Программно-методическое обеспечение и применение 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 (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].

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.

Изложены общие требования к порядку проведения работ по 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 об отказах и нарушениях работоспособности, полученных при 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.

Определены зоны расположения возможных поверхностных 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.

Разработанные в исследовании методические принципы контроля технического состояния и прогнозирования ресурса фонтанных арматур северных месторождений учтены в положениях отраслевого нормативного документа системы стандартизации ОАО «Газпром» - Р Газпром 2-3.3-732-2013 «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, (σ0,2), МПа, B – предел прочности (σВ), МПа, C – относительное удлинение (d), %, D – относительное сужение (Ψk), %, 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 4.2-4.7.

В 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 MathCad

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 (-60ºС) 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 (d), %, сужения (Ψk),% 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 критерию снижения пластичности»

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 головки UPETROM 135/8", выполненные с применением разработанного программного модуля «Расчет ресурса ФА» представлены таблице 4.3 раздела 4.3.

На рисунках 4.12–4.19 приведены блоки текста программы APDL – «Расчет фланцевого соединения» внутреннего языка параметрического 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 соединения»

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 режимах

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 размера конечного элемента

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 графического препроцессора

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.

 

Рисунок 4.18 – Окно выполнения решений

На рисунке 4.19 представлены команды постпроцессора программы для вывода результатов расчета, а также команды выбора масштаба, вывода распределения эквивалентных напряжений, в том числе путь для вычисления напряжений и деформаций в указанном сечении фланца в месте расположения дефекта.

 

Рисунок 4.19 – Окно перехода в постпроцессор и вывода результатов

Результаты расчетов с применением разработанного командного файла APDL – «Расчет фланцевого соединения» представлены на рисунке 3.35 (см. разд. 3.5).

 

4.2 Неразрушающий контроль в полевых условиях

 

Практическая апробация выполненных разработок выполнена для фонтанных арматур UPETROM Румынского производства. Работы проводились на 31-й скважине Комсомольского газового месторождения и 62-х скважинах Уренгойского и Ен-Яхинского газовых месторождений Западной Сибири.

Работы по неразрушающему контролю фонтанных арматур UPETROM в полевых условиях выполнялись в соответствии с разработанным стандартом предприятия – 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] для всех типовых элементов фонтанных арматур (колонных и трубных головок, спец. фланцев (адаптеров), задвижек, крестовин, переводников (буферов), промежуточных и глухих фланцев) по отработанной в лаборатории технологии контроля. Перечень работ представлен в таблице 4.1.

 

Таблица 4.1 – Виды и объемы работ по контролю фонтанных арматур в полевых условиях (ВККН – зоны высоконагруженных конструктивных концентраторов напряжений)

№ п/п

Виды работ

Объем работ

1

Визуальный и измерительный контроль

100 % поверхности элемента

2

Магнитопорошковая дефектоскопия

В зонах ВККН

3

Вихретоковая дефектоскопия

В зонах ВККН

 

Неразрушающий контроль в полевых условиях осуществлялся специалистами II квалификационного уровня, аттестованными в соответствии с ПБ 03-440-02 [165].

Визуальный и измерительный контроль проводился на 100% поверхности элементов фонтанных арматур на предмет трещиноподобных проявлений на поверхности лакокрасочного покрытия. Особое внимание уделялось зонам расположения высоконагруженных конструктивных концентраторов напряжений – ступице фланца с зонами сопряжения ее с тарелкой фланца и стаканом задвижки и соответствующими зонами других типовых элементов фонтанных арматур (см. рис. 3.28-3.30, разд. 3.3). Технология контроля соответствовала требованиям  РД 03-606-03 [131], критерии оценки качества по ГОСТ 13846-89 [33], ГОСТ 977-88 [144], ГОСТ Р 51365-99 [32].

Магнитопорошковый контроль на элементах фонтанных арматур проводился в соответствии с требованиями ГОСТ 21105-87 [145] (уровень чувствительности «Б»), ПНАЭ Г 7-015-89 [154] с использованием переносного дефектоскопа на постоянных магнитах МДПМ-1 («Центр НК», Россия).

Для магнитопорошкового контроля использовались расходные материалы: черная магнитная суспензия – аэрозоль на масляной основе – Babb Co B 103С или MAGNAFLUKX 7HF, белая контрастная краска Babb Co B 104A или MAGNAFLUKX WCP-2.

