Scientific journal

Fundamental research

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

В настоящее время добыча нефти и газа на морских месторождениях производится при помощи морских стационарных платформ. Агрессивная морская среда, в которой эксплуатируются эти платформы, приводит к коррозии металла. Коррозия, уменьшая площадь поперечного сечения и величину момента сопротивления элемента при изгибе, вызывает перенапряжение элементов ОБ МСП и ухудшает сопротивляемость конструкции разрушению. Помимо этого, коррозионное поражение поверхности элементов платформ в виде каверн вызывает значительную концентрацию напряжений в элементах, а в некоторые случаях значения напряжения могут превышать максимально допустимый предел. Кроме того, коррозионные поражения способствуют возникновению и развитию таких опасных дефектов, как усталостные трещины [5, 6]. В последнее время наша страна получила доступ к месторождениям нефти и газа, расположенным на шельфе Черного моря. В связи с этим исследование коррозионных процессов опорных блоков морских стационарных платформ для черноморских месторождений является актуальной и своевременной задачей. Кратко опишем факторы, влияющие на коррозионные процессы в условиях морских месторождений. Одним из таких факторов является температура. Детально вопрос о тепловом состоянии элементов МСП был рассмотрен в работе [3]. С увеличением температуры скорость электрохимической коррозии увеличивается, что обусловлено возникновением термогальванических пар из-за разности температуры отдельных участков одного и того же конструктивного элемента МСП [2]. Нагретый под воздействием солнечной радиации до более высокой температуры надводный участок конструктивного элемента МСП является анодом и подвергается более интенсивному коррозионному износу в отличие от подводной зоны с малыми температурными перепадами конструктивных элементов [2, 3–5]. Значительное влияние на скорость коррозии оказывает растворенная в морской воде соль, которая превращает морскую воду в электролит с высокой степенью электропроводности [2]. По мнению профессора П.П. Бородавкина [1], значительное влияние на коррозионные процессы МСП оказывают морские течения [1, 2], которые постоянно доставляют новые коррозионно-активные элементы (например, насыщенную солью воду), еще не вступившие в реакцию, к уже пораженным коррозией участкам конструктивных элементов МСП, тем самым многократно увеличивая коррозионные процессы. Следует также отметить, что коррозионные поражения опорного блока начинаются в результате нарушения работы систем защиты от коррозии [1]. Как показал анализ отчетов диагностических обследований морских платформ, расположенных на Черном море, коррозионные процессы наиболее интенсивно протекают в зонах с поврежденным лакокрасочным покрытием (или с другим изоляционным материалом). Слабая адгезия лакокрасочного покрытия либо его полное отсутствие приводили к серьезным коррозионным повреждениям даже при наличии действующих систем ЭХЗ. Помимо этого следует учитывать, что на скорость коррозии оказывают влияние состояние и химический состав материала конструктивных элементов МСП, фактор сезонности, концентрация растворенного в воде кислорода, температура воздуха и воды, влажность воздуха, конструктивная форма сварных соединений и элементов, время работы, характер нагрузки элементов, наличие в воде бактерий, количество осадков и их распределение за данный промежуток времени и другие факторы [1, 2, 4, 5]. Помимо этого, авторы хотели бы подчеркнуть тот факт, что наличие механических повреждений в конструктивных элементах опорного блока, таких как вмятины или задиры, значительно ускоряет коррозионные процессы. Немаловажным является фактор морского обрастания, который играет решающую роль для элементов, расположенных в подводной зоне. Обрастание конструкций организмами, имеющими твердую оболочку, замедляет коррозию, ограничивая доступ кислорода к металлу. Авторами было исследованы демонтированные элементы платформы, располагавшиеся в подводной зоне и имевшие слой морского обрастания приблизительно 30 см. В результате исследования было установлено, что поверхность элементов практически полностью сохранила защитный слой лакокрасочного покрытия, а скорость коррозии, рассчитанная как разница между проектной и фактической толщиной за время эксплуатации, составила приблизительно 0,01 мм/год.

