Съвременни материали в добива на нефт и газ

Проучванията в областта на нефто- и газодобива достигат все по дълбоки води и разстояния под океанското дъно. Това налага необходимостта от разработването на нови технологии и материали, както и разширяване на работните характеристики на съществуващите материали.

Въпреки че индустрията вече е натрупала значителен обем знания по отношение свойствата на различни конвенционални метални сплави, са необходими по-систематични процедури за избор на материали, които да ускорят тяхното приложение и да намалят въздействията върху околната среда от добива.

През последните десетилетия на лабораторно ниво са разработени няколко по-здрави, по-леки и многофункционални материали. Усъвършенстваните материали в добива на нефт и газ следва да притежават поне едно значително подобрено свойство в сравнение с конвенционалните сплави.

Техните уникални характеристики без изключение са резултат от неравновесна микроструктура или иновативен химичен състав. Като най-обещаващи за приложение в нефтения и газовия сектор се разглеждат три вида материали - нанокристални, аморфни метали (метално стъкло) и диамантоподобен въглерод.

Нанокристални материали

Едновременното повишаване на якостта и пластичността на един материал може да се постигне чрез намаляване размера на частиците. За разлика от конвенционалните метални сплави, при които размерът на частиците обикновено е в границите от 10 до 100 mm или дори повече при някои отлети материали, нанокристалните се характеризират с размер на частиците от 10 до 100 nm. При падане на диаметъра на частиците под 10 nm обаче се наблюдава ефект на омекване на материала.

По принцип нанокристалните сплави могат да бъдат получени по два метода - чрез събиране на клъстери с наноразмери и последващото им обединяване в материал, или разбиване на микроструктура до наночастици.

Етапът на обединяване при висока температура и налягане трябва да бъде проведен внимателно без да се стига до съществено уедряване на частиците и включването на замърсители. Еднофазовите процеси, като електролитно отлагане и механично износване, са по-подходящи за получаването на чисти нанокристални материали.

В сравнение с микрокристалните материали, нанокристалните метали демонстрират по-големи здравина и твърдост, отлична устойчивост на износване и повишена свръхпластичност. Степента на очакваната ковкост на материала обаче е ограничена. Устойчивостта на разрушаване и умора също е по-добра.

Възможно е скоростта на пластична деформация при висока температура на нанокристалните материали да е повишена, заради по-големия им коефициент на дифузия. Това прави нанокристалните материали неподходящи за термична обработка. От друга страна, по-високият коефициент на дифузия допринася за по-бързото формиране на пасивен защитен слой, което увеличава корозионната устойчивост.

Приложението на нанокристалните материали се ограничава предимно до тънкослойни покрития, поради трудното задържане на частици със свръхмалки размери в дебели напречни сечения.

Нанокристалните покрития се използват за подобряване на твърдостта и якостта и същевременно повишаване на устойчивостта на корозия и износване за структурни приложения, например Fe/Ni-W, WC-Co-Cr, TiN/TiCN, итрий стабилизирани циркониеви и други метални или металокерамични нанопокрития.

Очаква се нанокристалните материали в бъдеще да се използват и за клапанни легла и стъбла, компоненти на компресори или помпи, и повърхности, за които се изисква висока устойчивост на корозия и износване. Днес около 12 американски компании се занимават с промишлено производство на нанокристални материали, а над 1600 организации в световен мащаб работят по разработването им.

Аморфни метали

Благодарение на аморфното си състояние аморфните метали съчетават някои желани качества на металите с обработваемостта на стъклото. На теория всяка метална сплав може да премине през стъклено състояние чрез процес на изключително бързо втвърдяване. Такива високи скорости на охлаждане обаче водят до получаването на тънки материали в малки количества.

Понятието аморфни метали се отнася стриктно към тези многокомпонентни сплави, разработени през 1980-те години, с висока способност за формиране на стъкло. Това означава формиране на материал в стъклено състояние с дебелина над 1 mm при относително ниска скорост на охлаждане (< 100 K/s).

Методите за производство на метално стъкло се основават на техники, включващи неравновесни процеси, които позволяват избягването на кристализация. Най-често се прилагат процесите на директно отливане и термопластично формоване. Директното отливане изисква относително бързо охлаждане от температурата на топене до температурата на прехода към стъкло, като се избягва етапът на кристализация.

При термопластичното формоване аморфните метали с висока способност за встъкляване могат да бъдат получени в свръхохладено течно състояние над температурата на преход към стъкло. Разделянето на етапите на охлаждане и формоване при този метод осигурява широки времеви и температурни граници, които предоставят възможност за по-добро управление на процеса.

Заради липсата на зърнеста микроструктура, ясно дефинирани кристални дефекти и химична нехомогенност, аморфните метали притежават изключителни механични свойства в сравнение с кристалните материали, като по-висока якост на опън и твърдост, почти теоретична граница на провлачване с повече от 2% еластична деформация, ниски коефициенти на вътрешно триене и износване, висока якост на разрушение и по-добра устойчивост на умора.

