CC BY
29
Машиностроение и машиноведение
DOI: 10.47581/2020/30.10.2020/SMTT/32.5.022
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИЧИН ПРЕЖДЕВРЕМЕННОГО РАЗРУШЕНИЯ СОЕДИНИТЕЛЬНОЙ МУФТЫ НАСОСНО-КОМПРЕССОРНЫХ ТРУБ
Кощеев Кирилл Игоревич, магистрант (e-mail: koshcheevk@gmail.com) Якубович Ефим Абрамович, к.т.н., доцент, профессор (e-mail: eyakubovich@mail.ru) Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия
В работе выполнен комплекс исследований, включающий анализ химического состава, фрактографические исследования излома, определение механических свойств и металлографические исследования муфты НКТВ группы прочности К72 с целью определения причин её преждевременного разрушения. Показано, что разрушение муфты произошло по механизму сульфидного коррозионного растрескивания под напряжением. Установлены основные факторы, способствующие этому виду разрушения.
Ключевые слова: насосно-компрессорные трубы, соединительная муфта, химический анализ, фрактографический анализ, сульфидное коррозионное растрескивание, металлографические исследования, очаг разрушения.
Насосно-компрессорные трубы (НКТ) являются составной частью колонны, спускаемой в скважину для добычи нефти и газа из продуктового слоя, а также проведения внутрискважинных технологических операций. Формирование колонны происходит за счет соединения резьбовых соединений НКТ между собой муфтами.
Целью настоящего исследования является определение причин преждевременного разрушения муфты НКТ группы прочности К72.
На наружной и внутренней поверхности муфты присутствует слой отложений продуктов коррозии желто-красного цвета. Вдоль муфты прохо-
Рисунок 1 - Внешний вид разрушенной муфты
Исходя из указанной на наружной поверхности маркировки, муфта изготовлена по ГОСТ Р-53366-2009 [1], группа прочности - К72. На наружной поверхности муфты, как в области излома (рисунок 2), так и на отдалении от него, присутствуют следы механического воздействия в виде рисок не параллельных оси муфты, глубиной до 0,3мм._
Рисунок 2 - Вид механических дефектов, изломов и направление развития трещины
Оценка наличия сульфидов железа на наружной и внутренней поверхностях аварийной муфты осуществлялась методом серных отпечатков по Бауману (рисунок 3).
Наружная поверхность Внутренняя поверхность
Рисунок 3 - Вид фотобумаги после взаимодействия с поверхностями
муфты
Интенсивное потемнение серных отпечатков свидетельствует о том, что на наружной и внутренней поверхностях муфты НКТ присутствуют сульфиды железа, являющиеся результатом сероводородной коррозии. Следовательно, данная муфта в процессе эксплуатации находилась в контакте со средой, содержащей Н2Б, и подвергалась охрупчиванию под воздействием проникающего в металл водорода.
Для определения химического состава материала муфты НКТ был проведен общий химический анализ на атомно-эмиссионном спектрометре «БА 2000» и на анализаторе углерода «С8-200» фирмы «Ьесо» по ГОСТ 12344-2003, ГОСТ 12345-2001, ГОСТ 18895-97. Металл муфты легирован марганцем и ванадием. Химический состав материала исследованной аварийной муфты наиболее близок стали марки 35Г2 по ГОСТ 1050-2013 [2], а по содержанию вредных примесей соответствует требованиям ГОСТ Р 53366-2009 (таблица 1).
Таблица 1- Химический состав исследуемой муфты
Ис- след. объект Массовая концентрация, %
Бе С Мп Сг N1 Мо Си У А1 Б р
Муфта НКТВ Осн 0,36 6 0,2 9 1,6 2 0,04 3 0,03 1 0,02 5 0,03 7 0,06 9 0,03 2 0,00 4 0,00 9
Марка стали 35Г2 по ГОСТ 1050-2013
> Осн 0,31 0,1 7 1,4 0 - - - - - - - -
< 0,39 0,3 7 1,8 0 0,30 0,30 0,15 0,30 0,05 0,03 5 0,03 0
Требования ГОСТ Р53366-2009, группа прочности К72
< - 0,03 0 0,03 0
При определении механических свойств материала муфты НКТ проводились следующие виды испытаний:
• Испытание на растяжение на двух продольных пятикратных цилиндрических образцах по ГОСТ 1497-84. Испытания проводились на универсальной испытательной машине Н50КТ с датчиками силы на 500Н, 5000Н и 50000Н с точностью 0,5% от измеренной силы.
• Испытание на ударный изгиб Шарпи по ГОСТ 9454 при температурах +20° С и - 40° С, по три продольных ударных образцах тип 13 толщиной 5 мм с У-образным надрезом. Испытания проводились на копре автоматизированном JB-W300 с двумя маятниками, имеющими номинальную потенциальную энергию разрушения в 150 Дж и 300 Дж.
