автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Влияние нештатных напряжений на безопасность оборудования, контактирующего с сероводородсодержащими средами

На правах рукописи

ЧИРКОВ ЕВГЕНИЙ ЮРЬЕВИЧ

ВЛИЯНИЕ НЕШТАТНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ НА БЕЗОПАСНОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ, КОНТАКТИРУЮЩЕГО С СЕРОВОДОРОДСОДЕРЖАЩИМИ СРЕДАМИ

Специальности:

05.26.03 - «Пожарная и промышленная безопасность» (нефтегазовая отрасль) 05.02.13 - «Машины, агрегаты и процессы» (нефтегазовая отрасль)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1!? МАЯ 2013

Уфа-2013

005058345

Работа выполнена на кафедре деталей машин и прикладной механики ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет» (ОГУ).

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Кушнаренко Владимир Михайлович

Официальные оппоненты: Кузеев Искандер Рустемович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» / кафедра «Технологические машины и оборудование», заведующий кафедрой;

Лаптев Анатолий Борисович

доктор технических наук, ООО «Раилан-Кеми», главный инженер

Ведущая организация ООО «Научно-технический центр

«Промбезопасность-Оренбург» (г. Оренбург)

Защита состоится «17» мая 2013 г. в 14-30 на заседании диссертационного совета Д 212.289.05 при ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет».

Автореферат диссертации разослан «16» апреля 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета ^ ''^^Т^^'ризванов Риф Гарифович

з

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Эксплуатация ряда нефтегазовых месторождений России осложнена вследствие наличия в добываемых продуктах сероводорода и других компонентов, агрессивных по отношению к металлу газопромыслового оборудования и опасных для жизни и здоровья персонала нефтегазодобывающих и перерабатывающих предприятий. В наиболее жестких условиях эксплуатируется фонтанная арматура (ФА), которая подвергается воздействию коррозионных рабочих сред высокого давления и коррозионных сред, применяемых для обработки скважин, повышающих вероятность развития процес-

ч

сов сероводородного растрескивания и отказов, ведущих к авариям с соответствующими последствиями. Обеспечение безопасности ФА является актуальной задачей в нефтегазовой отрасли, для решения которой необходимо разработать методы и установить критерии оценки восстановления безопасности ФА и условия её обеспечения конструктивно-технологическими мероприятиями, в том числе на стадиях ремонта и испытания (восстановления работоспособности). Особое значение приобретает разработка технологий восстановления повреждённых поверхностей корпусов ФА наплавкой коррозионно-стойкого металла с учётом возможного возникновения дополнительных не проектных (нештатных) и остаточных напряжений, исключение всевозможных концентраторов напряжений, разработка технологий сборки и монтажа оборудования, обеспечивающих минимальный уровень нештатных напряжений.

Объём и содержание исследований в данной работе определены паспортами специальностей научных работников (утв. приказом Минобрнауки России от 25 февраля 2009 г. №59):

05.26.03 Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовая отрасль) - в части изучения причин возникновения, закономерностей проявления и развития, методов и средств превентивного и текущего управления техногенными явлениями разрушительного и пожароопасного характера, сопровождающимися значительным ущербом (п. 12. «Разработка и совершенствование способов повышения безопасности производственного оборудования, техно-

логических процессов, вспомогательных операций и условий труда работников»);

05.02.13 Машины, агрегаты и процессы (нефтегазовая отрасль) - в часта теоретических и экспериментальных исследований и научно-технического обоснования новых эффективных методов и технологий проектирования, модернизации и ремонта агрегатов и узлов нефтегазового оборудования и ш эксплуатации в нефтегазовой отрасли (п.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»).

Степень разработанности. Особенности эксплуатации оборудования, контактирующего с сероводородсодержащими средами, влияние напряжений на сероводородное растрескивание металла отражены в работах ученых: Антонова В.Г., Барышова С.Н., Бугай Д.Е., Гафарова H.A., Генделя Г.Л., Гумеро-ва А.Г., Иванова С.И., Клейменова A.B., Кушнаренко В.М., Митрофанова A.B., Перунова Б.В., Стеклова О.И., Худяковой Л.П. и др. Однако, остаются невыясненными многие причины внезапных отказов оборудования, а также актуальными являются проблемы влияния нештатных напряжений на работоспособность оборудования, контактирующего с сероводородсодержащими средами, в частности, влияние возникающих при ремонте и монтаже остаточных напряжений на безопасность восстановленной фонтанной арматуры.

Объект исследования — фонтанная арматура нефтегазовых скважин и детали фонтанной арматуры, контактирующие с сероводородсодержащими средами.

Предмет исследования — процессы возникновения повреждений и нештатных напряжений в деталях нефтегазового оборудования, контактирующего с сероводородсодержащими средами, диагностика повреждений и технологии восстановления безопасности фонтанной арматуры.

Цель исследования — повышение безопасности нефтегазового оборудования, контактирующего с сероводородсодержащими средами, за счет конструктивно-технологических мероприятий, обеспечивающих снижение уровня нештатных напряжений в деталях оборудования.

Задачи исследования:

- анализ повреждений и отказов нефтегазопромыслового оборудования, контактирующего с сероводородсодержащими средами;

- разработка технологии ремонта корпусов ФА методом наплавки;

- оценка напряженно-деформированного состояния (НДС) и безопасности корпусов ФА, подвергнутых ремонту;

- разработка рекомендаций по восстановлению безопасности ФА, контактирующей с сероводородсодержащими средами.

Научная новизна:

- установлено, что основной причиной выпадающих из общей статистики отказов оборудования сероводородсодержащих месторождений являются нештатные напряжения в элементах оборудования, возникающие в результате действия факторов, не предусмотренных проектами, нормами и регламентами;

- впервые предложена система критериев оценки восстановления безопасности ФА, бывшей в эксплуатации на сероводородсодержащих нефтегазо-конденсатных месторождениях: свариваемость металла - не хуже ограниченной по шкале свариваемости; стойкость металла зоны ремонта водородному растрескиванию должна быть высокой; контролепригодность - зона ремонта должна подвергаться неразрушающему контролю, и, в связи с этим, не все поврежденные участки могут подвергаться восстановлению; стоимость ремонта зависит от степени поврежденности и не должна превышать 40% от стоимости новой фонтанной арматуры; твердость наплавленного металла и переходной зоны не должна превышать 28ШС; гарантированный ресурс после ремонта должен составлять не менее 5 лет; НДС металла ФА после ремонта - нештатные напряжения не должны превышать 15% от предела текучести материала;

- разработанные модели узлов и деталей ФА, результаты расчетов и натурных экспериментов, позволившие оценить НДС и установить зависимости напряжений в металле узлов ФА от усилия затяжки и размеров под уплотни-тельные элементы и определить диапазон необходимых значений момента затяжки резьбовых соединений крепления крышек восстановленной ФА от 400 Н-м, обеспечивающий герметичность соединения при испытательном дав-

лении, до 420 Нм, при котором напряжения в металле корпуса ФА не превышают пороговые напряжения сероводородного растрескивания.

