Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Структурные элементы сложных технических систем как объекты управления качеством на этапе стандартизации 18
1.1 Недостатки отечественных и зарубежных стандартов, определяющих критерии качества структурных элементов сложныхтехнических систем 18
1.2 Обоснование иерархического принципа выбора критериев качества структурных элементов сложных технических систем для НГК на этапе стандартизации 32
1.3 Актуальность разработки методических основ выбора на иерархическом принципе критериев качества структурных элементов сложных технических систем для НГК и контроля соответствия этим критериям 39
1.4 Выводы по главе 1 46
ГЛАВА 2. Разработка методики выбора критериев качества структурных элементов сложных технических систем наэтапе стандартизации 48
2.1 Разработка на иерархическом принципе алгоритма выбора критериев качества структурных элементов сложных технических систем и структурных составляющих неделимых структурныхэлементов: сердцевины и поверхностного слоя 48
2.2 Систематизация функций, выполняемых сердцевиной структурного элемента технической системы с защитным покрытием, и потребительских свойств сердцевины, определяющих ееспособность выполнять эти функции 58
2.3 Систематизация внешних воздействий на сердцевину структурного элемента с защитным покрытием на разных стадиях егожизненного цикла у потребителя 59
2.4 Выбор и обоснование критериев качества сердцевины структурного элемента технической системы с защитным покрытием
2.5 Систематизация функций, выполняемых защитным покрытием структурного элемента технической системы, и его потребительских свойств, определяющих способность выполнять эти функции 62
2.6 Систематизация внешних воздействий на защитное покрытие структурного элемента технической системы на разных стадиях его жизненного цикла у потребителя 64
2.7 Разработка классификатора нормативных диапазонов интенсивности каждого вида внешнего воздействия на потребительские свойства защитного покрытия структурного элемента технической системы и моделирующих их воздействий при сертификационных и периодических испытаниях в лабораторных условиях 68
2.8 Выбор и обоснование критериев качества защитного покрытия структурного элемента технической системы в конкретных нормативных диапазонах интенсивности внешних воздействий 75
2.9 Выводы по главе 2 84
ГЛАВА 3. Разработка методик контроля качества неделимых структурных элементов сложных технических систем для нгк на этапе стандартизации 85
3.1 Анализ стандартизированных методик контроля качества сердцевины и защитного покрытия неделимых структурных элементов технических систем для НГК и обоснование их применимости или разработки новых 85
3.2 Основные принципы разработки методик контроля качества защитного покрытия неделимых структурных элементов технических систем при их сертификационных и периодических испытаниях 87
3.3 Разработка методики контроля скорости изменения толщины защитного покрытия структурного элемента технической системы для НГК при воздействии на него потока абразивосодержащей жидкости 88
3.4 Разработка методики контроля диэлектрических характеристик защитного покрытия структурного элемента технической системы дляНГК в условиях, моделирующих реальные 107
3.5 Разработка методики контроля относительного изменения адгезионной прочности защитного покрытия структурного элемента технической системы для НГК на двух заданных интервалах времени в условиях, моделирующих реальные 117
3.6 Разработка методики контроля проницаемости защитного покрытия структурного элемента технической системы для НГК по отношению к сероводороду, в условиях, моделирующих реальные 121
3.7 Выводы по главе 3 123
ГЛАВА 4. Разработка нормативной документации, определяющей качество структурных элементовсложных технических систем 126
4.1 Разработка технических требований к структурному элементу технической системы с защитным покрытием на основе разработанной методики выбора критериев его качества и контроля соответствия этим критериям 126
4.2 Разработка и внедрение на отечественных предприятиях по изоляции трубной продукции для нефтегазодобычи корпоративных технических условий на стальные бурильные трубы с внутренним эпоксидным покрытием 133
4.3 Выводы по главе 4 135
Общие выводы 136
Библиографический список 138
- Актуальность разработки методических основ выбора на иерархическом принципе критериев качества структурных элементов сложных технических систем для НГК и контроля соответствия этим критериям
- Систематизация функций, выполняемых сердцевиной структурного элемента технической системы с защитным покрытием, и потребительских свойств сердцевины, определяющих ееспособность выполнять эти функции
- Основные принципы разработки методик контроля качества защитного покрытия неделимых структурных элементов технических систем при их сертификационных и периодических испытаниях
- Разработка и внедрение на отечественных предприятиях по изоляции трубной продукции для нефтегазодобычи корпоративных технических условий на стальные бурильные трубы с внутренним эпоксидным покрытием
Введение к работе
Актуальность исследования.
