автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Стендовая информационно-измерительная система контроля геометрических параметров насосных штанг в процессе их ремонта

На правах рукописи

00345В^ьв

МЕЛЬКИН Александр Михайлович

СТЕНДОВАЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НАСОСНЫХ ШТАНГ В ПРОЦЕССЕ ИХ РЕМОНТА

Специальность: 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

0 5 НЕ»**

Самара - 2008

003456298

Работа выполнена на кафедре «Информационно-измерительная техника»

Государственного образовательного учреждения высшего

профессионального образования «Самарский государственный технический университет»

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ

Доктор технических наук

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор

кандидат технических наук

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:

МОО «Поволжское отделение Российской инженерной академии» г.Самара

Защита диссертации состоится 23 декабря 2008 года в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.217.03 в аудитории №28 корпуса № 6 Самарского государственного технического университета (ул. Галакгионовская, 141).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах просим направлять по адресу: 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская 244, Самарский государственный технический университет, Главный корпус, на имя ученого секретаря диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета по адресу: ул. Первомайская, 18.

Автореферат разослан ноября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного ( , совета к.т.н., доцент ч- Н.Г. Губанов

Васильчук Александр Васильевич

Шатерников Виктор Егорович

Галиуллин

Рафаэль Минаксанович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Основным способом добычи нефти в мировой практике, по объему и широте применения, является добыча с помощью установок штанговых глубинных насосов (УШГН). Так, в США этим способом эксплуатируется 85% всего фонда скважин (более 470 тыс.), в России - около 59% (более 87 тыс.). Поэтому повышение надежности и эффективности применения УШГН, увеличение межремонтного периода и минимизация аварийных случаев, при которых значительные затраты идут на подъем и спуск всей штанговой колонны, является важной задачей.

Насосные штанги - это составные части штанговой колонны, которая предназначена для передачи возвратно-поступательного движения и продольного усилия от наземного привода к рабочему органу глубинного штангового насоса. Эти насосы работают на глубине 1,0 - 2,0 километров, и каждая колонна состоит из 150 - 300 штанг длиной до 9,5 метров каждая.

В процессе эксплуатации насосные штанги получают различные повреждения (большей частью - искривления), изнашиваются и обрываются. Большинство нефтяных скважин имеют наклонно-направленный профиль, что значительно снижает усталостную прочность штанг. Как показали статистические исследования, большинство обрывов штанг связано именно с наличием у них искривления оси вблизи головки.

В настоящее время существуют центры по ремонту насосных штанг, где производится их вытяжка до момента пластической деформации. Этот ремонт производится, в основном, с использованием ручного труда, что часто приводит к его неудовлетворительному качеству, зачастую штанги просто перекладываются к выправленным.

Следует отметить, что на существующих стендах по ремонту насосных штанг еще меньше внимания уделяется контролю качества правки, т.е. контролю геометрических параметров, а там, где это и производится, делается выборочно и с помощью ручных мерительных устройств. Классификация штанг по условным группам прочности не производится. А в процессе эксплуатации, штанги испытывают миллионы циклов нагружения, и наличие в них искривлений даже в пределах допустимых ГОСТом может привести к обрыву. В результате так и происходит, штанги попадают на участки колонны с нагрузками, превышающими их предел усталостной прочности, что ведет к обрывам колонн и дорогостоящим ремонтным работам.

Из сказанного выше следует, что существующие методики измерения отклонения геометрических параметров насосных штанг, и допустимые значения данных отклонений, включая предписанные

ГОСТом, не дают гарантий их безаварийной работы в течение требуемого периода эксплуатации.

Отсутствие четких функциональных зависимостей допустимой нагрузки на штанги, отклонения их геометрических параметров, и низкая точность определения данных отклонений делает невозможным прогноз о работоспособности новых и отремонтированных насосных штанг.

Получение таких функциональных зависимостей и построение на их основе информационно-измерительной системы (ИИС), выполняющей с высокой точностью измерения геометрических параметров каждой отремонтированной штанги, позволит значительно повысить качество их ремонта. Это даст возможность снизить затраты на проведение ремонтных работ на скважине и потери от простоя скважины. Поэтому, создание ИИС контроля геометрических параметров штанг работающей непосредственно на стендах по их ремонту и позволяющей в сложных климатических и производственных условиях обеспечить высокую точность измерения геометрических параметров насосных штанг, в частности диаметра и эксцентриситета - является актуальной задачей.

Целью диссертационной работы является разработка стендовой информационно-измерительной системы контроля геометрических параметров насосных штанг в процессе их ремонта.

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Проведен анализ дефектных насосных штанг, причин их преждевременного разрушения, а так же анализ технологического процесса ремонта насосных штанг, на основании чего обоснована необходимость автоматизации процесса ремонта и создания высокоточной системы измерения геометрических параметров;

2. Рассмотрены производственные требования к стендовой ИИС контроля геометрических параметров насосных штанг;

3. Разработаны математические модели дополнительных напряжений для различных видов искривлений насосных штанг;

4. На основании полученных моделей определены основные геометрические параметры, подлежащие измерению (диаметр и эксцентриситет), что показало достаточность проведения измерения в двух точках на поверхности штанг;

5. Для измерения эксцентриситета разработаны тестовые методы, позволяющие учесть влияние на результат измерения всех возмущающих воздействий окружающей среды и связанных с этим дополнительных погрешностей;

6. Разработана структурная схема стендовой информационно-измерительной системы для измерения геометрических параметров насосных штанг;

7. Разработан и обоснован тестовый индуктивный преобразователь эксцентриситета насосных штанг. Проведен анализ методических и инструментальных погрешностей измерительной системы.

Основные методы исследования

При решении поставленных задач использовались методы математического моделирования, теория сопротивления материалов, теория погрешностей. Математическая модель разрабатывалась с помощью методов математического анализа и прикладных программ МАТЬАВ.

Научная новизна заключается в следующем

1. Разработан новый тестовый алгоритм функционирования ИИС эксцентриситета оси насосных штанг, в котором, в отличие от известных тестовых алгоритмов, используются только аддитивные тесты.

2. Получено выражение для результирующей методической погрешности разработанного тестового алгоритма измерения, а так же её составляющих, что позволяет, использовать полученные соотношения для измерительных систем, функции преобразования которых аппроксимируются полиномами любого вида.

3. Разработан тестовый индуктивный преобразователь эксцентриситета, обладающий высокой точностью и надежностью, в котором реализован предложенный тестовый алгоритм и устройство формирования аддитивных тестов.

4. Разработана математическая модель напряжений в искривленной насосной штанге, которая, в отличие от известных, позволяет определять предельно допустимую нагрузку для штанг, имеющих сложные виды искривления.

5. На основании разработанной модели сформулированы требования к метрологическим характеристикам измерительных преобразователей эксцентриситета, доказана необходимость совершенствования технологии изготовления насосных штанг и соответственно изменения ГОСТ 13677-96 в части требований, определяющих допустимую кривизну оси концов штанг и методов ее контроля.

Практическая значимость результатов

1. Разработанная автоматизированная ИИС по сравнению с существующими средствами измерения геометрических параметров

насосных штанг обеспечивает высокую точность измерения в сложных условиях эксплуатации на ремонтном стенде.

2. Разработанный в диссертации тестовый алгоритм повышения точности измерения позволил проводить измерения эксцентриситета непосредственно в технологическом процессе ремонта штанг.

3. Разработанная математическая модель насосной штанги позволяет определять её предельно-допустимые нагрузки и ресурс при сложных видах искривления.

Внедрение результатов работы

Результаты диссертационной работы, а именно математическая модель искривленной насосной штанги, алгоритм повышения точности измерения с использованием тестового метода успешно внедрены в ООО «Энерго-Пласт» (г. Балаково).

На защиту выносятся следующие научные результаты:

1. Тестовый алгоритм функционирования ИИС величины эксцентриситета оси насосных штанг, в котором функция преобразования (ФП) измерительных преобразователей (ИП) аппроксимируется полиномами любого вида.

2. Результаты исследования влияния различных составляющих погрешностей тестового метода измерения эксцентриситета оси вращении насосных штанг и выражение для оценки результирующей погрешности измерений.

3. Структура тестовых индуктивно - частотных измерительных преобразователей для измерения эксцентриситета оси вращении насосных штанг и их алгоритмы функционирования.