Теоретическая ценность:

- развиты современные подходы в области расчетного и экспериментального анализа нештатных напряжений, установления причин их возникновения и влияния на безопасность оборудования, контактирующего с сероводородсо-держащими средами;

- доказана возможность возникновения при сборке фонтанной арматуры нештатных напряжений в области уплотнения, приводящих к образованию трещин в металле корпуса арматуры;

- изложены условия и критерии восстановления безопасности фонтанной арматуры;

- проведена модернизация модели расчета остаточных нештатных напряжений после наплавки металла при ремонте фонтанной арматуры, обеспечивающей определение остаточных напряжений с учетом зависимостей теплопроводности, теплоемкости, модуля упругости и предела текучести от температуры.

Практическая ценность:

- рекомендации по восстановлению безопасности ФА, контактирующей с сероводородсодержащими средами, и диапазон значений момента затяжки резьбовых соединений, не приводящего к увеличению напряжений до уровня, вызывающего сероводородное растрескивание металла корпуса задвижки, и обеспечивающего герметизацию соединения и безопасность ФА, используются в ООО «Технология» (г. Оренбург);

- расчетно-экспериментальная оценка НДС фланцевых соединений арматуры, работающей под высоким давлением, используется в учебном процессе при проведении практических занятий по дисциплине «Расчет и конструирование элементов оборудования отрасли» при подготовке инженеров по специальности 240801 «Машины и аппараты химических производств» на кафедре МАХПП ФГБОУВПООГУ.

Методы исследований - теоретические и экспериментальные методы: моделирование объектов и оценка их НДС методом конечных элементов; определение значимости критериев безопасности ФА методом экспертных оценок; лабораторные и производственные механические и коррозионно-механические испытания, металлографические исследования металлов; оценка результатов методами статистического анализа и теории вероятности.

На защиту выносятся:

- результаты оценки влияния нештатных напряжений на безопасность оборудования, контактирующего с сероводородсодержащими средами;

- критерии и условия восстановления безопасности ФА, контактирующей с сероводородсодержащими средами;

- рекомендации по модернизации конструкции и технология сборки герметизирующего узла ФА с учётом значений геометрических размеров деталей и условий эксплуатации;

- технология восстановления безопасности ФА.

Достоверность полученных результатов

В работе использованы современные методики сбора и обработки информации, а также комплекс теоретических и экспериментальных методов исследований физико-химических свойств и НДС металла ФА. Результаты расчетов подтверждаются многочисленными экспериментальными данными, полученными на сертифицированном оборудовании, и сопоставимы с опубликованными работами других авторов.

Апробация работы и публикация результатов

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научных конференциях: УН-ой международной научно-технической конференции «Диагностика оборудования и трубопроводов, подверженных воздействию сероводородсодержащих сред» (Оренбург, 2008); международной научной конференции «Наука и образование: фундаментальные основы, технологии, инновации» (Оренбург, 2010); УШ-ой международной научно-технической конференции «Диагностика оборудования и трубопроводов, подверженных воздействию сероводородсодержащих сред» (Оренбург, 2010); всероссийской научно-технической конференции «Интеграция науки и практики в профессиональном

развитии педагога» (Оренбург, 2010); международной конференции, посвященной 110-летию со дня рождения член-корреспондента АН СССР Г.В. Акимова «Фундаментальные аспекты коррозионного материаловедения и защиты металлов от коррозии» (Москва, 2011); молодежной научно-технической конференции с международным участием «Инновационные решения для нефтегазовой отрасли (опыт и перспективы)» (Оренбург, 2012); всероссийской научно-методической конференции с международным участием «Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры» (Оренбург, 2013).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 5 статей в ведущих научных журналах, включенных в перечень ВАК РФ.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех разделов с результатами теоретических и экспериментальных исследований, основных выводов, списка использованных источников из 103 наименований и приложений, изложена на 131 странице машинописного текста, содержит 76 рисунков и 17 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности темы диссертации, степень ее разработанности, формулировки цели и задач исследований, научную новизну, теоретическую и практическую значимость работы, положения, выносимые на защиту, информацию об апробации результатов.

В первом разделе представлены результаты анализа повреждений и разрушении оборудования, контактирующего с сероводородсодержащими средами, приведена классификация нештатных напряжений, возникающих при эксплуатации технических систем в результате действия факторов, не предусмотренных проектами, нормами и регламентами.

С учетом данных известных работ причины возникновения нештатных напряжений можно разделить на две группы: технологические - связанные с процессом изготовления (остаточные напряжения в отливках, прокате, сварных соединениях, неточность изготовления, возникновение концентраторов

при механической обработке и т.п.); эксплуатационные - обусловленные изменением режима работы оборудования (повышение давления в аппаратах, увеличение нагрузки в сопрягаемых соединениях); коррозионными повреждениями металла, приводящими к уменьшению расчётных сечений и увеличению напряжений при неизменных нагрузках; механическим воздействием (вмятины, деформации, приводящие к перераспределению напряжений и т.п.); установкой дополнительного оборудования на штатное. Нештатные напряжения сложно обнаружить, ещё сложнее предсказать их возникновение. Наличие нештатных напряжений обычно выявляется при исследовании отказов оборудования. Повышение уровня штатных напряжений от рабочих нагрузок нештатными напряжениями при работе изделий в ссроводородсодержащих средах увеличивает риски серьёзного разрушения конструкций от возникновения коррозионного растрескивания. Например: при анализе разрушений патрубков сдвоенных теплообменников было установлено, что в конструкции появляются замкнутые цепи силовых связей, приводящие к возникновению нештатных напряжений от перемещения смежных опор в результате образования между ними продуктов коррозии (замена подкладных листов новыми с противокоррозионной обработкой позволили исключить возникновение нештатных напряжений и повреждения патрубков теплообменников); при эксплуатации скважин сероводородсодержащнх месторождений наблюдается сероводородное растрескивание и коррозия металла корпусов ФА. Результаты анализа отказов и повреждений элементов ФА и диагностирования в процессе ремонта и восстановления корпусов ФА, бывшей в эксплуатации на сероводородсодержащнх месторождениях, позволили установить, что наиболее частыми видами отказов ФА являются: прот ек затвора вследствие повреждений шибера, седел и уплотнений ссдел; негерметичность уплотнений штоков, вызываемая разрушением уплотнений штоков или их износом, а также износом штоков; отказ задвижек при работе на «открытие-закрытие», а также отказ пневмоприводов. Корпуса ФА выходят из строя, в основном, в результате коррозионных и механических повреждений поверхностей под уплотнения.

Во втором разделе рассматриваются критерии оценки, условия обеспечения и технология восстановления безопасности фонтанной арматуры.

Определены критерии и условия восстановления безопасности ФА с ис пользованием экспертных оценок (метод Дельфи). Мнения экспертов получе ны опросом при помощи анкет с вопросами и вариантами ответов на вопрось (из нескольких вариантов предлагалось выбрать приемлемый). При обработк анкет каждому варианту ответа специалистов соответствовало определенно количество баллов, по значениям которых проводили статистическую обработку результатов. В итоге получили уточненные по степени значимости критерии, условия и требования обеспечения безопасности ФА, контактирующей с сероводородсодержащими средами.

Предложена технология восстановления работоспособности корпусов и безопасности ФА, включающая операции: расточка поврежденных поверхностей, по которым происходит уплотнение; дегазация металла при температуре 280-300°С; наплавка металла на подготовленные поверхности с сопутствующим их подогревом при 250-280°С; последующая термообработка - двойной отпуск металла восстанавливаемого корпуса ФА. Согласно результатам исследований установлено, что металл корпуса ФА в области наплавки обладает механическими характеристиками и стойкостью к водородному растрескиванию, соответствующими требованиям нормативных документов; макро- и микродефекты в наплавленном металле в области ремонта отсутствуют. В связи со сложной формой корпусов ФА, отдельные участки после ремонта невозможно проконтролировать. К ним относятся посадочные места под седла и отдельные участки внутренних поверхностей корпуса ФА.

Проведены металлографические исследования вырезанных из ремонтных зон корпуса ФА образцов (рис. 1). Установлено: сталь корпуса относится к хромоникелевым мартенситно-ферригным сталям; структура основного металла мартенситно-ферритная; основные структурные составляющие металла наплавки - феррит и игольчатый феррит (псевдомартенсит), остаточный ау-стениг, углерод преимущественно растворен в игольчатом феррите.

Согласно результатам металлографических исследований (при увеличении от 50 до 200) трещины и другие недопустимые дефекты в области наплавки и резьбовых отверстий моноблока отсутствуют.

Рисунок 1- Расположение мест вырезки из корпуса моноблока ФА образцов для металлографических исследований, механических и коррозионных испытаний

Механические и коррозионные испытания позволили установить, что для исследуемого основного и наплавленного металла ФА пороговые напряжения в среде NACE при доверительной вероятности 0,8 составляют 0,7 от фактических пределов текучести 617 МПа и 675 МПа соответственно.

В третьем разделе приведены результаты оценки НДС корпусов ФА от рабочих нагрузок и нагрузок при испытании. Определены напряжения в металле корпусов ФА в области коррозионных повреждений и остаточные напряжения от наплавки.

Результаты расчета напряжений, возникающих в корпусе моноблока под воздействием рабочего давления величиной 70 МПа, представлены в виде контурного поля распределения эквивалентных напряжений (по Мизесу). Установлено, что в металле моноблока в области пересечения под углом 45° центрального и бокового каналов корпуса возникают максимальные напряжения величиной 504 МПа. На кромках отверстий диаметром 1,3/8" под крепежные винты на фронтальной плоскости моноблока напряжения достигают величины 391 МПа. В области пересечения вертикальных и горизонтальных каналов под углом 90° напряжения составляют от 226 МПа до 274 МПа (рис. 2).

В сечениях задвижки максимальные напряжения наблюдаются в месте пересечения каналов в области посадочных мест под седла - до 344 МПа при рабочем давлении внутри задвижки 70 МПа.

1МЕ»07 11ЭЕ+ОЭ 2С5Е+0Э .337ЕЧ09 ,448Е*09

в?2Е«Я 1896«» 2Ме*» Э9ЭЕ-*09 П* Ю4МЭ

Рисунок 2 - Распределение напряжений в корпусе моноблока ФА при рабочем давлении 70 МПа (в осевом сечении)

Определение влияния увеличения размеров полостей моноблока вследствие коррозии на напряжения, возникающие под воздействием рабочего давления, проведено при увеличенных на 5... 10 мм диаметрах каналов моноблока. Анализ полученных результатов позволил установить, что увеличение размеров полостей моноблока (в исследуемом диапазоне) повышает максимальные напряжения не более чем на 13,1 %.

Оценка методом конечных элементов влияния увеличения вследствие коррозии размеров полостей задвижки 3 1/16" на напряжения, возникающие под воздействием рабочего давления, выполнена при увеличенных на 5... 9 мм диаметрах каналов задвижки. Установлено, что увеличение размеров полостей задвижки (в исследуемом диапазоне) повышает уровень максимальных напряжений не более чем на 18,0 % (рис. 3).

Оценка нештатных остаточных напряжений в металле корпуса ФА в результате наплавки металла на восстанавливаемые поверхности выполнена расчетом по модели, состоящей из двух элементов: собственно тела объекта и наплавленного слоя металла, обозначенных соответствующими позициями (рис. 4).

засеве tas£49 ггтм«

1НЧ1 in« mt*«i mmi ri

Рисунок 3 - Распределение напряжений при давлении 70 МПа в металле задвижки с увеличенными диаметрами каналов

\теЛ9 9бЪекта ____________ ^ .....

Рисунок 4 - Геометрическая модель объекта расчета

На модель нанесена нерегулярная сетка конечных элементов тетраэдриче-ской формы и соотнесена с моделью изотропного материала, которая в данном случае описывалась его теплофизическими и механическими характеристиками. Теплофизические характеристики материала задавались плотностью (8025 кг/м3), теплопроводностью X и удельной теплоемкостью С, которые приняты переменными от температуры Т (рис. 5).

г 9

400 600

Т,°с

Т, с

а) б)

Рисунок 5 - Изменение теплопроводности X (а) и теплоемкости С (б) в зависимости от температуры

Механические характеристики металла корпуса ФА определены коэффициентом Пуассона и модулем упругости Е, принятым переменным в зависимости от температуры (рис. 6, а). Возможность перехода упругих деформаций в пластические в используемой модели материала учитывалась пределом текучести а0 2, изменяющимся в зависимости от температуры (рис. 6, б).

