[ «Ерехинский Борис Александрович МЕТОДЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ФОНТАННЫХ АРМАТУР ГАЗОДОБЫВАЮЩИХ СКВАЖИН В УСЛОВИЯХ СЕВЕРА Специальность 05.02.13 – Машины, агрегаты и процессы в нефтяной и газовой промышленности ...»
ОАО «Техдиагностика» – ООО «Газпром ВНИИГАЗ»
На правах рукописи
Ерехинский Борис Александрович
МЕТОДЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ
ФОНТАННЫХ АРМАТУР ГАЗОДОБЫВАЮЩИХ СКВАЖИН
В УСЛОВИЯХ СЕВЕРА
Специальность 05.02.13 – Машины, агрегаты и процессы в нефтяной и газовой промышленности
ДИССЕРТАЦИЯ
на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель – доктор технических наук С.Н. Барышов Оренбург – Москва –
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1 АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ, УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ И
СТАТИСТИКИ ОТКАЗОВ ФОНТАННЫХ АРМАТУР ПРИ ДЛИТЕЛЬНОЙ
ЭКСПЛУАТАЦИИ ПО ФАКТИЧЕСКОМУ ТЕХНИЧЕСКОМУ
СОСТОЯНИЮ1.1 Конструктивное, материальное исполнение и условия эксплуатации.......... 1.2 Научно-методические основы организации эксплуатации по фактическому техническому состоянию
1.3 Статистика диагностирований и отказов
1.4 Постановка научной задачи, цели и задач исследования
2 ОБОСНОВАНИЕ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ И АЛГОРИТМОВ
ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ФОНТАННЫХ
АРМАТУР ПО МЕХАНИЗМАМ СНИЖЕНИЯ ПЛАСТИЧНОСТИ И
РАСТРЕСКИВАНИЯ МЕТАЛЛА2.1 Алгоритм метода контроля технического состояния и прогнозирования работоспособности
2.2 Алгоритмы метода определения объема выборок элементов фонтанных арматур и проведения их выборочного лабораторного неразрушающего и разрушающего контроля
2.3 Модели анализа растрескивания сечения стенки с исходным концентратором (дефектом) и прогнозирования остаточного ресурса на основе анализа кинетики снижения пластичности и растрескивания металла
3 РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ
ДИАГНОСТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И КРИТЕРИЕВ ПРЕДЕЛЬНОГО
СОСТОЯНИЯ3.1 Выбор типовых элементов фонтанных арматур для лабораторного контроля
3.2 Определение высоконагруженных конструктивных концентраторов напряжений
3.3 Неразрушающий и разрушающий контроль выборок типовых элементов. Определение параметров конструктивных концентраторов и дефектов.
3.4 Определение, оценка соответствия нормируемых свойств и анализ кинетики снижения пластичности металла
3.5 Определение критерия трещинообразования (разрушающей пластической деформации) – в сечении стенки с дефектом
4 РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНО-МЕТОДИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ И
АПРОБАЦИЯ МЕТОДОВ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ
РАБОТОСПОСОБНОСТИ ФОНТАННЫХ АРМАТУР ПРИ ИХ
ДИАГНОСТИРОВАНИИ4.1 Нормативно-методическое и программное обеспечение
4.2 Неразрушающий контроль в полевых условиях
4.3 Расчет остаточного ресурса, определение возможности, сроков и условий продления эксплуатации
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ВВЕДЕНИЕ
Северные нефтегазоконденсатные месторождения Западной 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 [1 – 3 и др.]. Количество газодобывающих скважин этих месторождений составляет более 6 тыс. Для герметизации, контроля и управления работой скважин в их конструкции применяются фонтанные арматуры, состоящие из элементов различных производителей и типов-размеров. Среднее количество элементов фонтанных арматур на скважинах достигает порядка 130 тыс. Элементы фонтанных арматур являются одними из самых сложных и потенциально опасных технических устройств [4 – 10 и др.]. Надежность фонтанных арматур определяет надежность и эффективность эксплуатации скважин и газодобывающих предприятий в целом [11 – 14 и др].Исследованиями установлено, что к настоящему времени наработка большей части фонтанных арматур (около 80%) превосходит проектный срок эксплуатации. С целью продолжения их дальнейшей эксплуатации по фактическому техническому состоянию они в соответствии с законодательными и нормативными требованиями [15 – 20 и др.] прошли неоднократное диагностирование и экспертизу промышленной безопасности.
По мере увеличения наработки, количество таких элементов фонтанных арматур увеличивается. Анализ статистики и причин отказов элементов фонтанных арматур показывает, что при их длительной эксплуатации в низкотемпературных климатических условиях Севера происходит нарушение их работоспособности за счет снижения пластичности и растрескивания металла [21 – 24]. Этим создается высокий риск хрупких разрушений элементов фонтанных арматур с причинением тяжкого вреда для жизни и здоровья людей, объектов и окружающей среды.
Существующие методы диагностирования фонтанных арматур не позволяют контролировать и оценивать соответствие текущих (фактических) характеристик пластичности нормативным требованиям, анализировать их изменение за период эксплуатации и прогнозировать остаточный ресурс по механизмам снижения пластичности и растрескивания металла.
Разработка новых методов прогнозирования работоспособности элементов фонтанных арматур газодобывающих скважин в условиях Севера является актуальной научно-практической задачей. Ее решение позволит обосновывать сроки продолжения дальнейшей эксплуатации элементов фонтанных арматур, предупреждать их хрупкие разрушения, и, тем самым, повысить безопасность и эффективность эксплуатации объектов газодобывающих предприятий.
Исследования и разработки по прогнозированию работоспособности технических проблем ОАО "Газпром" на 2011-2020 годы" [25], (п. 3.1) предусматривающему разработку технологий, технических средств и организационных мероприятий, направленных на повышение безопасности производственного комплекса ОАО "Газпром" (экологической, промышленной, информационной, от противоправных действий и др.).
Цель работы: Разработка методов прогнозирования работоспособности элементов фонтанных арматур газодобывающих скважин, длительно эксплуатируемых в низкотемпературных климатических условиях Севера, для обоснования сроков продолжения их эксплуатации при диагностировании и предупреждения хрупких разрушений.
Задачи работы:
1. Анализ статистики диагностирований и отказов элементов фонтанных арматур газодобывающих скважин северных месторождений Западной Сибири.
2. Обоснование методов прогнозирования работоспособности элементов фонтанных арматур по механизмам снижения пластичности и растрескивания металла.
3. Расчетно-экспериментальное определение диагностических параметров, критериев предельного состояния по механизмам снижения пластичности и растрескивания металла и кинетики их изменения.
4. Разработка программно-методического обеспечения и апробация методов прогнозирования работоспособности элементов фонтанных арматур при их диагностировании.
Объект исследования – фонтанные арматуры газодобывающих скважин северных нефтегазоконденсатных месторождений Западной Сибири.
Предмет исследования – причины непрогнозируемого нарушения работоспособности, закономерность снижения пластичности и растрескивание металла фонтанных арматур газодобывающих скважин при их длительной низкотемпературных условиях Севера.
Методы исследования. Методы неразрушающего контроля в полевых и в лабораторных условиях, методы разрушающего контроля и механических стандартизованные методы статистического анализа экспериментальных данных и анализа надёжности по фактическим данным об эксплуатационных отказах, нормативные методы расчётов на прочность и сопротивление хрупкому разрушению, анализ напряжённо-деформированного состояния методом конечных элементов, методы математического моделирования и прогнозирования.
Научная новизна. 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 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 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;
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 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].
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 сероводородсодержащих сред» (г. Оренбург, 2010, 2012) и др. научнотехнических 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.
1 АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ, УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ И
СТАТИСТИКИ ОТКАЗОВ ФОНТАННЫХ АРМАТУР ПРИ ДЛИТЕЛЬНОЙ
ЭКСПЛУАТАЦИИ ПО ФАКТИЧЕСКОМУ ТЕХНИЧЕСКОМУ СОСТОЯНИЮ
1.1 Конструктивное, материальное исполнение и условия эксплуатации 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». Исследованиями установлено, что в составе этих месторождений эксплуатируются более 6 тысяч газодобывающих скважин.
Рисунок 1.1 – Схема территориального (географического) положения нефтегазоконденсатных месторождений Западной Сибири и минимальные климатические температуры:
-58 – минимальная климатическая температура, C Обобщенные сведения о количестве скважин северных месторождений, а также о сроках их эксплуатации представлены в таблице 1.1.
Таблица 1.1 – Сведения о количестве и сроках эксплуатации скважин северных месторождений Западной Сибири Уренгойское Продолжение таблицы 1. Таркосалинское Выполнен анализ сведений о сроках эксплуатации скважин северных месторождений. В таблице 1.2 представлены результаты анализа в виде распределения количества скважин по срокам их эксплуатации в градациях:
менее 10 лет; от 10 до 20 лет; от 20 до 30 лет; от 30 до 40 лет; более 40 лет.
эксплуатации более чем 20 лет, более 30% имеют срок эксплуатации более лет (см. табл. 1.2).
сооружениями, их совокупность представляет собой эксплуатационный фонд скважин, стоимость которого составляет до 7580% стоимости всего технического оснащения современного промысла [28 – 31 и др.]. Нарушение целостности и работоспособности эксплуатационных скважин приводит к прекращению их эксплуатации, к неизбежному уменьшению добычи нефти и газа, что делает необходимым выполнение так называемого капитального ремонта скважин – процесса длительного и трудоёмкого, требующего больших инвестиций. Стоимость ремонта скважины часто соизмерима, а иногда одинакова со стоимостью её сооружения. Надежность фонтанных арматур газодобывающих предприятий в целом [11 – 14 и др].
