Проекты, технологии и оборудование из титановых сплавов для освоения месторождений нефти и газа на шельфе

ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА» - крупнейший в мире и единственный в России интегрированный производитель титановой продукции. Предприятие было создано в 1933 году.

ПРОЕКТЫ, ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ

ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

ДЛЯ ОСВОЕНИЯ МЕСТОРОЖДЕНИЙ НЕФТИ И ГАЗА НА ШЕЛЬФЕ

Ю. Е. ШАШКОВА В.Г. СМИРНОВ

начальник Управления продаж в машиностроении ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА» г. Верхняя главный трубопрокатчик ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА» Салда

КОРПОРАЦИЯ «ВСМПО-АВИСМА»

Сегодня Россия в лице Корпорации «ВСМПО-АВИСМА» занимает четверть мирового рынка титана - это самая большая цифра, характеризующая долю страны в международном бизнесе. И это доля не сырьевая, это - высокотехнологичные изделия глубокой переработки, начиная от эксклюзивного химического состава слитка и заканчивая уникальным сочетанием прочностных качеств и геометрии конечного изделия. На предприятии освоен выпуск продукции из 33 сплавов на базе титана, созданы целевые сплавы под заданные рабочие характеристики детали. Все эти наработки используются в высокотехнологичных отраслях: авиастроении, судостроении, атомной энергетике, химической и нефтехимической промышленности, в нефтегазодобывающем комплексе. Корпорация предлагает полный спектр титановых полуфабрикатов, изготовленных из губки собственного производства.

Основным потребителем российских титановых полуфабрикатов остается пока зарубежное авиа- и двигателестроение, но есть тенденция на увеличение спроса со стороны российских предприятий как со стороны авиастроителей, так и со стороны предприятий других отраслей промышленности.

Сегодня перспективными отраслями промышленности, где применение титана целесообразно, являются атомная энергетика, нефтегазодобывающий комплекс, цветная металлургия.

Конструкции из титановых сплавов нашли широкое применение в установках для опреснения морской воды, в сооружении морских платформ для разведки месторождений, добычи нефти и природного газа на шельфе. Применение титана в этой области будет расти вследствие тенденции перемещения промысла на более глубокие участки морского шельфа.

ОСВОЕНИЕ МОРСКОГО ШЕЛЬФА

Освоение морского шельфа, несмотря на более жесткие природные условия, сложную ледовую обстановку, представляет особый интерес для развития экономики.

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».

Отдельно стоит отметить строительство (точнее - переоснащение) плавучей буровой станции для месторождения «Приразлом-ное». Также сегодня ведутся работы по строительству станции для Обской губы, проектные работы 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 для морского применения является сегодня основополагающим вопросом как для проектных российских организаций, так и для машиностроительных.

«МОРСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ТИТАНА»

Термин «морское применение титана» - это применение титана в качестве материала для гражданских и военных надводных и подводных кораблей, а также в других конструкциях: в опреснительных установках, плавучих электростанциях, когда основным требованием к материалу является его устойчивость к воздействию морской воды. Морские конструкции могут быть разделены на три категории: корпусные, механические и энергетические конструкции. Титан в той или иной степени может использоваться во всех указанных категориях конструкций.

ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ В ЗАРУБЕЖНОЙ ПРАКТИКЕ СТРОИТЕЛЬСТВА ПЛАВУЧИХ МОРСКИХ ПЛАТФОРМ

Комплекс инженерных сооружений для разработки шельфовых нефтегазовых месторождений включает автономные стационарные или плавающие установки (платформы) массой до 300 тыс. тонн, скважинное оборудование, придонное оборудование массой до 1500-2000 тонн, кабельные системы дистанционного управления скважинами, гибкие трубопроводы с системами подвески и уравновешивания, транспортные подводные трубопроводы большого сечения, суда для укладки трубопроводов, нефтеналивные суда, а также береговое оборудование.

Применение титановых сплавов перспективно для следующих систем и оборудования для освоения нефтегазовых месторождений на шельфе: глубоководные бурильные

Корпуса фильтров из титана для месторождения «Приразломное»

ЭКСПОЗИЦИЯ 6/Н (78) ноябрь 2008 г.

ОСВОЕНИЕ ШЕЛЬФА 9

райзеры; обсадные трубы; добывающие рай-зеры; насосы и системы забортной, питьевой, буровой и попутной воды; трубопроводы циркуляционной системы технологических растворов; сепараторы жидкостные, теплооб-менное оборудование различного назначения; сосуды высокого давления; высокопрочные гибкие растяжки для фиксации платформы.

