96912

Защита объектов обустройства морских нефтегазовых месторождений от коррозии

Курсовая

География, геология и геодезия

Выявлены и проанализированы основные виды коррозии, их причины возникновения и степень негативного воздействия на нефтепромысловое оборудование; рассмотрены механизм протекания коррозии и факторы, влияющие на коррозионный процесс; проведен анализ основных способов защит металла от коррозии, сделаны выводы.

Русский

2015-10-12

844.5 KB

9 чел.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Российский государственный университет нефти и газа

имени И.М. Губкина

Факультет разработки нефтяных и газовых месторождений

Кафедра освоения морских нефтегазовых месторождений

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине: «Обслуживание объектов обустройства морских нефтегазовых месторождений»

на тему: «Защита объектов обустройства морских нефтегазовых месторождений от коррозии»

Магистрант группы РНМ 13 – 01 – 04

Эльмир Закирович Мугаттаров     _______________

должность, фамилия, инициалы      Подпись

Руководитель проекта к.т.н., доцент

Елена Викторовна Богатырева     _______________

должность, фамилия, инициалы      Подпись

Оценка

Дата защиты

Москва

2015 г

ОГЛАВЛЕНИЕ

[1] ОГЛАВЛЕНИЕ

[2] ВВЕДЕНИЕ

[3] ГЛАВА 1. КОРРОЗИЯ. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ КОРРОЗИИ

[3.1] Разновидности локальной коррозии

[3.2] Механизм протекания коррозии

[4] ГЛАВА 2. ФАКТОРЫ КОРРОЗИОННОГО РАЗРУШЕНИЯ

[4.1] Химический состав пластовой воды

[4.2] Влияние кислорода

[4.3] Влияние сероводорода

[4.4] Влияние углекислого газа

[4.5] Водородный показатель рН среды и температура потока

[4.6] Водородный показатель рН среды и концентрация карбоната железа

[4.7] Парциальное давление углекислого газа

[4.8] Сварные швы и фланцевые соединения

[5] ГЛАВА 3. МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ МЕТАЛЛОВ ОТ КОРРОЗИИ

[6] ЗАКЛЮЧЕНИЕ

[7]

[8] СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ


ВВЕДЕНИЕ

При обустройстве месторождения еще на этапе проектирования всех объектов нефтегазодобычи для оценки предполагаемого срока службы каждого из них требуется учитывать многие факторы, негативно влияющие на продолжительную и бесперебойную эксплуатацию объекта. К ним можно отнести следующие: износ оборудования, солеотложения, механические примеси, смолы и парафины, высокий газовый фактор добывающих скважин и другие. Но среди выше перечисленного именно коррозия нефтепромыслового оборудования занимает лидирующее место среди основных проблем, с которыми сталкиваются инженеры – нефтяники в процессе разработки месторождения.

Под коррозией будем понимать процесс разрушения материалов в результате взаимодействия с агрессивной средой. При этом в результате химического или физико-химического взаимодействия с окружающей средой происходит потеря их эксплуатационных свойств.

В мире коррозия ежегодно приводит к миллиардным убыткам, причем основной ущерб, причиняемый ею, заключается не в потере металла как такового (в мире до 20% металла в год уходит именно в коррозионные отходы), а в разрушении дорогостоящих изделий и оборудования. Еще больший ущерб наносят косвенные потери при простоях оборудования при замене прокорродировавших деталей и узлов, утечке нефти и газа, нарушении технологических процессов. Убытки от коррозии, таким образом, нельзя сводить лишь к прямым потерям – стоимости разрушившихся конструкций, замены оборудования и затратам на мероприятия по защите от коррозии.

В США, по данным NACE, ущерб от коррозии, включая затраты на борьбу с ней, составляют 3,1% ВВП ($276 млрд в год), в Германии — 2,8% ВВП. В пределах 2 – 4% ВВП находится этот показатель и в других развитых странах. При этом потери металла, включающие вышедшие из строя металлические конструкции, изделия, оборудование, составляют 10 – 20% годового производства стали.

В нашей стране нет официальной статистики, которая бы отражала экономический ущерб от коррозии, но, по нашим оценкам, он составляет не менее 5% от ВВП. Это значит, что объем продукции, эквивалентный годовому производству Новолипецкого металлургического комбината, ежегодно тратится только на восполнение черного металла, пораженного коррозией [1].

Основная цель данного курсового проекта проанализировать ныне применяемые способы защиты объектов обустройства морских нефтегазовых месторождений от коррозионного воздействия. В ходе рассмотрения будут решены следующие задачи:

  1.  выявлены и проанализированы основные виды коррозии, их причины возникновения и степень негативного воздействия на нефтепромысловое оборудование;
  2.  рассмотрены механизм протекания коррозии и факторы, влияющие на коррозионный процесс;
  3.  проведен анализ основных способов защит металла от коррозии, сделаны выводы.


ГЛАВА 1. КОРРОЗИЯ. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ КОРРОЗИИ

При контакте морской или пластовой воды с нефтепромысловым оборудованием (подводный добычной комплекс, подводные трубопроводы, опорные конструкции платформы) наблюдается проявление двух основных видов коррозии: общей (неравномерной) и локальной (местной). Эти виды коррозии, как правило, протекают одновременно на разных участках одной поверхности.

Общая коррозия протекает на всей или на какой-либо части поверхности металла со скоростью 0,1–0,5 мм/год. В результате общей коррозии происходит сплошное разрушение поверхности металла или какой – либо части его поверхности, при этом глубина проникновения коррозии на одних участках может быть несколько больше, чем на других. Однако значительно чаще поверхность металла подвергается локальной коррозии, которая протекает на порядок быстрее — со скоростью 1–10 мм/год. В результате местной коррозии происходит разрушение металла в глубину, вплоть до появления сквозных повреждений, при этом соседние участки не затрагиваются коррозией и на них сохраняется номинальная толщина стенки.

