автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Совершенствование методов оценки остаточного ресурса гибких труб колтюбинговых установок

На правах рукописи

ИЛЬИНЫХ Виталий Николаевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ГИБКИХ ТРУБ КОЛТЮБИНГОВЫХ УСТАНОВОК

Специальность 05.02.13 - «Машины, агрегаты и процессы» (нефтегазовая отрасль)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тюмень-2013

5 ДЕК 2013

005542771

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет» на кафедре «Машины и оборудование нефтяной и газовой промышленности»

Научный руководитель: Сызранцев Владимир Николаевич,

доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ

Официальные оппоненты: Быков Игорь Юрьевич, доктор технических

наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Ухтинский государственный технический университет, профессор кафедры «Машины и оборудование нефтяной и газовой промышленности»

Могучее Александр Иванович, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет, доцент кафедры «Нефтегазопромысловое оборудование»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Уральский государственный

горный университет», г. Екатеринбург.

Защита диссертации состоится «-2л » декабря 2013 г. в /1 часов на заседании диссертационного совета Д 212.273.08 в Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу: 625000, Россия, г. Тюмень, ул. Володарского, д.38, ауд. 219 (1-й корпус).

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотено-издательском комплексе ТюмГНГУ по адресу: г. Тюмень, ул. Мельникате, 72. (www.tsogu.ru)

Автореферат разослан «/Т4 »ноября 2013г.

Ученый секретарь Руднева Л.Н.

диссертационного совета

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В настоящее время человечество потребляет все большее количество таких ресурсов, как нефть, газ и газоконденсат, что приводит к необходимости увеличения глубины нефтяных и газовых скважин, использования более сложной их структуры. Одним из наиболее перспективных направлений развития способов бурения, освоения и ремонта скважин является реализация технологии, основанной на применении колонны гибких непрерывных металлических труб (колтюбинг). Данная технология применяется как при строительстве скважины, так и при проведении различного рода технологических операций при ремонтных работах на скважинах.

Гибкая труба, с одной стороны, является основой всего комплекса колтюбинга, а с другой - наиболее критичным его элементом, потеря работоспособности которого ведет к значительным экономическим и производственным затратам. По данным Уренгойского управления интенсификации и ремонта скважин ООО «Газпром подзем ремонт Уренгой», используемая на предприятии гибкая труба изготавливается из стали Н880. В процессе реализации технологических операций труба нагружается внутренним давлением, изнашивается, циклически (малоцикловая область деформирования при осуществлении спуско-подъемных операций) изгибается, накапливая усталостные повреждения. Для обеспечения безопасной и надежной эксплуатации подвески колтюбинга из стали Н880 необходимо перед каждой технологической операцией с заданной величиной риска количественно оценивать число циклов, выдерживаемого трубой, с учетом истории ее нагружения за весь период эксплуатации. Для решения этой задачи необходимо знать закономерности изменения прочностных характеристик материала трубы в зависимости от числа циклов деформирования. Подобные данные в настоящее время для материала гибких труб (стали ШБО) отсутствуют.

Целью исследований является прогнозирование остаточного ресурса труб (числа циклов изгиба с заданной вероятностью неразрушения) с учетом накопленных усталостных повреждений трубы из стали НБ80 за весь предыдущий период эксплуатации.

В соответствии с поставленной целью объектом исследований в работе является накопление усталостных повреждений в гибких трубах, изготовленных из стали Ш 80, а предметом исследований - методы прогнозирования остаточного ресурса гибких труб на основе экспериментальных данных, полученных в процессе малоцикловых испытаний образцов на долговечность.

Для достижения указанной цели в работе были поставлены следующие задачи:

1. На основе кинетической теории механической усталости для малоцикловой области деформирования материала гибких труб построить математическую модель, позволяющую за каждый цикл нагружения рассчитать усталостные повреждения и с учетом фактических законов распределения числа циклов деформирования до разрушения определить границы доверительных интервалов для числа циклов деформирования с заданной вероятностью неразрушения материала.

2. Путем проведения комплекса экспериментальных исследований по определению прочностных характеристик стали Н880 и ее усталостных свойств на образцах, изготовленных из трубы не находившейся в эксплуатации, трубы с 50% и 100% выработанным по износу ресурсом (соответственно Тг =0%, Ту =50%, Ту =100%) установить значения физических параметров математической модели. Для исследования усталостных свойств стали спроектировать и изготовить установку для проведения малоцикловых усталостных испытаний образцов.

3. На основе данных испытаний труб на долговечность разработать алгоритмы расчета параметров математической модели и реализовать их в программном обеспечении.

4. Разработать методику оценки остаточного ресурса гибкой трубы по числу циклов изгиба (спуско-подъемных операций) с заданной вероятностью неразрушения с учетом истории ее нагружения в эксплуатации.

Научная новизна

1. Экспериментальными исследованиями растяжения до разрушения гибких труб (Ту =0%, Ту = 50%, Ту =100%), образцов из этих труб, установлено, что для исследуемой стали (НБ 80) площадка текучести на диаграммах растяжения отсутствует, что исключает возможность оценки повреждений материала путем учета накопленных пластических деформаций.

2. На базе кинетической теории механической усталости построена математическая модель кривой малоцикловой усталости, включающая параметр, отражающий процесс накопления повреждений при циклическом деформирования материала.

3. Обоснована возможность определения поврежденности материала гибкой трубы на основе экспериментальных данных по разрушению образцов.

4. Для расчета чисел циклов деформирования трубы с заданной вероятностью неразрушения предложены оригинальные алгоритмы и численные процедуры, основанные на определении реальных законов распределения чисел циклов до разрушения образцов при фиксированных уровнях напряжений.

