Методи й засоби контролю різьбових з’єднань трубних колон

Размещено на http://www.allbest.ru/

Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

05.11.13 - Прилади і методи контролю та визначення складу речовин

Методи й засоби контролю різьбових з'єднань трубних колон

Кійко Людмила Миколаївна

Івано-Франківськ - 2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Івано-Франківському національному технічному університеті нафти і газу Міністерства освіти і науки України та в науково-виробничій фірмі “Зонд” (м. Івано-Франківськ)

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Карпаш Олег Михайлович, Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Заміховський Леонід Михайлович, Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, завідувач кафедри автоматизованого управління

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Учанін Валентин Миколайович, Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України (м. Львів), завідувач відділу

Провідна установа: Інститут електрозварювання ім. Б.Є. Патона НАН України, м. Київ

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат технічних наук, доцент Дранчук М.М.

Анотація

різьбовий конструкція трубний колона

Кійко Л.М. Методи й засоби контролю різьбових з'єднань трубних колон. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.13 - Прилади і методи контролю та визначення складу речовин. - Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, м. Івано-Франківськ, 2002.

Дисертація присвячена питанню контролю якості різьбових з'єднань бурильних, обсадних і насосно-компресорних колон, яке вирішується з урахуванням вимог ДСТУ ISO серії 9000: на єдиній системній основі розроблені методи, технічні засоби та нормативні документи, які сприяють попередженню відмов завдяки своєчасному виявленню неякісних з'єднань. Розроблена класифікація за конструктивними й функціональними ознаками дозволяє будь-яке різьбове з'єднання представити як комбінацію типових елементів, для контролю яких розроблені типові методики й застосоване їх агрегатування. Одержані аналітичні вирази для розрахунку основних параметрів способів акустичного контролю всіх типорозмірів з'єднань, що, зокрема, вперше уможливило контроль ніпельної частини згвинченого замкового з'єднання. Дослідження процесів, що відбуваються в зоні спряження під час згвинчування, виявило граничні умови для амплітудного методу акустичного контролю. Розроблені нормативні документи, що регламентують вимоги до проведення контролю та пов'язані з ним процедури. Всі розробки впроваджені.

Ключові слова: трубні колони, різьбові з'єднання, контроль, якість згвинчування, класифікація, регламентація вимог.

Аннотация

Кийко Л.Н. Методы и средства контроля резьбовых соединений трубных колонн. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.13 - Приборы и методы контроля и определения состава веществ. - Ивано-Франковский национальный технический университет нефти и газа, г. Ивано-Франковск, 2002.

Диссертация посвящена вопросу контроля качества резьбовых соединений бурильных, обсадных и насосно-компрессорных колонн, который решается на основе требований стандартов ISO серии 9000. В развитие этих требований на единой системной основе разработаны методы, технические средства и нормативные документы для контроля качества резьбовых соединений трубных колон. Использование всего комплекса средств создает условия для предупреждения отказов благодаря своевременному выявлению дефектных или некачественно свинченных резьбовых соединений. Резьбовые соединения являются наиболее уязвимыми в плане возможных отказов, потому их конструкции постоянно совершенствуются. Но конструктивное усовершенствование эффективно только при обеспечении надлежащего качества свинчивания соединения.

В связи с этим, учитывая большое разнообразие применяемых типов резьбовых соединений, была разработана система их классификации по конструктивным и функциональным признакам с точки зрения неразрушающего контроля. Эта система дает возможность представить любое резьбовое соединение как комбинацию типовых элементов. Для этих элементов, исходя из их конструктивных особенностей и назначения, разрабатываются типовые агрегатируемые методики контроля, благодаря чему значительно упрощается контроль новых типов соединений. Для более строгой классификации введено понятие “уплотнение типа “металл - металл”. В процессе исследований определен комплекс параметров, характеризующих качественное состояние трубной колоны на любом этапе ее жизненного цикла.

Получены аналитические выражения, позволяющие определять основные параметры способов акустического контроля методами прошедшего и отраженного излучения для всех типоразмеров резьбовых соединений расчетным путем. Эти выражения учитывают геометрические характеристики соединения, а также местонахождение и ориентацию поверхности отражения (дефекта, грани витка резьбы, дополнительного уплотнения). Впервые получено аналитическое выражение для эхо-зеркального способа акустического контроля замковых соединений, что тоже впервые дало возможность контролировать ниппельную часть свинченного соединения утяжеленых бурильных труб (иные способы в этом случае неприемлемы вследствие затухания ультразвуковых колебаний в толще стенки трубы).

Исследование процессов, происходящих в зоне сопряжения во время свинчивания, позволило определить пределы применения амплитудного метода акустического контроля и обосновать возможность выявления дефектов в резьбовой части соединений на основе перераспределения напряжений в зоне торцового уплотнения типа “металл - металл”.

Теоретические результаты подтверждены экспериментальными данными, полученными в процессе исследований на экспериментальных и натурных образцах. На этой основе разработаны способы контроля качества диаметральных и торцовых уплотнений типа “металл - металл” свинченных резьбовых соединений, в т.ч. замковых, и технические средств для реализации этих способов. Эти разработки вошли в состав комплексной установки УНКТ-1 и передвижной лаборатории ПЛНК-2, положены в основу специальных установок для контроля качества (дефектоскопии в свинченном состоянии и торцового уплотнения - усилия затяжки) утяжеленых бурильных труб ОБТ-1 и УДР-1, для контроля качества дополнительных уплотнений типа “металл - металл” обсадных (“Контакт-1”, торцовое уплотнение) и бурильных (“Контакт-2”, диаметральное уплотнение) труб. Эти средства внедрены и эффективно эксплуатируются в Долинском, Бориславском, Ахтырском, Полтавском и Стрийском управлениях буровых работ, в Шебелинском управлении технологического транспорта, на Бориславской и Новоуренгойской базах производственного обслуживания, в ПО “Уренгойгазпром”.

В результате выполнения работы определены требования к разработке технических условий на проведение неразрушающего контроля объектов нефтегазового комплекса, а также разработан ряд нормативных документов (отраслевые стандарты, технические условия), регламентирующих требования к проведению контроля и связанным с ним процедурам. Стандарты используются большинством нефтегазодобывающих предприятий Украины, технические условия - научно-производственной фирмой “Зонд” и функционирующим при ней аттестационным центром.

Ключевые слова: трубные колонны, резьбовые соединения, контроль, качество свинчивания, классификация, регламентация требований.

Abstracts

Kiyko L.M. Methods and means of non-destructive testing of threaded joints of strings. - Manuscript.

Thesis for obtaining of the scientific degree of Candidate of Engineering Sciences by speciality 05.11.13 - Methods & Devices of Control and Definition of Contens of Matters. - Ivano-Frankivsk State Technical University of Oil & Gas, Ivano-Frankivsk, 2001.

The dissertation is devoted to a question of non-destructive testing of threaded joints of drill pipe, casing & production strings. It's solved in view of the requirements ISO 9000: on a uniform system basis the methods, means and specification are developed, which introduction enables to warn a refusal due to duly revealing defective or poor screwed together threaded joints. The classification of threaded joints to constructive and functional attributes allows to present such of them as a combination of typical elements, which are testing by the typical ganged technique. The analytical expressions parameters of testing for all standard sizes threaded joints are received & for the first time has enabled to test a nipple of the screwed together joints of boring pipes. Research of processes of adjoins during the treading has allowed to determine limits of a peak method. A number of the specifications for testing and it's procedures is developed. All development are introduced and effectively used.

Key words: strings, threaded joints, non-destructive testing, quality of threading, classification, regulation of the requirements.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Потреби України в енергоносіях майже на 60 % задовольняються завдяки нафтогазовій галузі, і подальший її розвиток передбачає збiльшення кiлькостi нафтових i газових свердловин при одночасному покращенні техніко-економічних показників їх проводки та експлуатації. Одним з ефективних напрямків вирішення цих завдань є підвищення ефективності використання трубних колон, вартість яких складає майже половину вартостi свердловини. Існує два основних підходи до розв'язку цiєї проблеми: перший - забезпечення якості трубних колон через вдосконалення їх конструкцій та технологій експлуатації, і другий - систематичний контроль якості трубних колон неруйнiвними методами з метою своєчасного виявлення й вилучення з експлуатації дефектних елементів.

Об'єктом вдосконалення трубних колон переважно є різьбові з'єднання, бо саме вони, незважаючи на всі запобіжні заходи, є причиною більш як 50% відмов. Але конструктивні вдосконалення зменшують ймовірність поломок тільки за умови забезпечення належної якості (міцності і герметичності) з'єднань, яка досягається завдяки створенню в спряженні певного рівня напружень і деформацій, передбаченого розрахунками або нормативними документами. Отже, незважаючи на конструктивне вдосконалення, різьбові з'єднання все одно повинні піддаватись контролю. Раніше основною невирішеною проблемою в цьому напрямку вважалась оцінка якості з'єднань після їх згвинчування та в процесі експлуатації, зараз вона додатково ускладнена різноманітністю вдосконалених конструкцій різьбових з'єднань, що викликає необхідність розробки технологій контролю для кожної з них.

Огляд сучасних технічних засобів і технологій контролю якості трубних колон показує, що, не дивлячись на широке використання в нафтогазовій галузі методів неруйнівного контролю, питання дефектоскопії різьбових частин (особливо для обважнених бурильних труб) та контролю якості різьбових з'єднань (зокрема, для більшості вдосконалених конструкцій) залишається невирішеним. Зважаючи на те, що вартість ліквідації відмови може сягати 40 % вартості свердловини, задача розробки й впровадження методів та засобів контролю якості різьбових з'єднань трубних колон, в тому числі нових конструкцій, є актуальною. Вирішення цієї задачі сприятиме попередженню відмов і зменшенню питомих витрат на спорудження та експлуатацію свердловин, що надзвичайно важливо для економіки України.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами теж свідчить про її актуальність. Дисертаційна робота виконувалась у відповідності:

- з Державними науково-технічними програмами з пріоритетних напрямів розвитку науки і техніки (1993 р. - завдання 05.53.01/001-93 “Розробка, виготовлення та впровадження технічних засобів і технологій неруйнівного контролю і технічної діагностики бурильних, обсадних та насосно-компресорних труб, бурового обладнання і нафтогазопроводів безпосередньо в процесі експлуатації”, 1997 р. - завдання 04.03/01435-2/471-97 “Розробка технічних засобів і технологій оцінки фактичного технічного стану нафтогазового обладнання та інструменту”);

- з галузевою науково-технічною програмою Держнафтогазпрому України “Створення, освоєння випуску та впровадження у виробництво комплексу технічних засобів і технологій неруйнівного контролю та технічної діагностики трубних колон, бурового та нафтогазопромислового обладнання та інструменту. Організаційне, технічне, методичне та кадрове забезпечення” на 1997-2001 рр.

Окремі роботи виконувались за планом науково-дослідних робіт Держнафтогазпрому України (1994 р. - п. 4.18 “Розробка малогабаритної переносної установки для дефектоскопії різьбових з'єднань обважнених бурильних труб в зібраному стані”, п. 4.21 “Розробка, виготовлення та впровадження пересувної лабораторії неруйнівного контролю бурильного інструменту та бурового обладнання в польових умовах”, п. 4.22 “Розробка Положення про службу неруйнівного контролю в нафтогазовій галузі”, 1995-96 рр. - п. 5.20 “Розробка керівного нормативного документа “Інструкція по проведенню неруйнівного контролю труб нафтового сортаменту”), а також за договорами з ВАТ “Укрнафта” та АТ “Укргазпром”.

Всі вищевказані роботи виконувались за безпосередньою участю автора, в т.ч. як відповідального виконавця.

Мета роботи полягає в розробці методів, технічних засобів та технологій контролю якості різьбових з'єднань трубних колон.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

проаналізувати конструкції різьбових з'єднань трубних колон з точки зору можливостей їх неруйнівного контролю та встановлення й систематизації класифікаційних (конструктивних та функціональних) ознак, що визначають їх якість;

визначити взаємозв'язки між параметрами, що характеризують якість різьбових з'єднань, та інформативними сигналами, за якими оцінюються ці параметри;

встановити закономірності поширення ультразвукових коливань (УЗК) в різьбових частинах труб, в тому числі обважнених, для розробки способів їх контролю;

провести теоретичні та експериментальні дослідження і розробити нові та вдосконалити існуючі способи контролю якості додаткових діаметральних і торцевих ущільнень типу “метал - метал” різьбових, в т.ч. замкових, з'єднань трубних колон;

провести теоретичні та експериментальні дослідження і розробити способи контролю якості (дефектоскопії) згвинчених замкових різьбових з'єднань обважнених бурильних труб;

дослідити можливість використання принципу агрегатування методик контролю типових елементів різьбових з'єднань і здійснити його апробацію;

розробити й впровадити технічні засоби та технології для реалізації розроблених способів контролю якості різьбових з'єднань та необхідне для їх ефективного використання нормативне забезпечення.

Об'єктом дослідження є працездатність різьбових з'єднань трубних колон, які використовуються в процесі проводки та експлуатації нафтогазових свердловин.

Предметом дослідження є методи та засоби неруйнівного контролю параметрів, які визначають якість різьбових з'єднань трубних колон.

Методи дослідження. Встановлення взаємозв'язків між показниками, які характеризують якість різьбових з'єднань, і інформативними сигналами здійснювалось за допомогою методів теорії коливань. Для встановлення залежностей між геометричними характеристиками різьбових частин та параметрами способів їх акустичного контролю використовувались методи променевої акустики. Дослідження процесів, що відбуваються в зоні спряження елементів різьбових з'єднань під час згвинчування, проведені з метою класифікації існуючих типів різьбових з'єднань за функціональними ознаками, ґрунтуються на методах опору матеріалів та теорії руйнувань. Під час проведення експериментальних досліджень та обробки їх результатів застосовувались методи раціонального планування, теорії ймовірності та прикладної статистики. Визначення класифікаційних ознак різьбових з'єднань та агрегатування методик контролю здійснювалось на підставі методів теорії подібності. Розробка технічних засобів здійснювалась з використанням методів схемо- та системотехніки.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:

- вперше одержані узагальнені аналітичні залежності між геометричними характеристиками конічного з'єднання (товщиною стінки, конусністю, місцезнаходженням та орієнтацією очікуваної поверхні відбиття) та параметрами способів акустичного контролю (кутом вводу УЗК, віддалями між точками їх вводу, відбиття та приймання), що дає можливість розробляти методики контролю якості різьбових з'єднань різних типорозмірів методами відбитого та прониклого випромінювання без традиційних графічних побудов;

- вперше одержана аналітична залежність між геометричними характеристиками (радіусами, висотою упорного виступу) замкового різьбового з'єднання обважнених бурильних труб, глибиною залягання дефекту в різьбі ніпельної частини та параметрами способу акустичного контролю (кутом вводу ультразвукових коливань, віддаллю між точками вводу п'єзоперетворювачів, відстанню від точок вводу п'єзоперетворювачів до краю упорного виступу), що вперше дозволило здійснювати контроль замкових різьбових з'єднань обважнених бурильних труб всіх типорозмірів в згвинченому стані;

- вперше теоретично обґрунтована з точки зору неруйнівного контролю система класифікації різьбових з'єднань трубних колон за конструктивними й функціональними ознаками, що створює умови для розробки й використання типових методик контролю елементів певної конструкції і призначення.

Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці і впровадженні:

- технічних засобів та технологій для акустичного контролю замкових різьбових з'єднань обважнених бурильних труб всіх типорозмірів, що суттєво зменшило непродуктивні витрати часу на проведення контролю в процесі спуско-підіймальних операцій та підвищило безпеку виконання робіт;

- технічних засобів та технологій, що базуються на використанні розроблених способів акустичного контролю діаметральних і торцевих ущільнень типу “метал - метал”, що дозволило оцінювати якість різьбових з'єднань по закінченні процесу згвинчування і тим самим забезпечувати їх ефективне функціонування;

- агрегатування методик, що дозволило перейти до використання типових методик для контролю конструктивно ідентичних елементів однакового функціонального призначення і зменшило кількість зразків для настроювання апаратури;

- регламентації вимог до неруйнівного контролю та пов'язаних з ним процедур, завдяки чому підвищується якість контролю та створюються умови для виключення непрофесійних послуг в цій галузі.

Одержані під час досліджень результати використані в галузевих стандартах ГСТУ 320.02829777.002-95 “Інструкція по проведенню неруйнівного контролю труб нафтового сортаменту в процесі їх експлуатації” та ГСТУ 320.02829777.001-95 “Положення про службу неруйнівного контролю в нафтовій і газовій галузях”. Розроблені за безпосередньою участю автора способи контролю й технічні засоби реалізовані в комплексній установці УНКТ-1, пересувній лабораторії неруйнівного контролю ПЛНК-2, спеціальних установках для контролю різьбових з'єднань УДР-1, ОБТ-1,“Контакт-1”, “Контакт-2М”. Ці засоби й технології експлуатуються в Долинському, Бориславському, Охтирському, Полтавському та Стрийському УБР, в Шебелинському УТТ, Бориславській та Новоуренгойській БВО, у ВО “Уренгойгазпром”. Галузеві стандарти впроваджені в більшості нафтогазовидобувних підприємств України, технічні умови на надання послуг з неруйнівного контролю та атестації фахівців - в НВФ “Зонд” та функціонуючому при ній атестаційному центрі.

Особистий внесок здобувача. Основні положення та результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. Особисто автором:

- одержані аналітичні залежності для розрахунку параметрів способів акустичного контролю конічних з'єднань та їх додаткових ущільнень типу “метал - метал” при використанні методів прониклого та відбитого випромінювання [1];

- одержані аналітичні залежності для розрахунку параметрів способу акустичного контролю, в т.ч. з метою виявлення втомних тріщин, замкового різьбового з'єднання обважнених бурильних труб в згвинченому стані [2];

- визначений перелік показників для комплексної оцінки технічного стану трубної колони [3];

- досліджені фізичні процеси, що відбуваються в зоні спряження під час згвинчування, з точки зору можливостей неруйнівного контролю якості з'єднань [4];

- розроблені способи акустичного контролю діаметральних та торцевих ущільнень типу “метал-метал” [5, 6];

- обґрунтована й здійснена класифікація різьбових з'єднань труб нафтового сортаменту за конструктивними та функціональними ознаками з точки зору можливостей їх неруйнівного контролю [6];

- запропоноване і реалізоване агрегатування методик контролю [6];

- сформульовані основні вимоги до забезпечення якості неруйнівного контролю згідно з вимогами стандартів серії ДСТУ ISO 9000 [7].

В співавторстві розроблені спосіб дефектоскопії згвинченого замкового з'єднання [8], пристрій для ультразвукового контролю різьбових з'єднань труб [9] та галузевий стандарт, спрямований на регламентацію процедур і забезпечення якості самого неруйнівного контролю [10].

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи були оприлюднені на І та ІІ Українських конференціях “Неруйнівний контроль та технічна діагностика” (Дніпропетровськ, 1994, 1997), на XV та XVII Петербурзьких конференціях “Ультразвукова дефектоскопія металоконструкцій” (1995, 2001), на Міжнародних науково-технічних конференціях “Сучасні прилади, матеріали і технології неруйнівного контролю і технічної діагностики промислового обладнання” (Івано-Франківськ, 1996, 1999), на науково-технічній конференції (1997) професорсько-викладацького складу Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу (ІФНТУНГ), на Міжнародній конференції з проблем неруйнівного контролю (Рим, 2000), на науково-практичному семінарі “Розроблення, впровадження і сертифікація систем якості: актуальні проблеми та шляхи їх вирішення” (Львів, 2000), на Міжнародній науково-технічній конференції “Надійність машин та прогнозування їх ресурсу” (Івано-Франківськ, 2000), на конференції з міжнародною участю “Леотест-2001” (м. Славськ), а також доповідались і обговорювались на наукових семінарах кафедри “Методи та прилади контролю і визначення складу речовин” ІФНТУНГ протягом 1997 - 2001 рр.

Публікації. Матеріали дисертаційної роботи повністю висвітлені у 23 друкованих працях автора, серед яких 3 галузевих стандарти; 3 статті, в т.ч. одна одноосібна, у фахових виданнях - “Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ”, “Методи та прилади контролю якості”, “Техническая диагностика и неразрушающий контроль”; 3 винаходи з експертизою по суті й 2 патенти-аналоги; 12 доповідей та тез доповідей на науково-технічних конференціях і семінарах.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел з 201 найменування та 6 додатків на 52 сторінках. Текст дисертації викладений на 157 сторінках і включає 36 рисунків на 22 сторінках та 13 таблиць на 12 сторінках.

2. Основний зміст роботи

У вступі показано актуальність теми дисертації, її зв'язок з державними і галузевими науково-технічними програмами, з планами науково-дослідних робіт нафтогазової галузі; сформульовано мету та визначено задачі дослідження; висвітлено наукову новизну і практичне значення одержаних результатів, подано відомості про особистий внесок здобувача та апробацію результатів роботи.

В першому розділі проаналізовані причини аварійності і встановлено, що для всіх типів трубних колон найбільш вразливими з точки зору відмов є різьбові з'єднання, в тому числі нових конструкцій. З ними пов'язано до 50 % відмов бурильних (з них третина припадає на замкові з'єднання) та понад 55% відмов обсадних і насосно-компресорних колон. Головною причиною відмов різьбових з'єднань є неналежна якість згвинчування.

Одним з найефективніших шляхів попередження відмов є своєчасне виявлення неруйнівними методами та вилучення зі складу трубної колони різьбових з'єднань неналежної якості. Розробці методів і засобів неруйнівного контролю труб та їх різьбових з'єднань присвячені роботи багатьох відомих вчених - М.П. Альошина, Я.Б. Бажалука, Л.А. Баштаннікова, С.Ф. Білика, Д.В. Гнєдова, А.К. Гурвіча, І.Г. Єрмолова, Я.М. Зінчака, О.М. Карпаша, В.В. Клюєва, І. Крауткремера, П.Я. Криничного, І.Г. Мигаля, В.І. Михайленка, В.О. Троїцького, Д. Флікбаута та інших. Але широке впровадження нових типів різьбових з'єднань, які відзначаються різноманітністю конструкцій, потребує нових підходів до вирішення задач їх контролю. Першим кроком в цьому напрямку є класифікація різьбових з'єднань з позицій неруйнівного контролю за конструктивними та функціональними ознаками. Для спрощення класифікації введене поняття “додаткове ущільнення типу “метал - метал”.

Проведення неруйнівного контролю трубних колон перед спуском в свердловину є регламентованою технологічною процедурою і, згідно з сучасними підходами, зробити його максимально ефективним можна завдяки єдиній системній основі, комплексному підходу та моніторингу. В зв'язку з цим, крім технічного та методичного забезпечення, виникає потреба у визначенні всього комплексу параметрів, які характеризують якість трубної колони і повинні піддаватись контролю; у впровадженні організаційних заходів, які передбачали б обов'язковість такого контролю; в регламентації процедур контролю та документування його результатів.

В другому розділі показано, що працездатність трубної колони залежить від сукупної дії двох груп показників, пов'язаних з умовами експлуатації та з якісним станом самої колони. На узагальнені показники якості трубної колони - її несучу здатність та герметичність - впливають пошкодження й дефекти тіла труб, з'єднувальних елементів та різьб, а також якість різьбових з'єднань. На основі проведених досліджень та промислових даних визначений комплекс параметрів, за якими можна оцінити якісний стан трубної колони в будь-який період її експлуатації.

Для визначення можливостей контролю якості, було проаналізовано понад 100 типів різьбових з'єднань труб нафтового сортаменту (вітчизняних, виготовлених за стандартами Американського нафтового інституту, та тих, що випускаються провідними фірмами - “Валлурек”, Маннесманн”, “Армко”, “Атлас Бредфорд”, “Ніппон Стіл Корп.”, “Хайдріл”- за їхніми специфікаціями) і показано, що всі їх можна систематизувати таким чином:

- з'єднання з трикутною (конічною та циліндричною) різьбою без додаткових елементів для підвищення міцності й герметичності. Якість таких з'єднань забезпечується завдяки натягу по гранях та наявності мастила в западинах різьби;

- з'єднання з трапецієвидною (конічною та циліндричною) різьбою без додаткових елементів для підвищення міцності й герметичності. Якість таких з'єднань забезпечується завдяки діаметральному (по внутрішньому або зовнішньому діаметру різьби) та осьовому (по боковій грані витка) натягу різьби;

- з'єднання з трикутною, трапецієвидною або замковою різьбою та додатковими елементами для підвищення міцності (в тому числі завдяки перерозподілу напружень в різьбі) й герметичності (завдяки щільному приляганню гладких поверхонь сумірної з розмірами з'єднання протяжності, вставним елементам і т.ін.). До цієї групи належать і замкові з'єднання, якість яких забезпечується діаметральним натягом по різьбі та осьовим натягом по упорних поверхнях.

Додаткові ущільнення типу “метал - метал” за конструктивним виконанням поділяються на два типи: діаметральні та торцеві. До першого типу належать конічні та циліндричні пояски, розташовані зі сторони зовнішньої, внутрішньої або й одночасно обох поверхонь труби, по яких під час згвинчування створюється певний діаметральний натяг. Другий тип - торцеві ущільнення (упорні торці, упорні виступи), які виконуються під прямим або гострим кутом і також збираються з певним рівнем напружень. Упорні поверхні цього типу можуть розташовуватись аналогічно попереднім.

За функціональним призначенням ущільнення типу “метал - метал” поділяються на призначені переважно для забезпечення герметичності та призначені переважно для забезпечення міцності. В першому випадку визначальним для якості з'єднання є неперервність поверхні спряження, в другому - ступінь напруженості з'єднання та рівень і характер розподілу напружень в спряжених елементах.

Таким чином, будь-яке з існуючих з'єднань трубних колон, використовуваних в нафтогазовій галузі, можна представити як комбінацію з означених конструктивних елементів певного функціонального призначення. Отже, є можливість перейти до розробки уніфікованих методик контролю однотипних елементів і застосувати агрегатування методик.

Дослідження особливостей поширення ультразвукових коливань в різьбових частинах труб з конусністю 2j дозволило одержати аналітичні залежності між геометричними характеристиками з'єднання та параметрами способів його акустичного контролю (кут падіння a, кут вводу b, відстань l між точками вводу та приймання або відбиття ультразвукових коливань) різними методами:

1) методами відбитого та прониклого випромінювання (див. рис. 1) - для n-ного відбиття відповідно від внутрішньої та зовнішньої поверхні (n - кількість відбиттів):

(1)

(2)

2) луно-дзеркальним способом (тут Н - глибина залягання дефекту):

 (3)

(4)

(5)

Залежності (1), (2) дозволяють обчислювати параметри способу контролю для певної відомої або очікуваної орієнтації поверхні відбиття (дефекту, зони спряження, витка різьби тощо) без графічних побудов.

Виконання залежностей (3), (4) забезпечує мінімум втрат ультразвукової енергії завдяки найкращим умовам відбиття УЗК від площини дефекту і є основою для розробки способів контролю товстостінних труб, які неможливо контролювати іншим чином через значне затухання УЗК в товщі металу. На основі цих залежностей розроблений спосіб, який вперше дозволив здійснювати дефектоскопію замкових різьбових з'єднань ОБТ всіх типорозмірів в згвинченому стані.

Теоретичні дослідження фізичних процесів, що відбуваються в зоні спряження під час згвинчування, показали, що герметичність з'єднання характеризується неперервністю поверхні спряження, його несуча здатність - величиною та розподілом напружень в спряжених елементах, а наявність дефектів в різьбі призводить до перерозподілу напружень в торцевому ущільненні.

Третій розділ містить методики й результати експериментальних досліджень, що проводились для перевірки окремих теоретичних положень та висновків, одержаних в попередньому розділі, та уточнення параметрів способів контролю.

В залежності від поставлених задач, дослідження проводились на спеціальних зразках, що імітували елементи різьби та додаткових ущільнень і виготовлювались з фрагментів труб нафтового сортаменту, а також на натурних зразках різьбових частин обважнених, бурильних, обсадних та насосно-компресорних труб - вітчизняних та імпортних (фірми “Ніппон Стіл Корп.”). Натурні зразки (за винятком окремо оговорених) виготовлювались з бездефектних різьбових пар, штучні дефекти визначених розмірів (в різьбі ОБТ, в зоні ущільнень типу “метал-метал”) наносились на фрезерному станку. Необхідний ступінь напружень в зоні додаткових ущільнень створювався шляхом селективного підбору різьбових пар за результатами інструментального контролю, розрахунку очікуваного натягу і згвинчування з'єднання з регламентованим крутним моментом.

При дослідженнях використовувалась, як правило, серійна контрольно-вимірювальна апаратура, атестована в органах Держстандарту, зокрема, серійні ультразвукові прилади та серійні і спеціально виготовлені (зі складу розроблених акустичних блоків) п'єзоперетворювачі. Параметри п'єзоперетворювачів перед проведенням експериментів перевірялись за стандартною методикою.

Для визначення інформативних параметрів, за якими можна оцінити якість різьбового з'єднання, проводились дослідження на зразках, що складались з двох спряжених частин і імітували елементи різьбового з'єднання, та на суцільному (монолітному) зразку. В результаті досліджень встановлений вплив і кореляційні зв'язки між питомим тиском на спряжених поверхнях та амплітудою УЗК, що пройшли через зону спряження, для різних умов контактування та частот УЗК, і встановлено, що навантаження суцільного зразка не впливає на амплітуду. Ці результати співпадають з одержаними в подальшому на натурних зразках і підтверджують дані теоретичних досліджень стосовно механізму формування напружень в додаткових ущільненнях типу “метал - метал”.

Залежності амплітуди сигналу, який пройшов через зону спряження, від питомого тиску, при різних умовах контактування мають чотири характерних ділянки:

- до досягнення певного навантаження (40 МПа) амплітуда прийнятого сигналу круто (0.2 - 0.4 дБ/МПа) зростає, що свідчить про припрацьовування спряжених поверхонь, супроводжуване швидким збільшенням фактичної площі дотику, і підтверджує теоретичні висновки щодо процесів, які відбуваються в зоні спряження під час згвинчування з'єднань;

- при подальшому збільшенні питомого навантаження до 120- 160 МПа в зоні спряження розпочинається пружно-пластична деформація мікронерівностей, супроводжувана поступовим зростанням площі дотику і незначним (0.03 - 0.07 дБ/МПа) збільшенням амплітуди прийнятого сигналу, що співпадає з даними досліджень В.Г. Щербінського;

- в діапазоні від 120 до 160 МПа рівень амплітуди, а отже, і площа дотику стабілізується, що добре узгоджується з експериментальними даними Л.Б. Березовського та В.Г. Щербінського;

- після 140-160 МПа амплітуда знову починає зростати, що свідчить про подальше збільшення фактичної площі дотику - внаслідок пластичної деформації вже згладжених мікронерівностей, що узгоджується з даними С.Ф. Білика.

Причина тимчасової стабілізації амплітуди стає зрозумілою з рис.3 - після 160 МПа криві для Rz20, Rz40 та Rz60 зливаються в одну. Отже, в проміжку від 120 до 160 МПа висота початкових мікронерівностей на спряжених поверхнях вирівнюється, площадки контакту збільшуються, контактні тиски стають меншими за границю текучості і знову, як показано в другому розділі, відбувається пружна деформація мікронерівностей.

Експериментальні дослідження показали, що характер залежності між питомим тиском та амплітудою сигналу, який пройшов через зону спряження, не залежить від шорсткості контактуючих поверхонь, наявності та типу мастила, але відсутність мастила в зоні спряження призводить до значного (порядку 12 дБ) зменшення амплітуди прийнятого сигналу, що відповідає даним С.Я. Гмиріна.

Таким чином, рівень і характер зміни амплітуди реально відображає фізичні процеси, які відбуваються під час навантаження або, в нашому випадку, під час згвинчування з'єднання, і може використовуватись як інформативний сигнал, що безпосередньо характеризує якість з'єднання через фактичну площу дотику спряжених поверхонь. В інтервалах питомих тисків, які нормуються для більшості конструкцій різьбових з'єднань (від 60 до 180 МПа), між амплітудою сигналу, що пройшов через зону спряження (або відбився від неї), та питомим тиском існують кореляційні зв'язки, коефіцієнт кореляції для робочого діапазону та реальних умов контактування становить від 0.95 до 0.99.

На підставі проведених теоретичних та експериментальних досліджень розроблені способи контролю якості торцевих ущільнень типу “метал - метал” для обважнених бурильних труб (так зване зусилля затяжки) та для обсадних і насосно-компресорних труб.

Результати вимірювання амплітуд сигналу, що пройшов через зону торцевого ущільнення або відбився від неї, показані на рис. 5 (для замкового з'єднання ОБТ з втомною тріщиною в різьбі) та на рис. 6 (для обсадних труб фірми “Ніппон Стіл Корп.”). Різниця амплітуд луно-імпульсів при якісному ущільненні та за наявності різного роду відхилень (недостатня напруженість, втомна тріщина в різьбі) становить від 6 до 12 дБ, що підтверджує наявність перерозподілу напружень та взаємозв'язок між ступенем напруженості з'єднання та його акустичними властивостями.

Експериментальні дослідження на натурних зразках обважнених бурильних труб з реальними та штучними дефектами дали можливість уточнити параметри та розробити спосіб дефектоскопії ніпельної частини замкового різьбового з'єднання в згвинченому стані з похибкою вимірювань в межах 8%.

Експерименти проводились з використанням п'єзоперетворювачів з плоскою робочою поверхнею, максимум (16-20 дБ) амплітуди відбитих від дефектів луно-імпульсів мав місце при використанні парних п'єзоперетворювачів з кутом вводу 55°. Після надання робочій поверхні кривизни, радіус якої відповідав радіусу контрольованої труби, амплітуда сигналів збільшилась майже на 10 дБ. Експерименти показали, що відстань між точками вводу перетворювачів мало впливає на рівень амплітуди, що співпадає з даними А.К. Гурвіча.

На підставі проведених експериментальних досліджень та розрахунків розроблені способи контролю якості діаметральних ущільнень типу “метал - метал” (один з них показаний на рис. 7), виведені аналітичні залежності для визначення основних параметрів Так, параметри способу контролю, показаного на рис. 7, обчислюються за виразами:

(5)

(6)

Ці способи апробовані на бурильних і насосно-компресорних трубах діаметром 73 та 89 мм і можуть бути поширені на інші типорозміри труб з діаметральними ущільненнями при умові перерахунку основних параметрів за згаданими залежностями. Розрахункова достовірність результатів при контролі розробленими способами з використанням серійних ультразвукових приладів та проведенні контролю фахівцями ІІ рівня становить не менше 0.9.

Агрегатування методик піддавалось експериментальній перевірці на натурних зразках з'єднань обсадних труб фірми “Ніппон Стіл Корп.” з трапецієвидною різьбою, конічними діаметральними проточками для мастила та торцевими ущільненнями типу “метал - метал”. Цей підхід виявився досить ефективним, і в подальшому був практично реалізований під час розробки галузевих стандартів з неруйнівного контролю нарізних труб нафтового сортаменту та інших об'єктів нафтогазового комплексу.

Четвертий розділ містить інформацію про розробку та впровадження технічних засобів, технологій та нормативного забезпечення для неруйнівного контролю. Під час розробки технічних засобів основна увага приділялась розробці акустичних блоків та систем сканування, які реалізували б нові технології за допомогою серійної ультразвукової апаратури. З огляду на те, що технічні засоби призначені для експлуатації в польових умовах, ще одна задача полягала в розширенні функціональних можливостей обладнання при одночасному зведенні до мінімуму потрібної апаратури. Виходячи з цього, технічні засоби розроблялись за модульним принципом, окремі модулі могли використовуватись самостійно або в комплексі з іншими, утворюючи таким чином цілу гаму обладнання - від спеціалізованих малогабаритних переносних установок (установка ОБТ для контролю замкових з'єднань обважених бурильних труб в згвинченому стані) до багатофункціональних технічних засобів. Одним з таких засобів є комплексна установка для неруйнівного контролю насосно-компресорних та бурильних труб УНКТ-1: до її складу входять установка для дефектоскопії різьбових ділянок і тіла та товщинометрії тіла бурильних і насосно-компресорних труб УКТ-1, а також установка для контролю герметичності діаметральних ущільнень різьбових з'єднань насосно-компресорних труб УКГ-1. Інша розробка - пересувна лабораторія неруйнівного контролю ПЛНК-2, змонтована на шасі автомобіля високої прохідності, - містить повний набір технічних засобів, необхідних для контролю всього комплексу параметрів, які визначають якість трубної колони, в тому числі акустичні блоки для дефектоскопії замкових з'єднань обважнених бурильних труб, для контролю якості діаметральних та торцевих ущільнень типу “метал - метал” замкових з'єднань ОБТ та бурильних труб та ін. Установка УДР призначена для дефектоскопії згвинчених замкових з'єднань ОБТ та контролю якості їх торцевих ущільнень, установки “Контакт-1” та “Контакт-2” - для контролю ущільнень типу “метал - метал” відповідно обсадних (фірми “Ніппон Стіл Корп.”) та бурильних труб.

В цьому розділі сформульовані основні вимоги до складу, змісту та порядку розроблення технічних умов, пов'язаних з наданням послуг з неруйнівного контролю, оцінена ефективність використання нових підходів до вирішення проблеми контролю якості трубних колон, а також наведена інформація про розроблені і впроваджені нормативні документи (галузеві стандарти, технічні умови).

Висновки

У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі контролю якості різьбових з'єднань трубних колон, що полягає в розробці необхідних для проведення контролю способів, методів, технічних засобів та нормативних документів, впровадження яких сприяє попередженню відмов. В роботі запропонований і реалізований новий підхід до контролю якості трубних колон, який розвиває вимоги ДСТУ ISO серії 9000.

Основні результати роботи полягають в наступному.

1. Вперше обґрунтована з точки зору неруйнівного контролю і здійснена класифікація різьбових з'єднань трубних колон за конструктивними й функціональними ознаками. Завдяки такій класифікації будь-яке з різьбове з'єднання можна представити як комбінацію типових елементів, для кожного з яких може бути розроблена типова методика контролю. Це створює умови для агрегатування методик і зменшення кількості зразків для настроювання.

2. Визначені параметри, що безпосередньо характеризують якість різьбового з'єднання, та інформативні сигнали, за якими можна контролювати ці параметри. Завдяки цьому забезпечується можливість контролю якості різьбових з'єднань не тільки після згвинчування, а й у будь-який період експлуатації.

3. Встановлені закономірності поширення ультразвукових коливань в різьбових частинах труб і вперше одержані аналітичні вирази:

- для розрахунку параметрів способу контролю конічних з'єднань методом відбитого й прониклого випромінювання, що дає можливість обчислювати згадані параметри для всіх типорозмірів з'єднань без графічних побудов;

- для розрахунку параметрів способу акустичного контролю ніпельної частини різьбового з'єднання луно-дзеркальним способом, що вперше дозволило проводити дефектоскопію замкових різьбових з'єднань обважнених бурильних труб всіх типорозмірів в згвинченому стані.

4. На основі одержаних аналітичних виразів розроблені нові і вдосконалені існуючі способи контролю якості діаметральних та торцевих ущільнень типу “метал - метал”, а також технічні засоби, необхідні для реалізації цих способів. Все це забезпечує можливість контролю нових типів різьбових з'єднань, для яких якість додаткових ущільнень є безпосередньою умовою ефективного функціонування.

5. Вперше розроблений, технічно забезпечений і практично реалізований спосіб акустичного контролю, придатний для всіх типорозмірів замкових різьбових з'єднань обважнених бурильних труб в згвинченому стані, який суттєво зменшив непродуктивні витрати часу в процесі спуско-підіймальних операцій та підвищив безпеку виконання робіт.

6. Вперше запропоноване, експериментально перевірене і практично реалізоване агрегатування методик неруйнівного контролю.

7. На основі сучасних підходів до вирішення проблем якості сформульовані вимоги до проведення неруйнівного контролю й розроблені технології проведення контролю різьбових з'єднань труб нафтового сортаменту, реалізовані в ГСТУ 320.02829777.002-95 “Інструкція по проведенню неруйнівного контролю труб нафтового сортаменту в процесі їх експлуатації” та технічних умовах, пов'язаних з наданням послуг з неруйнівного контролю.

8. Розроблені методи, технічні засоби та нормативні документи впроваджені й використовуються на нафтогазовидобувних підприємствах України, економічний ефект від їх використання складає не менше 950 тис. грн. на рік.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Карпаш О.М., Кійко Л.М. Алгоритм розрахунку параметрів способу контролю конічних з'єднань // Збірн. наук. праць “Фізичні методи та засоби контролю середовищ, матеріалів та виробів”. - Київ - Львів: Леотест, 2001. - С. 12-15.

2. Криничний П.Я., Карпаш О.М., Кійко Л.М. Ультразвукова дефектоскопія різевих з'єднань обважнених бурильних труб в зібраному стані // Методи та прилади контролю якості. - 2000. - № 6. - С. 9-12.

3. Кійко Л.М. Стосовно підходів до прогнозування ресурсу труб нафтового сортаменту//Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ. - 1997. - № 34. - Т. 6. - С. 206-211.

4. Карпаш О.М., Кійко Л.М., Даниляк Я.Б., Молодецький І.А. Про один з підходів до контролю якості різьбових з'єднань труб нафтового сортаменту // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. - 1996. № 4. - С. 58-61.

5. Карпаш О.М., Криничний П.Я., Кійко Л.М., Карпаш М.О. Застосування акустичних методів для контролю якості різьбових з'єднань // Збірн. наук.праць “Фізичні методи та засоби контролю середовищ, матеріалів та виробів”. - Київ - Львів: Леотест, 2001. - С. 34-37.

6. ГСТУ 320.02829777.002-95 Інструкція по проведенню неруйнівного контролю труб нафтового сортаменту в процесі їх експлуатації. - Введ. вперше; Введ. 01.03.97. - К.: Держнафтогазпром, 1997. - 102 с.

7. Карпаш О.М., Зінчак Я.М., Кійко Л.М., Цюцяк І.І., Козоріз А.В. Надання послуг з неруйнівного контролю та технічної діагностики в світлі вимог системи якості НВФ “Зонд”//Тези. доп. на 4 Міжнар. наук.-техн. конф. “Сучасні прилади, матеріали і технології для неруйнівного контролю і технічної діагностики промислового обладнання”. - Івано-Франківскьк: ІФДТУНГ, 1999. - С. 67-71.

8. А.с. 1490625, G 01 N 29/04. Устройство для ультразвукового контроля резьбовых соединений труб // И.В. Гиря, Л.Б. Футерко, Л.Н. Кийко, Н.А. Молчанов 4307751/25-28, Заявл. 21.09.89 Опубл. 30.06.89, Бюл. № 24.

9. Пат РФ 1792530, G 01 N 29/04. Способ ультразвукового контроля конических резьбовых соединений с упорными уступами / О.М. Карпаш, Я.М. Зинчак, П.Я. Криничный, И.Г. Мигаль, Я.М. Бажалук и Л.Н. Кийко. - № 4934690/28; Заявл. 29.03.91; Опубл. 30.01.93, Бюл. № 4. - 4 с.

10. ГСТУ 320.02829777.001-95 Положення про службу неруйнівного контролю в нафтовій і газовій галузях. - Введ. вперше; Введ. 01.01.96. - К.: Держнафтогазпром, 1996. - 18 с.

Размещено на Allbest.ru

...