CC BY
59
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.
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 сульфидообразующих) составляющих в продуктах добычи и окружающей среде, повышенные температуры и высокое давление рабочих сред, пониженные температуры атмосферы до -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 фактором 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 сектор).
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 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; ►
Панорама ВСМПО
ЭКСПОЗИЦИЯ 4/Н (69) август 2008 г.
ОБОРУДОВАНИЕ 31
• 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 иной 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 KBR в задании, выданном для реконструкции платформы «HUTTON» для МЛСП «При-разломная». Анализируя эти рекомендации, нельзя не обратить внимание, 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
ПРИЧИНЫ И ПРЕДПОСЫЛКИ ПРИМЕНЕНИЯ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ В АТОМНОМ ЭНЕРГОМАШИНОСТРОЕНИИ
При строительстве и эксплуатации АЭС особое значение имеют вопросы технической и экологической безопасности. Следует учитывать также экономическую эффективность использования блоков АЭС на протяжении всего расчетного ресурса (не менее 60 лет), а также основного электрогенерирующего и теплофикационного оборудования (его ресурс работы должен быть не менее расчетного ресурса реактора).
После ввода в 1989 г. нового комплекса нормативов по безопасности начались масштабные мероприятия по реконструкции основного и вспомогательного оборудования действующих АЭС. Одно из мероприятий предусматривало реконструкцию теплообменного оборудования с применением титановых сплавов - это касается и парогенераторов, и конденсаторов.
Большой опыт применения титановых сплавов накоплен на атомных электроустановках (АЭУ) в отечественном судостроении. Изготовлено около 12 тысяч теплообменных аппаратов и 3 тысячи парогенераторов.
Трубные системы парогенераторов являются ответственнейшей частью транспортных АЭУ. Именно эта часть является самой уязвимой из-за коррозионного растрескивания под воздействием хлоридов и кислорода при применении сталей аусте-нитного класса. Если со стороны первого контура коррозионное растрескивание можно предотвратить применением чистой воды (бидистиллята) и надежной замкнутостью контура, то чистоту от хлоридов и кислорода второго контура, связанного с турбинной установкой, обеспечить очень трудно, тем более в условиях работы на морской воде или сильноминерализованной.
Водный режим второго контура при использовании сталей часто нарушался, несмотря на очистку воды по жестким режимам. Это приводило к течи и нарушению радиационного режима. Кроме того, очень трудно обеспечить герметичность труб из аустенитных сталей второго контура от гелиевых течей в местах сварки. Титановые сплавы, наоборот, принципиально
не склонны к коррозионному растрескиванию при наличии в контуре хлоридов и кислорода.
Это подтверждается и многолетней практикой использования титановых сплавов для строительства подводных лодок и судовых энергетических установок, а также опытом работы титана с 1956 года в составе опреснительных установок.
Титан марки ВТ1-0 (зарубежный аналог Gr2) прекрасно зарекомендовал себя при изготовлении конденсаторов АЭС. Он сочетает в себе высокую коррозионную стойкость с необходимыми физическими и механическими свойствами. Несмотря на большие различия в теплопроводности титана марки Вт1-0 и сплава МНЖ, высокая механическая прочность и коррозионная стойкость позволяют применять в конструкциях минимальные толщины.
Так, сегодня для изготовления конденсаторов на АЭС применяются титановые сварныетрубыстолщинойстенки0,4-0,5мм. Единственным в России производителем таких труб является корпорация «ВСМПО-АВИСМА.» Следует отметить, что высокой коррозионной устойчивостью характеризуется не только основной материал, но и сварные соединения, чего нельзя сказать про аустенитно-ферритные стали.
Еще одно уникальное свойство титана - низкая адгезия. Благодаря этому свойству не происходит образования накипи на поверхности теплообменных трубок и тем самым длительное время сохраняются первоначальные характеристики теплопроводности материала.
Медноникелевые же сплавы склонны к образованию отложений на поверхности. Однако самое опасное в этом случае - в местах отложений развивается точечная и щелевая коррозия с последующим образованием свищей.
