CC BY
150
УДК 338
СПОСОБЫ СМЯГЧЕНИЯ КОРРОЗИИ В НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ И ОПТИМИЗАЦИЯ ЗАТРАТ НА ОСНОВЕ ИМПОРТОЗАМЕЩЕНИЯ
© 2020 К.А. Овчинников, Л.В. Ермолина*
Статья посвящается вопросам борьбы с коррозией в нефтегазовой отрасли. Рассматриваются основные способы смягчения влияния коррозии на основные элементы конструкций. Приводятся примеры отечественных аналогов материалов и оборудования с целью оптимизации расходов в условиях неопределенности.
Ключевые слова: коррозия, химическая реакция, нефтегазовая отрасль, импортозамещение.
Промышленные предприятия России импортируют значительные объемы многих стратеги -ческих видов сырья - титана, алюминия, олова, марганца и других материалов. Ежегодный импорт импортозависимых минеральных ресурсов составляет более 12 млн. тонн на сумму около 4,5 млрд. долларов США и составляет 47% от общего объема импорта минерального сырья.
Такая зависимость снижает уровень экономической безопасности российских предприятий, чувствительных к динамике поставок минерального сырья, и, как следствие, увеличивает политические риски в нашей стране.
Проблема импортозависимых отраслей, к которым в полной мере можно отнести нефтегазовую отрасль, требует глубокого изучения причин этой зависимости. Вопросы экономической безопасности и снижения зависимости импорта от сырьевых минеральных продуктов актуальны для всех стран, где есть развитая промышленность. В России эти вопросы рассматриваются как на уровне предприятий-производителей и потребителей минеральных продуктов, так и на уровне государства. Одним из способов управления импортозамещением дефицитного минерального сырья является управление системой производства и использования такого сырья.
В данной системе используются инструменты административного управления, которые используют в первую очередь правовые методы, путем создания или разработки нормативных правовых документов и производственные инструменты.
К правовым методам управления товарными потоками импортнозависимого минерального сырья можно отнести:
- установление правовых норм для осуществления внутреннего замещения;
- координация действий правительства и отрасли по импортозамещению;
- государственный контроль тарифов на перевозки;
- ограниченная корректировка цен;
- государственное финансирование проектов импортозамещения.
К производственным инструментам относятся способы замены импортозависимого сырья, оборудования и технологий на отечественные аналоги, без потери технологической безопасности и качества.
Коррозия - это разрушительное воздействие материала в результате реакции с окружающей средой и потенциальной природной опасности, связанной с добычей и транспортировкой нефти и газа. Практически любая водная среда может способствовать коррозии, которая возникает в многочисленных сложных условиях в системах добычи, переработки и трубопроводов нефти и газа. Этот процесс состоит из трех элементов: анода, катода и электролита. Сырая нефть и природный газ могут нести различные высокочистые продукты, которые по своей природе являются коррозийными. В случае нефтяных и газовых скважин и трубопроводов такими высококоррозионными средами являются диоксид углерода (С02), сероводород (И28) и свободная вода. Постоянное извлечение С02, И28 и свободной воды через ком -
* Овчинников Кирилл Александрович (ovchinnikov.ka@samgtu.ru) - кандидат химических наук, заведующий кафедрой «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений», Ермолина Лилия Валерьевна (ermolina@mail.ru) - кандидат экономических наук, доцент кафедры «Экономика промышленности и производственный менеджмент»; оба - ФГБОУ ВО «Самарской государственный технический университет», Самара, ул. Молодогвардейская, 244.
№ 4 (23)
поненты нефти и газа со временем может привести к тому, что внутренние поверхности этих компонентов страдают от коррозии.
