Применение титановых сплавов для объектов нефтедобычи на континентальном шельфе. Опыт применения и сравнительные характеристики с традиционно применяемыми материалами в оао «Корпорация ВСМПО-Ависма»

20 ОБОРУДОВАНИЕ 26 (46) ноябрь 2007 г. ЭКСПОЗИЦИЯ

Процесс освоения российскими нефтяниками нефтедобычи на морских шельфах стал закономерным фактом. Сегодня это подтверждают работы по Каспийскому шельфу, интенсификация работ по проектам «Сахалин-1», «Сахалин-4,5», и отдельно стоит отметить строительство, а более точно - переоснащение плавучей буровой станции для месторождения «Приразломное». Также сегодня ведутся работы по строительству станции для Обской губы, проектные работы по МЛСП для Штокмановского месторождения, и дальнейшие прогнозы по шельфовой добыче достаточно оптимистичны. В связи с этим разработка основных принципов проектирования и строительства морских установок, выбора материалов является сегодня основополагающим вопросом как для проектных российских организаций, так и для машиностроительных.

ПРИМЕНЕНИЕ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

ДЛЯ ОБЪЕКТОВ НЕФТЕДОБЫЧИ НА КОНТИНЕНТАЛЬНОМ ШЕЛЬФЕ.

ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ И СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ С ТРАДИЦИОННО ПРИМЕНЯЕМЫМИ МАТЕРИАЛАМИ В

ОАО «КОРПОРАЦИЯ ВСМПО-АВИСМА»

Условия эксплуатации нефтепромыслового оборудования во многом аналогичны условиям эксплуатации изделий судового машиностроения, однако имеются и довольно существенные отличия: более высокая степень минерализации пластовой воды; наличие в рабочих средах сероводорода и углекислого газа; наличие аэробных и анаэробных (особенно сульфидообразующих) составляющих в продуктах добычи и окружающей среде; повышенные температуры рабочих сред; пониженные температуры атмосферы до минус 40-500С; возможность солевых и парафиноообразных отложений на поверхностях; высокое давление рабочих сред; наличие абразивных компонентов в транспортируемых продуктах.

Наибольший опыт применения титановых сплавов в оффшорной промышленности накоплен в Норвегии и Великобритании. Имеется более чем 30-летний опыт применения легированных нержавеющих сталей в оффшорной промышленности в Северном море (Норвежский и Британский сектор). Однако и для высоколегированных сталей отмечены коррозионные повреждения. Так, для стали с 5,5% никеля характерна межкри-сталлитная коррозия в ряде технологических сред и коррозионное растрескивание в среде хлоридов при 1000С; для стали с 25% никеля характерна щелевая коррозия, приводящая к разгерметизации фланцев после 2-х лет эксплуатации (платформы Oseberg А и Gullfaks А). В это же время титан в различных отраслях применения продемонстрировал свое

уникальное сопротивление большинству, если не всем, видам коррозии, с которыми приходилось сталкиваться при разработке морских нефтяных месторождений.

Первое известное применение титанового сплава для основного оборудования в нефтедобыче на морском шельфе - это применение титана в силовых соединениях добывающего райзера нефтяной компанией Placid Oil на платформе Green Canyon в Мексиканском заливе (изготовитель - компания Cameron Iron Works Inc).

Фирма Loterios поставила 4 кессона (распределительную магистраль) для пожарной системы. Внутренний диаметр кессона 900 мм, толщина стенки 20/40 мм, общая длина 34 метра, масса 10 тонн.

На платформе Steel Head (шельф Аляски) использованы теплообменники с применением титановых сплавов, изготовленные в Японии.

Первый опыт применения на норвежских ПБУ титановых сплавов относится к 1986 году, когда фирма Mobil Exploration Norway Inc. решила использовать титан взамен стали в системе балластной воды платформы Statfjord A (Норвегия), срок эксплуатации стали составил 5,5 лет. В последующие годы аналогичная замена выполнена для платформы Statfjord B и Statfjord C после 3-4 лет эксплуатации стальных конструкций.

На введенных в эксплуатацию в 19941995 гг. платформах Heidran и Troll используется 300 и 400 тонн титана соответственно. Расчетный срок эксплуатации платформы

Troll составляет 70 лет, и этот выбор указывает на то, что наконец-то может быть установлено приемлемое соотношение между сроком эксплуатации платформ (месторождения) и сроком эксплуатации оборудования этих платформ.

