НЕФТЕПРОМЫСЛОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
УДК 620.193:622.241 - НС © Коллектив авторов, 2015
Повышение эксплуатационной надежности и срока службы резьбовых соединений труб нефтяного сортамента
Е.В. Проскуркин, к.т.н. (ГП НИТИ им. Я. Осады), И.В. Петров,
A.Ю. Журавлев (ООО «НПО «Неоцинк»), М.П. Поликарпов, к.т.н,
(РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина),
B.И. Большаков, д.т.н., Т.А. Дергач, к.т.н.
(ГВУЗ Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры)
Адрес для связи: provi@optima.com.ua
Ключевые слова: НКТ, муфты НКТ, резьбовое соединение, диффузионное цинковое покрытие, коррозионная стойкость, международный стандарт.
The ways of improvement of operational reliability and extension of service life of threaded joints in oil-country tubes
Ye.V. Proskurkin (Osada State Research Tube Institute, Ukraine, Dnepropetrovsk),
I.V. Petrov, A.Yu. Zhuravlev (SPO Neotsink JSC, RF, Lyubertsy), M.P. Polikarpov (Gubkin Russian State University of Oil and Gas, RF, Moscow),
V.I. Bolshakov, T.A. Dergach (Prydniprovs'ka State Academy of Civil Engineering and Architecture, Ukraine, Dnepropetrovsk)
E-mail: provi@optima.com.ua
Key words: tubing, tubing couplings, threaded joint, diffusion zinc coating, corrosion resistance, International Standard.
Comprehensive studies and in-field tests established that one of promising ways of protection of tubes and equipment for oil and gas production is application of thermochemical diffusion zinc coating. High field-performance data of diffusion zinc coated tubing and their threaded joins and prospects of their use in difficult conditions of oil and gas production were demonstrated. A new standard for diffusion zinc coatings is developed by International Standard Organization with participation of Ukraine and Russia. It is expected to be in force in 2015.
Одним из основных видов труб, используемых в нефтегазодобывающей отрасли, являются НКТ. В процессе эксплуатации скважин, особенно глубоких, указанные трубы подвергаются воздействию не только механических нагрузок (растяжению, скручиванию, изгибу и др.), но и агрессивных сред, содержащих хлориды, углекислый газ, сероводород, твердые частицы, которые в процессе эксплуатации труб приводят к коррозионному и абразивному износу их поверхности.
Наиболее распространенными причинами аварий НКТ являются коррозия, износ резьбы, хрупкие и усталостные разрушения. В предельных случаях происходит обрыв, так называемый «полет», колонны труб. Впоследствии возникает необходимость проведения ремонтных работ, связанных со значительными материальными и финансовыми затратами, при этом снижается объем добываемой продукции.
Согласно результатам проведенного российскими специалистами квалиметрического анализа надежности НКТ в современных условиях их эксплуатации (в частности, на месторождениях Западной Сибири, Оренбургской, Самарской областей) в большинстве случаев преобладают отказы НКТ, связанные с нарушением резьбовых соединений (разрушение, потеря герметичности и др.). По данным Американского нефтяного института (API) из-за разрушения резьбовых соединений число
Рис. 1. Распределение отказов НКТ по по данным РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина
аварий НКТ составляет 55 %. На рис. 1 представлена диаграмма распределения отказов НКТ.
Ужесточение режимов эксплуатации скважинного оборудования, в том числе колонн труб, используемых для обустройства скважин, вследствие усиления корро-зионно-эрозионного разрушения резко сокращает срок служб НКТ, который по данным промысловой статистики составляет в среднем 3 года [1]. В связи с этим к НКТ предъявляются жесткие требования как к механическим
свойствам (пределу прочности и текучести, относительному удлинению, ударной вязкости при нормальной и отрицательных температурах), так и к коррозионной стойкости.
Для повышения устойчивости НКТ к наиболее опасным видам коррозии, возникающей в сероводородсо-держащих средах: сульфидному коррозионному растрескиванию под напряжением (СКРН) и водородному растрескиванию (ВР) - при их изготовлении необходимо использовать качественные низколегированные и легированные стали, содержащие до 5 % хрома, молибден, ниобий, ванадий, титан, редкоземельные металлы (РЗМ), и выполнять специальные термические обработки. Такие стали получают с использованием специальных технологий выплавки, включающих рафинирование и внепечную обработку. Производство указанных НКТ предусматривает проведение сложных технологических операций, требующих применения специальных нагревательных и охлаждающих устройств [2-7]. Например, согласно работе [3], трубы из стали 20 подвергают комбинированной термической обработке, включающей закалку с редукционным нагревом, последующую закалку с отдельным нагревом от темпетатуры 750 °С и длительный отпуск при температуре 680 °С. Однако выполнение указанных требований не решает одну из главных проблем обеспечения высокой эксплуатационной надежности НКТ в жестких коррозионно-эро-зионных условиях эксплуатации: кардинального повышения надежности резьбовых соединений, которые являются наиболее уязвимой частью НКТ.