При этих видах коррозии процессы износа конструктивных элементов происходят намного быстрее. Когда конструкторы делают теплотехнические расчеты, они вводят поправочный коэффициент, учитывающий образование отложений на тепло-обменных поверхностях.
Основная причина применения титана в конденсаторах - совершенно неудовлетворительная коррозионная стойкость конденсаторных труб, изготавливаемых традиционно из медных и медно-никелевых сплавов или из коррозионностойких сталей аустенитного класса. Особенно низкая коррозионная стойкость наблюдалась при их использовании в качестве охладителя морской воды. ►
Тип Назначение трубопровода Материал Российский эквивалент
Система забортной воды Хранение нефти Все трубопроводы Забортная вода Отгрузка нефти Титан сорт 2 Титан сорт 2 Углер. сталь +3мм на коррозию Титан Вт 1-0 Титан Вт 1-0 09Г2С
Обработка пластовой воды До гидроциклонов Углер. сталь +6мм на коррозию 09Г2С
Система противопожарного водоснабжения Все трубопроводы Титан сорт 2 Титан Вт 1-0
Табл. 1 Материалы для трубопроводов (рекомендации KBR для Приразломной)
Кроме высокой коррозионной стойкости (на уровне благородных металлов) титана в морской воде, его применение дает экономический эффект и за счет продления ресурса, сокращения ремонтных работ.
Очень важен и значительный экологический эффект. Сегодня большой проблемой практически для всех электростанций, использующих конденсаторы с латунными теплообменными трубками, является загрязнение технических и сбросных вод ионами меди. Применение титана снимает эту проблему.
Итак, в среде морской солоноватой воды химически подготовленной титан марки Вт1-0 демонстрирует прекрасные эксплуатационные свойства и гарантирует работоспособность конструкции на протяжении необходимого ресурса - не менее 40 лет.
РАБОТЫ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ЭФФЕКТИВНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ВСМПО-АВИСМЫ
На атомных станциях применяется ряд сложных химических растворов для проведения плановых технологических промывок. Специалисты ВСМПО-АВИСМЫ провели ряд экспериментальных работ по определению коррозионной стойкости листов из различных титановых сплавов в технологических промывных средах, используемых на АЭС.
Использовались титановые сплавы марок ВТ6, ВТ1-0, ОТ4, ВТ18у и ВТ9. Коррозионные испытания проводились при температуре 950С в различных средах при полном погружении. Были получены следующие результаты (таблица 2).
В результате коррозионных испытаний выявлено различие в стойкости в зависимости от состава кислотной среды, в которой находились образцы:
1. Показана высокая стойкость образцов титановых сплавов в средах №1А, №2А, №4Б, содержащих в своем составе окислители.
2. Образцы титановых сплавов показали низкую стойкость в растворах №1Б, №3, №4А, содержащих щавелевую кислоту при температуре 950С.
3. Сравнивая коррозионную стойкость титановых сплавов, в четырех композициях наибольшую стойкость показал сплав ВТ1-0, в двух композициях - сплав ВТ6, в одной композиции - сплав ВТ9.
В табл. 3 указана скорость коррозии титановых сплавов в различных композициях.
Таким образом, титан марки ВТ1-0, относящийся к технически чистым материалам, показал наиболее стабильные характеристики по коррозионной устойчивости за исключением сред, содержащих щавелевую кислоту.
