книги / Эксплуатация оборудования для бурения скважин и нефтегазодобычи

Наиболее типичными катодными реакциями являются вос­ становление водорода и кислорода. Катодная реакция восстанов­ ления иона водорода в газообразный водород протекает в кислых средах по механизму

Н+Н20 + е -» ±H2t + Н20.

Процесс выделения водорода на катодных участках состоит из следующих этапов:

1) дегидратация водорода Н+п Н20 -> Н+ + яН20; 2) присоединение электронов к иону водорода и образование

атомарного водорода Н+ + е -> Hwc;

3)соединение атомов водорода попарно с образованием моле­ кул водорода (молизация) Надс + Надс -> Н2;

4)образование пузырьков из молекул водорода и отделение их от поверхности металла.

Катодная реакция восстановления кислорода с превращением его в ион гидроксида имеет место преимущественно в нейтраль­ ных и щелочных средах и протекает по механизму

0 2 + 2Н20 + 4е -> 40Н"

Суммарная реакция ионизации кислорода в кислых средах

0 2 + 4Н+ + Ае -> 2Н20.

Для процессов электрохимической коррозии мерой химиче­ ской активности металла и степени его термодинамической неус­ тойчивости является электродный потенциал ср металла в данной коррозионной среде, возникающий в связи с образованием двой­ ного электрического слоя. Чем отрицательнее потенциал, тем термодинамически неустойчивее металл и больше его склонность к коррозии.

При объемном поглощении среды твердым телом может про­ исходить химическое взаимодействие сорбтива с сорбентом. По­ добный процесс сорбции получил название хемосорбция.

Механизм контактного взаимодействия химически активных сред с Конструкционными материалами, в частности с металлами и сплавами, основан на их химическом взаимодействии по реак­ ции Me + х -> Me х, приводящем к изменению состава и физи­ ческих свойств этого материала. По отношению к металлам по­ добный процесс получил название химической коррозии, харак­ теризующейся разрушением металла вследствие его непосредст­

венной реакции со средой - неэлектролитом. Например, корро­ зия металлов, вызванная действием таких газов, как СО, С12, NH3, H2S, С 02, перегретый водяной пар или жидких неэлектро­ литов, например, нефти, продуктов ее переработки, органических соединений. Среди многих разновидностей химической коррозии наиболее распространена газовая коррозия, т.е. окисление метал­ лов в атмосфере сухих газов при высокой температуре.

Врезультате взаимодействия ионов металла с кислородом на поверхности металла возникает оксидная пленка, скорость роста которой характеризует скорость коррозии и зависит от скорости химической реакции взаимодействия, скорости диффузии реаги­ рующих веществ через пленку, скорости удаления продуктов ре­ акции.

Вбольшинстве случаев продукция добывающих скважин представляет собой многокомпонентную электролитически про­ водящую среду, состоящую из нефти, пластовой воды, свободно­ го или растворенного углеводородного газа и ряда других рас­ творенных примесей, определяющих ее электрохимическую ак­ тивность по отношению к металлу (сероводород, углекислый газ, кислород, минеральные соли и др.). При контакте металла обо­ рудования с подобной средой развивается его интенсивная элек­ трохимическая коррозия.

Агрессивность самих нефтей, например девонской или угле­ носной свиты, ничтожно мала в том случае, если в них не содер­ жится вода. Содержащаяся в продукции скважин вода образует с нефтью стойкие эмульсии.

Из многих факторов, оказывающих влияние на коррозионную активность подобной системы, важнейшее значение имеет соот­ ношение воды и нефти.

В настоящее время для интенсификации добычи нефти при­ меняют, в основном, искусственное поддержание пластового дав­ ления путем закачки в пласт пресных и сточных вод. В результа­ те значительно возрастает обводненность нефти и, следовательно, увеличивается коррозионная активность продукции скважин. Известно, что пластовая вода, добываемая совместно с нефтью, представляет собой высокоминерализованную среду, содержащую ионы хлора, карбонатов и бикарбонатов, сульфатов калия, маг­ ния, натрия, железа. В ней могут быть растворены газообразные примеси - сероводород, диоксид углерода, углеводородные газы и др.