4. Математические модели дополнительных напряжений для различных видов искривлений насосных штанг, позволившие уточнить допуски и определить места контроля заданных отклонений.

5. Требования к эксплуатационным и метрологическим характеристикам ИИС исходя из особенностей технологического процесса и требуемой точности измерений.

Личный вклад

Основные научные результаты и рекомендации, содержащиеся в диссертационной работе и публикациях, получены автором самостоятельно и под руководством научного руководителя.

Публикации

Основные результаты исследования представлены в 10 печатных работах, в том числе из перечня, рекомендованных ВАК РФ - 3.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, содержит 160 страниц основного текста, 31 рисунок, список литературы из 67 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, определены цель и задачи диссертационной работы, сформулированы положения, выносимые на защиту.

В главе 1 проведен анализ насосной штанги, как объекта исследования. Исследованы факторы, влияющие на длительность работы штанг, выявлены наиболее частые причины обрывов штанг во время эксплуатации. К ним относятся наличие искривления оси штанги вблизи её головки и несоосность осей головки и тела штанги.

Проведен анализ существующих методов контроля геометрических параметров насосных штанг и обнаружения различных дефектов. Сформированы эксплуатационные и технологические требования к стендовой ИИС контроля геометрических параметров насосных штанг в процессе их ремонта.

Показано, что для уточнения метрологических требований к ИИС, а также для более точного определения зависимости ресурса штанги от отклонения её геометрических параметров и исследования данной зависимости, необходимо создание математических моделей напряжений при различных видах искривлений.

В главе 2 для создания математической модели напряжений в искривленной насосной штанге рассмотрен участок колонны насосных штанг, включающий в себя соединение длиной 1С (рис. 1а) и прилегающие к головкам участки тела штанги. Выделены основные («чистые») виды искривления насосных штанг схематично изображенные на рисунках 16г:

- искривление по радиусу оси тела за головкой (рисунок 16);

- перекос оси головки (рисунок 1в);

- параллельное смещение оси тела относительно оси резьбы головки (или муфты), иначе - несоосность резьбы и тела (рисунок 1г).

Проведен анализ основных видов искривления насосных штанг. Для основных видов искривления получены уравнения расчета напряжения изгиба в наиболее нагруженных сечениях. Показано, что зависимости, полученные с использованием теории упругого изгиба кривого стержня, дают более точные значения, чем аналогичные

зависимости, полученные с использованием теории упругого изгиба прямого стержня.

М

Ха Х1 Хз Хз Х< Хб ХеХ? Хв Хз Хо

а)

2а о

фо

б)

6 V

Г-'

в)

Рисунок 1

Получены уравнения расчета напряжений изгиба штанг при комбинированных видах искривления (перекос оси и несоосность, искривление оси за головкой с радиусом р0 у обоих соединенных концов, перекос оси головки у обоих соединенных концов). Показано, что все другие более сложные искривления можно представить комбинацией двух

основных видов - перекоса оси головки, характеризуемого углом фс, и несоосностью, определяемой биением поверхности тела в сечениях, проходящих через точки А и В.

Анализ выражений полученных для комбинированных видов искривлений показал, что они могут быть получены методом суперпозиции (наложения) решений, полученных независимо друг от друга для каждой составляющей комбинированного искривления.

Принцип суперпозиции применительно к комбинированному искривлению концов штанг изложен следующим образом.

Пусть на участке оси, нагруженной усилием Р (рисунок 1а), колонны штанг, включающем соединение, имеется комбинированное искривление одного или обоих соединенных концов с i=n составляющими. Для каждой /-ой составляющей комбинированного искривления определим изгибающий момент в сечении х

Mi(x) = Pyt

где y>i~f(x) отклонение оси колонны от линии действия силы, обусловленное действием изгибающего момента М((х), независимо от моментов, соответствующих другим составляющим комбинированного искривления.

Построив эпюры изгибающих моментов Mi (х) для всех составляющих искривления и сложив их с учетом знаков, получим эпюру результирующего момента

М(х)=£А/,(Х), (1)

/=1

которая и определяет результирующее напряжение изгиба.

Другими словами, изгибающие моменты А/,(х) от отдельных составляющих комбинированного искривления суммируются по общепринятому в сопротивлении материалов правилу. Это правило распространяется и на случай пространственного искривления, когда составляющие комбинированного искривления расположены в разных плоскостях.

В этом случае результирующий изгибающий момент М(х) определяется векторной суммой моментов Mj(x) для составляющих искривлений

М(х) = ±М,(:с). (2)

Используя принцип суперпозиции, для примера, определили напряжение изгиба в сечении А для случая равного перекоса оси головки у обоих соединенных концов:

= -2А'с1 -Еар% - 2Кс2 ГЕ(ГрП =

= " ДС + 2ТкГ ~ = ~2(1" 2Дс)^о = о,

что совпадает с выражением, полученным исходя из теории упругого изгиба кривого стержня.

Таким образом, в сложных случаях комбинированного искривления расчетные выражения для определения изгибающих моментов и напряжений изгиба могут быть получены суперпозицией решений, найденных для каждого из искривлений отдельно, без учета их взаимовлияния, что позволяет существенно облегчить решение практических задач контроля искривления и определения допустимых параметров искривления.

В главе 3 рассматривается создание стендовой информационно-измерительной системы контроля геометрических параметров штанг. Отмечено, что в целом стенд по ремонту насосных штанг состоит из трех блоков: подготовки к правке, правки и проверки остаточного искривления вблизи головки штанги. И самое важное место, с точки зрения влияния на конечный результат, занимает операция проверки остаточного искривления.

Рисунок 2

Для измерения параметров искривления наиболее приемлема схема измерения, при которой базовая деталь (муфта) индикатора-1 располагается на резьбе головки контролируемой штанги - 4 (рисунок 2). Стрела индикатора-2, на которой установлены измерительные преобразователи - 3, может вращаться вокруг оси муфты-1 на подшипниковой опоре-5.

Резьба базовой детали индикатора должна быть выполнена с положительными допусками (люфтом) относительно резьбы штанги таким образом, чтобы за счет данного люфта при затяжке муфты индикатора происходило базирование индикатора на плоскости упорного торца, даже если эта плоскость не является перпендикулярной к оси резьбы ниппеля.

В этом случае индикатор имитирует свинчивание контролируемой штанги с бездефектной (в части искривления оси) штангой и позволяет определить перекос осей контролируемой и бездефектной штанги независимо от причины перекоса. Причиной перекоса может быть искривление оси самой головки или неперпендикулярность упорного торца оси резьбы или комбинация обоих указанных факторов.

Подробно рассмотрены предельные величины отклонений, при которых напряжения изгиба, в наиболее натруженных сечениях будут в пределах допустимых значений. Показано, что при соединении двух концов штанг, каждый из которых имеет предельно-допустимое искривление, напряжение изгиба аИ(А) или сги(В) может превысить аналогичное напряжение, определенное при одном искривленном конце в два раза.

Показано, что данное устройство позволяет определить суммарное влияние всех видов искривлений на напряжения изгиба штанги. Наиболее опасным является комбинированное искривление конца штанги, при котором перекос оси головки и несоосность направлены в разные стороны. При тех же величинах предельных отклонений Б! или Б2 напряжение изгиба для данной схемы может вдвое превысить аналогичное напряжения для чистого перекоса оси головки или несоосности.

Доказано, что необходимо совершенствование технологии изготовления насосных штанг и соответственно изменение ГОСТ 1367796 в части требований, определяющих допустимую кривизну оси концов штанг и методов ее контроля.

В главе 4 описывается разработанный тестовый метод измерения эксцентриситета оси штанги относительно оси её вращения. На основании анализа диапазона измеряемых величин сформированы требования к метрологическим характеристикам измерительных преобразователей.

Показано, что измерительный канал ИИС при измерении диаметра, должен обеспечить погрешность измерения не превышающую 0,1%. При этом диапазон измерения должен лежать в пределах от 5 до 20 мм.

Рассмотрены случаи изменения измеряемого параметра в процессе принудительного вращения штанги при наличии каверн, истирания, эксцентриситета, что позволило определять наличие именно эксцентриситета.

Получено выражение, позволяющее связать величину эксцентриситета и углов поворота штанги с диаметром штанги.

Для исключения влияния аддитивной составляющей погрешности предложено проводить измерение диаметра и эксцентриситета двумя включенными встречно преобразователями.

