Введение

Коррозионностойкие стали и сплавы занимают особую роль в различных отраслях промышленности [1 – 4]. Обладая повышенной коррозионной стойкостью в сочетании с требуемыми механическими свойствами [5 – 7], коррозионностойкие материалы используются в агрессивных условиях, где от них требуется долговечность без потери эксплуатационных характеристик [8; 9]. Исторически сложилось так, что высокая стоимость коррозионностойких материалов ограничивала их использование. Тем не менее, с течением времени понимание преимуществ коррозионностойких материалов привело ко все большему распространению изделий из них, в частности, за счет оптимизации состава и свойств для применения в специфических средах в узлах и конструкциях ответственного назначения [10 – 12]. На данный момент коррозионные стали и сплавы используются для более ответственного, дорогого, сложного оборудования, где потенциальные риски, издержки или выгоды превосходят стоимость материала.

При этом для отечественной металлургии в настоящее время остро стоит проблема производства импортозамещающих марок коррозионностойких сталей и сплавов. Россия занимает 0,4 % общемирового производства коррозионностойкой стали, а выпускаемый объем продукции удовлетворяет не более 25 % потребления общего объема стали различными отраслями промышленности на внутреннем рынке [13 – 15]. Так, в 2021 г. в РФ было произведено 120 тыс. т коррозионностойкой стали, а импортировано из-за рубежа 463 тыс. т. При этом отечественные аналоги не всегда удовлетворяют требованиям конечного потребителя по показателям физико-механических и коррозионных свойств.

Большой проблемой также является то, что отечественная нормативно-техническая документация (НТД), содержащая требования к технологии производства и оценке качества продукции из коррозионностойких сталей и сплавов, либо является устаревшей и содержит минимальные требования к продукции, либо вовсе отсутствует.Актуальность данного исследования заключается в том, что, с одной стороны, появилось большое количество запросов по импортозамещению, подбору, сравнительной оценке свойств нержавеющих сталей и сплавов для внедрения отечественных продуктов, оборудования и технологий, а с другой – данные из открытых источников и многолетний опыт анализа причин разрушений НТК «Новые технологии и материалы» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого. Также стоит добавить, что рассуждения на тему разрушений и тем более их открытый анализ – тема очень спорная, так как ведет за собой поиск виновных и наказание, однако в данной работе авторы сфокусировались на научной или практической стороне вопроса для того, чтобы в будущем избежать подобных проблем.

Обзор разрушений

Проведение лабораторных испытаний и исследований является неотъемлемой частью обоснованного выбора материала под заданные условия эксплуатации или их диапазон [16 – 18]. В лабораторных условиях можно проводить как стандартные испытания по существующим методикам (ГОСТ, ASTM, ISO, DIN и пр.), так и исследовательские работы с моделированием агрессивных сред, приближенных к реальным объектам.

Как показывают многочисленные примеры из открытых источников, а также из многолетней практики авторов, зачастую выбор того или иного материала в зависимости от условий эксплуатации может быть некорректен [19 – 22]. Помимо этого, могут быть не учтены факторы монтажа, технологических воздействий [23 – 25] и взаимодействий с другими материалами [26 – 28], изменения условий эксплуатации, металлургическое качество [29 – 31]. Все это ведет к разрушениям и серьезным экономическим и экологическим последствиям.

В табл. 1 – 3 приведен обзор разрушений различных изделий из коррозионностойких материалов в нефтегазовой отрасли и показаны причины их разрушений. Анализ источников показал, что случаи разрушений можно сгруппировать по трем категориям: некорректная эксплуатация материала, некачественный материал изделий и некорректный подбор материала под условия эксплуатации. В число случаев с некорректной эксплуатацией вошли также те случаи, в которых произошло нарушение состояния поставки материала в процессе монтажа непосредственно на объекте – к примеру, при проведении сварочных работ при возведении конструкций из коррозионностойких сталей.

Рассмотрим подробнее наиболее интересные случаи повреждений и способов решения возникших проблем из каждой категории.

