Комплексный подход к выбору технологии борьбы с коррозией на месторождениях с содержанием сероводорода



В статье рассматривается комплексный подход к выбору технологий защиты от коррозии на сероводородсодержащих месторождениях. Представлен анализ основных факторов, влияющих на коррозионные процессы, и современных методов противокоррозионной защиты. Предложен алгоритм выбора оптимальной технологии защиты с учетом технических и экономических критериев. Разработаны практические рекомендации по применению различных методов защиты в зависимости от условий эксплуатации оборудования.

Ключевые слова: сероводородная коррозия, ингибиторная защита, коррозионностойкие материалы, комплексный подход, критерии выбора, противокоррозионная защита, нефтегазовое оборудование.

Проблема защиты нефтегазового оборудования от коррозии на сероводородсодержащих месторождениях является одной из наиболее актуальных задач в современной нефтегазовой отрасли. По данным исследований [7], ежегодные потери от коррозии в нефтегазовой промышленности составляют до 30 % от общего объема металлофонда, при этом прямые затраты на борьбу с коррозией достигают 15 % от общих эксплуатационных расходов. Особую опасность представляет коррозионное разрушение оборудования в присутствии сероводорода, которое может привести не только к значительным экономическим потерям, но и к серьезным экологическим последствиям [8].

Современные требования к материалам и методам защиты от коррозии, регламентируемые ГОСТ Р 53678–2009 [2], определяют необходимость комплексного подхода к решению данной проблемы. При этом выбор оптимальной технологии защиты должен учитывать, как специфику условий эксплуатации оборудования, так и экономическую эффективность применяемых методов.

Целью исследования является разработка комплексного подхода к выбору технологии борьбы с коррозией на сероводородсодержащих месторождениях, обеспечивающего максимальную эффективность противокоррозионной защиты при минимальных затратах.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ коррозионных процессов и факторов, влияющих на их интенсивность в условиях сероводородсодержащих месторождений.
2. Исследовать современные методы защиты от коррозии и оценить их эффективность.
3. Разработать критерии выбора оптимальной технологии защиты с учетом технических и экономических показателей.
4. Предложить алгоритм принятия решений при выборе методов противокоррозионной защиты.

Проблема коррозионного разрушения оборудования на сероводородсодержащих месторождениях имеет комплексный характер, что обусловлено многофакторностью процессов коррозии и их взаимным влиянием. Исследования показывают, что в присутствии сероводорода существенно изменяется не только скорость коррозии, но и сам механизм разрушения металла [3, с. 46]. Это связано с тем, что сероводород, растворяясь в водной фазе, создает кислую среду и одновременно является источником атомарного водорода, который, проникая в металл, вызывает его охрупчивание.

Особую роль в развитии коррозионных процессов играет совместное присутствие сероводорода и углекислого газа. По данным исследований [9, с. 57], при одновременном воздействии H ₂ S и CO ₂ скорость коррозии может возрастать в 2–3 раза по сравнению с их раздельным влиянием. Это объясняется синергетическим эффектом, при котором углекислый газ усиливает локальную коррозию, а сероводород способствует наводороживанию металла.

Существенный вклад в развитие коррозионных процессов вносит микробиологический фактор. Как показано в работе [4, с. 113], сульфатвосстанавливающие бактерии не только продуцируют дополнительный сероводород, но и создают на поверхности металла условия для развития питтинговой коррозии. В результате их жизнедеятельности образуются локальные анодные участки, где скорость коррозии может превышать среднюю в десятки раз.

В таблице 1 представлены основные факторы, влияющие на интенсивность коррозионных процессов в сероводородсодержащих средах.

Таблица 1

Факторы, определяющие интенсивность коррозии на сероводородсодержащих месторождениях

Фактор	Механизм влияния	Степень воздействия
Концентрация H2S	Прямое химическое воздействие, наводороживание	Высокая
Содержание CO2	Снижение pH, усиление локальной коррозии	Средняя
Микробиологическая активность	Образование агрессивных метаболитов	Высокая
Температура	Ускорение химических реакций	Средняя
Давление	Повышение растворимости газов	Низкая

Анализ данных таблицы 1 показывает, что наибольшее влияние на коррозионные процессы оказывают концентрация сероводорода и микробиологическая активность среды.

