Сульфидно-коррозионное растрескивание

Содержание

Введение

ТОО «KSP Steel» - первое казахстанское предприятие по производству стальных бесшовных труб для нефтегазовой отрасли. Основная деятельность KSP Steel связана с производством стальных бесшовных труб различного диаметра и назначения. Сегодня продукция компании с успехом используется при строительстве трубопроводов, на объектах нефтегазодобывающих и геологоразведочных компаний, машиностроительными и промышленными предприятиями Казахстана. Главным преимуществом и визитной карточкой KSP Steel является абсолютное качество бесшовных труб, отвечающее самым высоким мировым стандартам. Оно достигается благодаря внедрению уникального оборудования, а также новейших методов контроля качества и испытания изготовленной трубной продукции.

Коррозионное растрескивание – это разрушение металла вследствие возникновения и развития трещин при одновременном воздействии растягивающих напряжений и коррозионной среды. Оно характеризуется почти полным отсутствием пластической деформации металла.
              В химической аппаратуре коррозионное растрескивание наиболее часто наблюдается в конструкциях, которые имеют остаточные напряжения после термической или механической обработки, при монтаже и сборке оборудования, при сварке, в условиях эксплуатации при повышенных давлениях и температурах. На возникновение коррозионного растрескивания и его интенсивность оказывают большое влияние характер агрессивной среды, ее концентрация и состав. Коррозионному растрескиванию в напряженном состоянии подвержены почти все металлы и сплавы. На долю его в химической, нефтегазовой и теплоэнергетической отраслях промышленности приходится от 20 до 40 % всех коррозионных разрушений.

Стандарт NACE TM0177 посвящен испытанию металлов на сопротивление разрушению от растрескивания под комбинированным воздействием растягивающего механического напряжения и коррозии в водных средах, содержащих сероводород (H2S). Это явление обычно называют сульфидным растрескиванием под напряжением (SSC – sulfide stress cracking), когда речь идет об эксплуатации при комнатной температуре, и коррозионным растрескиванием под напряжением (SCC – stress corrosion cracking), когда речь идет об эксплуатации при более высоких температурах.

1 Сульфидно-коррозионное растрескивание под напряжением

Сульфидное растрескивание под напряжением металлов в средах нефтяных месторождений, содержащих H2S, с 1952 года признается проблемой разрушения материалов. Лабораторные данные и эксплуатационный опыт свидетельствуют, что даже самых малых концентраций H2S может быть достаточно, чтобы вызвать разрушение материалов, чувствительных к этому виду коррозии, под действием SSC. В некоторых случаях действие H2S комбинируется с действием хлоридов, вызывая разрушения от коррозии (SSC и других видов) и растрескивания. Однако лабораторный и эксплуатационный опыт показал инженерам-материаловедам оптимальный выбор и характеристики материалов с минимальной склонностью к SSC.

Необходимость лучшего понимания переменных факторов растрескивания металлов под действием внешних факторов (ЕС металлов) в условиях нефтяных месторождений, и достижения лучшей корреляции данных вызывается рядом причин. Новые конструкционно-проектные потребности нефтегазовой промышленности ведут к применению более прочных материалов, которые, как правило, более чувствительны к ЕС, чем менее прочные сплавы. Эти потребности привели к обширным программам развития, направленным на получение более стойких сплавов и/или более эффективных режимов термообработки.

По стандартному методу для испытания на растяжение оценивается стойкость металлов к растрескиванию под действием внешних факторов при одноосном приложении усилия растяжения. Используется простой гладкий образец с четко выраженным напряженным состоянием. Определение склонности к растрескиванию этим методом обычно основано на измерении времени до разрушения. Образцы, нагруженные до определенного уровня напряжений, либо разрушаются, либо не разрушаются за заданное время. При испытании ряда образцов при разных уровнях нагружения можно найти условный порог напряжений, при котором происходит растрескивание.

Выбор образцов часто ограничивается размерами и формой материала, подлежащего испытанию. Ориентация образца может повлиять на результат и должна быть отмечена.

Диаметр расчетного участка образца, изображенный на рисунке 1, должен составлять 6,35±0,13 мм, а длина – 25,4 мм. Допускаются образцы нестандартных размеров с расчетным участком диаметром 3,81±0,05 мм и длиной 15 мм. После механической обработки образцы для испытания на растяжение должны храниться в помещении с низкой влажностью, в эксикаторе или в неингибированном масле до момента испытания.

Рисунок 1 – Расчетные участки образца

Радиус кривизны на концах расчетного участка должен быть не менее 15 мм, чтобы свести к минимуму концентрации напряжений и разрушения по галтели.

Концы образца должны быть достаточно длинными, чтобы можно было разместить на них уплотнения сосуда с раствором и закрепить образец в захватах машины.

Механическая обработка или шлифование образца должны выполняться тщательно, во избежание перегрева или наклепа расчетного участка. Последние два прохода механической обработки следует выполнить с общим съемом материала не более 0,05 мм. Допускается также шлифование, если материал при этом не наклепывается.

Для всех материалов шероховатость поверхности образца должна быть не хуже 0,81 мкм. Чистовая отделка поверхности может выполняться путем механического полирования или электрополирования, если при этом выполняются требования к шероховатости. При использовании любого другого процесса чистовой отделки, кроме шлифования, необходимо зафиксировать это в результатах испытания. При электрополировании условия в ванне должны быть такими, чтобы образец не поглощал водород во время обработки.