Например, для линейной функции преобразования результаты измерения радиуса К0 двумя преобразователями запишутся в виде:

=а1+«2(/?0+х)

у2 =а\+а'2(.Яо-х) вычитая одно из другого получили:

У1 ~Уг ~ («1 - а'\) + (д2 ~ «2 )Яо + х(°2 + а\ ) • (4)

Как видно из полученного уравнения при а1 = а\ и а2 - а\

результат измерения эксцентриситета не зависит от аддитивной составляющей ФП и величины Щ радиуса штанги

* = (5)

Но создание двух идентичных измерительных преобразователей очень сложная техническая задача. А специфика измерения эксцентриситета предусматривает вращение штанги, следовательно, при измерении эксцентриситета можно использовать только один измерительный преобразователь, используя результаты измерений полученные при минимальном и максимальном значениях измеряемой

величины, т.е. при повороте штанги на 180°.

Для исключения влияния аддитивной и мультипликативной составляющих погрешности на результат измерения эксцентриситета, разработаны тестовые алгоритмы функционирования системы для ИИС, функции преобразования которых, описываются функциями любого вида.

В общем виде функция преобразования ИИС аппроксимируется полиномом

>'0 = а1 +(х0 ±х) + аз(х0±х)2+... + ап(х0 ±ху-1 . (6) Используя аддитивные тесты запишем результаты тактовых измерений для измерительного канала ИК]

Л) = «1 + «2 (х0 + х) + а3(х0+х)2+... + ап (х0 +Х)"'1

у1=а1 + а2(х0+х + в1) + а3(х0 + х + 91)2+... + ап(х0+х + в1)п 1

Уп — а1+а2 Оо +х + 6п) + аз (хо + х + вп

2 2 2 2 Для измерительного канала ИК2

Уо=а\ + а2 (х0-х) + а3(х0-х)2 +... + а„ (х0 - х)"-1

У\~а\+ «2[*о ~(*+ $[)] +а31х0-(х +в,)]2+... + а„[х0 ~(х + в1)]""'

(В)

У„=а1+а2[х0-(х + в„)]+а3[х0-(х + в„)] +... + ап[х0-(х + 9„)]" 2 2 2 2

Проведя попарно вычитание уравнений из системы (7) и (8), а так же полагая, что п- четное число, представим системы уравнений (7) и (8) в виде

Уо~Уо =Ь1х+Ь2х3 +Ь$х5 +... + ЬпхпА

у1-у'1=Ь1(х + в1) + Ь2(х + в1)г +Ых+вд5 +-+Ь„(х + 61)пА

Уп-Уп =ь1(х+вп)+ъг(х+вп)г 4-г>3(*+0«)5+...+Ь„(х+9п)" 1

(9)

2 2 2 2 2 2 2

где Ь = £ Д|0-1)0-2)...(/-7)х,О-+1) (10)

¿=у+1 Л

Обобщенный тестовый алгоритм повышения точности результата измерения сводится к решению системы уравнений (9) относительно измеряемой величины х при одновременном исключении влияния на результат измерения эквивалентных параметров Ьр связанных с параметрами а1, а2,..., а„ ФП исходных ИП зависимостью (10).

После преобразований, запишем для искомых параметров ФП преобразователя, обобщенное соотношение в виде

1

*/ =

2

М 2

п .

сГ

X П Квр-вг)(1х+вр+вг)\ I (х+ва)2(х+ва1)г...(х+0а )2]}

а*] г

.(11)

Подставляя решения (11) в уравнение (9) получим основное тестовое уравнение, связывающее результаты тестовых измерений у, величины образцовых приращений 9 и измеряемую величину х:

(Уо-Уо)(?+01)(х+02):.(.х+вп) П [(^+Ой)]=х{1Н)'+101 -Л)

2 уЛ

фЩ)(х+02).. .(х+ви)(х+0у+1)...(х+0„) П {(др-О^Ъ+Ор^Щх+в^)2 X

2 1<$<р£,-

х(*+0>)2-.(-х+0и)2}+.. ^.¿"{х

2 &

м .

—I

С2 п

х(*+0>+1М*+0„) П Шр-О^+вр+в^I I )2]}+

2 ^ 2"

Л

- . п

7=1 2

и .

—I

п

(12)

. П

7=1 2

х П [(Ор-в^Ъ+в^)]

Таким образом, получено тестовое уравнение с одним неизвестным х. Влияние всех параметров Ь\,Ь1,...,Ь1,...,Ьп, а следовательно и

2

а1,а2,...,ап...,ап функции преобразования на результат измерения исключено.

Рассмотрен тестовый алгоритм для каналов измерения, аппроксимируемых линейными ФП. Проведя соответствующие преобразования получили:

(Уо-Уо)в

(Л-Л)-О'о-^о) Выражение (13) является тестовым алгоритмом измерения для ИК аппроксимируемых линейными функциями преобразования, структурная схема, которых при совместной работе приведена на рисунке 3. Как видно из (13) результат измерения не зависит от параметров а\,а2,ФП, а точность его в основном определяется точностью задания образцового приращения д.

Рисунок 3

При этом следует иметь ввиду, что составляющая в теста, является мерой при измерении величины х и обладает той же размерностью.

При описании функции преобразования измерительного канала полиномом второй степени можно получить тестовый алгоритм вычисления, аналогичный (13).

Это можно доказать, на примере двух тестовых измерений, в результате которых системы уравнений (8) и (9) примут следующий вид:

У о = «1 + а2 (*0 Оо + *)3

Уо = а\+а2(х0-х)+а3(х0-х) У! = Я} + а2(х о + х + &) + а3(хо + х+0) у1 = а\ + а2(х0 ~х-в) + а^(х0 +х-в) УЪ-УО =(2а2+4а3х0)х У\-У\ =(2а2+4а3х0Хл: + (9)

(14)

Из (14) легко получить алгоритм вычисления х, путем деления друг на друга последних двух уравнений:

откуда

УО'УО ^ (2а2+4а3х0)х _ х у1~у\ (2а2+4азх0)(х + ^) х + в

(15)

(Л-лЬО'о-Д'о) Случай линейного и квадратичного описания ФП измерительных каналов, отличаются только параметрами Ь^ В линейном случае Ь1 = 2а2, а в квадратичном = 2а2 + 4а$хд, но всвязи с тем, что параметры ¿>, не входят в алгоритм вычисления измеряемой величины соотношения (15) и (16) являются идентичными. Заметим, что аналогичный вывод можно сделать при анализе основного обобщенного тестового уравнения (12).

В главе 5 анализируются погрешности тестового алгоритма измерения эксцентриситета оси вращении насосных штанг, и приводится структура разработанного тестового индуктивно-частотного измерительного преобразователя.

Получено выражение результирующей методической погрешности позволяющую учесть все составляющие, возникающие при проведении тактовых измерений, при использовании в качестве аппроксимирующей функцию преобразования измерительного канала полинома (п-1)-й степени:

п п

/=1 /=1

2

т

п Щ-вё)(2х+вд+9в)1Ъ(х+в1Мх+влГ..Хх+вр г]}

и » И

^ Г

-{(Л0-Д0)](х+^)(х+^)......(х+вп) П

2 1<8<д<^

(16)

Результирующая методическая погрешность для линейных и квадратичных функций преобразований может быть представлена в виде:

Арез = (А] - А] )х - (Ао - Д о )(х + в) , (17)

/¿(*) = 0'1-Л)-0'о-Л)- О8)

Из (17) и (18), учитывая (16) для Авх получили:

4« = 2Ь(4'-А'1,-^?(А»-Л»)' °9)

Представлено выражение относительной приведенной ко входу погрешности 5вх тестового алгоритма преобразования описанной линейной или квадратичной частичной ФП:

Sex=-^-(Al -Д1)--1-(До-А'о)--^-(А0 -Д0) . (20) 2а2& 2а20 1а2х

Проведя соответствующие преобразования для ДА получили:

/=2 1!