Важным аспектом является влияние механических свойств металла на его коррозионную стойкость. Исследования [14, с. 195] показывают, что повышенная твердость стали, хотя и обеспечивает лучшие механические характеристики, может способствовать развитию сульфидного растрескивания под напряжением. На рисунке 1 представлена зависимость склонности к растрескиванию от твердости металла.

Рис. 1. Влияние твердости стали на склонность к сульфидному растрескиванию под напряжением

Анализ представленной на рисунке 1 зависимости свидетельствует о том, что при твердости стали выше 22–24 HRC резко возрастает вероятность сульфидного растрескивания под напряжением. Это необходимо учитывать при выборе материалов для изготовления оборудования, работающего в сероводородсодержащих средах.

Комплексное рассмотрение всех факторов, влияющих на коррозионные процессы, позволяет более обоснованно подходить к выбору методов защиты оборудования. При этом необходимо учитывать не только отдельные механизмы коррозии, но и их взаимное влияние, что особенно важно при разработке эффективных мер противокоррозионной защиты.

В настоящее время для защиты нефтегазового оборудования от коррозии в сероводородсодержащих средах применяется широкий спектр методов, каждый из которых имеет свои преимущества и ограничения. При этом эффективность противокоррозионной защиты во многом определяется правильностью выбора метода или их комбинации с учетом конкретных условий эксплуатации [12, с. 85].

Ингибиторная защита остается одним из наиболее гибких и экономически целесообразных методов. Современные ингибиторы коррозии представляют собой сложные композиции, способные одновременно воздействовать на несколько механизмов коррозионного разрушения. Исследования показывают, что правильно подобранные ингибиторы способны снизить скорость коррозии в 10–20 раз [12, с. 87]. Однако их эффективность существенно зависит от условий применения, что требует тщательного подхода к выбору конкретных реагентов.

Методы контроля коррозии играют ключевую роль в обеспечении эффективности противокоррозионной защиты. Современные системы мониторинга позволяют не только фиксировать скорость коррозии, но и прогнозировать развитие коррозионных процессов [6, с. 111]. В таблице 2 представлено сравнение основных методов защиты от коррозии по ряду ключевых параметров.

Таблица 2

Сравнительная характеристика методов защиты от коррозии

Метод защиты	Эффективность защиты, %	Срок службы	Сложность внедрения	Экономические затраты
Ингибиторная защита	85–95	1–2 года	Средняя	Средние
Защитные покрытия	90–98	3–5 лет	Высокая	Высокие
Электрохимическая защита	80–90	5–10 лет	Высокая	Высокие
Коррозионностойкие материалы	95–99	>10 лет	Низкая	Очень высокие

Анализ данных таблицы 2 показывает, что каждый метод имеет свою область оптимального применения. При этом важно отметить, что согласно требованиям ANSI/NACE TM0177–2016 [1], все применяемые методы защиты должны проходить обязательную процедуру испытаний для подтверждения их эффективности в конкретных условиях.

На рисунке 2 представлена динамика изменения скорости коррозии при применении различных методов защиты.

Рис. 2. Изменение скорости коррозии во времени при различных методах защиты

Анализ представленных на рисунке 2 данных свидетельствует о том, что наиболее стабильную защиту обеспечивают комбинированные методы. Это подтверждается и требованиями СТО Газпром [13], где указывается на необходимость комплексного подхода к противокоррозионной защите.

Особое внимание следует уделять требованиям безопасности при реализации методов защиты от коррозии. Согласно Приказу Ростехнадзора [10], все работы по противокоррозионной защите должны проводиться с соблюдением строгих мер безопасности, особенно в условиях присутствия сероводорода.