Впервые титановый теплообменник в схеме очистки нефти был введен в эксплуатацию в 1969г. в США. Первый титановый буровой райзер был установлен на морской промысловой платформе «Хейдрун» (Heidrun), что привело в итоге к более широкому применению титана как конструкционного материала для гибких промысловых райзеров и систем трубопроводов. В дальнейшем титан нашел широкое применение на нефтяных буровых платформах, используемых норвежскими и американскими фирмами.

ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ В РОССИЙСКОЙ ПРАКТИКЕ СТРОИТЕЛЬСТВА ПЛАВУЧИХ МОРСКИХ ПЛАТФОРМ

Россия имеет небольшой опыт по использованию титана при добыче нефти и газа на шельфе, поскольку принимает только предварительные действия по началу активной разработки запасов углеводородного сырья на арктическом, дальневосточном и северокаспийском шельфе.

Так, при реализации проектов «Сахалин 1,2» титан практически не использовался, т.к. для этих объектов предполагался относительно короткий период работы оборудования.

При разработке месторождения в Обской губе на добывающем судне применяется подогреватель флюида с трубным пучком, выполненным из титана марки ВТ1-0 производства ВСМПО по документации ОАО «ТАТНИИНЕФ-ТЕМАШ». Необходимость использования титана на этом объекте продиктована выбором коррозионностойкого материала. Титан отличается высокой коррозионной стойкостью к микробиологической коррозии, а именно - к сульфидным бактериям, которые особенно активны в нефтепродуктах с высоким содержанием серы.

Для проекта МЛСП «Приразломное» доля титана как конструкционного материала уже значительно возросла. Корпорация «ВСМПО-АВИСМА» поставила под проект около 120 тн титана, из них около 50 тн - это оборудование и элементы трубопроводов.

По мере создания все более глубоководных систем морской нефтедобычи резко возросла необходимость применения титановых сплавов для изготовления подводного оборудования.

Так, большинство компаний предсказывает достижение к 2010 году уровня глубин до 2,5 км. При этом 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 1 тонну позволяет уменьшить массу опорного оборудования на 3

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.

СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПО КОРРОЗИОННОЙ СТОЙКОСТИ МЕДНОНИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ, ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ И ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

В химическом машиностроении, как отечественном, так и зарубежном, наибольшее распространение получил технически чистый титан, обладающий высокой коррозионной стойкостью.

По удельной прочности титан превосходит все сравниваемые материалы. Для титана эта величина составляет 8 Н*м/кг, для никеля - 4 Н*м/кг, для меди - 3 Н*м/кг, для железа - 2,5 Н*м/кг.

По своим теплофизическим характеристикам титан также очень сильно отличается от других конструкционных материалов, имея самую высокую температуру плавления (16680С) и низкие коэффициенты линейного расширения и теплопроводности.

Отметим только несколько моментов из уникального комплекса физико-механических свойств титана и преимущества, вытекающие из этих свойств, в сравнении с традиционными конструкционными материалами:

1. Более низкие значения модуля упругости и плотности, что означает более высокое сопротивление удару.

2. Высокое отношение прочности к весу в связи с низкой плотностью титана, что ведет к меньшему весу конструкции, выполненной из титана.

3. Повышенная теплопроводность, на 12,5% выше, чем у нержавеющей стали, и на 95% выше, чем у сталей с 6% молибдена. Это обеспечивает экономичность теплообменников для агрессивных условий, способствуя более интенсивному теплообмену.

4. Низкий коэффициент линейного расширения, что снижает напряжения в стыках. Так для н/стали эта величина в два раза больше, а для часто используемого в те-плообменной аппаратуре медьсодержащего сплава Л63 - почти в 2,5 раза выше, чем коэффициент линейного расширения титана.

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 парафиноообраз-ных отложений на поверхностях;

• высокое давление рабочих сред;

• наличие абразивных компонентов в транспортируемых продуктах.

Разумная техническая политика должна предусматривать применение на судах высокоресурсных материалов и оборудования, особенно для систем морской воды, обеспечивающих безремонтный срок службы, равный сроку службы судна, - 25-30 лет при наработке 100 тыс. ч и более. Для плавучих морских установок требуемый ресурс безремонтной работы составляет 40-45 лет.

Экспертные оценки коэффициента интенсивности эксплуатации и наработки различных систем забортной воды судов и объектов морской техники в течение срока службы 25 лет свидетельствуют, что для основных систем охлаждения судов, плавбаз, плавучих электростанций и буровых требуемая наработка значительно превышает принятую норму 100 тыс. ч.

