Применение титановых полуфабрикатов при изготовлении современных установок шельфовой нефтедобычи и энергоустановок

За последние 35 лет мировое потребление энергоресурсов и сырья возросло почти в 10 раз, и в дальнейшем прогнозируется рост энергопотребления практически во всех странах мира. Современная энергетика базируется на углеводородных видах топлива (газ, нефть, уголь). В Каспийском регионе и Персидском заливе находится 70 и 40% мировых запасов нефти и природного газа соответственно. С учетом российских регионов, в которых сосредоточено 12 и 35% мировых запасов нефти и газа, получается соответственно 82 и 75% мировых запасов нефти и газа. Цены на энергоносители - нефть, газ, уголь - показывают стабильный рост.

Динамика роста цен на топливном рынке России позволяет спрогнозировать, что в ближайшее время тарифы на электроэнергию и тепло достигнут мирового уровня, т.е. 6-8 центов/(кВт*ч) и 15-40 долларов/Гкал.

ПРИМЕНЕНИЕ ТИТАНОВЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ

ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ СОВРЕМЕННЫХ УСТАНОВОК ШЕЛЬФОВОЙ НЕФТЕДОБЫЧИ И ЭНЕРГОУСТАНОВОК

Ю. ШАШКОВА Начальник Управления продаж в машиностроение г. Верхняя Салда ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА»

ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ТЕПЛО- И ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

В этих условиях очевидны следующие основные тенденции развития тепло- и электроснабжения:

1. Освоение труднодоступных месторождений нефти и газа шельфовой зоны Баренцева, Каспийского морей, Обско-Тазовской губы и др.

Характер и место залегания данных источников углеводородного сырья при всей огромной перспективности открытых месторождений обуславливает высокую стоимость полученных углеводородов.

2. Дальнейшее развитие ядерной энергетики.

Все большее число стран приходит к выводу, что для удовлетворения возрастающих энергетических потребностей в общей структуре энергетики в стране необходимо присутствие ядерной энергетики. Тем более это актуально для России, где на долю атомной энергетики приходится 16%, в то время как во Франции этот показатель составляет 78%, Японии - 34,5%, в США - 20,3%.

3. Модернизация существующих тепловых электростанций, повышение КПД тепло-энергоустановок, снижение экологической опасности данных объектов.

4. Развитие альтернативных источников энергии, а именно, возобновляемых источников энергии - геотермальные технологии, энергия приливов и т.п.

Все четыре перечисленные направления являются наукоемкими, и применяемые для реализации данных проектов технологические или энергоустановки должны отличаться большим эксплуатационным ресурсом - не менее 60 лет. Это требование распространяется на применяемые конструкционные материалы, и здесь оказались востребованы наработки военно-промышленного комплекса. Сегодня отмечается смещение внимания и относительное расширение объемов применения современных материалов в

гражданских отраслях промышленности. Большое значение в рациональном использовании материальных ресурсов, повышении сроков службы и надежности оборудования имеет применение титана и сплавов на его основе, обладающих уникальным комплексом физико-механических и технологических свойств.

Итак, рассмотрим предпосылки и причины применения титана при реализации выше перечисленных проектов.

ТИТАН ДЛЯ ОБЪЕКТОВ НЕФТЕДОБЫЧИ НА ШЕЛЬФЕ

Для нефтегазодобывающих систем континентального шельфа особо стоит отметить уникальную стойкость титана к разрушению в среде сероводорода, который в той или иной концентрации всегда присутствует в смеси нефтегазовых продуктов, получаемых из пласта. ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА» совместно с ДОАО «Центральное конструкторское бюро нефтеаппаратуры» проведены

исследования коррозионной устойчивости серийных титановых сплавов в серовод-содержащих средах нефтегазодобычи. Испытания проводились в лабораторных и промышленных условиях в следующих технологических средах:

1) коррозионные среды, насыщенные сероводородом и соответствующие стандартам NACE TM 01-77 и TM 02-84;

2) растворы диэтиленгликоля, насыщенные примесями солей и кислот, в условиях регенерации;

3) растворы диэтаноламина, насыщенные сероводородом, в условиях сероочистки и регенерации. Сплавы ПТ-3В, Вт1-0, ОТ-4 в указанных условиях не подвержены поверхностному коррозионному разрушению по общей и питтинговой коррозии.

Также следует отметить исключительную стойкость титановых сплавов в повышенных концентрациях хлор-иона, а в пластовой воде концентрация данного реагента в 2 раза выше, чем в забортной

Сепаратор. Материал - титан

32 ОБОРУДОВАНИЕ

2/Н (59) апрель 2008 г. ЭКСПОЗИЦИЯ

морской воде, концентрация хлор-иона 39260 мг/л и 18650 мг/л соответственно. Все эти вопросы необходимо учитывать при разработке КД и выдаче требований к применяемым материалам. Для примера в табл. 1 приведены рекомендации проектной организации KBR в задании, выданном для реконструкции платформы «HUTTON» для МЛСП «Приразломная». Анализируя эти рекомендации, нельзя не обратить внимание, что на стальных трубопроводах закладывается припуск на коррозию в размере 6 мм на сторону. С учетом разницы в удельном весе титана и стали, масса 1 п.м. трубы на Ду200 из титана составит 12,2 кг, а из стали 09Г2С-51,78 кг.

Титан не требует припуска на коррозию, так что оборудование может быть спроектировано так, чтобы удовлетворялись минимальные требования к механической прочности и к возможности манипулирования им. Благодаря исключительно высокой коррозионной стойкости титана даже в сильно загрязненной морской воде при температурах до 1300С, поверхности титана не подвержены коррозии и эрозии в условиях, которые вызывают быстрое разрушение других металлов и сплавов. Титан стоек к щелевой коррозии в морской воде при температурах до 800С, в то время как для некоторых нержавеющих сталей пределом является 100С.

Уроки, извлеченные из дорогостоящих ошибок, связанных с выбором менее стойких материалов для работы в агрессивных средах, не прошли даром. В условиях моря стоимость замены компонента в несколько раз выше, чем на суше. Кроме того, простои морской платформы в связи с авариями приносят огромные убытки, которые несопоставимы с кажущейся экономией при применении менее дорогостоящих материалов. Выбор титана с самого начала в сочетании с рациональным проектированием, изготовлением, монтажом и эксплуатацией служит предпосылкой для безопасной и надежной работы оборудования на весь плановый период эксплуатации (для морских платформ он достигает 70 лет).

Система забортной воды Все трубопроводы Титан сорт 2 Титан Вт 1 -0

Хранение нефти Забортная вода Титан сорт 2 Титан Вт 1 -0

Отгрузка нефти Углер. Сталь 09Г2С

+3мм на коррозию

Обработка До гидроциклонов Углер. Сталь 09Г2С

пластовой воды +6мм на коррозию

Система противопожарного Все трубопроводы Титан сорт 2 Титан Вт 1 -0

водоснабжени

Табл.1 Материалы для трубопроводов

ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ В АТОМНОМ И ТЕПЛОВОМ ЭНЕРГОМАШИНОСТРОЕНИИ

Атомные электростанции располагаются обычно вблизи крупных потребителей электроэнергии - больших городов и промышленных районов с энергоемкими предприятиями.

В силу этого обстоятельства приобретают особое значение вопросы технической и экологической безопасности, а также экономической эффективности использования блоков АЭС на протяжении всего расчетного ресурса, что составляет не менее 40 лет, а также и основного элек-трогенерирующего и теплофикационного оборудования, ресурс работы которого должен быть не менее расчетного ресурса реактора.

После ввода в 1989 г. нового комплекса нормативов по безопасности начинаются масштабные мероприятия по реконструкции основного и вспомогательного оборудования действующих АЭС. Одно из мероприятий предусматривает реконструкцию теплообменного оборудования с применением титановых сплавов - это касается и парогенераторов, и конденсаторов [1].

Большой опыт применения титановых сплавов накоплен в атомных электроустановках (АЭУ) в отечественном судостроении, изготовлено около 12 тысяч теплообменных аппаратов и 3 тысячи парогенераторов.

Трубные системы парогенераторов являются ответственнейшей частью транспортных АЭУ. Именно эта часть

Трубный пучок (слева) и корпус (справа) дистилляционной опреснительной установки. Материал - титан

является самой уязвимой из-за коррозионного растрескивания под воздействием хлоридов и кислорода при применении сталей аустенитного класса. Если со стороны первого контура коррозионное растрескивание можно предотвратить применением чистой воды - бидистилля-та и надежной замкнутостью контура, то чистоту от хлоридов и кислорода второго контура, связанного с турбинной установкой, обеспечить очень трудно, тем более в условиях работы на морской воде или сильноминерализованной. Водный режим второго контура часто нарушался, несмотря на очистку воды по жестким режимам, что приводило к течи и нарушению радиационного режима. Кроме того, очень трудно обеспечить герметичность труб из аустенитных сталей второго контура от гелиевых течей в местах сварки. Титановые сплавы, наоборот, принципиально не склонны к коррозионному растрескиванию при наличии в контуре хлоридов и кислорода.

Это подтверждается и многолетней практикой использования титановых сплавов для строительства подводных лодок и судовых энергетических установок, а также опытом работы с 1956 года титана в составе опреснительных установок. Титан марки ВТ1-0 (или зарубежный аналог Gr2) прекрасно себя зарекомендовал для изготовления конденсаторов АЭС. Как конструкционный материал для этих целей, он сочетает в себе высокую коррозионную стойкость с необходимыми физическими и механическими свойствами. Несмотря на большие различия в теплопроводности титана марки Вт1-0 и сплава МНЖ, высокая механическая прочность и коррозионная стойкость позволяют применять в конструкциях минимальные толщины. Так, сегодня для изготовления конденсаторов на АЭС применяются титановые сварные трубы с толщиной стенки 0,4-0,5 мм. Следует отметить, что высокой коррозионной устойчивостью характеризуется не только основной материал, но и сварные соединения без проведения каких-либо специальных мероприятий, что нельзя сказать про аустенитно-ферритные стали.

Еще одно уникальное свойство титана

- низкая адгезия, что осложняет процесс накипеобразования на поверхности тепло-обменных трубок и тем самым длительное время сохраняются первоначальные характеристики теплопроводности материала. Медно-никелевые сплавы, наоборот, склонны к образованию отложений на поверхности. Но самое опасное в этом случае

- развитие точечной и щелевой коррозии в местах отложений с последующим

образованием свищей. При этих видах коррозии процессы износа конструктивных элементов происходят намного быстрее. При проведении теплотехнических расчетов вводят поправочный коэффициент, учитывающий образование отложений на теплообменных поверхностях: такой коэффициент для медно-никелевых сплавов принимают равным 0,86-0,88, а для титана - 0,98. Таким образом, с учетом применяемых толщин стенок практически полностью нивелируется значительная разница в теплопроводности двух конструкционных материалов.

Основная причина применения титана в конденсаторах - совершенно неудовлетворительная коррозионная стойкость конденсаторных труб, изготавливаемых традиционно из медных и медно-никеле-вых сплавов или из коррозионностойких сталей аустенитного класса. Особенно низкая коррозионная стойкость наблюдалась при использовании в качестве охладителя морской воды. Кроме высокой коррозионной стойкости титана (на уровне благородных металлов) в морской воде, применение титана дает и экономический эффект - за счет продления ресурса, сокращения ремонтных работ, а также и большой экологический эффект, т.к. отсутствует загрязнение технических и сбросных вод ионами меди, что является сегодня большой проблемой практически для всех электростанций, использующих конденсаторы с латунными теплообмен-ными трубками.

Итак, в среде морской солоноватой воды химически подготовленны титан марки Вт1-0 демонстрирует прекрасные эксплуатационные свойства и гарантирует работоспособность конструкции на протяжении необходимого ресурса - не менее 40 лет.

