Руководство для обучения инженеров по буровым растворам - часть 105

 

577 

 

 
1. Реакция анода: Fe

0

→Fe

2



+ 2е (растворяется сталь (железо).   

Электроны проходят по металлу к катодной зоне и происходит катодная реакция. 

2.Катодная реакция:  2Н



+ 2е →H

2

↑‚ (водород - газ). 

Вторая  катодная  реакция,  быстро  происходящая  в  буровых  растворах,  включает 

расширенный кислород. 

О

2

+ 2 H

2

O + 4е  → 4ОН



 

Восстановление  водорода  и  раскисление  кислорода  -  наиболее  частые  катодные 

реакции.  Если  есть  возможность  исключить  эти  реакции  или  замедлить  их  течение,  то 
можно снизить темп коррозии. 

Между  анодом  и  катодом  существует  электрический  потенциал  или  напряжение. 

Металлический контур завершает электроцепь и обеспечивает обратное движение тока к 
аноду. 

Потенциал  -  это  возможная  энергия,  хранящаяся  в  металле.  Коррозия  металлов  - 

естественный процесс, ведущий к более естественному стабильному состоянию (руда). 

Например,  железо  (Fе

0

) 

наиболее  устойчиво  в  виде  железной  руды  Fе

2

О

3

.  При 

переработке  железной  руды  требуется  огромное  количество  энергии  в  виде  тепле.  В 
обработанном  железе  теперь  хранится  потенциальная  энергия.  Коррозия  -  это 
высвобождение  потенциальной    энергии  при  стремлении  металла  (железа/стали) 
вернуться в стабильное состояние. 

Количество  хранящейся  в  металле  энергии  известно  как  потенциал  металла. 

Обработка  различных  металлов  требует  разное  количество  энергии  и,  следователь  но, 
неодинаковое  стремление  к  коррозии.  Чем  больше  энергии  расходуется  на  обработку 
металла, тем больше тенденция к коррозии. Например, у железа эта тенденция выше, чем 
у золота, которое легко перерабатывается из почти чистой золотой руды. 

Разность потенциалов ведет реакции к завершению. В сухом элементе цинк является 

анодом, а графит/уголь - катодом. Обработка пинка потребует больше энергии, чем уголь, 
у  цинка  больший потенциал,  который  делает  его  анодом.  Нужно  помнить,  что  реакция  - 
это анод. Катод не коррозирует и обычно защищен во время процесса. 

Определение анода в катода у двух разных металлов не сложно, но бурильные трубы 

хотя  и  предполагают  однородный  металл,  все  же  подвержены  коррозии.  Разность 
потенциалов,  существующая  на  бурильной  трубе,  более  трудно  уловима,  чем  разность 
между металлами. 

В бурильной трубе существуют определенные примеси, служащие местами развития 

анодов  и  катодов.  Любые  изменения  на  поверхности  трубы:  зазубрины,  вдавлины  (от 

 

578 

молотка),  насечки  (от  ключей  или  щипцов)  могут  создать  напряженный  участок  для 
коррозии.  Даже  разница  в  составе  электролита  может  образовать  элемент.  В  бурении, 
когда    минеральные  чешуйки  или  глинистый    раствор  высыхает  на  поверхности  трубы, 
металл  непосредственно  под  ним  может  корродировать.  Создается  концентрационный 
элемент,  когда  труба  взаимодействует  с  разной  средой  по  сравнению  с  остальной  её 
частью.  При  наличии  растворенного  кислорода  в  буровом  растворе  участок  под осадком 
будет иметь недостаток кислорода и на нём начнут образовываться язвины. Это же может 
произойти у резинового предохранителя бурильной трубы. 

 

Виды коррозии 

Общая  коррозия  -  равномерная  коррозия.  В  этом  случае  вся  поверхность  металла 

корродирует  более  или  менее  равномерно.  Этот  вид  коррозии  выражается  в  единицах 
мил/год  (mpу),  -  1  или  в  фунтах  на  квадратный  фут  в  год  –“lbss/ft

2

/yr”.  Равномерная 

коррозия наименее опасна. 

 

Точечная коррозия 

Локализованная  коррозия  ограничивается  небольшими  участками,  принимая  вид 

каверн.  Точечная  коррозия  происходит,  когда  аноды  и  катоды  не  смещаются,  участок 
точки  анодный.  По  мере  распространения  коррозии  точки  углубляются  и  получаются 
отверстия  или  глубокие  трещины.  Точечная  коррозия  часто  наблюдается  на  участках 
буровой трубы, поврежденных клиньями. Точечная коррозия развивается во впадинах, до 
некоторой  степени  защищенных  от  потока  бурового  раствора.  Для  точечной  коррозии 
приведенные  единицы  измерения  не  приемлемы,  т.к.  она  может  быть  сосредоточена  в 
нескольких местах, представляющих собой лишь долю поверхности металла. 

Мелкотрещинная  коррозия  -  это  локализованная  коррозия,  образовавшаяся  в 

результате  создания  концентрационного  элемента  в  трещине  между  металлом  и  не 
металлом или двумя металлами. 

 

Коррозия под напряжением (SСС) 

Растрескивание  в  результате  одновременного  присутствия  напряжения  при 

растяжении  и  коррозионной  среды.  Коррозия  под  напряжением  имеет  серьезные 
последствия, т.к. возникает в расчётных пределах напряжения металла. 

Растрескивание  под  напряжением  начинается  на  базе  точечной  коррозии.  Т.к. 

прочность  металла  снижается  в  этой  точке,  дальнейшее  напряжение  распространяет 
трещину.  Этот  процесс  позволяет  взаимодействовать  цельному  металлу  с  коррозионной 
средой,  а  растрескивание  продолжается.  Процесс  развивается  очень  быстро  и  общая 
коррозия незначительна. 

Сернистое 

коррозионное 

растрескивание 

под 

напряжением 

(SSС)-хрупкое 

разрушение  растрескиванием  в  результате  объединенного  воздействия  напряжения  при 
растяжении и коррозии в присутствии воды и сероводорода.. 

 

Гальваническая коррозия 

Гальваническая  коррозия  возникает  в  результате  погружения  в  проводящую  среду 

двух  разных  металлов.  Между  ними  существует  разность  потенциалов  При  наличии 
контакта эта разность вызывает движение электронов от одного металла к другому. В этой 
гальванической  паре  каждый  отдельный  металл  реагирует  по  разному  по  сравнению  со 
свободным  корродированием.  Анодный  металл  корродирует  быстрее,  катодный 
медленнее или вообще не реагирует. 

Сосредоточенная  коррозия  -  возникает  в  результате  разной  ионной  концентрации, 

она называется ещё экранированной или подосадочной коррозией. Чаше всего отмечается 
под сухим раствором, трубкой окалиной или под резиновыми  протекторами. 

 

579 

Эрозионная 

коррозия 

- 

результат 

движения 

коррозионного 

флюида 

по 

металлической поверхности. Высокие скорости или наличие взвешенных твёрдых веществ 
ведет  к  эрозионной  коррозии.  Удаление  или  сдирание  защитной  пленки  увеличивает 
возможность поражения поверхности коррозией. 

Межзерновая  коррозия  -  форма  локализованного  воздействия  на  поверхность,  при 

которой  коррозии  подвергается  узкая  полоска  предпочтительно  вдоль  границ  зерна 
металла. 

Коррозионная  усталость  -  усталость  металле  растрескиванием,  подверженного 

циклическому  напряжению.  Существует  уровень  напряжения,  ниже  которого  не 
происходит  разрушение  даже  при  неограниченном  количестве  циклов,  называемое 
сопротивлением  усталости.  Это  состояние  характеризуется  укороченной  жизнью  в 
результате повторяющихся циклов напряжения или только коррозионной средой. 

Нарушение  легирования  -  локализованный  тип  коррозии,  включающий  выборочное 

удаление (т.е. коррозию) одного из элементов сплава, называемый прослоем. 

Поскольку  гальваническая  пара  защищает  катодный  металл,  защита  возможна 

контактированием  металла  с  несходным,  являющимся  для  него  анодом,  т.е.  катодная 
защита. Это снижение или исключение коррозии подключением к постоянному току или 
аноду,  превращая металл в катод (обычно Мg, Аl, или Zn) 

Для  определения  корродирования  любого  металла  в  гальванической  паре  нужно 

исследовать  тенденцию  его.  В  общем  случае  менее  коррозио-устойчивый  металл 
становится анодный к более устойчивому. Поэтому более устойчивый к коррозии металл 
становится катодным и защищен в гальванической паре. 