Разнообразные причины отказов различных элементов обору­ дования для бурения скважин и нефтегазодобычи, обусловлен­ ные рассмотренной спецификой условий его эксплуатации, мож­ но разделить на семь основных групп:

деформация и излом; износ; коррозионные разрушения;

сорбционные разрушения; коррозионно-механические разрушения; сорбционно-механические разрушения; образование отложений твердых веществ.

5.2. ДЕФОРМАЦИЯ И ИЗЛОМЫ ЭЛЕМЕНТОВ ОБОРУДОВАНИЯ

Деформация и излом возникают при чрезмерном увеличении напряжений в материале конструкции, превосходя­ щих соответственно предел текучести или предел прочности. Различают упругие деформации, исчезающие после снятия на­ грузки, и пластические, остающиеся после снятия нагрузки. Ос­ таточные деформации приводят к изменению размеров и конфи­ гурации элементов конструкции.

Изломом называют полное разрушение материала элемента конструкции, приводящее к его расчленению. Изломы разделяют в зависимости от характера нагружения на статический, динами­ ческий и усталостный.

При кратковременной однократной нагрузке возникают дина­ мический или статический изломы. Динамический излом проис­ ходит при высокой скорости приложения нагрузки, например, поверхностный удар. Изломы при однократном действии нагруз­ ки наблюдаются сравнительно редко. Чаще встречаются устало­ стные изломы, являющиеся следствием действия переменных напряжений в течение определенного интервала времени.

В процессе работы машин их детали испытывают воздействие циклических нагрузок. Под действием циклической нагрузки в материале детали накапливаются необратимые изменения, обу­ словливающие возникновение макроскопической трещины, по­ степенное развитие которой приводит к излому.

Процесс постепенного накопления повреждений материала под действием переменных напряжений, приводящий к измене­ нию свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению, получил название - усталость, а способность материала сопро­ тивляться усталостному разрушению принято называть выносли­ востью. Выносливость зависит от свойств самого материала, мак­ симального напряжения и амплитуды цикла. Усталостные изло­ мы возникают при напряжениях ниже предела текучести.

Зарождению усталостной трещины способствует наличие микродефектов и концентраторов напряжений. Усталостный из­ лом имеет очаг разрушения, зону стабильного развития устало­ стной трещины и зону долома.

Усталостные повреждения на первой стадии процесса носят микроскопический и субмикроскопический характер, локализу­ ясь в слабейших зернах, кристаллах и других молекулярных и надмолекулярных образованиях структуры материала. Слиянием субмикроскопических трещин и созданием условий для развития прогрессирующей макроскопической трещины заканчивается первая стадия процесса усталости. Число циклов нагружения, приходящееся на эту стадию, называемую инкубационным пе­ риодом, составляет 60-90 % от полного числа циклов до излома. Вторая стадия, заключающаяся в прогрессивном развитии макро­ скопической трещины, составляет меньшую долю в суммарном числе циклов до излома.

Число циклов напряжений или деформаций, выдержанных изделием до образования усталостной трещины определенной протяженности или до усталостного разрушения, характеризует циклическую долговечность изделия.

Изломы подразделяют на хрупкий и вязкий. Под вязким из­ ломом понимают излом, который происходит при наличии макропластической деформации. Хрупкий излом в отличие от вязко­ го возникает при отсутствии или при незначительных размерах макропластической деформации. При этом пластичность излома определяют не по средней деформации элемента, а по наличию и степени локальной деформации в прилегающем к излому объеме материала. Часто хрупкими считают и такие изломы, которые образуются при наличии местного сужения гладких образцов менее 5 %.

Причиной хрупкого излома являются низкая пластичность самого материала, мгновенное приложение нагрузки, наличие концентраторов напряжений, хладоломкость материала и др.

5.3. ИЗНОС ЭЛЕМЕНТОВ ОБОРУДОВАНИЯ

При подвижном контакте поверхностей элементов конструкций с твердыми телами, жидкостью или газом возника­ ют силы трения.

Процесс постепенного изменения размеров детали при тре­ нии, проявляющийся в отделении с поверхности трения ма­ териала или его остаточной деформации, получил название

134

изнашивания, а результат этого процесса принято называть из­ носом.

Различают изнашивание следующих видов: механическое и молекулярно-механическое.

Механическое изнашивание определяется явлениями чисто механического характера (резание, выламывание частиц, пласти­ ческое деформирование и др.). В свою очередь механическое из­ нашивание подразделяется по механизму изнашивания на сле­ дующие подвиды; абразивное и усталостное.

