Современное состояние исследований и разработок по данному направлению

В данный момент нашей научно-технической группой получены следующие результаты:

- проведен анализ и систематизации существующих нормативных документов ГОСТ, ASTM, NACE, API, регламентирующих методологию коррозионных испытаний и учета коррозионного воздействия.

- разработана методика проведения коррозионных испытаний на основе имеющихся нормативных документов.

- проведены инженерные расчеты для подбора комплектующих стенда, а именно: расчет системы нагрева, термостатирования и охлаждения испытательных камер высокого давления, расчет гидравлической системы и испытательных камер высокого давления (КВД).

- проведен литературный обзор, включающий систематизацию механизмов кислотной коррозии сталей, данных по скоростям коррозии и темпам газовыделения различных конструкционных материалов, применяемых при изготовлении нефтепромыслового оборудования, в различных органических и неорганических кислотах как чистых, так и в паре с ингибиторами, в зависимости от температуры в интервале 20 – 90^○С и нормальном атмосферном давлении.

- на основе выполненного литературного обзора реализован инженерный калькулятор, позволяющий предсказывать скорость коррозии и газовыделения в зависимости от заданных параметров, включающих марку стали, коррозивную среду и термобарические условия. Дополнительной опцией содержится процедура для оценки эрозионного воздействия среды (API RP14E, DNV RP O501, TUR E/CRC SPPS), H₂S (SCC по NACE MR-0175/ISO 15156) и CO₂ коррозия (de Waard, Norsok M-506).

- проведено исследование аналогичных исследовательских групп и технических решений, направленных на исследование коррозионных процессов, способов защиты от коррозии и также эксплуатационного контроля коррозии как в РФ, так и зарубежных. См. Приложение.

- составлен перечень и подробные физико-химические свойства конструкционных материалов, применяемых при изготовлении нефтепромыслового оборудования, и принимающих непосредственный контакт с агрессивной средой.

[1] Батраков В.В. и др. Коррозия конструкционных материалов. Газы и неорганические кислоты, 1990.

[2] Маркин А.Н. и др. Нефтепромысловая химия: практическое руководство, 2011.

[3] Воробьева Г.Я. Коррозионная стойкость материалов в агрессивных средах химических производств, 1975.

[4] S.D. Kapusta, The Application of Corrosion Prediction Models to the Design and Operation of Pipelines // Corrosion, 2004.

Описание планируемой ниокр, применяемые методы исследований и испытаний

В данный момент ведется разработка конструкторской документации для сборки прототипа коррозионного стенда, включающего 2 испытательных камеры высокого давления (КВД), и рассчитанного на термобарические условия – до 100^○С и 150 атм. Это позволяет использовать воду в качестве теплоносителя в баке термостатирования КВД, а также в качестве рабочей жидкости в гидросистеме, которая через разделительное устройство подключается к гидро-приводу высокого давления, в котором рабочей жидкостью является масло.

Следующим шагом будет разработка полнофункционального стенда, включающего 8 испытательных КВД, и рассчитанного на термобарические условия – 150^○С и 350 атм. В этой модификации жидкость-теплоносителем и рабочей жидкостью в гидравлической системе будем ПМС, а гидравлическая система точно также через разделительное устройство будет подключаться гидро-приводу высокого давления.

В качестве гидро-привода высокого давления предполагается использовать грузо-поршневой пресс, который позволяет в течение длительного времени поддерживать постоянное статическое давление с минимальным расходом гидравлической жидкости. Установка требуемого давления в гидравлической системе КВД осуществляется при помощи регулируемого перепускного клапана.

Методика коррозионных испытаний разработана нами, основываясь на нормативной документации: ГОСТ Р 9.905-2007, ГОСТ 9.908-85, ГОСТ Р 9.907-2007.

1. Отбор образцов конструкционных материалов. К образцам сталей предъявляются следующие требования: пластины 50х20 мм (площадь 20 см²), толщиной 1 мм, при изготовлении следует избегать локальных перегревов материала! Каждого вида материала требуется не менее 7 образцов (для статистики), плюс 1 контрольный.

1а. Приготовление коррозивной среды по заданному составу, или отбор проб, предоставляемых заказчиком, по ГОСТ 5445-79. Определение свободных кислот в образце коррозивной среды.

- в коническую колбу объемом 300 мл наливают 100 мл пробы коррозивной среды, и доливают 100 мл дистиллированной воды по ГОСТ 4517-87 и 0.5 мл спиртового р-ра фенолфталеина,

- полученный раствор титрую водным 0.01 Н р-ром гидроокиси натрия по ГОСТ 4328-77, приготовленного по ГОСТ 25794.1-83, до появления розового окрашивания, устойчивого в течение 30 сек.

- пересчет массовой доли свободный кислот по объему титрующего р-ра гидроокиси натрия производят по ГОСТ 25742.2-83.

2. Приготовление образцов для проведения испытаний, включающее следующий набор действий:

- зачистка (шлифование) и обезжиривание поверхности образцов кипячением в изопропаноле по ГОСТ 9805-84 в течение 30 мин.;

- документирование образцов, включающее наименование марки стали, форма и размеры образца (вычисление площади поверхности), состояние материала и этапы изготовления, состояние поверхности материала (фото-документирование);

- контрольное взвешивание на прецизионных лабораторных весах по ГОСТ 24104-2001 с точностью 0.1 мг.

- нанесение пометок непосредственно на поверхности образцов сталей не допускается.

