Причины преждевременного выхода из строя клиновых задвижек на нефтяных месторождениях Российской ФедерацииЕ.А. Борисенкова.(Самарский ИТЦ)За последние несколько десятилетий агрессивность нефтепромысловых сред заметно увеличилась. В основном это связано с началом разработки глубокозалегающих газоконденсатных месторождений, которые отличаются высоким содержанием углекислого газа и присутствием коррозионноопасных микроорганизмов. Данные обстоятельства заставляют обратить особое внимание на выбор материала и технологию изготовления (в особенности технологию литья) нефтепромыслового оборудования, в том числе и арматуры.В последнее время в ООО «Самарский ИТЦ» на экспертизные исследования стали поступать клиновые задвижки, преждевременно вышедшие из строя в связи с образованием сквозных дефектов на дне клиновой камеры (рис. 1). Важно отметить, что все поступившие объекты изготовлены на разных предприятиях и находились в эксплуатации на различных (и по географическому положению, и по коррозионным характеристикам среды) месторождениях.
Рисунок 1 – Вид сквозных дефектов на дне клиновых камер задвижек после эксплуатации на различных месторождениях РФРисунок 2 – Вид сквозного дефекта с наружной стороны клиновой задвижки т/ф 30лс 515 нж DN 250 PN 4.0Ниже приведены результаты экспертизного исследования одной из клиновых задвижек (рис. 2), в ходе которого был проведен комплексный анализ, включающий в себя исследование внутренних (микроструктуры, неметаллических включений, трещин в металле) и внешних (состав среды, морфология продуктов коррозии) причин.
Не всегда нефтяное предприятие может выдать информацию о составе среды (по разным причинам, иногда мониторинг сред просто не проводится), тогда состав транспортируемой среды можно определить по косвенным данным при исследовании состава продуктов коррозии (фазовый и локальный энергодисперсионный химический анализ).
В результате проведенного фазового анализа было выявлено, что продукты коррозии состоят из следующих соединений: карбонат железа (FeCO3), карбонат кальция (CaCO3); гидроксид кальция (Ca(OH)2); гидроксид железа (FeО(OH)); сульфид железа (FeS2). Выявленные соединения образуются при взаимодействии поверхности металла с транспортируемой нефтепромысловой средой, т. е. являются продуктами коррозионного процесса. Кроме того, можно заключить, что транспортируемая среда значительно минерализована и содержит соединения кальция и серы в достаточной степени, чтобы формировать слой продуктов коррозии.
Помимо фазового анализа, был проведен анализ соскобов продуктов коррозии на наличие прикрепленных форм коррозионноопасных микроорганизмов. Обнаруженный биоценоз включает в себя сульфатвосстанавливающие бактерии (СВБ), тионовые бактерии (ТБ), углеродоокисляющие бактерии (УОБ) и железобактерии (ЖБ). Таким образом, можно заключить, что транспортируемая среда была заражена коррозионноопасными микроорганизмами, что могло повлиять на ускорение образования сквозной язвы на дне клиновой камеры задвижки.
Рисунок 3 – Сечение металлографического шлифа, изготовленного в области несквозного локального дефекта на образце из фрагмента задвижки (снимок с оптического микроскопа): а) общий вид шлифаРисунок 3 – Сечение металлографического шлифа, изготовленного в области несквозного локального дефекта на образце из фрагмента задвижки (снимок с оптического микроскопа): б) участок шлифа в области язвыРисунок 3 – Сечение металлографического шлифа, изготовленного в области несквозного локального дефекта на образце из фрагмента задвижки (снимок с оптического микроскопа): в) участок шлифа в области неметаллического включенияТаблица 1Более подробную информацию дает исследование металлографического шлифа методами электронной микроскопии. В ходе изготовления шлифа было выявлено, что помимо слоя продуктов коррозии в сечении присутствует крупное (~2×4 мм) неметаллическое включение экзогенного типа (рис. 3 а). Дальнейшее изучение шлифа было разделено на два этапа: расследование непосредственно самого коррозионного процесса и расследование происхождения крупных неметаллических включений, а также их влияние на процессы образования локальных дефектов.
Сечение язвенного поражения представлено на рис. 3 б. Профиль язвы не симметричен: правый край расположен под более пологим углом. Образование такого дефекта связано с выявленными экзогенными включениями. Происходит это следующим образом: сначала формируется узкая канавка вокруг включения, затем по мере расширения и углубления канавки происходит разрушение неметалла, его растворение и вымывание из питтинга. Таким образом, неметаллические включения облегчают процесс образования язв и оказывают влияние на морфологию образующихся дефектов.
Рисунок 4 – Сечение металлографического шлифа, изготовленного в области несквозного локального дефекта на образце из фрагмента задвижки: а) общий вид локального дефектаРисунок 4 – Сечение металлографического шлифа, изготовленного в области несквозного локального дефекта на образце из фрагмента задвижки: б) эндогенное включение в области язвыРисунок 4 – Сечение металлографического шлифа, изготовленного в области несквозного локального дефекта на образце из фрагмента задвижки: в) морфология и химический состав продуктов коррозии на границе с металлом Рисунок 5 – Сечение металлографического шлифа, изготовленного в области несквозного локального дефекта на образце из фрагмента задвижки. Граница экзогенного включения и продуктов коррозииПодтверждением такого механизма, связанного с неоднородностью металла, является выявленное в левой области язвы неметаллическое многофазное включение. Данное включение, по результатам локального энергодисперсионного химического анализа (рис. 4 б), состоит в основном из оксида кремния. Размеры и химический состав представленного неметаллического включения свидетельствуют о том, что, скорее всего, это часть песчаной формы, которая попала в металл в процессе разливки.
На границе экзогенного включения и основного металла расположен слой продуктов коррозии (рис. 5), это также частично подтверждает вышеописанный механизм: первоначально на месте язвы располагалось крупное экзогенное включение. Затем в процессе эксплуатации коррозионно-активная среда стала образовывать канавку между включением и металлом, образуя на границе слой продуктов коррозии. Вследствие разных удельных объемов и плотности слоев происходило быстрое разрыхление и растрескивание общего слоя, что сделало его проницаемым для дальнейшего проникновения коррозионноопасной среды и способствовало вымыванию включения и продуктов коррозии из язвы. Кроме того, из-за разницы коэффициентов термического расширения металлической матрицы и неметаллического включения скорость растворения металлической матрицы по сравнению с чистым металлом значительно возрастает.
В полости представленной язвы, свободной от экзогенных включений, на границе металла также присутствуют продукты коррозии (рис. 4 в). Слой продуктов коррозии плотный, равномерный. Локальный энергодисперсионный химический анализ, проведенный в характерных областях слоя (рис. 4 в), показал, что основными его составляющими, судя по стехиометрии, являются оксиды, гидроокислы, сульфиды и карбонаты железа. Это подтверждает результаты ранее проведенного рентгеноструктурного фазового анализа продуктов коррозии.
Как было отмечено ранее, в ходе изготовления шлифа рядом с язвой выявлено экзогенное включение диаметром 7 мм и глубиной 3,7 мм (рис. 3 в). На границе «металл-включение» тоже присутствует слой продуктов коррозии, также состоящий из оксидов, гидроокислов, сульфидов и карбонатов железа. Т. е. механизм коррозии в данной области идентичен вышеописанному.
Рисунок 6 – Поры и неметаллические включения в основном металле задвижкиРисунок 6 – Поры и неметаллические включения в основном металле задвижкиТаким образом, мы столкнулись с тем, что коррозионная активность среды – вторичный фактор при образовании сквозного дефекта. Основные причины в самом металле. Чтобы рассмотреть внутренние факторы подробнее, был изготовлен металлографический шлиф в интересующей нас области. На рис. 6 а, б представлен фрагмент сечения металлографического шлифа, одного из объектов исследования. На нем выявлены крупные поры (~500 мкм в длину) и неметаллические включения, представляющие собой, по данным локального энергодисперсионного химического анализа, комплексные оксиды алюминия и кремния размером до 8 мкм (рис. 3 б), сложные оксисульфиды марганца размером до 10 мкм. Т. е. помимо ранее выявленных экзогенных включений, в металле присутствуют и крупные эндогенные включения, а также поры.
Таким образом, при агрессивных условиях эксплуатации основным фактором, оказывающим влияние на образование сквозных дефектов, в данном случае явился некачественный материал задвижки и, скорее всего, нарушение или несовершенство технологического процесса, которое обуславливает наличие крупных экзогенных и эндогенных включений, а также пор, инициирующих развитие локальной коррозии.Опубликовано в «Вестнике арматуростроителя»