Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ конструкций, условий эксплуатации и татистики отказов фонтанных арматур при длительной эксплуатации по фактическому техническому состоянию 10
1.1 Конструктивное, материальное исполнение и условия эксплуатации 10
1.2 Научно-методические основы организации эксплуатации по фактическому техническому состоянию 17
1.3 Статистика диагностирований и отказов 23
1.4 Постановка научной задачи, цели и задач исследования 30
2 Обоснование диагностических моделей и алгоритмов прогнозирования работоспособности фонтанных арматур по механизмам снижения пластичности и растрескивания металла 34
2.1 Алгоритм метода контроля технического состояния и прогнозирования работоспособности 34
2.2 Алгоритмы метода определения объема выборок элементов фонтанных арматур и проведения их выборочного лабораторного неразрушающего и разрушающего контроля 40
2.3 Модели анализа растрескивания сечения стенки с исходным концентратором (дефектом) и прогнозирования остаточного ресурса на основе анализа кинетики снижения пластичности и растрескивания металла 47
3 Расчетно-экспериментальное определение диагностических параметров и критериев предельного состояния 58
3.1 Выбор типовых элементов фонтанных арматур для лабораторного контроля 58
3.2 Определение высоконагруженных конструктивных концентраторов напряжений 66
3.3 Неразрушающий и разрушающий контроль выборок типовых элементов. Определение параметров конструктивных концентраторов и дефектов . 77
3.4 Определение, оценка соответствия нормируемых свойств и анализ кинетики снижения пластичности металла 100
3.5 Определение критерия трещинообразования (разрушающей пластической деформации) – в сечении стенки с дефектом 109
4 Разработка программно-методического обеспечения и апробация методов прогнозирования работоспособности фонтанных арматур при их диагностировании 117
4.1 Нормативно-методическое и программное обеспечение 117
4.2 Неразрушающий контроль в полевых условиях 129
4.3 Расчет остаточного ресурса, определение возможности, сроков и условий продления эксплуатации 137
Заключение 144
Список использованных источников
- Научно-методические основы организации эксплуатации по фактическому техническому состоянию
- Алгоритмы метода определения объема выборок элементов фонтанных арматур и проведения их выборочного лабораторного неразрушающего и разрушающего контроля
- Неразрушающий и разрушающий контроль выборок типовых элементов. Определение параметров конструктивных концентраторов и дефектов
- Неразрушающий контроль в полевых условиях
Введение к работе
Актуальность темы. Северные нефтегазоконденсатные месторождения
Сибири имеют стратегическое промысловое значение для России на долгосрочную перспективу. В настоящее время на их долю приходится до 70% разведанных запасов газа, газового конденсата (нефти) месторождений Группы Газпром. Количество газодобывающих скважин этих месторождений составляет более 6 тыс. Для герметизации, контроля и управления работой скважин в их конструкции применяются фонтанные арматуры (далее – ФА), состоящие из элементов различных производителей и типов-размеров. Среднее количество элементов ФА на скважинах достигает порядка 130 тыс. Элементы ФА являются одними из самых сложных и потенциально опасных технических устройств. Надежность ФА определяет надежность и эффективность эксплуатации скважин и газодобывающих предприятий в целом.
К настоящему времени наработка большей части ФА (около 80%) превосходит проектный срок эксплуатации. С целью продления срока их дальнейшей эксплуатации по фактическому техническому состоянию они прошли неоднократное диагностирование. По мере увеличения наработки количество таких ФА увеличивается. Анализ статистики и причин отказов ФА показывает, что при длительной эксплуатации в низкотемпературных климатических условиях Севера происходит нарушение их работоспособности за счет снижения пластичности и растрескивания металла. При этом создается высокий риск хрупких разрушений ФА с причинением тяжкого вреда для жизни и здоровья людей, объектов и окружающей среды. Существующие методы диагностирования ФА не позволяют прогнозировать работоспособность ФА по механизмам снижения пластичности и растрескивания металла.
Разработка новых методов прогнозирования работоспособности ФА газодобывающих скважин в условиях Севера является актуальной научно-практической задачей. Ее решение позволит обосновывать сроки продолжения дальнейшей эксплуатации ФА, предупреждать их хрупкие разрушения, и, тем самым, повысить безопасность и эффективность эксплуатации объектов газодобывающих предприятий.
Цель работы: Разработка методов прогнозирования работоспособности ФА газодобывающих скважин, длительно эксплуатируемых в низкотемпературных климатических условиях Севера, для обоснования сроков продолжения их эксплуатации и предупреждения хрупких разрушений основываясь на результатах диагностирования.
Задачи работы:
1. Анализ статистики диагностирований и отказов ФА газодобывающих скважин северных месторождений Западной Сибири.
2. Обоснование методов прогнозирования работоспособности ФА по механизмам снижения пластичности и растрескивания металла.
3. Расчетно-экспериментальное определение диагностических параметров, критериев предельного состояния ФА по механизмам снижения пластичности и растрескивания металла и закономерностей их изменения.
4. Разработка программно-методического обеспечения и апробация методов прогнозирования работоспособности ФА при их диагностировании.
Научная новизна. Установлено, что одной из причин нарушения работоспособности ФА, длительно эксплуатируемых в низкотемпературных климатических условиях Севера, является растрескивание металла из-за снижения его пластичности (от 10 до 60% за 20 лет эксплуатации) в зонах конструктивных концентраторов напряжений и дефектов изготовления при деформировании от воздействия рабочих нагрузок.
Впервые разработаны методы прогнозирования работоспособности ФА с применением выборочного лабораторного неразрушающего и разрушающего контроля их типовых элементов, критерия разрушающей пластической деформации поверхностного слоя металла с исходным концентратором, анализа закономерностей снижения пластичности и растрескивания металла.
Обоснованы расчетно-экспериментальные методы анализа закономерностей снижения пластичности металла элементов ФА, определения величины разрушающей пластической деформации и ресурса до начала растрескивания и технология неразрушающего контроля ФА в условиях эксплуатации для определения параметров растрескивания металла.
Защищаемые положения:
- обоснование причин нарушения работоспособности ФА при их длительной эксплуатации в низкотемпературных климатических условиях Севера;
- теоретическое обоснование методов прогнозирования работоспособности ФА с применением выборочного лабораторного неразрушающего и разрушающего контроля их типовых элементов, критерия разрушающей пластической деформации, анализа закономерностей снижения пластичности и растрескивания металла;
- расчетно-экспериментальное обоснование методов анализа закономерностей снижения пластичности металла элементов ФА, определение величины разрушающей пластической деформации и ресурса до начала растрескивания, технологии неразрушающего контроля ФА в условиях эксплуатации.
Практическая значимость и реализация результатов работы. Практическую значимость представляют научно обоснованные методы прогнозирования работоспособности ФА при их диагностировании по механизмам охрупчивания и растрескивания металла и программно-методическое обеспечение для практического применения этих методов. Внедрение разработок позволяет определять срок и условия продолжения эксплуатации элементов ФА, сохранивших работоспособность и имеющих запас надежности, предупредить внезапные высокорисковые хрупкие разрушения ФА и, тем самым, повысить безопасность и эффективность продолжения их эксплуатации, учитывая фактическое техническое состояние.
Разработанные и апробированные технические решения реализованы в положениях стандартов организации ОАО «Техдиагностика» и ОАО «Газпром». Разработки применяются в газодобывающих предприятиях ОАО «Газпром» при диагностировании ФА скважин северных месторождений Западной Сибири для определения сроков, условий продления их эксплуатации, планирования ремонтов и замен. В результате их применения проконтролированы ФА 94-х скважин Комсомольского, Уренгойского и Ен-Яхинского газовых месторождений, выявлено 65 трещин в корпусах 28-ми элементов ФА, которые были оперативно выведены из эксплуатации и предупреждены их возможные хрупкие разрушения. Для остальных элементов ФА определены сроки продления их эксплуатации, проведения диагностирований, ремонтов и замены.
Годовой экономический эффект от внедрения разработок в ООО «Газпром добыча Уренгой» составил 34,2 млн. руб., что подтверждено актом внедрения.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на: Международных деловых встречах Диагностика-2009, Диагностика - 2011 и Диагностика-2013; Межрегиональной научно-технической конференции «Подготовка кадров и современные технологии для ТЭК Западной Сибири» (г. Тюмень, 2010 г.); VIII и IX Международных научно-технических конференциях «Диагностика оборудования и трубопроводов, подверженных воздействию сероводородсодержащих сред» (г. Оренбург, 2010, 2012 г.г.).
Публикации по теме. По теме диссертации опубликованы 24 научные работы, из них 15 в ведущих рецензируемых научных журналах, входящих в «Перечень …» ВАК Минобрнауки РФ, одна монография.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, изложена на 162 страницах; содержит 79 рисунков, 26 таблиц и список использованных источников из 175 наименований.
Научно-методические основы организации эксплуатации по фактическому техническому состоянию
Установлено, что причинами непрогнозируемого нарушения работоспособности элементов фонтанных арматур, длительно эксплуатируемых в низкотемпературных климатических условиях Севера, является растрескивание металла из-за снижения его пластичности (от 10 до 60% за 20 лет эксплуатации) в зонах конструктивных концентраторов и исходных дефектов при деформировании от воздействия рабочих нагрузок.
Разработаны методы прогнозирования работоспособности элементов фонтанных арматур с применением выборочного лабораторного неразрушающего и разрушающего контроля их типовых элементов, критерия разрушающей пластической деформации поверхностного слоя металла с исходным концентратором, анализа кинетики снижения пластичности и растрескивания металла.
Обоснованы расчетно-экспериментальные методы анализа кинетики снижения пластичности металла элементов фонтанных арматур, определения его разрушающей пластической деформации и ресурса до начала растрескивания, технология неразрушающего контроля элементов фонтанных арматур в полевых условиях для выявления растрескивания их металла.
Защищаемые положения: – обоснование причин непрогнозируемого нарушения работоспособности элементов фонтанных арматур при их длительной эксплуатации по фактическому техническому состоянию в низкотемпературных климатических условиях Севера; – теоретическое обоснование методов прогнозирования работоспособности элементов фонтанных арматур с применением выборочного лабораторного неразрушающего и разрушающего контроля их типовых элементов, критерия разрушающей пластической деформации, анализа кинетики снижения пластичности и растрескивания металла; – расчетно-экспериментальное обоснование методов анализа кинетики снижения пластичности металла элементов фонтанных арматур, определения его разрушающей пластической деформации и ресурса до начала растрескивания, технологии неразрушающего контроля элементов фонтанных арматур в полевых условиях.
Достоверность и обоснованность научных результатов исследований определяется применением общепризнанных методологических основ диагностики и неразрушающего контроля, оценок технического состояния, прочности и ресурса технических систем, механики упругопластического деформирования и разрушения элементов конструкций, математической статистики и теории прогнозирования, а также полевыми и лабораторными исследованиями, механическими испытаниями металла, анализом фактической статистики отказов репрезентативной выборки длительно эксплуатировавшихся (более 20 лет) фонтанных арматур. Применением метрологически поверенного испытательного оборудования и аттестованных методик, сертифицированных и верифицированных пакетов компьютерных программ статистического анализа данных, несущей способности и математического моделирования (MathCad, Statistica, Cosmos/M).
Практическая значимость и реализация результатов работы.
Практическую значимость представляют научно обоснованные методы прогнозирования работоспособности элементов фонтанных арматур при их диагностировании по механизмам охрупчивания и растрескивания металла и программно-методическое обеспечение для практического применения этих методов. Внедрение разработок позволяет определять срок и условия продолжения эксплуатации элементов фонтанных арматур, сохранивших работоспособность и имеющих запас ресурса, предупреждать внезапные высокорисковые хрупкие разрушения и, тем самым, повысить безопасность и эффективность продолжения их эксплуатации по фактическому техническому состоянию.
Разработанные и апробированные технические решения реализованы в положениях отраслевого нормативного документа Системы стандартизации ОАО «Газпром» - Р Газпром 2-3.3-732-2013 «Техническое диагностирование фонтанных арматур и оборудования устья скважин», а также в положениях стандарта организации ОАО «Техдиагностика» – СТО-НК.И-222 «Инструкция по неразрушающему контролю сплошности металла высоконагруженных конструктивных концентраторов напряжений и прогнозированию работоспособности элементов фонтанных арматур газодобывающих скважин для предупреждения их хрупких разрушений» [153].
Разработки применяются в газодобывающих предприятиях ОАО «Газпром» и в экспертной специализированной организации ОАО «Техдиагностика» при диагностировании элементов фонтанных арматур скважин северных месторождений Западной Сибири для определения сроков, условий продления их эксплуатации, планирования ремонтов и замен.
В результате их применения проконтролированы элементы фонтанных арматур 94-х скважин Комсомольского, Уренгойского и Ен-Яхинского газовых месторождений, выявлено 65 трещин в корпусах 28-ми элементов, которые были оперативно выведены из эксплуатации и предупреждены их возможные хрупкие разрушения с негативными последствиями.
Для остальных элементов фонтанных арматур выполнены расчеты остаточного ресурса по механизмам снижения пластичности и растрескивания металла, определены сроки проведения их периодических контролей, очередных диагностирований, ремонтов и замен.
Экономический эффект от внедрения разработок составил 34,2 млн. руб. за счет предупреждения хрупких разрушений элементов фонтанных арматур, экономии затрат на устранение их возможных негативных последствий и продления сроков эксплуатации элементов фонтанных арматур, имеющих требуемые запасы работоспособности.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на: Международных деловых встречах Диагностика-2009, Диагностика-2011 и Диагностика-2013; Межрегиональной научно-технической конференции «Подготовка кадров и современные технологии для ТЭК Западной Сибири»; VIII и IX Международных научно-технических конференциях «Диагностика оборудования и трубопроводов, подверженных воздействию сероводородсодержащих сред» (г. Оренбург, 2010, 2012) и др. научно-технических конференциях и семинарах.
Публикации по теме. По теме диссертации опубликовано 24 научных работ, из них 14 в ведущих рецензируемых научных журналах, входящих в «Перечень …» ВАК Минобрнауки РФ, одна монография.
Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения; изложена на 162 страницах; содержит 79 рисунков, 26 таблиц и список использованных источников из 174 наименований.
Северные нефтегазоконденсатные месторождения Западной Сибири – Надым-Пур-Тазовского региона и полуострова Ямал – по запасам углеводородного сырья для России и ОАО «Газпром» имеют стратегическое промысловое значение для добычи газа, газового конденсата (нефти) на долгосрочную перспективу [1 – 3 и др.].
В результате проведения геолого-разведывательных работ в этом регионе предприятиями ОАО «Газпром» планируется прирастить порядка 1,3 млрд. т. у.т., что позволяет прогнозировать уровень добычи, компенсирующий падающую добычу, в пределах 40 млрд. м3 газа в год [3].
Разработка и эксплуатация северных месторождений сопряжена с воздействием сложных природно-климатических условий, в том числе воздействием низких (отрицательных) температур до -60С.
На рисунке 1.1 представлена схема территориального положения Северных нефтегазоконденсатных месторождений Западной Сибири и распределение минимальных климатических температур по территории, на которой они располагаются.
На схеме рисунка 1.1 нанесены значения абсолютных минимальных зарегистрированных температур воздуха, по данным [26, 27].
Разработку и эксплуатацию Северных газовых, газоконденсатных и нефтегазоконденсатных месторождений Западной Сибири осуществляют дочерние газодобывающие общества ОАО «Газпром» – ООО «Газпром добыча Ноябрьск», ООО «Газпром добыча Уренгой», ООО «Газпром добыча Надым», ООО «Газпром добыча Ямбург».
Алгоритмы метода определения объема выборок элементов фонтанных арматур и проведения их выборочного лабораторного неразрушающего и разрушающего контроля
Обзор существующих научно-технических решений по обеспечению безопасной и эффективной эксплуатации нефтегазового оборудования по фактическому техническому состоянию, в т.ч. фонтанных арматур газодобывающих скважин, выполнен на основе анализа работ известных ученых и специалистов в областях неразрушающего контроля и диагностирования, оценки прочности, надежности и ресурса нефтегазового оборудования с учетом повреждений технологического и эксплуатационного происхождения, в их числе Л.Р. Ботвиной, С.Н. Барышова, А.Н. Бочарова, Б.С. Вольфсона, М.М. Гаденина, В.М. Горицкого, В.А. Емелькиной, Е.Е. Зорина, В.Н. Ивановского, И. Каримова, В.В. Клюева, И.Н. Кургановой, В.М. Кушнаренко, И.Р. Кузеева, Н.А. Махутова, Ю.Г. Матвиенко, В.В. Москвичева, А.В. Митрофанова, А.М. Лепихина, П.А. Овчинникова, Б.Р. Павловского, В.Н. Пермякова, В.В. Салюкова, В.Н. Сызранцева, Г.М. Хажинского, В.В. Харионовского, О.Ф. Чернявского, А.О. Чернявского и др..
Анализ результатов исследований и разработок в этой области выполнен по материалам изложенным в трудах [6, 35 – 57 и др.].
Результаты исследований автора по оценке и обеспечению безопасной работоспособности и эксплуатации фонтанных арматур отражены в работах [7 – 10, 14, 21 – 24, 58 – 73].
Для фонтанных арматур скважин северных месторождений их производителями был определен исходный – первоначально назначенный – проектный срок их эксплуатации 10-15 лет. Учитывая текущий срок эксплуатации скважин (см. табл. 1.2), к настоящему времени около 65% фонтанных арматур прошли диагностирования и экспертизу промышленной безопасности с целью продления сроков их дальнейшей эксплуатации по фактическому техническому состоянию, около 50% фонтанных арматур прошли диагностирования от 2 до 4 раз. Наглядное распределение фонтанных арматур по количеству диагностирований представлено на рисунке 1.4.
Анализ сведений о количестве диагностирований фонтанных арматур северных месторождений (см. рис. 1.7, разд. 1.3) показывает, что ежегодное количество фонтанных арматур, подлежащих диагностированию может составлять от 400 до 800 ед.. По мере увеличения наработки количество фонтанных арматур, подлежащих диагностированию с целью продления сроков их эксплуатации по фактическому техническому состоянию продолжает увеличиваться. Наряду с увеличением количества фонтанных арматур, подлежащих диагностированию, прогнозируется увеличение количества их диагностирований – до пяти и более раз. Замена такого количества фонтанных арматур, выработавших проектный срок эксплуатации, потребует весьма высоких инвестиций и нерациональна. В подавляющем большинстве эти фонтанные арматуры даже после длительной эксплуатации продолжают обладать требуемыми запасами работоспособности и ресурса, позволяющими продолжать их дальнейшее надежное и эффективное использование. Как показывает анализ, замена элементов фонтанных арматур при достижении ими проектного срока службы носит исключительный характер (не более 1 – 5%) (см. рис. 1.9, разд. 1.3).
Решением задачи обоснования продления эксплуатации нефтегазового оборудования, выработавшего проектный ресурс и сохранившего работоспособность, ученые и специалисты ОАО "Газпром" занимаются на протяжении последних более 20 лет. К примеру, одно из первых продлений сроков эксплуатации было выполнено по оборудованию технологических объектов Оренбургского газоперерабатывающего завода в начале 90-х годов прошлого столетия [6, 36, 39, 41]. В последующие годы учеными и специалистами Российской академии наук (ИМАШ РАН, ИМЕТ РАН и др.), отраслевых институтов (ВНИИГАЗ, ВНИИНЕФТЕМАШ и др.), эксплуатирующих предприятий (ООО "Газпром добыча Оренбург", ООО "Газпром добыча Астрахань", ООО "Газпром добыча Уренгой", ООО "Газпром добыча Ямбург", ООО "Газпром добыча Надым" и др.) и экспертно-диагностических организаций (ОАО "Техдиагностика", ИФДМ и др.) накоплен колоссальный позитивный опыт исследований и разработок в области оценки состояния нефтегазового оборудования выработавшего проектный срок эксплуатации, обоснования, разработки и принятия мер и мероприятий, компенсирующих воздействие факторов снижения его работоспособности, безопасности (безотказности) и эффективности эксплуатации.
Исследования и разработки в этой области выполнялись и продолжают выполняться в рамках Государственных научно-технических, Федеральных и целевых отраслевых программ [74 – 77], определяющих приоритетные направления развития науки и техники. В них задана приоритетность исследованиям по разработке мер, направленных на предупреждение отказов технических устройств и аварий при эксплуатации опасных производственных объектов промышленного комплекса. Результаты этих исследований и разработок вошли в положения Федеральных законов [15, 16], постановлений [19], нормативной документации, в том числе Ростехнадзора и ОАО "Газпром" [17, 18, 20, 78 – 89, 170, 171 и др.] и отражены в многочисленных публикациях [6, 11, 13, 35, 36, 39, 41, 42, 48–50, 55, 90–95,и др.], в том числе публикациях автора [10, 21].
Нормативными требованиями [96 – 98 и др.] установлены основные методические принципы анализа риска и критерии обеспечения допустимого риска отказа технических устройств и оборудования, эксплуатируемых в составе производственных объектов.