Таблица 1.2 – Сведения о распределении количества скважин северных месторождений по срокам эксплуатации Наименование месторождения менее 10 лет 10 – 20 лет 20 – 30 лет 30 – 40 лет более 40 лет ЗападноТаркосалинское Поэтому долговечность скважины должна соответствовать периоду разработки продуктивного пласта, как правило, не менее 3040 годам. Отсюда вытекает главное требование к качеству оборудования, используемого в эксплуатационной скважине, – его надежность [28, 31 и др.].
На скважинах, обладающих достаточно высоким давлением на забое и запасом пластовой энергии, и, обеспечивающих подъем пластового флюида с забоя на земную поверхность за счет фонтанирования, устанавливаются фонтанные арматуры [28]. Для герметизации, контроля и управления работой скважин в их конструкции применяется фонтанная арматура, состоящая из комплекта последовательно соединенных элементов различных типов – колонных и трубных головок, спец. фланцев (адаптеров), задвижек, крестовин, переводников (буферов), промежуточных и глухих фланцев. Был выполнен сбор данных о конструкциях около 6000 фонтанных арматур скважин северных месторождений. По результатам анализа этих данных, на скважинах проходного сечения от 2 до 13 дюймов (50 – 350 мм), на давления 14, 21, 35 МПа, отечественных и зарубежных производителей, таких как: UPETROM (Румыния), Breda Fucine (Италия), Hubner-Vamag (Австрия), им. «Лейтенанта Шмидта» и им. «П. Монтина» (Азербайджан, г. Баку), механический завод (г. Воронеж), FMC (США) и др..
По результатам анализа сведений о производителях и количестве фонтанных арматур, эксплуатируемых на скважинах северных месторождений, составлена таблица 1.3. Приведённые в них обобщающие данные показывают, что наибольшее количество фонтанных арматур (80%) приходится на ряд производителей: заводы им. «Лейтенанта Шмидта» и им. «П. Монтина» (37%);
производители – 20%.
Таблица 1.3 – Производители и количество элементов фонтанных арматур, эксплуатируемых на скважинах северных месторождений Наименование производителей Количество фонтанных арматур, заводы им. «Лейтенанта Шмидта» и им. «П. Монтина», г. Баку Воронежский механический завод, г. Воронеж 1636 (27%) Внешний вид типовой комплектации на примере фонтанной арматуры UPETROM Румынского производства представлен на рисунке 1.2, где: 1 – колонная головка; 2 – трубная головка; 3 – спец. фланец; 4 – коренная задвижка; 5 – центральная задвижка; 6 – крестовина; 7 – буферная задвижка; 8 – переводник (буфер); 9 – контрольная задвижка со стороны шлейфа; 10 и 13 – промежуточные фланцы; 11 – рабочая задвижка со стороны шлейфа; 12 – рабочая задвижка со стороны резерва; 14 – контрольная задвижка со стороны резерва; 15 и 16 – контрольные затрубные задвижки; 17 – затрубная задвижка под манометр; 18 – глухой фланец; 19 – межколонная задвижка.
С учетом того, что в составе комплекта фонтанной арматуры одной скважины применяется до 20 элементов, среднее их количество на скважинах северных месторождений достигает порядка 130 тыс. единиц.
Исследованиями материального исполнения элементов фонтанных арматур установлено, что они изготовлены из литых и кованых заготовок, из коррозионностойких сплавов.
Рисунок 1.2 – Комплект фонтанной арматуры UPETROM на скважине Анализ условий эксплуатации скважин северных месторождений Западной Сибири с наработкой > 20 лет показал, что в процессе эксплуатации элементов фонтанных арматур их метал подвержен деформированию от воздействия внутреннего рабочего давления до 4 МПа и выше (см. рис. 1.3 а), при климатических температурах от -60 до +40°C и испытывает эрозионное воздействие потоков рабочих сред в широком диапазоне дебетов скважин (см.
рис. 1.3 б).
Рисунок 1.3 – Распределения фонтанных арматур: а) – по фактическому рабочему давлению, МПа; б) – по дебету скважины, тыс. м Требования к конструкции, компоновкам, материальному исполнению, правилам контроля и эксплуатации фонтанных арматур газодобывающих скважин установлены положениями [32 – 34 и др.].
фактическому техническому состоянию 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 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].
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.
Рисунок 1.4 – Диаграмма распределения фонтанных арматур по количеству диагностирований с целью продления сроков их эксплуатации 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 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.), 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 промышленности, в том числе эксплуатируемых в низкотемпературных климатических условиях Севера, получило в трудах ученых Н.А. Махутова, А.М. Лепихина, В.Н. Пермякова, Г.В. Москвитина, М.М. Гаденина и многих др.
[36, 37, 47, 48, 105, 102 и др.].
А.В. Митрофанова, П.А. Овчинникова, Б.Р. Павловского, В.Н. Пермякова, В.В. Салюкова, В.Н. Сызранцева, Г.М. Хажинского, В.В. Харионовского и др.
определены основные положения и принципы организации управления безопасностью эксплуатации опасных производственных объектов нефтегазового комплекса и эксплуатируемого в их составе технологического оборудования.
Государственной стратегией, выраженной требованиями Федеральных Законов [15, 16 и др.] заданы требования и условия безопасной эксплуатации опасных производственных объектов. Требования и условия определяют приоритет мерам и решениям по предупреждению аварий. Меры и решения должны основываться на результатах диагностирования, неразрушающего контроля, оценках прочности и ресурса технических устройств в условиях эксплуатации с учетом дефектов и повреждений технологического и эксплуатационного происхождения.
Исследования технического состояния, несущей способности и ресурса фонтанных арматур и промыслового оборудования газодобывающих скважин и разработки научно-методических основ обеспечения их надежной, безопасной эксплуатации отражены в публикациях [4 – 6, 12, 13, 36, 40, 44 и др.], а также учтены в положениях нормативных документов [82 – 89, 153, 172 и др.].
На рисунке 1.5 представлена схема организации эксплуатации оборудования газодобывающих предприятий ОАО "Газпром" по фактическому техническому состоянию.
Рисунок 1.5 – Схема организации эксплуатации оборудования по фактическому Алгоритм диагностирования и принятия решений о продолжении эксплуатации оборудования, выработавшего проектный ресурс, представлен на рисунке 1.6.
АНАЛИЗ БАЗЫ ДАННЫХ О ТЕХНИЧЕСКОМ АНАЛИЗ НОРМАТИВНЫХ
СОСТОЯНИИ, ТЕХНИЧЕСКОЙ (ПРОЕКТНОЙ, ТРЕБОВАНИЙ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ
ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ И ПР.) ДОКУМЕНТАЦИИ БЕЗОПАСНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ
КОНТРОЛЬ ПАРАМЕТРОВ ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТЕРИЕВ
ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ - h ПРЕДЕЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ – [h]
ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ
ДА НЕТ НЕТ ПРЕДЕЛЬНОЕ
элементов фонтанных арматур по всем видам отказов VБР= 0,83, согласно нормативным требованиям (условно применен РД 09–102–95 [78]) VБР должна обеспечиваться на уровне > 0,9.Обобщенные результаты анализа отказов, результатов диагностирований и исследований технического состояния совокупности фонтанных арматур UPETROM 32-х скважин Комсомольского месторождения представлены в таблице 3.2.
Таблица 3.2 – Результаты анализа отказов и результатов диагностирований фонтанных арматур UPETROM 32-х скважин В соответствии с алгоритмом (рис. 2.2, глава 2), на основе анализа статистики отказов и результатов диагностирования, в выборку элементов исследуемых фонтанных арматур UPETROM для проведения лабораторного неразрушающего и разрушающего контроля была включена задвижка 41/16 на давление 21 МПа (далее – задвижка) с наработкой 20 лет (см. строку серого цвета в табл. 3.2). Задвижки такого типа за предшествующий период эксплуатации имели наибольшие количество отказов и выявленных дефектов.
3.2 Определение высоконагруженных конструктивных концентраторов напряжений Результаты исследований многих авторов [6, 36, 37, 39, 48, 102, 105, 115 и др.], а также результаты собственных расчетно-экспериментальных исследований [21, 22] (раздел 3.3) показывают, что растрескивание металла (зарождение и развитие трещин) происходит в зонах высоконагруженных конструктивных концентраторов напряжений корпусов элементов фонтанных арматур.
Для выявления этих зон в соответствии с алгоритмом рисунка 2. выполнено моделирование напряженно-деформированного состояния (далее – НДС) корпусов элементов методом конечных элементов. Моделирование выполнялось при нагружении внутренним избыточным давлением и силами от затяжки шпилек во фланцевых соединениях для трёх расчетных режимов – гидравлическое испытание, разгрузка и нагружение рабочим давлением в соответствии с [34, 77, 104].
Измерение геометрических размеров для построения трехмерных расчетных моделей типовых элементов фонтанных арматур UPETROM измерительного контроля в соответствии с РД 03-606-03 [131] и методом ультразвуковой толщинометрии по ГОСТ Р 51365-2009 [32]. Результаты измерений на примере задвижки с диаметром проходного отверстия – 41/16" на давление 21 МПа – UP 41/16" 21 представлены на рисунке 3.5.