Многочисленные исследования и научно-практический опыт показывают, что одним из перспективных способов защиты труб и оборудования нефтегазового сортамента является термохимическое диффузионное цинкование. Его преимущество и главная особенность заключается в формировании на поверхности труб и муфт, а также на их резьбовых участках защитного покрытия, обладающего высокими коррозионной стойкостью, твердостью и износостойкостью. Уникальные свойства диффузионных цинковых покрытий обусловлены их структурой, равномерным изменением концентрации цинка и железа по толщине слоя покрытия с максимальным содержанием цинка в наружных слоях (рис. 2). Это обеспечивает достаточную пластичность покрытия и протекторные свойства.
Я 120
0
5 к»
N
В 8« 60
О)
1 40
гэ
к
6 20 §
о о
Ч
Железо РМ )
Л .
1 11 21 31 41 51 61 71 61 91 101 Расстояние от поверхности покрытия, мкм
В отличие от непроникающих внутрь изделия покрытий (гальванических, фосфатных, полимерных), которые только экранируют поверхность защищаемого изделия от воздействия коррозионной среды, диффузионное цинковое покрытие, образуя защитный слой на изделии, проникает в его поверхностные слои. Последние упрочняются за счет образования железоцинковых интерме-таллидов с одновременным улучшением физико-химических свойств металлоизделия, повышением коррозионной стойкости и других эксплуатационных характеристик. Это в первую очередь минимизирует снижение защитных свойств покрытия после механических воздействий при транспорте, хранении и эксплуатации металлопродукции.
Важным показателем диффузионного цинкового покрытия является равномерность его распределения по профилю резьбы. Металлографическими исследованиями установлено, что технология нанесения этого покрытия нового поколения обеспечивает равномерное распределение цинка по профилю резьбы муфты и нарезных концов НКТ, что полностью герметизирует резьбовое соединение (рис. 3). Установлено, что даже при искусственном нарушении покрытия на поверхности труб не образуются очаги коррозии в отличие от труб с другими видами покрытий (полимерными, силикатно-эмале-выми и др.).
Рис. 2. Результаты количественного микроанализа распределения концентрации цинка и железа по толщине диффузионного цинкового покрытия образца НКТ
Рис. 3. Распределение слоя диффузионного цинкового покрытия Дельта 5+ на двух участках боковой поверхности (а, б) с переходом во впадину резьбы муфты НКТ после 30-го цикла свинчивания-развинчивания (увеличение х200)
Многочисленными лабораторными и промысловыми испытаниями НКТ с диффузионным цинковым покрытием доказаны не только повышение коррозионной стойкости труб и муфт с увеличением сроков их службы более чем в 3 раза, но и многократное (более чем в 10 раз) увеличение устойчивости их соединения с треугольной (круглой) резьбой к свинчиванию-развинчиванию без ухудшения герметизации. На рис. 4 приведен внешний вид диффузионно оцинкованных НКТ на складе готовой продукции, на рис. 5 - диффузионно оцинкованных муфт НКТ.
Использование диффузионных цинковых покрытий, наносимых термохимическим цинкованием, является одним из наиболее эффективных способов повышения эксплуатационной надежности резьбовых соединений труб нефтяного сортамента, существенно увеличивающих их износостойкость, герметичность и коррозионную стойкость.
НЕФТЯНОЕ ХОЗЯЙСТВО
01'2015 103
Рис. 4. Пакеты диффузионно оцинкованных НКТ на складе готовой продукции
Рис. 5. Муфты НКТ с диффузионным цинковым покрытием
Таким образом, главным преимуществом диффузионно оцинкованных НКТ являются наличие коррозионно стойкого, противозадирного защитного покрытия не только на внутренней и наружной поверхностях труб, но и на резьбовых участках, а также устойчивость покрытия к механическим повреждениям при транспорте и работах по свинчиванию-развинчиванию труб при проведении спускоподъемных операций. Это обусловливает 100%-ную надежность труб при эксплуатации.
В связи с этим в последние годы в других странах значительно возрос практический интерес к диффузионным цинковым покрытиям как эффективным и наиболее экономичным для защиты от коррозии и абразивного износа стальных изделий, эксплуатирующихся в сложных коррозионно-эрозионных условиях. Зарубежные фирмы, компании и организации, в частности фирма SherArt B.V. (Нидерланды), компании Bodycote Heat Treatment GmbH (Германия), Bodycote Metallurgical Coatings Ltd. (Великобритания), институт Wuhan Research Institute of Materials Protection (Китай), Ассоциация Japan Galvanizers Association (Япония), производят металлопродукцию с диффузионными цинковыми покрытиями и проводят исследования в области диффузионного цинкования. Разработка нового международного стандарта на диффузионные цинковые покрытия, осуществляемая Международной организацией по Стандартизации (ISO) при участии Украины и России (в том числе авторов данной статьи), будет способствовать дальнейшему расширению областей применения диффу
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.