Damage to flexible pipes of coiled tubing equipment due to corrosion and fatigue: methods and approaches for evaluation

Abstract

Purpose. To propose an engineering approach for evaluating surface corrosion fatigue of flexible pipes of coiled tubing equipment, on the basis of the generalized data about corrosion fatigue behaviour of structural steels and ana-lysis of the existing methods and approaches for assessment of these phenomena. Methods. We applied the original method of corrosion fatigue study which takes into account the parameters of electrochemical dissolution of cyclically deformed surface in conditions of its deformation, as well as the known methods of fracture mechanics, corrosion science, electrochemistry and materials science. Findings. The stages of initial corrosion damaging and surface corrosion fatigue nucleation in structural steels were considered. The criterion ratio for evaluating the period of surface corrosion fatigue crack nucleation that relates the number of loading cycles before crack initiation, the corrosion current, the constants of electrochemical dissolution of metal surface to the cyclic loading parameters is derived. This criterion allowed to obtain and substantiate the experimental formula for predicting the number of loading cycles prior to the surface corrosion fatigue crack nucleation. Originality. The suggested new model describes the surface fatigue crack nucleation as a result of interaction between corrosion and operational cyclic loadings of the coiled tubing equipment flexible pipes. Practical implications. The proposed relationship for calculating macrocrack nucleation period is applicable for engineering assessment of serviceability and fracture risk of flexible pipes of coiled tubing equipment under assigned operating conditions.

Мета. Розробка інженерного підходу до оцінювання поверхневої корозійно-втомної пошкоджуваності гнучких труб колтюбінгових установок, базуючись на узагальнених даних про корозійно-втомну стійкість конструкційних сталей та аналізі існуючих методів та підходів до оцінювання цього явища. Методика. В роботі використано оригінальний метод дослідження корозійної втоми, який враховує параметри електрохімічного розчинення циклічно-деформованої поверхні металу за умов її деформування, а також відомі методи механіки руйнування, корозії, електрохімії та матеріалознавства. Результати. Розглянуто стадійність зародження корозійної, а також поверхневої корозійно-втомної пошкоджуваності конструкційних сталей. Запропоновано критеріальне співвідношення для оцінювання періоду зародження поверхневої корозійно-втомної тріщини, як певна комбінація кількості циклів навантаження до зародження тріщини, струму корозії, констант електрохімічного розчинення металевої поверхні і параметрів циклічного навантаження. На його підґрунті встановлено та апробовано експериментальну залежність для визначення кількості циклів навантаження до зародження поверхневої корозійно-втомної тріщини. Наукова новизна. Розроблено та апробовано нову модель зародження поверхневої втомної тріщини як результат взаємодії корозійного середовища та робочих циклічних напружень гнучких труб колтюбінгових установок. Практична значимість. Встановлена залежність з розрахунку періоду зародження макротріщини може бути застосована для інженерного оцінювання довговічності та ризику руйнування гнучких труб колтюбінгових установок за дії робочих середовищ.

Цель. Разработка инженерного подхода для оценивания поверхностной коррозионной усталости гибких труб колтюбинговых установок, базируясь на обобщенных данных о коррозионно-усталостном поведении конструкционных сталей и анализе существующих методов и подходов для оценивания этих явлений. Методика. В работе использован оригинальный метод исследования коррозионной усталости, учитывающий параметры электрохимического растворения циклически деформированной поверхности в условиях ее деформирования, а также известные методы механики разрушения, коррозии, электрохимии и материаловедения. Результаты. Рассмотрена стадийность зарождения коррозионной, а также поверхностной коррозионно-усталостной повреждаемости конструкционных сталей. Предложено критериальное соотношение для оценивания периода зарождения поверхностной коррозионно-усталостной трещины, которое связывает количество циклов нагружения до инициирования трещины, тока коррозии, констант электрохимического растворения поверхности металла и параметров циклического нагружения. На его основании установлена и подтверждена экспериментальная зависимость для определения количества циклов нагружения до зарождения поверхностной коррозионно-усталостной трещины. Научная новизна. Разработана и апробирована новая модель зарождения поверхностной усталостной трещины как результат взаимодействия коррозии и рабочих циклических напряжений гибких труб колтюбинговых установок. Практическая значимость. Установленная зависимость по расчету периода зарождения макротрещины может быть использована для инженерного оценивания работоспособности и риска разрушения гибких труб колтюбинговых установок при воздействии рабочих сред.