Рисунок 3.5 – Результаты измерений геометрических размеров задвижки UP 41/16" 21 для построения ее расчетной модели На основе данных документации на комплект элементов фонтанных арматур изготовителя UPETROM, ГОСТ Р 51365-2009 [32], API Spec 6A [34] и результатов выполненных измерений построены расчетные модели типовых элементов фонтанных арматур. Для уменьшения размерности задачи использовалось свойство симметрии конструкции, в связи с этим расчетные модели представляют собой одну четвертую часть корпуса. На рисунке 3.6 в качестве примера представлена расчетная модель задвижки UP 41/16" 21 (для наглядности показано три четверти корпуса задвижки).
Рисунок 3.6 – Расчетная модель задвижки UP 41/16" Аналогичные измерения геометрических размеров и построения расчетных моделей выполнены для корпусов других типовых элементов фонтанных арматур UPETROM: колонной головки 135/8; трубной головки 135/89; спец.
фланца (адаптера) 971/16; задвижек 71/16 и 21/16; крестовины 71/1641/16;
переводника (буфера) 71/16; промежуточного фланца 41/16 и глухого фланца 41/16.
Механические характеристики материала исследуемых элементов фонтанных арматур приняты в соответствии с результатами проведенных механических испытаний, коэффициенты запаса прочности и допустимые напряжения приняты в соответствии с нормативными требованиями ГОСТ Р 51365-2009 [32]. Параметры диаграммы деформирования материала элементов фонтанных арматур определены в соответствии [99, 101, 151] с учетом проведенных механических испытаний на растяжение (разд. 3.4).
В качестве нагрузок принято давление гидравлического испытания – 42 МПа [32], номинальное рабочее давление – 21 МПа и усилия, возникающие при затяжке шпилек во фланцевых соединениях определенные в соответствии с [77]. В режиме разгрузки с расчетной модели снимаются все нагрузки.
Усилия обжатия прокладки и затяжки шпилек, действующие на фланцы при условиях гидроиспытания и при рабочем режиме эксплуатации, получены расчетным путем по методике [77] для фланцевых соединений с металлической кольцевой прокладкой восьмиугольного сечения (табл. 3.3). Характеристики материала прокладки приняты в соответствии с [32, 34, 77].
Таблица 3.3 – Усилия во фланцевых соединениях Номинальный размер фланца, мм (дюймы) 52 (21/16") 103 (41/16") 179 (71/16") 228 (9") 346 (135/8") фонтанных арматур использовались пространственные конечные элементы второго порядка. Расчеты НДС выполнены с использованием программных №0611200358074851) и ANSYS с учетом упруго-пластической модели деформирования материала.
Результаты расчетов НДС представлены на рисунках 3.7 и 3.8 в виде расчетного распределения на конечно-элементных моделях типовых элементов эквивалентных напряжений по теории удельной энергии формоизменения (по Мизесу) (для наглядности показана одна вторая часть корпуса), где: а) – колонная головка 135/8; б) – трубная головка 135/89; в) – спец. фланец (адаптер) 971/16; г) – задвижка 71/16; д) – крестовина 71/1641/16; е) – переводник (буфер) 71/16; ж) – задвижка 41/16; з) – промежуточный фланец 41/16; и) – глухой фланец 41/16; к) – задвижка 21/16.
Рисунок 3.7 – Распределение эквивалентных напряжений для корпусов типовых элементов фонтанных арматур UPETROM при гидравлическом испытании, Продолжение рисунка 3. Продолжение рисунка 3. Рисунок 3.8 – Распределение эквивалентных напряжений для корпусов типовых элементов фонтанных арматур UPETROM при нагружении рабочим давлением, Продолжение рисунка 3. Продолжение рисунка 3. Категории эквивалентных напряжений и критерии предельного состояния определены во всех точках конструкции типовых элементов фонтанных арматур в соответствии [32, 34, 77]. Результаты анализа НДС приведены в таблице 3.4.
Таблица 3.4 – Результаты анализа элементов фонтанных арматур Общие мембранные Местные мембранные Местные мембранные+местные изгибные + местные напряжения с учетом концентрации Максимальная эквивалентная деформация Как видно из рисунков 3.7 и 3.8, области выделенные красным, желтым и зелеными цветами являются зонами потенциально-опасных высоконагруженных конструктивных концентраторов напряжений. Такими зонами являются зоны сопряжения корпуса с тарелкой присоединительных фланцев, сопряжения патрубка фланцев и стаканов задвижек.
В качестве примера на рисунке 3.9 такие зоны показаны на наружной поверхности корпуса задвижки 41/16".
Рисунок 3.9 – Распределение эквивалентных напряжений для корпуса задвижки 41/16" при нагружении рабочим давлением и силами от затяжки шпилек фланцев: – зоны высоконагруженных конструктивных концентраторов 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.
3.3 Неразрушающий и разрушающий контроль выборок типовых элементов. Определение параметров конструктивных концентраторов и дефектов 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 ОАО "Техдиагностика".
Рисунок 3.10 – Корпус задвижки №1 UP 41/16 21 для проведения лабораторного Для проведения работ по неразрушающему и разрушающему контролю (табл. 2.4, глава 2) обосновано применение оборудования и инструментов, представленных в таблице 3.5.
Таблица 3.5 – Перечень инструментов и оборудования для неразрушающего и разрушающего контроля п/п Штангенциркуль ШЦ-I-125-0, Шаблон сварщика УШС- Линейка мет. 150мм ГОСТ 427-75 [152] Линейка мет. 300мм ГОСТ 427-75 [152] Микроскоп Mitutoyo x Лупа х3/х6-75 Зубр с подсветкой Лупа измерительная ЛИ-3-10х Лупа х3/х6 Stayer 40530- Фонарь ФОС-3 с регулятором Зеркало на телескопической ручке 10.
Продолжение таблицы 3. п/п Фотокамера «СANON» А 11.
Очиститель DR- 12.
Пенетрант DP- 13.
Проявитель D- 14.
15. Магнитная суспензия BabbCo 16. Белый контрастный фон BabbCo Проведение магнитопорошкового контроля Магнитопорошковый дефектоскоп 17.
Ультразвуковой дефектоскоп Поиск и локализация скрытых дефектов в 18.
Epoch-IIIb Ультразвуковой толщиномер Измерение толщины металла ультразвуковым 19.
20. Образец СОП-1-2-3-4-5-6-7-8 ст.20 Настройка ультразвукового толщиномера Твердомер портативный Измерение твердости металла динамическим 21.
Спектральный анализатор химического состава металла Спектральный анализ химического состава 22.
Spectrotest TXC Прецизионная пила «ISOMET Подготовка образцов для металлографического 23.
Полировальное устройство Подготовка образцов для металлографического 24.
«MOTOPOL 8»
Оптический микроскоп «EPIPHOT 25.
Стереомикроскоп СТЕРЕО-МХ- 26.
Объект-микрометр Оценка размеров элементов микроструктуры 27.
Испытательная машина РМ-50 Механические испытания на растяжение 28.
Копер маятниковый ИО 5003-03 Испытания на ударный изгиб 29.
Ленточнопильный станок Изготовление заготовок образцов для испытаний типоразмера HVBS-34BS «JET на растяжение, ударный изгиб, измерений 30.
Equipment & Tools»
Сверлильно-фрезерный станок Изготовление образцов для испытаний на 31.
«Super-U2 (U-2)»
Токарный станок ТВ-4 Изготовление образцов для испытаний на 32.
Низкотемпературный Охлаждение образцов до -60°С для испытаний на 33.
морозильный ларь VT 76 ударный изгиб и измерений твердости 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 ультразвуковой контроли её наружной поверхности.
РД 03-606-03 [131], ГОСТ Р 51365-2009 [32], ПНАЭ Г-7-025-90 [77], СТОНК.И-222 [153], магнитопорошковый контроль выполнен в соответствии с ГОСТ 21105-87 [145], ПНАЭ Г-7-015-89 [154], СТП ТД – 04НК-03 [155], СТОНК.И-222 [153]. Капиллярный и ультразвуковой контроли выполнены по методикам согласно таблицы 2.4 (глава 2) и СТО-НК.И-222 [153].
По результатам визуально-измерительного контроля на наружной поверхности корпуса задвижки в соответствии с классификацией ГОСТ 19200были выявлены дефекты отливки – недоливы, заливы, грубая шероховатость (рис. 3.11).
Рисунок 3.11 – Дефекты отливки наружной поверхности корпуса задвижки: 1, 2, 3 – недоливы (размеры в плане: 1 – 100 22 мм, 2 – 50 55 мм, 3 - 10 5, глубина – 2…5 мм); 4 – заливы; 5 – грубая шероховатость 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, ультразвуковой контроль также не показали результативность для выявления трещин при неразрушающем контроле с наружной поверхности, очевидно, изза сложности геометрической формы поверхности и наличия продуктов коррозии в трещинах.
Ступица (патрубок) Трещина Рисунок 3.12 – Трещины в корпусе задвижки: а) – в зоне сопряжения тарелки фланца со ступицей (патрубком); б) – в зоне сопряжения стакана со ступицей 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.
Рисунок 3.13 – Дефекты отливки на внутренней поверхности корпуса задвижки:
а) – вид изнутри части корпуса, разрезанного по продольной плоскости После проведения контроля наружной и внутренней поверхностей из задвижки (рис. 3.9), не имеющего поверхностных дефектов, были изготовлены образцы для механических испытаний – на растяжение и ударный изгиб. После магнитопорошкового контроля на некоторых изготовленных образцах были выявлены трещины (рис. 3.14 а) и металлургические рыхлоты 1 (рис. 3.14 б).