Некорректная эксплуатация материала. Разберем пример из открытых источников. Авторы работы [21] анализировали причины коррозионных повреждений ректификационной колонны установки по производству ацетата целлюлозы, изготовленной из дуплексной стали UNS S31803. Технологическая жидкость представляла собой водный раствор 80 %-ной уксусной кислоты, который отделялся ректификацией. Вследствие неполной нейтрализации серной кислоты в технологической жидкости, используемой в качестве катализатора гидролиза эфиров, колонна работала в восстановительной среде, что препятствовало образованию стабильной пассивной пленки на поверхности металла.

Для решения этой проблемы авторы предложили модификацию состава технологической жидкости. Путем добавления перекиси водорода в лабораторных условиях они создали окислительные условия, способствующие образованию устойчивой пассивной пленки. Основываясь на результатах лабораторных исследований, в работающую колонну непрерывно добавляли перекись водорода. Этот подход оказался успешным для того, чтобы остановить коррозионные процессы вплоть до следующей остановки установки для планового технического обслуживания.

Некачественный материал изделий. Рассмотрим случай из практики авторов, связанный с межкристаллитным разрушением, на примере стального проката AISI 904L. Перед введением материала в эксплуатацию необходимо было провести приемо-сдаточные испытания на стойкость к межкристаллитной коррозии (МКК). Испытания проводили по ГОСТ 6032 – 2017 по методу ВУ в кипящем водном растворе сернокислого окисного железа (Fe2(SO4)3·9H2O) и серной кислоты (H2SO4 ) в колбе с обратным холодильником. Продолжительность выдержки в кипящем растворе составляла 48 ч. По окончании испытаний для обнаружения МКК образцы изгибали на угол 90° таким образом, чтобы оценить растрескивание основного металла и сварного соединения. На рис. 1, а, б показаны межкристаллитные трещины основного металла и металла сварного соединения.

В данном случае причиной межкристаллитной коррозии явилось наличие избыточных фаз, расположенных по границам аустенитных зерен основного металла и в междендритных пространствах сварного соединения, а также микропоры, которые послужили концентраторами для распространения трещин МКК. Таким образом, в ходе проведения лабораторных испытаний было установлено, что материал данного производства склонен к МКК. При введении данного проката в эксплуатацию существует большой риск его последующего растрескивания.

Некорректный подбор материала под условия эксплуатации. Рассмотрим разрушение теплообменных элементов аппарата низкотемпературной сепарации природного газа вследствие сквозной питтинговой коррозии в области сварного соединения из практики авторов (рис. 2). Согласно утвержденной проектной документации, материалом для него должна была служить сталь 12Х18Н10Т (AISI 321) с содержанием Ti от 0,4 до 1,0 мас. %. Однако в ходе исследований была обнаружена подмена марки стали на 12Х18Н9 (AISI 304). С точки зрения стойкости к питтинговой коррозии стали 12Х18Н10Т и 12Х18Н9 близки по коррозионным свойствам [32; 33], однако в случае со сваркой сталей, нестабилизированных титаном, коррозионная стойкость шва и околошовной зоны может быть значительно ниже основного металла [34]. Наличие титана обеспечивает образование благоприятных карбидов TiC вместо нежелательных карбидов Cr23С6 , которые снижают коррозионную стойкость.

Таким образом, основная причина появления сквозных дефектов в данном случае – это нарушение требований проектной документации в части несогласованного изменения марки стали. Это привело к некорректному выбору режима сварки, который вызвал активацию металла в зоне термического влияния стали, нестабилизированной титаном, в результате чего под воздействием коррозионной среды образовались сквозные питтинги.

Дискуссия

Рассмотренное относительно небольшое количество разрушений поднимает глубокий пласт проблем, касающихся производства качественных коррозионностойких сталей и сплавов, подбора материалов под условия эксплуатации, неполноты существующей НТД, а также квалификации специалистов.