  1.  Разновидности локальной коррозии

Локальная коррозия подземного оборудования скважин встречается следующих видов: пятнами, питтинговая (язвенная), в виде бороздок (канавок), в виде плато, мейза-коррозия, контактная, подпленочная, гальваническая. Следует отметить, что перечисленные виды местной коррозии, за исключением первых двух, встречаются только на подземном оборудовании. Коррозия пятнами характеризуется образованием на поверхности металла повреждений в виде отдельных пятен, площадь которых значительно превышает глубину проникновения коррозии. Средняя глубина повреждений составляет 0,5–1,0 мм, поэтому данный вид коррозии, хотя и относится к локальным, сравнительно менее опасен, чем другие ее виды.

Питтинговая (язвенная) коррозия характеризуется образованием язв (каверн), которые представляют собой полости в металле, начиная с поверхности. В некоторых случаях данный вид коррозии приводит к полному разрушению стенок корпуса и образованию в нем сквозных повреждений.

Рис. 1.1.1 – Коррозия пятнами

Скорость язвенной коррозии определяется по глубине образовавшихся повреждений, которые замеряются инструментально. Установив временной период работы оборудования, можно рассчитать скорость локальной коррозии. Например, если замеренная глубина язвенного повреждения — 3 мм, а срок эксплуатации оборудования — 8 месяцев, то в пересчете на год скорость коррозии составит: 3х12/8 = 4,5 мм/год.

Рис. 1.1.2 – Коррозия питтинговая (язвенная)

Коррозия в виде плато представляет собой образование на поверхности металла плоских углублений (плато) круглой, овальной или рельефной форм с характерными небольшими, но многочисленными язвенными повреждениями, расположенными на границе плато с неповрежденным металлом. Скорость данного вида коррозии достигает 1–3 мм/год. Возможной причиной образования таких специфических повреждений может быть действие переменного тока при его утечках из кабельной линии эксплуатируемого оборудования, и близком (менее 1 мм) расположении корпуса ПЭД или корпуса ЭЦН относительно обсадной колонны. Очевидно, что этот вид коррозии локализуется в месте контакта корпуса ПЭД с обсадной колонной, однако процесс воздействия утечки тока на скорость течения коррозионного процесса еще до конца не изучен.

Рис. 1.1.3 – Коррозия в виде плато

Коррозия бороздками (канавками) характеризуется образованием на поверхности металла протяженных локальных повреждений в виде бороздок, которые представляют собой небольшие углубления в металле, расположенные в продольном направлении. Этот вид повреждений достигает в длину 2–5 м при ширине 10–30 мм. Борозды могут быть одиночными или расположенными параллельно. Данный вид коррозии локализуется преимущественно в местах повреждения (царапин) при проведении СПО лакокрасочного или другого покрытия. Скорость коррозии бороздками может достигать 1–3 мм/год.

Рис. 1.1.4 – Коррозия бороздками (канавками)

Мейза-коррозия (mesa corrosion) означает протекание коррозии с распространением ее очага как в глубину, так и по поверхности. Поверхность металла при этом приобретает характерный ступенчатый или ребристый вид, часто наблюдается развитие одной язвы в другой. Очаги мейза-коррозии развиваются преимущественно в средах с высоким содержанием CO2.

Скорость мейза-коррозии может достигать 8–10 мм/год. Мейза-коррозия характерна для месторождений, где наблюдается высокий вынос абразивных частиц, повышенное содержание CO2 и очень высокие скорости потока. Без применения защитных покрытий корпусов ПЭД на многих скважинах этого месторождения развитие мейза-коррозии приводит к сквозным повреждениям уже через 3–6 месяцев.

Рис. 1.1.5 – Мейза – коррозия

Контактная коррозия представляет собой процесс, протекающий между двумя разнородными по электрохимическим характеристикам металлами, например, между броней кабеля и корпусом ЭЦН или телом НКТ. Результатом процесса могут быть локальные коррозионные повреждения как корпуса ЭЦН (в виде язв, расположенных цепочкой, или язв, слитых воедино), так и брони кабеля. Так, в качестве материала для изготовления брони кабеля используют оцинкованную или нержавеющую сталь.

Рис. 1.1.6 – Контактная коррозия

Корпуса ЭЦН и НКТ изготавливаются из углеродистой стали. В условиях скважины на характер контактной коррозии могут влиять утечки переменного тока из кабельной линии, однако ход и особенности данного процесса пока недостаточно исследованы.

Наконец, на корпусах ПЭД с защитным монельным покрытием встречаются подпленочная и гальваническая коррозии. Эти виды коррозионного разрушения не зафиксированы у отечественного оборудования с защитными покрытиями на основе газоплазменного напыления. Причины возникновения подпленочной коррозии до конца не изучены, но мы предполагаем, что ее вызывает попадание пластовой воды или морской воды под монельное покрытие, для которого характерна высокая пористость.

Рис. 1.1.7 – Подпленочная коррозия

Причиной гальванической коррозии может стать царапина на молельном покрытии, полученная при спуске оборудования и впоследствии вызвавшая сильный гальванический ток между корпусом двигателя и монельным покрытием. Сильный гальванический ток может привести к образованию сквозного отверстия меньше чем за два месяца [2].

  1.  Механизм протекания коррозии

Коррозионные разрушения происходят за счет окислительно-восстановительных процессов, происходящих на поверхности раздела фаз. Внутренняя коррозия сталей при наличие пластовой воды, электролита, происходит вследствие протекания электрохимических реакций, реакций сопровождающихся протеканием электрического тока между отдельными участками поверхности. Электрохимическая коррозия возникает в результате работы множества макро- или микрогальванопар в металле, соприкасающемся с электролитом, то есть образуются анодные и катодные участки.

