Development of a new method corrosion tests steels in medium with contemporary attendance H2S and CO2

Full Text

Введение Современная классификация коррозии в нефтепромысловых средах включает в себя три основных механизма, обусловленных влиянием растворенного в среде газа: СО2- (углекислотная), H2S- (сероводородная) и O2- (кислородная) коррозия [1]. Но данная классификация не учитывает совместного влияния двух и более механизмов. В 2011 г. была опубликована статья, описывающая расширенную классификацию механизмов коррозии нефтепромыслового оборудования [2]. Согласно данной классификации коррозия нефтепромыслового оборудования включает в себя следующие механизмы: сульфидное коррозионное растрескивание под напряжением, локальная карбонатная коррозия, локальная карбонатная коррозия в присутствии сульфидов, карбонатная коррозия в присутствии хлоридов, биокоррозия. Как показали исследования [3, 4, 5], на многих месторождениях, вошедших в последнюю фазу разработки, распространен механизм углекислотной коррозии в присутствии сульфидов. О поведении сталей в такой среде можно судить только по данным испытаний, проведенных в реальных условиях [2]. Методики, которая могла бы воспроизвести этот процесс в лабораторных условиях, пока не существует. В статье приведены результаты исследовательской работы, проведенной с целью разработки методики лабораторных испытаний в средах с одновременным присутствием СO2 и H2S. Методы и объекты исследования Для проведения серии экспериментов была выбрана сталь 13ХФА (табл. 1), поведение которой изучено в различных лабораторных и реальных условиях. Сталь 13ХФА - это конструкционная легированная сталь повышенной коррозионной стойкости и хладостойкости. Трубы из этой стали отличаются от нефтегазопроводных труб обычного исполнения повышенной хладостойкостью, повышенной стойкостью к общей язвенной коррозии, к сульфидному коррозионному растрескиванию и образованию водородных трещин. Но поведение стали в среде с совместным содержанием СO2 и H2S не изучено подробно. Таблица 1 Химический состав стали 13ХФА С Mn Si P S Cr Ni Cu V Al 0,1 0,5 0,2 0,012 0,003 0,5 0,07 0,053 0,053 0,032 В ходе разработки методики были использованы следующие методы исследования: - рентгеноструктурный фазовый анализ продуктов коррозии, выполнялся на установке серии «Дрон»; - метод энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии, выполнялся на электронном микроскопе Inspect с приставкой EDAX; - качественный анализ морфологии продуктов коррозии в сечении металлографических шлифов, вырезанных из образцов после испытания в модельной среде; - гравиметрический метод определения скорости коррозии. Результаты Разработка методики заключается в проведении серии экспериментов с варьированием различных параметров, в том числе температуры среды и концентрации коррозионно-активных газов. Первый эксперимент проводился следующим образом: модельный раствор (3 % NaCl, 0,02 % NaHCO3) насыщался каждый в отдельной емкости СO2 и H2S, затем оба раствора передавливались азотом в одну емкость с установленными в ней образцами. Резервуар герметизировался при комнатной температуре с газовой шапкой СО2 под давлением 1,5 атм на 120 часов (5 сут). Сечение продуктов коррозии после данного эксперимента представлено на рис. 1. Рис. 1. Продукты коррозии в сечении образца из стали 13ХФА после лабораторных испытаний в течение 120 ч Тонкий прокорродировавший слой представляет собой смесь оксидов и сульфидов железа; кроме того, отмечено повышение концентрации хрома по сравнению с основным металлом. Карбонатов железа в продуктах коррозии не выявлено. Рентгеноструктурный фазовый анализ проводился на соскобах продуктов коррозии. Было выявлено присутствие следующих фаз: Fe2O3, Fe9S8. По данным гравиметрического анализа (табл. 2), средняя скорость коррозии в данном эксперименте составила 0,40 мм/год для стали 13ХФА. Рис. 2. Продукты коррозии в сечении образца из стали 13ХФА после лабораторных испытаний в течение 140 ч Результаты первого эксперимента по качественным характеристикам не совпадают с результатами исследований коррозионной повреждаемости труб в реальных условиях эксплуатации в средах с совместным влиянием H2S и CO2. Было решено поставить следующий эксперимент. На этот раз были использованы модельные растворы двух разных типов - СO2 (3 % NaCl, 0,02 % NaHCO3) и H2S (Nace тип А), они также насыщались в двух разных емкостях, затем передавливались в одну герметичную емкость с газовой шапкой СО2. Температура получившегося раствора составила 25 оС, давление 1,5 атм. После первых суток концентрация H2S упала и был проведен барботаж сначала СО2 - 30 мин, затем H2S - 30 мин, вследствие чего в растворе остался только H2S. Общее время эксперимента составило 140 ч. Как видно на рис. 2, продукты коррозии на образце также представляют собой тонкий слой (≈5 мкм) и состоят в основном из сульфидов, что подтверждено и фазовым рентгеноструктурным анализом. Кроме того, надо отметить, что повышение концентрации хрома в продуктах коррозии несколько больше, чем в предыдущем опыте, и составляет ≈ 1,53 масс. %. Средняя скорость коррозии на данном образце составила 0,59 мм/год (см. табл. 2). Следующий эксперимент проводился при температуре 60 оС; модельные растворы СO2 и H2S, как и в первом случае, насыщались в двух разных емкостях, затем передавливались в общую герметичную емкость с газовой шапкой CO2 под давлением 1,5 атм. Длительность эксперимента составила 120 ч. Как видно на рис. 3, стали образовываться характерные локальные язвенные поражения ≈11,3 мкм, а на поверхности - осадки сульфидов железа. Рентгеноструктурный фазовый анализ показал наличие карбонатов и сульфидов железа в продуктах коррозии. Этот эксперимент оказался наиболее близким к результатам исследований после эксплуатации на месторождениях. Рис. 3. Продукты коррозии в сечении образца из стали 13ХФА после лабораторных испытаний в течение 120 ч Таблица 2 Параметры и результаты экспериментов Эксперимент Сталь Время, ч Температура раствора, оС Давление, атм Скорость коррозии, мм/год 1 13ХФА 120 25 1,5 0,40 2 13ХФА 140 25 1,5 0,59 3 13ХФА 120 60 1,5 0,57 Выводы 1. Результаты лабораторных испытаний показали, что эксперименты 1 и 2 не дали необходимых результатов. Продукты коррозии, получившиеся после испытаний, не соответствуют результатам исследований коррозионной повреждаемости в реальных условиях эксплуатации. 2. Продукты коррозии, получившиеся после проведения эксперимента 3, соответствуют локальной карбонатной коррозии в присутствии сульфидов. Это говорит о том, что условия эксперимента соответствуют реальным условиям эксплуатации, т. е. параметры эксперимента подобраны оптимально. 3. Необходимо дальнейшее проведение испытаний с уже определенными параметрами для создания методики.

About the authors

Tatiana A Borisenkova

Samara State Technical University

Postgraduate Student 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

Ekaterina A Borisenkova

Samara State Technical University

Postgraduate Student 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

References

Supplementary files