п

x^x + ^Mx + i^) П l{eq-egX2x+eq+eg)]x(-\)i П H2x9q + 9^)]}+...+ 2 1 <g<q<£ Нд<"2

1=2 U

л

2 lig<?S-

П Н2х0? +^)]}+...+(-1)л{ I а,(;-1)[(*о + (х0 -хОоЬ^ГЧЛ,?, }*

^ '=2 I I

1! 2» IX ¿, —1 Ц

2

п

х(-1)2 П [-(2х99 + ф]} (21)

л

Ыдй-2

Выражение (21) является обобщенным и из него могут быть получены выражения для ФП аппроксимируемой полиномами любой степени. Так при линейной и квадратичной ФП исходного канала измерения из (21) получили:

х'Ео)

°0 1! 2! Из (22), учитывая (18) для приведенной к выходу ИК динамической погрешности Ай получили:

+ . (22)

вх в 1! 21

Для определения влияния динамической погрешности на точность измерения использованы два метода. Один из них основан на проведении дополнительных тактов преобразования, в процессе которых определяется

не только измеряемая величина, но и ее производные. Другой метод основан на проведении измерений рядом параллельно работающих идентичных измерительных каналов, что позволяет при сохранении

быстродействия исключить влияние погрешности Ад на результат.

вх

Проведено исследование погрешности неадекватности аппроксимирующего полинома реальной ФП Д'Мм ■ Получено обобщенное

опту

выражение для Аумм :

оту

А'мм + П +0 )](24)

оту (л+1)! -2 2 - л

2 г

Получены выражения неадекватности аппроксимирующего полинома для линейной и квадратичной функции преобразования.

В рассматриваемой ИИС, для измерения перемещений в диапазоне до 20 мм, выбраны индуктивно-частотные датчики на основе генераторных схем, у которых элементами частотозависимых цепей являются индуктивности первичных измерительных преобразователей.

Показано, что в отличие от тестовых измерительных преобразователей с механическим смещением катушки индуктивности, преобразователи с переключаемыми секциями индуктивностей не имеют подвижных частей, что значительно упрощает конструкцию индуктивного преобразователя, повышает его надежность и долговечность. Кроме того, позволяет использовать их при аппроксимации исходной ФП полиномами более высоких степеней, требующих реализации нескольких аддитивных тестов.

Рисунок 4

Структурная схема тестового индуктивно-частотного преобразователя для канала измерения эксцентриситета оси вращения насосной штанги приведена на рисунке 4.

На рисунке 4 приняты обозначения: 1 - ферритовый сердечник; 2 -катушка индуктивности; 3 - коммутатор; 4 - генератор; 5 - устройство управления. Катушка индуктивности содержит основную катушку I —Г и четыре вспомогательных 1 - /; / - 2;1'-/': Г-2 .

Вспомогательные катушки имеют одинаковые размеры и число витков, при чем размеры дополнительных катушек /,• равны образцовому приращению в, выраженному в единицах перемещения. Наличие четырех дополнительных тактовых секций объясняется тем, что при всех видах тактовых измерений общая длина катушки индуктивности, а следовательно и число ее витков, должны быть неизменными и равными длине /0 исходной катушки, участвующей в первом (основном) тактовом измерении.

Функция преобразования индуктивно-частотного преобразователя описывается полиномом второй степени, следовательно, при первом

тактовом измерении (отнеся его к максимальному отклонению >'0тах оси вращения штанги по оси х-х) можно записать в виде У0 max =

где Rq - радиус насосной штанги, х - эксцентриситет оси вращения.

Второе тактовое измерение производится при подключении дополнительной катушки 1-1 и отключении 1 '-I'. При этом длина катушки 1-1' остается равной длине исходной катушки И', но рабочая зона, в которой находится сердечник - 1, увеличивается на величину 0.

Второе тестовое уравнение запишется в виде

>'0тах =а1 + а2(Яо+х + в) + а3(Я0+х + в)2

После второго тактового измерения, коммутатор 3, переводит катушку индуктивности в первоначальное состояние.

Устройство управления вращения насосной штанги поворачивает

последнюю на 180° относительно оси х-х, вновь происходит исходное тактовое измерение >'omin ПРИ минимальном значении измеряемого параметра.

Jo mm = а\ + «2(^0 ~ х) + xf

Второе тактовое измерение производится при подключении дополнительной катушки Г-2' и отключении 1-2. При этом длина катушки

2-2' также равна длине /0 исходной катушки 1-Г, а рабочая зона, в которой находится сердечник -1, уменьшается на величину в. Второе тактовое уравнение запишется в виде

Л)mm = «1 + «2(^0-х-в) + а3(Щ -х-в)2 Составляя из двух групп уравнений систему и решая ее аналогично вышеописанному способу, получили тестовый алгоритм вычисления эксцентриситета оси вращения штанги

х __.УОтах "У0min _д

(у'0 max ~ У 0 max) ~~ O^Omin ~У0 min ) Результаты проведенных исследований были подтверждены экспериментально при создании опытного образца преобразователя с переключаемыми секциями индуктивностей в организации ООО «ЭнергоПласт».

Данный образец преобразователя, из-за предполагаемой эксплуатации в условиях повышенной влажности, был изготовлен в корпусе из нержавеющей стали. Внутри корпуса находятся направляющие для контактного штока и пружина для возвращения штока в начальное положение. А также катушка индуктивности с переключаемыми секциями и сердечник, прикрепленный к контактному штоку. Образец был размещен на модели устройства определения остаточного искривления вблизи головки насосных штанг, как показано на рисунке 5.

Рисунок 5

Управление правкой и измерение эксцентриситета осуществлялось с помощью а-контроллера (производства MITSUBISHI ELECTRIC). Измерения производились на насосных штангах, имеющих различные виды и величины искривления.

При этом результаты измерений имели погрешность не превышающую 0,1% от заданного диапазона перемещения контактного устройства, что полностью удовлетворяют требованиям предъявляемым к системе и по ГОСТу, и по более жестким требованиям, указанным в четвертой главе настоящей работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Диссертационная работа посвящена решению актуальной задачи создания стендовой информационно-измерительной системы контроля геометрических параметров насосных штанг в процессе их ремонта, обеспечивающей высокую точность измерений в сложных условиях эксплуатации. Проанализированы причины преждевременного разрушения штанг, разработана математическая модель напряжений при различных видах искривлений насосных штанг. На основе полученной модели разработано устройство для определения суммарного влияния всех видов искривлений на усталостную прочность штанги. Разработан тестовый алгоритм измерения эксцентриситета оси штанги относительно оси ее вращения. Проведен анализ влияния различных погрешностей на результат измерения. Показана эффективность использования разработанной ИИС.

В работе получены следующие основные результаты:

1. В результате анализа причин обрывов насосных штанг в процесс их эксплуатации показано, что большинство преждевременных обрывов насосных штанг связано с накоплением усталостных повреждений между твердой муфтой и переходной областью и более гибким телом штанги.

2. Разработаны математические модели дополнительных напряжений в штанге при перекосе оси головки, несоосности резьбы и тела штанги, а также при сложных искривлениях, включающих искривления нескольких видов. При этом показано, что сложные искривления можно свести к комбинации двух основных видов чистого искривления - перекосу оси головки и несоосности. Исследованы случаи искривления обоих соединенных концов.

3. Описано предлагаемое устройство для определения величины искривления вблизи головки насосной штанги, которое позволяет определить суммарное влияние всех видов искривлений на напряжения изгиба штанги. Рассмотрены величины отклонений, при которых напряжения изгиба, в наиболее нагруженных сечениях лежат в пределах допустимых значений и показано, что необходимо совершенствование технологии изготовления насосных штанг и соответственно изменение ГОСТ 13677-96 в части требований, определяющих допустимую кривизну оси концов штанг и методов ее контроля.

4. На основании анализа уточненного диапазона измеряемых величин сформированы требования к метрологическим характеристикам измерительных преобразователей. Рассмотрено, как изменяется измеряемый параметр в процессе принудительного вращения штанги.

5. Разработаны тестовые алгоритмы функционирования системы измерения диаметра и эксцентриситета оси вращения насосных штанг для

ИП, функции преобразования которых, описываются функциями любого вида. Получен тестовый алгоритм для измерительных каналов, аппроксимируемых линейной ФП. Предложена структурная схема, позволяющая реализовать тестовый алгоритм измерения для ИК, имеющих идентичные и линейные функции преобразования.

6. Для определения результирующей погрешности ИИС рассмотрены влияния статической и динамической погрешностей на результат измерений, а также проведено исследование погрешности неадекватности аппроксимирующего полинома реальной функции преобразования.