500

™ 400

5

й 300 о"

200 100

400 600

Т,°с

400 600

Т, °С

а) б)

Рисунок б - Изменение модуля упругости (а) и предела текучести (б) в зависимости от температуры

Величины предела текучести вводились в программу расчёта напряжений в явном виде, как значения, соответствующие точкам перегиба на диаграмме Прандтля, упрощенно описывающей диаграмму растяжения двумя линейными »участками (рис. 7, а). Температурное расширение материала учитывалось коэффициентом линейного расширения а (значение - 11 • 10 "6 "С"1).

и изменение остаточных напряжений при термообработке (б)

Первоначально был выполнен тепловой расчет для построения температурного поля, возникающего при наплавке и при последующей температурной обработке корпуса задвижки при допущении, что наплавленный слой металла в начальный момент времени появляется мгновенно на всей поверхности и имеет одинаковую начальную температуру 2000°С в каждой точке слоя при начальной температуре корпуса задвижки 250°С (соответствует технологии наплавки). Теплообмен с окружающей средой учитывался условиями конвективного теплообмена с назначением соответствующих коэффициентов теплоотдачи свободным поверхностям корпуса.

Динамика теплового нагружения металла корпуса приведена на рисунке 7, б и отражает значение температуры в наплавленном слое металла в различные моменты времени.

Полученные результаты расчета температурного поля использованы для вычисления температурных напряжений, возникающих вследствие образования пластических деформаций под воздействием высоких температур во время наплавки.

Закономерность изменения максимального эквивалентного напряжения в различные моменты времени (и при различных температурах) приведена на графике (рис. 8, а), согласно которому остывание после наплавки приводит к образованию нештатных остаточных напряжений величиной до 158 МПа (максимум на графике).

» 120 = 100

•100 100 300 500 700 900 1100 1300 t МИН

а) б)

Рисунок 8 - Расчетный график изменения максимальных нештатных остаточных напряжений при термообработке, □ - результаты эксперимента (а) и картина распределения нештатных остаточных напряжений после термообработки в корпусе задвижки (б)

Первый отпуск, проведенный после наплавки, дает существенное снижение этих напряжений до 75 МПа, второй отпуск на величину остаточных напряжений практически не влияет (картина распределения напряжений после второго отпуска и остывания корпуса задвижки до температуры 20°С представлена на рис. 8. б).

Для определения фактических остаточных напряжений в металле в области наплавки проведена серия экспериментов на образцах с наплавкой (на отработанных режимах) круговых швов на внутреннюю поверхность проточки диаметром 80 мм в массивной цилиндрической заготовке диаметром 100 мм, вырезанной из моноблока ФА. После механической обработки наплавленного металла отрезали кольца, которые затем разрезали и по величине деформаций разрезанного кольца определяли остаточные напряжения в наплавке до и после термообработки. Результаты экспериментов (рис. 8) подтверждают расчетные данные с погрешностью до 12%.

Таким образом, установлено, что после наплавки и термообработки остаточные напряжения в корпусных элементах не превышают 15% от минимального нормативного предела текучести материала корпуса.

В четвертом разделе приведены результаты оценки нештатных напряжений, возникающих в элементах ФА при сборке.

При эксплуатации ФА наблюдаются отказы, связанные с образованием трещин в основании буртика канавки под уплотнительное кольцо (рис. 9, а), напряжений

б)

Рисунок 9 -Трещина в основании буртика канавки под уплотнитепьное кольцо (а), сеточная модель элементов уплотнения ФА (б)

Напряжения в буртике канавки под уплотнитсльное кольцо крышки задвижки 4 1/16" моноблока (буртик нагружается кольцом со стороны крышки задвижки усилием затяжки резьбовых соединений) определяли расчетом методом конечных элементов по модели, включающей кольцевой фрагмент корпуса моноблока, цилиндрический фрагмент крышки задвижки, взаимодействующие друг с другом через уплотнительное кольцо, размещенное в канавке заданного профиля, выполненной в корпусе моноблока и в крышке задвижки.

Модели корпуса моноблока, крышки задвижки и уплотнительного кольца сформированы на основе использования сетки квадратичных конечных элементов призматической формы. В местах контакта уплотнительного кольца и корпуса моноблока на соответствующих поверхностях сформированы контактные пары с использованием специальных типов конечных элементов, реализующих модель контактного взаимодействия (рис. 9,6).

Полученные сеточные модели соотнесены с моделями материалов, параметрами которых для моноблока и крышки задвижки являются: модуль упругости, равный 2,1x105 МПа, коэффициент Пуассона, равный 0,3 и предел текучести, равный 536 МПа. Для модели уплотнительного кольца использованы те же значения модуля упругости и коэффициента Пуассона, а предел текучести принят равным 220 МПа, коэффициент трения для контактной пары сталь-сталь принят равным 0,15.

Использованные в модели граничные условия представляли собой нулевые степени подвижности по трем линейным координатам (X, У и 2), наложенные на узлы, принадлежащие нижней плоскости модели корпуса моноблока (жесткая заделка на рис. 9, б). Условия нагружения характеризовались нормальной силой Р, равномерно распределенной по поверхности верхней плоскости модели крышки задвижки (рис. 9, б).

Проведена серия вычислений для определения зависимости максимальных эквивалентных напряжений в области канавки под уплотнительное кольцо ФА от величины действующей на крышку задвижки нагрузки. Полученная зависимость аппроксимирована полиномом третьей степени (рис. 10).

1000-

600-

200-

200

1 i 1 1 '

o(F) = 2,7 • F - 0,00437 • F2 + 3 ■ 10'6 • F3 //

R^=0,99 /

• ье 1 О . Q> 1ЭЦИЯ 1гощего У У /

ругих 1ЭЦИЙ Пласти дефорг уплотн кольца ...-'"J,

> CL . S* < О Ф ■ ' СО С[ у' s

$ 1 к '* А 2 1 ? мация :a канав

///\ s . <0 Is 0) >. (B

О Расчетные

значения — Линия

аппроксимации О Пластическая деформация металла буртика канавки при

эксперименте А Пластическая деформация металла уплотняющего кольца при эксперименте

1000

400 600 800

F, кН

Рисунок 10 - Зависимость максимального эквивалентного напряжения в области канавки угшсггаения фланцев корпусов ФА от действующей силы прижатия крышки

На диаграмме выделяются три зоны: первая - зона упругих деформаций металла кольца и буртика канавки; вторая - зона пластических деформаций уплотнительного кольца, обладающего меньшей твердостью; третья - зона пластических деформаций металла буртика канавки. Расположение точки начала пластической деформации металла буртика канавки, полученной экспериментально (квадрат на рис. 10), определяется фактическим пределом текучести для наплавленного металла, который составляет 675 МПа, и нагрузкой, соответствующей началу пластической деформации металла буртика канавки, фиксируемой тензометрированием и прямыми измерениями.

