубы влияют геометрические параметры изделия, физико-механические свойства материала изделия, а также способы и параметры охлаждения. В связи с этим экспериментальный способ определения режимов термической обработки для получения требуемого уровня поверхностных остаточных напряжений для значительной номенклатуры труб является неэффективным и дорогостоящим. Использование математической модели формирования остаточных напряжений при охлаждении изделия позволяет с достаточной точностью прогнозировать распределение остаточных напряжений при различных условиях охлаждения.
Выбрана математическая модель расчета температурного поля и поля остаточных напряжений. Основные достоинства модели в том, что решение учитывает зависимость теплофизических и механических свойств материала от температуры, упругие и упругопластические деформации получаются в предположении упругой разгрузки, учитывается нагрузка и разгрузка слоев при переходе от одного момента времени к другому, и влияние сжимаемости. В среде МаТЬаЬ созданы программы расчет температурного поля и поля возникающих остаточных напряжений.
На рис. 8 представлены результаты расчета температурного поля и поля возникающих тангенциальных напряжений для трубы 073×5,5 мм из стали 10, охлаждаемой в спрейерном устройстве с обеих поверхностей с интенсивностью 3л/(м2с).
Сравнение расчетных и экспериментальных результатов (рис. 9) показывает, что расчетная модель достаточно корректно отображает картину получаемых остаточных напряжений.
Толщина стенки трубы, мм
Рис. 9. Сравнение экспериментальных и расчетных результатов распределения тангенциальных ОН по толщине стенки трубы, труба № 15, сталь 10:
Рис. 8. Результаты расчета: а) температурное поле- б) поле тангенциальных напряжений
-О-----------------------------экспериментальным метод--расчетный метод
ВЫВОДЫ
1. Разработана методика теоретического расчета ОН, учитывающая температурные зависимости теплофизических и механических свойств. Сравнение показало хорошее совпадение полученных результатов.
2. Распределение О Н в горячекатаных трубах нефтяного сортамента изменяется в широких пределах от -210 до +175 МПа и зависит от технологии формообразования и режимов используемой термической обработки.
3. Разработан способ окончательной термической обработай (ОТО), позволяющий полтчить на обеих повдрхностях 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.
4. 0ТО обеспечивает требуемую коррозионную стойкость труб (менее 0,4 мм/год).
5. Основной эффект воздействия поверхностных сжимающих напряжоний заключается в значительном уменьшении интенсивности общей коррозии и в снижении величины деградации металла в Н^-содержащих средах, что выражается следующими числовыми показателями
интенсивность общей коррозии по величине потери массы
уменьшается с 0,57 до 0,33 мм/год-
падение пластичности после испытаний на водородное растрескивание (стандарт NACE ТМ 02−84) по относительному сужению (Ау) уменьшается с 13 до 5% для низкоуглеро-дистыгх 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 низкоуглероди-сты1х сталей и с 13 до 5% для среднеутеродистых 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.
б. Наиболее эффективно ОТО воздействует на среднеуглеродистые стали (30ХМА, 37Г2С, 45ГБ).
Работа вытолнена при поддержке Государственного контракта П2316 ФЦП «Кадры».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пат. № 2 299 251 РФ. Способ термической обработки труб / В. И. Пузенко, А. М. Николаев, М. А. Выбойщик, Е. А. Николаев, А. И. Утриванов, Г. В. Егорова, Р Н Быжов, В.П. Оль-берг // заявл. 19. 01. 2006- опубл. 20. 05. 2007, Бюл. 2007/14. — 6 с.
increase of corrosion firmness of pipes on the basis of creation by thermal proces sing of superficial residual compressing stresses
© 2010
M.A. Vybojshchik, doctor of physical and mathematical sciences, professor, professor of the chair «Materials technology and mechanics of materials» R.N. Bykov, junior research assistant A.I. Volcov, candidate of technical sciences, associate professor of the chair «Materials technology and mechanics of materials»
Togliatti State University, Togliatti (Russia)
A.V. Ioffe, Cand. Tech. Sci., the assistant to the managing director on a science* * Open Company «Samara technical center», Samara (Russia) E.A. Nikolaev, leading engineer
Keywords: residual stresses- corrosion firmness- hydrogen damageability- thermal processing- a design procedure. Annotation: research of distribution of residual stresses is conducted in pipes of various factories of manufacturers. Modes of processing of pipes for reception of considerable compressing stresses on both surfaces are defined. Dependences of corrosion and mechanical properties on a tension are investigated. The design procedure of residual stresses in pipes for various modes of thermal processing is created.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой