Дата размещения 28 июня 2010 г.
Ф.И.О.
|
Углова Екатерина Сергеевна
|
Название диссертации:
|
«Моделирование коррозионных процессов для информационной системы поддержки принятия решений в задачах защиты нефтепромысловых трубопроводов»
|
Специальность:
|
05.13.18 – Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
|
Отрасль науки:
|
Технические науки
|
Шифр совета:
|
Д 212.110.08
|
Тел. ученого секретаря диссертационного совета:
|
8(499)141-94-55
|
E-mail:
|
electron_inform@mail.ru
|
Предполагаемая дата защиты диссертации:
|
09 сентября 2010 г. в 14.00
|
Место защиты диссертации:
|
ул. Оршанская, 3 ауд. 612А
|
На правах рукописи
УГЛОВА ЕКАТЕРИНА СЕРГЕЕВНА
МОДЕЛИРОВАНИЕ КОРРОЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ ДЛЯ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ В ЗАДАЧАХ ЗАЩИТЫ нефтепромысловых трубопроводов
Специальность 05.13.18 – Математическое моделирование, численные методы
и комплексы программ
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва-2010
Работа выполнена в ГОУ ВПО «МАТИ» - Российском государственном технологическом университете имени К. Э. Циолковского
Научный руководитель:
|
доктор технических наук,
старший научный сотрудник
Моисеева Людмила Сергеевна
|
Официальные оппоненты:
|
доктор физико-математических наук,
профессор
Кулагин Николай Евгеньевич
|
кандидат физико-математических наук,
Спыну Сергей Константинович
|
Ведущая организация:
|
ФГУ Всероссийский научно-исследовательский институт по проблемам гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций МЧС России (федеральный центр науки и высоких технологий)
|
Защита состоится « 09 » сентября 2010 г. в 1400 на заседании диссертационного совета Д 212.110.08 при ГОУ ВПО «МАТИ» - Российском государственном технологическом университете имени К. Э. Циолковского (121552, г. Москва, ул. Оршанская, д. 3, ауд. 612А)
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «МАТИ» - Российского государственного технологического университета имени К. Э. Циолковского
Автореферат разослан « » 2010 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 212.110.08,
доцент, кандидат физико-математических наук Спыну М.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы.
Коррозия промышленного оборудования и трубопроводов – одна из основных причин снижения их эксплуатационного ресурса, вызывает экономические потери и наносит экологический ущерб. Каждый год » 4% валовой общественной продукции теряется из-за коррозии. В РФ действует 350 тыс. км трубопроводов, на которых происходит до 25 тыс. аварий ежегодно. В результате: потери углеводородного сырья при добыче и транспортировке – до 7% от добываемого объема; потери металла – до 20% годового производства стали; ущерб промышленному производству – сотни млрд. рублей в год. Аварийность технологических систем в нефтегазовой отрасли из-за коррозии достигает 31 % от общего числа, что связано с большой металлоемкостью оборудования и сооружений, и агрессивностью среды.
Наблюдают несколько видов коррозии, среди которых значителен вклад углекислотной в разрушения трубопроводов нефтяных и газовых месторождений. В частности, для Западно-Сибирского мегабассейна – одного из крупнейших в мире, углекислотная коррозия составляет 30-40%, при этом протекает с высокой скоростью (до 8 мм/год). В связи с этим актуальным проблемам определения опасности коррозии и защиты от нее уделено внимание в работе.
Ингибирование – эффективный и технологичный метод защиты от коррозии. Исследования в области коррозии и ингибиторной защиты проводятся в течение многих десятилетий в ИФХЭ РАН (акад. Цивадзе А.Ю., проф. Кузнецов Ю.И., Андреев Н.Н., Маршаков А.И., Малкин А.И. и др.), ТГУ им. Г.Р. Державина (проф. Вигдорович В.И.), ПГУ (Шеин А.Б.), РГУ (Григорьев В.П. и др.), в отраслевых институтах ООО «Газпром ВНИИГАЗ», ОАО «ВНИИСТ», ОАО «ВНИИ Коррозии» (Тимонин В.А.), ОАО «НижневартовскНИПИнефть» (Завьялов В.В.) и др. Решение задачи эффективного снижения скорости коррозии на современном этапе требует научно-обоснованного выбора ингибиторов и развития новых подходов, таких как моделирование коррозионных процессов и создание компьютерных систем поддержки принятия решений в задачах оценки коррозионной опасности и защиты. Это направление получило развитие недавно. Можно отметить работы, проводимые в «МАТИ» – РГТУ им. К.Э. Циолковского (проф. Дмитренко В.П.), в ГУП ИПТЭР (Уфа).
Таким образом, актуальность темы обусловлена важностью решения проблемы, так как трубопроводные системы являются эффективным инструментом реализации государственной политики.
Цель работы: заключается в комплексном исследовании проблем коррозии углеродистой стали в неингибированных и ингибированных нефтепромысловых водных средах с применением технологии математического моделирования и вычислительного эксперимента.
Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:
провести комплексный факторный анализ влияния различных параметров нефтепромысловой среды и технологических на процесс коррозии, в частности, на скорость;
провести модельные эксперименты процесса коррозии углеродистой стали и сопряженного процесса солеотложения в неингибированных и ингибированных нефтепромысловых водных средах;
провести экспертную оценку коррозионной агрессивности нефтепромысловой среды (минерализованной воды) по основным факторам, определяющим скорости коррозии и солеотложения;
разработать статистическую математическую модель, описывающую влияние параметров среды на скорость коррозии металла;
разработать математическую модель расчета скорости коррозии стали в реальной нефтепромысловой среде по ее физико-химическим и технологическим факторам;
провести экспериментальную проверку разработанного формализованного подхода к оценке коррозионной агрессивности среды и скорости коррозии стали по значимым факторам, адекватности и точности разработанных моделей;
выработать научно-обоснованные рекомендации по построению баз данных по средам отдельных объектов и базы данных по ингибиторам коррозии и разработать алгоритм работы информационной системы поддержки принятия решений в задачах коррозионной защиты.
Основные научные результаты, выносимые на защиту:
математическая модель расчета скорости коррозии углеродистой стали в водных нефтепромысловых средах, содержащих растворенный СО2, в том числе при коррозии, осложненной солеотложением, позволяющая значительно упростить и унифицировать расчеты прогнозных скоростей коррозии, осуществить рациональный выбор ингибитора;
статистические математические модели, описывающие влияние концентрации ингибитора на скорость коррозии металла;
результаты исследований процесса коррозии стали в неингибированной и ингибированной нефтепромысловой среде, содержащей растворенный СО2, осложненного солеотложением, путем проведения модельных экспериментов в лабораторных условиях;
результаты экспертной оценки влияния различных факторов на скорость коррозии стали, оценки коррозионной агрессивности среды и необходимости в ингибировании определенным типом ингибитора;
рекомендации по построению и реализации баз данных сред применительно к отдельным объектам и ингибиторов;
алгоритмы работы информационной системы, расчета скорости коррозии и выбора рационального ингибитора по факторам среды и технологическим.
Научная новизна работы.
Установлены характер и закономерности влияния комплекса факторов на скорость коррозионного процесса стали в ингибированной и неингибированной водной среде.
Показано, что факторы: рН, общая минерализация (М), концентрации ионов и растворенных газов ( ,  ,  ,  ,  ,  ), температура (Т), скорость потока (Vпотока) значимые при определении скорости коррозии в водной нефтепромысловой среде.
Скорректирована математическая модель расчета скорости коррозии де Ваарда-Миллиамса с учетом параллельно протекающего процесса солеотложения, позволяющая повысить точность расчета скоростей коррозии сталей в жесткой минерализованной воде.
Разработана математическая модель расчета скоростей коррозии углеродистых сталей в нефтепромысловых водных средах, в том числе содержащих растворенный СО2, учитывающая физико-химические показатели среды и технологические параметры. Модель позволяет значительно упростить, унифицировать и повысить точность расчетов прогнозных скоростей коррозии.
Разработаны статистические математические модели, описывающие влияние концентрации ингибитора на скорость коррозии металла, позволяющие осуществить рациональный выбор технологии ингибирования.
На базе созданных моделей разработаны алгоритмы работы информационной системы, расчета скорости коррозии и выбора ингибитора.
Практическая значимость работы заключается в том, что на основе полученных моделей расчета скорости коррозии разработана структура информационной системы «Барьер-СО2» , использование которой позволяет существенно упростить расчет прогнозных скоростей коррозии на отдельных участках сложной технологической цепи промысловых трубопроводов, выкидных линий и скважин, повысить качество и оперативность подготовки экспертных заключений при оценке коррозионной агрессивности нефтегазопромысловых сред, что подтверждается Актами внедрения результатов на предприятиях.
Объект исследования – процесс коррозии стали в неингибированной и ингибированной пластовой воде, с учетом протекающего параллельно процесса солеотложения на поверхности стали.
Предмет исследования – модель оценки скорости коррозии для информационной вычислительной системы поддержки принятия решений в задачах коррозионной защиты.
Методы исследования. В процессе теоретических и экспериментальных исследований использованы теория математического моделирования, статистические методы, физико-химические теории процессов коррозии и солеотложений; методы определения скорости коррозии (гравиметрический и поляризационного сопротивления), оценки агрессивности среды (химический и инструментальный анализ) и влияния солеотложения на процесс коррозии (химический и физико-химический анализ отложений).
Реализация работы. Результаты исследований скорости коррозии стали в неингибированной и ингибированной нефтепромысловых средах, в том числе содержащих растворенный СО2, применены на сервисных предприятиях ООО «Группа компаний «ТехноТЭК», ООО «Коррсистем», ООО «Объединенный центр исследований и разработок», а также в ЗАО «Юговостоктехмонтаж».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на III Международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы противокоррозионной защиты» (PACP-2009) ООО «Газпром ВНИИГАЗ», Всероссийская научно-техническая конференция «Современные проблемы экологии», Международной молодежной научной конференции XXXIII «Гагаринские чтения»; научно-методических семинарах кафедры промышленной экологии и безопасности производства «МАТИ» - РГТУ им К.Э. Циолковского, ежегодных научно-технических совещаниях ООО «Объединенный центр исследований и разработок».