Проблема качества коррозионностойких материалов обширна и потому требует разработки и внедрения новой НТД, описывающей требования к качеству. Это долгосрочная и кропотливая работа, но тем не менее в отечественной практике существуют удачные примеры таких разработок [35 – 38]. Стоит отметить, что в настоящее время единственный документ в нефтегазовый промышленности, относящийся к выбору и эксплуатации коррозионностойких сталей, это NACE MR0175, часть 3, который так и не был гармонизирован с ГОСТ. К тому же этот документ относится только к сероводородсодержащим средам, хотя в настоящее время становится все более актуальной оценка возможности эксплуатации сталей в СО2-содержащих средах [39].

Наконец, некорректный подбор материалов связан с отсутствием методик выбора и корректных методик оценки коррозионной стойкости. Руководства для подбора материалов, как правило, разрабатываются внутри компаний и подчинены внутренней политике, однако появившийся сравнительно недавно Институт нефтегазовых технологических инициатив (ИНТИ) постепенно может решать и такие вопросы. При этом разрабатываемые методики испытаний для оценки коррозионной стойкости материала должны учитывать воспроизведение агрессивных условий эксплуатации на объектах.

Так, для проведения физического моделирования в НТК «Новые технологии и материалы» существует большая испытательная база различных стендов и установок, которая позволяет испытывать материалы с воссозданием условий, максимально приближенных к эксплуатационным, в том числе и параметров потока. Коллективом авторов были спроектированы и изготовлены автоклавные установки различного объема (рис. 3, а), позволяющие проводить испытания при повышенном давлении и температуре как в статических, так и в динамических условиях [40]. В автоклавах также проводят испытания с участием сверхкритических флюидов.

Агрессивность среды может проявляться не только наличием коррозионно-активных агентов, но также наличием абразивных частиц, приводящих к абразивному износу. Совместное влияние этих двух факторов может заметно усугубить протекание процесса разрушения материалов. Смоделировать их совместное влияние возможно с использованием замкнутых стендов типа «flow-loop», в которых также учтены термобарические параметры и воздействие потока флюида (рис. 3, б).

Однако на проведение испытаний, в которых контролируется большое количество параметров среды, затрачивается много времени и ресурсов. Поэтому, используя результаты большого числа проведенных испытаний, создаются базы данных, учитывающие параметры, определяемые на стенде, которые в дальнейшем ложатся в математическую модель для разработки цифрового двойника.

Таким образом, обзор проблем, связанных с обоснованным выбором коррозионностойких сталей и сплавов в нефтегазовой отрасли, раскрывает важные аспекты, связанные с их эксплуатацией в агрессивных условиях.

В нефтегазовой отрасли материалы сталкиваются с агрессивными средами, высокими температурами, циклическими нагрузками и механическими напряжениями. При этом на практике обоснованному выбору коррозионностойких материалов не всегда уделяется должное внимание, поэтому кажущиеся на первый взгляд экономически выгодными решения могут оказаться некорректными. Впоследствии это может привести к серьезным проблемам и дополнительным расходам на замену или капитальный ремонт. Для успешного применения коррозионностойких материалов необходимо проводить предварительные лабораторные исследования с воссозданием факторов среды для подтверждения качества материала и его коррозионной стойкости в конкретных условиях эксплуатации. А для разработки и внедрения эффективных решений необходимо тесное сотрудничество между инженерами, учеными, исследователями и производителями.

Выводы

Проведен обзор причин разрушений изделий из коррозионностойких материалов в нефтегазовой отрасли. Установлено, что причинами отказа материала могут стать как некорректные условия эксплуатации материала и некачественный материал изделий, так и некорректный подбор материала под условия эксплуатации. Для каждой группы причин отказа рассмотрены примеры из открытых источников и из практики коллектива авторов работы. Обоснована важность проведения предварительных лабораторных исследований коррозионностойких материалов и их испытаний с воспроизведением факторов среды для обоснованного выбора под конкретные условия эксплуатации. Показаны подходы, используемые коллективом авторов работы для проведения физического моделирования факторов среды с воссозданием реальных условий, в том числе и параметров потока.