автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка рекомендаций по повышению надежности двигателей редукторных электробуров

)сковский ордена октябрьской революции и ордена

?уд6вЬго Красного знамени институт нефти и. газа

имени И.М. ГУБКИНА

РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ АДЕЖНОСТИ ДВИГАТЕЛЕЙ РЕДУКТОРНЫХ ЭЛЕКТРОБУРОВ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

На правах рукописи,

Для служебного пользования Экз.№

ГАЛУЩАК Иван Дмитриевич

Автореферат диссертации на, соискание ученой степени кандидата технических наук

0

Москва - 1990

*

Работа. выполнена , в, Ивано-Франковском институте нефти и газа.

НАУЧНЫЕ РУКОВОДИТЕЛИ

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ

- кандидат, технических, наук, • доцент- Шэстырко я-ют:

кандидат, технических, наук, с.н.с. ЕРШОВ М.С.

- доктор технических наук,. профессор ОНИШЕНКО Г.Б.,

кандидат, технических наук, с.н.с.. ТРЕГУБОВ И.А.

ВЕДУЩЕЕ ПРЕДПРИЯТИЕ - ДОЛИНСКОЕ "УПРАВЛЕНИЕ

БУРОВЫХ РАБОТ ПО "УКРНЕФТЬ"

■ Зашита .состоится * • . сунл-гс^и УчВ- .199,0 года

в "__часов на, заседании спепиа/пЭированнога совета

К 053.27.09 Московского, института нефти и газе им. И.М.Гу кипа: 117917," ГСП-1, Москва, Ленинский проспект,

С диссертацией можно .ознокомипля в библиотеке Московского института нефти.' и газа им. И.М. Губкина.

Автореферат разослан *

й.1

.1990 г.

Ученый .секретаре , специализированного, совета.

М.С. ЕРШОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Внедрение новой техники и технологий при сооружении скважин является одним из перспективных направлений раэ-эития нефтегазовых отраслей народного хозяйства, обеспечивающих зыполнение заданий по добыто нефти и газа.

Все большее применение при сооружении нефтяных и газовых ¡хвежин находит электробурение. Анализ различных способов бурения хоказывает, что при проводке сквахин в сложных условиях исполь-ювание электробуров обеспечивает рад преимуществ: сокращается {епроизводительное время и повышается механическая скорость буре-шя; в связи с лучшей отработкой долот, уменьшатся сроки и расхода на строительство скважин; уменьшается количество аварий и )сложнений. Кроне того, бурение электробуром позволяет вести скважину по сложной траектории (даже вдоль продуктивного пласта) и юддерживать наиболее рациональный режим для каждого конкретного частка скважин, гедуэтзрннэ электробуры (РЭ) характеризуется 'ем, что позволяет наиболее простыми средствами снижать частоту [ращения долота, сохраняя при этом полную мощность электробура, I реализовывать оптимальны? осевые нагрузки на долото для осуществления высокопроизводительного объемного режима разрушения »род.

Специфика бурения нефтяных и газовых скважин такова, что тказ двигателя РЭ вызывает остановку процесса активного бурения, то связано е определенными отрицательными последствиями. Это бстоятельство определяет требования оценки и повшения уровня го надежности. Низкая надежность двигателей РЭ ограничивает аслространение данного способа бурения.

Проблема надежности двигателей РЭ выдвигает требующие реше-ия задачи. На РЭ действует целый ряд факторов, зависящих от ус-овий эксплуатации. Без знания существующих законов формирования

отказов нельзя решить проблему повышения надежности электробуров Эта проблема может быть решена только совместными усилиями исследователей, проектировщиков, конструкторов, специалистов по эксплуатации.

При исследовании надежности двигателей РЭ приходится работать с ограниченными объемами данных, то есть использовать выборки малого и сверхмалого обьемов. Поэтому оценка и прогнозирование надежности двигателей РЭ требует применения аппарата обработки неполных и нечетких исходных данных. Для описания и учета неопределенности представляется возможным использовать положения теории малых выборок и нечетких множеств, которые позволяет получить приемлемые результаты.

Диссертация является частью работ, проводимых на кафедре электроснабжения и электрооборудования предприятий нефтяной и газовой промышленности Ивано-Франковского института нефти и газа, по повышении надежности электрооборудования для бурения нефтяных и газовых скважин в рамках республиканской целевой комплексной научно-технической программы "Энергокомплокс".

Целью работы является разработка научно-обоснованных рекомендаций по повышению эксплуатационной надежности двигателей ре-дукторных электробуров.