Теоретические и методические основы анализа работоспособности, несущей способности, ресурса и риска отказов технических систем и связанных с ними аварий техногенного характера в нашей стране были изложены в конце прошлого века в трудах С.В. Серенсена, В.П. Когаева, А.М. Качанова, Ю.Н. Работнова, Н.А. Махутова и др. [50, 94, 99 – 104 и др.]. Дальнейшее развитие научное направление по оценке и обеспечению безопасности, надежности и ресурса технических устройств, эксплуатируемых в составе опасных производственных объектов, а также оценке и обоснованию ресурса объектов техники повышенного риска для различных отраслей промышленности, в том числе эксплуатируемых в низкотемпературных климатических условиях Севера, получило в трудах ученых Н.А. Махутова, Л.Р. Ботвиной, В.Т. Алымова, Ю.Г. Матвиенко, В.В. Москвичева, А.М. Лепихина, В.Н. Пермякова, Г.В. Москвитина, М.М. Гаденина и многих др. [36, 37, 47, 48, 105, 102 и др.].
Неразрушающий и разрушающий контроль выборок типовых элементов. Определение параметров конструктивных концентраторов и дефектов
По результатам выполненных исследований фактов внезапного (непрогнозируемого) нарушения работоспособности фонтанных арматур (глава 1) установлено, что их причиной является растрескивание металла из-за снижения и исчерпания его пластичности при длительной эксплуатации в низкотемпературных климатических условиях Севера. Поэтому для прогнозирования их работоспособности применяемые методы диагностирования должны позволять определять характеристики пластичности металла, оценивать кинетику их изменения, анализировать условие возникновения растрескивания и прогнозировать ресурс по механизмам снижения пластичности и растрескивания металла.
В соответствии с требованиями Федерального закона «О промышленной безопасности…» [15], нормативно-техническая документация в области промышленной безопасности – «Порядка продления…» [19], ПБ 08-624-03 [106] и др. продолжение эксплуатации фонтанных арматур возможно при условии обеспечения соответствия их технического состояния установленным нормативным требованиям, а также при условии обеспечения требуемого уровня их надежности на этапе эксплуатации.
Исследованиями установлено, что для определения ресурса по механизмам снижения пластичности и растрескивания металла необходима информация о характеристиках его пластичности, параметрах поверхностных и внутренних концентраторов напряжений и дефектов. Применяемые при диагностировании методы неразрушающего контроля с наружной поверхности и косвенной оценки свойств металла по твердости не позволяют получать эту информацию в требуемом объеме. Такая информация может быть получена по результатам выборочного неразрушающего и разрушающего контроля элементов фонтанных арматур находящихся в эксплуатации.
В настоящей работе изложено теоретическое обоснование диагностических моделей, параметров, критериев, алгоритмов и методов прогнозирования работоспособности фонтанных арматур, которые в отличие от традиционных методов диагностирования предусматривают применение выборочного лабораторного неразрушающего и разрушающего контроля их типовых элементов, критерия разрушающей пластической деформации, анализа кинетики снижения пластичности и растрескивания металла.
Научные основы их обоснования базируются на трудах известных ученых в областях неразрушающего контроля и диагностирования нефтегазового оборудования (В.В. Клюев, В.М. Кушнаренко, Н.А. Махутов, А.В. Митрофанов и др. [6, 39, 45, 46, 50, 51, 107 и др.]), механики упругопластического деформирования, разрушения, оценки надежности и прогнозирования ресурса элементов конструкций с учетом повреждений технологического и эксплуатационного происхождения (С.Н. Барышов, Л.Р. Ботвина, Е.Е. Зорин, И.Р. Кузеев, Н.А. Махутов, Ю.Г. Матвиенко, В.В. Москвичев, Е.М. Морозов, В.Н. Сызранцев, В.В. Харионовский, Г.М. Хажинский, О.Ф. Чернявский, и др. [13, 36, 37, 48, 55, 56, 94, 101, 105, 108–117 и др.]), а также на результатах собственных расчетно-экспериментальных исследований, изложенных в [21, 22, 64 и др.] и в третьей главе диссертации.
На рисунке 2.1 представлен разработанный алгоритм метода контроля технического состояния и прогнозирования работоспособности фонтанных арматур. Рисунок 2.1 – Алгоритм метода контроля технического состояния и прогнозирования работоспособности фонтанных арматур
Настоящий алгоритм предусматривает обоснование возможности и условий продолжения эксплуатации исследуемых элементов фонтанных арматур на основе анализа их надежности за прошедший период эксплуатации, а также анализа соответствия их технического состояния установленным нормативным требованиям – ГОСТ Р 51365-2009 [32] и др.
Анализ соответствия технического состояния фонтанных арматур установленным нормативным требованиям выполняется путем сбора, анализа и обработки данных о конструктивном и материальном исполнении, контролируемых параметрах выявленных дефектов и повреждений, свойств металла и нагруженности по результатам ранее выполненных диагностирований и исследований за прошедший период эксплуатации, а также на основе проведения выборочного контроля элементов фонтанных арматур с разборкой, разрушающих испытаний и лабораторных исследований их металла. Для реализации алгоритма (рис. 2.1), анализа технического состояния, надежности, исследований металла элементов фонтанных арматур, обоснования возможности и условий продолжения их эксплуатации при минимальной температуре эксплуатации до -60С ставятся и решаются следующие задачи: Сбор, анализ и систематизация технической документации о конструктивном, материальном исполнении, условиях эксплуатации, результатах ранее выполненных исследований и диагностирований, отказах, проверке и нарушениях работоспособности, обслуживаниях, ремонтах и заменах элементов фонтанных арматур за прошедший период эксплуатации; Анализ показателей надежности фонтанных арматур за период эксплуатации; Анализ результатов контроля технического состояния фонтанных арматур по данным диагностирования за период эксплуатации и выбор их типовых элементов для контроля с разборкой и разрушающего контроля металла; Моделирование напряженно-деформированного состояния при температуре эксплуатации до -60C, неразрушающий контроль с разборкой и разрушающий контроль металла выбранных типовых элементов фонтанных арматур.
Неразрушающий контроль фонтанных арматур в полевых условиях и прогнозирование их ресурса по механизмам снижения пластичности и растрескивания металла, виды и объемы работ, нормативно-техническая документация для проведения сбора, анализа и систематизации технической документации с данными о конструктивном, материальном исполнении, условиях эксплуатации, результатах ранее выполненных исследований и диагностирований, отказах, проверке и нарушениях работоспособности, обслуживаниях, ремонтах и заменах фонтанных арматур за прошедший период эксплуатации с целью выбора типовых элементов для проведения их неразрушающего и разрушающего контроля представлены в таблице 2.1.
Неразрушающий контроль в полевых условиях
По результатам моделирования установлено, что на поверхности корпуса задвижки имеются зоны высоконагруженных конструктивных концентраторов напряжений в металле (см. зоны выделенные пунктирными рамками на рис. 3.9). Как показано на рисунке 3.9 механические напряжения от внешних нагрузок в этих зонах являются наибольшими. Аналогичные поверхностные зоны конструктивных концентраторов напряжений имеются на корпусах других типовых элементов фонтанных арматур (колонных и трубных головок, переводников и т.д.) (рис. 3.7, 3.8). Такие зоны, как правило, располагаются в местах конструктивных переходов – сопряжения различных диаметров, галтелях, проточках, местах изменения формы и геометрических размеров и других конструктивных неоднородностях.
Результаты моделирования и анализа напряженно-деформированного состояния (см. табл. 3.4 и рис. 3.73.9) показывают, что наиболее нагруженными элементами фонтанных арматур при рабочих условиях являются колонная головка и задвижки. Уровень напряжений, возникающих в конструкции элементов фонтанных арматур без учета наличия выявленных трещин и недопустимых дефектов литья не превышает допустимых значений по ГОСТ Р 51365 [32], нормативное условие прочности обеспечивается.
В соответствии с разработанными алгоритмами (рис 2.1, 2.3, глава 2) был выполнен неразрушающий и разрушающий контроль выбранного типового элемента фонтанных арматур – задвижки UPETROM с диаметром проходного отверстия 41/16 на давление 21 МПа (рис. 3.10), эксплуатировавшейся 20 лет на скважине Комсомольского месторождения (далее – Задвижка №1 UP 41/16 21). С целью проведения неразрушающего и разрушающего контроля задвижка
Для экспериментальных лабораторных исследований технического состояния после разборки задвижки №1 UP 41/16" 21 поверхность ее корпуса была зачищена от лакокрасочного покрытия, подготовлена для проведения неразрушающего контроля согласно нормативным требованиям и выполнен визуально-измерительный, магнитопорошковый, капиллярный и ультразвуковой контроли её наружной поверхности.