Рисунок 3.14 – Внешний вид образцов из корпуса задвижки: а) – с трещиной;
Рыхлота – 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.
Тарелка Ступица Трещина Рисунок 3.15 – Зона расположения и ориентация трещины (а), образец для механических испытаний с трещиной после надпила и долома (б), вид 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.
Рисунок 3.16 – 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.
Рисунок 3.17 – Фрагмент металла (а) и образцы с трещиной (б): 1-6 – нумерация Для примера на рисунке 3.18, 3.19 представлены внешние виды образцов № 1 и № 2 с трещиной после их долома. Как показано на рисунке 3.18 в образце № 1 рядом с основной (рис 3.17 а) была обнаружена еще одна (соседняя) трещина.
После долома образцов были выполнены измерения длины трещины (L) и ее глубины (H1 и H2) с каждой стороны образца по схеме рисунка 3.19 в, расстояния (F1 и F2) от трещины до торца тарелки фланца c каждой стороны образца по схеме рисунка 3.21 а, результаты измерений представлены в таблице 3.6.
Таблица 3.6 – Протяженность, глубина трещины и расстояние до тарелки фланца образующей, L, мм Расстояние от трещины до торца тарелки фланца, F, мм Рисунок 3.18 – Образец №1: а) – общий вид (белой стрелкой указана еще одна трещина); б) – излом (вид А – излом образца №1, вид Б – излом образца №1);
в) – тоже, после очистки (1-место подпила; 2-долом; 3-поверхность трещины) Рисунок 3.19 – Образец №2: а) – общий вид; б) – излом (вид А – излом образца №2, вид Б – излом образца №2); в) – тоже, после очистки (1-место подпила; 2область долома; 3-поверхность трещины) По данным результатов измерений (табл. 3.6) выполнена реконструкция положения трещины в плоскости поперечного сечения ступицы (патрубка) фланца (рис. 3.20).
Рисунок 3.20 – Положение трещины в плоскости поперечного сечения ступицы На рисунке 3.20 наглядно показано, что трещина располагается по периферии плоскости поперечного сечения и ее глубина достигает половины растрескивания и разрушения [107, 108, 110 и др.] образование и развитие такой трещины становится возможном в случаях, когда в периферийной части сечения до ее середины действуют нормальные осевые растягивающие напряжения (т.е. вдоль продольной оси ступицы (патрубка) фланца и перпендикулярно плоскости ее поперечного сечения), а от середины к внутренней части в сечении действуют нормальные осевые сжимающие напряжения. Как показано на рисунке 3.21, характерным случаем такого возникающим при действии сил (FП и FШ) от затяжки крепежных элементов (шпилек) фланцевого соединения.
Рисунок 3.21 – Схема нагружения фланцевого соединения: FП – сила обжатия прокладки; FШ – сила затяжки шпильки; М – распределенный изгибающий Выполнено моделирование напряженно-деформированного состояния распределение осевых напряжений в сечении фланцевого соединения задвижки от действия рабочего давления и сил затяжки шпилек (см. рис. 3.22 а). На рисунке 3.22 б представлена эпюра осевых нормальных напряжений в сечении ступицы (патрубка) фланца по линии А-Б, нанесенной в области нахождения выявленной трещины (см. рис. 3.12 и 3.17).
Рисунок 3.22 – Распределение осевых напряжений во фланцевом соединении (а), эпюра осевых нормальных напряжений по линии А-Б в области показывают, что от затяжки шпилек фланца в периферийной (наружной) части сечения, примерно, до ее середины действуют нормальные (осевые) растягивающие напряжения (см. положительные значения напряжений на рис.
3.22 а, б), а от середины к внутренней части в сечении действуют нормальные осевые сжимающие напряжения (см. отрицательные значения напряжений на рис. 3.22 а, б). Это соответствует условию возникновения выявленной трещины.
Таким образом, одним из возможных факторов, повлекших возникновение и развитие выявленной трещины в соответствии с местом ее положения по периферии поперечного сечения ступицы (патрубка) фланца, является воздействие осевых растягивающих напряжений от распределенного изгибающего момента по периметру сечения, возникающего от действия сил затяжки крепежных элементов (шпилек) фланцевого соединения.
Поскольку в корпусе изначально включенного в выборку элемента фонтанных арматур – задвижки 41/16 – были выявлены трещины, в соответствии с алгоритмом (рис. 2.2, глава 2) в эту выборку были включены еще две аналогичные задвижки 41/16 – «Задвижки №2» и «Задвижки №3», а также другие типовые элементы фонтанных арматур UPETROM – колонная головка 135/8", трубная головка 135/8" 9, спец. фланец (адаптер) 971/16, задвижки 71/16 и 21/16, крестовина 71/1641/16, переводник (буфер) 71/16, промежуточный фланец 41/16, глухой фланец 41/16. Корпуса этих элементов были исследованы по аналогии с корпусом первой задвижки (рис. 3.11 – 3.13).
Ниже представлены некоторые результаты контроля.
По результатам визуально-измерительного контроля на наружной поверхности корпусов «Задвижки №2» и «Задвижки №3» также были выявлены дефекты отливки – недоливы, заливы, грубая шероховатость и др. дефекты отливок. Некоторые из дефектов представлены на рисунке 3.23.
Рисунок 3.23 – Некоторые дефекты наружной поверхности корпусов «Задвижки №2» и «Задвижки №3»: 1 – недоливы; 2 – грубая шероховатость Кроме этого, также как и в случае с «Задвижкой №1» по результатам магнитопорошкового контроля на корпусе «Задвижки №2» были выявлены сразу несколько (четыре) поверхностных трещин металла длиной от 16 до 102 мм в зоне сопряжения тарелки фланца со ступицей (патрубком). Внешний вид результатов магнитопорошкового контроля одной из трещин представлен на рисунке 3.24 а, дефектограмма результатов контроля представлена на рисунке 3.24 б.
Затем, также как и в случае с «Задвижкой №1» (рис. 3.17 а) из корпуса «Задвижки №2» был вырезан фрагмент металла с трещиной (рис. 3.25 а) и выполнены его ультразвуковые исследования (на рис 3.25 а – I-IV – проекция трещин на торец образца). Дефектограмма результатов ультразвукового исследования представлена на рисунке 3.25 б.
Рисунок 3.24 – Трещина в корпусе «Задвижки №2» в зоне сопряжения тарелки фланца со ступицей (патрубком): а) – внешний вид результатов контроля;
б) – дефектограмма: I-IV – поверхностные трещины (размерными линиями показаны протяженность трещин и их положение относительно плоскости Рисунок 3.25 – Образец из корпуса «Задвижки №2» с трещиной (показаны проекции трещин на торец образца) (а) и дефектограмма результатов ультразвукового исследования (б): I-IV – трещины неразрушающего (см. рис. 3.24) контроля «Задвижки №2» видно, что после вырезки фрагмента металла с трещиной и его ультразвуковых исследований протяженность трещины I составляет 137 мм, а не 102 мм, как было выявлено при неразрушающем контроле. Это свидетельствует о неполной объективности одного вида контроля, необходимости дополнительных исследований обнаруженных дефектов другими видами контроля и проведения разрушающих исследований выборочных элементов фонтанных арматур.
измерительного и магнитопорошкового контроля наружной поверхности дефектов типа трещин и несплошностей не выявлено. Для контроля внутренней поверхности корпус был разрезан на четыре части. В металле корпуса измерительного и магнитопорошкового контроля обнаружены восемь трещин протяженностью от 2 до 6 мм. Некоторые результаты контроля представлены на рисунке 3.26. Это также подтверждает необходимость выборочного разрушающего контроля типовых элементов фонтанных арматур.
Рисунок 3.26 – Трещины в корпусе «Задвижки №3» в зоне сопряжения тарелки со ступицей (патрубком) фланца (показан один из фрагментов (1/4 часть По аналогии с задвижками №1, №2 и №3 был выполнен неразрушающий контроль корпусов наружной поверхности других выбранных элементов фонтанных арматур – колонной головки 135/8, трубной головки 135/89, спец.
фланца (адаптера) 971/16, задвижки 71/16, задвижки 21/16, крестовины 71/1641/16, переводника (буфера) 71/16, промежуточного фланца 41/16, глухого фланца 41/16.
В результате выполненного неразрушающего контроля обнаружено:
– на колонной головке в зоне сопряжения тарелки фланца со ступицей обнаружены трещины в количестве 21 шт., протяженностью до 17,0 мм;
– на трубной головке обнаружены 8 раковин размером до 10,0 мм, глубиной до 6,0 мм, четыре трещины протяженностью до 18,0 мм и зона трещин размером 2525 мм;
– на спец. фланце (адаптере) обнаружены 9 раковин размером до 15,0 мм глубиной до 5,0 мм, две трещины протяженностью до 17,0 мм;
– на задвижке 71/16" обнаружена раковина размером 49 мм глубиной 2,0 мм, трещины в количестве 16 шт., протяженностью до 11 мм;
– на задвижке 21/16" обнаружены два дефекта литья (недоливы) размером до 39 мм глубиной до 3,0 мм, пора диаметром 1,0 мм глубиной 5,5 мм, раковина диаметром 1,5 мм глубиной 3,0 мм.
– на наружной поверхности задвижки №3 41/16, крестовины 71/1641/16, переводника (буфера) 71/16, промежуточного фланца 41/16, глухого фланца 41/16 недопустимых дефектов не обнаружено.