В соответствии с поставленной цельс основными задачами диссертационной работы являются:

1. Проведение анализа эксплуатационных отказов узлов и деталей двигателей РЭ.

2. Определение влияния различных факторов на надежность узлов, деталей и двигателей РЭ в целом, установление физической природы отказов и разработка их вероятностных моделей.

3. Оценка уровня безотказности на базе разработанных моделей надежности узлов и деталей.

4. Г-заработка структурной схемы и создание системной ыоде-ш надежностидаигателя РЭ.

5. Разработка экспресс-методики для оценки рациональных мея-юмонтных периодов двигателей РЭ.

6. Исследование режимов работа и физического состояния дви-'ателей РЭ с учетом астметрии питающей сети.

7. Исследование влияния физико-механических свойств масляно-■о заполнителя полости двигателей РЭ на надежность их работы.

8. Разработка рекомендаций по повышению эксплуатационной вдежности двигателей РЭ.

Методы и средства выполнения исследований.

При реаении поставленных в диссертационной работе задач ис-юльзованы аппарат теории вероятностей к математической статисти-и, теории надежности, методы теории машх выборок и нечетких ножеств, методы расчета режимов электрических машин. Для прове-,ения исследований применялась ЭВМ.

В соответствии с поставленной целью в диссертации получены овые научные результаты:

- создана и обоснована вероятностная модель двигателя РЭ;

- определены показатели надежности узлов и двигателя в це-. ом в условиях ограниченного обьема выборок и нечеткости исход-ых данных;

- исследованы физические процессы, обусловленные особенностью окоподвода к РЭ;

- разработана экспресс-методика определения периодов техни-еского обслуживания и ремонта двигателей РЭ.

Практическая ценность рабдты определяется тем, что пр^ена-ие разработанных методов расчета и прогнозирования надежности вигателей РЭ позволяют изучить закономерности формирования отказе , определить причины возникновения неисправностей и вырасотать

мероприятия, направленные на повышение уровня надежности электрооборудования для бурения скважин.

Предложенные и развитые в работе методы оценки и расчета надежности двигателей РЭ, а также практические рекомендации по повышение надежности внедрены в Украинском секторе специального проектно-конструкторского и технологического бюро по электробурению ВНПО "Потенциал". Результаты исследований могут быть использованы исследовательскими, проектными и эксплуатационными организациями при решении вопросов повышения надежности электрооборудования предприятий нефтяной и газовой промышленности.

К защите представляются следующие основные положения;

1. Результаты исследования эксплуатационной надежности основных узлов и двигателей РЭ.

2. Выбор методов и решение задач оценки и прогнозирования надежности узлов » двигателей РЭ для случаев малых выборок и нечеткости статистической информации.

3. Результаты теоретического и экспериментального исследования режимов работы и физического состояния двигателей РЭ с учетом несимметрии питающей сети.

4. Экспресс-методика определения межремонтных периодов двигателей РЭ.

5. Рекомендации по повышению уровня надежности и эффективности работы двигателей РЭ.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены:

- на Всесоюзном семинаре "Повьшение надежности электрических машин переменного тока" (г.Киев,1987 г., 1939 г.);

- на IX и X сессиях Всесоюзного семинара АН СССР "Кибернетика электрических систем" по тематике "Электроснабжение промышленных предприятий" (г.Новочеркасск, 1987г., 1988г.);

- на научно-технической конференции "Современные тенденции развития газовой промышленности УССР" (г.Харьков, 1989г.);

- на семинаре "Многокритериальное управление энергосберегаю-цими технологиями в электроэнергетике" (г.Яремча, 1988г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубли-ювано 5 работ.

г Структура работа. Диссертационная работа состоит из введе-гая, четырех глав, выводов, списка литературы и приложений. 3абота изложена на 130страницах, включая II таблиц и 12 рисун-сов. Список литературы содержит 92 наименования.

СОДЕРЖАЩЕ РАБОТЫ

Во введений показана актуальность проблемы, определена цель юследований, представлены научная новизна и практическая цен-юсть полученных результатов, сформулированы основные положения, ыносимые на защиту.

Первая глава диссертационной работы посвящена раскрытию роблемы исследования надежности двигателей редукторных электро-уров (РЭ), как обьекта исследования, постановке задач иссдедо-ания. Раскрыты существующие методы исследования надежности лектрических машин, выбраны методы исследования для двигателей Э.

Вторая глава посвящена вероятностно-статистическому иссле-ованию надежности двигателей РЭ. Проведен анализ отказов узлов вигателей: верхний и нижний сальники, обмотка, редуктор, кабель-ай ввод, подшипники. Установлены причины и характер повреждений, зределены факторы, влияющие на надежность двигателей РЭ 'рисЛ.).

Анализ отказов узлов двигателей РЭ позволяет сделать вывод том, что имеется совокупность как внезапных, так и постепенных гказов. Такие процессы наиболее полно описываются распределением

Вэ Йбулла-Гнеданко.

Рио. I. Классификация факторов, влияющих на надежность двигателей РЭ

Установлено, что наименее надежным узлом является обмотка статора двигателей, что обусловило детальное исследование атогс вопроса.

Задача исследования нвде&ностй усложняется малнм объемом с тичвской информации об отказах, что связано о небольшим периоде эксплуатации, спецификой бурения скважин редукторнши электробу ми и проведения ремонтных работ. Раскрыты неполнота и частичная неопределенность исходных данных. Предложено при оверхмалых выб ках попользовать обобщающий показатель надежности, основанный н

теории не четких множеств - нечеткое ожидаемое значение наработки на отказ. При малых выборках наработок хорошую сходимость теоретического и эмпирического распределений дает применение метода статистического оценивания, основанного на задании весов наблюдений. Веса задаются таким образом, чтобы получаемые оценки облагали минимальной дисперсией. Для проверки гипотезы о распределе-гаи Вейбулла-Гнеденко используется 2> -критерий согласия. Разра-5отанные алгоритмы оценивания параметров распределения Вейбулла-1неденко реализованы на ЭВМ.

Определены параметры распределения для узлов двигателей РЭ. !ависимости вероятности безотказной работы узлов от наработки поданы на рис. 2.

1

0,9 0,6 0,7 0,6

0,5

0.4

Ь,мас.

О

50

100

160

аоо

а&о

Рис. 2. Вероятности безотказной работы узлов двигателей РЭ I - подщипник; 2 - нижний сальник; 3 - верхний сальник; 4 - обмотка

При построении модели конструкционной надежности обмотки статора за основу была принята модель "слабейшего звена". В разработанной модификации указанной модели учтено, что отличительной особенностью электробуров нового покаления является протяжная обмотка статора вместо стержневой в ранее изготавливаемых электробурах. При этом исследованы особенности технологических факторов обмото^но-изолировочного процесса и способа намотки обмотки двигателей РЭ. Полученная математическая модель надежности витковой изоляции выражает зависимость ее безотказной работы от: числа витков фазы Wcp; числа элементов обмотки Х\ ; фазного напряжения Uopi напряжения относительно корпуса U^, ; номера витка фазы N ; параметров распределения вероятности пробивного напряжения ck , Uo ; коэффициента импульса Ко

+ о Лае-(Оь/ <ч> 3_ "J ^^

Данное выражение позволяет определить вероятность безотказной работы витковой изоляции в исходном состоянии до процесса эксплуатации.

С целью изучения зависимости вероятности безотказной работы обмотки от внешних факторов проведен сбор и обработка информации об отказах и соответствующих геологических и технологических условиях бурения скважин. В результате анализа установлено, что на надежность обмотки доминирующее влияние оказывают следующие факторы: проходка (П); глубина бурения ( L ); количество долблений

(Д).

Были определены значения основных уровней и интервалов варьирования указанных факторов:

у П-1а.5,5. * 1_-а45Р. ч/ _ А-7 5а » >--Ь§о~» ^ 2~~~

и построена регрессионная модель, уравнение которой имеет вид

Построение модели велось в следующей последовательности: выбор регрессионной модели, оценка коэффициентов регрессии методом наименьших квадратов, проверка статистических гипотез о регрессии.

Для расчета показателей надежности двигателей РЭ на основании известных показателей надежности их узлов разработана структурная схема и системная модель надежности двигателя. Учтено, что распределение наработок до отказа узлов подчиняется закону Вейбулла-Гнеденко. Плотность распределения заданного времени Ъг» наработки до отказа для данного закона имеет вид

Км- V, а*р[-Оч-

где X;.- параметр, определяющий масштаб распределения для 1-го узла;

Оэ;. - параметр формы распределения для и-го узла. Узлы двигателей РЭ, о точки зрения надежности, имеют логически последовательное соединение, то есть отказ дцигателя наступает при отказе хотя бы одного узла. В этом случае время безотказной работы двигателя в целом, при количестве узлов 8 также подчиняется этому закону, параметры которого определяются по формулам:

Ь

где \Sfc- коэффициент вариации параметров .

Третья глава посвящена исследованию физических процессов, обусловливающих отказы двигателей РЭ. Исследования носят как теоретический, так и экспериментальный характер.

Токоподвод к электробуру в значительной степени отличается от токоподвода к обычным электродвигателям. Дня снижения гидравлических потерь в бурильных трубах применяется система питания "два провода-труба" (ДПТ), при которой питание трехфазного двигателя РЭ осуществляется по двухпроводной кабельной линии ( 2.г*с) и бурильным трубам ( Ъ-г ) (рис. 3).

Е* А А. "Е-т -глпгч^-И-I-

__Еь Ь е>

-гуул , |-)

_ёсс с,_,1.9с

-гуул , %|-1

О'

г

Рис. 3. Электрическая схема цепи питания электробура Применение несимметричного токоподвода вызывает асимметрию токов, потребляемых двигателем, которая возрастает с увеличением глубины бурения и.оценивается коэффициентом асимметрии

и- Та

* II "

где ХА, 14 - токи обратной "и прямой последовательности, А ;

сопротивления жилы кабеля и колонны бурильных труб, отнесенных к глубине бурения, Ом/км;

- сопротивление обратной последовательности двигателя РЭ, Оц.

Проведенные исследования показали, что при оценке надежности и долговечности обмоток двигателей РЭ при прочих равных условиях необходимо учитывать влияние тепла и вибрации, обусловленные асим-

метрией токов. Асимметрия токов приводит к перераспределении мощностей по фазам и вызывает дополнительный нагрев изоляции самой загруженной обмотки; изменению технологических параметров процесса бурения; уменьшению максимального момента; дополнительным вибрациям;

Длительная постоянная асимметрия токов приводит к превышению потерь в наиболее загруженной фазе над потерями в двух других фазах (рис.4.)

1 - к«

Рис. 4. Превышение потерь в наиболее загруженной фазе • Таким образом, обладая запасом по механической загрузке, двигатели РЭ, работая при асимнетрии токов, испытывают тепловую нагрузку, превышающую соответствующую механическую нагрузку на валу. Нагрузочная способность и допустимые перегрузки двигателей РЭ ограничены допустимой температурой электрической изоляции обмоток.

Динамический температур!шй режим двигателя, как однородного гела, описывается дифференциальным уравнением

Ь р ^ « С с!<С + сА^,

где - мощность потерь э двигателе в единицу времени, Дж/с; О - теплоемкость двигателя, Дк/°С;

- теплоотдача двигателя, Дж/с • °С; ^ - температура перегрева двигателя над температурой окружающей среда, °С.

Критический режим работы обмоток характеризуется коэффициентом расхода ресурса электрической изоляции

где Тц»С-/,\ - постоянная времени нагрева двигателя.

При повышена температуры изоляции на каждые б °С (на 8, 10, 12 °С) в зависимости от класса изоляции) против расчетной, относительный износ электрической изоляции увеличивается вдвое.

Допустимой температуре соответствует базовый срок службы изоляции обмотки . Срок службы изоляции при температуре ^^ , отличной

от допустимой 9 ощю^^ля&тся ¿ГСг*

"13 - Т£Те оГ ь. в

где ^ - повышение температуры, вызывающее сокращение срока службы изоляции в два раза.

Величина, обратная сроку службы электрической изоляции, определяется как скорость старения электрической изоляции сЛ^—Т^ .

В таблице приведены результаты расчета влияния коэффициента несимметрии на превышение температуры и относительную скорость старения изоляции.

Таблица

Тип | .

электробура |:

Глубина бурения, м

}Величина 'Превышение ¡Относитель-{"Кн, % ¡температуры |ная скорость

А2-

!старения

|ИЯПТ1ЯТ1ММ

ЭР - 164 ЭР - 190

1500 3500 5000

1900 3500 5000

2,41 4,65 б! 25

4,68 7^5 8,62

2,8

7

14

7 12 18

1,25 1,95

з;?

1,95 3

Продолжение таблицы

т (Глубина ШеличинаШревышениеЮтносительная скорость электробура{бУРения» м{ Кн., % |те»т^)ату-[старения^изоляции

ЭР -240 1500 2,18 2,3 1,2

3500 4,45 6,8 1,9

5000 б|27 14 3|7

Несимметрия токов приводит к дополнительной магнитной вибрации двигателей. Следствием этого является снижение срока службы отдельных узлов, и в первую очередь обмотки статора, что усугубляется ее постоянным перегревом, вследствие той же несимметрии, и вибрацией в процессе разрушения породы.

Срок службы при перегрузке по вибрации, выраженный в процентах от срока службы в нормальном режиме, определяется выражением

где базовый срок службы;

среднее время эксплуатации двигателя в.году;

К - коэффициент перегрузки по вибрации, равный отношению вибраций в симметричном и несимметричном режимах.

Таким образом, возможно заблаговременно прогнозировать, каким будет срок службы изоляции при тепловом старении и вибрации, если продолжить эксплуатировать двигатель в том же режиме асимметрии.

В четвертой главе изложен вопрос повышения уровня надежности в процессе эксплуатации. Одним из путей обеспечения высокого уровня надежности двигателей РЭ является применение эффективной системы технического обслуживания и ремонтов.

Рассмотренный в работе подход к определению межремонтного периода основан на особенности кривой интенсивности отказов для

распределения Вейбулла-Гнеденко. Эффективный период проведения ремонтных работ связан с зоной резкого возрастания интенсивности отказов.

Если интенсивность отказов имеет вид

где а, Ъ - параметры распределения Вейбулла-Гнеденко, то значение межремонтного периода определяется выражением

Тмп « ^-Х-Р'

bt

/М

____ 1

о ©^ ьг» —¡с—

t*

где Ац,- значения наработок;

VO-У значения интенсивноствй отказов;

^Xit^ít- корреляционный момент между ;

Со|. - среднее квадратическое отклонение ti ; «гг^у математические ожидания и ;

© , Ъ - параметры распределения Вейбулла-Гнеденко.

Рассмотренный подход дает возможность составить рациональный график предупредительный ремонтов, который позволяет повысить эффективность работы двигателей РЭ.

Помимо акспресс-методики оценки рационального межремонтного периода в главе рассмотрены рекомендации по совераенствосанию свойств масляного заполнителя и по снижению уровня несимметрии токов двигателей РЭ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований можно сформулировать следующим образом:

1. В диссертации разработаны новые и модифицированы существующие методы сценки и прогнозирования надежности, учитывающие особенности конструкции и работы двигателей редукторных электробуров.

2. В результате сбора, обработки и анализа отказов двигателей РЭ определены наиболее повреждаемые узлы. Установлено, что вероятность безотказной работы подчиняется закону Вейбулла-Гнэ-денко, который подтверждается наличием постепенных и мгновенных неханизмов формирования отказов.

3. Разработана методика оценки вероятности безотказной работы узлов и двигателей РЭ в целом, основанная на применении метода статистического оценивания. Предложен при нечеткости исходных данных показатель надежности - ожидаемое значение наработки, основанный на использовании теории нечетких множеств.

4. Установлены внешне фактора, обусловливающие повреждаемость узлов двигателей РЭ. Построена многофакторная регрессионная модель надежности обмотки, позволяющая прогнозировать работу в эксплуатационных условиях. Предложена математическая модель надежности протяжной обмотки.

5. При исследовании режимов электропотребления установлено, что в результате особенности токоподвода "два провода-труба" существует асимметрия потребляемых токов, которая приводит к ускоренному тепловому и вибрационному старению обмотки двигателей РЭ и, как следствие, к преждевременным отказам. Обусловлена необходимость мероприятий по уменьшению уровня асимметрии.

6. В результате изучения эксплуатационной надежности двигателей РЭ и проведенных теоретических исследований разработаны мероприятия, направленные на повышение надежности как узлов, так двигателей РЭ в целом. Предложена методика оценки рационального межремонтного периода. Ожидаемый экономический эффект от внедрения

мероприятий составит 26 тыс.руб. в год.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы.

1. Галущак И.Д. Определение наработки на отказ двигателей погружных электромеханических систем и устройств при неопределенности информации. - К., 1989. - б о. Деп. в УкрНИШГИ 25.05.89,

» 1420.

2. Галущак И.Д., Костырко Я.-В.И. Эксплуатационная надежность двигателей редукторных электробуров. - К., 1989. - б е., Деп. в УкрНИИНГИ 03.11.89, 9 2423.

3. Галущак И.Д., Костырко Я.-В.И., Ожоган В.А. Изучение влажности в техноклимате двигателей редукторных электробуров. - К., 1989. - 5 е., Деп. в УкрНИШПИ 03.11.89, » 2422.

4. Галущак И.Д., Федорив М.И. Проблемы надежности электроснабжения электроб>ров//Научно-техн.конф."Современные тенденции развития газовой промышленности УССР":Тез.докл. - Харьков, 1989.-С. 107.

5.Галущак И.Д., Костырко Я.-В.И. К вопросу определения нечеткой наработки на отказ двигателей погружнык электромеханических систем и устройств// Изв.вузов. Электромеханика. - 1990. -

Р 4. - С. 32 - 35.

Соискатель

Галущак И.Д.