Линии и фитинги компонентов линий будут подвергаться материальному разложению в зависимости от изменяющихся условий скважины из-за изменений в составе флюидов, закачивания скважин в течение периода и изменений рабочих условий давлений и температур. Такое разрушение материала приводит к потере механических свойств, таких как прочность, пластичность, ударная вязкость и т. д. Это приводит к потере материалов, уменьшению толщины, а иногда и к полному отказу. Будет достигнута точка, при которой компонент может полностью сломаться, и сборку необходимо будет заменить, пока производство остановлено. Серьезные последствия таковы, что процесс коррозии стал проблемой мирового значения.
Коррозия и в современных реалиях является одной из нерешенных проблем отрасли. Большинство промышленных конструкций не могут быть выполнены без учета влияния коррозии на срок службы оборудования. Отчеты по всему миру подтверждают, что у отдельных нефтяных компаний разрушился трубопровод из-за коррозии и что произошли разливы нефти, это, несомненно, привело к загрязнению окружающей среды. Кроме того, теряются ресурсы на устранение причиненного ущерба.
Возможность возникновения коррозии на промышленном предприятии вызывает большую обеспокоенность у инженеров-нефтяников и химиков. В настоящее время известно, что коррозия может оказывать некоторое влияние на химический состав выбранного процесса, а продукт коррозии может влиять на реакцию и чистоту продуктов реакции.
По оценкам, затраты, связанные с коррозионными повреждениями всех видов, составляют порядка 3-5% от валового национального продукта промышленно развитых стран. Общая годовая стоимость коррозии в нефтегазодобывающей промышленности оценивается в 1,372 млрд. долл. США в разбивке на 589 млн. долл. США на расходы на наземные трубопроводы и сооружения, 463 млн. долл. США в год на расходы на прокладку скважинных труб и еще 320 млн. долл. США на капитальные расходы, связанные с коррозией.
Коррозия обходится нефтегазовой промышленности в десятки миллиардов долларов в виде
потерянных доходов и затрат на очистку каждый год. Коррозия обходится одной только американской промышленности примерно в 170 миллиардов долларов в год, в которой нефтегазовая промышленность берет на себя более половины этих затрат.
Внутренняя коррозия в скважинах и трубопроводах зависит от температуры, содержания CO2 и H2S, химического состава воды, скорости потока и состояния поверхности стали. Значительно уменьшенная скорость коррозии (мм / год) может значительно увеличить срок службы компонентов, что приводит к гораздо большим преимуществам, таким как снижение затрат на техническое обслуживание.
В настоящее время многие компоненты, используемые для добычи нефти и газа, изготовлены из сплавов на основе углеродистой стали. Теперь организации стремятся перейти от этих типов сплавов к более коррозионностой-кому сплаву при гораздо более высоких затратах. Проблема коррозии является проблемой для всего мира и должна быть решена в значительной степени.
Типы коррозии и связанные с ней агенты в нефтяной и газовой промышленности. Наиболее распространенная форма коррозии в нефтяной и газовой промышленности возникает, когда сталь вступает в контакт с водной средой и ржавчиной [4]. Когда металл подвергается воздействию коррозийного раствора (электролита), атомы металла в анодном узле теряют электроны, и эти электроны затем поглощаются другими атомами металла в катодном узле. Катод, соприкасаясь с анодом через электролит, проводит этот обмен в попытке сбалансировать свои положительные и отрицательные заряды. Положительно заряженные ионы высвобождаются в электролит, способный связываться с другими группами атомов, которые заряжены отрицательно. Эта анодная реакция на железо и сталь:
Очень сложно единообразно классифицировать виды коррозии в нефтегазовой отрасли. Можно разделить коррозию на основе появления коррозионных повреждений и механизма атаки. Есть много типов и причин коррозии. Механизм, присутствующий в данной системе трубопроводов, варьируется в зависимости от
состава текучей среды, места обслуживания, геометрии, температуры и т. д. Во всех случаях коррозии электролит должен присутствовать для протекания реакции. В нефтедобывающей и газовой промышленности основными формами коррозии являются сладкая коррозия, кислая коррозия, кислородная коррозия, гальваническая коррозия, щелевая коррозия, эрозионная коррозия, микробиологически вызванная коррозия и коррозионное растрескивание под напряжением.