Функционирование большинства технологических систем в
нефтегазовом комплексе (НГК), обеспечивается не отдельными видами
оборудования, в качестве автономных единиц, а достаточно сложными по
структуре техническими системами, состоящими из комплекса
взаимосвязанного оборудования. Поэтому требуемый уровень качества отдельных элементов сложной по структуре технической системы определяется требуемым уровнем качества технической системы в целом что обусловливает необходимость соблюдения иерархического принципа на стадии их стандартизации.
В настоящее время преимущественно разрабатываются стандарты, содержащие требования к уровню качества конкретных видов оборудования, входящих в состав технической системы для НГК, при отсутствии уровня качества технической системы в целом. Это обусловливает несоответствие фактических характеристик потребительских свойств технической системы требуемым критериям ее качества.
В отечественной нефтегазовой промышленности и за рубежом накоплен положительный опыт применения в технических системах для НГК разнообразных структурных элементов с защитными покрытиями. На примере стальных бурильных труб с внутренним полимерным покрытием показано, что покрытие требуемого уровня качества позволяет существенно повысить энергетическую эффективность этих труб, вследствие снижения их гидравлического сопротивления, надежность в разнообразных условиях эксплуатации.
Наряду с этим имеется много примеров низкой энергоэффективности и
надежности технических систем из структурных элементов с защитным
покрытием, необоснованных материальных затрат на производство и
применение этих элементов. Данное противоречие объясняется отсутствием
стандарта, определяющего соподчиненность критериев качества технической
системы в целом, ее отдельных элементов, структурных составляющих
неделимых элементов: стальной сердцевины и ее поверхностного слоя,
функции которого часто выполняет защитное покрытие. Сложность создания
этого стандарта обусловлена отсутствием методических основ выбора
критериев качества структурных элементов с защитным покрытием сложных
технических систем на иерархическом принципе и методик контроля
соответствия этим критериям в условиях, моделирующих реальные опасные
воздействия на техническую систему и ее структурные элементы на разных
стадиях их жизненного цикла у потребителя. Это определяет актуальность
рассматриваемой проблемы, решение которой направлено на
совершенствования управления качеством структурных элементов сложных технических систем для НГК на этапе их стандартизации.
Существенный вклад в разработку методических основ управления качеством технической продукции на различных стадиях ее жизненного цикла внесли отечественные ученые: Азгальдов Г.Г., Амиров Ю.Д., Аристов О.В., Балаба В.И., Басовский Л.Е., Бойцов Б.В., Варакута С.А., Васин С.А., Вашуков Ю.А., Герасимов Б.И., Гличев A.B., Горленко О.А., Григорьев Л. И., Загидуллин Р.Р., Кане М. М., Кершенбаум В.Я., Логанина В.И., Ляшецкий А.П., Магер В.Е., Магомедов Ш.Ш., Мишин В.М., Никифоров А.Д., Понамарев С. В., Протасов В.Н., Схиртладзе А. Г., Федосеев А.А. и др.
Разработанные ими теоретические основы управления качеством технической продукции на стадиях ее планирования, проектирования и стандартизации явились базовой основой данной диссертационной работы.
Цель и задачи исследования. Целью данной диссертационной работы является разработка алгоритма выбора критериев качества структурных элементов сложных технических систем для НГК на иерархическом принципе и контроля соответствия этим критериям на этапе стандартизации.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие
задачи, на примере конкретной продукции для НГК – стальных бурильных
труб с внутренним полимерным покрытием, являющихся структурными
элементами сложной технической системы – колонны бурильных труб:
разработать иерархический принцип подхода к выбору критериев
качества структурных элементов технических систем для НГК;
разработать алгоритм выбора на иерархическом принципе критериев
качества структурных элементов сложной технической системы и
структурных составляющих неделимых элементов этой системы
(сердцевины и ее поверхностного слоя);
установить взаимосвязь между функциями, выполняемыми технической
системой, ее элементами, структурными составляющими неделимых
элементов этой системы, и критериями их качества в исходном
состоянии и при разнообразных внешних воздействиях на разных
стадиях жизненного цикла у потребителя;
разработать принципы систематизации опасных видов воздействий и их
сочетаний на структурные элементы технической системы на разных
стадиях их жизненного цикла у потребителя и разбиения на
нормативные диапазоны интенсивности конкретных видов воздействий
на структурный элемент, с целью выбора требуемого уровня качества
этого элемента для каждого нормативного диапазона;
разработать методики контроля соответствия фактических
характеристик структурных составляющих неделимых элементов
технических систем для НГК нормированным критериям их качества
при воздействиях, моделирующих опасные сочетания реальных
воздействий;
сформулировать на основе разработанных методических основ выбора
критериев качества структурных элементов технических систем типовые
технические требования к структурным составляющим неделимых
элементов, и внедрить эти требования на отечественных предприятиях
по производству этих элементов;
создать компьютерную программу автоматизированной разработки
технических требований к полимерным покрытиям структурных
элементов технических систем для НГК.