7. Показано, что в рассматриваемой ИИС для измерения перемещений в диапазоне до 20 мм с заданной погрешностью, эффективными являются индуктивно-частотные преобразователи с переключаемыми секциями индуктивностей, которые не имеют подвижных частей, что упрощает их конструкцию, повышает надежность и долговечность, и позволяет использовать их при аппроксимации исходной ФП полиномами более высоких степеней, требующих реализации нескольких аддитивных тестов.

НАУЧНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Куликовский K.JL, Мелькин A.M. Математическая модель для автоматического контроля состояния насосных штанг // Вестник Самарского государственного технического университета, серия «Технические науки» №35 Самара 2008. - с. 191-193.

2. Васильчук A.B., Мелькин А.М Измерение изгибающего момента в сечениях штанговых колонн глубинных насосов // Известия Самарского научного центра РАН, выпуск 5, Технологии управления организацией. Качество продукции и услуг / Самара - 2008. - с. 13-16.

3. Васильчук A.B., Мелькин A.M. Анализ методических погрешностей и способов их уменьшения при измерении эксцентриситета насосной штанги относительно оси ее вращения // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. Выпуск 3, Пензенский государственный университет - 2008. - с. 23-26.

4. Мелькин A.M. Автоматизация процесса ремонта и контроля состояния насосных штанг. Автоматизированный стенд по ремонту насосных штанг // Труды Поволжского регионального Научно-Технического центра Метрологической Академии РФ, выпуск 16, том 2, серия ИИУС / Самара - 2005. - с. 44-52.

5. Куликовский K.JL, Мелькин A.M., Чистяков М.В. Измерение изгибающего момента в сечениях обсадных, НКТ и штанговых колонн, находящихся в искривленном интервале ствола скважины // Труды

Поволжского регионального Научно-Технического центра Метрологии Академии РФ, выпуск 17, серия ИИУС / Самара - 2005. - с. 35-43.

6. Мелькин A.M. Автоматизация процесса измерения геометрических параметров насосных штанг перед их ремонтом. ИИС блока подготовки штанг к правке // Сб.науч.статей, Информационно-измерительные и управляющие системы / Самара - 2008. - с. 48-58.

7. Мелькин A.M., Анализ факторов приводящих к обрывам колонн насосных штанг во время эксплуатации // Труды Поволжского регионального Научно-Технического центра Метрологии Академии РФ, выпуск 19, серия ИИУС / Самара - 2007. - с. 143-150.

8. Мелькин A.M., Математическая модель насосной штанги для автоматического определения предельно-допустимых величин искривления // Труды Поволжского регионального Научно-Технического центра Метрологии Академии РФ, выпуск 19, серия ИИУС / Самара -2007.-с. 150-165.

9. Куликовский K.JI., Мелькин A.M. Тестовые индуктивно-частотные ИИС эксцентриситета насосных штанг // Сб.науч.статей, Информационно-измерительные и управляющие системы / Самара - 2008. - с. 59-65.

10. Мелькин A.M., Мельников Е.В., Татаренко Е.И. Программирование a-контроллера с помощью LVS программного обеспечения: учебное пособие,- Самара.: Самар.гос.техн.ун-т, 2007. - 93 с.

Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д 212.217.03 ГОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» (протокол № 9 от 14 ноября 2008 года)

Заказ № 778, Тираж 100 экз. Отпечатано на ризографе. Самарский государственный технический университет Отдел типографии и оперативной печати 443100, г.Самара, ул. Молодогвардейская 244

Введение

1 Анализ объекта контроля и ремонта

1.1 Насосная штанга как объект контроля и ремонта

1.2 Анализ факторов приводящих к обрывам колонн насосных штанг во время эксплуатации

1.3 Анализ методов измерения параметров насосной штанги

1.4 Эксплуатационные требования к ИИС

Выводы к первому разделу

2 Разработка математической модели для определения предельно- 31 допустимых величин искривления насосных штанг

2.1 Основные виды искривления оси колонны насосных штанг

2.2. Математические модели простых видов искривлений штанг

2.3 Математические модели комбинированных видов искривления

2.4 Анализ полученных зависимостей

Выводы ко второму разделу

3 Устройство для стендового контроля состояния насосных штанг

3.1 Описание стенда для ремонта и контроля состояния насосных штанг

3.2 Устройство для определения величины искривления вблизи головки штанги

3.3 Предельные отклонения при плоском искривлении оси

3.4 Продольные отклонения оси при пространственном искривлении

Выводы к третьему разделу

4 Разработка метода измерения эксцентриситета оси штанги относительно оси её вращения.

4.1 Формирование требований к метрологическим характеристикам измерительных преобразователей и анализ методических погрешностей

4.2 Тестовые алгоритмы измерения диаметра и эксцентриситета оси вращения насосных штанг

4.3 Тестовый алгоритм для измерительных каналов аппроксимируемых линейной функцией преобразования

Выводы к четвертому разделу

5 Анализ погрешностей и структура тестового индуктивночастотного преобразователя. Результаты внедрения

5.1 Методические погрешности тестового алгоритма измерения эксцентриситета оси вращении насосных штанг

5.2 Анализ и исследование динамической погрешности тестового алгоритма измерения

5.3 Исследование погрешности неадекватности аппроксимирующего полинома реальной функции преобразования

5.4 Структура тестовых индуктивно-частотных измерительных преобразователей и результаты внедрения

Выводы к пятому разделу

Актуальность темы

Для обеспечения своей жизнедеятельности человечеству необходимо все большее количество нефти. И в ближайшей перспективе количество потребляемой нефти будет только расти, а это заставляет подходить к вопросам добычи нефти с большей ответственностью, более полно использовать освоенные месторождения, грамотно разрабатывать новые. Необходимо всеми возможными способами повышать рентабельность добычи и переработки нефти на каждом этапе этой работы.

Технология добычи нефти состоит из следующих этапов - сначала бурится скважина глубиной до нескольких километров, затем, под давлением пластов породы, нефть некоторое время сама выходит на поверхность, потом нефть еще некоторое время выкачивают с помощью насосов различной конструкции. Эта технология была разработана на основании огромного опыта добычи нефти, в течение многих десятилетий.

Постоянно возрастающие глубины скважин вызывали проблемы подъема нефти на поверхность. Техническим прорывом в решении этой проблемы стало внедрение в США в 1923 г. способа механизированной добычи нефти с применением глубинного насоса (поршневого, плунжерного), приводимого в движение через колонну штанг, которая соединена с установленным на поверхности силовым приводом - станком-качалкой.

Идея была настолько хороша, что уже 80 лет штанговая насосная эксплуатация по количеству скважин занимает первое место в мире. Так, в США этим способом эксплуатируется 85% всего фонда скважин (более 470 тыс.), в России - около 53% (около 76 тыс.).

Развитие глубинно-насосной добычи шло по пути постоянного улучшения прочностных характеристик насосных штанг и насосно-компрессорных труб, повышения точности и износостойкости поверхностей плунжера и цилиндра насосов, модернизации его клапанных узлов, увеличения грузоподъемности и мощности поверхностного привода (станка-качалки).

Следует заметить, что при такой огромной проведенной работе ситуация еще далека от идеальной. В частности это касается и насосных штанг. Так по данным 10 НГДУ АО «Татнефть» (все НГДУ кроме «Заинскнефть» и «Прикамнефть») за 1997 г. отмечено 1205 обрывов насосных штанг. При средней стоимости подземного ремонта по объединению - 12767 руб., затраты на ликвидацию обрывов составили 15,38 млн. руб. (в ценах 1997 г.), что соответствует примерно 3 млн.$ [2]. Поэтому вопрос повышения надежности и эффективности использования насосных штанг является важным и актуальным.

В целях экономии финансовых и трудовых ресурсов необходимо найти оптимальное решение задачи, связанной, с одной стороны, с недопущением обрывов насосных штанг, и, с другой стороны — максимальным временем эксплуатации каждой штанги (комплекта штанг).

Определять состояние каждой насосной штанги во время работы в скважине не представляется возможным из-за их количества, так как одна колонна содержит до нескольких сотен штанг. Опыт эксплуатации скважин оснащенных глубинными насосами показал необходимость создания участков по ремонту-глубинно-насосного оборудования и контролю его состояния на протяжении всего времени эксплуатации.