3. Проведение испытаний по определению скорости коррозии:

- помещение образцов сталей в пробу коррозивной среды, маркирование стаканчиков с указанием, какой образец стали помещен в данную пробу коррозивной среды (не допускается помещение нескольких образцов сталей в один стаканчик); Все образцы должны быть одинаковым образом расположены в стаканчике. Предпочтительная ориентация – под углом 30^○ к вертикали, упирая уголками на стенки стаканчика.

Испытуемая проба коррозивной среды должна полностью покрывать образец.

- стаканчики с пробами коррозивной среды и образцами сталей закрываются крышкой и помещаются в КВД;

- КВД герметизируются, после чего выход на заданную температуру и давление испытания в течение 30 мин., и выдержка в течение оговоренного времени (по умолчанию 24 часа);

- сброс давления и охлаждение КВД до комнатной температуры в течение 30 мин (считается приемлемым превышение температуры над комнатной не более 5^○С).

- извлечение стаканчиков с образцами из КВД;

После документирования и на всех последующих этапах коррозионных испытаний образцы хранятся в специальных промаркированных стаканчиках, находящихся в эксикаторе по ГОСТ 25336-82 для предотвращения неконтролируемой коррозии, в процессе манипуляции с образцами исключаются контакты с любыми металлическими предметами (допускается только керамика или стекло).

4. Документирование образцов после проведения коррозионных испытаний:

- изменение цвета;

- наличие, характер и распределение видимых коррозионных дефектов;

- изменение толщины;

- фото-документирование;

5. Очистка образцов от продуктов коррозии после коррозионных испытаний, включающая:

- легкую механическую очистку щеточкой;

- химическое травление (для коррозионно-стойких сталей – состав С.7.12, для низко- и среднелегированных сталей – состав С.3.6, для обычных сталей и чугуна – состав С.3.5 по ГОСТ Р 9.907-2007). Для травящего агента предварительно выполняется контрольный эксперимент с участием аналогичного образца стали, не подверженного коррозионному воздействию. Потеря массы для контрольного образца не должны превышать 0,005%.

- промывка образца в деионизованной воде, осушение путем погружения в изопропаноле по ГОСТ 9805-84 с последующим обдувом в потоке обеспыленного воздуха.

6. Контрольное взвешивание образцов после проведения коррозионных испытаний на прецизионных лабораторных весах по ГОСТ 24104-2001 с точностью 0.1 мг.

7. Обработка результатов коррозионных испытаний.

- вычисление потери массы по разности двух контрольных взвешиваний по п. 3 и 6 (до и после коррозионного испытания), нормированное на площадь поверхности и время испытания, результат в мг/см²/сут;

8. Определение свободных кислот в образцах коррозивной среды после коррозионных испытаний, аналогично п. 1a.

9. Повторение пп. 1 – 7 с теми же самыми образцами сталей (проверка линейности коррозионного процесса во времени).

Ожидаемый результат, описание, основные технические параметры новых видов или качественного изменения продукции (услуг), появляющихся в результате выполнения проекта в сравнении с существующими аналогами, в том числе мировыми

1. Малогабаритный автоматизированный лабораторный стенд для проведения коррозионных испытаний различных металлов и сплавов при помещении в агрессивную среду (водные р-ры кислот, солей, щелочей и прочих органических и неорганических присадок) при различных термобарических условиях. Скорость коррозии определяется по потере массы образцом после испытания. Стенд выпускается в двух исполнениях из расчета предельных давлений и температур: до 50^○С/150 атм. и 150^○С/350 атм.

Стенд включает следующие узлы:

- Набор испытательных камер высокого давления (КВД): до 8 шт.;

- Гидравлическая система для создания давления в КВД;

- Система регистрации термобарических параметров в КВД;

- Система нагрева, термостатирования и охлаждения КВД;

2. Программное обеспечение для предсказания скорости коррозии различных металлических сплавов в заданной коррозионной средой.

- библиотека материалов (конструкционные металлы и сплавы) и коррозионных агентов (водные р-ры кислот, солей, щелочей и прочих органических и неорганических присадок, в том числе ингибиторов коррозии);

- физико-химическая модель взаимодействия металлов и сплавов с коррозионными агентами (химическая/электро-химическая, поверхностная/точечная/интеркристаллическая, структурные нарушения и т.д.), с возможностью корректировки на основе эмпирических данных. В основу разрабатываемой модели берется наиболее проработанная на данный момент модель HYDROCOR, которая ко всему прочему позволяет учитывать кислотную коррозию.

- физико-химическая модель эрозионного разрушения поверхности металлов и сплавов. В основу модели берется несколько вариантов наиболее функциональных эрозионных моделей, включая ERBEND DNV RP O501 и TUR E/CRC SPPS.

- полуэмпирическая модель эрозионной ускоренной коррозии, и коррозионно ускоренной эрозии, т.е. модели синергизма двух взаимно зависимых физико-химических процессов на поверхности при взаимодействии с подвижной коррозивной и эрозивной средой.

3. Методика проведения коррозионных тестов металлических сплавов при контакте с различными технологическими жидкостями при заданных термобарических условиях.

- входной контроль образцов конструкционных материалов и химических реагентов для испытания;

- порядок выполнения испытаний (предварительная подготовка стенда, запись условий и длительности испытания, завершение группы испытаний);

- контроль образцов конструкционных материала после испытания (скорость и характер коррозии, изменение упруго-прочностных характеристик);