Для определения зависимости максимальных напряжений а от толщины t буртика канавки под уплотнительное кольцо выполнена серия расчетов (при постоянной нагрузке 750 кН). Толщина буртика канавки при проведении расчетов варьировалась за счет изменения среднего диаметра канавки при неизменных размерах ее профиля (исходное значение - точка т. 1 на рис. 11 - соответствовало фактической толщине буртика канавки корпуса моноблока).

19

850 800 750 700 го 650 | 600 О 550 500

_ 450

яа«» дам» нтм»

.1111*4} 411ИН Ш1»0| Щ МММ) 400

4 6 8 10 12 14 16

Рисунок 11 - Распределение напряжений и зависимость максимальных напряжений от толщины буртика канавки корпуса ФА

Картина распределения напряжений в области канавки при фиксированной нагрузке в 750 кН в виде контурных графиков эквивалентных напряжений (по Мизесу) приведена на рис. 11.

В буртике канавки корпуса ФА при фактической толщине 1,7... 1,8 мм в процессе затяжки резьбовых соединений возникают значительные напряжения, которые при воздействии сероводородсодержащсй среды могут привести к возникновению трещин. С увеличением толщины буртика канавки наблюдается существенное уменьшение величины напряжений, подчиняющееся экспоненциальной зависимости с трендом к стабилизации напряжения по мере увеличения толщины буртика канавки (рис. 11). Эта зависимость с погрешностью, не превышающей 3%, аппроксимирована функцией: сг(0 = 468+ 1213-0,486'.

Увеличение толщины буртика до 3,8 мм (точка т,2, рис. 11) позволяет снизить напряжения на 35 % и повысить безопасность ФА.

Результаты расчетов НДС методом конечных элементов подтверждаются экспериментами по исследованию процесса герметизации восстановленного моноблока. Усилие затяжки резьбовых соединений при сборке ФА контролировали при помощи тензодатчиков, наклеенных на втулку, расположенную между корпусом моноблока и гайкой, а крутящий момент определяли с помощью моментного ключа, настроенного на предельный момент затяжки. Предварительно проводили тарировку силоизмерительной втулки и строили корреляционную зависимость напряжений во втулке от усилия затяжки шпильки,

затем по. значению средних напряжений определяли усилие затяжки шпильки, которое сопоставляли с расчетным усилием от момента затяжки.

В процессе испытаний имитировали затяжку резьбовых соединений для деформации уплотнительного кольца с целью создания герметичного соединения с моноблоком крышки задвижки. Для определения момента начала пластической деформации металла буртика канавки под уплотнительное кольцо ФА на краю буртика в окружном направлении канавки и вдоль оси канавки наклеивали тензодатчики. Начало пластической деформации определяли путем ступенчатого увеличения момента затяжки гайки крепления крышки задвижки к корпусу моноблока ФА со снятием нагрузки после каждой ступени. Если сигналы с датчиков после снятия нагрузки не принимали нулевых значений, это свидетельствовало о том, что произошла пластически деформация металла буртика канавки. Перед началом каждой ступени затяжки проводили обнуление показаний тензодатчиков.

Анализ результатов исследований показал, что пластическая деформация уплотнительного кольца ФА начинается при моменте затяжки резьбового соединения 250 Н-м (нагрузка на одну шпильку в пределах 40 кН), а пластическая деформация буртика канавки под уплотнительное кольцо начинается при моменте затяжки резьбового соединения 600 Н м (нагрузка на одну шпильку в пределах 97 кН). Точки, соответствующие полученным нагрузкам, указаны на рис. 10. Герметичность соединений ФА в условиях испытаний обеспечивается при моменте затяжки более 400 Н-м. Деформированное состояние буртика канавки при повышенном значении момента затяжки 1500 Н-м показано на рис.12.

Рисунок 12 - Сечение канавки под уплотнительное кольцо крышки задвижки ФА после деформации буртика канавки при обжатии уплотнительного кольца с моментом затяжки шпильки 1500 Н-м

Экспериментальная оценка предельных прочностных характеристик металла резьбового соединения восстановленного моноблока показала, что ме-

талл обладает достаточными прочностными характеристиками при создании необходимого усилия для обеспечения герметичного соединения и выдерживает семикратную нагрузку относительно нагрузки, необходимой для обеспечения герметизации и безопасности ФА.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведённые теоретические и экспериментальные исследования позволили решить поставленные в работе задачи и получить следующие результаты:

1. Анализ повреждений и отказов оборудования, контактирующего с се-роводородсодержащими средами, подтверждает, что основной причиной выпадающих из общей статистики отказов оборудования сероводородсодержа-щих месторождений являются нештатные напряжения в элементах оборудования, возникающие в результате действия факторов, не предусмотренных проектами, нормами и регламентами, например: в оборудовании, образующем замкнутые цепи силовых связей, возникают нештатные напряжения от перемещения смежных опор в результате образования между ними продуктов коррозии; механические повреждения посадочных поверхностей под уплотнения крышек задвижек возникают в результате перетяжки резьбовых соединений из-за неконтролируемого момента затяжки (превышения уровня затяжки резьбовых соединений узла уплотнения ФА ведёт к росту напряжений в металле буртика канавки под уплотнительное кольцо до предела текучести металла и к возникновению трещин под действием сероводородсодержащей среды).

2. Уточнены по степени значимости критерии восстановления безопасности ФА, контактирующей с сероводородсодержащими средами: свариваемость металла - не хуже ограниченной по шкале свариваемости; стойкость металла зоны ремонта водородному растрескиванию должна быть высокой; контролепригодность - зона ремонта должна подвергаться неразрушающему контролю и в связи с этим не все поврежденные участки могут подвергаться восстановлению; стоимость ремонта зависит от степени поврежденности и не должна превышать 40% от стоимости новой фонтанной арматуры; твердость наплавленного металла и переходной зоны не должна превышать 28Ш1С; гарантированный ресурс после ремонта должен составлять не менее 5 лет; НДС металла ФА после ремонта - нештатные напряжения не должны превышать 15% от предела текучести материала.