Объектом исследования является качество структурных элементов сложных технических систем для НГК.
Предметом исследования является методология выбора критериев качества структурных элементов сложных технических систем на стадии их стандартизации на примере стальных бурильных труб с внутренним полимерным покрытием, являющихся элементами сложной технической системы - бурильной колонны.
Теоретические и методологические основы исследования
заключаются в иерархическом принципе подхода к выбору критериев качества структурных элементов сложных технических систем, учитывающего взаимосвязь и соподчиненность этих элементов в данной системе.
Методологической основой данной диссертационной работы являлись научные труды отечественных и зарубежных ученых по вопросам управления качеством технической продукции.
Поставленные задачи решались с использованием комплекса методов,
включающих методы теоретического уровня (абстрагирование, формализация,
анализ и синтез, обобщение), методы экспериментально-теоретического
уровня (физический эксперимент, моделирование, анализ и синтез, построение
математических моделей, математическое моделирование), методы
эмпирического уровня (сравнение, измерение, метод проб и ошибок).
Обработка результатов экспериментальных исследований и их статистический и корреляционно-регрессионный анализ выполнялись с помощью ЭВМ с использованием пакета стандартных программ и разработанных автором данной диссертационной работы.
Научная новизна заключается в иерархическом принципе подхода к
выбору критериев качества структурных элементов и структурных
составляющих неделимых элементов сложных технических систем для НГК,
учитывающим их взаимосвязь и соподчиненность в технической системе на
примере стальных бурильных труб с внутренним полимерным покрытием, в
разработанном алгоритме, устанавливающем взаимосвязь между функциями,
выполняемыми конкретным структурным элементом технической системы, его потребительскими свойствами, обеспечивающими выполнение требуемых функций, показателями этих свойств в исходном состоянии и при различных внешних воздействиях на рассматриваемый элемент на разных стадиях его жизненного цикла у потребителя, нормами на показатели, являющимися критериями качества этого элемента, в методиках контроля соответствия характеристик поверхностного слоя неделимых элементов технической системы установленным критериям его качества, что в совокупности является базовой основой управления качеством структурных элементов сложной технической системы на стадии их стандартизации.
Положения, выносимые на защиту:
1 Разработанный иерархический принцип выбора критериев качества
структурных элементов сложной технической системы для НГК, на примере
тела стальных бурильных труб с внутренним полимерным покрытием,
являющихся структурными элементами сложного технического комплекса –
бурильной колонны.
-
Разработанный алгоритм, устанавливающий взаимосвязь между функциями, выполняемыми конкретным структурным элементом технической системы, его потребительскими свойствами, обеспечивающими выполнение требуемых функций, показателями этих свойств в исходном состоянии и при различных внешних воздействиях на рассматриваемый элемент на разных стадиях его жизненного цикла у потребителя, нормами на показатели, являющимися критериями качества этого элемента.
-
Принципы систематизации различных внешних воздействий на
структурные элементы технической системы для НГК на разных стадиях их
жизненного цикла у потребителя и разбиения на нормативные диапазоны
интенсивности конкретных видов опасных воздействий на рассматриваемый
элемент, выбора требуемого уровня качества этого элемента для каждого
нормативного диапазона интенсивности конкретных видов воздействий на
него.
4 Систематизация условий контроля характеристик потребительских
свойств структурных составляющих неделимых элементов сложной
технической системы для НГК (стальной сердцевины и ее поверхностного
слоя) в каждом нормативном диапазоне конкретных видов воздействий на него
и разработка на ее основе необходимых методик контроля соответствия
характеристик структурных составляющих элементов технических систем
(стальной сердцевины и ее поверхностного слоя) выбранным критериям их
качества, на примере тела стальных бурильных труб с внутренним
полимерным покрытием.
-
Компьютерная программа автоматизированной разработки технических требований к защитному покрытию структурного элемента технической системы для НГК, на основании запрашиваемых программой следующих исходных данных: функции покрытия, виды и характеристики внешних воздействий на него на разных стадиях жизненного цикла структурного элемента, расчетный ресурс или срок службы этого элемента.