Несоответствие фактических ресурсных показателей для материалов и оборудования иллюстрируется данными табл.3, составленной на основе регулярно проводившегося ЦНИИ КМ «Прометей» анализа опыта эксплуатации систем судов и кораблей и подтвержденного специалистами ЦНИИ морского флота и Калининградского технического института рыбного хозяйствах.

Мировой опыт эксплуатации оборудования систем морской воды, изготовленных из углеродистой стали и медных сплавов, показывает, что срок их службы практически полностью, особенно в условиях низких гидростатических давлений, определяется коррозионной стойкостью этих материалов в реальных конструкциях труб и оборудования, которые вследствие резко переменной формы и размеров сечения проточной части формируют турбулентное отрывное течение с высокими местными скоростями воды, вызывающими вследствие низкой поляризуемости указанных материалов наиболее опасный вид коррозии - струевую. Титан в условиях струевой коррозии оказался абсолютно устойчивым, скорость коррозии медьсодержащих сплавов под воздействием морской воды увеличилась в 10 раз. (см. табл.4). Допустимая скорость морской воды в системах из титановых сплавов достигает 30м/с - это позволяет безопасно повысить скорость потока в системах с трубопроводом меньшего диаметра и меньшего радиуса изгиба труб.

Титан характеризуется исключительно высокой коррозионной стойкостью практически ко всем видам коррозии даже в сильно загрязненной морской воде при температурах до 1300С в отличие от других конструкционных материалов. 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 стойкости материалов в чистой и в загрязненной морской воде приведены в

Для коррозионно-стойких сталей всех видов постоянной проблемой является пит-тинг, особенно в присутствии хлоридов

(см. табл.6). Титановые сплавы имеют широкий диапазон высокого коррозионного сопротивления питтинговой и щелевой коррозии.

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. 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 морской воде, концентрация хлор-иона 39260 мг/л и 18650 мг/л соответственно.

Также большой интерес представляют результаты исследований по коррозионной устойчивости различных материалов, полученные ведущим материаловедческим институтом Японии «КОБЭ СТИЛ, ЛТД». Если сравнить скорость эрозионной коррозии медных сплавов и титана в текущей морской воде с содержанием песка, то обнаружится, что скорость коррозии титана под воздействием песка, содержащегося в морской воде, ничтожно мала. Кроме того, титан стоек к коррозии вследствие отложений.

Все эти вопросы необходимо учитывать при разработке конструкторской документации (КД) и выдаче требований к применяемым материалам.

Анализируя рекомендации проектной организации КВR в задании, выданном для реконструкции платформы «НиТТО№> для МЛСП «Приразломная», нельзя не обратить внимание, что на стальных трубопроводах закладывается припуск на коррозию в размере 6 мм на сторону. Учитывая при этом разницу 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

Выбор с самого начала титана в сочетании с рациональным проектированием, изготовлением, монтажом и эксплуатацией служит предпосылкой для безопасной и надежной работы оборудования. Это касается как судов, так и морских платформ с плановыми сроками службы до 70 лет. 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.

МАТЕРИАЛЫ «ВСМПО-АВИСМЫ» ДЛЯ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ МОРСКИХ ПЛАТФОРМ

Корпорация «ВСМПО-АВИСМА» имеет замкнутый металлургический цикл: от исходного сырья (титановой губки) до металлургических полуфабрикатов (слитков, биллетов, плит, листов, штамповок, прутков и труб) и готовых изделий.

При строительстве буровых платформ наибольшая доля титана задействована для организации трубопроводных систем различного назначения. Корпорация может полностью закрыть весь сортамент труб, необходимых для этих целей.

Трубное производство ВСМПО, оснащенное комплексом оборудования, включающим гидравлические прессы усилием 200-00тс, 12500тс, 3500тс для производства труб из алюминиевых сплавов, гидравлические пресса 3150тс и 660тс для производства труб и трубных заготовок, стан поперечно-винтовой прокатки ПВП 40-80 для производства горячекатаных труб, станы холодной прокатки труб ХПТ и ХПТР, волочильный стан, трубосварочные станы. Трубное производство оснащено современными средствами ультразвукового контроля, токовихревого контроля, гидро- и пневмоиспытательными стендами.