Анодом является металл с более высоким отрицательным потенциалом, катодом является металл с меньшим потенциалом. Между ними возникает электрический ток.

На аноде происходит реакция окисления:

Fe + 2еFe2+

(1)

На анодных участках атомы железа переходят в раствор в виде гидратированных катионов Fe2+, то есть происходит анодное растворение металла и процесс коррозии распространяется вглубь металла. Оставшиеся свободные электроны перемещаются по металлу к катодным участкам.

На катоде происходит реакция восстановления:

+ + 2e  2Нaдс

(2)

При водородном показателе среды рН < 4,3 происходит разряд всегда присутствующих в воде ионов водорода и образование атомов водорода с последующим образованием молекулярного водорода:

Н + Н  Н2

(3)

В результате протекания электрического тока анод разрушается: частицы металла в виде ионов Fe2+ переходят в воду или эмульсионный поток. Анод, разрушаясь, образует в трубе свищ [3].


ГЛАВА 2. ФАКТОРЫ КОРРОЗИОННОГО РАЗРУШЕНИЯ

Факторы, влияющие на внутреннюю коррозию

На интенсивность протекания внутренней коррозии, влияют следующие факторы:

  1.  химический состав пластовой воды;
  2.  содержание кислорода, сероводорода и углекислого газа;
  3.  режим течения потока;
  4.  водородный показатель pН среды, температура потока и
  5.  концентрация карбоната железа;
  6.  парциальное давление углекислого газа;
  7.  сварные швы и фланцевые соединения;
  8.  внутренний диаметр трубы, скорость потока и обводненность.

При этом важно рассматривать все факторы в комплексе, с учетом их взаимного влияния [4].

  1.  Химический состав пластовой воды

Растворенные в пластовой воде соли являются электролитами, поэтому увеличение их концентрации до определенного предела повысит электропроводность среды и, следовательно, ускорит процесс коррозии.

Рис. 2.1 – Зависимость интенсивности коррозии от минерализации воды

Однако дальнейшее уменьшение интенсивности коррозии связано с тем, что происходит:

  1.  уменьшение растворимости газов в воде;
  2.  возрастание вязкости воды, а, следовательно, затрудняется диффузия, подвод растворимых газов и ионов к поверхности трубы к катодным участкам [5].

В общем случае, в состав пластовых вод входят растворенные ионы гидрокарбоната HCO3-, водорода Н+, гидроксида ОН-, железа Fe2+, хлора Cl-, натрия Na+, калия K+, кальция Ca2+, магния Mg2+, бария Ba2+, стронция Sr2+, ацетата CH3COO-, гидросульфата НSO4-, а также растворенные газы, такие как CO2 и H2S. В некоторых случаях, концентрация растворенных солей может быть очень высокой, более 10 мас. %. Также в пластовых водах могут присутствовать органические кислоты, в частности уксусная кислота C2H4O2, которые могут повлиять на интенсивность коррозии [6]. 

  1.  Влияние кислорода

Растворенный кислород инициирует кислородную коррозию при очень низких концентрациях менее 1 мг/л. Кислород не содержится в продуктивных пластах, и его присутствие в коррозионной среде всегда имеет техногенное происхождение. Проникновение кислорода в коррозионную среду происходит в результате нарушения герметичности насосов, запорной и регулирующей арматуры.

Другой источник кислорода – вода из природных источников, используемая для заводнения пластов и содержащая до 7 мг/л растворенного кислорода. Кислород выступает в коррозионном процессе в качестве сильного окислителя, а также при углекислотной коррозии стали, особенно в присутствии водорастворимых и вододиспергируемых ингибиторов коррозии, даже при низких концентрациях, менее 0,05 мг/л, вызывает питтинговую и язвенную коррозии.

Стоит отметить, что роль кислорода в коррозионных процессах несоизмеримо выше, чем сероводорода и углекислого газа, вследствие различий их окислительных способностей и парциальных давлений [7].

  1.  Влияние сероводорода 

Сероводород содержится в продукции скважин многих нефтяных и газовых месторождений и в сочетании с пластовой водой приводит к образованию серной кислоты, в результате чего и происходит сероводородная коррозия. Стоит отметить, что сероводород, обладая высокой, до 3 г/л при 30 °С, растворимостью в воде, ведет себя как сильная кислота, при парциальном давлении выше 0,05 МПа [8]. Процесс старения месторождения сопровождается увеличением содержания сероводорода в потоке продукции скважины [4].

При росте концентрации сероводорода в 20 раз интенсивность коррозии увеличивается в 2–3 раза [8]. Откладываясь на поверхности металла в виде осадка черного цвета, сульфиды железа образуют с металлом гальваническую пару, в которой играют роль катода. Разность потенциалов способствует образованию глубоких язвенных повреждений.

По имеющимся данным, интенсивность коррозии углеродистой стали интенсивно возрастает с ростом концентрации сероводорода от 0 до 150 мг/л, после чего снижается [8]. Совместное действие сероводорода Н2S и углекислого газа СО2 приводит к более интенсивным коррозионным разрушениям, чем раздельное действие этих веществ [7].

Растворенный сероводород может выступать как фактором, замедляющим интенсивность углекислотной коррозии, так и ее активатором в зависимости от его концентрации. Если соотношение концентрации Н2S и СО2 составляет порядка 0,001, то сероводород способствует образованию карбоната железа, который значительно снижает интенсивность углекислотной коррозии. Однако при увеличении содержания Н2S карбонат железа разрыхляется, и интенсивность коррозии резко увеличивается. А при дальнейшем повышении содержания сероводорода и достижении определенного уровня его концентрации, из раствора выпадает осадок – сульфид железа – ингибитор углекислотной коррозии, в результате чего интенсивность коррозии вновь падает [9].