3. Установлено, что коррозионные повреждения на внутренних поверхностях глубиной до 5% от толщины стенки корпуса ФА приводят к возникновению нештатных напряжений величиной до 18% от исходных напряжений, что не превышает концентрацию напряжений в металле области уплотнения корпуса ФА. Подобные повреждения при ремонте достаточно зашлифовать с плавным переходом к основной поверхности.

4. Предлагаемая технология восстановления работоспособности корпусов и безопасности ФА, включает операции: расточка поврежденных поверхностей; дегазация металла при температуре 280-300 °С; наплавка металла на подготовленные поверхности с сопутствующим их подогревом при 250-280 °С; последующая термообработка - двойной отпуск металла восстанавливаемого корпуса ФА. В связи со сложной формой корпусов ФА, отдельные участки после ремонта невозможно проконтролировать. К ним относятся посадочные места под седла и отдельные участки внутренних поверхностей корпуса ФА. Согласно результатам исследований, металл корпуса ФА в области наплавки обладает механическими характеристиками и стойкостью к водородному растрескиванию, соответствующими требованиям нормативных документов; недопустимые дефекты в наплавленном металле в области ремонта отсутствуют. При этом нештатные остаточные напряжения от наплавки металла при ремонте корпуса ФА после термообработки не превышают 15% от минимального нормативного предела текучести стали. Суммарные напряжения не превышают пороговые напряжения сероводородного растрескивания.

5. Разработанные модели узлов и деталей ФА, результаты расчетов и натурных экспериментов, позволили оценить НДС и установить зависимости напряжений в металле узлов ФА от размеров под уплотнительные элементы и усилия затяжки. Установлен диапазон необходимых значений момента затяжки резьбовых соединений крепления крышек задвижек восстановленной ФА от 400 Нм до 420 Нм, при котором напряжения в металле корпуса ФА не превышают пороговые напряжения сероводородного растрескивания и обеспечивается надёжная герметизация при испытательном давлении.

6. Разработанные рекомендации по технологии ремонта ФА, бывшей в эксплуатации на сероводородсодержащих месторождениях, позволяют повысить безопасность отремонтированной ФА путем снижения нештатных напряжений и используются в ООО «Технология».

Список работ, опубликованных по теме диссертации

В ведущих рецензируемых научных журналах из перечня ВАК РФ:

1. Чирков, Е.Ю. Основные причины повреждений запорной арматуры /

A.A. Бауэр, Е.Ю. Чирков, М.Р. Ишмеев, Е.В. Кушнаренко II Нефтепромысловое дело.-2010,-№ 12.-С. 70-72.

2. Чирков, Е.Ю. Анализ причин отказов оборудования и трубопроводов / В.М. Кушнаренко, B.C. Репях, Е.В. Кушнаренко, Е.Ю. Чирков // Вестник ОГУ. — 2010. - №10. - С. 153-159.

3. Чирков, Е.Ю. Сопротивление материалов сероводородному растрескиванию при чистом сдвиге / Е.Ю. Чирков, В.Г. Ставишенко // Вестник ОГУ. -2011.-№16.-С. 99-101.

4. Чирков, Е.Ю. Восстановление корпусов фонтанной арматуры после эксплуатации в сероводородсодержащих средах / В.В. Настека, А.Ф. Кореня-кин, Н.Ф. Низамов, Е.Ю. Чирков, В.М. Кушнаренко // Научно-технический вестник Поволжья. - 2012. -№ 5. - С. 257-259.

5. Чирков, Е.Ю. Оценка напряжений в области уплотнения корпуса моноблока фонтанной арматуры / В.В. Настека, А.Ф. Коренякин, Н.Ф. Низамов, Е.Ю. Чирков, В.М. Кушнаренко // Нефтепромысловое дело. - 2012. - № 10. -С. 25-28.

В других изданиях:

6. Чирков, Е.Ю. Определение концентрации напряжений в металле труб с вмятинами / Е.Ю. Чирков // Перспектива. Сборник статей молодых ученых. -2008.-№11.-С. 681-685.

7. Чирков, Е.Ю. Коррозионное растрескивание стали в регенерированном растворе ДЭА / Р.Н. Узяков, Е.Ю. Чирков, В.М. Кушнаренко, O.A. Чуно-сов, В.В. Ралко // Диагностика оборудования и трубопроводов, подверженных воздействию сероводородсодержащих сред : материалы VII международной научно-технической конференции (26-29 ноября 2008 г). - Оренбург: ООО "Агентство "Пресса", 2008. - С. 249-257.

8. Чирков, Е.Ю. Повреждения деталей при воздействии коррозионных сред / В.М. Кушнаренко, B.C. Репях, Е.В. Кушнаренко, Е.Ю. Чирков // Наука и образование: фундаментальные основы, технологии, инновации : сборник материалов международной научной конференции. — Оренбург: ОГУ, 2010. — Т.6.- С. 57-61.

9. Чирков, Е.Ю. Работоспособность запорной арматуры, длительно эксплуатируемой при воздействии сероводородсодержащих сред / М.Р. Ишмеев,

B.М. Кушнаренко, Е.Ю. Чирков, A.A. Бауэр // Диагностика оборудования и трубопроводов, подверженных воздействию сероводородсодержащих сред : материалы VIII-ой Международной научно-технической конференции (23-26 ноября 2010 г.). — Оренбург: ИПК "Газпромпечать" ООО "Оренбурггазпром-сервис", 2010.-С. 113-116.

10. Чирков, Е.Ю. Дефекты и повреждения деталей и конструкций: монография / В.М. Кушнаренко, B.C. Репях, Е.Ю. Чирков, Е.В. Кушнаренко; Оренбургский гос. ун-т. - Оренбург: ООО «Руссервис», 2012.-531 с.

