Способ коррозионных испытаний и высокоскоростная циркуляционная установка для его осуществления
CORROSION TESTING METHOD AND HIGH-SPEED CIRCULATION UNIT FOR ITS IMPLEMENTATION

Предлагаемое техническое решение относится к установкам специальных (гравиметрических и электрохимических) исследований коррозионных процессов, протекающих в водных фазах при повышенных скоростях потоков этих водных фаз.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому техническому решению является лабораторная установка производства ГУП «ИПТЭР» (1. Журнал «Бурение и нефть», апрель, 2016, «Современная высокотехнологичная сталь 05ХГБ, предназначенная для изготовления электросварных нефтегазопроводных труб повышенной эксплуатационной надежности», Д.В. Кудашов, Г.В. Семернин, И.В. Пейганович, Л.И. Эфрон, П.П. Степанов, С.К. Мокеров; 2. журнал «Инженерная практика», №2, 2011, «Результаты экспериментальной проверки эффективности различных технологий защиты от коррозии скважин на примере Западносибирского нефтегазодобывающего предприятия», А.Т. Фаритов), которая позволяет моделировать условия эксплуатации трубопроводов и их воздействие на материалы аналогично заявленному техническому решению.
2
3
Установка состоит из испытательных ячеек, в которые устанавливаются образцы для гравиметрических и/или электрохимических испытаний, буферной емкости из нержавеющей стали, в которой происходит подготовка модельной среды (нагрев до 40°С, продувка газами до 25 кг/см и т.д.). Скорость потока (от 0,75 до 2,84 м/с) регулируется частотным преобразователем, который задает скорость вращения центробежного насоса, и измеряется ультразвуковым расходомером. Соединительные трубопроводы обеспечивают проектные скорости потока при расходах от 1600 до 5960 м/сут. Температура поддерживается при помощи блока терморегулятора, оснащенного нержавеющими ТЭНами и термодатчиком.
Общими признаками известной и предлагаемой установок являются замкнутый контур циркулирующей жидкости соединяющий емкость с подготавливаемой испытуемой средой, центробежный насос, регулирующий скорость потока при помощи частотного преобразователя, и испытательные ячейки с размещенными в них образцами.
Недостатком имеющегося решения является то, что большинство элементов замкнутого контура изготовлено из металла. Даже с учетом скорости коррозии нержавеющей стали (менее 0,001 мм/год), при более чем 100 кратном превышении внутренней площади установки над площадью испытуемых образцов, с высокой вероятностью будет проявляться влияние «посторонних» продуктов коррозии (легирующих металлов). Склонность нержавеющих сталей к питтинговой коррозии усиливает указанный недостаток, так как одна из основных целей установки - это исследование локальных форм коррозионных процессов. Другим недостатком подобной установки является невозможность проведения предварительной подготовки среды в режиме потока перед введением образцов. Это приводит к тому, что начальный этап коррозионного процесса, когда скорости коррозии наиболее высоки и происходит зарождение (формирование) механизмов коррозии, протекают при условиях, отличающихся от эксплуатационных.
Техническая задача предлагаемого способа коррозионных испытаний и установки для его осуществления заключается в моделировании условий, максимально приближенных к условиям эксплуатации трубопроводов и оборудования, работающих в агрессивных водных средах со скоростями потоков этих водных сред от 1 до 15 м/с.
3
Поставленная задача достигается тем, что насосное оборудование, входящее в состав установки, имеет достаточные производительность (20 м/ч) и напор (≈1,9 атм.) для обеспечения рабочего режима испытаний. Уменьшение диаметра горизонтального трубопровода, подсоединенного к выходу насоса, с диаметра выходного патрубка насоса (40 мм) до меньшего диаметра в непосредственной близости от насоса позволяет ускорить поток жидкости за счет потери давления согласно эффекту Вентури:
где: ρ - плотность перекачиваемой жидкости;
1
υ - скорости жидкости до изменения сечения потока;
2
υ - скорости жидкости после изменения сечения потока;
1
р - давление в жидкости до изменения сечения потока;
2
p - давление в жидкости после изменения сечения потока.
Перепад давлений и скоростей в водном потоке будет пропорционален соотношению диаметра на выходе насоса и некоторого испытательного диаметра, выбираемого с учетом технологических требований. Скорости водного потока ниже максимально возможной, которую может создать насосное оборудование при постоянстве других условий, достигаются снижением числа оборотов электропривода насоса.