По некоторым данным, при наличии в среде только сероводорода глубина проникновения коррозии достигает 1-1,5 мм/год, а в присутствии одновременно сероводорода и кислорода – 6-8 мм/год [8]. Основная опасность коррозионных сред, обогащенных сероводородом, не возрастание интенсивности коррозии, а усиление наводороживания стали, приводящее к охрупчиванию и растрескиванию металла.

Сероводород продуцируется также и сульфатвосстанавливающими бактериями (СВБ), что характерно для нефтяных месторождений в средней и поздней стадиях разработки. Наличие СВБ при определенных условиях способствует интенсификации коррозионных процессов. Попадая с пластовой водой или водой поверхностных водоемов в продуктивные пласты и далее в системы сбора нефти, бактерии восстанавливают свою активность, так как в трубопроводах и технологических емкостях существуют застойные зоны и участки с благоприятной для их развития постоянной температурой 25–40 °С.

Бактерии существуют как в планктонных, то есть в свободно плавающих, так и в адгезированных, а именно в прикрепленных к стенкам оборудования и образующих колонии, формах [7]. Под слоем СВБ протекает реакция продуцирования сероводорода из сульфатов и сульфитов. Сероводород затем взаимодействует с металлом оборудования с образованием сульфида железа, в результате развивается локальная коррозия.

Поэтому адгезированные формы СВБ являются более опасными в коррозионном отношении. Наиболее подвержены бактериальному заражению обсадные колонны скважин, концевые участки трубопроводов системы сбора нефти и газа, донная часть резервуаров, трубопроводы систем поддержания пластового давления (ППД). Коррозионные разрушения, вызванные СВБ, носят характер больших по площади неглубоких язв, зачастую почти правильной концентрической формы [8].

  1.  Влияние углекислого газа

Наряду с сероводородом углекислый газ причиняет огромный вред оборудованию и трубопроводным системам нефтяных, газовых и газоконденсатных скважин. Независимо оттого, чем представлена продукция скважин: нефтью, газом, газовым конденсатом, углекислый газ в сочетании с конденсатными и пластовыми водами, приводит к углекислотной коррозии. Углекислотная коррозия протекает в результате электрохимического взаимодействия [10]. Углекислый газ в водном растворе может находиться в растворенной форме, в виде недиссоциированных молекул угольной кислоты, гидрокарбонат-ионов (НСО3-) и карбонат-ионов (СО32-). Максимальная концентрация растворенного в воде углекислого газа составляет 0,08% [4]. 

Однако в определенных условиях коррозия в присутствии углекислого газа может развиваться и в результате химического взаимодействия с металлом. Известны случаи, когда при повышенных температурах и давлениях происходит обезуглероживание стали и обеднение ее другими компонентами. Углекислый газ оказывается опасным даже для никеля, особенно в присутствии сернистого газа и сероводорода. При высоких температурах с углекислым газом энергично взаимодействует также молибден и ниобий.

В результате на поверхности металла стенки трубы образуются твердые отложения карбоната железа (FeCO3), которые выполняют функцию барьерных элементов и препятствуют дальнейшему развитию коррозионного процесса [9]. Однако в определенных условиях коррозионные поражения сталей в присутствии углекислого газа носят локализованный характер и проявляются в виде питтингов и язв различных размеров. Локальная коррозия в этих местах может достигать нескольких мм в год [10].

Основным видом коррозивных повреждений трубопроводов системы сбора при протекании углекислотной коррозии является локальная коррозия в виде язв и свищей. Наряду с этим, возможна так называемая канавочная коррозия – коррозивное повреждение напоминает канавку переменной глубины, «проточенную» по нижней образующей трубопровода. Длина канавки варьирует от 0,3–0,6 до 2–4 м. Сроки эксплуатации трубопроводов системы сбора нефти до появления первых сквозных повреждений в результате внутренней коррозии, в зависимости от существующих в них коррозивных условий, составляют от 9 мес. до 12 лет при нормативном сроке службы 10 лет [7].

При образовании канавки достаточной глубины происходит разрыв трубопровода. Причина разрыва – снижение несущей способности трубопровода из-за уменьшения толщины стенки в канавке. При разрывах большой длины всегда можно выделить не очень большую зону зарождения разрушения, представленной в виде свища, язвы или канавки, и зону механического дорыва, распространяющуюся в обе стороны от зоны зарождения. На интенсивность протекания углекислотной коррозии в трубопроводных системах большое влияние оказывает режим течения потока добываемого флюида [4].

  1.  Водородный показатель рН среды и температура потока

В общем случае, влияние водородного показателя pН среды на интенсивность протекания коррозии, представленное на рис. 2.5, можно разделить на три зоны:

  1.  Сильнокислая среда, интенсивность коррозии чрезвычайно быстро возрастает с понижением рН среды, при рН < 4,3;
  2.  Скорость коррозии мало зависит от рН среды, при 4,3 < рН < 9;
  3.  Сильнощелочная среда, интенсивность коррозии убывает с ростом рН среды, при 9 < рН < 13. Коррозия практически прекращается при рН = 13.

В первой зоне на катоде протекает реакция разряда ионов водорода и образование молекулярного водорода; во второй и третьей зоне – идет реакция образования ионов гидроксида ОН-.

Температура оказывает непосредственное влияние на интенсивность протекания процессов коррозии металла. Повышение температуры увеличивает скорость движения ионов, а, следовательно, и интенсивность коррозии. С повышением температуры при уменьшении рН среды (рН < 4,3) процессы окисления металлов протекают значительно быстрее, что приводит к увеличению интенсивности коррозии, так как в этом случае осаждение и образование защитных пленок, в частности карбоната железа FeCO3, на поверхности металла стенок труб не происходит. Однако при увеличении рН среды (рН > 4,3) повышение температуры приводит к ускорению осаждения и образования защитных пленок, в результате чего интенсивность коррозии снижается [5].

