Несмотря на развитие альтернативной энергетики, добыча нефти и газа в мире не уменьшается и даже растёт. Продолжается поиск и разработка новых месторождений.

Так выглядит трещина на стали, образовавшаяся по механизму водородного растрескивания. Фото: CEphoto, Uwe Aranas/Wikimedia Commons/CC BY-SA 4.0.

Микроструктура осевой зоны листов стали 07ГХНДФБ, изготовленных по разным режимам прокатки и ускоренного охлаждения (24—28°С/с), — после испытаний на водородное растрескивание, Завершение деформации (прокатки) и начало ускоренного охлаждения из нижней части аустенитной области, окончание ускоренного охлаждения при температуре 550°С (а); завершение деформации (прокатки) и начало ускоренного охлаждения из двухфазной области (аустенит плюс феррит), окончание ускоренного охлаждения при температуре 420°С (б). Листы стали, изготовленные по режиму (а), имели однородную микроструктуру по толщине, едва различимые сегрегационные полосы в осевой зоне и не имели трещин. Листы, изготовленные по режиму (б), имели значительно более выраженную сегрегацию в осевой зоне и меньшую устойчивость к водородному растрескиванию. Фото из статьи: Холодный А. А. Повышение сопротивления водородному растрескиванию листов для газо- и нефтепроводных труб на основе управления структурообразованием в центральной сегрегационной зоне // «Сталь», № 1, 2020 г. С. 46—53.

Почему же трубопроводы, по которым транспортируют углеводороды, подвержены этому коварному виду коррозионного разрушения? Дело в том, что в природном газе и нефти часто повышено содержание сероводорода — порой оно доходит до 25%! Сероводород агрессивен по отношению к стали, из которой сделаны газо- и нефтепроводы. И коррозия в его присутствии протекает с образованием атомарного водорода, который внедряется в кристаллическую решётку металла или же скапливается на неметаллических включениях, присутствующих в стали, а также на границах зёрен, фаз и в порах. В местах неоднородностей атомарный водород рекомбинирует, образуя молекулярный H₂. Большой объём молекулярного водорода вызывает избыточное внутреннее давление и высокие растягивающие напряжения в стали, что в конце концов приводит к образованию трещины. Трещины зарождаются в областях с высокой плотностью неметаллических включений (карбидов, сульфидов, оксидов, нитридов) и на участках с аномальной структурой (полосчатостью, неоднородностями, образующимися из-за сегрегации примесей) и располагаются параллельно поверхности трубы и направлению прокатки.

Металлурги и специалисты в области защиты металлов от коррозии давно и небезуспешно занимаются проблемой водородного растрескивания: разрабатывают новые технологии выплавки, прокатки, термообработки металла, тщательно подбирают химический состав сталей, из которых изготавливают трубы. Однако освоение новых — труднодоступных месторождений газа и нефти, в том числе шельфовых и в арктической зоне, требует повышения надёжности и долговечности трубопроводов, пролегающих в зонах сурового климата. Кроме того, всё больше разрабатывается месторождений углеводородов с повышенным содержанием сероводорода, вызывающим водородное растрескивание и охрупчивание стали. Поэтому продолжаются исследования, направленные на создание сталей, устойчивых к этим видам коррозии, обладающих высокой прочностью и хладостойкостью — вплоть до минус 60°С.

Такие исследования, в частности, проводят в ЦНИИчермет им. И. П. Бардина. Специалисты института разработали стали и технологии их изготовления для труб, устойчивых к растрескиванию в средах с сероводородом, которые эксплуатируются при низких температурах. Речь идёт о низколегированных сталях с особым химическим составом. Перед исследователями стояла задача уменьшить в них содержание неметаллических включений и вредных примесей, способствующих зарождению и распространению трещин при одновременном сохранении прочности стали. Оптимальный химический состав — условие, необходимое для стойкости стали к коррозионному разрушению, но недостаточное. Дело в том, что в процессе выплавки в силу особенностей кристаллизации (затвердевания) металла формирующийся слиток в объёме химически неоднороден: примеси и легирующие элементы в той или иной степени сегрегируют, образуя в слитке так называемую центральную сегрегационную неоднородность — зону, благоприятную для зарождения и развития водородных трещин. Степень сегрегации примесей и легирующих элементов зависит как от их природы, так и от условий кристаллизации.

Уменьшать химическую неоднородность стали можно с помощью механической деформации (прокатки), а также отжига — нагрева до определённой температуры, в ходе которого в той или иной степени компенсируется неполноценность диффузии в твёрдой фазе. Возникновение после прокатки полосчатости (неоднородности) структуры, тоже способствующей зарождению трещин, предотвращают опять же подбором скорости охлаждения металла.

Металловеды из ЦНИИчермет выяснили, что опасные сегрегационные полосы в листах из низколегированной трубной стали состоят из участков структур с высоким содержанием углерода, и добились снижения неоднородности в опасной зоне.

«Мы показали, что повышению сопротивляемости высокочистой по вредным примесям и неметаллическим включениям трубной стали коррозионному растрескиванию способствует контролируемая прокатка с последующим интенсивным охлаждением, а также снижение концентрации углерода и марганца в стали», — говорит ведущий автор исследований, лауреат премии Правительства Москвы молодым учёным 2020 года, кандидат технических наук Алексей Холодный.

Исследователи подобрали химический состав стали, режимы прокатки и последующего её охлаждения (скорости и отвечающие им интервалы температур), позволившие получить желаемую микроструктуру стали, не склонную к зарождению и распространению водородных трещин.

Поскольку уменьшение содержания углерода снижает прочность стали, металловеды предложили добавлять в металл молибден, который, как показали испытания, улучшает не только прочностные свойства трубной стали, но и стойкость к опасному коррозионному разрушению.

№7, 2021