Абразивное изнашивание - механическое изнашивание мате­ риала в результате режущего или царапающего действия твердых тел.

Усталостное изнашивание происходит при повторных, доста­ точно высоких напряжениях, испытываемых одним и тем же объемом материала, прилегающего к поверхности, в результате чего возникают микротрещины, и происходит местное поверхно­ стное выкрашивание материала. Закономерности протекания этого вида изнашивания такие же, как и при усталостном разру­ шении.

По условиям изнашивания различают механическое изнаши­ вание следующих подвидов: кавитационное, эрозионное, газоаб­ разивное, гидроабразивное и др.

Кавитационное изнашивание происходит при контакте по­ верхностей деталей с потоком жидкости в условиях кавитации, т.е. когда в потоке жидкости образуются газовые пузырьки, раз­ рушение которых при контакте с поверхностью детали сопрово­ ждается гидравлическими ударами.

Эрозионное изнашивание возникает при подвижном контак­ те поверхностей деталей с потоком жидкости или газа. При наличии в потоке жидкости или газа твердых частиц происхо­ дит соответственно гидроабразивное и газоабразивное изнаши­ вание.

Молекулярно-механическое изнашивание также подразделяет­ ся на следующие подвиды: адгезионное и тепловое.

Адгезионное изнашивание происходит вследствие молекуляр­ ного взаимодействия между контактирующими поверхностями и проявляется в схватывании материалов этих поверхностей, при­ водящем к появлению на поверхностях рисок, задиров.

Тепловое изнашивание обусловлено нагревом поверхностных участков трущихся поверхностей до высоких температур, приво­ дящим к структурным изменениям в зоне контакта и контакт­ ному схватыванию с последующим разрушением мест схваты­ вания.

Интенсивность изнашивания сопряженных поверхностей де-

талей машин при их относительном перемещении в значительной степени зависит от условий контактного взаимодействия этих поверхностей и, в частности, от характера смазки, контактного давления, скорости скольжения, качества поверхностей трения.

По характеру смазки различают трение следующих видов: жидкостное, когда поверхности трения совершенно отделены друг от друга слоем смазки; трение при неполной или несовер­ шенной смазке, когда трущиеся поверхности частично соприка­ саются своими выступами; твердое (сухое) трение, т.е. трение поверхностей без смазки.

Трение при неполной или несовершенной смазке, в свою оче­ редь, подразделяется на три подвида: полужидкостное, когда слой смазки недостаточен и происходит частично сухое трение; полусухое, когда происходит трение твердых поверхностей, на которых имеется некоторое количество смазки; граничное или молекулярное трение, когда геометрическая форма поверхностей достаточно правильная, а шероховатость незначительная, в ре­ зультате чего между поверхностями трения образуется молеку­ лярная пленка смазки.

5.4. КОРРОЗИОННЫЕ РАЗРУШЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ОБОРУДОВАНИЯ

Коррозия является одной из основных причин раз­ рушения оборудования. В зависимости от механизма коррозион­ ного процесса, условий его протекания и характера разрушения коррозию подразделяют на несколько видов.

По механизму коррозионного процесса различают химическую и электрохимическую коррозию. Электрохимическая коррозия представляет процесс взаимодействия металла или сплава с кор­ розионной электролитически проводящей средой, при котором ионизация атомов металла и восстановление окислительного компонента коррозионной среды протекают не в одном акте и их скорости зависят от электродного потенциала металла (наличие проводников второго рода).

Химическая коррозия представляет собой процесс химическо­ го взаимодействия среды с металлом или сплавом, приводящий к образованию продуктов их взаимодействия.

Окружающая среда оказывает существенное влияние на ха­ рактер протекания коррозионного процесса и, следовательно, обусловливает коррозию разных видов.

Газовая коррозия - коррозия металлов и сплавов в газах при высоких температурах (например, окисление и обезуглерожива-

136

ние стали при нагревании). Газовая коррозия - частный случай химической коррозии, характерна для внутрипромысловых уста­ новок первичной подготовки нефти.

Атмосферная коррозия - коррозия металлов и сплавов во влажной воздушной атмосфере. Это наиболее часто встречаю­ щийся вид коррозии наружной поверхности оборудования, экс­ плуатируемого в атмосферных условиях.