 

Гальванические серии, промышленные металлы и сплавы в морской воде 

Анодный или активный конец 
Магний и магниевые сплавы 
Цинк 
Алюминий  (1100) 
Кадмий 
Алюминий (2014) 
Сталь или железо 
Чугун 
Хлористая сталь (активная) 13% Сr 
Никелестойкий (чугун с высоким % никеля) 
18-8 нержавеющая сталь (активная) 
18-8 Мо нержавеющая сталь (активная) 
Свинцово-оловянные сплавы 
Свинец 
Олово 
Никель (активный) 
Инконил (активный) (80 Ni, 13Cr, 7Fe) 
Хастелой В (60 Ni, 30 Мо, 6 Fe, 1 Мn) 
Хлоримет 2 (66 Ni, 32 Мо, 1 Fe) 
Латунь (Сu-Zn) 
Медь 
Бронза (Сu-Sn) 
Купро-никель (60-90 Сu, 4-10 Ni) 
Монел (70 Ni, 30 Сu) 
Серебряные сплавы 
Никель (пассивный) 
Инконил (— " — ) 
Хромистая сталь (пассивная) (11-30 Cr) 

 

580 

18-8  нержавеющая сталь (пассивная) 
Хастелой С (62 Ni, 17 Cr, 15 Мо) 
Хлоримет 3 (62 Ni , 18 Cr, 18 Мо) 
Серебро 
Титан 
Графит 
Золото 
Платина 
(Неактивный — пассивный конец). 

Например,  рассматриваются  два  металла  -  сталь  и  медь.  Согласно  гальванической 

серии  сталь  анодна  по  отношению  к  меди.  Если  медные  пластинки  соединены  вместе 
стальной заклепкой и погружены в морскую воду (электролит), стальные заклепки быстро 
покроются  коррозией  и  разрушаются.  Но  если  стальные  пластинки  соединены  медными 
заклепками,    время  разрушения  замедлится,  т.к.  скоростью  коррозии  управляет  площадь 
анода  к  катоду.  Т.о.  для  замедления  темпа  коррозии  предпочтительна  большая  площадь 
анода и небольшая катода.   

 

Металлургия 

Металлы  и  сплавы  зернисты  по  структуре.  В  создание  металла  входят  два  со 

единения: от  жидкого  к  твёрдому.  Фазовые изменения  аналогичны превращению  воды в 
лёд.  Как  и  в  воде  кристаллы  образуются  с  понижением  температуры.  При  температуре 
ниже точки замерзания кристаллы растут, расширяясь один в другом, пока не выйдет вся 
жидкость. Во время твердения металла между зернами возникает несоответствие. Эта зона 
называется  границей  зерен.  Твердый  металл  состоит  из  микроструктур  зерен  и  границ 
зерен. 

Микроструктура  и  конечные  свойства  стали  определяются  компонентами  сплава, 

скоростью  и  методом  охлаждения.  Изменения  в  микроструктуре  определяют  свойства 
стали.  Металлы  отличаются  от  других  кристаллических  твёрдых  веществ  ковкостью 
(пластическая  деформация  без  разрушения).  Ковкость  металла  зависит  от  скольжения 
зерен  в  металле  по  своим  границам.  Изменение  микроструктуры  позволяет 
неограниченные возможности изготовления. Металлы могут быть твёрдыми или мягкими, 
гибкими или жёсткими в зависимости от расчётных критериев. 

Поскольку  наиболее  стабильная  конфигурация  металла  в  его  кристаллической 

решетке,  границы  зерен  представляют  собой  площади  высокой  энергии  относительно 
зерен. Т.о. 

границы зерен являются анодными к зернам и легче подвергаются коррозии. 

Нефтепромысловые  трубные  изделия  испытывают  коррозионную  прочность  на  разрыв 
или  жёсткость.  Труба  с  повышенной  прочностью  жёстче  и  более  чувствительна  к 
водородной хрупкости, коррозионному растрескиванию поп напряжением или (SSС). 

 

Ускорители коррозии 

рН - В кислотном диапазоне (рН ниже 7) скорость коррозии выше, чем в щелочном 

режиме. Обычно при рН 9,5-10,5 можно снизить почти любую коррозию, но в некоторых 
случаях повышенный рН может достигать нужного уровня 12,0.