Регистрация / Вход
Прислать материал

14.577.21.0185

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.577.21.0185
Тематическое направление
Рациональное природопользование
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный университет(национальный исследовательский университет)"
Название доклада
Создание современных конструкционных металлических материалов устойчивых к сероводородной коррозии, разработка и изготовление из них запорной арматуры газонефтедобывающих месторождений с целью снижения аварийности
Докладчик
Чуманов Илья Валерьевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью ПНИЭР является разработка технологии современных конструкционных металлических материалов устойчивых к сероводородной коррозии, разработка и изготовление из них запорной арматуры газонефтедобывающих месторождений, апробация в лабораторных и промышленных условиях, а также внедрение полученных по разработанной технологии материалов в действующее производство.
Актуальность и новизна исследования
Российская федерация является крупнейшим газо-нефтедовающим государством в мире, которое активно расширяет свои границы добычи не только на суше, но и в море: 22 августа премьер-министр России Дмитрий Медведев подписал постановление правительства, согласно которому морское дно и недра подводного района в центральной части Охотского моря за пределами 200 морских миль являются российским континентальным шельфом. По оценкам геологов, на Примагаданском шельфе общий объем разведанных запасов нефти превышает миллиард тонн.
Однако, с открытием и освоением нефтегазовых месторождений в составе продукции скважин которых содержится сероводород, проблема защиты металлоконструкций от сероводородной коррозии встала со всей остротой. В России более 20% разведанных месторождений газа имеют сероводород и углекислый газ. По данным Ростехнадзора, на территории России в эксплуатации находится около 350 тыс. км промысловых трубопроводов (ПТ), на которых ежедневно отмечается 20 тыс. случаев нарушения герметичности, приводящих к потерям нефти и загрязнению окружающей среды. По информации «Гринпис», картина выглядит еще более ужасающе: 30-50 тыс. аварий в год, которые приводят к разливу 10-20 млн. тонн нефти. При этом около 90 % аварий происходит по причине коррозионного поражения материала труб и запорной арматуры.
Поскольку целью работы является разработка технологии создания современных конструкционных металлических материалов устойчивых к сероводородной коррозии, то работа является актуальной.
Описание исследования

Одними из самых подвергаемых коррозии деталей фонтанной арматуры является запорное оборудование типа шиберных задвижек, которые работают в агрессивных условиях высокого давления в сочетании с коррозионностью рабочей среды, температуры и влажности окружающего воздуха. Соответственно, при её производстве исходят требования к применяемым материалам и уровням качества данного оборудования, которые должны быть определены в соответствии с ГОСТ Р 51365 или требованиями американского нефтяного института API-6A.

Альтернативой зарубежным материалам и российским изделиям получаемым традиционными методами, могут являться наши стали и сплавы, выплавленные методам электрошлакового переплава. Данный вид переплава имеет множество очевидных преимуществ:

-увеличение химической и структурной однородности стали; измельчение дендритного строения;уменьшение содержания кислородных включений в 1,5-2,0 раза, сульфидных и оксисульфидных включений в 10-15 раз; увеличение механических свойств (примерно в 4-5 раз); резкое снижение содержания в них газов и неметаллических включений.

Недостатком традиционного электрошлакового переплава является низкая производительность процесса и сравнительно высокий удельный расход электроэнергии. В то же время электрошлаковая технология обладает достаточной гибкостью, что позволяет использовать её для получения отливок, близких по своей форме и размерам к готовым изделиям. Качество электрошлакового слитка в значительной степени обусловлено условиями кристаллизации металла (степень соответствия поступления скорости кристаллизации, формой ванны, скоростью плавления и др.).

Одним из наиболее перспективных способов повышения производительности, управления кристаллизацией и улучшения рафинирующей способности процесса является переплав с вращением расходуемого электрода. Суть способа в том, что переплавляемый электрод  во время плавки вращается вокруг собственной оси, что позволяет сформировать форму и глубину ванны (то есть управлять  кристаллизацией), а также значительно повысить чистоту металла по неметаллическим включениям. Также несомненным достоинством данного способа является возможность снизить энергетические затраты на 20-30%, увеличив производительность процесса ЭШП на 40%. Ещё одним способом применения данной технологии является получение полой заготовки, которая получается при применении прошивающего дорна в кристаллизаторе. Это позволяет значительно снизить затраты на механическую обработку электрошлакового слитка.

В настоящий момент получены несколько слитков, различного химического состава, выплавленных методом ЭШП по классической технологии и с вращением расходуемого электрода. Исследования показали, что разработанный способ переплава с вращением показал свою эффективность: в процессе переплава наблюдается снижение энергетических затрат, уплотнение кристаллической структуры, повышение качества металла по неметаллическим включениям.

