автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.23, диссертация на тему:Совершенствование нормативной базы характеристик эксплуатационной долговечности насосно-компрессорных труб

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Обзор НКТ, выпускаемых в России и за рубежом

1.1.1. НКТ, выпускаемые в России

1.1.2. НКТ, выпускаемые за рубежом

1.2. Цели и задачи исследований

Глава 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА НКТ

МЕТОДАМИ КВАЛИМЕТРИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

2.1. Отбор экспертов

2.2. Ориентировка

2.3. Квалиметрический анализ отказов НКТ

2.3.1. Генерация. Выявление видов отказов НКТ

2.3.2. Назначение оценок весомости для каждого вида отказа по величине вклада в общее количество отказов

2.4. Квалиметрический анализ причин отказов НКТ

2.4.1. Генерация факторов (причин) возникновения отказов резьбового соединения НКТ

2.4.2. Назначение оценок весомости выявленных факторов (причин) по влиянию на частоту возникновения отказов резьбовых соединений НКТ

2.5. Выработка рекомендаций

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СТОЙКОСТИ К ЦИКЛИЧЕСКОМУ СВИНЧИВАНИЮ-РАЗВИНЧИВАНИЮ

3.1. Исследование динамики изменения параметров резьбовых соединений НКТ в зависимости от количества проведенных циклов свинчивания-развинчивания

3.2. Объект исследований

3.3. Определяемые характеристики

3.4. Условия испытаний

3.5. Средства испытаний

3.6. Порядок проведения испытаний

3.7. Результаты исследований

3.8. Металлографическое исследование

3.8.1. Исследование образцов группы прочности Д

3.8.2. Исследование образцов группы прочности Е

3.8.3. Исследование образцов группы прочности Р

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ СТОЙКОСТИ К СУЛЬФИДНОМУ КОРРОЗИОННОМУ РАСТРЕСКИВАНИЮ ПОД НАПРЯЖЕНИЕМ 104 4.1. Исследование стойкости металла труб и муфт к сульфидному коррозионному растрескиванию под напряжением и выбор методов ее оценки. Факторы, определяющие сероводородостойкость

4.2. Методы оценки стойкости материалов к сероводородному растрескиванию под напряжением

4.3. Методика испытаний материала насосно-компрессорных труб на сероводородное растрескивание под напряжением

Глава 5. ФОРМИРОВАНИЕ КОМПЛЕКСА ТРЕБОВАНИЙ ДЛЯ ВНЕСЕНИЯ В СОВЕРШЕНСТВУЕМЫЙ СТАНДАРТ

5.1. Предложения по актуализации ГОСТ 633

В настоящее время на внутреннем рынке России чрезвычайно велики объемы закупок импортного газонефтяного оборудования, в том числе и трубной продукции. Одним из мощных рычагов обеспечения конкурентоспособности продукции является совершенная нормативная документация. Следуя требованиям, грамотно закладываемым в своевременно обновляемые ГОСТы, вполне можно добиться признания отечественной продукции не только на внутреннем, но и на внешнем рынке. Кроме того, сертификация, проводимая по таким стандартам, будет способствовать защите прав отечественного производителя. Необходимо отметить, что в отечественной нефтедобыче в последнее время наблюдается тенденция к изменению условий и режимов эксплуатации скважинного оборудования, и в первую очередь колонн насосно-компрессорных труб. В этом аспекте обоснование необходимости совершенствования существующего более 20 лет ГОСТ 633-80 на насосно-компрессорные трубы (НКТ), а также разработка методов и определение критериев его актуализации представляют особый интерес.

Следует признать, что традиционный подход к вопросам совершенствования нормативной документации, применимый в прежних условиях централизованного и директивного нормирования, не в состоянии обеспечить в качестве желаемого результата разработку нормативной документации, в действительности отвечающей современному мировому уровню производства НКТ и требованиям к качеству и эксплуатационным характеристикам труб. Усугубляет ситуацию положение с учетом и расследованием аварий на промыслах, поскольку в сложившихся рыночных условиях подобная информация, впрочем, как и остальные статистические данные, стала представлять коммерческий интерес.