Для контроля внутренней поверхности корпуса выбранных типовых элементов фонтанных арматур согласно алгоритму (рис. 2.3) были разрезаны. В результате выполненного контроля внутренних поверхностей и поверхностей плоскостей реза на колонной головке 135/8", трубной головке 135/8" 9, задвижках 71/16 и 21/16 были выявлены поверхностные и внутренние дефекты отливок (недоливы, заливы, грубая шероховатость, раковины, рыхлоты), поверхностные и внутренние трещины металла длиной до 200 мм, глубиной до 50% от толщины стенки. Большинство трещин выявлены в зонах сопряжения исследованных элементов с выявленными трещинами не соответствует нормативным требованиям, элементы выбракованы. На остальных элементах поверхностных и внутренних дефектов отливок не обнаружено.
На рисунке 3.27 проиллюстрированы некоторые примеры обнаруженных трещин на внутренней поверхности и поверхностях плоскостей реза исследуемых элементов фонтанных арматур.
Рисунок 3.27 – Трещины на внутренней поверхности и поверхностях плоскостей реза: а) – колонной головки; б) – задвижки 71/16"; в) – задвижки На основании вышеизложенных результатов исследований была проведена отработка технологии неразрушающего контроля (визуально-измерительного и магнитопорошкового) металла высоконагруженных конструктивных концентраторов напряжений элементов фонтанных арматур. На рисунке 3. пунктирными линиями показано расположение возможных дефектов в зоне высоконагруженных конструктивных концентраторов напряжений на корпусах элементов фонтанных арматур, на примере корпуса задвижки.
Рисунок 3.28 – Зона высоконагруженных конструктивных концентраторов напряжений корпуса задвижки: – расположение возможных поверхностных трещиноподобных дефектов (ВПТД) До начала проведения контроля поверхность корпусов элементов фонтанных арматур должна быть очищена от снега, воды, грязи, масла и продуктов коррозии. Удаление с контролируемых элементов лакокрасочного покрытия без видимых дефектов не производится. В случае обнаружения дефектов лакокрасочного покрытия в виде отслоений, трещин, выпучин и т.п.
лакокрасочное покрытие в дефектной области удаляется до основного металла.
Для обеспечения объективности при проведении контроля, его отдельные этапы подлежат фотографированию:
- до начала проведения контроля должны быть сделаны фотографии общего вида фонтанных арматур не менее чем с двух сторон. Места расположения фотоаппаратуры следует отметить на местности;
фотографированию подлежат области, с выявленными дефектами лакокрасочного покрытия и металла (после удаления лакокрасочного покрытия в дефектной области);
-в процессе проведения магнитопорошкового контроля подлежат наличия / отсутствия в них признаков выявленных дефектов);
- после проведения контроля с тех же мест (ракурсов) должны быть сделаны фотографии общего вида проконтролированной фонтанной арматуры не менее чем с двух сторон. Фотографии следует делать таким образом, чтобы были видны места проведения контроля, окрашенные белым контрастным фоном магнитопорошкового неразрушающего контроля;
- подтверждать фотографированием отсутствие дефектов не требуется.
Корпуса элементов фонтанных арматур (100% поверхности) подвергается визуально-измерительному контролю для выявления трещиноподобных проявлений на поверхности лакокрасочного покрытия. Особое внимание должно быть уделено зонам расположения высоконагруженных конструктивных концентраторов напряжений (см. рис. 3.7 – 3.9, разд. 3.2).
Неразрушающему магнитопорошковому контролю подвергается наружная поверхность входного и выходного патрубков (ступиц) фланцев, отмеченная на рисунках 3.28 и 3.29. Выделенные зоны должны быть проконтролированы по всей окружности 0…360.
контролируемую зону наносится белая контрастная краска. После ее высыхания контролируемая зона делится на участки, количество которых равно количеству стягивающих фланцы шпилек, но не менее восьми, контроль проводится последовательно по этим участкам. Перестановка магнитов и раздельное проведение магнитопорошкового контроля по участкам обеспечивает требуемую напряженность магнитного поля в контролируемой зоне и чувствительность метода.
Рисунок 3.29 – Зоны для магнитопорошкового контроля задвижки (а), колонной (б), трубной (г), промежуточной (д) головок, переводника (буфера) (в), спец.
фланца (адаптера) (е, ж) и углового штуцера (з) После установки магнитов дефектоскопа (рис. 3.30), на очередной контролируемый участок наносится магнитопорошковая суспензия, выполняется осмотр и фотографирование индикаторного рисунка. При фотографировании блестящей (мокрой) поверхности индикаторных рисунков рекомендуется принудительно отключить вспышку для исключения явления "засветки" части снимка. Автоматическая настройка фокуса цифрового фотоаппарата работает лучше, если на фотографируемой поверхности имеется контрастный объект: линейка с делениями, лист бумаги с контрастным рисунком, номером скважины или номером элемента.
Порядок проведения магнитопорошкового контроля на примере задвижки поясняет рисунок 3.30. При нанесении магнитопорошковой суспензии и осмотре индикаторного рисунка особое внимание должно быть уделено поверхности металла, непосредственно примыкающей к фланцу, в том числе участкам, расположенным за гайками.
Рисунок 3.30 – Магнитопорошковый контроль верхней (а, б) и нижней (в, г) При магнитопорошковом контроле, для наиболее результативного выявления трещин, экспериментально обосновано применение дефектоскопа МДПМ-1 (Россия), контрастной белой краски и чёрной магнитной суспензии В103 (BabbCo, Франция) с размером частиц 0,5-20,0 мкм, определены места установки полюсов магнитопорошкового дефектоскопа (см. рис. 3.30), требования к напряженности магнитного поля.
3.4 Определение, оценка соответствия нормируемых свойств и анализ кинетики снижения пластичности металла Определение, оценка соответствия нормируемых свойств и анализ кинетики снижения пластичности металла элементов фонтанных арматур выполнен на основе сравнительного анализа значений исходных и фактических механических свойств металла Для определения механических свойств металла элементов фонтанных арматур UPETROM в исходном состоянии использовались данные технических паспортов на их комплекты для 32-х скважин Комсомольского месторождения.
Каждый паспорт содержит сертификаты на материал. Пример данных механических испытаний и химического состава металла, содержащихся в сертификатах, представлен на рисунке 3.31. Всего объем выборки этих данных был собран для 323-х элементов фонтанных арматур.
Нормативные требования к химическому составу и механическим свойствам материалов корпусов элементов фонтанных арматур установлены в п. 4.16 ГОСТ Р 51365 [32]. В соответствии с таблицей 12 ГОСТ Р 51365 [32] для корпусов фонтанных арматур на давление 21 МПа металл, применяемый для их изготовления, должен соответствовать группе прочности К248, К310.
Механические свойства материалов для групп прочности К248 и К приведены в таблице 3.7, где: 0,2 – предел текучести, В – временное сопротивление, – относительное удлинение, – поперечное сужение, НВ – твердость, KV – среднее значение энергии удара при минимальной температуре.
Требования к химическому составу материалов корпусов из углеродистой стали установлены п. 4.16.4 ГОСТ Р 51365 [32] и приведены в таблице 3.8, где: С – углерод, Mn – марганец, Si – кремний, Р – фосфор, S – сера, Ni – никель, Cr – хром, Мо – молибден, V – ванадий.
Рисунок 3.31 – Сведения о свойствах металла из сертификатов Таблица 3.7 – Минимально допустимые нормативные механические свойства материалов корпусов фонтанных арматур [32] Таблица 3.8 – Нормативные требования к химическому составу материала корпусов фонтанных арматур [32] Массовая доля, % не более нормируемые свойства металла в исходном состоянии (предел текучести, временное сопротивление, относительное удлинение, поперечное сужение, твердость, энергия удара (табл. 3.13), химический состав) соответствовали нормативным требованиям ГОСТ Р 51365 [32].
Для определения фактических свойств металла были выполнены анализ химического состава, структуры и механические испытания образцов металла, вырезанных из зон высоконагруженных конструктивных концентраторов выбранных типовых элементов (разд. 3.2). Отбор образцов выполнялся в соответствии с ГОСТ 7564-73 [134].
Анализ химического состава металла (спектральный анализ металла) осуществлен с помощью прибора SPECTROPORT-F. Анализ проводился на десяти представленных для исследования элементах фонтанных арматур.
Результаты спектрального анализа представлены в таблице 3.9.
фонтанных арматур установлено соответствие химического состава металла Т32MoCrNi08R, указанному в паспорте завода-изготовителя фонтанных арматур. Содержание основных химических элементов металла корпусов всех представителей соответствует паспортным значениям и нормативным требованиям (см. табл. 3.8).
Таблица 3.9 – Результаты выполненного спектрального анализа материала Наименование элемента Задвижка 4 /16 № Задвижка 4 /16 № Колонная головка 13 / Трубная головка 135/89 0,29 0,24 0,65 0,70 0,17 0,041 0,016 0,015 0,40 0, Спец. фланец (адаптер) 971/ Крестовина 71/1641/16 0,33 0,37 0,78 1,06 0,16 0,018 0,016 0,017 0,11 0, Переводник (буфер) 71/16 0,4 0,31 0,53 0,87 0,30 0,026 0,018 0,017 0,15 0, Промежуточный фланец 41/ соответствии с ГОСТ 5639-82 [139], ГОСТ 8233-56 [141], ГОСТ 1778-70 [138], металлографического исследования определялись величина зерна в баллах, наличие или отсутствие неметаллических включений, наличие или отсутствие дефектов внутри и по границам зерен. Примеры микроструктур образцов металла представлены на рисунке 3.32.