Подписано в печать 12 04 2013г. Печать лазерная. Формат 60><80 1/16. Гарнитура «Тайме». Усл. печ. лист. 1. Тираж 100 экз. Заказ № 17 СКУ «Бункер»

450062, республика Башкортостан, г. Уфа, ул. М. Пинского, 6.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет»

На правах рукописи

04201356877 ^

Чирков Евгений Юрьевич

ВЛИЯНИЕ НЕШТАТНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ НА БЕЗОПАСНОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ, КОНТАКТИРУЮЩЕГО С СЕРОВОДОРОДСОДЕРЖАЩИМИ СРЕДАМИ

Специальности:

05.26.03 - «Пожарная и промышленная безопасность» (нефтегазовая отрасль) 05.02.13 - «Машины, агрегаты и процессы» (нефтегазовая отрасль)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор,

Кушнаренко Владимир Михайлович

Оренбург - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

1 ПОВРЕЖДЕНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ ДЕЙСТВИИ НЕШТАТНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И СЕРОВОДОРОДСОДЕРЖАЩИХ СРЕД....................................................................................................................8

1.1 Разрушения скважинного оборудования.......................................................10

1.1.1 Разрушение НКТ и муфты НКТ......................................................................10

1.1.2Разрушение переводника.................................................................................11

1.1.3 Разрушение труб эксплуатационной колонны..............................................12

1.1.4Разрушение гайки прижимной винта мультифазного насоса......................12

1.2 Сероводородное растрескивание сварных соединений и деталей трубопроводов...................................................................................................13

1.2.1 Разрушение сварных соединений трубопроводов........................................13

1.2.2Разрушение деталей трубопроводов...............................................................15

1.2.3Разрушение крепежа фланцевых соединений трубопроводов....................18

1.2.4Разрушение штока задвижки трубопровода..................................................19

1.2.5Разрушение переходного штуцера манометра..............................................22

1.3 Разрушение патрубка теплообменника..........................................................23

1.4 Разрушения фонтанной арматуры..................................................................36

1.4.1 Разрушение крышки задвижки шиберной.....................................................36

1.4.2Разрушение крестовины...................................................................................38

1.5 Анализ причин отказов фонтанной арматуры скважин АГКМ...................40

Выводы по главе 1....................................................................................................45

2 КРИТЕРИИ И ТЕХНОЛОГИЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ФОНТАННОЙ АРМАТУРЫ..........................................46

2.1 Анализ технологий восстановления безопасности фонтанной арматуры после эксплуатации в сероводородсодержащих средах.............46

2.2 Оценка методом анкетирования значимости критериев восстановления безопасности фонтанной арматуры, бывшей в эксплуатации на АГКМ....................................................................................49

2.3 Свариваемость - один из основных критериев восстановления безопасности фонтанной арматуры................................................................56

2.4 Выбор режимов и отработка технологии восстановления безопасности фонтанной арматуры........................................................................................63

2.5 Контроль восстанавливаемых корпусов........................................................70

2.6 Механические и коррозионные испытания и металлографические исследования металла корпуса моноблока....................................................77

2.6.1 Механические испытания................................................................................77

2.6.2Коррозионные испытания................................................................................79

2.6.3Металлографические исследования...............................................................84

Выводы по главе 2....................................................................................................85

3 НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ КОРПУСОВ ФОНТАННОЙ АРМАТУРЫ...........................................................................87

3.1 Напряженно-деформированное состояние моноблока.................................87

3.2 Напряженно-деформированное состояние задвижки...................................91

3.3 Нештатные напряжения при коррозионных повреждениях фонтанной арматуры............................................................................................................93

3.4 Нештатные - остаточные напряжения в корпусе фонтанной арматуры

при наплавке металла на восстанавливаемые поверхности.........................96

Выводы по главе 3..................................................................................................103

4 ОЦЕНКА НЕШТАТНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ МОНТАЖЕ ФОНТАННОЙ АРМАТУРЫ.........................................................................104

4.1 Теоретическая оценка критических нагрузок при герметизации восстановленной фонтанной арматуры........................................................104

4.2 Определение фактического усилия затяжки гаек шпилек для герметизации фонтанной арматуры.............................................................109

4.3 Теоретическая оценка напряжений в резьбовых соединениях фонтанной арматуры......................................................................................113

4.4 Определение нагрузочной способности резьбовых соединений моноблока........................................................................................................117

Выводы по главе 4..................................................................................................119

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................................121

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.........................123

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.............................................124

ПРИЛОЖЕНИЯ......................................................................................................132

Приложение 1 - Форма анкеты для определения критериев восстановления

безопасности корпуса фонтанной арматуры...............................................133

Приложение 2 - Результаты неразрушающего контроля корпусов

моноблока и задвижки фонтанной арматуры..............................................134

Приложение 3 - Образцы для металлографических исследований..................144

Приложение 4 - Твердость металла зоны ремонта.............................................183

Приложение 4 -Рекомендации по технологии ремонта корпусов фонтанной арматуры из стали РбКМ, работающей в сероводородсодержащей среде.................................................................................................................186

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Эксплуатация ряда нефтегазовых месторождений России осложнена вследствие наличия в добываемых продуктах сероводорода и других компонентов, агрессивных по отношению к металлу газопромыслового оборудования и опасных для жизни и здоровья персонала нефтегазодобывающих и перерабатывающих предприятий. В наиболее жестких условиях эксплуатируется фонтанная арматура (ФА), которая подвергается воздействию коррозионных рабочих сред высокого давления и коррозионных сред, применяемых для обработки скважин, повышающих вероятность развития процессов сероводородного растрескивания и отказов, ведущих к авариям с соответствующими последствиями. Обеспечение безопасности ФА является актуальной задачей в нефтегазовой отрасли, для решения которой необходимо разработать методы и установить критерии оценки восстановления безопасности ФА и условия её обеспечения конструктивно-технологическими мероприятиями, в том числе на стадиях ремонта и испытания (восстановления работоспособности). Особое значение приобретает разработка технологий восстановления повреждённых поверхностей корпусов ФА наплавкой коррозионно-стойкого металла с учётом возможного возникновения дополнительных не проектных (нештатных) и остаточных напряжений, исключение всевозможных концентраторов напряжений, разработка технологий сборки и монтажа оборудования, обеспечивающих минимальный уровень нештатных напряжений.

Объём и содержание исследований в данной работе определены паспортами специальностей научных работников (утв. приказом Минобрнауки России от 25 февраля 2009 г. №59):

05.26.03 Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовая отрасль) - в части изучения причин возникновения, закономерностей проявления и развития, методов и средств превентивного и текущего управления техногенными явлениями разрушительного и пожароопасного характера, сопровождающимися значительным ущербом (п. 12. «Разработка и совершенствование способов повышения безопасности производственного оборудования, технологических процессов, вспомогательных операций и условий труда работников»);

05.02.13 Машины, агрегаты и процессы (нефтегазовая отрасль) — в части теоретических и экспериментальных исследований и научно-технического обоснования новых эффективных методов и технологий проектирования, модернизации и ремонта агрегатов и узлов нефтегазового оборудования и их эксплуатации в нефтегазовой отрасли (п.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»).

