CC BY
221
УДК 621.774
РАЗРАБОТКА ОТЕЧЕСТВЕННЫХ ВЫСОКОПРОЧНЫХ ТРУБ НЕФТЯНОГО СОРТАМЕНТА, СТОЙКИХ В СРЕДАХ, СОДЕРЖАЩИХ СЕРОВОДОРОД
Б.А. ЕРЕХИНСКИИ, к.т.н., главный технолог В.И. ЧЕРНУХИН, к.т.н., главный технолог А.Б. АРАБЕЙ, к.т.н., начальник отдела
ПАО «Газпром» (Россия, 117997, Москва, ул. Наметкина, д. 16). И.Ю. ПЫШМИНЦЕВ, генеральный директор И.Н. ВЕСЕЛОВ, директор филиала
ОАО «РосНИТИ» (Россия, 454139, г. Челябинск, ул. Новороссийская, д. 30). А.Г. ШИРЯЕВ, генеральный директор
ПАО «Трубная металлургическая компания» (Россия, 105062, ул. Покровка, д. 40, стр. 2а).
Описаны общие закономерности коррозионного растрескивания сталей, которое оказывает определяющее влияние на возможности применения труб высоких групп прочности для добычи углеводородов при больших концентрациях сероводорода. Предложены меры, позволяющие обеспечить стойкость к растрескиванию сталей с пределом текучести не менее 620 МПа в водном растворе, насыщенном сероводородом. Показано влияние химического состава, термической обработки и параметров микроструктур в возможности достижения высоких пороговых напряжений в экономнолегированных сталях. Приведены основные требования СТО Газпром к металлу обсадных и насосно-компрессорных труб групп прочности С90, Т95 и С110 в сероводородостойком исполнении, опыт освоения производства такой продукции в рамках программы научно-технического сотрудничества ПАО «Газпром» и ПАО «Трубная металлургическая компания».
Ключевые слова: сульфидное коррозионное растрескивание, стали для высокопрочных труб, рациональное легирование, технические требования, термическая обработка, микроструктура.
Вопросы повышения эксплуатационных характеристик стальных труб в средах, отличающихся высокой коррозионной активностью, становятся все более актуальными. Это имеет значение для труб как предназначенных для транспортировки углеводородов, так и используемых для их добычи. В последние годы повышение стойкости металла труб для магистральных трубопроводов против коррозионного растрескивания под напряжением (КРН или з!геззсоггоз1опсгаск1пд - БСС) и - частный случай - сульфидного растрескивания под напряжением (СРН, или зи1Шез!геззсгаск1пд - БЭС) стало основным направлением исследований научных подразделений, как производителей так и потребителей труб. Следует отметить, что данные процессы, равно как и сопутствующие им, являются частными в общем явлении растрескивания в различных средах, проявляющемся у широкого круга конструкционных материалов (епу1гоптеп!а!сгаск1пд - ЕС).
В настоящей статье рассмотрены вопросы обеспечения стойкости к сульфидному растрескиванию под напряжением насосно-компрессорных и обсадных труб, применяемых для добычи углеводородов, с описанием основных подходов к решению задачи и результатов их практической реализации.
В общем случае растрескивание при нагружении в определенной среде, происходящее путем медленного стабильного и предсказуемого развития трещин или внезапного катастрофического разрушения, связывают с процессами коррозионного воздействия на поверхностные слои металла, в частном случае стали, и их охруп-чиванием в результате насыщения водородом. Для труб,
применяемых при добыче углеводородов, содержащих значительное количество сероводорода, это означает развитие специфических видов разрушения. Внутренние разрывы либо вздутия на поверхности, называемые бли-стерингами, наблюдаются, как правило, в сталях, используемых для производства линейных труб с относительно невысокими прочностными свойствами, в результате диффузии водорода коррозионного происхождения и его скопления в местах дефектов кристаллического строения стали (ловушках). В результате становится возможной рекомбинация атомов в молекулы, главным образом на границах матрицы и неметаллических включений, на протяженных участках сопряжения феррита и вытянутых упрочняющих структурных составляющих, что может приводить к раскрытию трещин. Это происходит без приложения внешней нагрузки, только за счет напряжений, создаваемых вблизи таких мест, что определило название явления - растрескивание, вызванное водородом (HydrogenInduced Cracking - HIC), или водородное растрескивание (ВР). Зарождению и развитию трещин может способствовать наличие внешних или внутренних растягивающих напряжений. Явление развивается достаточно быстро, поскольку определяется скоростью перемещения и рекомбинации легко диффундирующего в железе при комнатной температуре атомарного водорода. Поэтому стандартный тест проводят путем погружения образцов в модельный раствор, насыщенный сероводородом, на 96 часов [1].