установлена дефектная микроструктура стали крестовины 71/1641/16 в виде игольчатых включений вдоль границ зерен перлита (рис. 3.32 б), характерна для выбракована, микроструктура металла корпусов остальных представителей оценена как недефектная.
Рисунок 3.32 – Примеры микроструктур образцов металла (нетравленый и травленый шлиф): а) – задвижки 71/16; б) – крестовины 71/16"41/16", Измерения твердости металла непосредственно на элементах фонтанных арматур выполнялась с помощью твердомера HBX-0,5 методом ударного отпечатка по ГОСТ 18661-73 [157]. Дополнительные измерения твердости проводились на вырезанных образцах в процессе подготовки их к металлографическому исследованию и механическим испытаниям с помощью стационарного твердомера HBRV-187,5 по Бринеллю по ГОСТ 9012-59 [137] при комнатной температуре +20°С и с помощью твердомера «Equotip Piccolo 2»
представлены в таблице 3.10.
По результатам измерения твердости установлено, что полученные значения твёрдости соответствуют требуемым нормативным значениям ГОСТ Р 51365 [32] (см. табл. 3.7).
Для проведения механических испытаний на растяжение и ударный изгиб из металла выбранных типовых элементов фонтанных арматур были вырезаны образцы: для испытаний на растяжение – тип III по ГОСТ 1497-84 [135] – по три образца из каждого элемента, для испытаний на ударный изгиб с Vобразным надрезом – тип 11, с U-образным надрезом – тип 1 по ГОСТ 9454- [136] по три образца каждого типа для каждой температуры испытаний.
Таблица 3.10 – Результаты измерений твердости металла элементов фонтанных арматур Наименование элемента Задвижка 4 /16 № Выполнена статистическая обработка результатов механических испытаний по ГОСТ 8.207-76 [158], ГОСТ Р 5077.21-2004 [159] с использованием методических положений [160 – 162] и с применением разработанных программных модулей в пакетах Microsoft Excel, MathCad с учетом рекомендаций [161 – 163 и др.]. В таблице 3.11 представлены диапазоны и выборочные средние значения фактических механических свойств при растяжении для исследуемых типовых элементов фонтанных арматур.
Механические испытания на ударный изгиб выполнены при температурах образцов -60C, -45C, -40C, -20C, 0C, +20C. Определены ударная вязкость образцов с U-образным концентратором (KCU) и ударная вязкость образцов с V-образным концентратором (KCV). В таблице 3.12 представлены средние значения ударной вязкости (верхнее значение KCV / нижнее – KCU) для металла типовых элементов фонтанных арматур.
Таблица 3.11 – Диапазоны и выборочные средние значения фактических механических свойств при испытании на растяжение Наименование Задвижка 71/16" 751803 781 535623 596 1017,8 14,8 13,053,0 28, Крестовина 71/16 "41/16" Трубная головка 135/8"9" Фланец промежуточный 41/16" Колонная головка 135/8" Таблица 3.12 – Средние значения ударной вязкости (Дж/см2) в зависимости от температуры испытания Наименование элемента Задвижка 41/16 № Задвижка 41/16 № Задвижка 41/16 № Колонная головка 135/ Трубная головка 135/ Спец. фланец (адаптер) 971/ Задвижка 71/ Задвижка 21/ Крестовина 71/1641/ Переводник (буфер) 71/ Промежуточный фланец 41/ Глухой фланец 41/ Обобщенные данные об исходных, фактических и нормативных свойствах металла для всей совокупности выбранных элементов фонтанных арматур представлены в таблице 3.13, где: – относительное удлинение; KV-60 – работа удара при -60°С на образцах 1010 мм; HB – твердость по Бринеллю; СКО – среднеквадратическое отклонение. Согласно требований ГОСТ Р 51365 [32] указаны минимальные допустимые нормативные значения механических свойств металла для групп прочности К248 и К310.
Исходные механические свойства металл корпусов определены по данным сертификатов на примененный для их изготовления металл, содержащихся в паспортах фонтанных арматур (см. столбцы голубого цвета в табл. 3.13).
Фактические механические свойства (см. столбцы зеленого цвета в табл. 3.13) определены по результатам механических испытаний образцов, вырезанных из высоконагруженных зон (рис. 3.7 – 3.9), в которых не были выявлены дефекты, корпусов всех представителей – по три образца для испытаний на растяжение (тип III по ГОСТ 1497-84 [135]) и по три образца для испытаний на ударный изгиб с V-образным надрезом (Шарпи) (тип 11 по ГОСТ 9454-78 [136]). В результате были получены выборки значений исходных механических свойств металла корпусов для каждого представителя типовых элементов фонтанных арматур и для их совокупности, а затем выполнена статистическая обработка этих выборок по ГОСТ 8.207-76 [158], ГОСТ Р 50779.21–2004 [159], а также с использованием методических положений [160 – 162].
Таблица 3.13 – Исходные ( ), фактические ( ) и нормативные свойства металла доверительного интервала Требования ГОСТ Р Анализ соотношения исходных, фактических и нормативных свойств металла (табл. 3.7 – 3.13) показывает: исследуемый металл обладал достаточно низкими исходными пластическими свойствами – минимальные исходные и k (15 и 25%) менее требуемых нормативных (>19 и >32%) и выборочное среднее (19,1%) практически равно минимально допустимому нормативному;
за прошедший 20-ти летний период эксплуатации механические свойства (0,2, В,, k) снизились, рассеяние их значений увеличилось – см. соотношение соответствующих границ диапазонов, доверительных интервалов, выборочных средних, СКО в голубых и зеленых столбцах; фактические пределы прочности, текучести – 0,2, В и твердость – HB соответствуют нормативным требованиям, нормативным требованиям – см. соотношение соответствующих границ диапазонов, доверительных интервалов и выборочных средних в зеленых столбцах с требованиями ГОСТ Р 51365 [32].
Полученные результаты исследований (табл. 3.13) наглядно показывают, что предусмотренный традиционными методами диагностирования контроль твердости не позволяет выявить изменение и несоответствие пластических свойств металла элементов фонтанных арматур после их длительной эксплуатации.
Таким образом, исследованиями установлено, что образование и развитие исходными пластическими свойствами и их снижением (кинетика снижения пластичности может достигать 10 – 60% за 20 лет эксплуатации (см. табл.
3.13)), деформированием металла при отрицательных температурах эксплуатации от действия внутреннего давления и сил затяжки шпилек фланцевых соединений в диапазоне отрицательных температур при длительной эксплуатации.
3.5 Определение критерия трещинообразования (разрушающей пластической деформации) – в сечении стенки с дефектом С использованием полученных результатов исследований выполнены расчеты параметров и критериев теоретически обоснованной деформационной модели растрескивания (трещинообразования) – рисунок 2.4 (раздел 2.3) для исследуемых представителей типовых элементов фонтанных арматур.
Результаты расчетов разрушающей пластической деформации представлены на примере сечения ступицы фланца исследуемого корпуса задвижки 41/16 с исходным дефектом отливки (рис. 3.35 а).
Минимальные фактические механические свойства материала корпуса исследуемой задвижки 41/16" определены экспериментально и представлены в разделе 3.4. Для выполнения расчетов в качестве исходных данных использованы значения предела текучести – 0,2 = 478 МПа и относительного сужения – k = 25,6% при +20°С.
Для определения критической температуры хрупкости в соответствии с ПНАЭ Г-7-002-86 [77] были использованы результаты испытаний на ударный изгиб образцов металла из корпуса с V-образным надрезом при различных температурах испытания в диапазоне -60+20C (не менее трех образцов на одну температуру испытания) – таблица 3.12. С использованием данных испытаний построен график зависимости ударной вязкости КСV от температуры испытания (см. рис 3.33). Критериальное значение ударной вязкости ([КCV]) по ГОСТ Р 51365 [32] составляет 25 Дж/см2. На графике ударная вязкость – температура на оси ординат (ось КСV) отложено критериальное значение ударной вязкости ([КCV]). Через полученную точку проведена линия, параллельная оси абсцисс, до пересечения с кривой ударной вязкости. Опущенный из точки их пересечения перпендикуляр к оси абсцисс (оси температур) определил значение критической температуры хрупкости – tк (рис. 3.33).
Рисунок 3.33 – Зависимость ударной вязкости (КСV) от температуры испытания (Т), где: – значения ударной вязкости при различных температурах испытания; - средние значения ударной вязкости при различных температурах испытания; – линия соответствующая критериальному значению ударной вязкости критической температуре хрупкости Как видно из графика на рисунке 3.33, критическая температура хрупкости – tк для материала исследуемой задвижки составила – -35C.
Далее проведен расчет напряженно-деформированного состояния сечения ступицы фланца исследуемой задвижки с выявленным дефектом отливки методом конечных элементов. В расчете использована осесимметричная деформирования металла с учетом его фактических свойств при минимальной температуре эксплуатации tmin = -60С. При этом в расчетной модели учтены размеры исходного дефекта отливки (позиция 4 на рис. 3.35 а) на ступице фланца обнаруженного при разрушающем контроле.
фонтанной арматуры при минимальной температуре эксплуатации (tmin =-60С) рассчитаны по формулам (2-10) раздела 2.3. Расчетные значения предела текучести и относительного сужения при tmin составили – 0,2 tmin = 490 МПа и k tmin = 11,8%.
Параметры диаграммы деформирования материала корпуса исследуемой задвижки определены в соответствии с [99, 101, 104]. Модель диаграммы деформирования металла представлена на рисунке 3.34.