Теоретическая и практическая значимость. Основные научные результаты диссертационной работы положены в основу разработанного программного обеспечения, которое может быть использовано в проектных и научно-исследовательских организациях, занимающихся исследованием усталостной прочности деталей, подвергающихся в условиях эксплуатации малоцикловому деформированию. Применение научных ре-

зультатов диссертации позволяет с требуемой вероятностью неразрушения определять остаточный ресурс деталей с учетом истории их нагружения до этапа прогнозирования. Установка, созданная для проведения малоцикловых усталостных испытаний образцов в условиях жесткого режима, используется в ТюмГНГУ для научных и учебных исследований. Полученные данные (с расчетом границ доверительных интервалов) предела прочности стали Ш 80 (для гибкой трубы с Тг =0%, Ту = 50%,ТУ =100%) могут быть использованы при выполнении прочностных расчетов гибких труб.

Методология и методы исследования. Методологической и теоретической основой диссертации является кинетическая теория усталости. При проведении исследований применены общенаучные подходы (формализованный, системный) и методы научного познания (эксперимент, обработка данных статистическими методами, сравнение, математическое моделирование).

Выполненные исследования соответствуют паспорту специальности 05.02.13- Машины, агрегаты и процессы (нефтегазовая отрасль), а именно пункту 5 (Разработка научных и методологических основ повышения производительности машин, агрегатов и процессов и оценки их экономической эффективности и ресурса), пункту 7 (Разработка и повышение эффективности методов технического обслуживания, диагностики, ремонтопригодности и технологии ремонта машин и агрегатов в целях обеспечения надежной и безопасной эксплуатации и продления ресурса).

Положения, выносимые на защиту

- Результаты статических и усталостных испытаний материала (сталь Ш 80 ) гибких труб с Тг= 0%, Тг = 50%, Тг = 100%.

- Математическая модель кривой малоцикловой усталости гибких труб из стали НБ 80, учитывающая повреждаемость материала при заданном уровне напряжений за конечное число циклов деформирования.

- Процедуры и алгоритмы расчета границ доверительных интервалов кривой малоцикловой усталости, учитывающие законы распределения случайных величин (напряжений, числа циклов до разрушения), восстановленные методами непараметрической статистики.

- Методика оценки по усталостной прочности остаточного ресурса гибких труб (с заданной вероятностью неразрушения), учитывающая накопленные повреждения за предшествующий период эксплуатации трубы.

Степень достоверности и апробации результатов. Достоверность полученных данных обеспечивалась проведением работ по растяжению образцов до разрушения в сертифицированной испытательно-диагностической лаборатории ООО «ЯмалСервисЦентр» на поверенном оборудовании, согласованием величины предела прочности (по средним значениям) с данными приводимыми в справочной литературе, применением апробированных методик измерения и обработки экспериментальных данных, статистическим анализом точности измерений, сходимостью результатов расчета кривых малоцикловой усталости с определенной величиной поврежденности материала с кривыми усталости, полученными непосредственной обработкой данных испытаний образцов из гибких труб с Ту = 0% , Ту = 50% , Ту =100%.

Результаты исследований были доложены и обсуждены на V Всероссийской научно-практической конференции Западно-Сибирского общества молодых инженеров нефтяников при ТюмГНГУ «Современные технологии для ТЭК Западной Сибири» (г.Тюмень, 2011); XI международной научно-технической конференции «Чтения памяти В.Р. Кубачека» Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности (г. Екатеринбург, 2013); Международной научно-практической конференции «Фундаментальная наука и технологии — перспективные разработки» (г. Москва, 2013); XXXIII Всероссийской конференции по проблемам науки и технологий (г. Миасс, 2013); Международной научно-технической конфе-

ренции «Нефть и газ Западной Сибири», посвященной 50-ю Тюменского индустриального института (г.Тюмень, 2013). Диссертационная работа в целом была доложена и обсуждена на кафедре «Машины и оборудование нефтяной и газовой промышленности» ТюмГНГУ (г.Тюмень, 2013).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 11 научных работах, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ. Опубликованные материалы охватывают все научные результаты, полученные во время работы над диссертацией.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка литературы из 95 источников. Содержание работы изложено на 142 страницах машинописного текста. Диссертация содержит 16 таблиц, иллюстрирована 57 рисунками.

Основное содержание работы

Во введении работы обоснована актуальность и необходимость методической разработки темы исследования, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, приведены научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе на основе анализа литературных источников проанализированы известные подходы прогнозирования долговечности деталей, определены пути решения поставленных задач.

Во второй главе обоснована необходимость проведения экспериментальных исследований, позволяющих для построения кривой усталости получить данные по числу циклов деформирования до поломки образцов при различной величине напряжений. С этой целью спроектирован, разработан и изготовлен стенд (рис. 1), обеспечивающий циклическое деформирование вырезанных из гибкой трубы образцов прямоугольной формы в условиях консольного изгиба (рис. 2). Следуя методам определения повреждений в малоцикловой области, на стенде реализован жесткий режим нагружения, - при постоянной амплитуде деформации.

Рис. 1 - Стенд для испытаний образцов (1 - образец, 2 - шток нагружающего устройства, 3 — нагружающее устройство, 4 - опоры штока, 5 - счетчик циклов, 6 - неподвижные захваты образца, 7 — двигатель)

Рис. 2 - Деформирование образца, вырезанного из гибкой трубы

Определение напряжений (ст), возникающих в месте разрушения образца, требует знания момента сопротивления (IV) опасного сечения образца, расстояния от этого сечения до точки приложения деформации (Ь), величины возникающего в этой точке усилия (Р), соответствующего заданной величине перемещения штока (6) стенда. Для определения зави-

симости Р = /(3) в работе предложена специальная методика тарировоч-ных испытаний стенда, в результате реализации которой функция ,Р = /(¿>) получена в виде: ^ = 9,60 + 16,5 \18. Путем статистической обработки данных установлено, что погрешность прикладываемого к образцу усилия ^ при заданной величине перемещения штока 8 в диапазоне 1 < 3 < 5 мм не превышает 4,5%, а в диапазоне 2 < д < 5 мм не превышает 2%.