• Замер твердости по ГОСТ 9013-59 метод Роквелла шкала С на продольном темплете. Измерения проводились с использованием измерителя твердости по Роквеллу ТН300.
Результаты испытаний представлены в таблицах 2 - 3.
Таблица 2 - Механические свойства исследуемой муфты
Исслед. объект Ов О0,2 От/ Ов 5з КСУ
+20°С -40°С
МПа % Дж (Дж/см2) Дж (Дж/см2)
Муфта НКТВ 825 674 0,82 18,48 21 (52,0) 8 (20,8)
828 667 0,81 19,60 29 (72,6) 12 (29,1)
- 24 (59,4) 10 (23,8)
Требования ГОСТ 3 53366-2009, группа прочности К72
> 687 491 Не регл. 12 15 Не реглам-ся
< - - -
Таблица 3 - Твердость материала исследуемой муфты
Исслед. объект Значение твердости, НЯС
Изм. Область измерения
1 2 3
1 23,5 24,0 23,5
Муфта НКТВ 2 24,7 23,8 24,8
3 23,8 24,3 24,4
Механические свойства материала аварийной муфты НКТ соответствуют требованиям ГОСТ Р 53366-2009, предъявляемым к группе прочности К72. Твердость материала по толщине стенки составляет 23,5-24,7 НЯС. Уровень ударной вязкости, полученный при испытаниях при температуре +20°С, соответствует требованиям ГОСТ Р 53366-2009. При 40°С ударная вязкость падает в два раза, металл становится хрупким и чувствительным к концентраторам напряжений.
Металлографические исследования материала аварийной муфты проводились на продольном полнотолщинном микрошлифе с использованием оптического и электронного микроскопов. Микроструктура материала по толщине стенки представлена на рисунке 4 различными структурными составляющими. У наружной поверхности металл имеет бейнитоподобную структуру, толщина данного слоя ~ 2мм. В центре сечения металл имеет бейнитную структуру с включениями зерен перлита, доля зерен перлита в структуре увеличивается к внутренней поверхности муфты. У внутренней поверхности муфты металл имеет феррито-перлитную структуру, зерна феррита выделились в виде замкнутой сетки по границам бывших аусте-нитных зерен. Размер бывшего аустенитного зерна от 20 до 50 мкм (8 и 5 номер по ГОСТ 5639-82).
Рисунок 4- Микроструктура материала исследуемой муфты по толщине
стенки
Для объяснения причин неоднородности структуры по толщине стенки, был проведен дополнительный анализ химического состава металла с наружной и внутренней поверхностей муфты. Исходя из полученных результатов, представленных в таблице 4, химический состав материала у внутренней и наружной поверхности близок, химической неоднородности, которая могла бы вызвать закалку наружных объемов, не выявлено.
Таблица 4 - Химический состав наружной и внутренней _поверхностей исследуемой муфты_
Поверхность Массовая концентрация, %
Бе С Мп Сг N1 Мо Си V А1 8 Р
Наруж. Осн. 0,35 0,30 1,73 0,044 0,026 0,024 0,043 0,070 0,029 0,004 0,009
Внутр. 0,40 0,28 1,71 0,043 0,024 0,024 0,041 0,069 0,027 0,003 0,009
Таким образом структурная неоднородность связана с существенным различием скорости охлаждения по толщине стенки муфты или муфтовой заготовки. Скорость охлаждения на наружной поверхности была достаточно большой, чтобы обеспечить бейнитное превращение стали.
Скорость охлаждения на внутренней поверхности меньше, что привело к формированию феррито-перлитной структуры. Это указывает на то,что объемы металла у наружной поверхности муфты были подвергнуты термической обработке - закалке, а у внутренней - нормализации. Подобная структура не соответствует требованиям ГОСТ Р 53366-2009: муфты НКТВ группы прочности К72 должны быть подвергнуты термической обработке по всему объему на выбор изготовителя - нормализации, нормализации + отпуск или закалке + отпуск.
Следует отметить, что закаленные наружные объемы муфты будут характеризоваться повышенной твердостью и хрупкостью. В них могут зарождаться трещины, которые в дальнейшем разовьются на всю толщину муфты. Поскольку толщина закаленного слоя невелика (до 2 мм), данный металл был полностью удален фрезерованием при изготовлении образцов на механические испытания. Таким образом механические свойства, приведенные в таблице 2 и 3, не относятся к закаленной наружной поверхности.
Результаты оценки загрязненности стали неметаллическими включениями по ГОСТ 1778-70, представлены в таблице 5.
Таблица 5 - Загрязненность материала исследуемой муфты неметаллическими включениями_
Исслед. объект Загрязненность стали неметаллическими включениями, балл
ОТ ОС С СХ СП СН Н
Муфта НКТВ 1 - 1 - - - -
Металл муфты характеризуются низкой степенью загрязненности неметаллическими включениями, не превышающими 1 балл по ГОСТ 1778-70.
С целью определения причин разрушения аварийной муфты был произведен металлографический анализ поперечного микрошлифа, изготовленного перпендикулярно поверхности излома в области очага развития трещины.