Рисунок 3.34 – Расчетная модель диаграммы деформирования материала корпуса исследуемой задвижки (по оси ординат – напряжения, в МПа, по оси абсцисс – относительные деформации, в относительных единицах) Конструктивные размеры расчетной модели ступицы фланца исследуемой задвижки приняты по данным документации на элементы фонтанных арматур измерительного контроля.
В качестве основных расчетных нагрузок, действующих на ступицу фланца исследуемой задвижки в соответствии с [32, 34, 77, 151, 164], принято возникающие от затяжки шпилек фланцевых соединений, определенных по методике [32, 34] (см. табл. 3.14).
Таблица 3.14 – Расчетные усилия, действующие во фланцевых соединениях задвижки 41/16" В качестве критерия достижения предельного состояния по механизму превышения значения коэффициента интенсивности напряжений (КI) в вершине условного трещиноподобного дефекта (несплошности) в металле, его допускаемых значений, установленных в [77] (КI [КI]).
Расчеты [КI] выполнены с использованием методик, представленных в [32, 34, 77, 151, 164], а также метода конечных элементов и программных №0611200358074851), ANSYS.
Результаты расчетов, представленных на рисунке 3.35 б, показывают что, условие образования исходной трещины в исходном дефекте отливки (по линии А–Б) реализуется при максимальных расчетных деформациях в вершине дефекта – eL = emax = 6,0 %.
Рисунок 3.35 – Сечение ступицы фланца задвижки с дефектом отливки и трещиной (а), распределение расчетных деформаций – e и результаты расчетов параметров и критериев деформационной модели растрескивания (б), где: 1 и – тарелка и ступица фланца; 3 и 4 – исходные дефект отливки и трещина; e и emax – расчетная деформация по линии А–Б и максимальная расчетная деформация в вершине дефекта; KI – расчетный коэффициент интенсивности напряжений при росте условной исходной трещины из вершины дефекта (точка А) по линии А-Б; [KI] и [L] – допустимые коэффициент интенсивности С учетом значений механических свойств при минимальной температуре эксплуатации tmin =-60C расчетная разрушающая деформация для гладкого образца по формуле (1) раздела 2.3 составляет – eк=12,6 %.
Через отношение расчетных значений разрушающей деформации для реальной конструкции (eL) к значению разрушающей деформации для гладкого поверхностного слоя (kр), т.е.:
Для рассматриваемого примера коэффициент снижения пластических свойств поверхностного слоя составляет – kр = 0,48.
минимальной температуры эксплуатации tmin, с учетом ранее определенной критической температурой хрупкости (tк), определен согласно ПНАЭ Г-7-002по формуле из условия T = tmin:
и составляет – [KI] = 23 МПам1/2.
Для определения допустимого размера трещины [L] в построенную ранее расчетную модель в вершине исходного дефекта заложена условная трещина исходной глубиной – L0=3 мм. Методом конечных элементов выполнен расчет НДС и определен коэффициент интенсивности напряжений (КI). Поэтапным увеличением глубины трещины (L0=L0+1 мм) и расчетом КI построен график (эпюра) изменения KI при росте условной трещины по линии А-Б (см. рис. 3. б) на каждом этапе. Из условия КI = [КI] определен допустимый размер трещины [L]. На данном примере допустимый размер трещины [L] при минимальной температуре эксплуатации tmin =-60C составляет [L]=9,0 мм.
В результате проведенных аналогичных расчетов для других исследуемых представителей типовых элементов с выявленными трещинами в вершинах дефектов и конструктивных концентраторах установлены диапазоны значений коэффициента снижения пластических свойств поверхностного слоя kP в зависимости от его исходного состояния (табл. 3.15), соответствующие условию растрескивания с учетом фактических значений k.
Таблица 3.15 – Значения kP в различном состоянии исходной поверхности металла Дефекты отливки (недоливы, заливы, грубая шероховатость) Галтели и конструктивные переходы без обработки точением Галтели и конструктивные переходы после механической обработки Таким образом, по результатам выполненных расчетноэкспериментальных исследований обоснованы методы определения параметров состояния и прогнозирования ресурса элементов фонтанных арматур по механизмам снижения пластичности и растрескивания металла.
Выводы.
1. В соответствии с обоснованными моделями, критериями, методами и алгоритмами (глава 2) прогнозирования работоспособности фонтанных арматур выполнено расчетно-экспериментальное определение диагностических параметров, критериев предельного состояния фонтанных арматур по механизмам снижения пластичности и растрескивания металла и кинетики их изменения.
2. Для проведения лабораторного контроля были выбраны элементы фонтанных арматур UPETROM Румынского производства 32-х скважин Комсомольского месторождения, эксплуатирующихся > 20 лет. Корпуса их элементов изготовлены из литой заготовки, на эти фонтанные арматуры приходится наибольшее число растрескиваний металла.
3. На основе анализа статистики отказов и результатов диагностирования для проведения лабораторного неразрушающего и разрушающего контроля была выбрана задвижка 4 1/16 UPETROM на рабочее давление 21 МПа Задвижки такого типа за предшествующий период эксплуатации имели наибольшие количество отказов и выявленных дефектов.
4. Выполнено моделирование напряженно-деформированного состояния корпусов типовых элементов фонтанных арматур UPETROM и определены зоны их высоконагруженных конструктивных концентраторов напряжений, являющиеся наиболее вероятными местами зарождения и развития трещин металла.
5. Выполнен неразрушающий контроль наружной поверхности корпуса выбранной задвижки и внутренней поверхности после разрезки корпуса ленточной пилой. При визуальном и измерительном контроле на наружной и внутренней поверхности выявлены дефекты отливки – недоливы, заливы, грубая шероховатость, при магнитопорошковом контроле в зоне сопряжения тарелки с патрубком фланца и в зоне сопряжения стакана корпуса с патрубком фланца выявлены трещины длиной 98 мм и 15 мм соответственно. Трещины также были выявлены на вырезанных образцах для проведения механических испытаний.
6. Для дальнейших исследований были выбраны еще две аналогичные задвижки, а также по одному каждого из типовых элементов – колонной и трубной головки, адаптера, задвижек 7 и 2, крестовины, переводника, промежуточного и глухого фланца. В результате исследований в корпусах всех задвижек, колонной и трубной головок, спец. фланца (адаптера) выявлены поверхностные и внутренние дефекты отливок, а также поверхностные и внутренние трещины металла длиной до 200 мм, глубиной до 50% от толщины стенки. Большинство трещин выявлены в зонах сопряжения тарелки фланца со ступицей (патрубком). Выявлены дефекты микроструктуры стали крестовины.
7. По результатам исследований для наиболее результативного выявления трещин при магнитопорошковом контроле в полевых условиях было экспериментально обосновано применение дефектоскопа МДПМ-1 (Россия), контрастной белой краски и чёрной магнитной суспензии В103 (BabbCo, Франция) с размером частиц 0,5-20 мкм, определены места установки полюсов магнитопорошкового дефектоскопа, требования к напряженности магнитного поля для типовых элементов фонтанных арматур.
8. Исследованиями установлено, что металл выбранных элементов фонтанных арматур обладал низкими исходными пластическими свойствами – минимальные исходные и k (15 и 25%) менее требуемых нормативных (> и > 32%) и выборочное среднее (19,1%) практически равно минимально допустимому нормативному. За летний период эксплуатации пластические свойства - и k снизились, рассеяние их значений увеличилось.
Фактические пределы текучести, прочности и твердость соответствуют нормативным требованиям, фактические пластические свойства (, k, KV-60) не соответствуют нормативным требованиям.
9. Исследованиями установлено, что растрескивание металла фонтанных арматур обусловлено его низкими исходными пластическими свойствами и их снижением (кинетика снижения пластических свойств составила 10-60% за лет эксплуатации), а также наличием исходных дефектов отливки и структуры металла, длительной эксплуатацией и деформированием металла в низкотемпературных климатических условиях Севера. Применяемый при диагностировании контроль твердости не позволяет выявить изменение и несоответствие пластических свойств металла после длительной эксплуатации.
10. Выполнен расчет параметров и критериев трещинообразования с использованием обоснованной деформационной модели растрескивания и результатов лабораторного неразрушающего и разрушающего контроля для сечения ступицы фланца задвижки 4 с исходным дефектом отливки. По результатам расчетов установлено, что условие образования исходной трещины реализуется при максимальных расчетных деформациях – emax = 6%. Расчетная разрушающая деформация составляет – ek = 12,6%, а коэффициент снижения пластических свойств поверхностного слоя отливки – kP = 0,48. Допустимая глубина трещины – [L] составляет 9 мм. Определены значения коэффициентов снижения пластических свойств поверхностного слоя – kP для различного состояния поверхности.
4 РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНО-МЕТОДИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ И
АПРОБАЦИЯ МЕТОДОВ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ
ФОНТАННЫХ АРМАТУР ПРИ ИХ ДИАГНОСТИРОВАНИИ
4.1 Нормативно-методическое и программное обеспечение На основе выполненных теоретического и расчетно-экспериментального обоснования диагностических моделей, параметров, критериев и алгоритма контроля технического состояния и прогнозирования ресурса фонтанных арматур скважин северных месторождений по механизмам снижения пластичности и растрескивания металла разработан стандарт организации ОАО «Техдиагностика» (далее – стандарт) – СТО-НК.И-222 «Инструкция по неразрушающему контролю сплошности металла высоконагруженных конструктивных концентраторов напряжений корпусов и определению остаточного ресурса элементов фонтанной арматуры газодобывающих скважин» [153] (далее – стандарт).В стандарте реализуется алгоритм контроля технического состояния и прогнозирования ресурса фонтанных арматур. Конкретизируется выполнение работ по: анализу отказов элементов фонтанных арматур за предшествующий период эксплуатации; выбору их представителей для последующих лабораторного неразрушающего и разрушающего контролей; обработке полученных данных; оценке технического состояния и прогнозированию ресурса элементов фонтанных арматур по механизмам снижения пластичности и растрескивания металла; определению возможности, сроков, условий продления их эксплуатации; определению периодичностей и сроков проведения контролей, диагностирований, ремонтов и замен.