Обычно в более прочных сталях (с пределом текучести 500 МПа и выше) данное явление не наблюдается. Для
таких сталей, применяемых для изготовления обсадных и насосно-компрессорных труб, характерно другое явление - СРН, заключающееся в зарождении на поверхности изделия трещин коррозионного происхождения и их распространения внутрь, в плоскости, преимущественно перпендикулярной приложенной растягивающей нагрузке. Зарождение и рост трещин происходит только в случае воздействия в течение длительного времени напряжения выше определенного, которое является свойством материала. Характерно, что к такому разрушению, в общем случае, оказываются склонными наиболее прочные материалы, что предопределило невозможность применения высокопрочных сталей в контакте со средой, содержащей влажный сероводород, с одной стороны, и необходимость поиска эффективных решений по подбору материалов и способов их упрочнения, совместимых с эксплуатацией в так называемых кислых средах под воздействием значительных напряжений, с другой стороны. Такая работа привела к постепенному перемещению сферы применимости конструкционных сталей в область более высоких напряжений, однако вопросы сопротивления СРН высокопрочных сталей продолжают привлекать внимание исследователей и инженеров во всем мире.
На сегодня не существует достаточно строгих теорий, которые бы полностью объясняли поведение материалов, наблюдаемое в лабораторных условиях или на практике. Тем не менее последние достижения в области металлургии стали и технологий ее обработки позволили обеспечить определенный прогресс при разработке материалов для труб различного назначения, обладающих повышенной стойкостью против СРН. Очевидно, что распространение трещин при этом является результатом комбинированного и синергетического взаимодействия приложенной механической нагрузки и коррозионных процессов. Синергетическое воздействие - одно из основных условий этого явления. Зачастую СРН ошибочно трактуют как последовательные процессы образования дефектов на поверхности в результате коррозионного воздействия и их раскрытия при достижении критической для данного материала величины. Наличие растягивающих напряжений, величиной не превышающих предела текучести материала, является необходимым условием для развития данного процесса. Напряжения могут быть приложенными (внешними), а также внутренними (остаточными), однако на практике создание остаточных сжимающих напряжений зачастую является эффективным способом предотвращения разрушений.
Принято считать, что по ряду признаков рассматриваемое явление можно отнести к задержанному разрушению, при котором трещина после зарождения развивается с очень малой скоростью (от 10-9 до 10-6 м/с) до тех пор, пока величина напряжения в оставшемся сечении не приблизится к пределу прочности материала. Обычно выделяют три стадии данного процесса:
- 1-я - зарождение трещины;
- 2-я - стабильный рост трещины;
- 3-я - ускоренный рост трещины и полное разрушение.
Проявление данных стадий обычно более или менее
заметно в зависимости от выбранных методов исследования. Наименее изученным и однозначным до настоящего времени является процесс зарождения трещины, что в
большой степени связано с трудностями экспериментального наблюдения данной стадии. Тем не менее признаются три основных механизма зарождения КРН:
- на поверхностных дефектах;
- на питтингах коррозионного происхождения;
- путем межкристаллитной коррозии или растворения на плоскостях скольжения.
Поверхностные дефекты, как правило, являются результатом процесса обработки или эксплуатации и включают царапины, подрезы, плены, заусенцы, грат и др. Холодный наклеп поверхности, сопутствующий появлению дефекта при механическом воздействии, способствует проявлению КРН.