Публикации по теме исследования. По результатам проведенных исследований опубликовано 11 работ, в т.ч. 2 в списке работ, рекомендованных ВАК, и 1 патент РФ (список основных работ приведен в конце автореферата).
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, выводов, 5 приложений, списка литературы из 116 источников. Работа изложена на 148 страницах, содержит 23 рисунка и 17 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении проведено обоснование актуальности темы диссертации; сформулированы цель и задачи исследования; определены научная новизна, практическая ценность и реализация результатов диссертационной работы.
В первой главе исследовалась предметная область и проблематика процесса углекислотной коррозии нефтегазопромыслового оборудования, коррозионного мониторинга, создания компьютерных программ и математического моделирования в задачах коррозионной защиты.
Рассмотрены особенности механизма углекислотной и смешанной коррозии в нефтегазопромысловых средах. Выделен комплекс факторов, влияющих на характер (вид и глубина поражений) и скорость коррозии нефтегазопромыслового оборудования и трубопроводов. Проанализированы имеющиеся информационные системы обработки и хранения информации в области коррозии и защиты, их структуры.
Во второй главе изложены результаты модельных экспериментов по изучению скорости коррозии, осложненной процессом солеотложения, и ингибирования.
Объектами исследования служили:
1. Материалы 3-х участков 1.1, 01 и 03 единой системы трубопроводов, транспортирующих минерализованную воду для заводнения нефтяных пластов с целью поддержания пластового давления (система ППД) одного из типичных месторождений Западной Сибири: минерализованная вода (В1.1, В01, В03), металлические образцы низкоуглеродистой трубной стали (М1.1, М01, М03), непосредственно вырезанные из трубопроводов, стандартные образцы низкоуглеродистой стали Ст3, образцы отложений с внутренней поверхности трубопроводов с 3-х участков, образовавшихся при длительном контакте стальной трубы с агрессивной средой.
2. Материалы 2-х участков одного из месторождений юга России (Ставропольский край) единой системы трубопроводов: минерализованная вода со входа в нефтяные парки №1 (НП№1) и №2 (НП№2).
Два ингибитора коррозии: ИК-1, ИК-2.
Проведено моделирование процесса коррозии в минерализованных водах В1.1, В01, В03, НП№1 и НП№2. Скорость коррозии (Vкор), эффективность защитного действия ингибитора (Z, %), коэффициент торможения скорости коррозии (ингибирования) () при гравиметрических опытах определялись в соответствии с ГОСТ 9.502-82 «Единая система защиты от коррозии и старения. Ингибиторы коррозии металлов для водных систем. Методы коррозионных испытаний». Если 1, химический реагент является ингибитором коррозии, если 1 – стимулятор коррозии.
Для оценки влияния факторов на агрессивность сред установлены:
- их полный химический состав и содержание коррозионно-агрессивных компонентов (концентрация ионов и растворенных газов ,  ,  ,  , , , , ,  ,  ). Определены рН – водородный показатель, минерализация (М), жесткость (Ж), щелочность (Щ). Использованы методы оценки физико-химических показателей агрессивности среды: потенциометрия, ИК-спектрофотометрия, эмиссионная спектрометрия, кондуктометрия, перманганатный метод, определение БПК методом разбавления, титриметрия (определение щелочности).
- установлен элементный состав продуктов коррозии и солей, образовавшихся на внутренней поверхности трубопроводной стали на образцах, вырезанных из проблемных участков системы (М1.1, М01, М03). Использованы методы исследования: полный элементный анализ, атомно-абсорбционной спектрометрией (ИСП-МС).
Полученные результаты анализа указывают на то, что в состав продуктов отложений, формирующихся под действием воды в поверхностном слое, входят сульфаты и карбонаты Са, Sr, Ba, Mn и Fe.
Отмечено, что количество Fe значительно превышает остальные элементы в отложениях с металлических образцов 1.1, 01 и 03. Появление Fe в поверхностном слое отложений – это в первую очередь результат протекания коррозионного процесса.
Проведенные исследования в модельных условиях объекта (Западная Сибирь) позволили установить, что значительно отличающиеся друг от друга по своим показателям факторы (рН, М, , , , , ) являются значимыми, определяющими скорость протекания процесса коррозии, и по ним можно не только оценить коррозионную агрессивность среды, но и рассчитать прогнозируемую скорость коррозии. Вес каждого из факторов определен путем оценки их значений и сопоставления скоростей коррозии в пробах воды из системы ППД на трех объектах (табл. 1).
Таблица 1 – Скорость коррозии в пробах минерализованной воды из трубопроводной системы нефтепромысла Западной Сибири
|