В сложившихся условиях в качестве инструмента актуализации, по нашему мнению, наиболее целесообразным представляется использование методов квалиметрического анализа. Данный способ, по сравнению с традиционными методами, в частности статистическими, имеет ряд преимуществ, таких как: возможность всестороннего и глубокого рассмотрения проблемы при сравнительно небольшом количестве экспертов [60], относительно сжатые сроки выполнения [99], высокая точность экспертных оценок [59], а также сравнительно низкие затраты по проведению. В данной работе, применительно к насосно-компрессорными трубами, впервые в отечественной практике, была разработана и использована методика актуализации ГОСТа, заключающаяся в выявлении критериев качества с помощью экспертных методов анализа надежности и причин отказов. В этом случае доступная на сегодняшний день промысловая и производственная статистика служит в качестве отправной информации, исходя из которой специально отобранные эксперты [54], с применением методов квалиметрического анализа [55], дают реальную оценку надежности трубной продукции, а затем генерируют и ранжируют показатели, определяющие ее качество.

Таким образом, нами была обоснована необходимость и разработана методика актуализации нормативной документации на НКТ, заключающаяся в выявления критериев качества путем квалиметрического анализа надежности и причин отказов.

С использованием разработанных методов в данной работе проведено совершенствование ГОСТ 633-80 на НКТ, состоящее из следующих этапов: выявление не регламентированных ранее весомых показателей надежности, исследования по определению соответствующих им требований и методов испытаний по их оценке, формирование на основе полученных результатов комплекса требований для внесения в совершенствуемый стандарт.

В качестве дальнейшей перспективы развития данной работы представляется применение разработанного метода актуализации для совершенствования стандартов на другие виды продукции, в том числе и трубной, в частности, стандартов на бурильные и обсадные трубы (ГОСТ 631-75 и ГОСТ 632-80).

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Обоснована необходимость и разработана методика актуализации нормативной документации на НКТ, заключающаяся в выявления критериев качества путем квалиметрического анализа надежности и причин отказов.

2. Разработан и реализован алгоритм действий по актуализации нормативно-технической документации на НКТ, направленный на определение требований, включаемых в актуализируемый документ, посредством последовательного анализа 1) поэлементного распределения отказов исследуемого оборудования; 2) факторов, определяющих надежность соответствующих элементов.

3. Выявлено, что для насосно-компрессорных труб при существующих требованиях нормативно-технической документации и условиях эксплуатации приоритетным является отказ резьбового соединения, вызываемый, в первую очередь механическим износом в результате циклического свинчивания и коррозией (в том числе наиболее опасным по последствиям сульфидным коррозионным растрескиванием под напряжением).

4. Установлено, что критериями отказа резьбы муфт и труб НКТ вследствие циклического свинчивания-развинчивания являются: а) Потеря несущей способности; б) Потеря герметичности; в) Потеря первоначальной геометрии, характеризующаяся изменением за пределы допусков следующих параметров:

Высоты профиля hi

Углов наклона сторон профиля а/2

Натяга резьбы муфты по резьбовому калибру - пробке

Натяга резьбы трубы по резьбовому калибру - кольцу

5. Показано, что с возрастанием прочностных характеристик металла резьбового соединения падает эффективность текстурированного поверхностного слоя в роли обеспечения предохранения основного металла от разрушения.

6. Путем выявления тенденций динамики изменения приведенных выше параметров обнаружено, что минимальное количество циклов свинчивания, при котором не происходит отказ резьбовых соединений НКТ с закругленной резьбой треугольного профиля, равно шести.

7. С использованием разработанных методов проведено совершенствование нормативно-технической документации на НКТ, заключающееся определении и регламентировании показателей надежности и соответствующих им методов испытаний. Результат данной работы в виде рекомендаций и приложений к новой редакции ГОСТ 633 передан для рассмотрения и утверждения в Госстандарт России.

129

1. А.с. № 939716 (СССР). Стенд для испытания замковых резьб на износ / Шавин А.А., Головин А.А., Макалов В.Ф. и др. - ВНИИТнефть, Заявл. 22.12.80. №3221182/22-03; Опубл. 30.06.82 в Бюл. №24; Е 21 В 17/00.