Поставленная задача также достигается тем, что для соединения отдельных компонентов установки в замкнутый оборотный цикл используются неметаллические трубопроводы и элементы с минимальным контактом металлической поверхности с водной средой. Открытые металлические поверхности по возможности гидроизолируются. Цель этих конструкционных особенностей исключить или минимизировать поступление в водную среду и влияние на коррозионный процесс продуктов коррозии, нехарактерных для материалов испытуемых образцов и датчиков. С этой же целью было выбрано химически стойкое исполнение насосного оборудования с герметичной магнитной муфтой (фторопласт, графит, керамика). С той же целью был выбран материал, из которого изготовлена буферная емкость (полипропилен).
Для предварительной подготовки среды используется байпасная секция, которая позволяет циркулировать водной среде в обход испытуемых образцов вплоть до выхода установки на рабочий режим (нагрев, продувка и насыщение газами и т.д.). Данное решение позволяет минимизировать начальные отклонения в установленном режиме испытаний, связанные с тепловыми потерями на весь оборотный цикл и смещением равновесных концентраций газов из-за перепадов давления при переходе к скоростному движению водной фазы. Для улучшения газообмена с водной фазой, газы подаются не в буферную емкость, а в водный поток на участках с большими диаметрами. Турбулентный режим в водном потоке максимально ускоряет газообмен, а повышенное давление в широких участках создает повышенное содержание растворенных газов. В буферной емкости достаточного объема поступающая из цикла смесь водной фазы и газа разделяется, отстаивается, излишки газа отводятся через гидравлический затвор, а уровень готовой для испытаний жидкости достаточен для создания естественного подпора на входе насосного оборудования.
Предлагаемый способ и установка для его осуществления позволяют организовать коррозионные испытания в условиях, максимально приближенных к условиям эксплуатации промысловых трубопроводов и оборудования, на которых перекачка добываемых сред создает высокие скорости потока водных сред, переносимых попутно с продукцией скважин. При этом металлическая поверхность оборудования таких объектов подвержена интенсивному воздействию жидких сред при турбулентном режиме движения жидких фаз вплоть до коррозионно-эрозионного (гидроабразивного) износа. Проведение испытаний при указанных условиях позволит подбирать материалы, стойкие к конкретным агрессивным факторам и их сочетаниям. Другим направлением исследований на данной установке является подбор и определение эффективности противокоррозионных решений, оценке параметров средств контроля коррозии (коррозионного мониторинга) в вышеупомянутых условиях. В итоге это приведет к увеличению сроков службы и межремонтных периодов трубопроводов и оборудования, снижению аварийных рисков, связанных с коррозией, уменьшению затрат на ремонт и потерь, связанных с простоем оборудования.
Способ коррозионных испытаний заключается в размещении испытуемых образцов или датчиков в испытательной секции, которая до начала испытаний монтируется на установке, но не включается в оборотный цикл испытуемой среды. Подготовка испытуемой среды происходит при ее циркуляции по байпасной секции. При необходимости на стадии подготовки среды производится продувка газами (обескилороживание, насыщение агрессивными газами и др.) и термостатирование при помощи теплообменника, вмонтированного в буферную емкость. По завершении подготовки среды, ее перенаправляют в испытательную секцию с образцами и начинают отсчет периода испытаний. Скорость водного потока регулируют при помощи частотного регулятора, который задает скорость вращения электропривода насоса, и контролируют при помощи ультразвукового расходомера. Результаты исследований регистрируют при помощи датчиков в процессе испытаний, или получают гравиметрическим методом после извлечения образцов из испытательной секции по окончания испытаний. В качестве результатов испытаний могут выступать оптические исследования с определением вида и глубины локальных форм коррозии.