Поперечная форма образцов из гибкой трубы от прямоугольной отличается (рис.2), что учтено в полученном для № выражении:

где г, и г2. - внутренний и внешний радиусы трубы, Ь - ширина образца.

Показано, что реальная геометрическая форма поперечного сечения образцов из гибкой трубы изменяет величину IV (по сравнению с прямоугольной формой) до 37%.

В третьей главе исследуются характеристики статической прочности материала гибких труб (сталь Ш 80) с ту = 0%, Ту = 50%, Ту = 100% (экспертная оценка по данным эксплуатации). Вырезанные из гибких труб образцы (15 штук) прямоугольной формы длиной 300 мм, а также непосредственно гибкие трубы (для возможности разрушения, имеющие сквозные отверстия) в испытательно-диагностической лаборатории ООО «ЯмалСер-висЦентр» на разрывной машине РМ-50 подвергались растяжению до разрушения (рис.3). На рис. 4, в качестве примера, показаны полученные кривые растяжения. Данные статистической обработки результатов испытаний (предела прочности <тв) представлены в таблице 1, из анализа которой следует, что при величине износа стенки трубы 0,2 мм <тв практически не меняется. В то же время увеличение износа стенки трубы до 2,2 мм сгв снижается (по среднему значению) на 20%, что существенно по величине.

\¥ =

а +

зш(2-«)] (г24-Г,4) Г2-5!па-(Г23-г,3)Т / , 2 2 ]' 4 3-а^У-г?) _ [2 '

, а = атсэт-

2-вит (г3-г,3) -г1-Ьг

3 -«-(¿-г,2) 2-г2

Рис. 3 - Разрушенные образцы гибких труб

сМПа 700

600 500 400 300 200 100 0

Л

2 ......... **

^ X

/л^ * ¡//г Ч1_

У1 * м, * > - * хзг

0 6 12 8 24

Рис.4 - Растяжение образцов из трубной стали (штриховая линия) и труб (непрерывная линия), 1- Г„=0%, 2- Ту =50%, 3-7;=100%.

Таблица 1 — Результаты статистической обработки

Серия Ту Износ 0,90 0,90 б шах 0,95 " Втш 0.95 В шах 0,99 т 0.99 Втах

опытов % и, мм МПа МПа МПа МПа МПа МПа МПа

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 0 0,0 602,1 591,1 613,1 586,8 617,4 575,3 628,9

2 50 0,2 597,1 585,4 608,7 580,9 613,3 568,6 625,5

3 100 2,2 481,1 454,6 507,6 444,3 517,9 416,4 545,8

Полученные статистические данные по величине егв использованы в математической модели кривой малоцикловой усталости.

Четвертая глава посвящена исследованию долговечности образцов из гибкой трубы и построению математической модели, описывающей результаты усталостных испытаний образцов.

Представлены данные трех серий испытаний на долговечность образцов (на описанной во второй главе установке), изготовленных из трубы новой {Тг= 0), имеющей 7>=50% и Гк=100% выработанного ресурса, соответственно 40, 39 и 51 штук, в ходе которых для каждой серии получена совокупность значений <тр= 1 ,п.

Для математического описания экспериментальных данных использована полученная Е. К. Почтенным в рамках кинетической теории усталости модель:

^ = —1п<1 +

- г \ -

а-<зг -1

ехр

\ г гТ

1-ехг

!-£> а.

(2)

где N — число циклов нагружения (деформирования); а- максимальное напряжение цикла; <2Т - коэффициент, характеризующий сопротивление детали росту усталостных трещин; иг — предел выносливости детали при коэффициенте асимметрии цикла г ; агТ - циклический предел текучести; £> - степень усталостного повреждения, () - коэффициент выносливости.

Зависимость (2) описывает процесс усталостного повреждения в виде роста степени повреждения от й = £>0 (исходная поврежденность детали или образца) до £> = ,- величина повреждения, соответствующая моменту действия последнего (разрушающего) цикла с напряжением и. Величина Э, в общем случае изменяется в пределах: 0 < < О < < 1.

Решена задача определения значений параметров а', а"гТ и 0;' уравнения (2) на основе имеющейся совокупности данных ^¡,N¡4 = 1,и, сведенная к минимизации квадратичной функции, построенной в соответствии с методом наименьших квадратов.

Минимальное число циклов деформирования (Я), при котором уравнение (2) справедливо, соответствует значению ст = ав. Для расчета Я достаточно в зависимость (2), учитывая определенные выше величины сг'гТ, ег" и (У, войти со значением а = <тв. Кривая (2) в плоскости параметров \gN-cr в зоне малоцикловой усталости близка к прямой линии, угол наклона которой (3):

В результате для мапоцикловой области математическая модель кривой усталости получена в виде:

При прогнозировании ресурса образцов принципиальное значение имеет оценка их долговечности при заданной вероятности разрушения, что требует расчета границ доверительного интервала при а = const. В выражении (4) при фиксированном значении а = const имеются две случайные величины: ав и Я. При этом разброс значений случайной величины Я определяется через разброс значений случайной величины <тв. На основе результатов статических испытаний установлено, что ив подчиняется нормальному закону распределения. Для определения функции плотности

(4)

распределения случайной величины N в работе предложен специальный алгоритм моделирования на основе (4) и данных эксперимента ^¡,N¡,1 = 1 ,п совокупности усталостных кривых, сечение которых при а = const позволяет получить выборку N'(<t = const), i = \,п и методами непараметрической статистики восстановить неизвестную функцию плотности fN(N) случайной величины N:

(5)

(n-N;) к

где K(N) - ядерная функция (в работе использована ядерная функция с нормальным ядром), h,, - параметр «размытости».

Имея функцию fN(N), требуемые по условиям обработки данных усталостных испытаний при <т = сг* = const величины квантилей, например, N^ и N™ , определяющие соответствующие границы доверительного интервала, рассчитываются путем решения численным методом уравнений:

N

0.95

J/v WN = 0,05 и |Л {N)dN = 0,95 (6)

о о

относительно N°fn5 и N°;9X5.

В результате методика прогнозирования числа циклов до разрушения при (т = ¿г* = const заключается в расчете по выражению (4) значения TV и ее уменьшения на величину /V'';-", определенную на основе (6), соответствующей нижней границе доверительного (в данном случае при вероятности неразрушения образцов 0,975) интервала кривой малоцикловой усталости.

В пятой главе представлены результаты обработки данных усталостных испытаний образцов из гибкой трубы с использованием разработанных в четвертой главе методик и реализующих их в среде MathCad программ для ЭВМ.

Для данных испытаний образцов из новой трубы получены значения параметров кривой усталости (2): <хг =263,621 МПа; 2 = 3,209-107; V,, =61,707 МПа; у =50,003 МПа, а гТ =201,914 МПа, которая имеет вид:

ЛГ 3,209-107 , Ж = —-Ы1 +

ехрГ"-263'621!-!

\ 61,707

и показана на рис. 5 пунктирной линией.

о.Ша 700

600

500

400

300

200

2

з 4

4

(7)

5*10*

1хЮ5

1,5хЮ! N

Рис. 5 - Кривая усталости в системе координат N-а, треугольники - экспериментальные точки После чего, при ег' = сгг =263,621 МПа, ав =<тв =602,1 МПа на основе

модели (4) определено выражение кривой усталости для зоны малоцикловых испытаний (рис.6):

<7 = 602,1-121,811-к!—-— + 1|. (8)

1221,474 ) v

а.МПа

Рис. 6 -Результаты расчета: границы доверительных интервалов: 1 - 90%, 2 - 95%, 3 - 99%, 4 - кривая малоцикловой усталости.

Границы доверительных интервалов, показанные на рис. 5 и 6 сплошными линиями, рассчитаны исходя из предположения, что lgjV при <т = const подчиняется нормальному закону.

Для определения границ доверительного интервала с учетом фактического закона распределения N]{a = const), i = l,n методами непараметрической статистики была решена задача восстановления неизвестной функции плотности fN(N) (5) случайной величины N, представленная на (рис.7), с использованием которой, на основе решения уравнения (6), были рассчитаны уточненные нижние границы доверительных интервалов (рис.8). Установлено, что учет фактического закона распределения случайной величины N, число циклов, например, для границы доверительного интервала, соответствующего вероятности разрушения 0,5% уменьшается в 2.4....10 раз.

ЪСЮ ОДбО

0,128 0,96

0,64

0,32 0

0 1хЮ5 2х105 ЗхЮ5 4хЮ3 5хЮ5 N

Рис. 7 - Функция плотности распределения /„(Ж) а.МПа 600

500

400

300

200

1 2 3 4 5 6

Рис. 8- Нижние границы доверительных интервалов, рассчитанные для фактического закона распределения величины ТУ : 1 - 99%, 2 - 95%, 3 - 90%, 4 - кривая усталости.

4 Ч. \ к 4

» \ 2 \ XV > 3

\ зв Ч * \ \

В главе приведены результаты расчета кривых малоцикловой усталости для данных испытаний на выносливость образцов, изготовленных из гибких труб с Ту =0%, Ту =50% и Тг =100% (рис. 9)

а,МПа 600

520

440

360

280

200

1

□ 2

[ с <

_3_/^ ✓ □ -с □ ^ п

[

2.5

3,5

4

Рис. 9 - Кривые малоцикловой усталости (при 50% вероятности разрушения): 1 - труба Т„ = 0%; 2 - труба Ту = 50%; 3 - труба Ту =100%.

Далее в главе представлена методика определения кривых усталости с различной величиной поврежденности и ее реализация. В развитии кинетической теории усталости на основании (2) и (4) для кривой усталости в малоцикловой зоне получена зависимость:

N =

1-10

(9)

1Ы1 +

где:

Ап =

__в _

; в0

( — * ^

<ТВ ~(7 г -1

ехр

&г - <?гТ к г гт /

о:-

поврежденность материала в исходном состоянии.

Для определения значений О,' и <2'т, входящих в зависимость (9) в работе предложен алгоритм, основанный на решении двух трансцендентных уравнений. Для данных испытаний образцов из новой трубы получе-

= -1,731-10"

В0 = 6,903-10"6, <ув =602,1МПа, & = -121,811 и

0;=1,53-1О6,До=Оо*=6,ОО6-1О-".

Поскольку на основании зависимости (2) коэффициент А0 является функцией от О, в развитие (9) получено окончательное выражение для кривой усталости в форме:

1-10 а

1п

У

1-ехр

(1 - о\<т' -агТ\ав -аг)

, (Ю)

позволяющее рассчитать точки кривой малоцикловой усталости для любого фиксированного повреждения материала вызванного действием напряжения сгв течение N числа циклов деформирования.

В качестве примера на рис. 10 в плоскости параметров \gN-cr представлен ряд кривых усталости с различной величиной поврежденности. о.МПа 600

500

400

300

200

100

5 1гК

Рис. 10 - Кривые усталости: 1-0 = 0* =6,006 10""; 2- 0=10"7;3- 0=10"5;4- £>=10^; 5 - 0=10"3 .

С использованием зависимости (10) выполнено описание кривой усталости не только образцов из новой трубы (о =6,006-10"11), но и материала труб с 50% (£>=9,15-Ю"7) и 100% (О =0,025) выработанным ресурсом (рис. 10 светлые кружки и квадраты). Максимальная погрешность в представленном диапазоне чисел циклов не превышает 9%. В отличие от ранее используемой оценки усталостной прочности материала (50%, 100% выработанного ресурса), являющейся, по существу, оценкой экспертной (качественной), получена количественная оценка накопленных усталостных повреждений, использование которой позволяет реализовать эффективные алгоритмы мониторинга усталостной прочности материала гибкой трубы.

При прогнозировании числа циклов до разрушения принципиальное значение имеет знание кривой усталости, соответствующей вероятности разрушения, например, 0,5% или 2,5%, то есть нижних границ доверительного 99%, 95% интервала кривой малоцикловой усталости. В главе решение этой задачи рассмотрено для описания кривой усталости в форме (10). Для практических расчетов нижняя граница доверительного интервала при вероятности разрушения 0,5% описана выражением:

В заключительном подразделе главы излагаются основные методические аспекты прогнозирования остаточной долговечности гибкой трубы с учетом выполненных в диссертационной работе научных исследований.

В фундаментальных работах по колтюбингу отмечено, что при отсутствии заводского брака и нештатных ситуаций при эксплуатации, долговечность гибких труб определяется количеством циклов спуска-подъема и величиной действующих в трубе напряжений, значения которых зависят от геометрических характеристик используемого оборудования (минимального диаметра барабана или направляющих, на которых происходит

(П)

изгиб труб), давления технологической жидкости в трубе, ее диаметра и толщины стенки, а также максимальной глубиной спуска гибких труб. В главе рассмотрена процедура расчета прогнозируемого числа циклов деформирования трубы с заданной вероятностью неразрушения перед выполнением каждой последующей технологической операции с использованием гибкой трубы, которая учитывает историю ее нагружения за время эксплуатации и представляет собой методическое обеспечение процесса мониторинга гибкой трубы по усталостной прочности. Основой методики является определение величины поврежденности материала трубы О по рассчитанному значению <т и числу циклов деформирования трубы N на технологической операции и построение новой кривой усталости (нижней границы ее доверительного интервала), учитывающей полученную повре-жденность материала трубы на данной технологической операции.

Основные выводы и результаты работы

1. В результате исследования механических характеристик стали НЯ 80, применяемой для изготовления гибких труб, установлено, что на диаграмме растяжения площадка текучести металла отсутствует. Определены статистические характеристики предела прочности стали НБ 80 и показано, что при величине износа 0,2 мм или выработанного ресурса 50%, предел прочности стали практически не меняется, а при увеличении износа до 2,2 мм или выработанного ресурса до 100%, предел прочности стали НБ 80 снижается (по средней величине) на 20%.

2. Создана установка по получению в условиях жесткого режима нагружения данных долговечности образцов, разработана и реализована методика тарирования установки, проведены испытания на малоцикловую усталость образцов из новой гибкой трубы, трубы с выработанным ресурсом на 50% и 100%.

3. На основе развития кинетической теории механической усталости построена математическая модель, позволяющая:

• рассчитать поврежденность материала в исходном состоянии;

• определять усталостные повреждения за каждый цикл деформирования материала при заданной величине действующего напряжения;

• путем использования методов компьютерного моделирования и математического аппарата непараметрической статистики восстанавливать фактические законы распределения напряжений и чисел циклов, с учетом которых рассчитываются границы доверительных интервалов.

4. Разработаны и реализованные в комплексе программ алгоритмы и процедуры определения параметров математической модели кривой малоцикловой усталости, алгоритмы расчета с заданной вероятностью неразрушения границ доверительных интервалов. С использованием программного комплекса осуществлена обработка результатов испытаний на малоцикловую усталость образцов изготовленных из новой гибкой трубы, трубы выработавшей ресурс на 50% и 100%. Показано, что математическая модель кривой малоцикловой усталости новой гибкой трубы с достаточной для практического использования точностью описывает результаты усталостных испытаний образцов, имеющих 50% и 100% выработавшего ресурса, накопленные при этом усталостные повреждения определяются количественно.

5. С учетом истории нагружения гибких труб в эксплуатации, разработана методика оценки их остаточного ресурса (по числу допускаемых циклов изгиба) с заданной вероятностью неразрушения.

Список работ, опубликованных автором по теме диссертации

В изданиях, входящих в перечень ВАК РФ: 1. Сызранцев В.Н. Методика обработки данных малоцикловых испытаний гибких труб [Текст] / В.Н.Сызранцев, В.Н.Ильиных, К.В.Сызранцева // На-

учно-технический вестник Поволжья. №2 2013 г. - Казань: Научно-технический вестник Поволжья, 2013.-С.228-232.

2. Сызранцев В.Н. Определение прочностных свойств стали гибких труб [Текст] / В.Н.Сызранцев, В.Н.Ильиных, Г.П.Зозуля, А.А.Земляной, В.Н.Мисник, Н.В.Рахимов, В.В.Дмитрук // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2013.-№4.-С.76-77.

3. Земляной A.A. Применение колтюбинговых технологий для решения проблемных задач нефтегазодобывающих предприятий [Текст] /

A.А.Земляной, М.В. Листак, В.А.Долгушин, Д.А.Шаталов, Г.П.Зозуля Г.П.,

B.Н.Ильиных // Бурение и нефть . - 2013. - №4. - С.44-46.

4. Сызранцев В.Н. Исследование усталостной прочности трубных сталей [Текст]/ В.Н.Сызранцев, В.Н.Ильиных // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. 2013.- № 6.

В остальных изданиях:

5. Ильиных В.Н. Построение математической модели для описания данных малоцикловых усталостных испытаний [Текст]/ В.Н.Ильиных, В.Н.Сызранцев // Фундаментальная наука и технологии — перспективные разработки: Матер, междун. науч.-практ. конференции. 22-23 мая. М., 2013- С.224-226.

6. Ильиных В.Н.Тарирование стенда для малоцикловых усталостных испытаний гибких труб [Текст] / В.Н.Ильиных, В.Н.Сызранцев // Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: Сб. трудов XI междунар. Науч.-техн. конференции «Чтения памяти В.Р.Кубачека»: Екатеринбург, 2013. - с.356-359.

7.Ильиных В.Н. Методика обработки данных испытаний на малоцикловую усталость образцов из гибких труб [Текст]/ В.Н.Ильиных, В.Н.Сызранцев // Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: Сб. трудов XI междунар. науч.-техн. конф. «Чтения памяти В.Р.Кубачека»: Екатеринбург, 2013. - С.288-291.

8. Ильиных В.Н.- Обработка результатов испытаний гибких труб: материалы междунар. науч.-техн. конф. Т.2. Тюмень: ТюмГНГУ, 2013. - С.58-61.

9. Сызранцев В.Н. Методика расчета доверительного интервала кривой малоцикловой усталости [Текст]/ В.Н.Сызранцев, В.Н.Ильиных // Наука и технология. Том 2. Краткие сообщения XXXIII Всероссийской конференции - Миасс: МСНТ, 2013 - с.68-70.

10. Сызранцева К.В. Определение кривой малоцикловой усталости с различной величиной поврежденности материала [Текст]/ К.В.Сызранцева, В.Н.Ильиных // Наука и технология. Том 2. Краткие сообщения XXXIII Всероссийской конференции - Миасс: МСНТ, 2013 - с.71-73.

11. Ильиных В.Н. Стенд для испытания образцов в условиях сложного на-гружения [Текст]/ В.Н.Ильиных, В.Н.Сызранцев, // Сб. науч. Тр. V Всесоюзной науч.-практ.конф. Западно-Сибирского общества молодых инженеров нефтяников при ТюмГНГУ: Society of Petroleum Engineers (SPE). Тюмень. Печатник,- 2011.-C.277-279.

Подписано в печать 25.11.2013. Формат 60x90 1/16. Усл. печ. л. 1,5.

Тираж 120 экз. Заказ №1994.

Библиотечно-издательский комплекс Федерального государственного бюджетного образовательного Учреждения высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет». 625000, Тюмень, ул. Володарского, 38.

Типография библиотечно-издательского комплекса. 625039, Тюмень, ул. Киевская, 52

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Тюменский государственный нефтегазовый университет

04201453880

На правах рукописи

Ильиных Виталий Николаевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ГИБКИХ ТРУБ КОЛТЮБИНГОВЫХ УСТАНОВОК

Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (нефтегазовая отрасль)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ Сызранцев Владимир Николаевич

Тюмень - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ..................................................................... 4

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ............................................................................... 10

1.1 .Колтюбинговые технологии и проблемы эксплуатации гибких

труб.............................................................................. 10

1.2. Математические модели, используемые для описания данных

усталостных испытаний...................................................... 14

1.3.Задачи исследования...................................................... 22

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА УСТАНОВКИ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ УСТАЛОСТНЫХ ИСПЫТАНИЙ ОБРАЗЦОВ ИЗ ГИБКОЙ ТРУБЫ И ПОСТРОЕНИЕ ТАРИРОВОЧНЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ...... 23

2.1. Описание конструкции установки для испытаний образцов из гибкой трубы на усталостную прочность................................. 23

2.2. Расчет напряжений при консольном изгибе образца, изготовленного из гибкой трубы..................................................... 27

2.3. Построение тарировочных зависимостей для стенда усталостных испытаний образцов из гибкой трубы.............................. 38

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ОБРАЗЦОВ ИЗ ГИБКОЙ ТРУБЫ......................................... 56

3.1. Определение механических характеристик материала гибкой трубы на основе растяжения образцов прямоугольной формы...... 57

3.2. Оценка прочностных характеристик материала гибкой трубы

путем растяжения ее образцов.............................................. 68

ГЛАВА 4. ОЦЕНКА УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ ОБРАЗЦОВ

ИЗ ГИБКОЙ ТРУБЫ И РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ

ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ.................. 76

4.1. Изготовление образцов и результаты их испытаний на долго- 76 вечность в условиях консольного изгиба.................................

4.2. Методика обработки данных малоцикловых испытаний образцов на выносливость на основе развития кинетической теории

усталости......................................................................... 81

ГЛАВА 5. РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДИКИ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ ИСПЫТАНИЙ ОБРАЗЦОВ ИЗ ГИБКОЙ ТРУБЫ..................... 99

5.1. Результаты построения кривой малоцикловой усталости на основе испытаний образцов из новой гибкой трубы................... 99

5.2. Обработка данных усталостных испытаний изношенных гибких труб........................................................................ 107

5.3. Разработка методики определения кривых усталости с различной величиной поврежденности и ее реализация.................. 112

5.4. Методика оценки остаточного ресурса гибких труб с заданной вероятностью неразрушения с учетом истории их нагружения в

эксплуатации.................................................................... 128

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.................. 132

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ...................... 134

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В настоящее время человечество потребляет все большее количество таких ресурсов как нефть, газ и газоконденсат. Повышение добычи этих ресурсов реализуется увеличением глубины скважин, использованием более сложной их структуры. Это приводит к необходимости разработки и применения новых технологий бурения, за-канчивания и освоения скважин. Одним из наиболее перспективных направлений развития нефтегазового оборудования является использование колонны гибких непрерывных металлических труб (колтюбинг). Данная технология применяется как при строительстве скважины, так и при проведении различного рода технологических операций при ремонтных работах на скважинах. Основное преимущество, которое позволяет колтюбингу занимать все большую долю нефтегазосервисного рынка, - это его адаптивность и возможность использования в сложных условиях, когда применение традиционных технологий малоэффективно.

Гибкая труба, с одной стороны, является основой всего комплекса колтюбинга, а с другой, - наиболее критичным его элементом, потеря работоспособности которого ведет к значительным экономическим и производственным затратам. В процессе эксплуатации труба нагружается внутренним давлением, изнашивается, циклически изгибается, накапливая усталостные повреждения. Для обеспечения безопасной и надежной эксплуатации подвески колтюбинга необходимо перед каждой технологической операцией с заданной величиной риска количественно оценивать число циклов, выдерживаемого трубой, с учетом истории ее нагружения за весь период эксплуатации. Для решения этой задачи необходимо знать закономерности изменения прочностных характеристик материала трубы в зависимости от числа циклов деформирования. Подобные данные в настоящее время для материала гибких труб отсутствуют.

Целью исследований является прогнозирование остаточного ресурса труб (числа циклов изгиба с заданной вероятностью неразрушения) с учетом накопленных усталостных повреждений трубы из стали НБ80 за весь предыдущий период эксплуатации.

В соответствии с поставленной целью объектом исследований в работе являются накопление усталостных повреждений в гибких трубах, изготовленных из стали Н8 80, а предметом исследований - методы прогнозирования остаточного ресурса гибких труб на основе экспериментальных данных, полученных в процессе малоцикловых испытаний образцов на долговечность.

Для достижения указанной цели в работе были поставлены следующие задачи:

1. На основе кинетической теории механической усталости для малоцикловой области деформирования материала гибких труб построить математическую модель, позволяющую за каждый цикл нагружения рассчитать усталостные повреждения и с учетом фактических законов распределения числа циклов деформирования до разрушения определить границы доверительных интервалов для числа циклов деформирования с заданной вероятностью неразрушения материала.

2. Путем проведения комплекса экспериментальных исследований по определению прочностных характеристик стали Ш80 и ее усталостных свойств на образцах, изготовленных из трубы не находившейся в эксплуатации, трубы с 50% и 100% выработанным по износу ресурсом (соответственно Ту =0%, Ту =50%, Ту =100%) установить значения физических параметров математической модели. Для исследования усталостных свойств стали спроектировать и изготовить установку для проведения малоцикловых усталостных испытаний образцов.

3. На основе данных испытаний труб на долговечность разработать алгоритмы расчета параметров математической модели и реализовать их в программном обеспечении.

4. Разработать методику оценки остаточного ресурса гибкой трубы по числу циклов изгиба (спуско-подъемных операций) с заданной вероятностью неразрушения с учетом истории ее нагружения в эксплуатации.

Научная новизна

1. Экспериментальными исследованиями растяжения до разрушения гибких труб (Ту =0%, Ту - 50%,Ту =100%), образцов из этих труб, установлено, что для исследуемой стали (Н8 80) площадка текучести на диаграммах растяжения отсутствует, что исключает возможность оценки повреждений материала путем учета накопленных пластических деформаций.

2.На базе кинетической теории механической усталости построена математическая модель кривой малоцикловой усталости, включающая параметр, отражающий процесс накопления повреждений при циклическом деформирования материала.

3. Обоснована возможность определения поврежденности материала гибкой трубы на основе экспериментальных данных по разрушению образцов.

4.Для расчета чисел циклов деформирования трубы с заданной вероятностью неразрушения предложены оригинальные алгоритмы и численные процедуры, основанные на определении реальных законов распределения чисел циклов до разрушения образцов при фиксированных уровнях напряжений.

Теоретическая и практическая значимость. Основные научные результаты диссертационной работы положены в основу разработанного программного обеспечения, которое может быть использовано в проектных и научно-исследовательских организациях, занимающихся исследованием усталостной прочности деталей, подвергающихся в условиях эксплуатации малоцикловому деформированию. Применение научных ре-

зультатов диссертации позволяет с требуемой вероятностью неразрушения определять остаточный ресурс деталей с учетом истории их нагружения до этапа прогнозирования. Установка, созданная для проведения малоцикловых усталостных испытаний образцов в условиях жесткого режима, используется в ТюмГНГУ для научных и учебных исследований. Полученные данные (с расчетом границ доверительных интервалов) предела прочности стали Ш 80 (для гибкой трубы с Ту =0%, Ту = 50%, Ту =100%) могут быть использованы при выполнении прочностных расчетов гибких труб.

Методология и методы исследования. Методологической и теоретической основой диссертации является кинетическая теория усталости. При проведении исследований применены общенаучные подходы (формализованный, системный) и методы научного познания (эксперимент, обработка данных статистическими методами, сравнение, математическое моделирование).

Положения, выносимые на защиту

- Результаты статических и усталостных испытаний материала (сталь Ж 80 ) гибких труб с Ту = 0%, Ту = 50%,Ту =100%.

- Математическая модель кривой малоцикловой усталости гибких труб из стали Ш 80, учитывающая повреждаемость материала при заданном уровне напряжений за конечное число циклов деформирования.

- Процедуры и алгоритмы расчета границ доверительных интервалов кривой малоцикловой усталости, учитывающие законы распределения случайных величин (напряжений, числа циклов до разрушения), восстановленные методами непараметрической статистики.

- Методика оценки по усталостной прочности остаточного ресурса гибких труб (с заданной вероятностью неразрушения), учитывающая накопленные повреждения за предшествующий период эксплуатации трубы.