-
Корпоративная нормативная документация, определяющая технические требования к структурному элементу с защитным покрытием технической системы для НГК, на примере стальных бурильных труб с внутренним полимерным покрытием.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность научных результатов и выводов настоящей работы подтверждается результатами анализа значительного объема нормативных документов, периодической литературы в области управления качеством технической продукции на этапах ее планирования и стандартизации в сопоставлении с данными собственных аналитических и экспериментальных исследований.
Достоверность подтверждается системным подходом к решению
поставленных задач на основе разработанного алгоритма, устанавливающего
взаимосвязь между назначением технической продукции для НГК и
критериями ее качества, а также успешной практической реализацией
результатов работы в виде корпоративной нормативной документации (ТУ) на
предприятиях по изоляции трубной продукции полимерными покрытиями для НГК.
Основные положения и результаты диссертационной работы
докладывались и получили положительную оценку на следующих международных научно технических конференциях:
1 IX Международная научно-техническая конференция «Состояние и
перспективы применения защитных покрытий в оборудовании и сооружениях
нефтегазовой отрасли», Москва; 20 - 22 марта 2013 г.
-
ХI Международная конференция «Состояние и перспективы применения защитных покрытий в оборудовании и сооружениях нефтегазовой отрасли», Москва; 18 – 20 марта 2015 г.
-
13-я Международная Практическая конференция и Выставка «Механизированная добыча '2016», Москва; 25-27 мая 2016 г.
-
ХII Международная конференция: «Состояние и перспективы применения защитных покрытий в оборудовании и сооружениях нефтегазовой отрасли», Москва; 29 февраля – 2 марта 2016 г.
-
Юбилейная 70-я Международная молодёжная научная конференция нефть и газ 2016, Москва; 18 – 20 апреля 2016 г.
-
71-я международная молодежная научная конференция Нефть и газ. Москва - 2017, Москва. 18-20 апреля 2017 г.
Теоретическая и практическая значимость исследования. Результаты выполненных исследований способствуют развитию теории и практики управления качеством технической продукции на стадии ее стандартизации.
Разработанный алгоритм выбора критериев качества элементов сложных
по структуре технических систем, учитывающий на иерархическом принципе
их соподчиненность и устанавливающий взаимосвязь между выполняемыми
ими функциями, их потребительскими свойствами, обеспечивающими
выполнение этих функций, показателями потребительских свойств в исходном
состоянии и при различных внешних воздействиях на разных стадиях
жизненного цикла у потребителя, нормами на показатели-критериями
качества, является методологической базой управления качеством технической продукции для НГК на стадии ее стандартизации.
Разработанная систематизация различных внешних воздействий на
элементы сложной по структуре технической системы для НГК на разных
стадиях их жизненного цикла у потребителя, на примере стальной бурильной
трубы с внутренним полимерным покрытием, разбиение предельно
возможного диапазона изменения каждого вида воздействия на нормативные
ряды по интенсивности влияния на потребительские свойства
рассматриваемого элемента позволяют стандартизировать допустимые уровни качества этого элемента для конкретных условий его применения.
Разработанные методики контроля соответствия характеристик
потребительских свойств структурных составляющих неделимого элемента технической системы для НГК установленным критериям их качества при сертификационных и периодических испытаниях в условиях, моделирующих заданный нормативный диапазон интенсивности реальных воздействий на этот элемент, на примере тела стальных бурильных трубы с внутренним полимерным покрытием, являются базовой основой его стандартизации.
Созданная компьютерная программа автоматизированной разработки технических требований к защитному покрытию структурного элемента технической системы для НГК, позволяет сократить затраты времени на этот процесс и снизить требования к квалификации разработчика этих требований.
Созданные на основе разработанных методических основ выбора критериев качества структурных элементов технических систем технические условия на стальные бурильные трубы с внутренним полимерным покрытием внедрены на предприятиях по изоляции трубной продукции полимерными покрытиями, что обеспечило требуемое качество этих труб.
Разработанные методические основы выбора критериев качества
структурных элементов сложных технических систем для НГК являются
неотъемлемой частью – начальным этапом создания стандартов любого
уровня (корпоративных, национальных, международных), определяющих
технические требования эксплуатирующей организации к используемой ею технической продукции.
Публикации. По проблемам, рассматриваемым в диссертационном исследовании, автором опубликовано 15 работ в различных сборниках научных трудов и периодических изданиях, в том числе 9 публикаций в изданиях реестра ВАК РФ.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, общих выводов по работе, библиографического списка, включающего 144 источника и 11 приложений. Общий объем работы составляет 242 страницы, в том числе приложения на 93 станицах, 42 рисунка и 17 таблиц.