Комплексный анализ современных методов защиты показывает, что наиболее эффективным является сочетание различных методов с учетом их взаимного дополнения и усиления защитного действия. При этом выбор конкретной комбинации методов должен основываться на тщательном анализе условий эксплуатации и технико-экономическом обосновании.

Выбор оптимальной технологии противокоррозионной защиты представляет собой сложную многокритериальную задачу, решение которой требует учета множества факторов. При этом важно понимать, что универсального решения не существует — каждый случай требует индивидуального подхода с учетом специфики конкретного объекта и условий его эксплуатации [7, с. 78].

Современный подход к выбору методов защиты основывается на оценке рисков коррозионного разрушения. При этом учитываются не только технические аспекты, но и экономические последствия возможных отказов оборудования. Исследования показывают, что затраты на ликвидацию последствий коррозионных разрушений могут в 5–10 раз превышать стоимость превентивных мер защиты [8, с. 91].

Существенное влияние на выбор технологии защиты оказывает наличие биокоррозии. Как отмечается в работе [5, с. 161], в условиях активной жизнедеятельности сульфатвосстанавливающих бактерий традиционные методы защиты могут оказаться малоэффективными. В таких случаях необходимо предусматривать комплексные решения, включающие применение бактерицидов.

На рисунке 3 представлен алгоритм выбора оптимальной технологии защиты, учитывающий основные критерии оценки.

Рис. 3. Алгоритм выбора технологии противокоррозионной защиты

Представленный на рисунке 3 алгоритм позволяет систематизировать процесс принятия решений при выборе методов защиты. При этом особое внимание уделяется анализу условий эксплуатации оборудования, что полностью соответствует требованиям РД 39–132–94 [11].

Важным аспектом является экономическая оценка эффективности выбранной технологии защиты. Согласно исследованиям [8, с. 93], при выборе метода защиты необходимо учитывать не только прямые затраты на его реализацию, но и косвенные эффекты, такие как увеличение межремонтного периода, снижение эксплуатационных расходов, уменьшение рисков аварийных ситуаций.

Комплексный анализ различных критериев позволяет выделить следующие ключевые факторы, определяющие выбор технологии защиты:

— агрессивность среды и наличие специфических факторов коррозии [7, с. 80];

— требуемая длительность защитного действия [8, с. 94];

— технологические возможности реализации метода защиты;

— экономическая целесообразность применения выбранного метода.

При этом необходимо учитывать, что в процессе эксплуатации условия могут меняться, что требует периодической переоценки эффективности выбранной технологии защиты. Как показывает практика [8, с. 95], своевременная корректировка методов защиты позволяет существенно повысить их эффективность и продлить срок службы оборудования.

Следует отметить особую роль мониторинга эффективности противокоррозионной защиты. Регулярный контроль позволяет не только оценивать текущее состояние оборудования, но и прогнозировать развитие коррозионных процессов, что дает возможность своевременно принимать необходимые меры по корректировке методов защиты [7, с. 81].

В результате проведенного исследования можно сделать следующие основные выводы:

Проблема защиты оборудования от коррозии на сероводородсодержащих месторождениях требует комплексного подхода, учитывающего множество взаимосвязанных факторов. Как показано в работе [8, с. 87], эффективность противокоррозионной защиты может быть существенно повышена за счет правильного выбора технологии с учетом конкретных условий эксплуатации.

Установлено, что наиболее эффективными являются комбинированные методы защиты, сочетающие применение ингибиторов коррозии с другими технологическими решениями. При этом, согласно исследованиям [6, с. 115], правильно подобранная комбинация методов позволяет снизить скорость коррозии в 15–20 раз и существенно продлить срок службы оборудования.

Разработанный алгоритм выбора технологии защиты [7, с. 80] позволяет принимать обоснованные решения с учетом как технических, так и экономических критериев. Важным аспектом является необходимость регулярного мониторинга эффективности выбранных методов защиты и их своевременной корректировки при изменении условий эксплуатации.

Практическая значимость исследования заключается в возможности использования предложенного подхода для оптимизации затрат на противокоррозионную защиту при обеспечении требуемого уровня надежности оборудования. По данным [8, с. 89], применение комплексного подхода позволяет сократить эксплуатационные затраты на 20–30 % при одновременном повышении эффективности противокоррозионной защиты.

