CC BY
75
е
58
5/Н (73) октябрь 2008 г. ЭКСПОЗИЦИЯ
Титан расширяет сферы применения. Первый и основной потребитель титана - это авиация. Военная авиатехника широко использует титан, который рассматривается как стратегический материал. Однако сегодня отмечается положительная тенденция по расширению применения сплавов на основе титана в гражданских отраслях промышленности, таких как атомная и тепловая энергетика, шельфовая нефтедобыча и др. Сегодня предъявляются более жесткие требования к безопасности гражданских объектов. Федеральные целевые программы предусматривают интенсивное развитие топливно-энергетического комплекса - предприятий по нефтедобыче, объектов использования атомной энергии. Поэтому очень важно при формировании программ освоения бюджетных средств в полной мере учесть существующий мировой и отечественный опыт в части конструктивных разработок и выборе современных конструкционных материалов.
СОВРЕМЕННЫЕ И ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПРИМЕНЕНИЯ ТИТАНА И ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
В РОССИИ ЕДИНСТВЕННЫМ ПРОИЗВОДИТЕЛЕМ ГУБЧАТОГО ТИТАНА И ТИТАНОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ЯВЛЯЕТСЯ КОРПОРАЦИЯ «ВСМПО-АВИСМА». ЭТО КРУПНЕЙШАЯ В МИРЕ ТИТАНОВАЯ КОМПАНИЯ
Ю. ШАШКОВА начальник Управления продаж в машиностроении ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА».
г. Верхняя Салда
КАКОЙ материал НАИБОЛЕЕ ЭФФЕКТИВЕН ДЛЯ НЕФТЕПРОМЫСЛОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ?
Российские нефтяники активно осваивают нефтедобычу на морских шельфах. Это проекты на Каспии, «Сахалин - 1», «Сахалин - 4,5». Отдельно стоит отметить строительство (а более точно - переоснащение) плавучей буровой станции для месторождения «Приразломное».
Ведутся работы по строительству станции для Обской губы, проектные работы по МЛСП для Штокмановского месторождения. Дальнейшие прогнозы по шельфовой добыче также достаточно оптимистичны.
Условия эксплуатации нефтепромыслового оборудования достаточно жесткие: высокая степень минерализации пластовой воды, наличие в рабочих средах сероводорода и углекислого газа, наличие аэробных и анаэробных (особенно ►
MODERN AND PERSPECTIVE APPLICATION AREAS OF TITANIUM AND TITANIUM ALLOYS
The only producer of sponge titanium and titanium products in Russia is VSMPO-AVISMA Corporation. It is the world largest titanium company.
Titanium is Expanding Application Areas
The first and the major titanium consumer is aviation. Titanium, which is considered as a strategic material, is widely used in military aircraft engineering. However today a positive trend is noted in
Стенд Корпорации «ВСМПО-АВИСМА» на Ганноверской ярмарке, Германия, 2007 год Stand of VSMPO-AVIASMA Corporation at Hanover Fair, Germany, 2007
Ф
ЭКСПОЗИЦИЯ 5/Н (73) октябрь 2008 г.
expanding the titanium based alloy application In commercial industries such as nuclear and thermal power, offshore industry, etc. Today stricter requirements are specified for safety of civil objects.
Federal target programs provide for intensive development of fuel-and-power sector - oil production facilities and nuclear energy users. Thus it's very important to consider the existing global and national experience with regard to design study and selection of modern structural materials to the full extent when creating budgetary fund development programs.
What Material is the Most Efficient for Oil Field Equipment?
Russian oil-well experts are actively developing offshore industry. This work includes the Caspian Sea projects, «Sakhalin - 1», «Sakhalin - 4.5». Construction (and to be more precise - reequipment) of the floating drilling station for the «Prirazlomno-ye» deposit shall be specially noted.
Work is performed on the station construction for the Gulf of Ob, design work on off-shore ice-resistant platform for the Shtockman deposit. Further forecasts for offshore industry are quite optimistic.
Oil-field equipment operation conditions are quite severe: high salinity level of produced water, presence of sulphurated hydrogen and carbon dioxide in operating environments, presence of aerobic and anaerobic (especially sulfide forming) components in the output and environment, elevated temperatures and high pressure of the operating environments, low atmosphere temperatures of down to minus 40-50C, possibility of salt and paraffin wax type deposits on the surfaces, presence of abrasive components in the transported products.
In this connection development of the major design and construction principles for offshore rigs and material selection is today the fundamental issue for both Russian design companies and engineering companies. And the experience of foreign companies will be of great support in this issue.
And What About Them?
The most extensive experience in applying titanium alloys in offshore industry has been accumulated in Norway and Great Britain. Experience of applying alloyed stainless steels in offshore industry in the North Sea (Norse and Britain sector) has been gained for more than 30 years.