Актуальность разработки методических основ выбора на иерархическом принципе критериев качества структурных элементов сложных технических систем для НГК и контроля соответствия этим критериям
Проведенный анализ технических требований к стальной бурильной трубе, приведенных в ГОСТ Р 50278-92 (Приложение Б), показывает, что они разработаны бессистемно и не являются достаточными для обеспечения требуемого уровня качества. Требования к конструкции стальных бурильных труб непрерывно чередуются с требованиями к физико-механическим свойствам сталей, используемых для производства этих труб, к технологическим режимам производства бурильных труб, к качеству сварного соединения ниппеля и муфты с телом бурильных труб.
Учитывая идентичность стандартов API Spec 5DP:2009 (США) и ГОСТ Р 54383-2011 был проведен анализ ГОСТ Р 54383-2011.
Результаты анализа показали, что требованиям, приведенным в ГОСТ Р 54383-2011, присущи недостатки аналогичные отмеченным при анализе ГОСТ Р 50278-92.
В ГОСТ Р 54383-2011 указывается, что по требованию заказчика может быть нанесено покрытие на внутреннюю поверхность стальной бурильной трубы. При этом отсутствуют требования к этому покрытию в соответствии с его назначением.
Характерным для рассмотренных стандартов является отсутствие в них технических требований потребителя к бурильным трубам, определяющих необходимый уровень их качества в специфических условиях применения. Аналогичные недостатки присущи большинству стандартов, определяющих технические требования к конкретным видам оборудования, используемого в технических системах для НГК. В действующих стандартах – технических условиях на конкретную техническую продукцию, в большинстве случаев являющейся структурным элементом сложной технической системы, приводятся марки сталей для ее производства, указываются требуемые характеристики этих сталей, необходимые геометрические характеристики технической продукции. При этом отсутствует связь между этими характеристиками технической продукции, критериями ее качества, определяющими способность выполнять требуемые функции в заданных условиях применения в течение расчетного ресурса или срока службы с заданным уровнем энергоэффективности, надежности, безопасности, технологичности и определяющими их критериями качества технической системы, в состав которой входит эта продукция, как ее структурный элемент.
Не рассматривается комплексное влияние различных внешних воздействий на требуемые характеристики технической продукции на различных стадиях ее жизненного цикла у потребителя, способных существенно изменить эти характеристики и вызвать выход их за допустимые предельные значения, определяемыми критериями качества технической системы, в состав которой она входит.
В процессе эксплуатации структурные элементы технических систем для НГК подвергаются одновременному воздействию статических, циклических и динамических нагрузок, сил трения, достаточно агрессивных по отношению к ним эксплуатационных и технологических сред, повышенной температуры, что обусловливает возникновение и последующее интенсивное развитие различных видов опасных дефектов в этих элементах, приводящих к их частым отказам.
Например, стальные бурильные трубы, являющиеся структурными элементами бурильной колонны, подвергаются одновременному воздействию статических, циклических и динамических нагрузок, сил трения, достаточно агрессивного по отношению к ним бурового раствора, повышенной температуры, что обусловливает возникновение и последующее интенсивное развитие различных видов опасных дефектов в бурильных трубах и их замках, приводящих к частым отказам элементов бурильной колонны [134]. Накопленный опыт эксплуатации бурильных колонн в нефтегазовой отрасли показывает, что наибольшее число отказов характерно для бурильных труб, расположенных в верхней части колонны.
Наиболее характерные причины возникновения отказов стальных бурильных труб следует разделить на ряд групп [143].
Дефекты в резьбовом соединении замка, к которым относятся: - промывы резьбы - являющиеся результатом воздействия растягивающих нагрузок на резьбовое соединение, что приводит к уменьшению диаметра ниппеля и увеличению диаметра муфты, и как следствие этого - нарушение герметичности резьбового соединения; - износ витков резьбы в результате многократных операций свинчивания и развинчивания бурильных труб, что приводит к уменьшению высоты витков резьбы, и, как следствие этого, нарушению герметичности резьбового соединения; - выкрошивание и вырывы витков, являющихся следствием схватывания соприкасающихся резьбовых поверхностей, вызванных фреттинг-коррозией; характерным признаком фреттинг-коррозии является значительный момент при развинчивании резьбы [134].
Систематизация функций, выполняемых сердцевиной структурного элемента технической системы с защитным покрытием, и потребительских свойств сердцевины, определяющих ееспособность выполнять эти функции
Функции, выполняемые сложной технической системой, определяют требуемые функции ее структурных элементов, которые в свою очередь обусловливают функции структурных составляющих этих элементов: основы и ее защитного покрытия.