Перспективным направлением дальнейших исследований является разработка автоматизированных систем мониторинга и управления противокоррозионной защитой, позволяющих оперативно реагировать на изменение условий эксплуатации оборудования.

Литература:

1. ANSI/NACE TM0177–2016. Стандартный метод испытаний. Лабораторные испытания металлов на устойчивость к сульфидному растрескиванию под напряжением и коррозионному растрескиванию под напряжением в среде H2S.
2. ГОСТ Р 53678–2009 (ИСО 15156–2:2003). Нефтяная и газовая промышленность. Материалы для применения в средах, содержащих сероводород, при добыче нефти и газа. — М: СТАНДАРТИНФОРМ, 2019. — 9 с.
3. Гафаров, Н. А. Ингибиторы коррозии. Диагностика и защита от коррозии под напряжением нефтегазопромыслового оборудования / Н. А. Гафаров, В. М. Кушнаренко, Д. Е. Бугай, А. А. Гончаров, Ю. А. Чирков. — М.: Химия, 2002. — 367 с.
4. Каменщиков, Ф. А. Борьба с сульфатвосстанавливающими бактериями на нефтяных месторождениях: монография / Ф. А. Каменщиков, Н. Л. Черных. — М.: Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотичная динамика», 2007. — 412 с.
5. Кушнаренко, В. М. Биокоррозия стальных конструкций / В. М. Кушнаренко, Ю. А. Чирков, В. С. Репях, В. Г. Ставишенко // Вестник ОГУ. — 2012. — № 6. — С. 160–164.
6. Мамбетов, Р. Ф. Контроль коррозии как метод повышения безопасности трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие нефтегазовые среды / Р. Ф. Мамбетов, В. М. Кушнаренко, Н. А. Конькова, И. В. Ефремов // Нефтегазовое дело. — 2020. — № 3. — С. 109–129.
7. Мамбетов, Р. Ф. Оценка и приоритезация рисков промысловых трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие нефтегазовые среды / Р. Ф. Мамбетов, В. М. Кушнаренко, Ф. Ш. Хафизов, И. Ф. Хафизов // Нефтегазовое дело. — 2022. — № 6. — С. 76–91.
8. Мамбетов, Р. Ф. Совершенствование способа пожарной безопасности трубопроводного транспорта сероводородсодержащих нефтегазовых сред / Р. Ф. Мамбетов, Ф. Ш. Хафизов, В. М. Кушнаренко, И. Ф. Хафизов, Л. В. Сорокина // Нефтегазовое дело. — 2023. — № 1. — С. 84–106.
9. Маркин, А. Н. СО2-коррозия нефтепромыслового оборудования / А. Н. Маркин, Р. Э. Низамов. — М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2003. — 188 с.
10. Приказ Ростехнадзора от 15.12.2020 N 534 «Об утверждении Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности» «Правила безопасности в нефтяной и газовой промышленности».
11. РД 39–132–94. Правила по эксплуатации, ревизии, ремонту и отбраковке нефтепромысловых трубопроводов. — М.: НПО ОБТ, 1994. — 22 с.
12. Рахманкулов, Д. Е. Ингибиторы коррозии. Том 4. Теория и практика противокоррозионной защиты нефтепромыслового оборудования и трубопроводов / Д. Л. Рахманкулов, Д. Е. Бугай, А. И. Габитов, А. А. Гоник, Р. Ж. Ахияров, А. А. Калимуллин. — М.: Химия, 2007. — 300 с.
13. СТО Газпром 9.0–001–2009. Защита от коррозии. Основные положения. — М.: ОАО «Газпром», 2009. — 4 с.
14. Узяков, Р. Н. Влияние твердости на сероводородное растрескивание сталей / Р. Н. Узяков, В. М. Кушнаренко, В. С. Репях, Ю. А. Чирков // Вестник ОГУ. — 2014. — № 10. — С. 194–198.