Корпорация производит следующие виды трубного проката:

• катаные трубы из всех отечественных и за-

рубежных сплавов титана диаметром от 6 до 160мм;

• прямошовные сварные трубы из титана марки ВТ1 -0 диаметром от 159 до 1020мм с толщиной стенки от 3 до 14мм;

• тонкостенные сварные трубы титановые 015,9-40мм с толщиной стенки 0,4-1,2-5мм, предназначенные для теплообмен-ного оборудования опреснительных установок и конденсаторов энергетических установок.

Повышение требований к пруткам, профилям и трубной продукции потребовало создания системы работы «под заказ», при которой регламентируется химический состав слитков, размер слитков, назначается технология переработки слитков в промежуточную заготовку и готовые полуфабрикаты, что обеспечивает заданные макро- и микроструктуру, уровень механических и эксплуатационных характеристик трубопрофильной продукции.

Для производства горячекатаных труб и трубных заготовок большого диаметра разработаны способы получения заготовки, включающие регламентированную ковку и последующую горячую прокатку на стане с пилигримовой установкой.

Получение промежуточных заготовок прессованием вместо ковки снизило, с одной стороны, трудоемкость и количество нагревов, а с другой - обеспечило получение регламентированной мелкозернистой структуры.

Одной из задач по созданию конкурентоспособной трубной продукции являлась разработка и освоение технологии производства высококачественных трубных заготовок ^ЕХ) из сплавов титана. Новые технологии, разработанные в ходе освоения изготовления TREX, позволили создать производство холоднокатаных труб для высоко-нагруженных систем и послужили основой для разработки новых технических условий для судостроения и атомной энергетики, которые характеризуются более высокими требованиями по точности размеров и качеству поверхности. Сегодня производятся трубы повышенного качества из сплавов ПТ1М и ПТ7М с допусками по толщине стенки ±8,0....10,0%, вместо ранее выпускавшихся с допусками ±10,0____15,0% для силовых

атомных установок.

Сравнение параметров качества показывает, что допуск на диаметр и толщину стенки TREX в 1,5 раза меньше, чем на

трубы по ОСТ и ГОСТ, по разностенности допуск меньше в 2,8-3,5 раза (см. табл.8).

КОРПОРАЦИЯ «ВСМПО-АВИСМА» РАЗРАБАТЫВАЕТ НОРМАТИВНУЮ БАЗУ ДЛЯ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Имея уникальный комплекс по производству и обработке титановых сплавов, Корпорация предлагает к поставке не только трубы из сплавов титана для геологоразведки и нефтегазодобычи на суше и на морском шельфе, но и целый спектр оборудования и элементов трубопроводов.

До недавнего времени основными законодателями в разработке и строительстве морских платформ были норвежские фирмы, но т.к. сегодня и российские нефтедобывающие компании приступают к реализации проектов освоения контитентальных шельфов и проектирование и строительство осуществляется в России, то остро встает вопрос наличия нормативной базы. С целью продвижения российских сплавов типа Вт1 -0, 0т4-0 для российских проектов шель-фовой добычи нашими специалистами разработаны и согласованы с Ростехнадзором технические условия на трубы большого диаметра и элементы трубопроводов. Считаем, что данная информация полезна и для зарубежных инжиниринговых фирм, которые сегодня активно привлекаются для участия в российских проектах, т.к мы предлагаем продукт, который соответствует требованиям российских надзорных органов.

На текущий момент по указанным нормативным документам изготовлено или находится в производстве более 120 тн изделий из титанового сплава ВТ 1 -0.

Выпуск изделий производится по техническим условиям, разработанным специалистами предприятия для данного проекта и согласованным с Федеральным Управлением по экологическому, технологическому и атомному контролю, а также одобренными ФГУП «РУБИН», ФГУП «СЕВМАШ».

Кроме того, ВСМПО проводит ряд опытно-промышленных работ с рядом научных и производственных предприятий по освоению производства труб диаметром от Ду 250 мм до Ду 1200 мм с толщиной стенки от 6 до 10 мм и длиной плети до 6 м, данные трубы изготавливаются по ТУ 1825-143-00186654-2004.

Также для проекта МЛСП «Приразлом-ное» были изготовлены корпуса фильтров для станции тонкой очистки воды по конструкторской документации ОАО «ЦНИИ-СУДМАШ».

Наше предприятие готово предложить свои научные и производственные достижения, а также с удовольствием будет участвовать в решении задач, возникающих при развитии нефтедобычи на континентальном шельфе.

миимч»* /«СИМ__

üwäti

624760, Свердловская обл., г. Верхняя Салда, ул. Парковая, 1 т/ф.: (34345) 21795 shashkova@vsmpo.ru