Введение к работе
д-р техн. наук, профессор В.В. ГАБОВ
Актуальность работы. Наиболее распространенной причиной выхода из строя насосно-компрессорных труб является разрушение резьбы из-за возникновения и развития трещин во впадине резьбы, что влечет за собой финансовые потери, связанные с необходимостью проведения подземного ремонта и простоем нефтяной скважины. Проведение мероприятий по неразрушающему контролю резьбы насосно-компрессорных труб особенно актуально ввиду того, что за период эксплуатации скважины в среднем происходит от 1 до 3-х обрывов колонны насосно-компрессорных труб.
Широко распространенные методы акустического и магнитного видов контроля не обеспечивают требуемую достоверность неразрушающего контроля резьбы, так как профиль резьбы оказывает маскирующее воздействие на средства неразрушающего контроля. Чувствительность методов акустического вида контроля не позволяет обнаруживать мелкие трещины во впадине резьбы, затруднен контроль резьбы тонкостенных труб. Недостатками магнитопорошковых методов являются субъективность оценки результатов контроля, невозможность измерения глубины трещин, затруднения при контроле внутренней резьбы. Недостатками метода магнитной памяти металла, феррозондового и магнито-вихретокового методов являются ограничения, накладываемые на форму объекта контроля, не позволяющие производить контроль резьбы с переменной высотой профиля. Общим недостатком методов магнитного вида контроля является отсутствие возможности контроля резьбы изделий, изготовленных из неферромагнитных металлов и сплавов.
Среди видов неразрушающего контроля перспективным является вихретоковый. На результаты контроля резьбы не влияет толщина стенки трубы, возможен контроль изделий, изготовленных как из ферромагнитных, так и неферромагнитных сплавов. Возможно измерение глубины и протяженности трещины.
Промышленностью поставлена задача, обеспечить обнаружение и измерение размеров трещин во впадине резьбы насосно-компрессорных труб, глубиной Z в диапазоне от 0,3 мм до 2 мм с основной допускаемой погрешностью измерения глубины трещины ±(0,15Z + 0,1) мм, однако в настоящее время на рынке нет вихретоковых средств неразрушающего контроля, удовлетворяющих предъявленным требованиям.
Необходимы изучение влияния параметров резьбы на сигнал вихретоковых преобразователей (ВТП), разработка принципиально новых специализированных ВТП и алгоритмов выделения информативных параметров их сигнала, что требует проведения дополнительных теоретических исследований, лабораторных и производственных экспериментов.
Цель работы: Разработка вихретоковых средств неразрушающего контроля резьбы с высокой степенью достоверности результатов контроля, обеспечивающих проведение мероприятий по приемочному и эксплуатационному неразрушающему контролю резьбы насосно-компрессорных труб с целью повышения их эксплуатационной надежности.
Идея работы: Использование ВТП с обмотками, витки которых повторяют форму впадины резьбы, расположенными тангенциально к поверхности объекта контроля (ОК), позволяет повысить чувствительность ВТП к глубине трещины во впадине резьбы и уменьшить влияние мешающих параметров, что приводит к достижению требуемого уровня достоверности неразрушающего контроля резьбы насосно-компрессорных труб.
Задачи исследования:
провести анализ методов повышения чувствительности и отстройки от мешающих параметров вихретоковых средств неразрушающего контроля;
разработать способ выделения информативного параметра сигнала ВТП на фоне влияния мешающих параметров, позволяющий обнаруживать и измерять размеры трещин во впадине резьбы насосно-компрессорных труб с заданной погрешностью;
разработать средства метрологического обеспечения измерений размеров трещин во впадине резьбы, рассчитать погрешность измерения метрологических параметров, разработать методику калибровки средств метрологического обеспечения;
изготовить и провести испытания разработанных средств неразрушающего контроля резьбы насосно-компрессорных труб;
провести внедрение результатов работы на промышленном предприятии.
Положения, выносимые на защиту:
-
Применение тангенциального трансформаторного трехобмоточного скомпенсированного вихретокового преобразователя с обмотками, витки которых повторяют форму впадины резьбы, ведет к увеличению плотности вихревых токов во впадине и её уменьшению на вершинах резьбы, обеспечивая увеличение чувствительности к глубине трещины во впадине резьбы и уменьшение влияния на результаты контроля изменения высоты профиля при контроле резьбы насосно-компрессорных труб.
-
Установлена закономерность местоположения точки на комплексной плоскости, относительно которой вычисляется фаза сигнала вихретокового преобразователя, обеспечивающая измерение глубины трещины во впадине резьбы на фоне изменения зазора между вихретоковым преобразователем и объектом контроля в широком диапазоне девиации магнитной проницаемости материала объекта контроля с заданной погрешностью.