В разделе 1.1 в качестве примера приведены функции колонны бурильных труб, которые определяют функции ее структурных элементов – стальных бурильных трубы с внутренним полимерным покрытием. Функции стальной бурильной трубы с внутренним полимерным покрытием должны выполняться стальной сердцевиной тела бурильной трубы и ее внутренним полимерным покрытием, изолирующим стальную основу от воздействия бурового раствора и, как следствие этого, предотвращающим развитие рассмотренных в разделе 1.1 механо-физико-химических процессов ее разрушения, обусловленных комплексным воздействием агрессивной среды и механических нагрузок [104].
В этом случае стальная сердцевина тела бурильных труб, защищенная внутренним полимерным покрытием, должна обеспечить в нейтральной для нее среде пропускную способность бурильной трубы, ее герметичность и несущую способность при силовых воздействиях на бурильную колонну, что достигается соответствующими расчетами на стадии проектирования стальных бурильных труб, обеспечивающими их требуемую надежность и безопасность в нейтральной среде.
В таблице 2.6 систематизированы функции, выполняемые стальной сердцевиной тела бурильных труб, защищенной внутренним полимерным покрытием, и ее требуемые потребительские свойства, обеспечивающие выполнение этих функций.
Требуемые характеристики стальной сердцевины структурного элемента технической системы, определяемые критериями качества этого элемента, могут существенно изменяться под влиянием внешних воздействий на разных стадиях жизненного цикла у потребителя. Например, внешние воздействия на стальную сердцевину стальных бурильных труб, изолированную внутренним полимерным покрытием, на различных стадиях жизненного цикла у потребителя, способные изменить ее характеристики, можно разделить на следующие группы: Тепловые воздействия; Силовые воздействия. Максимальная температура при бурении скважин не превышает 450 С. Данная температура не оказывает влияния на показатели потребительских свойств стальной сердцевины тела бурильных труб, приведенных в таблице 2.6.
Существенное влияние на показатели определенных потребительских свойств стальной сердцевины тела бурильных труб (таблица 2.6), в частности на показатели несущей способности тела трубы при статическом, циклическом и динамическом нагружениях колонны бурильных труб в процессе бурения могут оказать силовые воздействия.
Указанные виды воздействий учитывают на стадии проектирования стальных бурильных труб в нормах на показатели несущей способности тела бурильных труб, приведенных в отечественных и зарубежных стандартах на стальные бурильные трубы.
Как отмечалось выше сердцевина неделимого структурного элемента технической системы с защитным покрытием работает в нейтральной среде, что обусловливает одни и те же показатели ее потребительских свойств в исходном состоянии и при внешних силовых воздействиях на нее на разных стадиях жизненного цикла этого элемента у потребителя, а также сохранение норм на эти показатели в течение расчетного срока службы структурного элемента при обеспечении необходимого уровня его качества на стадиях проектирования и производства. Например, необходимому уровню качества стальной сердцевины тела бурильных труб под внутренним полимерным покрытием в полной мере соответствует уровень качества тела стальных бурильных труб, выпускаемых по ГОСТ Р 50278-92, ГОСТ Р 54383-2011, стандарту API Spec 5DP: 2009 (США).
Основными функциями защитного покрытия структурного элемента технической системы является изоляция стальной сердцевины от воздействия агрессивной среды, определяющей механо-физико-химический процесс ее разрушения, начинающийся на поверхности стали, при комплексном воздействии на нее агрессивной среды и механических нагрузок. Например, функциями внутреннего полимерного покрытия стальной сердцевины тела бурильных труб являются: защита используемой стали от коррозии, коррозионного растрескивания и коррозионной усталости, от сульфидного растрескивания в водной сероводородсодержащей среде, защита от гидроабразивного износа при воздействии бурового раствора, с высоким содержанием механических примесей, снижение гидравлического сопротивления внутреннего канала тела бурильной трубы. Для выполнения этих функций внутреннее полимерное покрытие стальной сердцевины тела бурильных труб должно обладать определенными потребительскими свойствами. В таблице 2.8 систематизированы функции, выполняемые внутренним полимерным покрытием стальной сердцевины тела бурильных труб, и потребительские свойства покрытия, обеспечивающие выполнение этих функций.