The first experience in applying titanium alloys at the Norse floating well rigs refers to 1986, when Mobil Exploration Norway Inc. decided to use titanium instead of steel in the ballast water system of the Statfjord A platform (Norway). The operating life was 5.5 years. In the following years the similar replacement was completed for the Statfjord-B and Statfjord-C platforms after 3-4 years of the steel structure operation.
The Heidran and Troll platforms commissioned in 1994-1995, contain 300 and 400 tons of titanium correspondingly. The Troll platform design life is 70 years. This choice shows that finally the acceptable balance between the operation life of platforms (deposits) and equipment for these platforms was achieved.
Deeper and Deeper
Most companies forecast achievement of the oil production depth level of up to 2.5 km by 2010! As such deep see offshore systems are created the necessity for titanium alloy application in manufacture of subsea equipment is growing. There are several reasons for it:
• A number of subsea equipment components require the use of alloys with high ultimate strength and low elasticity modulus;
• Weight saving of equipment at the platform is required. According to the Shell Oil Company, weight reduction of the subsea equipment by 1 ton allows the reduction of the support equipment weight by 3 tons;
• Titanium and its alloys are of high reliability including high corrosion resistance in sea water and in operating environments in the course of oil production.
Сепаратор. Материал - титан Separator. Material - Titanium
сульфидообразующих) составляющих в продуктах добычи и окружающей среде, повышенные температуры и высокое давление рабочих сред, пониженные температуры атмосферы до минус 40-500С, возможность солевых и парафиноообраз-ных отложений на поверхностях, наличие абразивных компонентов в транспортируемых продуктах.
В связи с этим разработка основных принципов проектирования и строительства морских установок, выбора материалов является сегодня основополагающим вопросом как для проектных российских организаций, так и для машиностроительных. И в этом вопросе большую помощь окажет опыт зарубежных фирм.
А КАК У НИХ?
Наибольший опыт применения титановых сплавов в оффшорной промышленности накоплен в Норвегии и Великобритании. Более 30 лет опыту применения легированных нержавеющих сталей в оффшорной промышленности в Северном море (Норвежский и Британский секторы).
Первый опыт применения на норвежских ПБУ титановых сплавов относится к 1986 году, когда фирма Mobil Exploration Norway Inc. решила использовать титан взамен стали в системе балластной воды платформы Statfjord A (Норвегия). Срок эксплуатации составил 5,5 лет. В последующие годы аналогичная замена выполнена для платформы Statfjord-B и Statfjord-C после 3-4 лет эксплуатации стальных конструкций.
На введенных в эксплуатацию в 1994-1995 гг. платформах Heidran и Troll используется 300 и 400 тонн титана соответственно. Расчетный срок эксплуатации платформы Troll составляет 70 лет. Этот выбор указывает на то что, наконец-то, может быть установлено приемлемое соотношение между сроком эксплуатации платформ (месторождения) и сроком эксплуатации оборудования этих платформ.
ВСЁ ГЛУБЖЕ И ГЛУБЖЕ
Большинство компаний предсказывает достижение к 2010 году уровня глубин, где будет вестись нефтедобыча, до 2,5 км! По мере создания таких глубоководных ►
Щ Тип 1 (Type) Назначение трубопровода (Pipeline Use) Материал (Material) Российский эквивалент (Russian Equivalent)
Система забортной воды (Sea water system) Хранение нефти (Oil storage) Все трубопроводы (All pipelines) Забортная вода Отгрузка нефти (Sea water Oil shipment) Титан сорт 2 (Titanium Grade 2) Титан сорт 2 Углер. сталь +3мм на коррозию (Titanium Grade 2 Carbon steel +3 mm for corrosion) Титан Вт 1-0 (Titanium Vt1-0) Титан Вт 1-0 09Г2С (Titanium Vt 1-0 09G2S)
Обработка пластовой воды (Produced water treatment) До гидроциклонов (Before the hydraulic cyclones) Углер. сталь +6мм на коррозию (Carbon steel +6 mm for corrosion) 09Г2С (09G2S)
Система противопожарного водоснабжения (Fire water supply system) Все трубопроводы (All pipelines) Титан сорт 2 (Titanium Grade 2) Титан Вт 1-0 (Titanium Vt 1-0)
Табл.1 Материалы для трубопроводов (рекомендации KBR для Приразломной) Table 1. Materials for Pipelines (RBR recommendations for Prirazlomnaya)
5/Н (73) октябрь 2008 г. ЭКСПОЗИЦИЯ
систем морской нефтедобычи резко возрастает необходимость применения титановых сплавов для изготовления подводного оборудования. Причин этому несколько:
• Ряд элементов подводного оборудования
требует использования сплавов с высокой удельной прочностью и малым модулем упругости.
• Требуется экономия массы оборудования на платформе. По данным компании Shell Oil, снижение массы подводного оборудования на 1 тонну позволяет уменьшить массу опорного оборудования на 3 тонны.