Подземная коррозия коррозия металлов и сплавов в почвах и грунтах. Ее разновидность - коррозия под действием блуж­ дающих токов, возникающих в грунте вблизи источников элек­ трического тока. Этому виду коррозии преимущественно под­ вержены подземные трубопроводы.

Жидкостная коррозия - коррозия металлов и сплавов в жид­ кой среде, которая может обладать или, наоборот, не обладать электролитическими свойствами при полном, неполном или пе­ ременном погружении. Частным случаем этого вида коррозии является подводная коррозия. Жидкостная коррозия наиболее распространена в оборудовании для нефтегазодобычи.

Биокоррозия - коррозия металлов под влиянием жизнедея­ тельности микроорганизмов (например, усиление, коррозии ста­ ли в грунтах и продукции скважин сульфатредуцирующими бак­ териями).

Интенсивность протекания коррозионных процессов в значи­ тельной мере зависит от характера контакта элементов оборудо­ вания или их отдельных, частей; в соответствии с этим различают контактную и щелевую коррозию.

Контактная коррозия - электрохимическая коррозия, вы­ званная контактом металлов, имеющих разные стационарные по­ тенциалы в эксплуатационной среде.

Щелевая коррозия - электрохимическая коррозия, усиливаю­ щаяся в щелях и зазорах между металлами, а также в местах не­ плотного контакта металла с неметаллическими материалами.

По характеру коррозионного разрушения металла различают коррозию следующих видов: сплошную или общую, охватываю­ щую всю поверхность металла, находящуюся под воздействием коррозионной среды, и местную, охватывающую отдельные уча­ стки поверхности металла.

Сплошная коррозия, в свою очередь, подразделяется на от­ дельные виды: равномерную, которая протекает с одинаковой скоростью по всей поверхности металла; неравномерную, проте­ кающую с неодинаковой скоростью на различных участках по­ верхности металла; избирательную, при которой разрушается одна структурная составляющая сплава или один компонент сплава.

Местная коррозия также подразделяется на отдельные виды: пятнами - в виде отдельных пятен; язвами - в виде раковин; точечную (питтинговую) - в виде отдельных точечных пораже­ ний; сквозную - разрушение насквозь, т.е. на всю толщину ме­ талла; нитевидную, распространяющуюся в виде нитей преиму­ щественно под неметаллическими покрытиями; подповерхност­ ную, начинающуюся с поверхности, а затем распространяющуюся преимущественно под поверхностью металла и вызывающую его вспучивание и расслоение; межкристаллитную, распространяю­ щуюся по границам кристаллитов (зерен) металла, что вызывает быструю потерю его прочности и пластичности; ножевую - в виде надреза ножом, что характерно для сварных соединений.

Наибольшие материальные потери вызывает коррозия резер­ вуаров, трубопроводов и колонн труб в скважинах, как наиболее металлоемких сооружений. Большинство резервуаров, емкостей и технологических аппаратов изготовляют из малоуглеродистых сталей, обладающих низкой коррозионной стойкостью. При воз­ действии эксплуатационной среды происходит интенсивное кор­ розионное разрушение их внутренней поверхности, а наличие неизбежных технологических дефектов в сварных швах (подрезы, непровары, шлаковые включения, трещины) усиливает процессы разрушения.

5.5. СОРБЦИОННЫЕ РАЗРУШЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ОБОРУДОВАНИЯ

Водород относится к числу наиболее сильных сорб­ ционно-активных сред по отношению к металлам и сплавам. Он оказывает существенное влияние на механические свойства большинства металлов: у пластичных малоуглеродистых сталей вызывает резкое снижение относительного удлинения, попереч­ ного сужения, ударной вязкости; у высокоуглеродистых закален­ ных сталей с повышенными прочностными характеристиками - уменьшение предела прочности. Даже при отсутствии внешних нагрузок происходит растрескивание сталей.

По механизму взаимодействия водорода с металлом следует выделить два различных, но взаимосвязанных процесса: адсорб­ ция - молекулярное взаимодействие водорода с поверхностью металла, приводящее к образованию насыщенного слоя водорода на границе раздела газ - металл, и абсорбция - растворение во­ дорода в массе металла.

Поверхность металла обычно обладает достаточно высокой адсорбционной способностью ввиду наличия у нее значительной

138

свободной поверхностной энергии, обусловленной особенностями металлической связи.