Степень достоверности и апробации результатов. Достоверность полученных данных обеспечивалась проведением работ по растяжению

образцов до разрушения в сертифицированной испытательно-диагностической лаборатории ООО «ЯмалСервисЦентр» на поверенном оборудовании, согласованием величины предела прочности (по средним значениям) с данными приводимыми в справочной литературе, применением апробированных методик измерения и обработки экспериментальных данных, статистическим анализом точности измерений, сходимостью результатов расчета кривых малоцикловой усталости с определенной величиной поврежденности материала с кривыми усталости, полученными непосредственной обработкой данных испытаний образцов из гибких труб с Ту = 0%, Ту = 50% , Ту = 100% .

Результаты исследований были доложены и обсуждены на V Всероссийской научно-практической конференции Западно-Сибирского общества молодых инженеров нефтяников при ТюмГНГУ «Современные технологии для ТЭК Западной Сибири» (г.Тюмень, 2011); XI международной научно-технической конференции «Чтения памяти В.Р. Кубачека» Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности (г. Екатеринбург, 2013); Международной научно-практической конференции «Фундаментальная наука и технологии - перспективные разработки» (г. Москва, 2013); XXXIII Всероссийской конференции по проблемам науки и технологий (г. Миасс, 2013); Международной научно-технической конференции «Нефть и газ Западной Сибири», посвященной 50-ю Тюменского индустриального института (г.Тюмень, 2013). Диссертационная работа в целом была доложена и обсуждена на кафедре «Машины и оборудование нефтяной и газовой промышленности» ТюмГНГУ (г.Тюмень, 2013).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 11 научных работах, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ. Опубликованные материалы охватывают все научные результаты, полученные во время работы над диссертацией.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка литературы из 95 источников. Содержание работы изложено на 142 страницах машинописного текста. Диссертация содержит 16 таблиц, иллюстрирована 57 рисунками.

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 1.1 .Колтюбинговые технологии и проблемы эксплуатации гибких труб

Большинство нефтяных, газовых и газоконденсатных месторождений Западной Сибири находятся в настоящее время на заключительной стадии разработки, которая характеризуется не только снижением дебита скважин, но и целым рядом негативных процессов, требующих реализации специальных технологий поддержания надежного технического состояния скважин [7, 9]. Одним из перспективнейших направлений при бурении, за-канчивании, освоении, эксплуатации, ремонте нефтяных и газовых скважин и интенсификации притока является применение колтюбинговых технологий с использованием колонны гибких труб [7, 8, 9, 23, 24, 25, 26]. Преимущества колтюбинговых технологий, которые сегодня переживают период бурного развития, - их адаптивность и возможность использования в сложных условиях, когда применение традиционных технологий малоэффективно, позволяют колтюбингу занимать все большую долю нефтега-зосервисного рынка [22, 94]. Кроме того, колтюбинговые технологии являются природоохранными, достоинство которых, - уменьшение количества отходов, снижение вероятности аварийных ситуаций и нефтяных разливов, сокращение времени выполнения работ и операций, что обеспечивает большой экономический эффект. Гибкие трубы, первоначально использовавшиеся для выполнения промысловых операций на суше, сегодня успешно применяют на шельфе и на море, где экономические и экологические факторы имеют первостепенное значение [23, 25].

Накопленный опыт реализации технологий с использованием гибких труб свидетельствует [7, 9, 24, 25]:

• сокращается время проведения спуско-подъемных операций;

• отпадает необходимость операций глушения скважин;

• уменьшается период подготовительных и заключительных операций при развертывании и свертывании агрегата;

• соединения, через которые возможны утечки нефти, отсутствуют;

• уменьшается загрязнение продуктивного пласта;

• возможность выполнения различных технологических операций в горизонтальных скважинах;

• повышается безопасность проведения технологических операций;

• исключается загрязнение окружающей среды технологической и пластовой жидкостями.

В настоящее время область применения гибких труб интенсивно расширяется. Они могут применяться при проведении каротажных работ, спуске в скважины инструментов, замене лифтовых колонн, заканчивании и перебуривании стволов скважин, установке гравийных фильтров, установке и снятии гидравлических пакеров без вращения труб и приложения осевой нагрузки, механизированной эксплуатации скважин и многих других [8, 23, 24, 25, 26, 45, 46]

Принципиальным отличием гибких труб от насосно-компрессорных является не только их длина (до 5000 м), но и условия деформирования гибких труб при выполнении технологических операций. При этом в комплексе оборудования колтюбинга гибкая труба является наиболее критичным элементом, подверженным механическому износу, работающему под давлением, испытывающему воздействие конечного числа циклических нагрузок в течение каждой спуско-подъемной операции.

В настоящее время, несмотря на большой объем накопленной информации о работе гибких труб, теория, объясняющая механизм их разрушения в процессе эксплуатации, отсутствует [9]. Наличие подобной теории необходимо для оценки с заданной вероятностью неразрушения долговечности гибких труб и возможностей прогнозирования их остаточного ресурса в промысловых условиях.

При нормальной работе гибких труб, отсутствии заводского брака и нештатных ситуаций при эксплуатации, их долговечность определяется количеством циклов спуска-подъема до потери герметичности. К параметрам режима работы гибких труб относятся [7, 9] минимальный диаметр барабана или направляющих, на которых происходит изгиб труб, давление технологической жидкости в трубе, ее диаметр и толщина стенки, а также максимальная глубина спуска гибких труб. Несмотря на то, что описание, регистрация и анализ перечисленных факторов уже представляет собой сложную задачу, для прогнозирования срока службы трубы в конкретных условиях необходимо иметь методики расчета ее долговечности.

Для количественной оценки числа циклов, выдерживаемых гибкой трубой при ее деформировании и действии внутреннего давления, необходимо знать закономерности изменения прочностных и усталостных характеристик м