ІВАНО-ФРАНКІВСЬКИЙ національний ТЕХНІЧНИЙ
УНІВЕРСИТЕТ НАФТИ І ГАЗУ
Артим Володимир Іванович
УДК 620.178.3
РОЗВИТОК НАУКОВИХ ОСНОВ ОЦІНКИ ВПЛИВУ НАВАНТАЖЕНОСТІ НА ДОВГОВІЧНІСТЬ РУХОМИХ ЕЛЕМЕНТІВ СВЕРДЛОВИННОГО ОБЛАДНАННЯ
Спеціальність 05.05.12 – Машини нафтової та газової промисловості
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук
Івано-Франківськ – 2008
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Івано-Франківському національному технічному університеті нафти і газу Міністерства освіти і науки України.
Науковий консультант: доктор технічних наук, професор
Івасів Василь Михайлович,
Івано-Франківський національний технічний
університет нафти і газу,
директор науково-дослідного інституту нафтогазової енергетики і екології, м. Івано-Франківськ.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук,професор
Воробйов Микола Степанович,
Івано-Франківський національний технічний
університет нафти і газу,
професор кафедри механіки машин
м. Івано-Франківськ;
доктор технічних наук, професор
Харченко Євген Валентинович,
Національний університет “Львівська політехніка”, завідувач кафедри опору матеріалів,
м. Львів;
доктор технічних наук, професор
Самуся Володимир Ілліч,
Національний гірничий університет,
завідувач кафедри гірничої механіки,
м. Дніпропетровськ.
Захист відбудеться “3” червня 2008 р. о 1000 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 20.052.04 в Івано-Франківському національному технічному університеті нафти і газу за адресою:
76019, м. Івано-Франківськ, вул. Карпатська, 15.
З дисертацією можна ознайомитись в науково-технічній бібліотеці Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу за адресою: 76019, м. Івано-Франківськ, вул. Карпатська, 15.
Автореферат розісланий “26” квітня 2008 p.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Д 20.052.04
кандидат технічних наук, доцент Корнута О.В.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Забезпечення надійної роботи елементів конструкцій та деталей машин є складною і багатоплановою задачею. Це значною мірою стосується оцінки довговічності та залишкового ресурсу. Її можна вирішити тільки шляхом поєднання зусиль на окремих етапах: від стадії проектування, де закладається надійність, через стадію виготовлення, де вона забезпечується технологічно, до стадії експлуатації, де надійність повинна реалізуватися. Слід враховувати механізми руйнування матеріалів, які можуть проявити себе під час експлуатації, такі як, у першу чергу, втомні процеси, часто поєднані з корозією. Однак, незважаючи на величезну кількість теоретичних і експериментальних досліджень, які проводилися і проводяться в усіх розвинутих країнах, і значний прогрес у розумінні процесів руйнування, аварії, пов’язані з корозійною втомою, все ще є звичайним явищем. Статистичні дані свідчать, що понад 90% усіх руйнувань інженерних конструкцій, що трапляються у світі, є безпосереднім наслідком втомних і корозійно-втомних процесів. Тому питання прогнозування довговічності та залишкового ресурсу деталей в умовах корозійної втоми є актуальним, особливо для відповідальних деталей та елементів конструкцій, руйнування яких може призвести до важких аварій. Це значною мірою стосується рухомих елементів свердловинного обладнання (РЕСО), зокрема, бурильних колон, геофізичних кабелів, штангових колон, де аварії пов’язані зі значними матеріальними збитками.
Проблема оцінки довговічності деталей машин нерозривно пов’язана з проблемою оцінки їх навантажування. Особливістю роботи рухомих елементів свердловинного обладнання є надзвичайно складний характер навантажування, пов’язаний, в першу чергу, із його нестаціонарністю та багаточастотністю. Це значно ускладнює оцінку довговічності і залишкового ресурсу РЕСО, що спричинено відсутністю ефективних, науково обґрунтованих методів оцінки втомного пошкодження деталей машин, які працюють в таких складних умовах. Крім цього, на сьогоднішній день у світі немає загальноприйнятих теоретичних методів, які б давали можливість адекватно змоделювати навантаження РЕСО. Зважаючи на складність проблеми, жодним теоретичним методом неможливо врахувати усі важливі чинники, більшість з яких має випадковий характер. Тому актуальним і важливим як для теорії, так і практики питанням є оцінка експлуатаційної навантаженості рухомого свердловинного обладнання.