• Титан и его сплавы обладают высокой надежностью, в том числе и высокой коррозионной стойкостью в морской воде и в рабочих средах при нефтедобыче.
По мнению ведущих фирм, в глубоководной нефтедобыче титан и его сплавы должны стать одним из основных конструкционных материалов.
В СТОЙКОСТИ К КОРРОЗИИ ТИТАНУ НЕТ РАВНЫХ
Большой интерес представляют результаты исследований по коррозионной устойчивости различных материалов, полученные ведущим материаловедческим институтом Японии «КОБЭ СТИЛ, ЛТД».
Если сравнить скорость эрозионной коррозии медных сплавов и титана в морской воде с содержанием песка, то обнаружится, что скорость коррозии титана ничтожна мала.
Исключительно высока коррозионная стойкость титана даже в сильно загрязненной морской воде. Поверхности титана не подвержены коррозии и эрозии в тех условиях, которые вызывают быстрое разрушение других металлов и сплавов. Титан стоек к щелевой коррозии в морской воде при температурах до 800С, в то время как для некоторых нержавеющих сталей пределом является 100С.
Для нефтегазодобывающих систем континентального шельфа особо стоит отметить уникальную стойкость титана к разрушению в среде сероводорода, который в
той или инои концентрации всегда присутствует в смеси нефтегазовых продуктов, получаемых из пласта.
Также следует отметить исключительную стойкость титановых сплавов в повышенных концентрациях хлор-иона (а в пластовой воде концентрация данного реагента в два раза выше, чем в забортной морской воде).
Все эти вопросы необходимо учитывать при разработке конструкторской документации и выдаче требований к применяемым материалам.
Для примера в таблице 1 приведены рекомендации проектной организации КВР в задании, выданном для реконструкции платформы «НиТТОЫ» для МЛСП «При-разломная». Анализируя эти рекомендации, нельзя не обратить внимания, что на стальных трубопроводах закладывается припуск на коррозию в размере 6 мм на сторону. Если учесть разницу в удельном весе титана и стали, то обнаружится, что масса 1 п.м. трубы на Ду200 из титана составит 12,2 кг, а из стали 09Г2С - 51,78 кг
Отсюда краткий вывод: титан не требует припуска на коррозию, поэтому оборудование может быть спроектировано так, чтобы удовлетворялись минимальные требования к механической прочности и к возможности манипулирования им. Выбор с самого начала титана в сочетании с рациональным проектированием, изготовлением, монтажом и эксплуатацией служит предпосылкой для безопасной и надежной работы оборудования. Это касается как судов, так и морских платформ с плановыми сроками службы до 70 лет. ■
624760, Свердловская обл., г. Верхняя Салда, ул. Парковая, 1 т/ф.: (34345) 21795 shashkova@vsmpo.ru
According to the leading companies titanium and its alloys shall become one of the major structural materials in deep see oil production.
Titanium Has no Equal in Corrosion Resistance
Results of the corrosion resistance study of different materials, obtained by the leading physicometa-llurgical institute of Japan «COBE STEEL LTD» are of great interest.
If one compares the erosion corrosion rate of copper alloys and titanium in sea water with sand content it will be discovered that titanium corrosion rate is negligibly small.
Titanium corrosion resistance is extremely high even in heavily contaminated sea water. Titanium surfaces are not corrodible or erodible in the conditions which cause short life of other metals and alloys. Titanium is resistant to crevice corrosion in sea water at the temperatures of up to 800C, while the limit for some stainless steels is 100C.
For oil-and-gas offshore systems the unique titanium strength in the environment of sulphurated hydrogen which in a varying concentration is always present in the mixture of oil and gas products obtained from the bed.
One shall also mention the exceptional resistance of titanium alloys in elevated chlorine ion concentrations (and in produced water concentration of this reagent is twice as high as in the outside sea water).
All these issues shall be taken into account when developing design documentation and issuing requirements for the applied materials.
As an example Table 1 contains recommendations of the design company KBR in the assignment issued for the HUTTON platform reconstruction for the off-shore ice-resistant platform «Prirazlomna-ya». When analyzing these recommendations one cannot but note that on steel pipelines the corrosion allowance is 6 mm per side is used. If one considers difference in the specific weight of titanium and steel it is detected, that the weight of 1 running meter of pipe with the nominal diameter of 200 from titanium is 12.2 kg, and from 09G2S steel - 51.78 kg.
Hence the short summary is as follows: titanium requires no corrosion allowance, thus equipment may be designed so that the minimum requirements for mechanical strength and the possibility of its operation are met. Choosing titanium from the very beginning in conjunction with intelligent design, manufacture, assembly and operation is a prerequisite for the safe and reliable equipment operation. This concerns both ships and offshore platforms with the planned operation life of up to 70 years.
Панорама ВСМПО Panorama of VSMPO