Распределение свободной энергии по поверхности металла - неравномерное. Всегда имеются участки с различным уровнем свободной энергии или энергии связи с молекулами адсорбиро­ ванного газа. Активные центры адсорбции, как правило, соответ­ ствуют местам нарушений кристаллической структуры поверхно­ сти металла и их число, а следовательно, активность всей по­ верхности будет зависеть от состояния или метода обработки поверхности. Наиболее высокой активностью обладают вновь образованные, не успевшие окислиться поверхности.

Процесс растворения водорода в металлах сопровождается процессом диссоциации молекул водорода на атомы, так как в молекулярном состоянии водород не растворяется в металлах. Процесс диссоциации является необходимым условием для обра­ зования раствора водорода в кристаллах металла.

Процесс диссоциации молекул водорода на атомы может про­ исходить в газовой среде при высоких температурах (термиче­ ская диссоциация) или в поверхностном слое металла за счет энергии адсорбции; кроме того, на поверхности металла могут образовываться атомы водорода в процессе химических реакций, адсорбироваться и переходить в металлический раствор.

Химические реакции возникают, например, при сварке метал­ лов, вследствие взаимодействия паров воды с металлической по­ верхностью при высоких температурах:

Н2О + Me —>МеО + 2Н°.

При низких температурах в процессе травления металла в ки­ слотных средах ионы водорода из раствора теряют свой заряд при взаимодействии с поверхностью металла, превращаются в атомы водорода и тоже могут растворяться в металле:

Н+ + Ме ->• Ме+ + Н°.

Металлы могут насыщаться водородом при электролизе на катоде а процессе разрядки ионов водорода из раствора внешним отрицательным потенциалом:

Й+ + е ^ Н°.

Интенсивное поглощение металлом водорода происходит при эксплуатации оборудования в обводненных сероводородсодерясащих средах. Молекулы сероводорода, адсорбируясь на поверх­ ности металла, разряжаются с образованием атомов водорода:

H2S + 2е _> 2Н° + S '2.

Водород обладает большой склонностью к диффузии в твер­ дых телах. Особенно большой подвижностью он обладает в ме­ таллах, что объясняется его малыми размерами и строением ато­ ма. Принято считать, что водород в металлических растворах находится в виде протона, чем и обусловливается его большая подвижность. Растворяясь в кристаллической решетке стали, атомы водорода отдают свои электроны, превращаясь в положи­ тельно заряженные ионы (протоны). Ионы водорода диффунди­ руют в кристаллической решетке стали с высокой скоростью. Встречая на своем пути какие-либо дефекты (микропустоты, трещины, раковины, дислокации и т.п.), они выходят из кристал­ лической решетки и, молизуясь, создают в объеме микродефекта большое внутреннее давление до 4,0 тыс. МПа и выше, что вы­ зывает деформирование кристаллической решетки металла и приводит к потере вязкости, т.е. возникает водородная хрупкость.

Увеличение числа нарушений в структуре металла в процессе пластических деформаций увеличивает локализацию в них водо­ рода, в результате чего может возникнуть торможение пластиче­ ской деформации, а следовательно, создаются условия для хруп­ кого разрушения.

Катодная поляризация от внешнего источника тока предохра­ няет от развития коррозии (анодного растворения), но при дос­ таточно высоких напряжениях (близких к пределу текучести) может вызвать потерю пластичности из-за наводороживания ста­ ли. Анодная поляризация от внешнего источника тока, усиливая общую равномерную коррозию, предохраняет в то же время от наводороживания и хрупкого разрушения в некоторых видах ак­ тивных сред (например, от щелочной хрупкости).

5.6. КОРРОЗИОННО-МЕХАНИЧЕСКИЕ РАЗРУШЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ОБОРУДОВАНИЯ

Коррозионно-механические разрушения возникают при совместном воздействии на элементы оборудования корро­ зионно-активной среды и механической нагрузки.

Равномерная коррозия, поражающая как ненапряженный, так и равномерно-напряженный металл, наиболее благоприятна и не изменяет механических характеристик стали. Неравномерная коррозия (избирательная коррозия), вызванная структурной не­ однородностью металла или наличием градиентов напряжений (особенно концентрацией напряжения), приводит к некоторому уменьшению прочности и пластичности мягких сталей. Очевид­

но