В области контроля и предотвращения коррозии в нефтяной и газовой промышленности существуют такие технические параметры, как катодная и анодная защита, выбор материала, химическое дозирование и нанесение внутренних и внешних покрытий. В нефтегазовой промышленности широко признано, что эффективное управление коррозией будет способствовать поддержанию целостности активов и оптимизации затрат на смягчение, мониторинг и проверку.
Хотя для предотвращения этих событий было рекомендовано много методов, эти методы можно широко классифицировать следующим образом:
1. Подбор подходящих материалов.
2. Использование ингибиторов.
3. Использование защитных покрытий.
4. Адекватный мониторинг и проверка коррозии.
5. Техника катодной защиты.
Подбор материалов
Конструкционные материалы подвержены коррозионному воздействию и обычно принимается решение о замене конструкционных материалов на альтернативные материалы в соответствии с конкретной потребностью.
Нержавеющая сталь покрывает широкий спектр сплавов, каждый с определенной комбинацией коррозионной стойкости и механических свойств. В нефтегазовой промышленности используются многие из этих марок нержавеющей стали, в зависимости от требований конкретной среды обслуживания. Применяемые кор -розионностойкие сплавы в нефтегазовой промышленности, предложенные Смитом, включают 13Cr, Super 13Cr, 22Cr дуплекс, 25Cr дуплекс, 28Cr из нержавеющей стали, 825 никелевый сплав и т.д. Йоханссон предложил специальную нержавеющую сталь для решения проблем коррозии в нефтегазовой промышленности LDX 2101, 254 SMO и 654 SMO.
В качестве замены дорогостоящих зарубежных аналогов, в отечественной нефтегазовой отрасли применяются такие коррозионностой-кие сплавы как: 04X19^, 16X^^4^, 10Х17Н13М2Т, 12X18^, 12X25Н5ТМФ.
Использование ингибиторов
Ингибиторы - это химические вещества, которые используются для защиты поверхности металлов, используемых в нефтяной и газовой промышленности, для предотвращения коррозии. Они защищают поверхность металлов либо путем слияния с ними, либо путем взаимодействия с примесями в окружающей среде, которые могут вызвать загрязнение. Ингибитор коррозии может действовать несколькими способами: он может ограничивать скорость анодного или катодного процесса, просто блокируя активные участки на поверхности металла. Альтернативно, он может действовать путем увеличения потенциала поверхности металла, так что металл входит в область пассивации, где образуется естественная оксидная пленка. Еще один способ действия некоторых ингибиторов заключается в том, что ингибирующее соединение способствует образованию тонкого слоя на поверхности, который подавляет процесс коррозии.
Факторы, которые необходимо учитывать перед использованием ингибитора коррозии в нефтегазовой промышленности, включают токсичность, экологичность, доступность и стоимость. Органические ингибиторы коррозии более эффективны, чем неорганические соединения для защиты сталей в кислых средах. Обзор литературы по высокотемпературным ингибиторам кислотной коррозии показал, что эффективные ингибиторы коррозии для подкисления нефтяных скважин включают ацетиленовые спирты, соли четвертичного аммония, альдегиды, амины и т. д.
В ближайшие годы будет прекращено производство ингибиторов ИКАР-1, И-1-А и И-1-В. А удовлетворение растущих потребностей нефтяной и газовой промышленности в соответствующих типах ингибиторов будет осуществляться за счет промышленного выпуска ингибиторов ИФХАНгаз-1, Тайга, И-К, И-Д, а также вновь разрабатываемых ингибиторов, наиболее полно отвечающих предъявляемым тре-бованиямСНПХ-1004, НАПОР-1007, Катасол 28-5, ДОН-52, АНП-2М.