При приложении постоянной нагрузки к образцам без предварительно нанесенных надрезов фиксируется время до полного разрушения в данной среде. Как показано на диаграмме (рис. 1а), по мере снижения приложенного напряжения время до полного разрушения резко увеличивается. Общее время до разрушения состоит из времени необходимого для зарождения трещины (инкубационного периода) tin и времени развития трещины t Пороговое напряжение oth определяется как максимальное напряжение, при котором в данной среде разрушения не происходит. Данный подход использован при реализации теста на одноосное растяжение цилиндрического образца (метод А) по стандарту NACE0177 [2], нашедшего широкое применение при квалификации материалов для использования в кислых средах. Проведение данных экспериментов позволяет определить уровень напряжений, при которых можно избежать разрушения, установить период инспекционного обследования объектов, а также определить влияние металлургических факторов и изменения параметров среды на проявление и развитие трещин. Следует отметить, что продолжительность инкубационного периода определяется многими факторами, включая состояние поверхности, наличие на которой тре-щинообразных дефектов значительно сокращает время зарождения коррозионных трещин.
При испытаниях образцов с предварительно нанесенной трещиной регистрируется скорость распространения трещины dl/dt для данного уровня интенсивности напряжений в ее вершине, задаваемая постоянной нагрузкой или фиксированным раскрытием трещины (рис. 16). Расчет коэффициента интенсивности напряжений ведется на основании известных соотношений для данного типа образцов, длины трещины в текущий момент и приложенной (создаваемой) нагрузки. Важно, что ниже порогового значения интенсивности напряжений KISCC, трещины не имеют тенденции к росту. Это пороговое значение определяется не только природой материала, но также характеристиками среды и такими свойствами материала, как фазовый состав, структура, наличие примесей, количество и морфология неметаллических включений. Кроме того, данное значение можно считать минимальным значением напряжения, необходимым для синергетического взаимодействия со средой. Данный подход реализован в виде испытания материалов по методу D стандарта NACE0177 [2] и в последнее время находит все большее применение.
На первой стадии с низким уровнем напряжений в вершине трещины скорость ее распространения
увеличивается достаточно быстро с ростом коэффициента интенсивности напряжений. На промежуточной стадии скорость распространения трещины может рассматриваться близкой к постоянной и практически слабо зависящей от механической движущей силы. Данная скорость Ууст является характеристикой комбинации «среда-материал» и определяется (лимитируется) скоростью процессов взаимодействия со средой, таких как скорость массопереноса в области вершины трещины. На завершающей третьей стадии скорость роста превышает скорость установившейся стадии, а коэффициент интенсивности напряжений приближается к критическому значению К1С для инертной среды.
Распространение трещины становится возможным в результате определенной последовательности процессов, развивающихся в вершине трещины независимо от доминирующего коррозионного механизма - анодного или катодного. Анодный механизм предполагает ускоренное растворение атомов металла в вершине трещины, в то время как катодный механизм предусматривает образование водорода, его абсорбцию, диффузию и, как следствие, охрупчивание материала. При одинаковой активности негативное влияние водорода на вязкость разрушения с увеличением прочностных характеристик стали возрастает. В сталях с пределом текучести выше 1000 МПа достаточно небольшой активности водорода, который поглощается при коррозии в свободных от присутствия кислорода слабокислых растворах, чтобы произошло заметное снижение вязкости. Более того, говоря о большой роли локализации водорода в объеме металла для развития разрушения, связанного с водородом, следует иметь в виду склонность водорода образовывать скопления у границ зерен, включений, пор, областей с повышенной плотностью дислокаций и растворенных атомов. В связи с этим водородное разрушение контролируется местами локального скопления водорода, которые в определенных условиях являются более чувствительными к разрушению.
Основными параметрами водной среды, определяющими скорость распространения трещин, являются температура, давление, растворенные вещества и их концентрации, рН, электрохимический потенциал, вязкость, наличие циркуляции и перемешивания. Наряду с
параметрами среды на скорость развития трещин в общем случае оказывают влияние:
- величина приложенных напряжений и коэффициент их интенсивности;
- напряженное и деформированное состояние, включая плоское напряженное и плоское деформированное состояния;
- способ нагружения в вершине трещины (растяжение, кручение);
- состав сплава, имея в виду его номинальный (марочный) состав и фактическое содержание легирующих элементов, примесей и сопутствующих элементов;
- металлургические характеристики, включая уровень прочностных свойств, наличие вторых фаз в матрице и на границах зерен, состав этих фаз, размер зерна, наличие зернограничных сегрегаций, уровень остаточных напряжений, распределение и плотность дислокаций и др.;
- характеристики состояния поверхности, включая наличие поверхностных дефектов и глубину концентраторов.