ВСМПО-АВИСМА - МИРОВОЙ ЛИДЕР В ПРОИЗВОДСТВЕ ТИТАНА

ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА» - единственный в России и крупнейший в мире производитель титана и изделий из него. За свою 75-летнюю историю корпорация сформировалась как вертикально-интегрированное крупное предприятие с уникальным набором производственных мощностей по выпуску полуфабрикатов из титановых и алюминиевых сплавов.

В течение последних 10-15 лет проводится последовательная техническая и экономическая политика ВСМПО, направленная на более глубокую переработку выпускаемых полуфабрикатов из титана и титановых сплавов, - это подтверждает целый ряд успешно осуществленных проектов строительства новых производственных мощностей:

1. Развивается уникальный комплекс механической обработки штампованных заготовок. Здесь обрабатываются сложные титановые изделия, которые применяются в авиастроении, судостроении. Так, для одной из зарубежных фирм проводится механическая обработка штамповки весом более 5 тн, и данная работа уже является для нас серийной.

2. Успешно зарекомендовал себя кольце-раскатный комплекс.

За 6 лет работы пройден большой путь от опытных работ до серийного изготовления ответственных изделий для авиа- и двигателестроения, крупногабаритных колец для химического машиностроения и т.п.

3. Более 10 лет работает машиностроительный комплекс.

Изготовлено более 700 единиц оборудования из титановых сплавов для объектов энергетики, химической и металлургической отраслей промышленности. Машиностроительным комплексом в 2005-2006 годах проведена большая работа по разработке нормативной документации и постановке в серийное производство титановых труб большого диаметра и фасонных изделий для строительства морской ледостойкой платформы «Приразломное».

4. С целью решения вопроса отсутствия разрешенной нормативной базы по титановым полуфабрикатам нашим предприятием совместно с ФГУП ЦНИИ КМ «ПРОМЕТЕЙ» - ведущим материаловед-ческим институтом в области судостроения и атомных энергоустановок, начиная с 1996 года проводились и проводятся работы по проведению аттестационных испытаний титановых сплавов, разработке технических условий и согласованию их в надзорных органах. Разработано и введено в действие 6 технических условий на титановые полуфабрикаты для объектов атомной энергетики.

ПЕРЕЧЕНЬ РАЗРАБОТАННЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ.

Разработаны и одобрены Федеральной службой по экологическому, технологическому и атомному надзору для применения при изготовлении оборудования и трубопроводов энергоблоков атомных станций, рабочей средой которых является вода, следующие технические условия (основание - письмо №06-07/133 от 03.02.06):

1. ТУ 1825-566-0750017-2005 «Листы и плиты из титана марок ВТ1-00, ВТ1-0 и титановых сплавов марок ОТ4-1В, ПТ-3В, ПТ-6с, ВТ6 для оборудования объектов использования атомной энергии»;

2. ТУ 1825-571-0750017-2005 «Прутки катанные из титана марок ВТ1-00, ВТ1-0 и титановых сплавов марок ОТ4-1 В, ПТ-3В, 3М и ВТ6 для оборудования объектов использования атомной энергии»;

3. ТУ 1825-573-0750017-2005 «Трубы бесшовные холоднодеформированные из титана марок ВТ1-0, ВТ1-00 и титановых сплавов марок ОТ4-1В, ПТ-7М, ПТ-1М, предназначенные для оборудования объектов использования атомной энергии»;

4. У 1825-574-0750017-2005 «Трубы горя-чедеформированные из титана марок ВТ1-0, ВТ1-00 и титановых сплавов марок ВТ6, ПТ-3В, ОТ4-1 В, предназначенные для оборудования объектов использования атомной энергии»;

5. ТУ 1825-582-0750017-2005 «Прутки катанные из титанового сплава марки ВТ16 для оборудования объектов использования атомной энергии»;

624760, Свердловская обл., г. Верхняя Салда, ул. Парковая, т/ф.: (34345) 21795 shashkova@vsmpo.ru

Панорама ВСМПО

1