CC BY
15ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ
УДК 620.19
О.О. Штырев, эксперт лаборатории конструирования полимерных покрытий нефтегазового оборудования и сооружений РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина (Москва, Россия), e-mail: olegshtyr91@gmail.com
О недопустимости использования установки Taber Abraser и подобных ей для контроля сопротивления материалов внутренних полимерных покрытий труб нефтяного сортамента гидроабразивному износу при воздействии потока жидкой среды, содержащей механические примеси
Транспортируемые по нефтепромысловым трубопроводам, колоннам насосно-компрессорных и бурильных труб с внутренним защитным покрытием разнообразные жидкие среды содержат значительное количество механических примесей, что вызывает интенсивный гидроабразивный износ материала покрытия. Вследствие этого значительно уменьшается толщина покрытия и, как результат этого, нарушается его работоспособность.
Поэтому одним из основных требований, предъявляемых к внутреннему полимерному покрытию труб нефтяного сортамента, является сопротивление покрытия разрушению при воздействии абразивосодержащего потока жидкости. Показателем сопротивления покрытия разрушению в этих условиях является скорость уменьшения толщины покрытия. Для объективного моделирования процесса гидроабразивного изнашивания материалов полимерных покрытий при периодических испытаниях в лабораторных условиях и объективной оценки численного значения скорости изменения толщины покрытия в этих условиях важно понять механизм процесса гидроабразивного изнашивания материала внутреннего покрытия трубной продукции в реальных условиях и степень влияния различных эксплуатационных факторов на интенсивность этого процесса.
Приведенные в статье результаты теоретических и экспериментальных исследований механизма гидроабразивного изнашивания материалов полимерных покрытий в зависимости от их прочностных и деформационных характеристик, скорости потока жидкости, угла его атаки по отношения к покрытию, концентрации механических примесей убедительно свидетельствуют о недопустимости использования установки Taber Abraser и подобных ей для контроля сопротивления материалов полимерных покрытий гидроабразивному износу. При испытаниях на установке Taber Abraser моделируется абразивный механизм изнашивания материалов в условиях скольжения закрепленным абразивом, принципиально отличающийся от механизма их гидроабразивного изнашивания. Различие в механизме разрушения материалов в условиях абразивного и гидроабразивного износа вызывает существенное различие в комплексе свойств, определяющих их сопротивление указанным видам износа.
Ключевые слова: трубы, внутренние полимерные покрытия, гидроабразивный износ, скорость уменьшения толщины покрытия, срок службы покрытия, влияние скорости потока, влияние угла атаки, влияние механических примесей, механизм гидроабразивного износа, неадекватность метода Табера.
O.O. Shtyrev, Gubkin Russian State University of Oil and Gas (Moscow, Russia), the Expert of the Laboratory of Designing of Polymeric Coating for Oil and Gas Equipment and Structures, e-mail: olegshtyr91@gmail.com
On inadmissibility of use of Taber Abraser and similar devices for control of resistance of materials of polymeric coating of pipes of oil schedule to hydroabrasive wear in case of exposure to flow with solid particles
Various fluids transported by oilfield pipelines, pipe strings and tubing strings with inner protective coating, contain a substantial amount of solids that cause intense hydroabrasive wear of the coating material. As a result, the thickness of the coating and its durability is significantly reduced.
Therefore, one of the main requirements to the inner polymer coating of OCTG is rupture resistance of the coating when exposed to abrasive-carrying fluid flow. Coating rupture resistance index under these conditions is the coating thickness reduction rate.