ПРИЧИНЫ И ЦЕЛИ РАЗРАБОТКИ НОРМАТИВНОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ НА ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ ДЛЯ ОБЪЕКТОВ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
Сегодня многолетний опыт строительства и эксплуатации судовых энергоустановок с применением титановых сплавов, характеризующихся длительными жизненным циклом и межремонтным периодом,
Номер Характеристика Продолжительность
компо- композиции обработки оборудования выдержки
зиции на станции, час/год образца, час
1 А) 40г/л NaOH + 5 г/л КМп04 (40 г/л едкого натрия + 5г/л марганцовокислого калия) Б) 30г/л Н2С204 + 1и/к HNO3 (30г/л щавелевой кислоты + 1г/л азотной кислоты) До 10 часов в год каждым раствором 10
2 6г/л Н3В03 + 1 г/л КМп04 (6г/л борной кислоты + 1г/л марганцовокислого калия) До 5 часов в год 5
3 50г/л HNO3 + 5г/л Н2С204 (50 г/л азотной кислоты + 5г/л щавелевой кислоты) До 10 часов в год 10
4 А) 20г/л Н2С204 + NH3 (20г/л щавелевой кислоты + аммиак до рН=2,0) Б) 5г/л Н202 (5г/л перекиси водорода) До 15 часов с периодичностью 1 раз в 2 года 15
6 5 г/л КМп04 + 5г/л HNO3 + 30г/л ОЭДФ (оксиэтилиденди-фосфоновая кислота) 1 час с периодичностью 10 раз в год. 22
Табл. 2 Результаты коррозионных испытаний
Марка сплава Скорость коррозии по композициям, мм/год 1А 1Б 2А 3 4А 4Б
ВТ6 0,0035 30,87 0,0301 0,346 15,035 0,0013
ВТ1-0 0,02 25,346 0,0083 0,07 14,036 0,01
ОТ4 0,0268 41,468 0,0121 0,154 16,347 0,011
ВТ18у 0,0258 58,679 0,0267 1,154 37,47 0,0179
ВТ9 0,0614 5,4319 0,048 0,651 28,312 0,026
Табл. 3 Скорость коррозии титановых сплавов в различных композициях
атомному надзору
используется при разработке наземных АЭС и плавучих атомных установок (ПАУ).
Но если при проектировании ПАУ проектные организации имеют возможность пользоваться широкой нормативной базой по титановым полуфабрикатам, накопленной в судостроении, то при проектировании оборудования для наземных АЭС такой нормативной базы по титановым полуфабрикатам, согласованной с Федеральной службой по экологическому, технологическому и атомному надзору, до 2006 года не существовало. Это сдерживало применение титановых сплавов в отечественном атомном энергомашиностроении.
Чтобы решить этот вопрос, корпорация «ВСМПО-АВИСМА» совместно с ФГУП ЦНИИ КМ «ПРОМЕТЕЙ» (ведущий матери-аловедческий институт в области судостроения и атомных энергоустановок), начиная с 1996 года, проводит аттестационные испытания титановых сплавов, разрабатывает технические условия и согласовывает их в надзорных органах.
Первым совместным результатом была аттестация трубосварочного производства титановых прямошовных сварных труб для изготовления конденсаторов. Работа нашла свое логическое завершение в виде технических условий ТУ 1825-489-07510017-2007 «Трубы сварные прямошовные повышенного качества из титана марок Вт1-00, Вт1-0» (первая версия выпущена в 1998 году). Эти трубы предназначены для оборудования и трубопроводов энергоблоков атомных станций, подведомственных Федеральной службе по экологическому,
технологическому и России.
На этом же производственном участке ВСМПО-АВИСМА производит трубы по АSTM В338 для своих зарубежных заказчиков. Общий объем реализации с 1999 г по 2006 г. составил 2800 тн сварной трубы.
Из последних поставок корпорации «ВСМПО-АВИСМА» следует отметить большую работу по изготовлению трубы 28*0,5*13400мм для проекта Волгодонской АЭС.
В последующем специалисты ВСМПО-АВИСМЫ продолжили работы по расширению нормативной базы и разработали еще 5 технических условий, которые практически полностью закрывают сортамент, необходимый для изготовления теплообменно-го оборудования из титановых сплавов для нужд атомного энергомашиностроения. ■ Ю. ШАШКОВА, начальник управления продаж в машиностроении
ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА» Россия 624760, Свердловская обл., г. Верхняя Салда, ул. Парковая, 1 т/ф (34345) 21795 shashkova@vsmpo.ru