Вид характерной коррозионной трещины, возникающей на поверхности образца трубной стали в результате воздействия напряжения и модельной среды, насыщенной сероводородом, приведен на рис. 2. Очевидно, что данная трещина имела тенденцию к постоянному росту, о чем свидетельствует острая вершина, а ее полость заполнена продуктами коррозии, которые, по данным микрорентге-носпектрального анализа, представляют собой сульфид железа. Проведенные систематические исследования показали, что в продольном сечении цилиндрических образцов, успешно выстоявших в модельной среде под напряжением без разрушения в течение 720 часов, подобные трещины не наблюдаются. Однако следы локальной коррозии на поверхности присутствуют, не превращаясь в зародышевые трещины. Если напряжение превышает пороговое значение, это приводит к формированию трещин, способных к росту, на всей рабочей поверхности. Способность сопротивляться формированию таких трещин определяется особенностями микроструктуры стали, которая для достижения целевых свойств формируется и контролируется особыми методами. Необходимо отметить, что скорость общей коррозии материала при стандартных испытаниях в среде NACE [1, 2] не может рассматриваться как структурно чувствительное свойство.
Рис. 1. Схемы процесса разрушения в координатах: а - напряжение - логарифм времени до разрушения; б - коэффициент интенсивности напряжений - логарифм скорости роста трещины [3]
а б
Время до азрушения
Время до ■зарождения
1 2 3
V уст
<ср = 11 + 12 +t3
а
3ppi
Напряжение
Пороговое значение Вязкость разрушения для КРН (^ (у
Коэффициент интенсивности напряжений, МПа м1/2
Рис. 2. Коррозионная трещина в сечении образца трубной стали, возникшая в результате воздействия растягивающего напряжения и модельной среды (NACE), насыщенной сероводородом. Образец разрушился в процессе испытания
Таблица 1
Механические свойства насосно-компрессорных труб и муфт в сероводородостойком исполнении [8]
Наименование показателей Значение показателя при групппе прочности стали
(L80) I (С90) I Л(Е95) 1 М (З110)
Временнон сопротивление ов, Н/мм2, не менее (655) 690 758 (724) 823 (862)
Предел текучести от, Н/мм2
не менее (552) (621) 655 (655) 724 (758)
не более (655) (724) 862 (758) 921 (965)
Относительное удлинение 5, %, не менее 12,0 11,0
Ударная вязкость KCV при 0°С, Дж/см2, не менее
на продольных образцах* 50 60
на поперечных образцах 30 40
Твердость HRC, не более 22,0 24,0 25,0 30,0
Твердость после закалки HRC, не менее 58*(%С™)** + 27
* Испытания на продольных образцах проводятся в случае невозможности
изготовления поперечных образцов.
** Минимальная марочная массовая доля углерода.
Примечание: В скобках указаны группы прочности в соответствии с
требованиями ISO 11960:2004 [1]
Таблица 2
Требования к чистоте по неметаллическим включениям сталей для изготовления насосно-компрессорных труб и муфт в сероводородостойком исполнении [8]
Вид неметаллических включений
Оксиды точечные Оксиды строчечные Силикаты пластичные Силикаты хрупкие Силикаты недеформи-рующиеся Сульфиды
Загрязнен-ность, балл 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,0
Таблица 3
Значения коэффициентов пороговых напряжений при испытаниях изделий на стойкость к СРН [8]
Коэффициент порогового напряжения, %, не менее
Группа прочности Тип исполнения Образец полного размера, диаметр рабочей части 6,35 мм Образец малого размера, диаметр рабочей части 3,81 мм
L80; С90; Т95 S* 85 77
L80; С90; Т95 SS** 90 81
P110 S 80 72
P110 SS 85 77
* Для эксплуатации в скажинах, парциональное давление сероводорода в которых не превышает 1,5 МПа. ** Для эксплуатации в скажинах, парциональное давление сероводорода в которых свыше 1,5 МПа.