В практике эксплуатации нефтяных скважин существуют планово-предупредительные ремонты скважин и насосных установок, с целью повышения производительности скважины и качества добываемого продукта. Во время такого ремонта производится подъем насоса и колонн насосно-компрессорных труб и насосных штанг, поэтому существует возможность диагностики состояния насосных штанг, а при необходимости и ремонт, на поверхности земли. Также, в настоящее время, производится ремонт насосных штанг путем их вытяжки до момента пластической деформации. Этот ремонт производится, в основном, с использованием ручного труда, что часто приводит к неудовлетворительному качеству ремонта. Уменьшение или устранение влияния человеческого фактора может значительно повысить качество ремонта, а значит, сэкономить денежные средства на приобретении новых штанг и избежать аварийных ситуаций.

Следует отметить, что современные технические средства позволяют определить уже начавшиеся усталостные разрушения, а начинаются усталостные разрушения в последней двадцатой части жизни штанги [4,5].

Причиной преждевременного разрушения штанг, как правило, являются напряжения изгиба, возникающие при растяжении искривленных штанг в скважине, а также при работе штанг в искривленных интервалах ствола скважины [6-12].

Искривление оси насосных штанг, применяемых для добычи нефти, является главной причиной их преждевременного разрушения при эксплуатации. Этот вывод получен рядом авторов в т.ч. Давлетишиным Х.Г., Абрашиным А.А., Атакишевым А.Н., Ломакиным А.С. в результате анализа причин поломок насосных штанг на промыслах производственных объединений «Эмбанефть», «Башнефть», «Азнефть» [13-16]. К такому же выводу привели исследования штанг, разрушившихся на промыслах производственного объединения «Куйбышевнефть» выполненные Требиным А.Г., Ледяевым В.Г., Вейсман Э.П. [16]. Если штанга не имеет искривлений, то нагрузки, действующие на неё, не превышают предела её усталостной прочности и штанга может работать практически очень долго и разрушится, например, вследствие коррозии.

Как видно из результатов проведенных исследований, даже небольшое искривление тела штанги приводит во время работы к возникновению усталостных разрушений, так как штанга испытывает до нескольких миллионов циклов нагружения. Поэтому точное слежение за определенными параметрами во время правки становится залогом значительного продления срока службы штанги и важно, чтобы слежение за заданными параметрами происходило автоматически.

В дополнение к изложенным причинам преждевременного разрушения следует отметить следующий факт - практически все скважины, эксплуатируемые в настоящее время, имеют достаточно большие изгибы.

Действительно, при освоении месторождений в Западной Сибири в СССР, впервые был применен кустовой метод бурения скважин, когда из одного места на поверхности земли стараются охватить как можно больший участок под землей. Такой метод, затем стал использоваться повсеместно. Поэтому в России практически все вновь вводимые скважины являются наклонно-направленными. Опытным путем установлено, что набор зенитного угла не должен превышать 1,5 град./10 метров. Фактически, это условие часто не выдерживается, искривление скважины достигает 2-3 град./10 метров, что существенно усложняет эксплуатацию.

В настоящее время существует возможность получения практически всех сведений о состоянии и форме скважин (например, данные инклинометрии). Такие сведения хранятся в электронных базах данных НГДУ. Используя такие сведения, можно заранее предположить, в каких местах в скважине штанги будут испытывать максимальную нагрузку и поставить туда насосные штанги повышенной прочности. Для формирования колонны насосных штанг для каждой конкретной скважины необходимо использовать ЭВМ со специальными программными комплексами. Что дает возможность скомпоновать колонну насосных штанг, наиболее подходящую для каждой конкретной скважины. Во избежание ошибок в данной операции необходимо, чтобы процесс присвоения каждой штанге класса прочности и, затем, складирование в соответствии с данным классом, выполнялся автоматизировано.

Большая точность в контроле параметров, влияющих на ресурс штанги, позволяет давать более точные прогнозы по допустимым нагрузкам и срокам эксплуатации каждой штанги. Как известно, наибольшую точность в измерительных операциях геометрических параметров дают электронные измерительные устройства. Еще большую надежность в получении достоверных результатов обеспечивают автоматические системы.

Использование таких систем имеет еще некоторые неоспоримые преимущества. Например, на некоторых предприятиях по ремонту насосных штанг необходимость правки штанги определяется без использования специальных приборов, не производится и сама правка, некоторые штанги просто перекладываются к выправленным штангам. Решением данной проблемы могла бы стать автоматизированная измерительная система по контролю и ремонту насосных штанг.

Экономическая стратегия, обусловленная структурной перестройкой промышленности, предполагает опережающие темпы внедрения во все отрасли хозяйства прогрессивных технологических процессов, совершенствование систем управления, обеспечивающих экономию всех видов ресурсов при высоком качестве продукции. Создание автоматизированной информационно-измерительной системы для стендового контроля и ремонта насосных штанг позволит экономить финансы и время за счет более полной отдачи от эксплуатации насосных штанг, предупреждать аварийные ситуаций, минимизировать использование человеческого труда.

В связи с этим становится актуальным создание стендовой информационно-измерительной системы (ИИС) контроля геометрических параметров насосных штанг на базе имеющегося оборудования на участках по их ремонту.

Цель работы

Целью данной диссертационной работы является разработка стендовой информационно-измерительной системы контроля геометрических параметров насосных штанг в процессе их ремонта.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Проведен анализ дефектных насосных штанг, причин их преждевременного разрушения, а так же анализ технологического процесса ремонта насосных штанг, на основании чего обоснована необходимость автоматизации процесса ремонта и создания высокоточной системы измерения геометрических параметров;

2. Рассмотрены производственные требования к стендовой ИИС контроля геометрических параметров насосных штанг;

3. Разработаны математические модели дополнительных напряжений для различных видов искривлений насосных штанг;

4. На основании полученных моделей определены основные геометрические параметры, подлежащие измерению (диаметр и эксцентриситет), что показало достаточность проведения измерения в двух точках на поверхности штанг;

5. Для измерения эксцентриситета разработаны тестовые методы, позволяющие учесть влияние на результат измерения всех возмущающих воздействий окружающей среды и связанных с этим дополнительных погрешностей;

6. Разработана структурная схема стендовой информационно-измерительной системы для измерения геометрических параметров насосных штанг;

7. Разработан и обоснован тестовый индуктивный преобразователь эксцентриситета насосных штанг. Проведен анализ методических и инструментальных погрешностей измерительной системы.

Методы исследования

При решении поставленных задач использовались методы математического моделирования, теория сопротивления материалов, теория погрешностей. Математическая модель разрабатывалась с помощью методов математического анализа и прикладных программ MATLAB.

Научная новизна проведенных в диссертационной работе исследований заключается в следующем:

1. Разработан новый тестовый алгоритм функционирования ИИС эксцентриситета оси насосных штанг, в котором, в отличие от известных тестовых алгоритмов, используются только аддитивные тесты.

2. Получено выражение для результирующей методической погрешности разработанного тестового алгоритма измерения, а так же её составляющих, что позволяет, использовать полученные соотношения для измерительных систем, функции преобразования которых аппроксимируются полиномами любого вида.

3. Разработан тестовый индуктивный преобразователь эксцентриситета, обладающий высокой точностью и надежностью, в котором реализован предложенный тестовый алгоритм и устройство формирования аддитивных тестов.

4. Разработана математическая модель напряжений в искривленной насосной штанге, которая, в отличие от известных, позволяет определять предельно допустимую нагрузку для штанг, имеющих сложные виды искривления.

5. На основании разработанной модели сформулированы требования к метрологическим характеристикам измерительных преобразователей эксцентриситета, доказана необходимость совершенствования технологии изготовления насосных штанг и соответственно изменения ГОСТ 13677-96 в части требований, определяющих допустимую кривизну оси концов штанг и методов ее контроля.

Практическая ценность работы

1. Разработанная автоматизированная ИИС по сравнению с существующими средствами измерения геометрических параметров насосных штанг обеспечивает высокую точность измерения в сложных условиях эксплуатации на ремонтном стенде.

2. Разработанный в диссертации тестовый алгоритм повышения точности измерения позволил проводить измерения эксцентриситета непосредственно в технологическом процессе ремонта штанг.

3. Разработанная математическая модель насосной штанги позволяет определять её предельно-допустимые нагрузки и ресурс при сложных видах искривления.