По результатам визуально-измерительного контроля на наружной поверхности корпуса задвижки в соответствии с классификацией ГОСТ 19200-80 [156] были выявлены дефекты отливки – недоливы, заливы, грубая шероховатость (рис. 3.11).
По результатам магнитопорошкового контроля в зонах высоконагруженных конструктивных концентраторов напряжений (рис. 3.9) были выявлены поверхностные трещины металла (см. рис. 3.12). Длина трещины в зоне сопряжения тарелки фланца со ступицей (патрубком) – 98 мм, расстояние от трещины до плоскости тарелки фланца – H = 20…30 мм (рис. 3.12 а). Длина трещины в зоне сопряжения стакана со ступицей (патрубком) фланца – 15 мм (рис. 3.12 б).
Следует отметить, что до зачистки металла от лакокрасочного покрытия визуально-измерительный контроль не позволил выявить эти трещины, поскольку они были скрыты под слоями краски. Капиллярный и ультразвуковой контроль также не показали результативность для выявления трещин при неразрушающем контроле с наружной поверхности, очевидно, из-за сложности геометрической формы поверхности и наличия продуктов коррозии в трещинах.
После проведения визуально-измерительного и магнитопорошкового контроля наружной поверхности корпус задвижки был разрезан по продольной плоскости симметрии относительно оси фланца (рис. 3.13 а) ленточной пилой Speedliner 920 m FILL. При проведении визуально-измерительного контроля на внутренней поверхности корпуса также были выявлены дефекты отливки (рис. 3.13 б, в) – недоливы и грубая шероховатость
После проведения контроля наружной и внутренней поверхностей из металла зон высоконагруженных концентраторов напряжений корпуса задвижки (рис. 3.9), не имеющего поверхностных дефектов, были изготовлены образцы для механических испытаний - на растяжение и ударный изгиб. После механической обработки при проведении визуального осмотра и магнитопорошкового контроля на некоторых изготовленных образцах были выявлены трещины (рис. 3.14 а) и металлургические рыхлоты х (рис. 3.14 б).
Рыхло та - дефект в теле отливки в виде скопления мелких усадочных раковин. На образцах для механических испытаний были выполнены исследования выявленных трещин и рыхлот, а также исследования выявленной трещины в зоне сопряжения тарелки фланца со ступицей (патрубком) – рисунок 3.12 а.
По результатам исследования установлено, что в соответствии с ориентацией вырезки образцов трещина располагалась в зоне галтели сопряжения тарелки фланца со ступицей (очерчена пунктирной линией на рис. 3.15 а). Как показано на (рис. 3.15 а), трещина является практически радиальной, т.е. поверхность трещины имеет наклон к плоскости радиального сечения ступицы фланца на угол не более 10 (см. рис. 3.15 а). Для исследования поверхностей трещины образец был надпилен и доломлен (рис. 3.15 б). Установлено, что строение поверхностей трещины (рис. 3.15 в) соответствует хрупкому излому.
Зона расположения и ориентация трещины (а), образец для механических испытаний с трещиной после надпила и долома (б), вид поверхности трещины (в) Проведен металлографический контроль образца с обнаруженными рыхлотами. Внешний вид поверхности металла образца с рыхлотами, а также с увеличениями в 50, 200, 400 раз показан на рисунке 3.16. увеличение в 200 раз увеличение в 400 раз
Внешний вид поверхности металла образца с рыхлотами
Результаты металлографического контроля (рис. 3.16) показывают, что данный дефект (рыхлота) имеет грубую шероховатость и окисленную поверхность, образовавшуюся вследствие усадки при затвердевании металла отливки. Наличие рыхлот в зонах высоконагруженных конструктивных концентраторов напряжений на корпусах элементов фонтанных арматур может снижать их прочность, а также может служить возможной причиной образования и развития трещиноподобных дефектов.
Далее представлены результаты исследования трещины, выявленной в зоне сопряжения тарелки фланца со ступицей (патрубком) – рисунок 3.12 а. Как показано на рисунке 3.17 а, из корпуса задвижки был вырезан фрагмент металла с трещиной, который по длине трещины был размечен и разрезан на образцы (рис. 3.17 б), затем каждый образец по аналогии с образцом на рисунке 3.15 б был надпилен и доломлен.