86
№ 9 сентябрь 2015 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
To perform reliable simulation of hydroabrasive wear polymer coatings materials during periodic tests under laboratory conditions and objective evaluation of the numerical value of the coating thickness change rate under these conditions it is important to understand the mechanism of hydroabrasive wear process for pipe products inner coating material under real conditions and the degree of various operational factors' influence on the intensity of this process. The results of theoretical and experimental studies stated in the article for the hydroabrasive wear mechanism of polymer coatings materials versus their strength and deformation characteristics, liquid flow rate, angle of attack against the coating, solids concentration, are strong evidence against the use of the Taber Abraser unit and similar for control of polymer coatings materials resistance to hydroabrasive wear. During the tests with the Taber Abraser unit the abrasive wear mechanism of materials under sliding with fixed abrasive is simulated, and it is fundamentally different with the mechanism of hydroabrasive wear. The difference in the mechanism of materials rupture under conditions of abrasive and hydroabrasive wear determines a significant difference of properties complex that determine their resistance to specified types of wear.
Keywords: pipes, internal polymeric coatings, hydroabrasive wear, coating thickness reduction rate, coating service life, flow rate influence, influence of angle of attack, mechanical impurities impact, hydroabrasive wear mechanism, inadequacy of Taber method.
Одним из критериев работоспособности полимерных покрытий внутренней поверхности труб и соединительных деталей нефтепромысловых трубопроводов, насосно-компрессорных и бурильных труб является их сопротивление разрушению при воздействии транспортируемой жидкой среды, содержащей механические примеси. Процесс разрушения материала покрытия в этих условиях получил название «гидроабразивное изнашивание», а результат этого процесса - «гидроабразивный износ». Показателем сопротивления покрытия разрушению при гидроабразивном изнашивании используемых для его формирования материалов является скорость уменьшения его толщины. Скорость уменьшения толщины покрытия однозначно определяет срок его службы. Численное значение этого показателя зависит от деформационно-прочностных характеристик материала поверхностного слоя покрытия, напряженного состояния этого слоя, толщины покрытия, существенно влияющей на деформационно-прочностные характеристики материала поверхностного слоя. Для объективного моделирования процесса гидроабразивного изнашивания материалов полимерных покрытий при периодических испытаниях в лабораторных условиях и объективной оценки численного значения скорости
изменения толщины покрытия в этих условиях важно понять механизм процесса гидроабразивного изнашивания материала внутреннего покрытия трубной продукции в реальных условиях и степень влияния различных эксплуатационных факторов на интенсивность этого процесса.
Гидроабразивный износ материалов полимерных покрытий возникает при воздействии на поверхность покрытия потока жидкой среды, содержащей твердые механические примеси. При встрече под углом ак твердой частицы с поверхностью покрытия частица внедряется в нее, проходя некоторый путь трения. Износ происходит в результате срезания микростружек с поверхности или отрыва отдельных частиц материала покрытия вследствие контактной усталости. Относительная роль каждого из перечисленных явлений определяется физико-механическими свойствами материала покрытия и твердой частицы, скоростью и углом атаки твердой частицы.
В процессе гидроабразивного изнашивания происходит многократное соударение твердых частиц с поверхностью покрытия в условиях упругого, вязко-упругого или пластического контакта. На рисунке 1 приведены графики зависимости потерь массы покрытия из различных эпоксидных материалов
на поверхности стального образца в виде диска от времени воздействия на покрытие потока жидкости при его скорости 18 м/с и концентрации механических примесей 3% масс. ч. Графики имеют линейный характер. В этом случае скорость уменьшения толщины покрытия определяется выражением
Ч,з = ИД , (1)
где И - толщина изношенного слоя; т - интервал времени, за который произошел износ этого слоя. Сопротивление материалов полимерных покрытий гидроабразивному износу определяется комплексом их прочностных и деформационных свойств. При упругом и вязкоупругом контакте твердой частицы с поверхностью покрытия повышение модуля упругости материала полимерного покрытия вызывает увеличение скорости изнашивания.
При пластическом контакте твердой частицы с поверхностью покрытия увеличение модуля упругости материала полимерного покрытия способствует снижению скорости изнашивания. С ростом скорости потока жидкости $п ж и концентрации твердых частиц Кч в ней скорость изнашивания покрытия повышается [1].