Це підкреслює актуальність розв’язання наукової проблеми, що розглядається в даній дисертаційній роботі.
Великий внесок у розвиток обраного напрямку внесли такі відомі вітчизняні та закордонні вчені як Баграмов Р.О., Вірновський О.С., Дреготеску Н.Д., Дубленич Ю.В., Заміховський Л.М., Ібрагімов І.Х., Івасів В.М., Карпаш О.М, Копей Б.В., Крижанівський Є.І., Круман Б.Б., Лачінян Л.А., Малько Б.Д., Похмурський В.І., Самуся В.І., Саркісов Г.М., Сароян О.Е., Сергєєв С.Т., Харченко Є.В., Фаєрман І.Л., Шахназарян Е.А. та інші.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційну роботу виконано в межах наукового напрямку Національної програми “Нафта і газ України до 2010 року” та “Ресурс” (постанова Кабінету Міністрів від 08.10.04 р. № 1331). Окремі розділи дисертації розроблялися при виконанні науково-дослідних тем:
Д-9/04-П “Розробка наукових технологій подовження ресурсу та підвищення ефективності роботи нафтогазового обладнання” (Державний реєстраційний № 0104U004087);
11-102-6 “Розробка методу прогнозування залишкового ресурсу та критичних деформацій газопроводів за допомогою індикаторів навантаження після ремонту його ділянок”;
27-2003 “Розроблення СОУ “Оцінка фактичної навантаженості і прогнозування залишкового ресурсу підводного трубопроводу” ДАТ “Чорноморнафтогаз”.
Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є розроблення ефективних методів оцінки довговічності та залишкового ресурсу рухомих елементів свердловинного обладнання з урахуванням впливу навантажування на накопичення корозійно-втомного пошкодження.
Поставлена мета реалізується через вирішення таких завдань:
- аналіз та дослідження процесу навантажування рухомих елементів свердловинного обладнання за допомогою удосконалених методик та засобів його оцінки;
- оцінка впливу викривленості свердловин на навантаженість бурильних та штангових колон;
- поглиблене вивчення та дослідження процесу накопичення втомних і корозійно-втомного пошкодження;
- розроблення методів комплексної оцінки впливу навантажування на втомне і корозійно-втомне пошкодження;
- експериментальні дослідження закономірностей впливу навантаженості на втомне і корозійно-втомне пошкодження;
- розроблення та впровадження у виробництво нових методик і засобів оцінки навантаженості та прогнозування довговічності РЕСО.
Об’єктом досліджень є процес накопичення корозійно-втомного пошкодження в рухомих елементах свердловинного обладнання, зокрема, бурильних колон, геофізичних кабелів, колон насосних штанг.
Предмет досліджень – вплив навантажування на накопичення корозійно-втомного пошкодження в рухомих елементах свердловинного обладнання.
Методи досліджень. Дослідження проводились за допомогою комплексного методу, що полягає в сумісному використанні фізичного, математичного та комп’ютерного моделювання об’єктів досліджень та експериментальних методів для підтвердження адекватності отриманих результатів на діючому обладнанні та на лабораторних установках. Отримані основні положення дисертації, що складають наукову новизну, сформульовані висновки і рекомендації науково обґрунтовано із залученням математичних методів теорії диференціальних рівнянь, кінетичної теорії втоми, статистичних методів обробки й аналізу результатів експериментальних досліджень.
Наукова новизна одержаних результатів.
1. Вперше розроблено метод підсумовування втомних пошкоджень деталей при широкосмуговому навантажуванні з урахуванням багаточастотності та розподілу амплітуд на окремих частотах, який базується на врахуванні експериментально визначених коефіцієнтів впливу даних чинників на накопичення втомних пошкоджень у матеріалі деталі.
2. Вперше розроблено метод схематизації випадкового процесу навантажування з урахуванням багаточастотності процесу та розподілу амплітуд у часі, який базується на визначенні екстремумів при поетапному згладжуванні процесу шляхом заміни висхідних розмахів на їх середні значення.
3. Удосконалено метод урахування напружень з високим рівнем асиметрії циклу та напружень з амплітудами низького рівня при оцінці довговічності на основі закономірностей кінетики втомного пошкодження та діаграми Хея.