Использование защитных покрытий
Защитный слой или барьер на материале, чтобы избежать прямого контакта с технологи-
№ 4 (23)
ческой средой, увеличит срок службы материала и оборудования. Барьерный слой может быть краской, покрытием или подкладкой. Существуют также неметаллические накладки, такие как стекловолокно, стеклянные чешуйки, эпоксидная смола и резина, которые обычно наносятся на оборудование, такое как сепараторы, выбивные барабаны и резервуары для хранения. Никелевые, цинковые и кадмиевые покрытия также иногда предпочтительны для некоторых компонентов, таких как фланцы и болты.
Скважины с низкими уровнями H2S, СО2 ранее заполнялись зарубежными материалами, например трубкой N-80. Пластиковое покрытие на трубе N-80 с периодической обработкой ингибитором каждые 30 дней давало срок службы трубки 7 лет. Эпоксидная смола (FBE) и трехслойный полиолефин (3LPO) (полиэтилен или полипропилен (PP)) в настоящее время являются наиболее широко используемыми системами наружного антикоррозионного покрытия.
Ведущие отечественные нефтегазовые компании давно реализуют политику импортозаме-щения. Результатом стало включение в руководящие документы ответственных российских поставщиков. Например, холдинг ВМП (рис. 1) выделяется на общем фоне отечественных производителей: продукция ВМП включена в руководящие документы ПАО «Роснефть», ПАО «Транснефть», ПАО «Газпром» и активно применяется для защиты резервуарных парков, ме-таллокон-струкций и оборудования.
ЕНГ
пртие отечественные произведшие зарубежные пршжднтспи
Рис. 1. Доля ВМП в разработке отечественной защиты
ЛЭП-mastiс и финишным слоем ПОЛИТОН-УР, ИЗОЛЭП-oil, ИЗОЛЭП-oil 350 AS.
Данные системы соответствуют руководящим документам ПАО «Роснефть».
Высокоэффективная система композитного покрытия HPCC представляет собой однослойную, полностью порошковую, многокомпонентную систему покрытия, состоящую из базового покрытия FBE, полиэтиленового наружного покрытия средней плотности и связующего слоя, содержащего химически модифицированный полиэтиленовый клей. Все материалы трех компонентов композитного покрытия наносятся методом электростатического порошкового покрытия. Связующий слой представляет собой смесь клея и FBE с градацией концентрации FBE. Таким образом, нет четкой определенной границы раздела между связующим слоем и базовым покрытием FBE или наружным полиэтиленовым покрытием.
На рисунке 2 показано поперечное сечение композитного покрытия со стандартной общей толщиной 750 мкм.
Холдинг ВМП разработал следующие материалы для защиты от коррозии : система с тол -стослойной эпоксидной грунт-эмалью ИЗО-
Рис. 2. Поперечное сечение композитного покрытия
Отечественными аналогами таких систем являются системы с углеродистыми нанотруб-ками и углеродными нановолокнами.
Достоинства:
- повышение электропроводности;
- увеличение теплопроводности и теплостойкости;
- повышение антистатических свойств;
- повышение механических характеристик;
- увеличение адгезионной прочности и расширение температурного диапазона применения (от -60 до 250°С);
- обеспечение устойчивости к воздействию агрессивных рабочих сред.
Основным материалом является полиэтилен с наполнителем марок СВ МПЭ + 2%УНВ и СВ МПЭ + 10% УНВ.
Технология покрытия из термотитового потока
Технология Термотит состоит из многослойного полипропиленового композита FBE в качестве слоя для стали. Особые требования к защите или теплоизоляции выполняются с помощью индивидуальной конструкции системы. Устойчивость к эффектам сжатия и ползучести, характерным для морских глубин и высоких температур, может быть учтена путем регулирования плотности и характера слоев.
На рисунке 3 показано построение системы Термотит с пятью слоями (Bredero Shaw Company, 25 Bethridge Road, Торонто, Онтарио, Канада M9W 1M7).