Ссылка для цитирования (for references):
Штырев О.О. О недопустимости использования установки Taber Abraser и подобных ей для контроля сопротивления материалов внутренних полимерных покрытий труб нефтяного сортамента гидроабразивному износу при воздействии потока жидкой среды, содержащей механические примеси // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2015. № 9. С. 86-90.
Shtyrev O.O. On inadmissibility of use of Taber Abraser and similar devices for control of resistance of materials of polymeric coating of pipes of oil schedule to hydroabrasive wear in case of exposure to flow with solid particles (In Russ.). Territorija «NEFTEGAZ» = Oil and Gas Territory, 2015, No. 9. P. 86-90.
TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 9 September 2015
87
ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ
Рис. 1. Кинетика потерь объема покрытия AV из различных эпоксидных материалов при скорости воздействующего на него потока жидкости 18 м/с и концентрации механических примесей 3% масс. ч.: 1 - 9 - покрытия из различных эпоксидных материалов
Fig. 1. Coating volume loss kinetics AV of different epoxy materials at the rate of the fluid flow influencing it 18 m/sec and solid particles concentration 3% weight parts: 1-9 - coating made of different epoxy materials
В значительной мере скорость гидроабразивного изнашивания покрытий зависит от угла взаимодействия твердых частиц с изнашиваемой поверхностью. Угол атаки ак обуславливает глубину внедрения твердой частицы в поверхностный слой покрытия. По данным [2], тангенциальная составляющая скорости частицы полностью гасится как при увеличении ее внедрения в покрытие, т.е. когда /4д ак > 1, так и при уменьшении внедрения, когда 1/2 « tg ак > 1. Тангенциальная составляющая скорости частицы сохраняется при ак < 1/2. Зависимость скорости гидроабразивного изнашивания от угла атаки ак имеет экстремальный характер. Наиболее резко указанная зависимость проявляется у покрытий на основе жестких полимеров. С увеличением угла атаки скорость их изнашивания возрастает, достигая наибольшего значения в области больших углов. У покрытий на основе эластичных материалов с низким модулем упругости
деформационная составляющая износа обычно мала, и наибольшая скорость изнашивания наблюдается в области малых углов. Увеличение коэффициента трения сдвигает точку экстремума в сторону меньших углов. У большинства покрытий наибольшая скорость изнашивания соответствует углу 40-60°. При определенном угле атаки происходит переход от усталостного механизма изнашивания к микрорезанию. В этом случае контактные деформации достигают своего критического значения, и разрушение происходит за один цикл нагружения, что соответствует абразивному механизму изнашивания. При угле атаки ак = 90° на изнашиваемой поверхности покрытия образуется множество лунок - результат выкро-шивания материала, обусловленного усталостным механизмом разрушения. С уменьшением угла атаки наряду с лунками появляются отдельные риски вследствие микрорезания поверхности
твердыми частицами. Для определения критического значения угла атаки акр, при котором происходит переход от усталостного механизма износа к микрорезанию, в работе [1] приведены соответствующие зависимости. Скорость гидроабразивного изнашивания зависит от толщины покрытия, температуры и химического состава эксплуатационной среды. Их влияние проявляется косвенно через изменение упруго-прочностных и фрикционных свойств полимерного слоя. При увеличении толщины покрытия до определенного значения скорость гидроабразивного изнашивания снижается вследствие уменьшения влияния жесткой поверхности металла и сил адгезии на деформационные свойства полимерного слоя. При этом с уменьшением модуля упругости материала покрытия влияние толщины покрытия на скорость его гидроабразивного изнашивания также уменьшается. Рассмотренный механизм гидроабразивного изнашивания полимерных покрытий убедительно свидетельствует о недопустимости использования рекомендуемой в СТО ВНИИСТ 7.2-312-0.0052014 «Покрытия лакокрасочные для антикоррозионной защиты внутренней поверхности труб и соединительных деталей нефтепромысловых трубопроводов. Технические требования» установки ТаЬег Abraser и подобных ей для контроля сопротивления полимерных покрытий гидроабразивному износу при воздействии потока жидкой среды, содержащей механические примеси. При испытаниях полимерных покрытий согласно стандарту А5ТМ D4060 (США) на установке ТаЬег Abraser и ей подобных моделируется абразивный механизм изнашивания материалов в условиях трения скольжения закрепленным абразивом. Принцип испытания на приборе Табера следующий:
1) образец с покрытием закрепляют на вращающемся диске под абразивными кругами;
2) устанавливают требуемую контактную нагрузку абразивного круга на покрытие 125, 250, 500 или 1000 г;
3) абразивные круги за счет движения диска с образцом вращаются и изнашивают поверхность покрытия;
88
№ 9 сентябрь 2015 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
4) оценку износа производят визуально, или по потере веса, или в соответствии с используемым методом контроля. Показателем сопротивления покрытия в этом случае является интенсивность изнашивания материала покрытия, т.е. величина износа, отнесенная к определенному числу циклов или пути трения. Данный механизм абразивного изнашивания материала покрытия не имеет ничего общего с механизмом его гидроабразивного изнашивания. При абразивном механизме изнашивания в условиях трения скольжения закрепленным абразивом сопротивление материала покрытия износу определяется его твердостью, с повышением которой сопротивление износу повышается. При этом интенсивность процесса механического изнашивания существенно зависит от величины контактного давления в зоне трения и скорости относительного перемещения соприкасающихся поверхностей. Подобный механизм абразивного износа характерен для материала покрытия пешеходного перехода типа зебры, по которому при торможении скользят резиновые
шины машин, с шаржированными в них частицами песка (трение скольжения закрепленным абразивом). При гидроабразивном изнашивании покрытия происходит сочетание абразивного механизма изнашивания с усталостным.
При усталостном механизме изнашивания в условиях упругого и вязко-упругого контакта, что характерно для покрытий из эпоксидных материалов, широко используемых для внутреннего покрытия трубной продукции, скорость изнашивания покрытия в значительной мере определяется его модулем упругости, с понижением которого она уменьшается. Этим объясняется успешное использование покрытий из эластомеров для внутренней изоляции трубопроводов, используемых для транспортирования жидкостей с высокой концентрацией механических примесей. Из вышесказанного следует, что сопротивление покрытия разрушению при абразивном и усталостном механизмах изнашивания определяется различными механическими свойствами материала покрытия.
Преобладание того или иного механизма изнашивания в значительной мере определяется углом взаимодействия твердых частиц с поверхностью покрытия, деформационно-прочностных свойств материала покрытия, скорости движения потока абразивосодержащей жидкости, массы твердых частиц. Для наиболее полного моделирования процесса гидроабразивного изнашивания полимерных покрытий внутренней поверхности трубной продукции при периодических испытаниях в лаборатории конструирования полимерных покрытий нефтегазового оборудования и сооружений РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина используется установка струйного типа, схема которой представлена на рисунке 2. Установка имеет четыре вращающихся столика (2), на каждый из которых устанавливают образцы (1) в виде дисков с испытываемым покрытием. Одновременно испытываются четыре образца. Над столиками с образцами установлены сопла (13), через которые подается струя абразивосодержащей модельной жидкости. Ось сопла расположена экс-
24-27 мая ©
Уфа-2016
Газ. Нефть. Технологии
XXIV международная выставка
БАШКИРСКАЯ ВЫСТАВОЧНАЯ КОМПАНИЯ
^есто проведения 0©Ф0 S3
BAHXviibuJJi #ГАЗНЕФТЬТЕХНОЛОГИИ П БВК (347)246 41 77 246 41 93