4. Удосконалено розрахунково-експериментальний метод оцінки навантаженості та залишкового ресурсу РЕСО за результатами досліджень натурних зразків з різним ступенем накопиченого корозійно-втомного пошкодження, який базується на закономірностях кінетики зниження границі витривалості та запропонованій системі рівнянь для визначення еквівалентних за пошкоджуючою дією амплітуд напружень та кількості циклів навантажування.
5. Удосконалено розрахунково-експериментальний метод оцінки навантаженості РЕСО з допомогою індикаторів навантаження, який дає змогу провести інтегральну оцінку навантажування з виділенням певної кількості рівнів амплітуд напружень та визначенням на кожному рівні еквівалентної кількості їх циклів.
Практичне значення одержаних результатів.
Результати досліджень, викладені в роботі, можуть бути використані на підприємствах нафтогазової галузі. Їх практичне значення полягає в:
- розробленні удосконаленого засобу вимірювання навантажень у верхній частині штангової колони, який дає змогу виділяти високочастотні цикли навантажень і проводити безпосередній запис результатів вимірювань для їх комп’ютерної обробки (патент України № 21964);
- оцінці параметрів кінетичних кривих втоми насосних штанг з різним пошкодженням (0, 4, 8 років експлуатації), що можуть використовуватися при розрахунках довговічності та залишкового ресурсу колони насосних штанг;
- оцінці зусиль гідравлічного опору каротажних пристроїв і геофізичного кабелю залежно від швидкості піднімання;
- розробленні удосконаленого засобу оцінювання навантажування геофізичного кабелю під час каротажних робіт, який дозволяє проводити інтегральну оцінку навантаженості кабелю;
- удосконаленні трипараметричної кривої втоми на основі запропонованого рівняння її правої гілки. Розроблена чотирипараметрична крива дає змогу враховувати накопичене корозійно-втомне пошкодження деталей в області напружень, нижчих за границю витривалості.
Проведені в роботі теоретичні та експериментальні дослідження використано при розробленні керівних документів: „Інструкція по розрахунку і вибору колони насосних штанг”, впроваджена в ГПУ „Полтавагазвидобування”, Надвірнянському та Чернігівському НГВУ ВАТ “Укрнафта”; „Інструкція по забезпеченню надійності бурильної колони на викривлених ділянках свердловини при комбінованому способі буріння”, впроваджена в ДАТ “Чорноморнафтогаз”.
Розроблений засіб вимірювання навантажень у верхній частині штангової колони впроваджено в НГВУ “Надвірнанафтогаз” ВАТ “Укрнафта”, а також у навчальному процесі на кафедрі нафтогазового обладнання ІФНТУНГ з дисципліни “Машини і обладнання для видобутку нафти і газу”.
Розроблений засіб інтегральної оцінки навантаження геофізичного кабелю застосовується в Івано-Франківській експедиції з геофізичних досліджень в свердловинах.
Положення, що виносяться на захист.
На захист виносяться методи:
– підсумовування втомних пошкоджень при широкосмуговому навантажуванні;
– схематизації випадкового процесу навантажування для оцінки впливу навантажування на довговічність;
– урахування напружень з високим рівнем асиметрії циклу та напружень з амплітудами низького рівня при оцінці довговічності;
– розрахунково-експериментальної оцінки навантаженості та залишкового ресурсу РЕСО за результатами досліджень натурних зразків з різним ступенем накопиченого корозійно-втомного пошкодження;
– розрахунково-експериментальної оцінки навантаженості деталей за допомогою індикаторів навантаження;
а також удосконалені методики проведення та оброблення результатів експериментальних досліджень з оцінки параметрів кінетичних кривих втоми РЕСО з урахуванням корозійного чинника.
Особистий внесок здобувача.
Із наукових праць, які опубліковано у співавторстві, на захист винесено їх основні частини, розроблені особисто дисертантом. Зокрема, [1] – розроблення і обґрунтування методу вкладених циклів; [2] – оцінка впливу низьких напружень на накопичене пошкодження матеріалу бурильних труб; [3] – розроблення блоку навантаження, оцінка результатів; [4] – розроблення методу оцінки залишкового ресурсу довгомірних об’єктів за результатами досліджень моделей-“вирізок”; [5] – розроблення методу підсумовування втомного пошкодження при випадковому навантажуванні; [6], [22] – розроблення принципової схеми визначення положення бурильної колони; [7] – розроблення методики оцінки довговічності та залишкового ресурсу довгомірних об’єктів; [8] – розроблення програмного забезпечення для розрахунку довговічності з урахуванням зниження границі витривалості; [9], [27] – розроблення удосконаленої методики урахування асиметрії циклу при розрахунках на довговічність; [10], [31] – розроблення програмного забезпечення для аналізу результатів вимірювання натягу геофізичного кабелю; [11] – проведення експериментальних досліджень та аналіз результатів; [12] – розроблення методу оцінки залишкового ресурсу насосних штанг за кінетичними кривими втоми; [13] – розроблення методики експериментального визначення сили гідравлічного опору рухові геофізичного кабелю і каротажного пристрою; [14] – аналіз результатів тарування удосконаленого динамографа; [15], [34] – оцінка впливу навантаженості на довговічність насосних штанг; [16] – розроблення методики прогнозування залишкового ресурсу за кінетичними кривими втоми; [17] – аналіз відмов колони насосних штанг за відносною глибиною; [18] – розроблення рівняння нижньої гілки кривої корозійної втоми; [28] – розроблення удосконаленої методики урахування низькоамплітудних циклів напружень при розрахунках на довговічність; [30] – обґрунтування доцільності використання методу вкладених циклів для розрахунків довговічності при випадковому навантажуванні; [32] – обґрунтування методу підсумовування втомних пошкоджень при багаточастотному випадковому навантажуванні; [33] – розроблення програмного забезпечення для оцінки параметрів динамограми при використанні удосконаленого динамографа.
Методики, аналітичні і емпіричні залежності, програми для виконання розрахунків на ПК і отримані результати, які виносяться на захист, належать особисто автору. Усі винаходи, зроблені в ході виконання роботи, є результатом колективної творчості.
Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались та обговорювались на: 6, 7 Міжнародних симпозіумах українських інженерів-механіків (м. Львів, 2003, 2005); Міжнародних наукових конференціях, (м. Бая-Маре, Румунія, 2003, 2004, 2006); ІІ Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми динаміки і міцності в газотурбобудуванні” (м. Київ, 2004); Міжнародних науково-технічних конференціях „Інтегровані комп’ютерні технології в машинобудуванні” (м. Харків, 2003, 2005); 8 Міжнародній науково-практичній конференції „Нафта і газ України” (Судак, 2004); 2 Міжнародному симпозіумі “Hydrocarbons& Chemistry” (м. Жардея, Алжир, 2004); Міжнародній науково-практичній конференції до 40-річчя ІФНТУНГ (м. Івано-Франківськ, 2007).
Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 34 роботи, з яких 21 стаття у фахових виданнях України, 4 – патенти України, 9 – у збірниках праць та тез міжнародних конференцій.
Структура дисертації.
Дисертація складається із вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел, що містить 277 найменувань на 26 сторінках, та 4 додатків на 73 сторінках. Робота містить 112 рисунків (9 – на окремих сторінках) та 23 таблиці (4 – на окремих сторінках). Загальний обсяг дисертації – 378 сторінок, з них основного тексту 265 сторінок.
основний зміст роботи
У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету роботи, завдання та методи досліджень, наукову новизну, практичне значення отриманих результатів, а також перелік місць апробації роботи.
У першому розділі досліджено сучасний стан проблеми оцінки навантаженості та довговічності рухомих елементів свердловинного обладнання (РЕСО).
Проведено аналіз аварійності бурильних колон, колон насосних штанг, геофізичних кабелів. Аналіз свідчить, що домінантними і найбільш небезпечними їх відмовами є руйнування через корозійно-втомні пошкодження. В першу чергу, це пов’язано з навантаженістю РЕСО, яка характеризується великою складністю як по їх довжині, так і в часі.
Зокрема, напруження, які виникають у бурильних колонах (БК) у процесі експлуатації, значною мірою є випадковими функціями часу. Специфікою процесу навантажування БК є чітко виражений блоковий характер. Так, можна виділити такі режими роботи БК: спуск, безпосередньо буріння, піднімання. Особливим режимом є також ремонтно-відновлювальні роботи, пов’язані зі значними перевантаженнями БК. З точки зору аварійності БК дія змінних напружень і, як наслідок, розвиток втомних процесів, має особливу небезпеку. Процес накопичення втомних пошкоджень, на відміну від зношування, не піддається візуальному контролю. При визначених умовах період докритичного підростання тріщини може бути меншим, ніж прийнятий період дефектоскопії бурового інструмента. Характерною особливістю відмов такого типу є те, що вони мають вузьколокалізований характер, відбуваються раптово, навіть під час спуско-піднімальних робіт.