Для реализации предлагаемого способа коррозионных испытаний предложена установка, общий вид которой приведен на фигуре 1 и вид сверху приведен на фигуре 2. В состав установки входит герметичный центробежный насос с магнитной муфтой в износостойком и химически стойком исполнении (1), смонтированный на гасящих вибрации виброопорах, и подключенный к оборотному циклу установки при помощи трубопроводов. Питание электропривода насоса осуществляется от электрического щита (2), частота вращения электропривода насоса задается частотным регулятором со щита управления (3). Питание насоса испытательной средой происходит из буферной емкости (4), которая установлена на высоте, обеспечивающей естественный подпор жидкости на входе насоса. В буферной емкости имеется герметичный люк для загрузки испытательных сред и технического обслуживания установки (на фигурах не указан). Дополнительно буферная емкость оборудована гидрозатвором, который изолирует внутреннее пространство установки от атмосферы и через который происходит сброс излишков продувочных газов (на фигурах не приведен). Для регулировки температуры в буферную емкость вмонтирован теплообменник, к которому подключается термостатирующее оборудование (на фигурах не приведен). Насос создает повышенное давление перед входом в испытательную (5) и байпасную (6) секции. Обе секции расположены параллельно в одной плоскости с небольшим повышением по ходу потока жидкой фазы для предотвращения образования воздушных карманов. Секции имеют возможность монтажа/демонтажа образцов и средств контроля испытательных образцов и/или датчиков, а также для проведения технического обслуживания установки. Длина секций предусматривает размещение в них до четырех стандартных испытательных образцов (50×20×3) последовательно «друг за другом» (на фигурах не указаны), при этом соблюдаются следующие условия: расстояние между образцами менее 20 мм; расстояние от начала секции до передней кромки первого по ходу потока жидких фаз образца не менее 10 внутренних диаметров секции (т.н. успокоитель), расстояние от задней кромки последнего по ходу потока жидких фаз образца до конца секции не менее 5 внутренних диаметров секции (т.н. гаситель). Обе секции имеют одинаковый внутренний диаметр, который меньше, чем внутренний диаметр выходного патрубка насоса, из-за чего скорость потока жидких фаз внутри них повышается. Скорость потока жидких фаз внутри секций зависит от отношения диаметра выходного патрубка насоса к диаметру секций и от давления, создаваемого насосом на входе в секции, которое зависит от числа оборотов электропривода насоса, которое в свою очередь задается частотным регулятором. Перенаправление потока жидких фаз в разные секции производится при помощи переключения запорных кранов (7), которые также позволяют демонтировать секции без существенных потерь жидкой испытательной среды. Поток жидких фаз после испытательной и байпасной секций переходит в один трубопровод большего диаметра - возвратную линию (8), которая имеет повышение по ходу потока жидких фаз для предотвращения образования воздушных карманов, и свободно изливается в верхней части буферной емкости. В оборотном цикле размещены тройники (9), в заглушки свободных отверстий которых монтируются измерительные приборы (термометры, манометры, оксиметры и т.д.), элементы оборудования для контроля скорости коррозии или клапаны для подачи газов от системы снабжения газами (на фигурах не приведены). Расположение тройников позволяет проводить испытания в водных средах, насыщенных газами при условиях испытаний, или в потоке смеси водной фазы и газа, подавая газ до или после испытательной секции соответственно.
Установка для коррозионных испытаний работает следующим образом. Испытуемую среду загружают в буферную емкость в объеме, достаточном для заполнения оборотного цикла установки с одной подключенной (байпасной) секцией и обеспечения в буферной емкости минимального технологического остатка, который необходим для создания естественного подпора на входе насоса и предотвращения всасывания газовой фазы при его работе. Включение насоса запускает оборотный цикл испытуемой среды. При этом испытуемая среда, поступающая из буферной емкости, нагнетается перед секциями с меньшими диаметрами (испытательная и байпасная секции). При переходе в одну из секций поток жидких фаз ускоряется, что позволяет проводить испытания при более высоких скоростях жидких фаз. При фиксированном соотношении диаметра на выходе насоса и диаметра секций, скорость потока внутри секций дополнительно можно регулировать частотой вращения электропривода насоса, задаваемой при помощи частотного регулятора. Изменение частоты вращения электропривода насоса приводит к изменению давления в жидкой фазе перед входом в секции, что позволяет контролировать и регулировать скоростной режим внутри секций по показаниям манометра, установленного перед упомянутыми секциями. После секций водный поток опять переходит в трубопровод большего диаметра, который ведет в буферную емкость. При необходимости проведения испытаний в присутствии или отсутствии газов, рекомендуется подавать газы именно в этот трубопровод, чтобы на обратном пути и в самой буферной емкости происходил газообмен с испытуемой средой. Возвращенная в буферную емкость испытуемая среда отделяет излишки газа, которые выводятся через гидрозатвор, отстаивается, при необходимости термостатируется при помощи встроенного теплообменника, и снова поступает в оборотный цикл. Перед началом испытаний водная среда подготавливается при постоянной циркуляции по байпасной линии в течение времени, достаточного для выхода установки на рабочий режим (термостатирование, насыщение газами и т.д.). Испытуемые образцы и/или датчики монтируются в испытательной секции, которая подключается к установке. После выхода установки на рабочий режим поток испытуемой среды перенаправляют в испытательную секцию и начинают отсчет периода испытаний. В процессе испытаний по показаниям датчиков регистрируют значения мгновенных скоростей коррозии. По испытуемым образцам определяют скорость коррозии по убыли массы за период от начала испытаний до извлечения этих образцов из обратного цикла.
Техническим результатом заявленной группы изобретений является увеличение сроков службы и межремонтных периодов трубопроводов и оборудования, снижение аварийных рисков, связанных с коррозией, уменьшение затрат на ремонт и потерь, связанных с простоем оборудования.