Рис. 2.5 –График зависимости интенсивности коррозии от водородного показателя pН среды

При температуре более 80 °С, защитная пленка кристаллизуется и становится более прочной, что приводит к снижению интенсивности коррозии. При снижении температуры ниже 60°С, пленка принимает рыхлую структуру, вследствие чего легко отслаиваться от металла при движении потока флюида, что приводит к росту интенсивности коррозии. Стоит отметить тот факт, что наибольшая интенсивность коррозии наблюдается в интервале температур между 60 °С и 80 °С [6].

  1.  Водородный показатель рН среды и концентрация карбоната железа

Водородный показатель pH среды характеризует активность водородных ионов в потоке флюида и влияет на растворимость продуктов коррозии, а именно карбоната железа FeCO3, и возможность образования защитных пленок на поверхности металла труб. Исследования показали, что увеличение рН среды с 5 до 6 снижает растворимость ионов Fe2+ в 100 раз. A. Dugstad и др. установили зависимости насыщения FeCO3 от парциального давления углекислого газа и рН среды, результаты которых представлены на рис. 10.

Рис. 2.6 – Графики зависимостей предельной растворимости ионов Fe2+ от рН среды в случае образования защитной пленки FeCO3 при разных парциального давления углекислого газа

При уменьшении рН среды (рН < 4,3), то есть с увеличением кислотности среды, окислительные свойства ионов водорода Н-, возрастают, что приводит к увеличению интенсивности коррозии. Однако при увеличении рН среды (рН > 4,3) растворимость ионов Fe2+ снижается, что свидетельствует о высокой перенасыщенности. Это, в свою очередь, приводит к ускорению осаждения и образованию защитных пленок FeCO3 на поверхности металла стенок труб. По этой причине в случае присутствия углекислого газа в потоке флюида с рН> 5, вероятность образования пленки увеличивается, что приводит к снижению интенсивности коррозии [6].

  1.  Парциальное давление углекислого газа

Рост рабочего давления в трубопроводной системе влечет за собой увеличения парциального давления. В случае отсутствия образования защитных пленок FeCO3 на поверхности металла стенок труб, то есть при низком рН среды, повышение парциального давления СО2 (рСО2) приводит к увеличению концентрации H2CO3, вследствие чего и происходит рост интенсивности углекислотной коррозии.

При высоком рН среды повышение парциального давления СО2 приводит к ускоренному осаждению и образования защитных пленок FeCO3, вследствие увеличения концентрации гидрокарбонат-ионов (НСО3-) и карбонат-ионов (СО32-), в результате чего интенсивность коррозии снижается [6].

В нефтегазодобывающей промышленности можно выделить два типа систем, где коррозия обусловлена присутствием углекислого газа:

  1.  с высокими парциальными давлениями;
  2.  с низкими парциальными давлениями.

В обоих случаях коррозия обусловлена наличием минерализованной водной фазы и растворенном в ней углекислого газа.

ВНИИГАЗом была предложена классификация систем по их коррозионности в зависимости от температуры и парциального давления углекислого газа (PCO2). К малокоррозионным отнесены среды с PCO 2 < 0,02 МПа, к высококоррозионным – с PCO2 > 0,2 МПа.

Аналогичные работы были выполнены и в других странах. Так, по рекомендациям Американского института нефти (API), системы с PCO2 < 0,05 МПа считаются коррозионно неопасными, при PCO2 от 0,05 до 0,2 МПа возможна средняя, а при PCO2 > 0,2 МПа высокая интенсивность коррозии.

  1.  Сварные швы и фланцевые соединения

Наибольшему коррозионному износу подвержены участки трубопроводной системы вблизи сварных швов и фланцевые соединения, в случае внезапного изменения поперечного сечения, механизм которых представлен на рис. 2.8.1 и рис. 2.8.2. На этих участках происходит местное изменение траектории течения потока флюида, что приводит к увеличению турбулентной активности, которая и оказывает изнашивающее воздействие на стенку трубы.

Рис. 2.8.1 – Особенность протекания коррозионного износа вблизи сварного шва при турбулентном течении потока [6]

Рис. 2.8.2 – Особенность протекания коррозионного износа вблизи фланцевые соединения при турбулентном течении потока [6]

Локальные коррозионные повреждения возникают как по основному металлу трубы, так и по заводскому шву или рядом с ним, но первые коррозионные повреждения, как правило, возникают в зонах термического влияния сварных заводских или стыковочных швов. Когда с течением времени локальные коррозионные повреждения увеличиваются в размерах и объединяются друг с другом, они образуют канавку.

При образовании канавки достаточной глубины происходит разрыв трубопровода. Причина разрыва – снижение несущей способности трубопровода из-за уменьшения толщины стенки в канавке. При разрывах большой длины всегда можно выделить не очень большую зону зарождения разрушения, представленной в виде свища, язвы или канавки, и зону механического дорыва, распространяющуюся в обе стороны от зоны зарождения [7]. 


ГЛАВА 3. МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ МЕТАЛЛОВ ОТ КОРРОЗИИ

Коррозию металлов можно затормозить изменением потенциала металла, пассивированием металла, изменением состава металла, изоляцией поверхности металла от окислителя, снижением концентрации окислителя и др. Выбор того или иного способа определяется его экономичностью и эффективностью в каждом случае. Все методы защиты от коррозии можно условно разделить на пять групп, при этом для повышения эффективности защиты допускается одновременное использование двух и более методов.