Таким образом, в настоящее время сложились устойчивые представления о существе явления в сталях различного назначения, включая трубные. Соответственно к настоящему времени в международных, национальных и корпоративных стандартах сформулированы основные требования к трубам, стойким к воздействию сероводород-содержащих (кислых) сред [4-7] применительно к трубам из сталей с относительно невысоким содержанием легирующих элементов групп прочности С90, Т95 и С110 (минимальные пределы текучести 621, 655 и 758 МПа соответственно). Основные из них можно сформулировать следующим образом. Для изготовления должна применяться высококачественная мелкозернистая сталь с низким содержанием примесей и минимальным уровнем загрязнений по всем видам неметаллических включений. Это стало возможным в результате внедрения в практику массового производства трубной промышленностью современных средств выплавки и внепечной обработки, позволивших, например, снизить фактическое содержание серы в стали, ответственной за формирование сульфидов, до уровня 0,002% масс. при признанной международным стандартом 1Б011960 норме не более 0,005% масс. Типичные требования к свойствам, предельной загрязненности стали труб для кислых сред неметаллическими включениями и другие ключевые параметры приведены в табл. 1-3 [8].
Отдельного внимания заслуживают пределы содержания основных легирующих элементов и микроструктурных аспектов труб данных групп прочности. Традиционно нормируют ряд взаимно связанных параметров. Это минимальное количество мартенсита на полную толщину стенки непосредственно после закалки, которое должно составлять не менее 90%, а в наиболее ответственных случаях - 95% в структуре. Как правило, для остальных групп прочности данное требование значительно ниже и составляет 50%. Известно, что структура отпущенного мартенсита обладает лучшим сочетанием прочности и хладостойко-сти, чем отпущенный на ту же твердость (прочность) бейнит. Традиционные объяснения такого влияния характеристик микроструктуры относят к более дисперсному строению мартенсита в сравнении с бейнитом, что, кроме отличия в морфологии карбидной фазы, обеспечивает более однородную и мелкую
Рис. 3. Относительное снижение пластичности хром-молибден-ванадиевой стали после наводораживания в модельной сероводородсодержащей среде в зависимости от среднего значения предела текучести и типа микроструктуры
40
35 -
30 -
25 20 15
10 -
5 -
0 -I
У = 2,835е0'003х •
• /о
• во о/ ^^ О У = 1,631е0'003х
о
о
Рис. 4. Стойкость к СРН сталей семейства 26ХМФА с повышенным содержанием Мо (пороговое напряжение составляло 80% от предела текучести)
0,85
0,75 -
0,65 -
§ 3 0,55 -
0,45
/
О •
• /
Повышенная /
стойкость к СРН / / Пониженная стойкость
• к СРН
850
600 650 700 750 800
Предел текучести после термоулучшения, МПа О- материал выдержал испытания; ®- материал не выдержал испытания
550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 Среднее значение предела текучести материала (без выдержки и после выдержки в модельной среде), МПа
О- мартенсит (закалка в воду);® - верхний и нижний бейнит, мартенсит (закалка в минеральное масло)
микроструктуру в конечном состоянии. Аналогичная закономерность проявляется в способности близких по виду, но отличающихся по морфологии структур в высокоотпу-щенном состоянии противостоять охрупчиванию под действием водорода.
Проведенные экспресс - оценки степени относительного снижения пластичности после наводораживания в течение 96 часов в растворе А по стандарту ЫАСЕ0177, периодически продуваемом сероводородом, наглядно демонстрируют связь данного параметра с типом структуры, формирующейся в процессе закалки. Для эксперимента была взята сталь марки 26ХМФА, легированная (%масс.) молибденом-0,17, хромом-0,97, У-0,05 при содержании углерода 0,25 %масс. Относительно невысокое содержание элементов, определяющих прокали-ваемость, обеспечило заметную зависимость твердости образцов после закалки в воду, соответствующей преимущественно мартенситной микроструктуре, и в масло - соответствующей преимущественно бейнитной микроструктуре. Образцы в этих исходных состояниях были отпущены при различных температурах для достижения различных уровней прочности. После этого половина их них была помещена в указанный выше раствор с целью наводораживания, а непосредственно после выдержки была подвергнута испытаниям на растяжение. Относительное снижение пластичности определяли по формуле:
Ру = (¥0 - ¥н) / ¥0 х 100%,
где - величина относительного сужения без выдержки в модельной сероводородсодержащей среде, %; - величина относительного сужения после выдержки в модельной сероводородсодержащей среде, %.
