Эволюция качества задвижек фонтанных арматур

Размещено на http://www.allbest.ru/

Азербайджанский государственный университет нефти и промышленности

Эволюция качества задвижек фонтанных арматур

Габибов И.А

Актуальность работы

Перспективы дальнейшего развития нефтяной и газовой промышленности в основном связаны с освоением и вводом в эксплуатацию высокодебитных месторождений. В этой связи производство машиностроительными предприятиями более экономичного и долговечного оборудования, повышение уровня его качества и конкурентоспособности, а также дальнейшее совершенствование приобретает первостепенное значение.

- Методическая база исследований. Известно, что развитие технических систем подчиняется закону прогрессивной эволюции 1, 2, который отражает изменяя в объектах исследований, направленные на устранение недостатков, выявленных в процессе их эксплуатации.

Установлено, что несмотря на индивидуальные особенности, присущие различным техническим системам (ТС), закон прогрессивной эволюции, как правило, увязывается с анализом «жизненного цикла» ТС [1], согласно, которому в конечном итоге наступает период замедленного развития ТС, приводящий чаще всего к необходимости замены этой ТС более совершенной системой. К тому же изучение особенностей эволюции ТС позволяет выявить основные устойчивые факторы, влияющие на ее развитие, а также технические и технологические возможности перехода на следующую стадию развития ТС.

Закон прогрессивной эволюции, как правило, увязывается с анализом «жизненного цикла» ТС [2] и представляет собой последовательность следующих периодов ее развития: относительно медленного развития созданной ТС, обусловленного ее освоением; интенсивного развития ТС при высоких темпах роста критерия эффективности за счёт использования новых прогрессивных решений; замедленного развития ТС вследствие приближения критерия эффективности к своему предельному значению (рис.1).

Рис.1. Структура графической модели прогрессивной эволюции технических систем

Установлено [2], что далее данная ТС либо деградирует, сменяясь принципиально новой системой, либо продолжается ее использование при сохранении достигнутого системой значения критерия эффективности.

Часто ТС - детали, сборочные единицы и агрегаты, связанные некой общностью (прежде всего у которых с данной ТС одинаковые функции), в процессе эволюции проходят аналогичные стадии развития. Эти случаи относят к «параллельным линиям эволюции» [3], так как, зная на данный момент этап развития одной, как правило, более прогрессирующей из систем, можно с достаточной уверенностью прогнозировать эволюцию второй системы. Кроме того, при наличии обобщающих признаков, присущих отдельным ТС, результаты исследований можно распространить и на другие подобные ТС.

В этом отношении характерными объектами, для исследования эволюции их качества и конкурентоспособности, являются задвижки, применяемы в фонтанных арматурах при газлифтном и фонтанном способах эксплуатации скважин.

Полученные результаты и их обобщение. Современное наземное оборудование устья фонтанирующих нефтяных и газовых скважин - фонтанная арматура, представляет собой различные схемы соединения специальных деталей и узлов, предназначенных для герметизации устья, транспортирования продукции скважин в магистральные трубопроводы, регулирования режима эксплуатации и производства специальных работ [4].

На рис. 2 представлена тройниковая фонтанная арматура, с применяемая при двухрядной фонтанной колонне. Верхний тройник в ней связан с рабочей выкидной линией, нижний - с запасной; последняя используется только на короткий срок, при ремонте рабочего выкида.

Рис. 2. Тройниковая фонтанная арматура: крестовик; 2- тройник; 3- катушка.

Детали фонтанной арматуры работают в условиях высоких давлений, подвержены воздействию коррозионной, зачастую высоко агрессивной среды, с содержанием сероводорода (H2S) и углекислого газа (CO2), до 6% по объему каждого, и механических примесей до 25 мг/л.

В связи с этим к их безотказности, в особенности задвижек, предъявляются весьма высокие требования. Внезапные отказы (аварии), связанные с фонтанной арматурой нередко приводят к открытому фонтанированию, а также к выбросу труб и пожарам. Ликвидация таких аварий и их последствий, как правило, связаны с значительными материальными затратами [5].