Если размер или форма материала таковы, что нельзя изготовить стандартный образец, можно использовать уменьшенный образец. Однако образцы меньшего размера могут давать меньшее время до разрушения, чем стандартные образцы. При использовании образцов меньшего размера в протоколе испытания необходимо четко обозначить использование и указать размеры таких образцов. На торцах образца, но не на расчетном участке, допускается маркировка клеймением или виброгравировкой.

Очистка образцов заключается в обезжиривании растворителем и промывке ацетоном. После очистки нельзя касаться расчетной длины образца или загрязнять ее.

1.1 Испытательный раствор и оборудование

Испытательный раствор представляет собой подкисленный, с добавлением буфера, водный раствор, насыщенный сероводородом (H2S). Испытательный раствор должен содержать 5,0%  хлорида натрия и 0,5% кристаллической уксусной кислоты, растворенных в дистиллированной или деионизированной воде (например, в 945 г дистиллированной или деионизированной воды растворяют 50,0 г NaCl и 5,0 г CH3COOH).

Ожидаемое значение рН испытательного раствора до или после насыщения сероводородом, но до соприкосновения с образцом для испытания, составляет 2,6-2,8. Каждая лаборатория должна иметь подтвержденную и документированную процедуру продувки, чтобы удостовериться в том, что значение рН испытательного раствора после продувки не превысило 3,0. Во время испытания значение рН может возрасти, но не должно превышать 4,0. При соблюдении определенного соотношения объема сосуда к площади поверхности образца и принятии мер к недопущению попадания кислорода в сосуд, в соответствии с данным стандартом, рН не превысит этого значения.

Для осуществления испытания пригодны различные типы приспособлений для нагружения образцов и различные типы сосудов, используемых для испытаний на коррозию под напряжением. Поэтому ниже речь идет, в основном, о характеристиках оборудования, необходимых для правильного выбора приборов и практик.

Испытания на растяжение следует проводить с помощью устройств, создающих постоянную нагрузку или длительную нагрузку (пружинного типа или с кольцевым динамометром)

Все нагрузочные устройства должны иметь калибровку, обеспечивающую точное нагружение образца. Погрешность нагружения в пределах диапазона калибровки нагрузочного устройства не должна превышать 1,0% от калибровочной нагрузки.

Нагрузочное устройство не должно вызывать скручивающих нагрузок.              При испытании материалов, склонных к данному виду разрушения, с применением длительной нагрузки, трещины могут зарождаться и распространяться только на часть сечения образца. Следовательно, определение склонности к данному виду разрушения по результатам опыта при длительной нагрузке требует визуального осмотра образцов на наличие сквозных трещин. Такое определение может быть затруднительным, если трещины малы и редки, или если они плохо видны из-за коррозионных отложений. Однако испытание с устройствами постоянной нагрузки гарантирует, что материалы, склонные к данному виду разрушения, будут полностью разрушаться, что однозначно указывает на склонность материала и исключает возможность пропуска сквозных трещин при визуальном осмотре образцов.

Для создания постоянной нагрузки могут использоваться грузовые устройства, оказывающие постоянное давление на гидравлический элемент.

Длительная нагрузка может создаваться с помощью пружинных устройств и кольцевых динамометров, в которых релаксация самого устройства или образца приводит лишь к незначительному процентному уменьшению приложенной нагрузки.

При использовании кольцевых динамометров необходимо:

а) перед калибровкой подготовить кольцевой динамометр путем растяжения его не менее 10 раз до 110% от наибольшей рабочей нагрузки;

б) согласовать нагрузку на образец с нагрузочным интервалом кольцевого динамометра. Соответственно, кольца следует подобрать таким образом, чтобы приложенная нагрузка вызвала деформацию кольца, превышающую 0,6% его диаметра, но не менее 0,51 мм. Если деформация меньше 0,51 мм или 0,6% от диаметра кольца, необходимо задать калибровочную деформацию, калибровочную нагрузку и испытательную нагрузку.

Значительное уменьшение деформации кольца может означать:

- зарождение и распространение трещин в образце;

- текучесть образца; или

- релаксацию напряжений.

Необходимо предусмотреть измерение деформации кольца во время и в конце испытания.

Рекомендуется наблюдать за деформацией кольца, когда приложенная нагрузка составляет до 10% от предела текучести материала.

Образец должен быть электрически изолирован от других металлических деталей, находящихся в контакте с раствором. Уплотнения образца должны быть электроизолирующими и герметичными, но должны допускать его движение при незначительном трении. Если испытательное устройство может быть целиком погружено в раствор, нагрузочное устройство может быть изготовлено из того же материала, что и образец, или, если оно изготовлено из иного материала, оно должно быть электрически изолировано от образца. При желании, нагрузочное устройство может быть снабжено непроницаемым непроводящим покрытием.

Емкость сосуда для испытания должна быть достаточной для того, чтобы объем раствора составлял 30±10 мл на 1 см2 площади поверхности образца.

2 Порядок испытания

Измерьте минимальный диаметр расчетной части образца и вычислите нагрузку,необходимую для создания требуемого уровня напряжений.

Очистите образец, поместите его в сосуд и герметично закройте сосуд во избежание попадания в него воздуха во время испытания.

Нагрузка может быть приложена до или после продувки сосуда инертным газом. Нагрузка на образец может прикладываться ступенчато, долями от предела текучести или конечной нагрузки.

Нагрузку прикладывайте осторожно, не допуская превышения требуемого значения. Если оно будет превышено, нагружение необходимо начать снова, или забраковать образец.

Сосуд сразу же наполняют испытательным раствором так, чтобы расчетный участок образца был полностью погружен в раствор. Чтобы гарантировать отсутствие кислорода в испытательном растворе до подачи H2S, испытательный раствор должен быть полностью деаэрирован одним из приведенных ниже методов: