Исследование коррозионной стойкости высокопрочного чугуна экономнолегированного никелем и медью, производимого в кокилях

Гасанли Рамиз Камандар оглы,

кандидат технических наук, доцент Азербайджанского технического университета.

Рассматривается проблема повышения коррозионной стойкости высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, производимого в кокилях для оборудования, работающего в коррозионноактивных средах путем экономного легирования его такими элементами как Ni и Си. Результаты исследований показали возможность перевода деталей запорных усройств фонтанного оборудования из высоколегированной стали на экономнолегиро-ванный ВЧШГ.

Освоение новых нефтяных и газоконденсатных месторождений, в продукции скважин которых содержатся такие коррозионно-активные элементы, как сероводород и углекислый газ, поставило задачу создания нефтепромыслового оборудования, работоспособного в таких условиях.

Для изготовления такого оборудования в настоящее время используются высоколегированные стали 06Х20Н8М3Д2Л и ЭП-543. Однако высокая стоимость, низкие литейные свойства и плохая обрабатываемость резанием, обусловленная их повышенной вязкостью, настоятельно требуют замены этих материалов более дешевыми и технологичными. В качестве такого материала для изготовления деталей, не подвергающихся растягивающим напряжениям при эксплуатации, может быть использован высокопрочный чугун с шаро-видным графитом (ВЧШГ- ВЧ60), легированный небольшими количествами меди и никеля [1]. Выбор этих элементов связан с их эффективным положительным воздействием на структуру, механические свойства, плотность и электродный потенциал чугуна [1,2]. Изучению подлежит вопрос возможности использования легированного ВЧШГ в качестве материала деталей нефтепромыслового оборудования, работающего в таких агрессивных средах, как сероводород, морская вода и перегретый пар. Исследование проводили в соответствии с ГОСТ 9.905-82 на установках, позволяющих с достаточной степенью достоверности воспроизводить реальные условия работы деталей [2]. В работе были исследованы образцы шести плавок чугуна, химический состав которых приведен в табл.1.

Таблица 1.

Химический состав плавки.

Содержание фосфора во всех плавках было менее 0,1%, серы - менее 0,02%.

Испытывали по пять образцов из каждой плавки. Плавка №1, в которой отли-вались образцы из нелегированного ВЧШГ, необходимого для сопоставления результатов исследований, являлась исходной. В качестве эквивалента морской воды использовали 3%-й водный раствор NaCl, широко применяемый в качестве модельной среды.

Использованная в исследовании сероводородсодержащая среда представляла собой водный раствор 5%NaCl+0,5%CH₃COOH, насыщенный сероводородом до уровня 3000мг/л. В качестве ингибитора коррозии использовали ингибитор «ВИСКО 904 NiK», применяемый в нефтяных скважинах, содержащих сероводород. Время выдержки образцов в исследуемой среде составляло 24, 96, 192, 360, 720 ч.

Результаты проведенных исследований показывают, что наиболее высокую коррозионную стойкость в морской воде и перегретом паре продемонстрировали образцы из ВЧШГ, легированного никелем и медью в количествах, соответственно, 1,0% и 0,5% (табл. 2). Наблюдаемый эффект объясняется увеличением электродного потенциала чугуна при образовании твердого раствора меди, никеля с железом, а также их благоприятным влиянием на уменьшение ликвации кремния и получения однородной структуры чугуна. Введение легирующих элементов в чугун также способствует рафинированию и дегазации металла.

Таблица 2.

Коррозионная стойкость ВЧШГ в морской воде.

Однако при увеличении содержания меди до 0,9% и никеля до 2% процесс коррозии несколько интенсифицируется в результате уменьшения растворимости меди и никеля и возможного выделения из твердого раствора богатой с Сu и Ni фазы. Одной из основных причин, способствующих уменьщению скорости коррозии ВЧШГ, легированного оптимальным количеством легирующих элементов, является образование на его поверхности защитной пассивной пленки. При увеличении продолжительности выдержки в коррозионной среде до 96 ч и более скорость коррозии существенно снижается. Последующее увеличение продолжительности контакта со средой сопровождается менее резким снижением скорости коррозии, а после 500 ч нахождения в среде скорость коррозии практически стабилизируется. Обращает на себя внимание факт увеличения скорости коррозии чугуна (по сравнению с испытаниями в стационарных условиях взаимодействия с коррозионной средой) при динамическом воздействии на него коррозионной среды (табл. 2). Объясняется это, по-видимому, тем, что с увеличением скорости движения электролита повышается скорость диффузии кислорода к поверхности контакта металл-электролит, а также не исключается возможность частичного механического удаления защитной пленки (эрозии) движущимся потокам электролита. Однако в условиях динамического воздействия среды интенсивность протекания коррозионного процесса легированного ВЧШГ значительно меньше, что также связано с большой плотность пассивной пленки и ее лучшей способностью к самозалечиванию в случае механического повреждения.

Результаты коррозионных испытаний также показывают, что скорость коррозии всех исследованных чугунов имеют существенно более высокие значения в сероводородсодержащей среде, чем в средах морской воды и перегретого пара. Как и в предыдущих испытаниях, наибольшие значения коррозии получены после испытаний продолжительностью 24 ч (табл.3).

Таблица 3.

Коррозионная стойкость ВЧШГ в сероводородсодержащей среде.

Последующее увеличение продолжительности испытаний до 360 ч приводит к снижению скорости коррозии. В отличие от результатов, полученных при испытаниях в морской воде и перегретом паре (длительная выдержка 360 ч) в коррозионной среде, содержащей Н₂­S, приводит к повышению скорости коррозии. Практически на всех образцах наблюдается неравномерная коррозия. После испытаний и удаления продуктов коррозии поверхность образцов становится рыхлой. Результаты коррозионных испытаний показы-вают, что при наличии ингибитора «ВИСКО 904 НиК» скорость коррозии существенно снижается до 0,003 мм/год что указывает на полную коррозионную защиту ингибитором образцов легированного ВЧШГ. На начальных стадиях относительно низкие значения скорости коррозии с ингибитором получены на образцах ВЧШГ, комплексно легированных медью и никелем.

Таким образом, перевод деталей задвижек фонтанного устьевого оборудования, не подвергающихся растягивающим напряжениям в условиях эксплуатации, со стали на ВЧШГ, легированный оптимальным количеством никелем (1,0-1,5%) и медью (менее 0,9%), позволяет снизить трудоемкость механической обработки и обеспечить экономический эффективность производства.

Литература

1.                  Солнцев Л.А., Зайденберг А.М., Малый А.Ф. Получение чугунов повышенной прочности. Харьков, Вища школа, 1986,150с.

2.                  Шебатинов М.П., Абраменко Ю.Е., Бех Н.И. Высокопрочный чугун в машиностроении. М., Машиностроение, 1978, 213с.

Поступила в редакцию 09.03.2010 г.