Основным рабочим органом задвижек является узел затвора, предназначенный для надежного перекрытия проходного отверстия. В первоначальный период эволюции - относительно медленного развития конструкций фонтанных арматур, применялись клиновые задвижки, у которых запорным органом являлась пара клин-седло и уплотнение происходило под некоторым углом к осевой движения клина [6, 7].

Однако, в эксплуатации имели место частые отказы клиновых задвижек из-за нарушения герметичности затвора, так как в открытом их положении поток среды напрямую контактировал с поверхностью седла корпуса. Под действием имеющихся в среде механических примесей и сероводорода рабочие поверхности деталей затвора (в первую очередь седла задвижек) подвергались интенсивному гидроэрозионному, гидро- или газоабразивному износу, а также изнашиванию при заедании.

Из-за указанных недостатков ресурс задвижек был низок и колебался в значительных пределах. Так средний срок службы клиновых задвижек при фонтанной эксплуатации на 10 скважинах объединения «Азнефть» составил лишь от 20,2 до 47 суток [7].

В то же время, несмотря на указанные недостатки и деградацию данной ТС, производство клиновых задвижек фоннтанных арматур полностью не прекращено [8], что также соответствует закону прогрессивной эволюции (см. рис.1).

Исследованию работоспособности и причин отказов прямоточных задвижек фонтанных арматур посвящено значительное число работ. В относительно ранних работах [6, 7 и др.], исходя из воздействующих факторов: высокого давления и среды (нефть, вода, абразивные частицы), причиной нарушения герметичности считается абразивное изнашивание и коррозионное воздействие добываемой продукции.

По мнению авторов более поздних работ (например, [9]) наряду с коррозионно-механическим изнашиванием основной причиной отказов запорного узла прямоточных задвижек является адгезионное схватывание или заедание сопрягаемых деталей, как результат воздействия высоких контактных давлений и агрессивной среды. В особенности данный вывод касается сероводородсодержащих сред, применяемых материалов и их структуры.

Исследованиями же последних лет [10] доказано, что при существующих конструкциях задвижек с плоскопараллельным шибером, применяемых в фонтанных арматурах, часто имеет место разрушение контактных поверхностей деталей затвора в результате фреттинг-коррозии. При этом установлено, что на интенсивность изнашивания помимо других факторов ощутимое влияние оказывают наличие вибрации (из-за пульсации давления добываемой продукции), применяемые материалы, макро- и микрогеометрия уплотняющих поверхностей.

Указанные выше недостатки клиновых задвижек, при их применении в
фонтанных арматурах, явились причинами достижения их «жизненного
цикла» предельного значения и, как следствие, замены на прямоточные задвижки.

В свою очередь освоение принципиально новых ТС - прямоточных
задвижек, привело к интенсивному их прогрессу при высоких темпах
развития. При этом, в достаточно короткий срок эволюции, отмечается переход данной ТС от периода начального, медленного развития к периоду
интенсивного ее развития [4, 10].

Прямоточные задвижки, в сравнении с другими конструкциями запорных устройств, обладают рядом несомненных достоинств. Это простота конструкции, технологичность изготовления, относительно низкий крутящий момент на маховике.

В зависимости от эксплуатационных условий, конструкция современных арматур и их запорных устройств определяется уровнем рабочих давлений и диаметром проходного отверстия.

На рис. 3 приведена условная классификация прямоточных задвижек с плоскопараллельным затвором, охватывающая основные конструктивные их особенности [10].

Рис. 3. Классификация прямоточных задвижек с плоскопараллельной конструкцией узла затвора.

По перечисленным на рис. 3 типам прямоточных задвижек с плоско-параллельной конструкцией узла затвора необходимо отметить следующее, Пара «металл-металл» - один из наиболее распространенных типов уплотнения, при котором высокая степень герметичности подобного затвора достигается за счет качества обработки уплотняющих поверхностей.

При сочетании пары «металл-металл со смазкой», дополнительное повышение герметичности затвора достигается за счет нагнетания смазки в зону уплотняющей поверхности седел. При типе затвора «металл-упругий элемент» уплотнение происходит за счет эластичности упругого элемента.

Повышению эксплуатационных качеств, надежности и эффективности устьевого запорного оборудования посвящено значительное число работ, в том числе разработке новых конструкций арматур, отвечающих современным требованиям: обеспечивающих надежную работу устьевого оборудования при аномально высоких давлениях, а также при содержании сероводорода и углекислого газа.

Вместе с тем требуется дальнейшее повышение безотказности фонтанных арматур. В настоящее время большинство предприятий производят прямоточные задвижки с затворами типа «металл-металл», «металл-металл со смазкой» и «металл-упругий элемент» на рабочие давления 21,35 и 70 МПа.

При этом наибольшее применение в фонтанных арматурах получили прямоточные задвижки с уплотнением типа «металл-металл». На рис. 4 конструкции института АЗИНМАШ приведена прямоточная задвижка (ЗМ-65Ч21) с условным проходом 65 мм, на рабочее давление 21 МПа.

Отличительными особенностями данной задвижки являются штампосварной корпус; конструкция узла затвора с плоско-параллельным шибером и седлами, прижатыми к поверхностям шибера тарельчатыми пружинами; щитки, которые являются направляющими для шибера, с целью обеспечения совпадения его проходного отверстия с отверстиями седел при открытом состоянии задвижки.

Рис. 4. Прямоточная задвижка ЗМ-65х21 с затвором типа «металл-металл»: 1-корпус; 2-крышка корпуса; 3-уплотнительные манжеты; 4-ходовая гайка; 5- маховик; 6-кожух; 7-шпиндель; 8-крышка подшипников; 9-шариковый клапан; 10-щитки; 11-тарельчатая пружина; 12-шибер; 13-седло.

В соответствии с приведенной выше классификацией, применяются также задвижки, в которых уплотнение затвора «металл-металл» осуществляется расклинивающимся шибером (рис. 5).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5. Расклинивающийся шибер прямоточной задвижки. 1-корпус; 2-ведомая плашка; 3-ведущая плашка; 4-седло.

Шибер задвижек этого типа состоит из двух плашек 2 и 3, собранных и прижатых друг к другу при помощи двух специальных дугообразных пружин. Плашка 3 является ведущей, а плашка 2 - ведомой. При перемещениях шибера, когда ведомая плашка 2 упирается в торец крышки корпуса задвижки 1, ведущая плашка затвора 3 продолжает движение вверх до тех пор, пока плашки не расклинятся между седлами 4 и проходное отверстие задвижки не окажется перекрытым.

Значительное применение получили прямоточные задвижки с автоматической подачей смазки из резервуара на поверхности пары шибер- уплотнительные-седла; а также в кольцевые канавки седел, предусмотренные для уплотнения с корпусом задвижки [10].

При появлении утечек среды со стороны входа (в закрытом состоянии затвора) давление внутри корпуса задвижки возрастает, что и приводит к выдавливанию уплотнительной смазки. При этом наличие смазки между уплотняющими поверхностями шибера и седел снижает также крутящий момент на маховике при управлении задвижкой.

Подобная прямоточная задвижка (М8-65х35-2f) с принудительной подачей смазки, на рабочее давление 35 МПа, разработанная институтом АзИНМАШ, выпускалась, заводами нефтепромыслового машиностроения концерна «Азнефтхиммаш».

Определенный интерес в части эволюции конструкций представляют задвижки ряда зарубежных фирм.

Оригинальная конструкция узла затвора задвижки разработана фирмой «Cameron» [10]. На боковой поверхности проворачивающихся относительно оси седел задвижки имеются специальные зубья, входящие в зацепление с сухариками на шибере, Каждый раз, при движении шибера, седла проворачиваются сухариками на некоторый угол. Этим достигается равномерный износ седел; уменьшается вероятность пропуска среды и, соответственно, продлевается срок службы задвижки в целом.

Интерес представляет также затвор задвижек «Super Madwonder» фирмы «McEvoy», который выполнен по типу уплотнения «метал-упругий элемент». На уплотнительных поверхностях седел данной задвижки имеются кольцевые канавки, в которые запрессовываются уплотнительные кольца из упругой синтетической резины «Вайтон» или «Буна-N» [10].

Важное значение имеют также применяемые для изготовления деталей затвора задвижек материалы и методы упрочнения рабочих поверхностей шибера и седел. месторождение тройниковый фонтанный арматура

Обзор и анализ литературы показывает, что зарубежные фирмы для изготовления деталей узла затвора задвижек применяют различные марки сталей и способы упрочнения уплотняющих поверхностей [11]. Так, фирмой «McEvoy», для изготовления шибера задвижек, в зависимости от условий эксплуатации, применяется легированная сталь с никелированием или нержавеющая сталь. Фирмой «FMC» для изготовления седел задвижек применяется низколегированная сталь марки 4130 (аналог сталь З0ХМ) с азотированием уплотняющей поверхности, а также легированная сталь марки 410SS (сталь 12X13) с цементацией и закалкой рабочей поверхности седел. Для изготовления шибера задвижек используется сталь 4130 с азотированием поверхности деталей. Фирма «IKS» при изготовлении деталей узла затвора использует сталь марки АSТМА-331 (сталь 40ХНМ) с хромированием или покрытием HF-7 (дисульфидом молибдена).

Отечественными машиностроительными предприятиями при производстве деталей запорного узла задвижек применяется в основном сталь 38Х2МЮА с азотацией, с объемной закалкой и отпуском; сталь 40Х с химическим никелированием, а также стали 20X13 и 30X13 с поверхностной закалкой ТВЧ. Применяется также дисульфид-молибденовое покрытие, позволяющее уменьшить коэффициент трения до 1,5 раз [4].

Заметное повышение ресурса запорного узла задвижек фонтанных арматур достигнуто применением процесса плакирования уплотнительных поверхностей элементов затвора износостойкими высоколегированными покрытиями [12]. Разработанные технологические процессы плакирования порошком СНГН-50 и последующей механической обработки позволяют как изготавливать, так и восстанавливать запорные элементы прямоточных задвижек с плоскопараллельным узлом затвора всех типоразмеров. Высокое содержание никеля, хрома и бора, а также содержание углерода до 0,5...0,7% обеспечивает высокую коррозионную стойкость и противозадирные свойства плакированного слоя.

При испытаниях шибера и седел, с нанесенным на рабочие поверхности методом плакирования износостойким покрытием, была отмечена достаточно высокая износостойкость плакированного слоя в условиях вибрации узла затвора задвижек, вызываемых пульсациями давления [12].

Имеется также опыт восстановления работоспособности деталей фонтанных арматур импортного производств, эксплуатируемых на Астраханском месторождении, путём нанесения на детали защитного покрытия WC/CO/ Cr методом газотермического напыления по технологии HVOF [13].

Важное значение имеют также исследования, связанные с диагностикой технического состояния арматуры.

Наибольший интерес при этом представляет работа 16, в которой приводятся как состав и результаты технического диагностирования фонтанной арматуры, так и проведенной на ее основе технической экспертизы промышленной безопасности оборудования. При этом отмечается, что своевременное устранение обнаруженных дефектов арматуры позволило избежать аварийных ситуаций.

Интерес представляют также результаты диагностирования фонтанных арматур в условиях эксплуатации на газовых месторождениях 17, 18. В частности, по результатам диагностирования были выявлены тещины металла на корпусах задвижек, которые оперативно были выведены из эксплуатации 18.

Обобщение полученных результатов. Как было выше отмечено, одним из основных недостатков применяемых прямоточных задвижек является изнашивание деталей затвора при фреттинг-коррозии из-за вибраций, вызванных пульсациями давления среды. При этом основной причиной, приводящей к преждевременным отказам задвижек, является малая площадь контакта пары шибер-седло.

Исходя из отмеченного разработаны конструкции прямоточных задвижек с увеличенной площадью сопряжения пары шибер-седло.

Новизна конструкции затвора задвижки, представленного на рис. 6а, заключается в том, что седла затвора имеют увеличенную площадь сопряжения с шибером [10]. При этом увеличение площади сопряжения позволяет уменьшить не только контактные давления, но и относительные колебания элементов затвора, приводящие к возникновению и развитию фреттинг-коррозионных процессов.

Одновременно с этим, новые конструкции седла специально предусмотренными буртами (рис.6а) охватывают шибер по ширине, ограничивая смещение ее в поперечном направлении и тем самым исключая необходимость применения направляющих щитков.

.

Рис. 6. Детали затворы в задвижки с направляющими буртами (а) и с дугообразными уплотняющими поверхностями седел и шибера (д).

Вторая из предлагаемых конструкций прямоточных задвижек высокого давления (рис. 6 б) отличается тем, что седла и шибер затвора выполнены с соответствующими эллипсными поверхностями, что также обеспечивает увеличение площади сопрягаемых поверхностей пары шибер-седло [10].

Новизна данных конструкций заключается в том, что при неизменных габаритных размерах элементов затвора в поперечном направлении, шибер и седла имеют увеличенную сопрягаемую поверхность, что уменьшает относительные смещения и колебания элементов затвора. Тем самым также исключается возникновение и развитие фреттинг-коррозионного процесса.

Промысловые испытания прямоточной задвижки с седлами, имеющими направляющие бурты и увеличенную контактную площадь сопряжения с шибером, показали повышение ее срока службы более чем в 1,2 раза [10].

Отмеченное выше и результаты испытаний указывают на то, что в рамках закона прогрессивной эволюции технических систем (ТС) жизненный цикл рассматриваемой ТС соответствует периоду интенсивного ее развития при достаточно высоких темпах роста критерия эффективности. Это указывает на возможности дальнейшего развития данной ТС с использование новых конструкторско-технологических решений.

В этой связи необходимо отметить созданную конструкцию задвижки (рис.7) с коренным образом измененным узлом затвора в виде цилиндрического разрезного шибера и соответствующего седла [14].

Рис.7.Прямоточная задвижка высокого давления с цилиндрическим разрезным шибером (А).

Новизна данного изобретения заключается в том, что седло задвижки имеет увеличенную площадь сопряжения с шибером, что позволяет уменьшись контактные давления, а также относительные колебания элементов затвора, приводящие к возникновению и развитию фреггинг-коррозионных процессов.

Высокая герметизирующая способность задвижки достигается путем хонингования посадочных и уплотнительных поверхностей деталей затвора.

Наряду с отмеченным выше, заслуживают также внимания отдельные патенты и опубликованные работы, связанные с обеспечением определенных эксплуатационных характеристик фонтанных арматур.

В частности, предложена конструкция задвижки фонтанной арматуры 15 для скважин, при эксплуатации которых возможны «гидравлические удары»-отдельные кратковременные повышения давления среды.

Процесс эволюции затронул также и другие элементы фонтанных арматур. Так, при наличии песка в добываемой продукции, из-за значительного износа, частой замене подвергались штуцеры, устанавливаемые на отводных линиях фонтанных арматур для поддержания требуемого дебита скважины. Проблема решена заменой штуцеров на регулируемые дроссели [4]. При этом необходимое повышение износостойкости деталей дросселя обеспечено применением твердых сплавов и керамики.

Полученные результаты и их обобщение. Таким образом, на основе проведенных исследований, с использованием положений закона прогрессивной эволюции технических систем (ТС), произведен анализ жизненного цикла» ТС - задвижек высокого давления фонтанных арматур.

Показано, что период относительно медленного развития ТС (клиновые задвижки) завершился значительными изменениями конструкции ТС (шиберные задвижки) и переходом их в период интенсивного развития, который успешно продолжается.

В целом проведенные исследования эволюции технических систем - задвижек фонтанных арматур, позволили выявить основные устойчивые факторы, влияющие на их работоспособность. Показано, что на данном этапе развития рассматриваемых технических систем наиболее эффективными являются прямоточные задвижки с плоскопараллельной конструкцией затвора. Целесообразным в перспективе является также дальнейшая модернизация прямоточных задвижек с увеличением контактной поверхности затвора и ограничением смещений шибера в поперечном направлении.