Рассчитанное таким образом снижение пластичности исследованной стали в зависимости от среднего значения предела текучести материала приведено на рис. 3. Хотя наблюдаемое изменение нельзя отнести непосредственно к коррозионному растрескиванию под напряжением, его можно интерпретировать как степень чувствительности стали к наводораживанию в зависимости от типа микроструктуры и сопротивления деформации. Несмотря на отличающийся механизм разрушения в данном случае от СРН, очевидна более сильная зависимость данного параметра для менее дисперсной исходной структуры. Вторым очевидным фактом является заметное нарастание влияния наводораживания на относительное снижение пластичности при повышении предела текучести, что особенно важно с точки зрения поиска путей решения задачи создания высокопрочных труб, стойких к воздействию сероводорода.
Анализ литературных данных и проведенные исследования показали, что формирование однородной структуры отпущенного мартенсита при термообработке является необходимым, но недостаточным условием обеспечения стойкости к СРН высокопрочной стали. Поскольку данное свойство является, безусловно, структурно чувствительным, особое внимание должно уделяться формированию конечной структуры. Неслучайно что требования признанных международных стандартов на насо-сно-компрессорные и обсадные трубы в сероводородо-стойком исполнении касаются процедуры отпуска, теплой правки и других операций, определяющих тонкую микроструктуру стали [4, 5]. Фактически это означает необходимость обеспечения заданного уровня прочностных характеристик в состоянии после закалки и отпуска при максимально допустимой температуре. Строго говоря, известные нормативные документы определяют минимальную температуру отпуска и теплой правки, а в практике производства используются температуры с существенным запасом выше указанного минимума. При этом верхняя температурная граница определяется двумя
Таблица 4
Опыт ПАО «Синарский трубный завод» поставок труб в сероводородостойком исполнении
Вид труб и НД Сортамент Группа прочности Объем поставок, т
Обсадные по API 5CT и ГОСТ Р 53366 139,7x10,54 С 90 тип 1 284,4 1597,9 109,9 957,2 2949,4
168,28x8,94 (10,59; 12,06) Т 95 тип 1 538,5 906,3 49,2 1494
С 110 342,7 168,2 510,9
Насосно-компрессорные по API 5CT и ГОСТ Р 53366 73,02x5,51 С 90 тип 1 2214,8 3772,2 3254,6 3037,3 12279
(7,01) 88,9x6,45 (9,52) Т 95 тип 1 324,2 2030,8 2355
обстоятельствами. Это, во-первых, критическая температура начала образования аустенита и во-вторых температура, при которой разупрочнение стали заданного состава может вывести предел текучести ниже минимального значения для заданной группы прочности.
С практической точки зрения это означает выбор состава стали со строго регламентированным содержанием элементов, определяющих ход структурных превращений при отпуске. По известным подходам к легированию среднеуглеродистых хром-молибденовых сталей для сероводородостойких труб нефтяного сортамента молибден рассматривается в качестве такого элемента. Это связано с его специальными характеристиками, определяющими как очень сильное влияние на прокалива-емость, что благоприятно с точки зрения необходимости формирования мартенситной микроструктуры при закалке, так и существенное замедление коагуляции карбидов цементитного типа при высоком отпуске, что определяет более плавное, чем в безмолибденистой стали разупрочнение и соответственно, возможность сохранить заданную прочность при предельных температурах отпуска вблизи 700 °С.
На рис. 4 приведено обобщение результатов серии лабораторных исследований влияния содержания молибдена на закономерности формирования структуры и свойств, включая испытания на стойкость к СРН по 1ЧЛСЕ0177, метод А сталей семейства 26ХМФА с различным содержанием молибдена. Видно, что при соблюдении прочих условий для достижения необходимого сопротивления растрескиванию стали группы прочности Т95 (минимальный предел текучести 655 МПа) в среде, насыщенной сероводородом, целесообразно легирование стали молибденом в количестве от 0,45 до 0,60 %масс. Очевидно, что обеспечение требуемых свойств в пределах каждой группы прочности для обеспечения оптимальных служебных технологических свойств целесообразно нормирование содержания данного элемента в определенном диапазоне в отличие от стандартного [4-6] подхода с определением верхней границы содержания молибдена, например в 0,85 %масс. В результате длительной отработки
данного подхода в лабораторных и промышленных условиях в рамках программы научно-технического сотрудничества ПАО «Газпром» и ПАО «Трубная металлургическая компания» (ТМК) были определены оптимальные составы стали для производства насосно-компрессор-ных и обсадных труб групп прочности С90, Т95, С110 с различным уровнем требований к стойкости к растрескиванию в средах, насыщенных сероводородом. Данные по динамике освоения производства таких труб на одном из заводов ТМК с целью эффективного импортозамещения приведены в табл. 4.