Первая группа методов: создание рациональных конструкций. Создание рациональных конструкций подразумевает, что выбор материалов и их сочетания должны обеспечивать высокую коррозионную устойчивость, а форма узлов и деталей — допускать быструю очистку и смазку.

Вторая группа методов: защитные покрытия. Защитные покрытия представляют собой слои, искусственно создаваемые на поверхности металлических изделий и сооружений для предохранения их от коррозии. Защитные покрытия бывают металлические и неметаллические. Выбор вида покрытия зависит от условий, в которых используется изделие из металла. Методы нанесения металлических защитных слоев разнообразны, их делят на высокотемпературные и электрохимические. К высокотемпературным методам можно отнести следующие. Во-первых, метод окунания, который применяют для нанесения покрытий из легкоплавких металлов на более тугоплавкие. Так покрывают стальные листы оловом, цинком и свинцом. Сущность метода сводится к тому, что в расплавленный металл, из которого хотят приготовить покрытие, через слой флюса погружают стальной лист и затем вынимают его, в результате чего металл кристаллизуется на поверхности.

Во-вторых, металлизация, которая представляет собой нанесение металлических покрытий на поверхность изделия путем распыления жидкого металла. Распыление осуществляется в дуговом, искровом илиплазменном разряде.

В-третьих, планкирование — нанесение пленок из защитного металла путем совместного проката. Этот метод используется для листов, прутков, угольников. Примером может служить дюраль, планкированный алюминием, сталь, планкированная нержавеющей сталью.

Электрохимические методы нанесения металлических покрытий основаны на электролизе. Металлические защитные слои осаждаются на поверхности изделия, которое в электролизере представляет собой катод. В качестве материалов для металлических покрытий могут использоваться как чистые металлы (цинк, кадмий, алюминий, никель, медь, хром, серебро и др.), так и их сплавы (бронза, латунь и др.). В зависимости от активности металла, выполняющего роль защитного покрытия, различают катодные и анодные покрытия. К катодным относят покрытия, потенциалы которых в данной среде имеют более положительные значения по сравнению с потенциалом защищаемого металла.

Рис. 3.1 – Схема коррозии металла в кислом растворе при нарушении катодного покрытия

К анодным покрытиям относят покрытия, потенциалы которых в данной среде имеют более отрицательные значения, чем потенциал защищаемого (основного) металла. Так, для анодного покрытия стали служит цинк. В этом случае основной металл будет катодом коррозионного элемента, поэтому он не корродирует.

Рис. 3.2 – Схема коррозии металла в кислом растворе при нарушении анодного покрытия

Неметаллические защитные покрытия бывают как органическими, так и неорганическими. Их защитное действие главным образом сводится к изоляции металла от окружающей среды.

В качестве неорганических покрытий применяют неорганические эмали, оксиды металлов, соединения хрома, фосфора и др. Эмалированию подвергаются черные и цветные металлы, которые используют в производстве аппаратуры для химической и пищевой отраслей промышленности, в производстве изделий домашнего обихода. Неорганические эмали по своему составу — силикаты. В качестве основного недостатка таких покрытий можно назвать хрупкость и растрескивание при тепловых и механических ударах. Впрочем, в процессе совершенствования состава покрытий эти недостатки постепенно минимизируются: на сегодняшний день уже создано несколько видов силикатных эмалей и специальных оксидов, которые позволяют работать при достаточно больших ударных нагрузках и значительной амплитуде температур.

Образование на поверхности металлических изделий защитных оксидных пленок при химической обработке металла называют оксидированием. Вместе с оксидированием может применяться заполнение оксидного слоя специальными полимерами, которые исключают проникновение окислителей через поры к основному металлу, а также улучшают условия работы элементов при контакте — например, уменьшают трение. Некоторые процессы имеют специальные названия. Так, процесс нанесения на сталь оксидных пленок называют воронением, а электрохимическое оксидирование алюминия — анодированием. Фосфатные покрытия на стали получают из растворов ортофосфорной кислоты и ортофосфатов марганца и цинка (например, ZnHPO4 + H3PO4). При реакции образуется пористый кристаллический фосфат металла, хорошо сцепленный с поверхностью стали. Сами по себе фосфатные покрытия не обеспечивают достаточной защиты от коррозии, поэтому их используют  качестве подложки под краску, что повышает сцепле ние лакокрасочного покрытия со сталью и уменьшает коррозию в местах царапин. К органическим относятся лакокрасочные покрытия, покрытия смолами, пластмассами, полимерными пленками, резиной. При защите подземных трубопроводов применяют обмотку их полиэтиленом в виде липкой изоляционной ленты.

Наиболее распространено и практически незаменимо лакокрасочное покрытие, которое должно быть сплошным, беспористым, газо- и водонепроницаемым, химически стойким, эластичным, обладать высоким сцеплением с материалом, механической прочностью и твердостью.

Лакокрасочные покрытия делят на две группы: лаки и краски (эмали). Эмали представляют собой смесь нерастворимых частиц пигмента, взвешенных в однородном органическом связующем. Лаки обычно состоят из смеси смолы или высыхающего масла с летучим растворителем.

Третья группа методов: легирование металлов. Легирование металлов — эффективный, но дорогостоящий путь повышения коррозионной стойкости металлов. При легировании в состав сплава вводят компоненты, вызывающие пассивацию металла: хром, никель, вольфрам и др. Легирование может быть поверхностным и объемным. Поверхностное легирование представляет собой насыщение поверхности сплава металлом, который при высоких температурах окисляется энергичнее, чем железо, и образует при этом плотную защитную пленку оксида. Так, легирование стали осуществляют алюминием (алитирование), хромом (хромирование) или кремнием (силицирование). Объемное легирование применяется более часто.

Его проводят одновременно с получением того или иного конструкционного материала. Так, хром и никель, введенные в сталь, диффундируя к поверхности, образуют оксидный слой, содержащий шпинели состава: NiO·Cr2O3 и FeO·Cr2O3. Примерами могут служить нирезист (никелевый чугун с 14–28%-ным содержанием никеля), сталь 15Х2М2Н3Ф для штанг, сталь 20Х13 для ЦНС.

Четвертая группа методов: изменение свойств коррозионной среды. Суть этих методов заключается в уменьшении концентрации опасных в коррозионном отношении компонентов для снижения агрессивности среды. Например, агрессивность среды можно уменьшить снижением концентрации ионов H+, то есть повышением рН: для этого в воду добавляют NaOH, Na3PO4, NH3. При рН = 8,8 коррозия с водородной деполяризацией практически прекращается.

Применение этих методов не всегда экономически оправдано, учитывая, что подавляющая часть коррозионной среды не соприкасается с оборудованием.

Также для защиты от коррозии широко применяют ингибиторы. Это вещества, которые пассивируют поверхность металлов и препятствуют развитию коррозионных процессов. Ингибиторами могут быть как неорганические, так и органические вещества. Неорганические вещества применяются редко, главным образом при травлении металлов. Кислые растворы (H2SO4, H3PO4) растворяют оксидную пленку на метал ле, а потом начинают растворять и сам металл. При добавлении соединений свинца — (CH3COO)2Pb — свинец осаждается на металлической поверхности, обнаженной от оксидной пленки, и прекращает ее растворение:

Me0 + Pb2+ = Pb0 + Me2+.

Пятая группа методов: электрохимическая защита. Среди методов электрохимической защиты различают анодную, катодную и протекторную защиту. Этот метод основан на торможении анодных и катодных реакций коррозионного процесса. При работе коррозионной гальванической пары активный участок, анод, разрушается и переходит в ионное состояние, развивая при этом некоторый отрицательный потенциал. Если на изделие извне наложить больший отрицательный потенциал, чем развивает анод, то процесс коррозии прекратится.

Рис.3.3 – Электрохимическая защита

Рис 3.4 – Основные способы защиты морского сооружуния

Метод протекторов заключается в том, что к изделию, подвергающемуся электрохимической коррозии, подключают деталь — протектор, изготовленный из еще более активного металла, чем металл изделия. В этом случае протектор (анод) будет разрушаться, а изделие (катод) останется неизменным.

Для изготовления протекторов большей частью используют магний и его сплавы, цинк, алюминий. Применение протектора необходимо, если, например, для защиты стального вала ЭЦН используются бронзовые или латунные защитные втулки. Втулки имеют меньшую активность с точки зрения поляризации, что без применения протектора может привести к быстрому разрушению стального вала. Метод внешнего потенциала, или так называемая катодная защита, заключается в том, что защищаемое изделие подключается к отрицательному полюсу внешнего источника постоянного тока, следовательно, оно становится катодом, тогда как анодом служит вспомогательный электрод. Анод растворяется, на катоде выделяется водород. Катодную защиту применяют к подземным трубопроводам, кабелям, оборудованию химических заводов [1].


ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В добываемой продукции скважин присутствует попутно извлекаемая пластовая вода, растворенные в ней газы такие как: сероводород и углекислый газ, что, в свою очередь, характеризует ее как высоко коррозионную среду. Сами по себе нефть и нефтяной газ не вызывают коррозионное разрушение, вследствие того, что они сами являются ингибиторами, так как в них содержаться природные ПАВ. Однако стоит отметить, что пластовая (морская) вода является электролитом, наличие в продукции которой, приводит к протеканию электрохимических реакций между отдельными участками поверхности трубопровода, в результате чего и происходит внутренняя коррозия металла нефтепромыслового оборудования, сооружения.

Ежегодные потери компании от коррозионного воздействия на нефтепромысловое оборудование, объекты нефтегазодобычи, систему трубопроводного транспорта и так далее колоссальные, что, конечно же, не может не повлиять на общие затраты нефтедобывающей компании, значительно увеличивая себестоимость 1 тонны добываемой нефти. Различные механизмы коррозии дают широкий спектр форм коррозивных повреждений – от относительно равномерной коррозии до питтинговой и локальной с глубиной проникновения до 2–6 мм/год. Используемые методы защиты металла от коррозии весьма разнообразны, но степень эффективности в различных условиях эксплуатации объекта тоже различна.

Поэтому инженерам-нефтяникам на этапе проектирования объектов месторождения необходимо уделять повышенное внимание проблеме коррозии, уметь вовремя ее предупредить на начальном этапе возникновения и ликвидировать, тем самым увеличивая срок службы оборудования, сооружения.


СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

  1.  Иваноский В.Н. Теоритические основы процесса коррозии нефтепромыслового оборудования//Инженерная практика. №6-2010. – с.4-14
  2.  Якимов С.Б. В.Н. Виды коррозии //Инженерная практика. №6-2010. – с.48-55
  3.  Сваровская Н.А. Подготовка, транспорт и хранение скважинной продукции: Учебное пособие. – Томск: Изд. ТПУ, 2004. – 268 с.
  4.  Y. Bai, Q. Bai. Subsea engineering handbook. Gulf Professional Publishing. Elsevier Inc., 2010.
  5.  Внутренняя коррозия трубопроводов – причины, механизм и способы защиты  Режим доступа http://oilloot.ru/84-oborudovanie-truby-materialy-dlya-nefti-i-gaza/446-vnutrennyaya-korroziya-truboprovodov-prichiny-mekhanizm-i-sposoby-zashchity, свободный. – Загл. с экрана. – Данные соответствуют 4.11.2014 г.
  6.  Barker R.J. Erosion-Corrosion of Carbon Steel Pipework on an Offshore Oil and Gas Facility: submitted in accordance with the requirements for the degree of Doctor of Philosophy. The University of Leeds, December 2012. –300 p.
  7.  Маркин А.Н., Низамов Р.Э., Суховерхов С.В. Нефтепромысловая химия: практическое руководство. Владивосток: Дальнаука, 2011. – 288 с.
  8.  Саакиян Л.С., Ефремов А.П., Соболева И.А. Повышение коррозионной стойкости нефтегазопромыслового оборудования. – М.: Недра, 1988. –211 c.
  9.  Топольников А.С. Прогнозирование углекислотной коррозии подземного оборудования нефтедобывающих скважин// Инженерная практика. 2011. № 8. С. 94.
  10.  Стеклов О.И., Басиев К.Д., Есиев Т.С. Прочность трубопроводов в коррозийных средах. Владикавказ: РИПП. 1995. 152 с.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

44240. ПОРЯДОК ЛИЦЕНЗИРОВАНИЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ПО СБОРУ, ИСПОЛЬЗОВАНИЮ, ОБЕЗВРЕЖИВАНИЮ, ТРАНСПОРТИРОВКЕ, РАЗМЕЩЕНИЮ ОТХОДОВ I – IV КЛАССА ОПАСНОСТИ 471 KB
  При такой форме контроля лимиты на экологическое воздействие установок устанавливаются так, чтобы защитить соответствующий компонент окружающей среды (воздух, воду или почву) лишь до определенного уровня, выраженного стандартом качества окружающей среды
44241. Электрокардиограф. Диагностическая система для сбора данных и анализа сердечной деятельности человека 1.14 MB
  Современные методы анализа ЭКГ В клиническую практику вошли новые способы снятия ЭКГ: длительная регистрация электрокардиограммы на магнитную ленту или в память ЭВМ передача электрокардиограммы по телефону телеэлектрокардиография и др. Однако часто ЭКГ снимают по-прежнему при помощи самописца что хотя и является достаточно простым проверенным временем способом но обладает рядом недостатков: трудность сравнительного анализа электрокардиограмм в разные периоды времени необходимость использования специальной диаграммной бумаги...
44242. Изучение теоретических и практических основ учета и анализа оплаты труда, а так же разработка предложений по его совершенствованию в ООО «Росгосстрах» 556 KB
  Оплата труда заработная плата представляет собой один из основных факторов социально – экономической жизни страны коллектива человека. Учет труда и заработной платы по праву занимает одно из центральных мест во всей системе учета на предприятии. Он должен обеспечить оперативный контроль над количеством и качеством труда за использованием средств включаемых в фонд заработной платы и выплаты социального характера. При переходе к рыночной экономике произошли кардинальные изменения во многих сферах экономической деятельности в том числе и в...
44243. Изучение порядка и оценка правильности учета затрат и калькулирования себестоимости строительно-монтажных работ на предприятии «Пермавтодор» 459.5 KB
  Под себестоимостью строительных работ понимаются затраты строительной организации на их производство и сдачу заказчику. Целью учета себестоимости строительных работ является своевременное полное и достоверное отражение фактических затрат связанных с производством и сдачей этих работ заказчику по видам и объектам строительства выявление отклонений от применяемых норм и плановой себестоимости а также контроль за использованием материальных трудовых и финансовых ресурсов. Целью выполнения данной работы было изучение порядка и оценка...
44244. Анализ качества атмосферного воздуха в салоне автотранспортных средств (АТС) 650 KB
  Вызывает тревогу тот факт что несмотря на проводимую работу выбросы загрязняющих веществ в атмосферу от автотранспортных средств увеличиваются в год в среднем на 31. В масштабах страны доля транспорта в суммарных выбросах загрязняющих веществ в атмосферу от всех источников достигает 45 в выбросах парниковых газов примерно 10 в массе промышленных отходов 2 в сбросах вредных веществ со сточными водами около 3 в потреблении озоноразрушающих веществ не более 5 Чуйкова 1996. т вредных веществ что представляет серьезную...
44245. Разработка рекомендаций по использованию стратегии диверсификации в организации на примере «ООО Премьер» 439.5 KB
  Сущность и виды стратегии диверсификации Разработка рекомендаций по использованию стратегии диверсификации в организации на примере ООО Премьер Рекомендации по реализации стратегии диверсификации Динамичность развития и глобализация современной мировой экономики обусловили необходимость диверсификации как способа снижения рисков неопределенности внешней среды и повышения конкурентоспособности компаний.
44246. Анализ и оценка текущего финансового состояния предприятия, и разработка возможных рекомендаций по его улучшению и эффективности деятельности ФГУП «ПО Завод имени Серго» 8.75 MB
  Цель работы провести анализ и оценку текущего финансового состояния предприятия и разработать рекомендации по его улучшению и эффективности деятельности предприятия. Рассмотрены теоретические и методологические основы финансового анализа его роль и значение в эффективности деятельности предприятия. Произведен полный анализ финансового состояния предприятия за 20092010 года предложены пути совершенствования финансовой и хозяйственной деятельности предприятия....
44247. Основные принципы и закономерности микромира 649 KB
  Квантовая (волновая) механика пытается объяснить как корпускулярные, так и волновые свойства веществ. Гипотеза об универсальности корпускулярно-волнового дуализма была предложена Луи де Бройлем в 1923 г. Он утверждал, что не только фотоны, но и электроны, и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают волновыми свойствами
44248. Изучение основных характеристик микрофлюидного чипа, определяющих его аналитические свойства 3.92 MB
  Смачиваемость поверхности.42 Изменение смачиваемости в зависимости от шероховатости поверхности. Измерения контактных углов после физической обработки поверхности. Измерения контактных углов после химической обработки поверхности.