2. Азгальдов Г.Г. Количественная оценка качества продукции -квалиметрия. М.: Знание, 1986.

3. Андрианов Ю.М., Субетто А.И. Квалиметрия в приборостроении и машиностроении. Л.: Машиностроение, 1990.

4. Билык С.Ф. Герметичность и прочность конических резьбовых соединений труб нефтяного сортамента. М.: Недра, 1981.

5. Билык С.Ф. О Герметичности соединений НКТ // Нефтяная и газовая промышленность, 1978, №2.

6. Виноградов. В.Н., Сорокин Г.М. Механическое изнашивание сталей и сплавов. М.: Недра, 1996.

7. Гафаров Н.А., Гончаров А.А., Кушнаренко В.М. Коррозия и защита оборудования сероводородсодержащих нефтегазовых месторождений. М.: Недра, 1998.

8. Голованенко С.А., Зикеев В.Н., Серебрянная Е.Б. и др. Влияние легирующих элементов и структуры на сопротивление конструкционных сталей водородному охрупчиванию // МИТОМ. 1978. №1.

9. ГОСТ 9.901.1-89 Единая система защиты от коррозии и старения. Металлы и сплавы. Общие требования к методам испытаний на коррозионное растрескивание.

10. ГОСТ 9.901.4-89 Единая система защиты от коррозии и старения. Металлы и сплавы. Испытания на коррозионное растрескивание образцов при одноосном растяжении.

11. ГОСТ 27.002-89 Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения.

12. ГОСТ 633-80 Трубы насосно-компрессорные и муфты к ним. Технические условия.

13. ГОСТ 7564-73 Сталь. Общие правила отбора проб, заготовок и образцов механических и технологических испытаний.

14. ГОСТ 16504-81 Система государственных испытаний продукции. Испытания и контроль качества продукции. Основные термины и определения.

15. ГОСТ 23554.1-79 СУКП. Экспертные методы оценки качества промышленной продукции. Организация и проведение экспертной оценки качества продукции.

16. ГОСТ 23554.2-81 СУКП. Экспертные методы оценки качества промышленной продукции. Обработка значений экспертных оценок качества продукции.

17. ГОСТ 24026-80 Исследовательские испытания. Планирование эксперимента. Термины и определения.

18. Зинчак Я.М. Совершенствование технических средств обеспечения работоспособности соединительных элементов трубных колонн в условиях эксплуатации, диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: ГАНГ им. И.М. Губкина, 1993.

19. Зотеев B.C., Тихомирова В.А. О воспроизводимости результатов испытаний на изнашивание на лабораторных машинах // Заводская лаборатория, 1966, №3.

20. Икеда А. Разработка высокопрочных трубных изделий для нефтегазового промысла, обладающих высокой стойкостью к сульфидно коррозионному растрескиванию под напряжением. Проспект фирмы Сумитомо металл индастриз ЛТД. Токио, 1978.

21. Карасик И.И. Методы трибологических испытаний в национальных стандартах стран мира. П\р. Кершенбаума В.Я. М.: Наука и техника, 1993.

22. Кейн Р.Д., Кайяр М.С. CLI International, Хьюстон, штат Техас. Эффективная борьба с коррозией в процессах нефтепереработки // Нефтегазовые технологии. 1996. №4.

23. Кершенбаум В.Я., Аванесов B.C., Поликарпов М.П. Нужен стандарт. Хотя бы в складчину. // Нефтегазовая вертикаль, 2000, №4.

24. Кершенбаум В.Я. Механотермическое формирование рабочих поверхностей узлов трения // Долговечность трущихся деталей машин 1. М.: Машиностроение, 1986.

25. Копей Б.В. Влияние сероводородсодержащей нефти на коррозионно-механическое разрушение конструкционных сталей // Коррозия и защита в нефтегазовой промышленности. 1983. № 10.

26. Кушнаренко В.М., Стеклов О.И., Гетманский М.Д. и др. Методы определения сопротивления материалов воздействию сероводородсодержащих сред. Р 54298-92. М.:ВНИИНМАШ Госстандарта СССР, 1992.

27. Любарский И.М., Палатник Л.С. Металлофизика трения. М.: Металлургия, 1976.

28. Марченко Е.А., Непомнящий Е.Ф., Харач Г.М. Циклический характер накопления искажений II рода в поверхностном слое стали 45 как физическое подтверждение усталостной природы износа. ДАН СССР, т. 181, №5.

29. Марченко Е.А. О природе разрушения поверхности металлов при трении. М.: Наука, 1979.

30. Методы квалиметрии в машиностроении. П/р Кершенбаума В.Я., Хвастунова P.M. М.: Технонефтегаз, 1999.

31. Методы механических испытаний металлов. Определение трещиностойкости трубных сталей в условиях сульфидного коррозионного растрескивания под напряжением. Самара, 1995.

32. МСКР-01-85 Методика испытания сталей на стойкость против сероводородного коррозионного растрескивания. М., 1985.

33. Ножин В.И. Исследование влияния точности изготовления и технологии свинчивания на прочность и герметичность резьбовых соединений обсадных труб, диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: МИНХ и ГП им. И.М. Губкина, 1975.

34. Панкова JI.A., Шнейдерман М.В. Последовательная процедура экспертного опроса // АиТ, 1975, №8.

35. Поликарпов М.П. Нужны испытания нужен стандарт // Надежность и сертификация оборудования для нефти и газа, 2000, №1-2.

36. Поликарпов М.П. Обоснованная необходимость. К разработке методики сертификационных испытаний сероводородостойких труб. //Надежность и сертификация оборудования для нефти и газа, 1999, №3.

37. Поликарпов М.П. Отечественное будет лучшим! К вопросу об актуализации ГОСТ 633-80 на насосно-компрессорные трубы // Надежность и сертификация оборудования для нефти и газа, 2001, №2.

38. Расчеты и испытания на прочность. Методы определения сопротивления материалов воздействию сероводородсодержащих сред. Рекомендации Р 54-298-92. М.: ВНИИНМАШ, 1992.

39. Райхман Э.П., Азгальдов Г.Г. Экспертные методы в оценке качества товаров. М.: 1974.

40. РД 39-1-108-78. Инструкция по эксплуатации насосно-компрессорных труб.

41. РД 39-0147014-0002-89 Инструкция по расчету колонн насосно-компрессорных труб.

42. Решение задач по квалиметрии машиностроения. П/р Кершенбаума В.Я., Хвастунова P.M. М.: Технонефтегаз, 2001.

43. Руководство по трубам нефтяного сортамента и их соединениям, применяемым за рубежом. Справочное пособие. П/р. Щербюка Н.Д., Якубовского Н.В. и др. М.: Недра, 1969.

44. Рыбакова Л.М., Куксенова Л.И. Структура и износостойкость металла. М.: Машиностроение, 1982.

45. Сароян А.Е., Субботин М.А. Эксплуатация колонн насосно-компрессорных труб. М.: Недра, 1985.

46. Сорокин Г.М. Взаимосвязь механических свойств сталей и их износостойкость. М.: Нефть и газ, 1995.

47. Стеклов О.И., Бодрихин Н.Г., Кушнаренко В.М. и др. Испытание сталей и сварных соединений в наводораживающих средах. М.: Металлургия, 1992.

48. Стеклов О.И. Стойкость материалов и конструкций к коррозии под напряжением. М.: Машиностроение, 1990.

49. Сулима A.M., Шулов В.А., Ягодкин Ю.Д. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин. М.: Машиностроение, 1988.

50. Топеха П.К. Основные виды износа металлов. М.: Машгиз, 1952.

51. Трубы нефтяного сортамента. Справочник. П/р. Сарояна А.Е. М.: Недра, 1987.

52. Трубы нефтяного сортамента. Международный транслятор справочник. П\р. Вяхирева Р.И., Кершенбаума В.Я. М.: Наука и техника, 1997.

53. Хвастунов P.M. Квалиметрия для менеджеров. Экспертные методы кавалиметрии. М.: «Технофакт», 1997.

54. Хвастунов P.M. Экспертные методы кавалиметрии. М.: 1998.

55. Шнейдерманн М.В. Методы сбора и обработки экспертной информации для оценки параметров сложных объектов, диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: АН СССР. Ин-т проблем управления (автоматики и телемеханики), 1977.

56. Шрейдер А.В., Шпарбер И.С., Арчаков Ю.И. Влияние водорода на нефтяное и химическое оборудование. М.: Машиностроение, 1979.

57. Щербюк Н.Д., Якубовский Н.В. Резьбовые соединения труб нефтяного сортамента и забойных двигателей. М.: Недра, 1974.

58. Ягелло О.И. Квалиметрический анализ и разработка путей повышения надежности установок ЭЦН // Менеджмент контроля качества Надежность и контроль качества, 1999, № 10.

59. Ягелло О.И. Управление качеством узлов электропогружного оборудования технологическими методами, диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2000.

60. Яковлев А.И. Коррозионное воздействие сероводорода на металлы. М.: ВНИИЭгазпром, 1972.

61. Яковлев А.И., Гарник Ю.М. Коррозионное поведение некоторых металлов в природном газе, содержащем сероводород. // Коррозия и защита в нефтегазовой промышленности. 1982. № 7.

62. Якушев А.И. Повышение прочности и надежности резьбовых соединений. М.: Машиностроение, 1977.

63. Andressen P., Duguette D. Slow strain rate Stress Corrosion Testing at Elevated Temperatures and High Pressures // Corrosion Science. 1980. Vol. 20.

64. Astafiev V.I., Shmelev P.S., Tetjueva T.V. Modified Double-Cantilever Beam Tests for Sulfide Stress Cracking of Tubular Steels // Corrosion. Vol. 50. No. 12.

65. API Bui. 5A2. Bulletin on Thread Compounds.

66. API St. 5B. Specification for Threading, Gauging, and Thread Inspection of Casing, Tubing, and Line Pipe Threads. 14 edition, 1996.

67. API Spec. 5CT. Specification for Casing and Tubing, 15 edition, 1995.

68. Bohni H. Wasserstoffversprodung bei Spannstahlen // Werkstoffe und Korrosion. 1973. №3.

69. Burran J., Geretta E., Veini L. Contribute to the interpretation of the Strain Rate Effect. // Corrosion Science. 1985. №8.

70. Carner A., Singbeil D.L. Electrochemical and SCC behavior of digedter in Kraft while Liquors // Corrosion (USA). 1985. №11.

71. Difon W., Huiying P. Slow loading rate fracture mechanics method for stress corrosion test. Int. Congr. Met. Corros., Toronto, 1984, June, 3. Proc. V.3, Ottawa, 1984.

72. Dvorachek L.M. High Strength Steels for H2S Servis // Material Performance, 1976, №5.

73. Greer J.B. Results of interlaboratory Sulfide SC Usins the NACE T-1F-9 Proposed Test Methods // Material Performance, 1977, №9.

74. Endo K., Fukuda Y. The Wear of Steel in Lubricating Oil under Varning Load. Bull. Of JSME, 1969, v. 12, № 51.

75. Lyle F.F., Norris E.B. Evaluation of Sulfide SCC Resistance of High Strength Steels by the Constant Strain Rate Method // Corrosion. NACE. 1978. V.34. №6.

76. NACE TM 0177-96 Лабораторные испытания металлов на сопротивление сульфидному растрескиванию под напряжением в сероводородсодержащих средах. Хьюстон, США, Стандарты NACE: 1996.

77. NACE MR 0175-97 Требования к металлическим материалам для оборудования нефтепрромыслов, стойким к сульфидному коррозионному растрескиванию под напряжением. Хьюстон, США, Стандарты NACE: 1997.

78. Silcockl.M. Analysis of slow strain rate stress- corrosion data // Corrosion Science. 1981. №9.

79. Poperling R., Schwenk W. Wasserstoff induzierte spannungs Korrosion von Stahlen durch dynamisch plastische Beanspruchung in Promotor freien Elekcrolytosungen // Werkstoffe und Korrosion. 1985. №9.

80. Terasaki F., Ikeda A., Tekejama M. The Hydrogen Induced Cracking Susceptibilities of Various Kinds of Commerc. Rolled Steels under Wet Hydrogene Sulfide // Environment. The Sumitomo Search. 1978. №19.