Результатом научно-технического сотрудничества ПАО «Газпром» и ПАО «ТМК» явилась разработка технических условий на высокопрочные обсадные и насосно-компрес-сорные трубы в сероводородостойком исполнении: ТУ 14-3Р-138-2014 «Трубы стальные бесшовные насосно-ком-прессорные и муфты к ним группы прочности С90 в сероводородостойком исполнении для месторождений ПАО «Газпром» и 14-3Р-140-2014 «Трубы стальные бесшовные обсадные и муфты к ним группы прочности Т95 в серо-водородостойком исполнении для месторождений ПАО «Газпром». В данных нормативных документах с одной стороны закреплены практические результаты, достигнутые за последние годы в области разработки химических составов трубных сталей, технологии производства труб нефтегазового сортамента, с другой стороны - отражены технологические возможности заводов, входящих в ПАО «ТМК», появившиеся в результате проведенной глобальной технической модернизации трубопрокатного производства. Упомянутые выше технические условия опираются на требования, изложенные в соответствующих международных и национальных стандартах [4-6], а также в корпоративных стандартах ПАО «Газпром» [7, 8] и полностью соответствуют им. Однако в отличие от данных стандартов в разработанных технических условиях прописаны более узкие интервалы химических составов сталей и уточнены температурные параметры операций термической обработки труб, что позволяет стабильно получать требуемые эксплуатационные свойства продукции, в том числе одно из ключевых - стойкость к СРН.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. NACETM0284-2003 Стандартный метод испытаний. Оценка сталей для трубопроводов и сосудов высокого давления на стойкость к водородному растрескиванию. NACEInternational, 2003. 13 с.
2. NACETM0177-2005 Стандартный метод испытаний. Лабораторные испытания металлов на сопротивление сульфидному растрескиванию под напряжением и коррозионному растрескиванию под напряжением в H2S содержащих средах. NACEInternational, 2005. 39 с.
3. ASM Handbook V13A. Corrosion: Fundamentals, Testing and Protection. ASM International. Ohio, 2003. - 2597 p.
4. Стандарт ISO 11960 Нефтяная и газовая промышленность - трубы стальные, применяемые в качестве обсадных или насосно-компрессорных труб для скважин. 4-е изд. Международная организация по стандартизации, 2011. 269 с.
5. Стандарт API Spec 5CT Обсадные и насосно-компрессорные трубы. Технические условия. 9-е изд. -Американский нефтяной институт, 2011. 287 с.
6. ГОСТ Р 53366-2009 Трубы стальные, применяемые в качестве обсадных или насосно-компрессорных труб для скважин в нефтяной и газовой промышленности. Общие технические условия. М.: Стандартинформ, 2010. - 190 с.
7. СТО Газпром 2-4.1-158-2007 Технические требования к обсадным трубам для месторождений ОАО «Газпром». М.: ООО «Информационно-рекламный центр газовой промышленности», 2007. 23 с.
8. СТО Газпром 2-4.1-228-2008 Технические требования к насосно-компрессорным трубам для месторождений ОАО «Газпром». М.: ООО «Информационно-рекламный центр газовой промышленности», 2008. 32 с.