0
Рис. 3. Система Термотит
1 - РВЕ, 2-клей, 3- твердое вещество, 4- пена, 5- защитный слой
Трехслойное антикоррозионное покрытие наносится методом экструзии с боковой или поперечной головкой, далее наносится теплоизоляционный слой (пена и внешний экран). Тепловые слои, наружный защитный экран или полипропилен, покрывающий слой, наносятся одновременно на линии теплоизоляции путем поперечной экструзии. Этот метод обеспечивает фиксированный внешний диаметр и однородную структуру пены без воздушных включений.
По оценкам экспертов мировой рынок сверхпрочных труб для нефтегазовой отрасли к 2025 вырастет в 1,66 раз по сравнению с 2018 годом и достигнет 13,41 млрд. долл. США.
В марте 2019 года Владимир Путин дал старт освоению Харасавэйского месторождения «Газпрома» на полуострове Ямал. По словам Алексея Миллера, председателя правления ПАО «Газпром»: «Ямал - это не просто центр газодобычи. Ямал - это богатейший газоносный бассейн, и он может стать ядром гибкой системы и будет способствовать развитию мирового газового рынка в целом».
Освоение новых месторождений в Арктике требует современных технологий, в том числе
применения гибких сверхпрочных композитных полимерных труб.
Санкции на поставку современных технологий и материалов делает крайне актуальным освоение производства сверхпрочных композитных труб в России.
Уровень импортозависимости в сегменте сверхпрочных труб для нефтегазовой отрасли более 90%.
Учитывая высокий уровень импортозависи-мости отечественные производители разработали современные технологические линии для производства композитных полимерных сверхпрочных гибких нефтегазовых труб на базе новых технологических решений и современных волокон и полимеров (PA, PPS, PE-RT).
Кроме того, появились волокна третьего поколения или ВЭВ в зарубежной литературе называют ВЭВ - высокоэффективными волокнами (HPF - High Performance Fibers) и к ним наряду с новыми полимерными волокнами относят углеродные, керамические и новые виды стеклянных волокон.
Третье, производство нового поколения волокон начало формирование в конце 20-ого века и продолжает развиваться в 21 -ом веке, и характеризуется повышенным требованием к их эксплуатационным свойствам в традиционных и новых областях применения (аэрокосмическая, автомобилестроение, нефтегазовая отрасль, армия, строительство). Эти области применения предъявляют повышенные требования к физико-механическим свойствам материалов.
Удовлетворить полностью этот комплекс требований ассортиментом природных и хими-
ИРРЕ < Г W="P« "У й г !>• и 14
Кевлар
Полиамид Углеволокно
Полиэстер Полипропилен Сталь Керамика
0 12 5 4
Прочность/объем, ГПэ
Рис. 4. Физико-технологические свойства материалов
№ 4 (23)
ческим волокнами 1-ого и 2-ого поколения не удается. Решают эту проблему успехи в области химии и физики полимеров, физики твердого тела и производство на этой основе ВЭВ.
Созданные волокона 3-его поколения с заранее заданными свойствами и, прежде всего, с высокой разрывной прочностью, прочностью к трению, изгибу, давлению, упругостью, термо-и огнестойкостью полностью удовлетворяют требованиям нефтегазовой отрасли (рис. 4).
Техника катодной защиты
Первое применение катодной защиты относится к 1824 году, задолго до того, как была создана его теоретическая основа, и приписывается сэру Хэмфри Дэви. Катодная защита - это метод снижения коррозии путем минимизации разности потенциалов между анодом и катодом (рис. 5). Это достигается путем подачи тока на
Рис. 5. Катодная защита
защищаемую конструкцию (такую как трубопровод) от какого-либо внешнего источника. Когда достаточный ток приложен, вся структура будет в одном потенциале. Обычно, метод используется в сочетании с покрытиями и может рассматриваться как метод вторичного контроля коррозии. Два метода применения катодной защиты за рубежом включают:
- гальваническую защиты (^АСР))
- текущая катодная защита (1ССР)
Наиболее распространенной на территории
России является высокотехнологичная установ -ка - Миневра-3000. Ее мощности достаточно для осуществления защиты 30000 м магистралей.