Основные принципы разработки методик контроля качества защитного покрытия неделимых структурных элементов технических систем при их сертификационных и периодических испытаниях
В таблице 2.8 систематизированы, на примере тела стальных бурильных труб с внутренним полимерным покрытием, потребительские свойства защитного покрытия структурного элемента технической системы, обусловливающие его способность выполнять требуемые функции, и виды опасных внешних воздействий на него на стадиях хранения, транспортировки, монтажа и эксплуатации, способные изменить эти свойства. Не менее важной задачей является выявление и обоснование показателей потребительских свойств защитного покрытия в исходном состоянии и при различных внешних воздействиях на него на разных стадиях жизненного цикла у потребителя и норм на эти показатели, являющихся критериями качества покрытия. При различных видах воздействий у одного и того же свойства могут быть разные показатели. Значения норм на показатели требуемых потребительских свойств защитного покрытия должны обеспечивать его работоспособность в заданном нормативном диапазоне внешних воздействий в течение расчетного срока службы структурного элемента. Различные внешние воздействия на защитное покрытие структурного элемента на стадиях его хранения, транспортировки, монтажа, и демонтажа не должны вызывать изменения норм на показатели требуемых потребительских свойств защитного покрытия в исходном состоянии, что обусловлено соответствующими стандартизированными и корпоративными правилами выполнения этих процессов, обеспечивающими сохранение исходного уровня качества покрытия, и ограниченностью указанных стадий жизненного цикла структурного элемента. На примере приведенных в таблице 2.8 потребительских свойств внутреннего полимерного покрытия стальной сердцевины бурильных труб было проведено обоснование показателей этих свойств и норм на показатели – критериев качества покрытия в исходном состоянии и после различных моделирующих внешних воздействий на основе предварительного анализа показателей аналогичных свойств и норм них, содержащихся в действующей корпоративной и стандартизированной документации на внутренние полимерные покрытия трубной продукции.
Анализ содержащихся в действующей нормативной документации показателей потребительских свойств внутренних полимерных покрытий трубной продукции проводился в последовательности соответствующей приведенному в таблице 2.8 перечню потребительских свойств внутреннего полимерного покрытия стальной сердцевины тела бурильных труб.
Были проанализированы (Приложение Г) отечественные нормативные документы, содержащие критерии качества лакокрасочных покрытий стали и внутреннего полимерного покрытия труб. Рассмотрена допустимость использования этих критериев применительно к внутреннему полимерному покрытию стальной сердцевины тела бурильных труб [4, 7, 14, 25].
Проведенный анализ отечественных стандартов, определяющих критерии качества лакокрасочных покрытий стали на образцах типа пластин, показал, что приведенные в них потребительские свойства лакокрасочных покрытий соответствуют ряду требуемых потребительских свойств внутреннего полимерного покрытия стальной сердцевины тела бурильных труб: дефектность внешняя, геометрические свойства, диэлектрическая сплошность. Содержащиеся в этих стандартах показатели указанных потребительских свойств лакокрасочных покрытий стали целесообразно использовать в качестве показателей аналогичных свойств внутреннего полимерного покрытия стальной сердцевины тела бурильных труб: внешний вид покрытия (ГОСТ Р 9.414-2012), толщина покрытия (ГОСТ 31993-2013 (ISO 2808:2007), удельное усилие отрыва грибка, приклеенного к покрытию (ГОСТ 32299-2013 (ISO 4624:2002), отсутствие электрического пробоя покрытия при заданной величине напряжения (ГОСТ 4765-73). Однако некоторые требуемые потребительские свойства внутреннего полимерного покрытия тела стальных бурильных труб и показатели этих свойств отсутствуют в действующих стандартах на лакокрасочные покрытия стали. Отсутствуют отечественные и зарубежные стандарты на внутреннее полимерное покрытие стальных труб.
В отечественной нефтегазовой отрасли при проведении периодических испытаний внутренних покрытий нефтепроводных труб используется СТО ВНИИСТ 7.2-312-0.005-2014 «Технические требования к внутреннему эпоксидному покрытию нефтепроводных труб».
Результаты анализа технических требований, содержащихся в рассматриваемом СТО, позволили выявить их следующие недостатки применительно к внутреннему полимерному покрытию стальной сердцевины тела бурильных труб: - отсутствуют такие важные для внутреннего покрытия стальной сердцевины тела бурильных труб потребительские свойства, как проницаемость по отношению к сероводороду, вызывающему наводороживание трубной стали и, как следствие, ее растрескивание в напряженном состоянии; сопротивление материала полимерного покрытия гидроабразивному износу, зависящему от скорости бурового раствора, угла его атаки к поверхности покрытия, концентрации в нем механических примесей;
Разработка и внедрение на отечественных предприятиях по изоляции трубной продукции для нефтегазодобычи корпоративных технических условий на стальные бурильные трубы с внутренним эпоксидным покрытием
Для получения сероводорода используют аппарат Киппа. Устанавливают статически нагруженные до величины напряжения р=0,95т С-образные образцы в автоклавную установку (рисунок 3.14), заполняют рабочую камеру автоклавной установки 5%-ным водным раствором NaCl и герметизируют.