Рис. 1. Сквозная коррозия элементов ОБ МСП

Рис. 2. Трещины коррозионной усталости элементов ОБ МСП

Опыт обследования металлоконструкций МСП показывает, что встречаются разные виды коррозионного поражения. Это может быть как сквозная коррозия (рис. 1), так и питтинговая коррозия, коррозионное растрескивание, язвенная и др. Если оценивать влияние сплошной поверхностной коррозии, то она приводит к равномерному утонению толщины стенок труб с равномерным снижением общей несущей способности, т.к. изменяются такие важные характеристики, определяющие напряженное состояние элементов платформы, как площадь поперечного сечения, момент сопротивления при изгибе и кручении. Безусловно, такое изменение характеристик элементов негативно влияет на безопасную эксплуатацию платформы, однако существенно более опасными являются язвенные или точечные коррозионные поражения, трещины коррозионной усталости (рис. 2), которые распространяются от поверхности вглубь основного металла с малыми радиусами закругления на конце дефекта. Такие поражения резко изменяют форму поверхности конструктивного элемента МСП, приводя к изменению общей картины напряженного состояния, и становятся потенциально перенапряженными элементами, которые в механике разрушения получили название концентраторы напряжений. Напряженное состояние в этом случае описывается с помощью коэффициентов концентрации напряжений К, которые определяют истинное напряженное состояние на участке с коррозионным дефектом путем умножения значения К на величину номинальных напряжений. Значение величины концентрации напряжений тем больше, чем острее форма коррозионного дефекта. Коррозионный дефект в виде каверны представляет собой локальное углубление, характеризующееся параметрами длины, ширины, глубины и радиусом закругления на конце каверны. Для того чтобы установить историю изменения напряженного состояния МСП, требуется установить, с какой скоростью развивался коррозионный дефект, а именно установить скорость коррозии. Соотрудниками ООО «Институт «ШЕЛЬФ» были выполнены экспериментальные исследования, в результате которых было установлено, что скорость коррозии образцов, полностью погруженных в воду, составляет от 60 до 130 мкм/год, скорость коррозии в зоне переменного смачивания может достигать до 1,3 мм/год. На практике МСП защищаются от коррозии различными методами. Такая защита осуществляется как с помощью специальных антикоррозионных защитных покрытий, так и с помощью размещения протекторов или применения других методов электрохимзащиты от коррозии. Применение этих методов существенно снижает скорость коррозии. Так, в «Правилах строительства и эксплуатации ПБУ/МСП» приводятся данные о скоростях коррозии для элементов опорного блока в зависимости от пространственного местоположения конструктивного элемента, условий примыкания к нему других элементов и других факторов. Отметим, что максимальная скорость коррозии для элементов опорных блоков морских стационарных платформ, равная 0,18 мм/год, характерна для раскосов. А для колонн, расположенных в зоне переменного смачивания, скорость коррозии составляет 0,16 мм/год. Основываясь на данных обследований платформ на шельфе Черного моря, авторы зафиксировали большие скорости коррозии для элементов, находящихся в зонах переменного смачивания. Для лучшего понимания коррозионных процессов в условиях Черного моря кратко опишем и дадим сравнение природно-климатических условий основных месторождений, расположенных на шельфе Черного моря. «Голицынское» газоконденсатное месторождение (ГКМ) расположено в мелководной части северо-западного района Черного моря. Глубины моря от 29 до 45 м. Рельеф дна ровный с уклоном 2 м/км. По климатическим особенностям северо-западная часть Черного моря относится к умеренно-континентальной зоне, которая характеризуется мягкой влажной зимой и теплым летом. Средняя температура января от плюс 2,6 до плюс 3 °С, летом температура поднимается до плюс 32 °С. В январе-феврале температура воздуха может в течение нескольких дней понижаться до минус 5 – минус 10 °С. Зимой верхний слой воды в северо-западной части Черного моря охлаждается до плюс 3 – минус 0,5 °С. В летний сезон вода прогревается до плюс 22 – плюс 23 °С. За год выпадает около 300 мм осадков, максимальная часть их приходится на первую половину лета. Участку дна Голицынского ГКМ соответствует зона действия северной ветви постоянного течения, двигающегося с юго-востока на северо-запад. Скорости течений в данном районе невелики – около 15–30 см/с. При сильных ветрах могут возникать местные дрейфовые течения, вызванные нагоном, скорость которых в отдельных случаях может достигать 100 см/с. С глубиной моря скорости течения быстро затухают. Основным фактором, вызывающим волнение моря, является периодически дующий ветер. На погоду с волнением моря более двух баллов ежемесячно выпадает от 18 до 20 дней. Штормовые ветры наблюдаются в основном осенью и зимой. Сила ветров редко достигает 4–5 баллов. В районе установки платформы наблюдаются волны высотой до 3 м. В штормовую погоду они могут достигать 8 м, а в период ураганов – до 12 м (повторяемость от 30 до 50 лет). Расчетное значение скорости ветра принято 56 м/с. Высота волн 1 % обеспеченности принята равной 12,5 м. Соленость воды верхнего слоя моря подвержена сезонной изменчивости. Зимой соленость на поверхности увеличивается до 18,15 %. Летом в северо-западной части моря наблюдается значительное опреснение. Соленость снижается до 14 %. Сезонные колебания уровня моря создаются соотношением между приходными и расходными составляющими водного баланса. Наиболее низкий уровень отмечается зимой. Весной уровень в связи с увеличением речного стока повышается быстрее и в июне достигает максимума. Амплитуда годового хода уровня составляет от 20 до 25 см. Детальное описание природно-климатических условий месторождений Черного моря содержится в диссертационном исследовании Ю.В. Ивненко. В настоящей же статье приведем краткую сравнительную характеристику природно-климатических условий для Голицынского, Стрелкового и Штормового месторождений (табл. 1).