Значение применения титана возрастает по трем основным причинам:

• Ряд элементов подводного оборудования требует использования сплавов с высокой удельной прочностью и малым модулем упругости.

• Требование экономии массы оборудования на платформе. По данным компании Shell Oil, снижение массы подводного оборудования на одну тонну позволяет уменьшить массу опорного оборудования на три тонны, что равнозначно экономии около 150 тыс. долларов. Каждый лишний фунт оборудования на палубе платформы или добывающего судна обходится в 6,5 долларов.

• Титан и его сплавы обладают высокой надежностью, в том числе и высокой коррозионной стойкостью в морской воде и в рабочих средах при нефтедобыче.

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» провела исследования коррозионной устойчивости серийных титановых сплавов в сероводо-родсодержащих 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 0284; 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.

Испытуемый сплав Стандартный раствор, насыщенный H2S1 Раствор диэтилен-гликоля (ДЭГ)2 Раствор диэтаноламина (ДЭА)3

ПТ-3В 0,0016 Менее 0,001 нет

Вт1-0 0,0007 Менее 0,001 нет

Вт6 0,0016 Менее 0,001 нет

От4 0,006 Менее 0,001 нет

Примечание:

1- температура 200С, максимальная скорость коррозии за 1000 часов, мм/год;

2 - кипящий раствор, время испытания 550-850 часов, мм/год;

3 - температура 60-1200С, время испытания 1000 часов, мм/год.

Табл.1 Результаты испытаний титановых образцов на общую коррозию в различных средах.

ЭКСПОЗИЦИЯ 26 (46) ноябрь 2007 г.

ОБОРУДОВАНИЕ 21

Рис.1 Элементы трубопровода из титана Рис.2 Корпуса фильтров фильтровальной станции тонкой очистки для месторождения «Приразломное»

Данные по скорости коррозии приведены в табл.1.

Все образцы выдержали базовое время испытаний 720 часов на стойкость против сероводородного коррозионного растрескивания, механические и пластические свойства материалов не изменились.

Также следует отметить исключительную стойкость титановых сплавов в повышенных концентрациях хлор-иона, а в пластовой воде концентрация данного реагента в два раза выше, чем в забортной 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.2 приведены рекомендации проектной организации KBR в задании, выданном для реконструкции платформы «HUTTON» для МЛСП «Приразлом-ная». 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 одного п.м. трубы на Ду200 из титана составит 12,2 кг, а из стали 09Г2С - 51,78 кг Из вышеизложенного можно сделать краткий вывод: 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 отличие от других металлов и сплавов, которые быстро разрушаются в этих условиях. Титан стоек к щелевой коррозии в морской воде при температурах до 800С, в то время как для некоторых нержавеющих сталей пределом является 100С. Характеристики по коррозионной

Тип Назначение трубопровода Материал Российский эквивалент

Система забортной воды Хранение нефти Все трубопроводы Забортная вода Отгрузка нефти Титан сорт 2 Титан сорт 2 Углер. сталь +3мм на коррозию Титан Вт 1-0 Титан Вт 1-0 09Г2С

Обработка пластовой воды До гидроциклонов Углер. сталь +6мм на коррозию 09Г2С

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

стойкости материалов в чистой и в загрязненной морской воде приведены в табл.3

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 использовании менее дорогостоящих материалов.

Выбор с самого начала титана в сочетании с рациональным проектированием, изготовлением, монтажом и эксплуатацией служит предпосылкой для безопасной и надежной работы оборудования на весь плановый период эксплуатации, который для морских платформ достигает 70 лет.

Ю. ШАШКОВА начальник Управления продаж в машиностроении

Табл.2 Коррозионная стойкость титановых сплавов.

ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА» Россия 624760 Свердловская обл., г. Верхняя Салда, ул. Парковая, 1

т/ф (34345) 217-95

e-mail: shashkova@vsmpo.ru

Вид коррозии Медные сплавы Сталь 316 Н/сталь 6Мо и дуплекс Титановые сплавы

Общая Стойкие/нестойкие Стойкая Стойкая Стойкая

Щелевая Нестойкие Нестойкая Нестойкая

Питтинг Нестойкие Нестойкие Стойкие Иммунные

Коррозионная усталость Нестойкие Нестойкие Нестойкие Иммунные

Микробиологическая коррозия Нестойкие Нестойкие Нестойкие Иммунные

Коррозия сварного шва Нестойкие Нестойкие Нестойкие Иммунные

Эрозия-коррозия Нестойкие Стойкие Стойкие Весьма стойкие

Табл.3 Материалы для трубопроводов