До установки дефектоскопа на контролируемые элементы фонтанных арматур их поверхность очищалась от снега, воды, загрязнений, масла, продуктов коррозии и протиралась ветошью. В случае обнаружения дефектов лакокрасочного покрытия (отслоений, трещин, выпучин) оно удалялось до металла, поверхность зачищалась до шероховатости не более Rz63. На поверхность элемента фонтанной арматуры наносилась белая контрастная краска.

Магниты устанавливались на контролируемое изделие нормально к поверхности. Для контроля всей поверхности патрубка фланца полюса магнитопорошкового дефектоскопа последовательно устанавливались в разных зонах тарелки фланца и стакана задвижки (см. рис. 3.30).

После установки магнитопорошкового дефектоскопа наносился индикаторный состав – чёрная магнитная суспензия – и оценивались образовавшиеся индикаторные рисунки. Размеры индикаторных следов оценивались визуально с применением лупы ЛП1-4 по ГОСТ 7594-55 [150].

Особое внимание при контроле уделялось поверхности патрубка фланца, непосредственно примыкающей к тарелке фланца, в т.ч. участкам, расположенным за гайками.

Для обеспечения объективности при проведении контроля на всех стадиях контроля проводилось фотографирование элементов фонтанных арматур, выявляемых дефектов лакокрасочного покрытия, индикаторных рисунков.

Для повышения выявляемости и подтверждения наличия выявленных при магнитопорошковом контроле дефектов в местах их выявления дополнительно проводился вихретоковый контроль.

Вихретоковый контроль проводился в соответствии с РД 13-03-2006 [166], ГОСТ 8.283-78 [167], ГОСТ 24289-80 [168], ИЦМ 02-28.93 [169]. Для контроля использовался вихретоковый дефектоскоп ВД-1 («Константа», Россия) с преобразователем ПФ-ОН-04-Fe  и контрольный образец СОП-НО-038. Принятая чувствительность контроля: минимальная глубина дефекта 0,1 мм, ширина раскрытия не менее 0,001 мм, протяженность более 2 мм.

Контроль проводился методом ручного сканирования с шагом сканирования не более 2 мм и скоростью перемещения датчика не более 10 мм/с (траектория движения преобразователя показана на рис. 4.20) на рабочей частоте 1,8 МГц. Не имеющее видимых повреждений лакокрасочное покрытие не удалялось.

 

Рисунок 4.20 – Проведение вихретокового контроля элемента фонтанной арматуры. Пунктирная линия – рекомендуемая траектория движения преобразователя

Выявленные при магнитопорошковом контроле трещины металла были подтверждены результатами вихретокового контроля.

Результаты контроля фонтанных арматур в полевых условиях представлены в работе [21], обобщенные результаты отражены в таблице 4.2.

 

Таблица 4.2 – Обобщенные результаты неразрушающего контроля в полевых условиях

№ п/п

Результаты контроля

Комсомольское месторождение

Уренгойское и Ен-Яхинское месторождения

1.

Количество проконтро­лированных скважин

31 скв.

63 скв.

2.

Количество проконтро­лированных элементов ФА

422 ед.

446 ед.

3.

Количество скважин, на которых выявлены элементы ФА с трещинами

16 ед.

4 ед.

4.

Количество элементов ФА с выявленными трещинами

21 ед.

7 ед.

5.

Распределение типов-размеров элементов с выявленными трещинами

Задвижки 41/16" UPETROM – 19 ед.

Задвижки 41/16" UPETROM – 2 ед.

Задвижки 41/16" UPETROM – 7 ед.

6.

Положение на корпусе, количество и размеры трещин:

ступица (патрубок) фланца – 35 трещин, протяжен­ностью – от 15 до 502 мм;

 

тарелка фланца – 3 трещины, протяженностью – от 110 до 178 мм.

ступица (патрубок) фланца – 26 трещин, протяженностью – от 2 до 163 мм;

 

зона скопления трещин размером 80´40 мм.

 

Внешний вид некоторых трещин и их расположение на элементах фонтанных арматур проиллюстрированы на рисунках 4.21–4.23.

Рисунок 4.21 – Результаты контроля в полевых условиях второй струнной задвижки 41/16":  а) – место расположения трещин показано пунктирной линией; б) – трещины на ступице фланца (показаны стрелками)

 

Рисунок 4.22 – Результаты контроля в полевых условиях первой струнной задвижки 41/16" со стороны задавочной линии:  а) – место расположения трещин показано пунктирной линией; б) – трещина на ступице фланца показана стрелкой; в) – трещина на фланце показана стрелкой

Рисунок 4.23 – Результаты контроля в полевых условиях: а) – трещина ступицы (патрубка) фланца коренной задвижки 71/16"; б) – трещина тарелки фланца задвижки 41/16":  – трещины

На некоторых задвижках при неразрушающем контроле было выявлено до 5, 6 трещин (см. рис. 4.24). На одной из задвижек была обнаружена зона скопления трещин размером 80×40 мм в количестве более 15 шт. протяженностью от 2 до 10 мм (см. рис. 4.25).