неразрушающему контролю корпусов элементов фонтанных арматур и прогнозированию их работоспособности по механизмам снижения пластичности и растрескивания металла. Устанавливаются основные требования к выполнению работ, а также требования к оборудованию, квалификации персонала, требования охраны труда.
Для анализа безотказности установлены требования для сбора данных об имевших место отказах, проверках работоспособности и нарушениях работоспособности, диагностированиях, ремонтах и заменах элементов фонтанных арматур за прошедший период их эксплуатации, а также сведениях диагностировании за прошедший период их эксплуатации.
Установлены требования, методы, приборы и оборудование для контроля корпусов фонтанных арматур с разборкой, последовательность использования видов неразрушающего контроля. Определены методы контроля и способы фиксации выявленных дефектов с указанием на требования действующих нормативных документов. Установлены условия для дополнительного исследования в случае выявления недопустимых дефектов. Приведены инструкция (технологические карты) для каждого вида контроля.
трещиноподобных дефектов для каждого типа элементов фонтанных арматур.
Заданы места установки полюсов магнитопорошкового дефектоскопа, требования к напряженности магнитного поля, оптимальные размеры частиц магнитной суспензии, необходимые для выявления растрескивания металла.
Изложены требования к оформлению результатов контроля.
технического состояния и прогнозирования ресурса фонтанных арматур северных месторождений учтены в положениях отраслевого нормативного документа системы стандартизации ОАО «Газпром» - Р Газпром 2-3.3-732- «Техническое диагностирование фонтанных арматур и оборудования устья скважин» и применяются в газодобывающих предприятиях для проведения диагностирования, определения возможности, сроков и условий продления эксплуатации фонтанных арматур по фактическому техническому состоянию, планирования их ремонтов и замен.
Для повышения производительности обработки данных результатов лабораторного неразрушающего и разрушающего контроля, контроля в полевых условиях, расчетов остаточного ресурса фонтанных арматур и снижения вероятности вычислительных ошибок было разработано специализированное программное обеспечение для ПК в виде вычислительных блоков (модулей). В программе Microsoft Excel – файлы, содержащие измеренные выборочные значения контролируемых параметров. В программе MathCad – файлы «Расчет статистических параметров ФА.mcd» и «Расчет ресурса ФА.mcd», являющиеся одновременно и алгоритмами программ и результатом их выполнения.
Командные log-файлы для расчетов эпюр пластических деформаций в стенке элементов фонтанных арматур с исходными концентраторами методом конечных элементов в программных комплексах решения инженерных задач COSMOS/M и ANSYS.
Расчет статистических параметров исходных, фактических и нормативных свойств металла (см. таблицу 3.13, раздела 3) выполнялся вычислительным блоком (модулем) в программе MathCad – файл «Расчет статистических параметров ФА.mcd». В этом вычислительном блоке реализованы методические положения по статистическому анализу данных в соответствии с ГОСТ 8.207-76 [158], ГОСТ Р 50779.21–2004 [159], а также с использованием методических положений [160].
Исходными данными для этого файла является таблица Microsoft Excel, которая заполняется в процессе обработки сертификатных данных и данных лабораторных испытаний. Пример части такой таблицы по данным сертификатов приведен на рисунке 4.1, где в столбцах указаны: A – предел текучести, (0,2), МПа, B – предел прочности (В), МПа, C – относительное удлинение (), %, D – относительное сужение (k), %, E – ударная вязкость (KV-45) при температуре минус 45°С, Дж/см2.
Рисунок 4.1 – Окно Excel - таблицы исходных данных Данные по исходным и фактическим свойствам металла обрабатываются отдельно. Алгоритм и последовательность расчета приведены на рисунках 4.2В программе указывается имя и путь к файлу Excel, в котором хранятся данные и определяется параметр для обработки.
Рисунок 4.2 – Окно «Ввода исходных данных» в программе MathCad Встроенными функциями MathCad определяются основные статистические характеристики выбранного параметра (см. рис. 4.3 для относительного сужения).
Рисунок 4.3 – Окно «Статистические характеристики» программы MathCad (обработка данных по относительному сужению) Затем определяется количество интервалов разбиения гистограммы (см.
рис. 4.4).
Рисунок 4.4 – Окно «Блок выбора числа столбцов гистограммы» программы В блоке построения гистограммы используются встроенные функции MathCad (см. рис. 4.5 и 4.6) Рисунок 4.5 – Окно «Построение гистограммы» программы MathCad На гистограмме (см. рис. 4.6) вертикальными пунктирными линиями указываются границы 90% доверительного интервала, черной пунктирной линией "dnorm" показан теоретический (нормальный) дифференциальный статистический закон распределения.
Рисунок 4.6 – Окно «Гистограмма» программы MathCad Таким образом, по результатам расчетов в разработанной программе «Расчет статистических параметров ФА.mcd» определяются статистические характеристики свойств металла, результаты таких расчетов представлены в таблице 3.13 (разд. 3.4).
Блок команд расчетов параметров пластичности металла при минимальной температуре эксплуатации (-60С) с использованием зависимостей (1)–(10) раздела 2.3 разработанного программного модуля MathCad представлен на рисунке 4.7.
Для расчета ресурса по критериям растрескивания (трещинообразования), охрупчивания и сопротивления хрупкому разрушению разработан вычислительный блок (модуль) в программе MathCad – файл «Расчет ресурса ФА.mcd». Исходными данными для него является таблица Microsoft Excel, в которую занесены исходные, фактические и минимально допустимые параметры пластичности: относительные удлинения (), %, сужения (k),% и ударная вязкость (KV-45) при температуре минус 45°C, Дж/см2 (рис. 4.8).
Рисунок 4.7 – Окно «Параметры пластичности» программы MathCad Рисунок 4.8 – Окно «Ввод исходных данных для прогнозирования ресурса по Результаты расчетов скорости (кинетики) снижения пластичности и ресурса по параметрам пластичности представлены на рисунке 4.9.
Рисунок 4.9 – Окно «Расчет скорости (кинетике) снижения пластичности» и «Расчет ресурса по критерию охрупчивания»
Результаты расчета ресурса по критерию растрескивания (трещинообразования) представлены на рисунках 4.10, 4.11.
Рисунок 4.10 – Окно «Ввод исходных данных для прогнозирования ресурса по критерию растрескивания (трещинообразования)»
Рисунок 4.11 – Окно «Расчет скорости (кинетике) снижения пластичности» и «Расчет ресурса по критерию растрескивания (трещинообразования)»
Исходные данные и результаты расчетов ресурса на примере колонной
UPETROM
программного модуля «Расчет ресурса ФА» представлены таблице 4.3 раздела 4.3.На рисунках 4.12–4.19 приведены блоки текста программы APDL – фланцевого соединения» внутреннего языка параметрического «Расчет программирования высокого уровня ANSYS для расчета деформаций и напряжений в сечения ступицы фланца задвижки с исходным дефектом.
В программе «Расчет фланцевого соединения» задаются размерности задачи, имена базы данных файлов и число процессоров компьютера для увеличения его быстродействия (см. рис. 4.12).
Рисунок 4.12 – Окно создания и определения имени базы данных файлов и определения постоянных величин в программе «Расчет фланцевого Программируются расчеты нагрузок на фланец для режимов рабочего давления и гидроиспытания, а также определяются усилия на прокладке и усилия на шпильках (см. рис. 4.13).
Рисунок 4.13 – Окно аналитического расчета нагрузок на фланец при различных В постоянные величины (константы) задаются модуль упругости, коэффициент Пуассона, предел текучести, предел прочности и относительное остаточное удлинение при разрушении для материала фланца (см. рис. 4.14, 4.15). По ним определяются модуль упрочнения, необходимый для учета упруго-пластических свойств металла, также задается размер конечного элемента.
Рисунок 4.14 – Окно расчета пластических свойств материала и задания Для выполнения расчетов в препроцессоре программы задается восьми узловой плоский прямоугольный конечный элемент с возможностью перерождения в треугольный и поддерживающий пластические свойства. В опциях элемента указывается тип задачи – осесимметричная (см. рис. 4.15).
Рисунок 4.15 – Окно определения типа конечных элементов, задания свойств симметрии, указания свойств материала и импорт расчетной модели из Команды "разбиения" расчетной модели на конечные элементы заданного размера представлены на рисунке 4.16. В местах возможных концентраторов напряжений уменьшается размер конечного элемента для более точного расчета.
Рисунок 4.16 – Окно сетка конечных элементов На рисунке 4.17 проиллюстрированы команды определения граничных условий модели, в виде ограничения перемещений, и команды приложения внутреннего рабочего давления и сил, действующих на фланец.
Рисунок 4.17 – Окно задания граничных условий и нагрузок На рисунке 4.18 представлены команды решателя программы для последовательного расчета на давление гидроиспытания, разгрузки и расчета на рабочее давление с предварительным переопределением нагрузок.
«