Внедрение результатов работы

Результаты диссертационной работы, а именно математическая модель искривленной насосной штанги, алгоритм повышения точности измерения с использованием тестового метода успешно внедрены в ООО «Энерго-Пласт» (г. Балаково). и

На защиту выносятся:

1. Тестовый алгоритм функционирования ИИС величины эксцентриситета оси насосных штанг, в котором функция преобразования (ФП) измерительных преобразователей (ИП) аппроксимируется полиномами любого вида.

2. Результаты исследования влияния различных составляющих погрешностей тестового метода измерения эксцентриситета оси вращении насосных штанг и выражение для оценки результирующей погрешности измерений.

3. Структура тестовых индуктивно - частотных измерительных преобразователей для измерения эксцентриситета оси вращении насосных штанг и их алгоритмы функционирования.

4. Математические модели дополнительных напряжений для различных видов искривлений насосных штанг, позволившие уточнить допуски и определить места контроля заданных отклонений.

5. Требования к эксплуатационным и метрологическим характеристикам ИИС исходя из особенностей технологического процесса и требуемой точности измерений.

Личный вклад

Основные научные результаты, содержащиеся в диссертационной работе и публикациях, получены автором самостоятельно и под руководством научного руководителя.

Публикации

Основные результаты исследования представлены в 10 печатных работах, в том числе из перечня, рекомендованных ВАК РФ - 3.

Структура и объем диссертационной работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, содержит 156 страниц основного текста, 31 рисунок, список литературы из 67 наименований.

Выводы к пятому разделу

1. Для вывода обобщенного выражения результирующей погрешности тестового измерения параметров насосных штанг, рассмотрены приведенные к выходу измерительного канала абсолютные значения погрешности тактовых преобразований.

2. Полученное выражение результирующей методической погрешности позволяет учесть все составляющие, возникающие при проведении тактовых измерений, при использовании в качестве аппроксимирующей функцию преобразования измерительного канала полинома (п-1)-й степени. Полученное выражение является общим и из него могут быть получены и проанализированы выражения для отдельных составляющих результирующей методической погрешности рассматриваемых тестовых алгоритмов измерения.

3. Для определения влияния динамической погрешности на точность измерения использованы два метода. Один из них основан на проведении дополнительных тактов преобразования, в процессе которых определяется не только измеряемая величина, но и ее производные. Другой метод основан на проведении измерений рядом параллельно работающих идентичных измерительных каналов, что позволяет при сохранении быстродействия исключить влияние погрешности Ад на результат.

4. Проведено исследование погрешности неадекватности аппроксимирующего полинома реальной функции преобразования. Получена обобщенная формула из которой могут быть получены выражения для любых частных рассматриваемых алгоритмов измерения.

5. Показано, что в рассматриваемой ИИС, для измерения перемещений в диапазоне до 20 мм, эффективными являются индуктивно-частотные датчики на основе различных генераторных схем, у которых элементами частотозависимых цепей являются индуктивности первичных измерительных преобразователей.

6. Для реализации тестового метода измерения при измерении линейных перемещений, с помощью индуктивно-частотного датчика, в качестве образцового приращения в, необходимо использовать образцовые приращения перемещения ферритового сердечника или изменять положение катушки индуктивности по отношению к ферритовому сердечнику, что, в свою очередь, может быть достигнуто механическим перемещением катушки в пространстве или подключением дополнительных секций индуктивности.

7. Показано, что в отличие от тестовых измерительных преобразователей с механическим смещением катушки индуктивности, преобразователи с переключаемыми секциями индуктивностей не имеют подвижных частей, что значительно упрощает конструкцию индуктивного преобразователя, повышает его надежность и долговечность. Кроме того, позволяет использовать их при аппроксимации исходной ФП полиномами более высоких степеней, требующих реализации нескольких аддитивных тестов.

8. Рассмотрены и приведены основные схемы тестовых индуктивно-частотных измерительных преобразователей.

9. Приведены результаты экспериментальных исследований измерительного преобразователя с переключаемыми секциями индуктивностей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа посвящена решению актуальной задачи создания стендовой информационно-измерительной системы контроля геометрических параметров насосных штанг в процессе их ремонта. Проанализированы причины преждевременного разрушения штанг, разработана математическая модель дополнительных напряжений в насосной штанге при различных видах искривлений. На основе полученной модели штанги разработано устройство для определения суммарного влияния всех видов искривлений на усталостную прочность штанги. Разработан тестовый алгоритм измерения эксцентриситета оси штанги относительно оси ее вращения. Проведен анализ влияния различных погрешностей на результат измерения.

В работе получены следующие основные результаты.

1. В результате анализа причин обрывов насосных штанг в процесс их эксплуатации показано, что большинство преждевременных обрывов насосных штанг связано с накоплением усталостных повреждений в теле штанг. Накопление усталостных повреждений происходит особенно быстро в местах, где имеется искривление оси тела штанги или поверхностные дефекты. В процессе эксплуатации происходит искривление тела штанги в зоне перехода от головки к телу штанги - между твердой муфтой и переходной областью и более гибким телом штанги.

2. Разработаны математические модели штанг при перекосе оси головки, несоосности резьбы и тела штанги, а также при сложных искривлениях, включающих искривления нескольких видов. При этом показано, что сложные искривления можно свести к комбинации двух основных видов чистого искривления - перекосу оси головки и несоосности. Исследованы случаи искривления обоих соединенных концов.

3. Самой важной частью всей ИИС, с точки зрения влияния на результат контроля, является подсистема проверки остаточного искривления вблизи головки штанги. Описано предлагаемое устройство для определения величины искривления вблизи головки насосной штанги, которое позволяет определить суммарное влияние всех видов искривлений на напряжения изгиба штанги. Рассмотрены величины отклонений, при которых напряжения изгиба, в наиболее нагруженных сечениях лежат в пределах допустимых значений и показано, что необходимо совершенствование технологии изготовления насосных штанг и соответственно изменение ГОСТ 13677-96 в части требований, определяющих допустимую кривизну оси концов штанг и методов ее контроля.

4. На основании анализа уточненного диапазона измеряемых величин сформированы требования к метрологическим характеристикам измерительных преобразователей. Рассмотрено, как изменяется измеряемый параметр в процессе принудительного вращения штанги.

•5. Разработаны тестовые алгоритмы функционирования системы измерения диаметра и эксцентриситета оси вращения насосных штанг для ИП, функции преобразования которых, описываются функциями любого вида. Получен тестовый алгоритм для измерительных каналов аппроксимируемых линейной ФП. Рассмотрена структурная схема, позволяющая реализовать тестовый - алгоритм измерения для ИК, имеющих идентичные и линейные функции преобразования.

6. Для определения результирующей погрешности ИИС, рассмотрены влияния методической и динамической погрешностей, а также проведено исследование погрешности неадекватности аппроксимирующего полинома реальной функции преобразования. Получена обобщенная формула, из которой могут быть получены выражения для любых частных рассматриваемых алгоритмов измерения.

7. Показано, что рассматриваемой ИИС, для измерения перемещений в диапазоне до 20 мм, с заданной погрешностью, эффективными являются индуктивно-частотные преобразователи с переключаемыми секциями индуктивностей. Которые не имеют подвижных частей, что упрощает их конструкцию, повышает надежность и долговечность, и позволяет использовать их при аппроксимации исходной ФП полиномами более высоких степеней, требующих реализации нескольких аддитивных тестов.

1. Лесничий В.А., Беззубов А.И., Горьков И.В. Сервис на промыслах // Нефть России. 1999. № 4. С. 7-12.

2. Требин А.Г. Исследования разрушившихся в эксплуатации насосных штанг. Экспр.инф. Нефтепромысловое дело. Отеч.опыт., 1988, № 2, с.22-23.

3. Копей Б.В., Федорович Я.Т., Требин А.Г., Влияние технологических и эксплуатационных дефектов на сопротивление усталости насосных штанг и критерий их отбраковки. // ЭИ «Борьба с коррозией и защита окружающей среды», № 10, 1986.

4. Зуев Л.Б., Муравьев В.В., Данилова Ю.С., О признаке усталостного разрушения сталей. //ЖТФ. 1999. Т.25. № 9. С.31.

5. Волков Б.Г. Тесов Н.И. Шуванов В.В. Справочник по защите подземных металлических сооружений от коррозии. Л.: Недра, 1975. - 224 с.

6. Иванова B.C. Усталостное разрушение металлов. М.: Металлургиздат, 1963.