ул. Менделеева, 158 www.gntexp0.ru e-mail: gasoil@bvkexpo.ru
ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ
Рис. 2. Схема установки для испытания покрытия на гидроабразивный износ: 1 - образец с покрытием; 2 - столик, вращающийся с частотой 30 об./мин.; 3 - шарнирное устройство для изменения угла наклона оси столика к оси сопла; 4 - державка столика для его перемещения относительно оси сопла; 5 - винт стопорный; 6 - бак; 7 - модельная абразивная жидкость; 8 - насос; 9 - трубопровод всасывающий; 10 - кран; 11 - гибкий вал; 12 - электродвигатель; 13 - сопло; 14 - трубопровод нагнетательный; 15 - байпасная линия; 16 - манометр. Fig. 2. The installation diagram for the coating hydroabrasive wear test: 1 - coating sample; 2 - table, rotating at frequency 30 rpm; 3 - swiveling device to change the slope angle of the table axis to the nozzle axis; 4 - table holder for its movements relative to the nozzle axis; 5 - lock screw; 6 - tank; 7 - model abrasive fluid; 8 - pump; 9 - suction pipe; 10 - valve; 11 - flexible shaft; 12 - electric motor; 13 - nozzle; 14 - discharge pipe; 15 - bypass line; 16 - pressure gauge
центрично относительно оси вращения столика с испытываемым образцом. При износе испытываемого материала на поверхности покрытия образуется кольцеобразная канавка, ширина которой определяется диаметром пятна контакта струи модельной абразивосодержащей жидкости с поверхностью покрытия.
Можно изменять угол наклона оси столика относительно оси сопла, что позволяет проводить испытания при разных углах атаки струи модельной абразивосодержащей жидкости по отношению к испытываемому покрытию. Бесступенчатое регулирование частоты вращения вала центробежного
насоса (8) позволяет изменять производительность насоса и, как результат этого, скорость истечения модельной абразивосодержащей жидкости из сопла.
Изменяя концентрацию, размер и твердость механических примесей в модельной абразивосодержащей жидкости, ее скорость и угол атаки по отношению к покрытию, можно имитировать при лабораторных испытаниях реальные воздействия на покрытие потока жидкости, транспортируемой по нефтепромысловому трубопроводу, а следовательно, воспроизводить реальную энергию удара твердых частиц по покрытию, частоту ударов в единицу времени, угол атаки, что определяет скорость гидроабразивного изнашивания материала покрытия и, соответственно, скорость уменьшения толщины покрытия. Периодические испытания сопротивления конкретного покрытия разрушению при воздействии потока абразивосодержащей жидкости на рассматриваемой установке проводят при скоростях течения абразивосодержащей жидкости и концентрации механических примесей в ней, значительно превышающих реальные при эксплуатации,с целью сокращения продолжительности испытаний. На основании экспериментально установленных функциональных зависимостей скорости изменения толщины конкретного покрытия от скорости течения потока абразивосодержащей жидкости и концентрации механических примесей в ней рассчитывают реальную скорость изменения толщины покрытия при заданных потребителем максимально возможных значениях скорости потока жидкости в нефтепромысловых трубопроводах и концентрации механических примесей на конкретном месторождении.
Литература:
1. Протасов В.Н. Теория и практика применения полимерных покрытий в оборудовании и сооружениях нефтегазовой отрасли. М.: Недра, 2007. 374 с.
2. Крагельский И.В., Добычин М.И., Камбалов В.С. Основы расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение, 1984. 370 с.
References:
1. Protasov V.N. Teorija ipraktikaprimenenijapoiimernyh pokrytij voborudovaniiisooruzhenijah neftegazovojotrasii [Theory and practice of protective coatings application in the equipment and facilities of the oil and gas industry]. Moscow, Nedra Publ., 2007. 374 pp.
2. Kragelskiy I.V., Dobychin M.I., Kambalov V.S. Osnovy raschetovna trenie iiznos [The basis of friction and wear calculation]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1984. 370 pp.
90
№ 9 сентябрь 2015 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