Таблица 1

Сравнительная характеристика природно-климатических условий нефтегазовых месторождений Черного моря

Таблица 2

Скорости коррозии для различных групп конструктивных элементов МСП с учетом их пространственного месторасположения

Систематизация данных факторов позволит в дальнейшем составить систему уравнений, при помощи которых становится возможным рассчитать удельный вес каждого из факторов в коррозионном процессе. Получение значений удельного веса каждого из коррозионных факторов позволит предсказать интенсивность коррозионных процессов на перспективных месторождениях нефти и газа, расположенных в Черном море. В настоящее время авторы продолжают исследования в этом направлении. Подготовлены экспериментальные установки, на которых будет изучаться влияние различных коррозионных факторов на элементы опорного блока МСП в условиях Черного моря. Результаты проведения эксперимента будут опубликованы позже. Авторами был обработан большой объем отчетов о технической диагностике МСП, что позволило определить скорости коррозии для различных групп конструктивных элементов МСП с учетом их пространственного месторасположения (табл. 2). Расчеты проводились по формуле

где V_к – скорость коррозии (мм/год); δ₀ – исходная толщина (мм); δ_ф – фактическая толщина (мм); T – время эксплуатации (в годах).

Отметим, что имеющиеся у авторов данные убедительно доказывают что скорость коррозии 0,2993 мм/год для колонн, расположенных в зоне переменного смачивания, в 1,89 раза больше, чем указанная в «Правилах строительства и эксплуатации ПБУ/МСП» 0,16 мм/год. В настоящее время исследования продолжаются.

Рецензенты:

Бородавкин П.П., д.т.н., профессор, генеральный директор АО «Интергаз», г. Москва;

Литвин И.Е., д.т.н., генеральный директор ООО «СТД», г. Москва.