Микроструктура материала в области излома приведена на рисунке 5. В области очага разрушения наблюдается слой пластически деформированного металла под замятием. Около очага обнаружены вторичные микротрещины, заполненные продуктами коррозии, содержащими сульфиды железа. Излом основной трещины хрупкий.
Разрушение муфты НКТВ произошло по механизму сульфидного коррозионного растрескивания под напряжением (СКРН). Очаг разрушения расположен на наружной закаленной поверхности близ торца заводского соединения в области замятия на наружной поверхности. Следует отметить, что аналогичные замятия в виде продольных бороздок обнаружены на отдалении от излома и ориентированы под углом к оси муфты.
% Fe C O Si S а Mn
1 Wt 83,60 08,12 8,12 - - 01,29 - 01,69
At 59,47 17,55 20,16 - - 01,60 - 01,22
2 Wt 72,98 08,80 09,50 - 00,69 05,53 00,75 01,74
At 45,32 25,41 20,59 - 00,86 05,99 00,73 01,10
3 Wt 75,83 06,42 12,03 01,09 00,76 02,04 - 01,83
At 48,22 18,97 26,72 01,68 00,96 02,26 - 01,18
Рисунок 5 - Микроструктура материала и химический состав продуктов коррозии во вторичных трещинах в области очага разрушения
Разрушению муфты по механизму СКРН способствовали следующие факторы:
1. Нарушение требований ГОСТ Р 53366-2009 к режиму термической обработки. Микроструктура металла муфты неравномерна по толщине стенки: у наружной поверхности металл закален и микроструктура представлена бейнитоподобной смесью, близ внутренней поверхности муфты микроструктура феррито-перлитная, что свидетельствует о нормализации.
2. Наличие замятия в области торца муфты и пластически деформированной зоны под ней, послужившей концентратором напряжений и местом предпочтительного зарождения коррозионной трещины.
3. Макротвердость металла муфты находится в диапазоне 23,5 - 24,7 НЯС. В соответствии с ГОСТ Р 53678 (А 2.1.2) металл, имеющий твердость более 22 НЯС, может быть подвержен растрескиванию и охрупчива-нию в сероводородсодержащих средах.
4. Агрессивная среда в затрубном пространстве, содержащая сероводород. На наружной поверхности муфты методом серных отпечатков по Бауману обнаружены сульфиды железа, являющиеся результатом сероводородной коррозии.
Список литературы
1. ГОСТ Р 53366-2009. Трубы стальные, применяемые в качестве обсадных или на-сосно-компрессорных труб для скважин в нефтяной и газовой промышленности. Общие технические условия; введ. 2010-03-01. - М.: Стандартинформ, 2010. - 71-83 с.
2. ГОСТ 1050-2013. Металлопродукция из нелегированных конструкционных качественных и специальных сталей. Общие технические условия; введ. 2015-01-01. - М.: Стандартинформ, 2015. - 5 с.
3. Артамошкин C.B. Влияние микроструктуры и неметаллических включений на склонность низколегированных сталей к сульфидному разрушению под напряжением / С.В. Артамошкин, В.И. Астафьев , Т.М. Тетюева - Физико-химическая механика материалов. 1991. № 1. С. 61-67.
4. Ботвина Л.Р. Закономерность повреждаемости низколегированных сталей в кор-розионно-активных сероводородсодержащих средах / Л.Р. Ботвина, Т.В. Тетюева, С.А. Крупнин - Физико-химическая механика материалов, 1990. № 2. - 27-33 с.
5. Шрейдер А.В. Влияние водорода на нефтяное и химическое оборудование. / А.В. Шрейдер, И.С. Шпарбер, Ю.И. Арчаков - М.: Машиностроение, 1976. - 81 с.
6. Ажогин Ф. Ф. Коррозионное растрескивание и защита высокопрочных сталей / Ф.Ф. Ажогин - М.: Металлургия, 1974. - 17 с.
Koshcheev Kirill Igorevich, undergraduate
(e-mail:koshcheevk@gmail.com)
Samara State Technical University, Samara, Russia
Yakubovich Efim Abramovich, Cand.Tech.Sci., associate professor
(e-mail: eyakubovich@mail.ru)
Samara State Technical University, Samara, Russia
RESEARCH OF THE CAUSES OF PRELIMINARY FAILURE OF THE CONNECTING COUPLING OF THE PUMP AND COMPRESSOR PIPES
Abstract. In this article a set of studies was carried out, including analysis of the chemical composition, fractographic studies of fracture, determination of mechanical properties and metallographic studies of the NKT-B coupling of strength group K72 in order to determine the causes of its premature failure. It is shown that the collapse of the sleeve occurred by the mechanism of sulfide stress corrosion cracking. The main factors contributing to this type of destruction have been established.
Keywords: tubing, coupling, chemical analysis, fractographic analysis, sulfide corrosion cracking, metallographic studies, fracture site.