Процес навантажування колони насосних штанг (КНШ), на відміну від навантажування БК, відрізняється значно більшою однорідністю, особливо при роботі у малодебітних свердловинах, характерних для України. Але структура процесу надзвичайно складна. На основну детерміновану складову ваги колони штанг з вагою і без ваги суміші в колоні насосно-компресорних труб накладається вібраційна, практично випадкова, складова з великим розкидом значень як амплітуд, так і частот. Як відомо, свердловини України характеризуються значною викривленістю в нижній частині. Тому ще слід звернути увагу на значний вплив локальних циклічних напружень згину на викривлених ділянках, які є основною причиною корозійно-втомного руйнування КНШ у нижній, менш напруженій осьовими силами розтягу частині.
Геофізичний кабель (ГФК) під час проведення каротажних робіт також працює в досить складних умовах. Специфікою роботи ГФК є велика кількість випадкових прихоплень під час піднімання каротажного пристрою, що призводить до значних перевантажень і динамічних коливань. Нерідко такі прихоплення стають причиною обриву кабелю, що несе великі матеріальні збитки, а в деяких несприятливих випадках – навіть ліквідацію свердловини.
Таким чином, особливістю експлуатації РЕСО є те, що вони підлягають впливу нестаціонарного навантажування з досить складною структурою.
Тому проведено аналіз сучасних наукових напрямків щодо вирішення проблеми оцінки довговічності деталей та елементів конструкцій, які працюють в умовах складного нестаціонарного навантажування.
Проведений аналіз свідчить, що на сучасному етапі немає загальноприйнятої дієвої методики оцінки довговічності в умовах випадкових навантажувань, особливо зі складною структурою (наприклад, широкосмугові нестаціонарні випадкові процеси, характерні для РЕСО). Тому питання розроблення методів, які б дали змогу враховувати складність процесу навантажування при розрахунках довговічності, має велику наукову і практичну цінність.
Таким чином, для надійної та ефективної роботи РЕСО необхідним є проведення більш детальної оцінки навантаженості і розроблення досконалих методів прогнозування їх довговічності та залишкового ресурсу. На основі аналізу сформульовано мету і задачі досліджень.
Другий розділ присвячено розробленню методик та засобів експериментального дослідження навантаженості та довговічності РЕСО.
Для оцінки експлуатаційної навантаженості бурильної колони при виконанні спуско-піднімальних операцій проведено промислові експериментальні дослідження. Бурильну колону було оснащено спеціальним перевідником з тензодавачами, на канаті талевої системи було встановлено електронний давач навантаження, на підіймальному валу бурової лебідки змонтовано давач напряму обертання та давач частоти обертання барабана лебідки. Також визначались швидкість і напрям руху бурильної колони. Запис сигналів з давачів здійснювався на багатоканальному швидкодіючому самописці Н 338-4. Усі вимірювальні засоби пройшли відповідне тарування і налагодження.
Для оцінки навантаженості КНШ розроблено захищений патентом України № 21964 удосконалений динамограф з індуктивним давачем малих переміщень. Давач вимірює зміну зазору між верхньою та нижньою планками силовимірювального вузла і формує вихідний сигнал, який після обробки в аналого-цифровому перетворювачі поступає для обробки в ПЕОМ. Границя приведеної похибки вимірювання положення таким динамографом в робочому температурному діапазоні (-20...+70 °С) становить максимально 1,5 %.
Для оцінки навантаженості каротажних канатів в експлуатаційних умовах використовувалась модернізована каротажна тензометрична реєструюча система КТРС-10М.
Для розроблення методики і засобів оцінки навантаженості геофізичного кабелю за допомогою індикаторів навантаження спроектовано і виготовлено випробну установку, яка дає можливість проводити випробування в широкому діапазоні геометричних параметрів жорстким навантажуванням на консольний згин з регулюванням амплітуди деформації в межах 0..10 мм.
Також у розділі наведено методики та обладнання для експериментальної оцінки параметрів опору втомі та корозійній втомі елементів бурильної колони і насосних штанг.
У третьому розділі представлено результати теоретичних і експериментальних досліджень навантаженості РЕСО.
Експериментальні дослідження навантаженості бурильної колони при виконанні СПО було проведено на свердловині № 908 – пасічна
29-04-2015, 00:36