После этого продувают рабочую камеру автоклавной установки инертным газом, используя баллон со сжатым азотом, не менее 20 мин при открытом выпускном вентиле установки, а затем проводят насыщение минерализованной водной среды в автоклавной установке сероводородом от аппарата Киппа при открытом выпускном вентиле автоклавной установки с последующим его закрытием. Одновременно контролируют рН модельной среды с помощью полоски бумажного индикатора. Полоска индикатора должна приобрести желтый цвет, свидетельствующий о кислотности модельной среды. После окончания насыщения минерализованной водной среды сероводородом создают в рабочей камере автоклавной установки избыточное давление 4,0 МПа с помощью двуокиси углерода (СО2), подаваемой от баллона. Затем проводят нагрев модельной среды до требуемой температуры и поднимают автоклавной установке давление до заданной величины с помощью азота (N2), подаваемого из баллона.
Последовательность проведения испытаний рассмотрена в методике, приведенной в Приложении Л.
После окончания испытаний С-образные образцы извлекают из автоклавной установки, протирают фильтровальной бумагой для удаления остатков модельной среды, демонтируют винтовой механизм и выдерживают в смывке лакокрасочных покрытий PREMIA или в аналогичных смывках в соответствии с инструкцией на их применение.
Набухшее покрытие удаляют с поверхности стали деревянным шпателем и проводят визуальный осмотр внешнего вида поверхности стали, освобожденной от покрытия, на отсутствие сульфида железа, имеющего черный цвет и свидетельствующего о химическом взаимодействии проникших через покрытие молекул сероводорода со сталью, приводящего к образованию водорода на поверхности стали и последующему ее наводороживанию. Покрытие считают соответствующим техническим требованиям, если результаты контроля испытанных образцов соответствуют норме, приведенной в таблице. 2.15. структурных составляющих (сердцевины и защитного покрытия) элементов технических систем для НГК, содержащихся в действующих стандартах и корпоративных нормативных документах, на примере внутреннего полимерного покрытия стальных бурильных труб, показано, что в большинстве этих документов контроль качества структурных элементов технических систем подменяется контролем качества материалов для этих элементов, методики контроля подменяется методами контроля, отражающими физическую сущность применяемых методов и необходимые метрологические средства для их осуществления при отсутствии условий испытаний контролируемых объектов, учитывающих реальные воздействия на них на разных стадиях жизненного цикла, конструкционных особенностей контролируемых объектов при выборе образцов для сертификационных и периодических испытаний, алгоритма выполнения операций по определению одной или нескольких взаимосвязанных характеристик свойств контролируемых объектов, формы представления данных и оценивания точности, достоверности результатов. испытаний структурных элементов технических систем для НГК и обоснована необходимость разработки новых методик контроля ряда характеристик на примере внутреннего полимерного покрытия стальных бурильных труб на основе этих принципов.
Разработана методика контроля скорости уменьшения толщины защитного покрытия структурного элемента технической системы для НГК при воздействии потока жидкости, содержащей механические примеси, на примере внутреннего полимерного покрытия тела стальных бурильных труб. Установлена функциональную зависимость скорости уменьшения толщины покрытия от скорости потока абразивосодержащей жидкости и концентрации механических примесей при различных углах атаки потока по отношению к поверхности покрытия.
Разработана методика контроля диэлектрических характеристик защитного покрытия структурного элемента технической системы для НГК в модельных средах, имитирующих реальные эксплуатационные среды, при повышенной температуре и давлении, статических и циклических нагрузках, на примере внутреннего полимерного покрытия стальных бурильных труб.
Разработана методика контроля кинетики изменения адгезионной прочности защитного покрытия структурного элемента технической системы для НГК при статических и циклических нагрузках на него в минерализованной водной среде при повышенной температуре и давлении, на примере внутреннего полимерного покрытия стальных бурильных труб.
Разработана методика контроля проницаемости защитного покрытия структурного элемента технической системы для НГК по отношению к сероводороду при статических нагрузках на него в сероводородсодержащей минерализованной водной среде, на примере внутреннего полимерного покрытия стальных бурильных труб.
Разработанные методики контроля соответствия характеристик поверхностного слоя неделимых структурных элементов сложных технических систем установленным критериям их качества при сертификационных и периодических испытаниях в условиях, моделирующих заданный нормативный диапазон интенсивности реальных воздействий на эти элементы, на примере тела стальных бурильных трубы с внутренним полимерным покрытием, являются базовой основой их стандартизации.