Рисунок 4.24 – Результаты контроля в полевых условиях второй струнной задвижки 41/16": а) – место расположения трещин показано пунктирной линией; б, в, г) – выявленные трещины показаны стрелками (увеличено)

 

 

Рисунок 4.25 – Результаты контроля в полевых условиях центральной задвижки 71/16":  а) – зона скопления трещин обведена пунктирной линией; б) – зона скопления трещин (увеличено)

Таким образом, в результате апробации и внедрения разработок в производство при контроле в полевых условиях 422-х элементов фонтанных арматур UPETROM (21 МПа) на 31-й скважине Комсомольского месторождения из 239-ти проконтролированных задвижек на 21-й задвижке (19 ед. – 41/16" и 2 ед. – 71/16", в эксплуатации с 1993 г.) 16-ти скважин было выявлено 38 трещин корпусов. Из них 35 трещин на ступице (патрубке) фланца длиной 15 ¸ 502 мм и три трещины на тарелке фланца длиной 110 ¸178 мм (пример результатов контроля представлен на рис. 4.20 ¸ 4.25). На некоторых задвижках выявлено до 5, 6 трещин. На 63-х скважинах Уренгойского и Ен-Яхинского месторождений из 446-ти элементов на 7-ми задвижках UPETROM на 21 МПа (4 ед. - 41/16", в эксплуатации с 1994 г.; 2 ед. – 41/16", в эксплуатации с 1986 г. и 1 ед. – 21/16", в эксплуатации с 1993 г.) 4-х скважин выявлено 27 трещин. Из них 26 трещин на ступице (патрубке) фланца длиной 2 ¸ 170 мм и одна трещина в галтели сопряжения стакана корпуса и ступицы фланца длиной 60 мм. По результатам контроля все элементы фонтанных арматур с выявленными трещинами были оперативно выведены из эксплуатации и заменены.


4.3 Расчет остаточного ресурса, определение возможности, сроков и условий продления эксплуатации

 

По результатам неразрушающего контроля в полевых условиях (разд. 4.2) элементов фонтанных арматур на которых трещины не были выявлены, выполнены расчеты параметров, критериев и прогнозируемого ресурса в соответствии с теоретически обоснованными деформационными моделью анализа растрескивания (трещинообразования) (см. рис. 2.4, разд. 2.3) и моделью контроля технического состояния и прогнозирования ресурса элементов фонтанных арматур по механизмам снижения пластичности и растрескивания металла (см. рис. 2.5, разд. 2.3). При этом также использованы результаты лабораторного неразрушающего, разрушающего контролей и механических испытаний металла выбранных типовых элементов (глава 3).

Далее представлены результаты прогнозирования ресурса по механизмам снижения пластичности и растрескивания металла на примере колонной головки UPETROM 135/8" с выявленными при контроле дефектами отливки.

Прогнозирование ресурса выполнено по формулам (12-14) (разд. 2.3). Механические характеристики материала колонной головки при минимальной температуре эксплуатации (tmin = -60ºС) рассчитаны по формулам (2-10) (разд. 2.3) с учетом результатов полученных механических свойств аналогичной колонной головки при +20ºС (σ0,2 = 506 МПа, σВ = 710 МПа и Ψk = 41%) и критической температуры хрупкости, определенной по формуле (9) (разд. 2.3) – tk = -70ºC. Значения предела текучести и относительного сужения при минимальной температуре эксплуатации (tmin = -60ºС) составили – σ0,2 tmin = 531 МПа и Ψk tmin = 18,3%.

Результаты прогнозирования ресурса по критерию охрупчивания на примере колонной головки UPETROM 135/8" с выявленными при контроле дефектами отливки представлены в таблице 4.3.

Таблица 4.3 – Результаты расчетов параметров, критериев и прогнозируемого ресурса по механизмам охрупчивания и растрескивания металла

Параметры, критерии, прогнозируемый ресурс

Результаты расчетов

Максимальная деформация в вершине дефекта, emax, %

8

Коэффициент снижения пластичности, kp

0,5

Относительное сужение при -60ºC, ψktmin, %

18,3

Разрушающая деформация для образцов при -60ºC, ek, %

20,2

Разрушающая деформация (критерий трещиноообразования), eL, %

10,1

Критическая температура хрупкости, tk, ºC

-70

Допустимый коэффициент интенсивности напряжений, [KI], МПа∙м1/2

32

Допустимый размер условной трещины в вершине дефекта, [L], мм

14

Деформация трещинообразования при исходных свойствах, eL0, %

17

Время от начала эксплуатации, t1, лет

20

Прогнозируемый ресурс по критерию трещинообразования, τL, лет

5,7

Нормируемые параметры пластичности, Р

ψk, %

δ, %

КV-60, Дж

Исходные параметры пластичности, Р0

62

48

53*

Фактические параметры пластичности, РD

41

33

29

Минимально допустимые, [P] (по ГОСТ Р 51365) [32]

32

19

20

Прогнозируемый ресурс по критерию охрупчивания, τL, лет

8,2

18

7,5

Минимальный размер трещины, выявляемый при контроле, Lmin, мм

3

* принято на основе экстраполяции сертификатных значений КV-45, с учетом скорости их изменения за прошедший период эксплуатации

 

Был проведен расчет напряженно-деформированного состояния сечения корпуса колонной головки методом конечных элементов с учетом его фактических свойств при минимальной температуре эксплуатации tmin = -60ºC, по аналогии с расчетом ступицы фланца задвижки выполненном в разделе 3.5 (см. рис. 3.35). При этом в расчетной модели был учтен исходный дефект отливки на ступице фланца, обнаруженный при контроле.

В результате выполненного расчета определена максимальная расчетная деформация в вершине дефекта emax = 8,0% (см. табл. 4.3).

В соответствии с полученными результатами экспериментальных исследований (разд. 3.4) для выполняемого расчета коэффициент снижения пластических свойств поверхностного слоя принят – kp=0,5, как для необработанной поверхности с исходными дефектами отливки (недоливы, заливы, грубая шероховатость).

Как показано в таблице 4.3, с учетом значений относительного сужения при минимальной температуре эксплуатации tmin = -60ºC расчетная разрушающая деформация для гладкого образца по формуле (2) (разд. 2.3) составила – eк=20,2 %.

Значение разрушающей пластической деформации (критерий трещинообразования) при минимальной температуре эксплуатации tmin = -60ºC по формуле (1) (разд. 2.3) с учетом коэффициента снижения пластических свойств поверхностного слоя в вершине дефекта (kp=0,5) составило eL=10,1% (см. табл. 4.3).

Допустимый коэффициент интенсивности напряжений [KI] для минимальной температуры эксплуатации tmin с учетом критической температуры хрупкости (tк = -70ºC) определен согласно разделу 3.5 по ПНАЭ Г-7-002-86 [77] и составил – [KI] = 32 МПа∙м1/2 (см. табл. 4.3).

Допустимый размер трещины [L] с учетом его фактических свойств при минимальной температуре эксплуатации tmin = -60ºC, при котором расчетное значение коэффициента интенсивности напряжений соответствует допустимому (КI=[КI]), определен методом конечных элементов и составил [L]=14,0 мм (см. табл. 4.3).

Исходные значения параметров пластичности (ψk, δ) получены обработкой значений из сертификатных данных на элемент фонтанной арматуры и составили – ψk=62%, δ=48% (см. табл. 4.3).

Значение деформации трещинообразования при исходном значении относительного сужения (ψk=62%) для минимальной температуры эксплуатации tmin с учетом коэффициента снижения пластичности поверхностного слоя (kp=0,5) составило – eL0=17%  (см. табл. 4.3).

Результаты прогнозирования ресурса – τк по механизму растрескивания металла (рис. 2.5, разд. 2.3) с учетом определенных параметров пластичности проиллюстрированы на рисунке 4.26.

 

Рисунок 4.26 – Результаты расчетов прогнозируемого ресурса по механизму растрескивания металла – τк

 

Для прогнозирования ресурса по критерию исчерпания пластичности были учтены исходные и фактические параметры пластичности (δ, ψk, KC). При этом значение ударной вязкости при минимальной температуре tmin = -60ºC принято на основе экстраполяции сертификатных значений КV-45, с учетом скорости их изменения за прошедший период эксплуатации. Минимально допустимые значения параметров пластичности [Р] взяты из ГОСТ Р 51365 [32].

С учетом полученных результатов расчетов (табл. 4.3) и минимального значения прогнозируемого ресурса до начала растрескивания – 5,7 лет, срок эксплуатации рассматриваемой колонной головки до очередного диагностирования продлен на 4 года, при условии ежегодного проведения визуально-измерительного и магнитопорошкового контроля в зонах высоконагруженных конструктивных концентраторов напряжений, позволяющих выявлять трещины в металле с минимальным размером от 3,0 мм. В случае выявления трещин и других недопустимых дефектов колонная головка подлежит выбраковке и выводу из эксплуатации.

Аналогичные расчеты были выполнены для каждого из рассматриваемых совокупностей элементов фонтанных арматур, на основе которых определяются возможность, сроки и условия продления их эксплуатации. Для элементов, у которых ресурс был близок к исчерпанию, запланированы сроки их замены. В случае организации поэтапной замены элементов фонтанных арматур для подтверждения возможности продолжения эксплуатации остающихся элементов до их замены определены условия проведения неразрушающего и разрушающего контроля с разборкой заменяемых элементов фонтанных арматур. По результатам этих работ должны уточняться графики плановой замены остающихся в эксплуатации элементов фонтанных арматур.

Апробацией результатов выполненных исследований показана необходимость выполнения неразрушающего и разрушающего контроля с разборкой представителей элементов фонтанных арматур всех производителей и типов-размеров при их диагностировании, продления сроков эксплуатации и экспертизе промышленной безопасности.

Таким образом, по результатам применения разработок были выявлены и выведены из эксплуатации элементы фонтанных арматур с трещинами и, тем самым, предупреждены их потенциально-опасные хрупкие разрушения и повышена их безотказность, а также обоснованы сроки и условия продления эксплуатации по фактическому техническому состоянию элементов фонтанных арматур, имеющих требуемые запасы работоспособности, в соответствии с поставленной целью исследования.

Экономический эффект от внедрения разработок составил 34,2 млн. руб., который подтверждается актом о внедрении в ООО "Газпром добыча Уренгой".

 

Выводы.

1. Основываясь на результатах теоретического обоснования методов и алгоритмов прогнозирования работоспособности фонтанных арматур по механизмам снижения пластичности и растрескивания металла и результатах выполненных расчетно-экспериментальных исследований разработано программно-методическое обеспечение для практического применения этих методов. Выполнена апробация программно-методического обеспечения при диагностировании фонтанных арматур северных месторождений Западной Сибири.

2. По результатам выполненных исследований и разработок разработан стандарт организации – 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».

3. Разработанные методические принципы контроля технического состояния и прогнозирования ресурса фонтанных арматур отражены в положениях Р Газпром 2-3.3-732-2013 «Техническое диагностирование фонтанных арматур и оборудования устья скважин».

4. Для повышения производительности обработки данных результатов выборочного лабораторного неразрушающего и разрушающего контроля, контроля в полевых условиях, расчетов остаточного ресурса и снижения вероятности вычислительных ошибок разработано специализированное программное обеспечение для ПК в виде вычислительных блоков (модулей) в программах Microsoft Excel, MathCad, а также командные log-файлы (APDL) для расчетов пластических деформаций в стенке элементов фонтанных арматур с исходными концентраторами методом конечных элементов.

5. В результате апробации и внедрения разработок в производство при контроле в полевых условиях 422-х элементов фонтанных арматур UPETROM (21 МПа) на 31-й скважине Комсомольского месторождения из 239-ти проконтролированных задвижек на 21-й задвижке 16-ти скважин было выявлено 38 трещин корпусов. Из них 35 трещин на ступице (патрубке) фланца длиной 15 ¸ 502 мм и три трещины на тарелке фланца длиной 110 ¸ 178 мм. На 63-х скважинах Уренгойского и Ен-Яхинского месторождений из 446-ти элементов на 7-ми задвижках UPETROM на 21 МПа 4-х скважин выявлено 27 трещин. Из них 26 трещин на ступице (патрубке) фланца длиной 2 ¸ 170 мм и одна трещина в галтели сопряжения стакана корпуса и ступицы фланца длиной 60 мм. По результатам контроля все элементы фонтанных арматур с выявленными трещинами были оперативно выведены из эксплуатации и заменены.

6. Разработки применяются в газодобывающих предприятиях ОАО «Газпром», осуществляющих эксплуатацию северных нефтегазоконденсатных месторождений Западной Сибири, для проведения диагностирования, определения возможности, сроков и условий продолжения эксплуатации фонтанных арматур по фактическому техническому состоянию, планирования их ремонтов и замен.

7. Экономический эффект от внедрения разработок по состоянию на 2014 г. составил 34,2 млн. руб. за счет предупреждения хрупких разрушений фонтанных арматур и продолжения эксплуатации их элементов, сохранивших работоспособность и запас ресурса.