DEVELOPMENT OF DOMESTIC HIGH-STRENGTH OIL COUNTRY TUBULAR GOODS RESISTANT IN ENVIRONMENTS CONTAINING HYDROGEN SULFIDE
YEREKHINSKIY B.A., Cand. Sci. (Tech.), Chief Technologist CHERNUKHIN V.I., Cand. Sci. (Tech.), Chief Technologist ARABEY A.B., Cand. Sci. (Tech.), Head of Department PJSC Gazprom (16, Nametkina St., 117997, Moscow, Russia). PYSHMINTSEV I.YU., General Director VESELOV I.N., Branch Manager
RosNITI JSC (30, Novorossiiskay St., 454139, Chelyabinsk, Russia). SHIRYAEV A.G., General Director
PJSC TMK (40/2a, Pokrovka St., 105062, Moscow, Russia). ABSTRACT
The article describesgeneral laws of steel corrosion cracking, which has a decisive influence on the possibility of high-strength pipes use for the hydrocarbons production at high concentrations of hydrogen sulfide. The measures are proposedthat provide resistance to cracking of steel with yield strength of at least 620 MPa in the aqueous solution saturated with hydrogen sulfide. The article showsthe influence of chemical composition, heat treatment and microstructures parameters on the possibility of achieving high threshold stresses in the low-alloy steels. Basic Gazprom standards requirements to sour resistantcasing and tubing pipes' metal are given. The article also describesmastering of such products manufacturing in the framework of scientific and technical cooperation program between PJSC «Gazprom» and PJSC «TMK».
Keywords: sulfide corrosion cracking, high-strength pipes steel, rational alloying, technical requirements, heat treatment, microstructure.
REFERENCES
1 NACETM0284-2003 Standartnyj metod ispytanij. Ocenka stalej dlya truboprovodov isosudov vysokogo davleniya na stojkost' k vodorodnomu rastreskivaniyu [Standard Test Method. Evaluation of steel for pipes and pressure vessels for resistance to hydrogen induced cracking]. NACEInternational, 2003. 13 p.
2. NACETM0177-2005 Standartnyj metod ispytanij. Laboratornye ispytaniya metallov na soprotivlenie sul'fidnomu rastreskivaniyu pod napryazheniem i korrozionnomu rastreskivaniyu pod napryazheniem v H2S soderzhashchih sredah [Standard Test Method. Laboratory tests on metal resistance to sulfide stress cracking and stress corrosion cracking in media containing H2S]. NACEInternational, 2005. 39 p.
3. ASM Handbook V13A. Corrosion: Fundamentals, Testing and Protection. Ohio, ASM International Publ., 2003. 2597 p.
4. Standart ISO 11960 Neftyanaya i gazovaya promyshlennost' - trubystal'nye, primenyaemye v kachestve obsadnyh ili nasosno-kompressornyh trub dlya skvazhin. CHetvertoe izd. - Mezhdunarodnaya organizaciya po standartizacii [The ISO 11960 Petroleum and natural gas industries - Steel pipe used as casing or tubing for wells. Fourth ed. -International Organization for Standardization]. 2011. 269 p.
5. Standart API Spec 5CT Obsadnye i nasosno-kompressornye truby. Tekhnicheskie usloviya. Devyatoe izd. [Standard API Spec 5CT Casing and tubing. Specifications. Ninth edition]. 2011. 287 p.
6. GOST R 53366-2009 Truby stal'nye, primenyaemye v kachestve obsadnyh ili nasosno-kompressornyh trub dlya skvazhin v neftyanoj i gazovojpromyshlennosti. Obshchie tekhnicheskie usloviya [GOST R 53366-2009 steel pipe used as casing or tubing for wells in the oil and gas industry. General specifications]. Moscow, Standartinform Publ., 2010. 190 p.
7. STO Gazprom 2-4.1-158-2007 Tekhnicheskie trebovaniya k obsadnym trubam dlya mestorozhdenij OAO «Gazprom» [STO Gazprom 2-4.1-158-2007 Technical requirements for the casing for deposits of OAO «Gazprom»]. Moscow, OOO «Informacionno-reklamnyj centr gazovoj promyshlennosti» Publ., 2007. 23 p.
8. STO Gazprom 2-4.1-228-2008 Tekhnicheskie trebovaniya k nasosno-kompressornym trubam dlya mestorozhdenij OAO «Gazprom» [STO Gazprom 2-4.1-228-2008 Specifications for the tubing to OAO «Gazprom» fields]. Moscow, OOO «Informacionno-reklamnyj centr gazovoj promyshlennosti» Publ., 2008. 32 p.