-
Применение на контрольном образце канавки круговой формы, имитирующей резьбу, вместо спиральной канавки резьбы, обеспечивает заданные метрологические характеристики контрольного образца за счет того, что искусственный дефект, расположенный во впадине имитируемой резьбы, располагается по центру канавки на всем своем протяжении.
Методы исследований.
Для исследования взаимодействия ВТП и ОК использовался комплексный метод, включающий в себя компьютерное моделирование, основанное на методе конечных элементов и экспериментальные исследования сигналов полноразмерных макетов ВТП на контрольных образцах и отрезках труб и муфт, бывших в употреблении.
Исследование алгоритмов выделения информативного параметра сигнала ВТП проводилось с применением методов математического моделирования.
Исследование путей улучшения метрологических показателей контрольных образцов проводилось эмпирическим методом и интерпретацией статистических данных.
Научная новизна работы:
- Разработана конструкция ВТП, отличающаяся использованием тангенциального возбуждения вихревых токов, позволяющая значительно увеличить чувствительность ВТП к глубине трещины во впадине резьбы с одновременным уменьшением влияния мешающих параметров – высоты профиля резьбы, зазора между ВТП и ОК и магнитной проницаемости материала ОК;
- разработан фазовый метод выделения информативного параметра сигнала ВТП, отличающийся тем, что фаза сигнала ВТП измеряется относительно точки на комплексной плоскости, координаты которой определяются установленной закономерностью, обеспечивающий измерение глубины трещины с заданной погрешностью в заданных диапазонах девиации мешающих параметров;
- разработана конструкция контрольного образца, отличающегося применением вместо спиральной канавки резьбы кольцевой канавки, имитирующей резьбу, а так же методика его калибровки, отличающаяся способом измерения глубины искусственных дефектов, позволяющие изготовить, и аттестовать контрольный образец с искусственными дефектами заданных размеров и формы;
- разработан, изготовлен, испытан и запущен в серийное производство прибор и набор средств неразрушающего контроля резьбы, позволяющий обнаруживать и измерять трещины во впадине резьбы глубиной в диапазоне от 0,3 мм до 2 мм с основной допускаемой погрешностью измерения глубины трещины ±(0,15Z + 0,1) мм;
- разработана методика контроля резьбы насосно-компрессорных труб с применением тангенциальных ВТП.
Обоснованность и достоверность научных положений подтверждается сходимостью результатов математического моделирования с результатами экспериментальных исследований в лабораторных условиях на контрольных образцах и реальных ОК.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
разработана совокупность средств неразрушающего контроля, предназначенная для обнаружения и измерения размеров трещин во впадине резьбы насосно-компрессорных труб с заданной погрешностью;
разработаны рекомендации по обработке первичной измерительной информации при измерении глубины трещин на фоне воздействия мешающих параметров при проведении контроля вихретоковым методом;
обеспечен запуск в серийное производство вихретоковых средств неразрушающего контроля резьбы;
изготовлена и внедрена установка механизированного контроля резьбы насосно-компрессорных труб.
Реализация выводов и рекомендаций работы.
Результаты диссертационной работы переданы в ООО «Пакер» и ООО «ПЕРМЬ-Глобалстройсервис» для использования при проведении мероприятий по неразрушающему контролю резьбы продукции предприятия. Помимо этого результаты работы могут быть применены для контроля резьбы бурового, геологоразведочного оборудования, динамического оборудования нефтеперерабатывающих, нефтехимическоих и химических предприятий.
Личный вклад автора:
обоснована возможность применения тангенциальных ВТП для обнаружения и измерения размеров трещин во впадине резьбы с целью повышения достоверности неразрушающего контроля;
разработан алгоритм обработки сигналов с ВТП, обеспечивающий измерение глубины трещины во впадине резьбы на фоне изменения зазора между ВТП и ОК, в широком диапазоне девиации магнитной проницаемости материала ОК;
предложена конструкция, технология изготовления и методика калибровки контрольного образца дефектов резьбы с заданными метрологическими характеристиками.
предложена методика проведения неразрушающего контроля резьбы насосно-компрессорных труб с использованием тангенциальных ВТП.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на конференциях: «II всероссийская конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Измерение, контроль и диагностика», г. Ижевск, 2012; «XIX всероссийская конференция по неразрушающему контролю и технической диагностике», г. Самара, 2011 г.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ, в том числе четыре в изданиях, входящих в список рекомендуемых ВАК Минобрнауки России, получен патент на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 187 страницах. Содержит 93 рисунка, 10 таблиц и список литературы из 84 наименований.