Следующим способом получения коррозионо-стойких деталей запорной арматуры является получения многослойного слитка электрошлаковым способом. Суть способа в том, что во время переплава в ванну, на зеркало металла вводятся дисперсные частицы модификаторов необходимого состава, с равными промежутками времени. Это позволяет получить многослойный слиток, обладающий различными свойствами в различных сечениях.  Многообразие составов модификаторов и составов металла позволяют формировать слои с прогнозируемыми узкоспециализированными свойствами. С помощью данного способа предлагается производить задвижки запорной арматуры, один слой которой будет успешно противостоять сероводородной коррозии (за счет введения дисперсных частиц карбидов, оксидов или нитридов), а другой слой придавать высокие механические свойства, необходимые арматуре в условиях высокого давления, существующей при добыче.

На настоящий момент проведен ряд экспериментов по получению дисперсно-упрочненных корозионно-стойких материалов с различными количествами и типами модификаторов, введенных в металл при разливке на машине центробежного Эксперименты по получению материала проводились путем выплавки металла в индукционных печах "СЭЛТ 001-40/12-Т" и "СЭЛТ-001-15/44-Т", ёмкостью 10 и 35 кг. и разливки на усовершенствованной машине центробежного литья при расчетных параметрах.

 

Результаты исследования

1. Выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИЭР и проведены патентные исследования в соответствии ГОСТ Р  15.011-96касающиеся выполняемой ПНИ.

2. Проведено термодинамическое моделирование фазового состава разрабатываемой композиции стали с целью определения оптимального соотношения элементов в конечном составе стали, обеспечивающем набольшую коррозионную стойкость в условиях повышенного содержания сероводорода и углекислого газа.

3. Решена проблема регулирования и количества поступающего металла количеству кристаллизующегося, поскольку от их соответствия будет зависеть форма ванны, а значит и условия кристаллизации и структура и свойства получаемого слитка. Данная задача решена путём разработки эскизно-конструкторской документации на устройство для вращения расходуемого электрода, его конструирование, установки контролера скорости вращения вращаемого электрода (предполагается установить контролеры фирмы «Митсубиши»), а также отработки режимов плавки для различных размеров переплавляемого электрода и получаемого слитка.

4. Проведен ряд экспериментов по получению корозионно-стойких материалов методом ЭШП: получение цельных слитков по классической и предлагаемой технологиям. Данные эксперименты выполнены на полупромышленной установке электрошлакового переплава А-550

5. Проведен ряда экспериментов по получению дисперсно-упрочненных корозионно-стойких материалов с различными количествами и типами модификаторов, введенных в металл при разливке на машине центробежного литья.

6. Проведено исследование макро-и микро структур полученных экспериментальных материалов. В ходе металлографических исследованийвыявлены зависимости изменения макро-и микроструктур экспериментальных материалов от режимов вращения электрода, типа и количества введенных частиц, их дисперсности, скорости вращения горизонтальной формы изложницы. Исследования изменения микро-структур  проведено на инвертированном микроскопе "Axio Observer MAT" с интегрированной системой анализа  изображения "Thixomet" Подготовка шлифов для исследования будет проводится с помощью пробоподготовки "Buehler".

7. Проведен ряд экспериментов на испытательном комплексе «GLEEBLE 3800». На основе проведенных исследований произведена разработка режимов термообработки экспериментальных коррозионностойких материалов, с целью увеличения механических свойств и повышения стойкости.

8. Проведен ряд экспериментов по исследованию механичесих свойств полученных коррозионно-стойких материалов материалов, включающих в себя испытания на ударную вязкость, предел прочности и предел текучести, твердости.

9. Проведен ряд экспериментов по исследованию стойкости полученных материалов В Российском научно-исследовательском институте трубной промышленности, в  лаборатории коррозионных испытаний, аттестованная «челябинским центром стандартизации, метрологии и сертификации», в которой имеется необходимое оборудование для проведения комплексных исследований коррозионной стойкости материалов. В качестве нормативной базы при проведении испытаний используются ГОСТ 9.905-82 «Методы коррозионных испытаний. Общие требования».

 

Практическая значимость исследования
Разрабатываемая технология создания материалов стойких к сероводородной коррозии будет востребованной на предприятиях металлургической и машиностроительной отрасли. После разработки, апробации и внедрения данной технологии, практически каждое из этих предприятий может являться потенциальным производителем коррозионно-стойких металлических материалов. Потребителем создаваемых материалов является добывающая отрасль промышленности, в частности, это предприятия занимающиеся добычей нефти и газа по всей стране и прилегающим к ней территориям.
Разрабатываемые материалы позволят увеличить долговечность и срок безаварийной эксплуатации запорной арматуры, применяемой при добыче нефти и газа, при одинаковой или меньшей себестоимости по сравнению с существующими материалами. Это в свою очередь приведет к увеличению эффективности добычи нефти и газа, а также снижения затрат на ликвидацию последствий аварий на добывающих предприятиях.
Одним из вариантов влияния результатов исследования на развитие технического потенциала страны является усиление позиций российских предприятий металлургической, машиностроительной и нефтедобывающей сферы на внутреннем и международных рынках.