Някои системи от аморфни метали, например Zr-, Pd-Cu-, Fe-, и Mg- базирани системи също имат отлична корозионна устойчивост и способност за повторна пасивация в изключително корозивна среда. Въпреки това, аморфните метали обикновено са чупливи и непластични под напрежение, което води до ниски якост на разрушаване и устойчивост на удар.

Предполага се, че най-големи ползи от аморфни метали, сред които осигуряване на по-добра пластичност и по-ниска цена на материала, ще има при употребата им за приложения с малки размери.

В нефтената и газовата индустрия аморфните метали могат да бъдат използвани за клапани и пружини, инструменти, устойчива на износване повърхност на пробивната глава, устойчиви на корозия покрития, тръби за дебитомери, прецизни миниатюрни части за сензори за налягане и др. Заради ниската им цена и малката им якост на удар, приложението на аморфните метали ще се ограничи до малки критични елементи с високи изисквания за производителност.

Наскоро бе разработен Fe-базиран аморфен метал (Fe-Ni-Cr-C-B) с отлично съотношение между цена и качества, който може да има по-добра устойчивост на локализирана корозия от конвенционалната сплав Ni-22%-Cr-9%-Mo-3%W. Покритията от тези материали се използват за предпазване на субстрата при доста агресивни условия на средата. Плочи от неръждаема стомана 316L с нанесено покритие от Fe-базирани аморфни метали имат по-добри характеристики, отколкото конвенционалните Ni-Cr-Mo сплави, но на 1/3 от цената им.

Диамантоподобен въглерод

Понятието диамантоподобен въглерод (Diamond-like carbon, DLC) обхваща разнообразие от аморфни въглеродни материали, съдържащи значителна фракция sp3 електронна конфигурация във въглеродните връзки, която им придава механичните характеристики на диамант. Свойствата на DLC филмите се определят от съотношението между sp3 и sp2 електронни конфигурации на връзката и съдържанието на водород.

По принцип DLC филмите с по-високи sp3/sp2 съотношения са с по-добри механични показатели, докато тези с ниски съотношения имат по-добри електрични и оптични свойства. Отличната химическа инертност на DLC филмите ги прави подходящи за защитни покрития в корозивна среда.

Сред най-атрактивните свойства на DLC филмите са широката гама от свойства, които могат да бъдат променяни чрез добавяне на примесни атоми, ниските разходи за нанасянето им като покритие и ниската температура, при която се нанасят (обикновено стайна).

В зависимост от източника на въглерод и начина за нанасяне се различават два вида DLC филми - хидрогениран аморфен въглерод (a-C:H) и тетраедричен аморфен въглерод (ta-C). Хидрогенираният аморфен въглерод е разработен от въглеводородна плазма.

Водородът служи за свръзка и поддържа въглерода в sp3 конфигурация на свързване, при която се получават диамантоподобните свойства. Покритията от a-C:H са относително меки спрямо диаманта и са с едни от най-ниските коефициенти на триене (0,001-0,1) и износване в сухи условия, когато не се използват смазващи вещества.

Посредством филтрираща техника ta-C покритията могат да бъдат нанесени от източник на чист въглерод с добро качество и скорост. Благодарение на преобладаващата фракция въглерод в sp3 конфигурация, тези филми имат голяма твърдост и висока устойчивост на износване, близки до тези на диаманта.

Коефициентите им на триене за повечето повърхности варират между 0,1 и 0,15, особено във влажна среда. Единственият им недостатък е естествено високото вътрешно напрежение, дължащо се на формирането на метастабилна sp3 връзка, което често ограничава максималната дебелина на филма до по-малко от 1 mm.

Освен въглерод и водород, към DLC покритията могат да бъдат добавени азотни, силициеви, флуорни и метални атоми. Повечето модификации на DLC се правят с цел намаляване на вътрешното напрежение, повишаване на сцеплението между покритието и субстрата, редуциране на повърхностното напрежение и промяна на електричните им свойства.

DLC се използват предимно като твърди, дълготрайни, устойчиви на износване и корозия материали за покрития. Доставчиците им предлагат покрития с различен състав и метод за нанасяне. Досега те са използвани широко в автомобилната индустрия като надеждно трибологично покритие.

В нефтената и газовата промишленост те могат да намерят приложение при пробивни инструменти, помпи за химикали и многофазни помпени системи, вентили, еластомерни уплътнения и т. н.

Други възможности

Интерес за нефтения и газовия сектор представляват още няколко вида материали. Наночастиците с висока каталитична активност например могат да бъдат използвани като високоефективен инхибитор или катализатор за провежданите химични процеси.

Монослоевете, резултат от самосборка, са органични молекули със силна хемисорбция към метални повърхности, която ги прави евтин и гъвкав материал за повърхностни покрития. Сплавите с памет за формата, наричани още интелигентни сплави, могат да бъдат използвани за предпазни клапани и други съоръжения, които се задвижват от температурна разлика.

Приложението на алуминиеви сплави като по-лека алтернатива на стоманата в офшорния добив на нефт е обект на проучване на водещ производител на алуминий. Податливостта на алуминиевите сплави към корозия в кисели и сладки среди обаче изисква разработването на подходящи защитни покрития. Титаниевите сплави също се разглеждат като алтернатива на корозионноустойчивите, като те са изключително подходящи за топлообменници под високо налягане.