7. Кеннеди А.Дж. Ползучесть и усталость в металлах. М.: Металлургия, 1965.

8. Коллакот Р. Диагностика повреждений. М.: Мир, 1989.

9. Зуев Л.Б., Целлермаер В.Я., Громов В.Е. и др. // ЖТФ. 1997. Т.67. № 9. С.123.

10. Зуев Л.Б., Чиракадзе Д.З., Соснин О.В. и др. // МНТ. 1997. Т. 19. № 8. С.80.

11. Муравьев В.В., Зуев Л.Б., Комаров К.Л. Скорость звука и структура сталей и сплавов. Новосибирск: Наука, 1996.

12. Диллон Б., Сингх Ч. Инженерные методы обеспечения надежности систем. М.: Мир, 1984.

13. Давлетишин Х.Г., Абрашин А.А. Исследование влияния изгиба штанг на частоту их обрывов. Реф. Научно-техн. Сб. «Нефтепромысловое дело», 1972, № 4, с.24-25.

14. Атакишев А.Н., Ломакин А.С. Исследование работоспособности глубиннонасосных штанг в НГДУ «Ширваннефть». Реф. Научно-техн.сб. «Нефтепромысловое дело», 1977, № 8, с.36-38.

15. Давлетишин Х.Г. Диагноз частых аварий штанговых колонн глубинных насосов. «Машины и нефтяное оборудование» (Москва), 1981, № 4, с. 11-13.

16. Давлетишин Х.Г. Искривление штанг в скважине при аварии колонн глубинных насосов. «Машины и нефтяное оборудование» (Москва), 1981, № 5, с.17-19.

17. Требин А.Г., Ледяев В.Г., Бейсман Э.Л. Результаты исследования разрушившихся в эксплуатации насосных штанг. Экспр.инф. Нефтепромысловое дело. Отеч.опыт., 1987, № 7, с. 13-14.18. ГОСТ 13877-9619. API Spec ИВ

18. С.Т. Hendricks, R.D. Stevens. Failure Analysis, Norris Resources Company, 2001.

19. Тимошенко С.П. Сопротивление материалов. T.l. M.: Физматгиз, 1960.

20. Требин А.Г. Расчет напряжений и допустимых параметров искривления для насосных штанг искривленных по телу. // МНТ. 1997. Т. 19. № 8. С. 70.

21. КузнецовВ.Ф., Валов В.М., Зебриков В.П. Влияние перекоса осей замка и трубы на напряженное состояние бурильной трубы. Нефт.хоз-во. 1983, № 7.

22. Курош А.Г. Курс высшей алгебры. М.: Наука, 1961.

23. Мелькин A.M., Анализ факторов приводящих к обрывам колонн насосных штанг во время эксплуатации // Труды Поволжского регионального

24. Научно-Технического центра Метрологии Академии РФ, выпуск 19, серия ИИУС /Самара-2007.-с. 143-150.

25. Куликовский К.Л., Мелькин A.M. Математическая модель для автоматического контроля состояния насосных штанг // Вестник Самарского государственного технического университета, серия «технические науки» №35 Самара 2008. с. 191-193.

26. Кульбак С.М. Теория информации и статистика. М.: Наука, 1967.- 408 с.

27. Бромберг Э.М., Куликовский К.Л. Тестовые методы повышения точности измерений. -М.: Энергия, 1990. — 176с.

28. Куликовский К.Л., Купер В.Я. Методы и средства измерений. М.: Энергия, 1986.

29. Чугаев P.P. Гидравлика: Учебник для вузов. 4-е изд., доп. и перераб. -Л.: Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1982. - 672 е., ил.

30. Мейзда Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерения: Пер. с англ. -М.: Мир, 1990. 535 е., ил.

31. Васильчук А.В., Мелькин А.М Измерение изгибающего момента в сечениях штанговых колонн глубинных насосов II Известия Самарского научного центра РАН, выпуск 5, Технологии управления организацией. Качество продукции и услуг / Самара 2008. - с. 13-16.

32. Сергеев А.Г., Латышев М.В., Терегеря В.В. Метрология, стандартизация, сертификация: Учебное пособие. — М.: Логос, 2003. — 536 е.: ил.

33. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1991.-304 е.: ил.

34. Дьяконов В. Maple 6: учебный курс. СПб.: Питер, 2001. - 608 е.: ил.

35. Крещу к В.В. Метрологическое обеспечение эксплуатации сложных изделий. М.: Изд-во стандартов, 1989.

36. Грановский В.А. Динамические измерения. — Д.: Машиностроение, 1984.

37. Марков Н.Н. Взаимозаменяемость и технические измерения. М.: Изд-во стандартов, 1983.

38. Мелькин A.M. Автоматизация процесса измерения геометрических параметров насосных штанг перед их ремонтом. ИИС блока подготовки штанг к правке // Сб.науч.статей, Информационно-измерительные и управляющие системы / Самара 2008. - с. 48-58.

39. Новицкий П.В., Зограф И.А., Лабунец B.C. Динамика погрешностей средств измерений. Л.: Энергоатомиздат, 1990.

40. Крылова Г.Д. Основы стандартизации, сертификации, метрологии: Учебник для вузов. М.: Аудит, ЮНИТИ, 1998.

41. Кураков Л.П. Метрология, стандартизация, сертификация: Терминологический словарь-справочник. -М.: Изд-во стандартов, 1997.

42. Основные термины в области метрологии: Словарь-справочник / Под ред. Ю.В. Тарбеева. М.: Изд-во стандартов, 1989.

43. Вострокнутов Н.Н. Цифровые измерительные устройства. М.: Изд-во стандартов, 1990.

44. Назаров Н.Г. Метрология. Основные понятия и математические модели. М.: Высш. Шк: 2002. - 348с.

45. Алферов А.Н. Погрешности измерений физических величин. М.: Наука: 1985, 324с.

46. Егоренков Д.Л., Фрадков А.Л., Харламов В.Ю. Основы математического моделирования. СПб.: БГТУ, 1996.

47. Земельман М.А. Справочник по международной системе единиц. М.: Изд-во стандартов, 1977. - 357с.

48. Волков Е.А. Численные методы. Учебное пособие. 3-е изд., СПб: Издательство "Лань", 2004. - 256с.

49. Тарасевич Ю.Ю. Информационные технологии в математике. М.: СОЛОН-Пресс, 2003. - 144с.

50. Земельман М.А. Метрологические основы технических измерений. М.: Изд-во стандартов, 1991. 237с.

51. Калабеков Б.А. Цифровые устройства и микропроцессорные системы: Учебник для техникумов связи. М.: Горячая линия-Телеком,2002. - 336с.

52. Фрунзе А.В. Микроконтроллеры. Это же просто! Т. 1. — М.: 000"ИД СКИМЕН", 2002. 336с.

53. Мелькин A.M., Мельников Е.В., Татаренко Е.И. Программирование а-контроллера с помощью LVS программного обеспечения: учебное пособие.-Самара.: Самар.гос.техн.ун-т, 2007. 93 с.

54. Килем Ю.М. Типовые элементы систем автоматического управления. -М.: ФОРУМ: ИНФРА, 2002, 384 с.

55. Электрические и электронные аппараты: Учебник для вузов/ Под ред. Ю.К. Розанова —М.: Информэлектро, 2001. 452 с.

56. Анхимюк В.Л., Опейко О.Ф, Михеев Н.Н. Теория автоматичекого управления. Минск: Дизайн ПРО,2002. - 352с.

57. Ерофеев А.А. Теория автоматического управления. 2-е изд., пер. и доп. -СПб.: Политехника, 2002. 289с.

58. Куликовский К.Д., Мелькин A.M. Тестовые индуктивно-частотные ИИС эксцентриситета насосных штанг // Сб.науч.статей, Информационно-измерительные и управляющие системы. Самара 2008. - с. 59-65.

59. Шлыков Г.П. Аппаратурное определение погрешностей цифровыхIприборов.-М.: Энергия, 1984.

60. Крылова Г.Д. Основы стандартизации, сертификации, метрологии: Учебник для вузов. М.: Аудит, ЮНИТИ, 1998.

61. Кураков Л.П. Метрология, стандартизация, сертификация: Терминологический словарь-справочник. — М.: Изд-во стандартов, 1997.

62. Основные термины в области метрологии: Словарь-справочник / Под ред. Ю.В. Тарбеева. -М.: Изд-во стандартов, 1989.