Вплив умов експлуатації на зміни механічних властивостей сталей елементів бурильної колони

В. І. Артим; Б. А. Новосельський; І. О. Ластівка

doi:10.31471/2304-7399-2026-22(83)-234-247

Автор(и)

В. І. Артим Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу; 76019, м. Івано-Франківськ, вул. Карпатська, 15
Б. А. Новосельський Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу 76019, вул. Карпатська, 15, м. Івано-Франківськ, Україна
І. О. Ластівка Державний університет «Київський авіаційний інститут»; 03058, м. Київ просп. Любомира Гузара, 1 https://orcid.org/0000-0001-5226-9819

DOI:

https://doi.org/10.31471/2304-7399-2026-22(83)-234-247

Ключові слова:

бурильна колона, бурильна труба, бурильний замок, замкове різьбове з’єднання, механічні характеристики, температура, деградація власти-востей, залишковий ресурс.

Анотація

У статті представлено результати дослідження впливу ускладнених умов експлуатації на зміни механічних властивостей сталей елементів бурильної колони. Метою роботи є експериментальне визначення фактичних властивостей матеріалів елементів бурильної колони та їх аналіз після тривалої експлуатації під дією робочих середовищ та інших експлуатаційних чинників. Встановлено, що експлуатація елементів бурильної колони в умовах комплексної дії механічних навантажень, підвищених температур і водневмісного середовища призводить до інтенсивного наводнювання сталей (зростання C_H у 4-7 разів), причому підвищена температура додатково інтенсифікує дифузію та накопичення водню у сталі.

Виявлено, що при незначній зміні характеристик міцності (до 3-5%) під впливом температури та наводнювання відбувається зниження ударної в’язкості (на 5-15%), що свідчить про підвищену чутливість характеристик опору руйнуванню до комбінованої дії цих чинників.

Встановлено наявність кореляційного зв’язку між концентрацією водню та зниженням KCV, при цьому підвищена температура посилює прояви водневого окрихчення, особливо у високоміцних сталях із загартовано-відпущеною структурою (зокрема 30ХГСА). Отримані результати можуть бути використані для оцінки залишкового ресурсу елементів бурильної колони.

Посилання

1. Zheng Y., Zhang Y., Sun B., Zhang B., Zhang S., Jin S., Xiao Z., Chu S., Jing Y., Zhang Z. Corrosion Behavior and Mechanical Performance of Drill Pipe Steel in a CO₂/H₂S-Drilling-Fluid Environment // Processes. 2024. Vol. 12, No. 3. Art. 502. DOI: 10.3390/pr12030502.

2. Luo S., Liu M., Shen Y., Lin X. Sulfide Stress Corrosion Cracking Behavior of G105 and S135 High-Strength Drill Pipe Steels in H₂S Environment // Journal of Materials Engineering and Performance. 2019. Vol. 28, No. 3. DOI: 10.1007/S11665-019-03913-7.

3. Han L., Liu M., Luo S., Lu T. J. Fatigue and corrosion fatigue behaviors of G105 and S135 high-strength drill pipe steels in air and H₂S environment // Process Safety and Environmental Protection. 2019. Vol. 124. P. 63–74. DOI: https://doi.org/10.1016/j.psep.2019.01.023.

4. Liu M., Luo S., Shen Y., Lin X. Corrosion fatigue crack propagation behavior of S135 high-strength drill pipe steel in H₂S environment // Engineering Failure Analysis. 2019. Vol. 97. P. 493–505. DOI: https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2019.01.026.

5. Corrosion Fatigue Behavior of S135 Drill Pipe Steel in H₂S Environment // Materials for Mechanical Engineering. 2017. Vol. 41, No. 6. P. 44–48. DOI: https://doi.org/10.11973/jxgccl201706011.