Также применяются АСКГ-ТМ, хотя их мощность невелика, их оснащение телеметрическим комплексом или дистанционным управлением позволяет им быть не менее популярными.
Эффективные результаты в развитии системы защиты от коррозии возможны только при реализации новых подходов к управлению, с уче-
том выявления и своевременного реагирования на уменьшение возможных рисков, таких как:
- высокий физический и моральный износ фондов нефтегазового комплекса;
- высокая доля импортного оборудования на производстве (до 90 %) на всех стадиях деятельности нефтегазового комплекса - добыча, транспортировка, переработка и сервисное обслуживание;
Выявленные недостатки говорят о необходимости начала процесса реформирования системы управления нефтегазового комплекса с учетом современных научных стратегий, в рамках новых методологических подходов.
Коррозия - это случайное, вероятностное явление, требующее междисциплинарных концепций, включающих в себя науки о поверхности, металлургию / материаловедение, электрохимию, термодинамику и кинетику, механику, гидродинамику и химию. Это приносит нефтегазовой промышленности десятки миллиардов долларов потерянных доходов и затрат на обработку каждый год.
Тем не менее, принципы коррозии должны быть поняты, чтобы эффективно выбирать материалы, а также проектировать, изготавливать и использовать металлические конструкции для обеспечения оптимальной экономической жизни объектов и обеспечения безопасности при нефтегазовых операциях. Кроме того, следует четко понимать, что никакой конкретный материал не является лекарством от всех зол коррозии. Каждый случай должен быть рассмотрен полностью, прежде чем будет принято решение по соответствующим материалам.
Библиографический список
1. Кочетов ДМ., Шапуров В.С. Коррозия оборудования нефтедобычи и проблемы промышленной безопасности // Научный журнал. - 2016. - № 4(5). - С. 22-24.
2. Китонов Г.А., Баранов А.Н. Процессы коррозии в нефтеперерабатывающей отрасли // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук.
- 2016. - №4-5. - С.19-21.
3. Иванцова Н. Применение современных материалов и технологий для защиты нефтегазового оборудования от коррозии: новизна, актуальность, эффективность // Экспозиция Нефть Газ. - 2008. - № 3. - С. 83-85.
4. Аверьянов Г. Защита от коррозии в нефтегазовой отрасли: тенденции и проблемы // Нефть и газ Сибири, - 2019. - № 3(36).
5. Салманов В.Н. Борьба с коррозией в нефтегазовой промышленности // Научное сообщество студентов XXI столетия. Технические науки. - 2017.
- № 11(58). - С. 53-55.
Поступила в редакцию 09.08.2020 г.
METHODS FOR MITTING CORROSION IN THE OIL AND GAS INDUSTRY AND COST OPTIMIZATION BASED ON IMPORT SUBSTITUTION
© 2020K.A. Ovchinnikov, L.V. Ermolina*
The article is devoted to the fight against corrosion in the oil and gas industry. The basic methods of mitigating the effect of corrosion on the main structural elements are considered. Examples of domestic analogues of materials and equipment are given in order to optimize costs in the face of uncertainty.
Key words: corrosion, chemical reaction, oil and gas industry, import substitution.
Received for publication on 09.08.2020
* Ovchinnikov Kiril Alexandrovich (ovchinnikov.ka@samgtu.ru) - Candidate of Chemical Sciences, Head of the Department "Development and Operation of Oil and Gas Fields", Ermolina Lilia Valerievna (ermolina@mail.ru) - Candidate of Economic Sciences, associate Professor of the Department of industrial Economics and production management»; both - Samara state technical University 443100 Samara, Molodogvardeyskaya str., 244.