Литература

1. Саламатов Ю.П. Система законов развития техники (Основы теории развития технических систем). Изд. 2-е испр. и доп. Красноярск, Institute of Innovative Design, 1996, 136 с.

2. Фейгенсон Н.Б. S-кривая некоторые особенности третьего этапа развития систем// Журнал ТРИЗ, 205, №1 (14). С. 55-59.

3. Litvin S., Gersman M. Parellel Evolutionary Lines Application for Technology Forecast //Mетоды прогнозирования на основе ТРИЗ. Сб.науч.тр. «Библиотека Саммита разработчиков ТРИЗ». Вып.3.Спб.:2010. 280с.

4. Бабаев С.Г., Кершенбаум В.Я., Габибом И.А. Эволюция качества трибосопяжений нефте газовой техники. М.: Национальный Институт Нефти и Газа, 2018. 516с.

5. Асфандияров Х.А., Максутов Р.А. Нефтегазопроявления и открытие фонтаны пи эксплуатации скважин. М.:Недра, 1986. 232с.

6. Бабаев С.Г., Зильбер Л.И. Повышение долговечности фонтанной арматуры. Тематический научно-технический обзор. М.: ВНИИОЭНГ, 1970. 72с.

7. Гурбанов А.Г., Ахмедов Б.М. Оценка надежности фонтанной арматуры. Тематический научно-технический обзор. М.: ЦИНТИхимнефтмаш, 1970. 45с.

8. Калинин Е.И. «Арматурный завод» освоил клиновые задвижки. «Вестник арматуростроения», 2012, №5(33) (электронная версия, г.Бариаул).

9. Бабаев С.Г., Фаталиев Н.С., Мамедов Д.А. Влияние коррозионной среды на износостойкость пар трения. «Трение и износ». 1991, Т.12, №5. С. 938-939.

10. Бабаев С.Г., Керимов В.И. Износостойкость затвора задвижек с уплотнением типа «металл-металл». Saarbrьcken, Deutschland, LAP LAMBERT Academic Pablisching, 2015. 101c.

11. Кахраманов Х.Т., Подшибякина А.Л. Коррозионная стойкость сталей нефтепромысловой арматуры. М.: Химическое и нефтяное машиностроение, 1982, №2. С.23-24.

12. Бабабев С.Г., Абасов В.А., Гафаров В.В. и др. Исследование стойкости уплотнительных поверхностей узлов затвора задвижек фонтанных арматур в условиях пульсаций давлений. Ученые записки НИИ «Геотехнологические проблемы нефти, газа и химия». Том V. Баку: Эль, 2004. С.194-202.

13. Ерехинский Б.А., Калачихин П.А. Опыт восстановления работоспособности фонтанной арматуры на Астраханском газоконденсатном месторождении. М.: «Территория НЕФТЕГАЗ», 2019, №6. С.48-50.

14. Алиев М.М., Асмалов А.Г., Давудов Р.Р. Диагностика технического состояния и экспертиза промышленной безопасности фонтанной арматуры и колонных головок. Уфа: Вестник молодого ученого УГНТУ «Промышленная безопасность», 2015, №4. С. 32-35.

15. Егурцов С.А., Скрынник Т.В., Иванов Ю.В. и др. Инновационные течнологии оценки эксплуатационной безопасности фонтанных арматур ОАО «Арктикгаз», М.: «Территория нефтегаза», 2016, №4. С. 65-67.

16. Ерехинский Б.А., Шустов Н.И. и др. Растрескивание металла корпусов задвижек фонтанной арматуры газодобывающих скважин северных местрождений. М.: «Территория нефтегаз», 2014, №2. С.31-35.

17. Патент Азербайджанской Республики Э 2006 0150. Прямоточная задвижка высокого давления / С.Г.Бабаев, В.И.Керимов, Х.Ф.Гочуев// Гос. Регистрация: 25.12.2006.

Размещено на Allbest.ru