6. Luo S., Liu M., Lin X. Corrosion fatigue behavior of S135 high-strength drill pipe steel in a simulated marine environment // Materials and Corrosion. 2019. Vol. 70. P. 688–697. DOI: https://doi.org/10.1002/maco.201810542.

7. Huang B., Yang J., Zhang H., Liu G., Chen Y., Li J. Influence of H₂S Corrosion on Rotating Bending Fatigue Properties of S135 Drill Pipe Steel // Transactions of the Indian Institute of Metals. 2018. DOI: https://doi.org/10.1007/s12666-017-1135-5.

8. Zhong X., He Y., Eliaz N., Campbell K. S., Hu J. Hydrogen effect on phase angle shift in electrochemical impedance spectroscopy during corrosion fatigue crack emanation // International Journal of Hydrogen Energy. 2021. Vol. 46, No. 80. P. 40175–40184. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.09.205.

9. О. Ю. Витязь, Р. С. Грабовський, В. В. Тирлич, Грабовська Н.Р. Статистичний аналіз відмов бурильних труб груп міцності S-135. Розробка нафтових та газових родовищ. – 2022. – №1 (82). – С.61-68. DOI: 10.31471/1993-9973-2022-1(82)-61-68.

10. О. Ю. Витязь, Р. С. Грабовський, В. І. Артим, В. В. Тирлич, Грабовська Н.Р. Чисельно-експериментальна оцінка умов руйнування тривало експлуатованих бурильних труб. Розробка нафтових та газових родовищ. – 2020. – №2 (75). – С.88-97. DOI: 10.31471/1993-9973-2020-2(75)-88-97.

11. LECO DH603. Manual, LECO Corporation, 2019.

12. Національний стандарт України. ДСТУ ISO 6892–1:2019 (ISO 6892–1:2016, IDT). Металеві матеріали. Випробування на розтяг. Части-на 1. Метод випробувань за кімнатної температури. Київ: ДП „УкрНД-НЦ”, 2020, с. 70.

13. Національний стандарт України. ДСТУ EN 10002–5:2006 (EN 10002–5:1991, IDT). Металеві матеріали. Випробування на розтяг. Час-тина 5. Метод випробувань за підвищених температур. Київ: Держспо-живстандарт України, 2008, с. 24.

14. Національний стандарт України. ДСТУ ISO 148–1:2022 (ISO 148–1:2016, IDT). Металеві матеріали. Випробування на ударний вигин за Шарпі на маятниковому копрі. Частина 1. Метод випробування. Київ: ДП „УкрНДНЦ”, 2022, с. 26.

15. Jack T., Webb M.A., Rahman K.M.M., Fazeli F., Szpunar J. Hydrogen uptake and embrittlement behavior in pipeline steels: Insights from slow strain rate testing and synchrotron micro CT imaging. Engineering Failure Analysis. 2025. Vol. 172. Art. no. 109419.

16. Paterlini L. et al. Mechanical testing methods for assessing hydrogen embrittlement of pipeline steels in high pressure hydrogen environments. Metals. 2025. Vol. 15, Is. 10. Art. no. 1123.

17. Rahimi S., Verbeken K., Depover T., Proverbio E. Hydrogen embrittlement of pipeline steels under gaseous and electrochemical charging: A comparative review on tensile properties. Engineering Failure Analysis. 2025. Vol. 167. Art. no. 108956.

18. Dadfarnia M., Nagao A., Sofronis P. Hydrogen interaction with defects. Acta Materialia. 2015. Vol. 98. P. 1-13.

19. Zvirko O., Tsyrulnyk O., Lipiec S., Dzioba I. Evaluation of corrosion, mechanical properties and hydrogen embrittlement of casing pipe steels with different microstructure. Materials. 2021. Vol. 14, Is. 24. Art. no. 7860.

20. Wahab Chowdhury M., et al. Hydrogen effects on fracture toughness and tensile properties of pipeline steels: A review. Materials Science and Engineering: A. 2025. Vol. 825. Art. no. 142746.