Степень разработанности. Особенности эксплуатации оборудования, контактирующего с сероводородсодержащими средами, влияние напряжений на сероводородное растрескивание металла отражены в работах ученых: Антонова В.Г., Барышова С.Н., Бугай Д.Е., Гафарова H.A., Генделя Г.Л., Гумерова А.Г., Иванова С.И., Клейменова A.B., Кушнаренко В.М., Митрофанова A.B., Перунова Б.В., Стеклова О.И., Худяковой Л.П. и др. Однако, остаются невыясненными многие причины внезапных отказов оборудования, а также актуальными являются проблемы влияния нештатных напряжений на работоспособность оборудования, контактирующего с сероводородсодержащими средами, в частности, влияние возникающих при ремонте и монтаже остаточных напряжений на безопасность восстановленной фонтанной арматуры.

Объект исследования - фонтанная арматура нефтегазовых скважин и детали фонтанной арматуры, контактирующие с сероводородсодержащими средами.

Предмет исследования - процессы возникновения повреждений и нештатных напряжений в деталях нефтегазового оборудования, контактирующего с сероводородсодержащими средами, диагностика повреждений и технологии восстановления безопасности фонтанной арматуры.

Цель исследования - повышение безопасности нефтегазового оборудования, контактирующего с сероводородсодержащими средами, за счет конструктивно-технологических мероприятий, обеспечивающих снижение уровня нештатных напряжений в деталях оборудования.

Задачи исследования:

- анализ повреждений и отказов нефтегазопромыслового оборудования, контактирующего с сероводородсодержащими средами;

- разработка технологии ремонта корпусов ФА методом наплавки;

- оценка напряженно-деформированного состояния (НДС) и безопасности корпусов ФА, подвергнутых ремонту;

- разработка рекомендаций по восстановлению безопасности ФА, контактирующей с сероводородсодержащими средами.

Научная новизна:

- установлено, что основной причиной выпадающих из общей статистики отказов оборудования сероводородсодержащих месторождений являются нештатные напряжения в элементах оборудования, возникающие в результате действия факторов, не предусмотренных проектами, нормами и регламентами;

- впервые предложена система критериев оценки восстановления безопасности ФА, бывшей в эксплуатации на сероводородсодержащих нефтегазоконденсатных месторождениях: свариваемость металла - не хуже ограниченной по шкале свариваемости; стойкость металла зоны ремонта водородному растрескиванию должна быть высокой; контролепригодность -зона ремонта должна подвергаться неразрушающему контролю, и, в связи с этим, не все поврежденные участки могут подвергаться восстановлению; стоимость ремонта зависит от степени поврежденности и не должна превышать 40% от стоимости новой фонтанной арматуры; твердость наплавленного металла и переходной зоны не должна превышать 28HRC; гарантированный

ресурс после ремонта должен составлять не менее 5 лет; НДС металла ФА после ремонта - нештатные напряжения не должны превышать 15% от предела текучести материала;

- разработанные модели узлов и деталей ФА, результаты расчетов и натурных экспериментов, позволившие оценить НДС и установить зависимости напряжений в металле узлов ФА от усилия затяжки и размеров под уплотнительные элементы и определить диапазон необходимых значений момента затяжки резьбовых соединений крепления крышек восстановленной ФА от 400 Нм, обеспечивающий герметичность соединения при испытательном давлении, до 420 Н-м, при котором напряжения в металле корпуса ФА не превышают пороговые напряжения сероводородного растрескивания.

Теоретическая ценность:

развиты современные подходы в области расчетного и экспериментального анализа нештатных напряжений, установления причин их возникновения и влияния на безопасность оборудования, контактирующего с сероводородсодержащими средами;

- доказана возможность возникновения при сборке фонтанной арматуры нештатных напряжений в области уплотнения, приводящих к образованию трещин в металле корпуса арматуры;

- изложены условия и критерии восстановления безопасности фонтанной арматуры;

- проведена модернизация модели расчета остаточных нештатных напряжений после наплавки металла при ремонте фонтанной арматуры, обеспечивающей определение остаточных напряжений с учетом зависимостей теплопроводности, теплоемкости, модуля упругости и предела текучести от температуры.

Практическая ценность:

- рекомендации по восстановлению безопасности ФА, контактирующей с сероводородсодержащими средами, и диапазон значений момента затяжки резьбовых соединений, не приводящего к увеличению напряжений до уровня, вызывающего сероводородное растрескивание металла корпуса задвижки, и обеспечивающего герметизацию соединения и безопасность ФА, используются в ООО «Технология» (г. Оренбург);

- расчетно-экспериментальная оценка НДС фланцевых соединений арматуры, работающей под высоким давлением, используется в учебном процессе при проведении практических занятий по дисциплине «Расчет и конструирование элементов оборудования отрасли» при подготовке инженеров по специальности 240801 «Машины и аппараты химических производств» на кафедре МАХПП ФГБОУ ВПО ОГУ.

Методы исследований - теоретические и экспериментальные методы: моделирование объектов и оценка их НДС методом конечных элементов; определение значимости критериев безопасности ФА методом экспертных оценок; лабораторные и производственные механические и коррозионно-механические испытания, металлографические исследования металлов; оценка результатов методами статистического анализа и теории вероятности.

На защиту выносятся:

- результаты оценки влияния нештатных напряжений на безопасность оборудования, контактирующего с сероводородсодержащими средами;

- критерии и условия восстановления безопасности ФА, контактирующей с сероводородсодержащими средами;

- рекомендации по модернизации конструкции и технология сборки герметизирующего узла ФА с учётом значений геометрических размеров деталей и условий эксплуатации;

- технология восстановления безопасности ФА.

Достоверность полученных результатов

В работе использованы современные методики сбора и обработки информации, а также комплекс теоретических и экспериментальных методов исследований физико-химических свойств и НДС металла ФА. Результаты расчетов подтверждаются многочисленными экспериментальными данными, полученными на сертифицированном оборудовании, и сопоставимы с опубликованными работами других авторов.

Апробация работы и публикация результатов

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научных конференциях: УП-ой международной научно-технической конференции «Диагностика оборудования и трубопроводов, подверженных воздействию сероводородсодержащих сред» (Оренбург, 2008); международной научной конференции «Наука и образование: фундаментальные основы, технологии, инновации» (Оренбург, 2010); УШ-ой международной научно-технической конференции «Диагностика оборудования и трубопроводов, подверженных воздействию сероводородсодержащих сред» (Оренбург, 2010); всероссийской научно-технической конференции «Интеграция науки и практики в профессиональном развитии педагога» (Оренбург, 2010); международной конференции, посвященной 110-летию со дня рождения член-корреспондента АН СССР Г.В. Акимова «Фундаментальные аспекты коррозионного материаловедения и защиты металлов от коррозии» (Москва, 2011); молодежной научно-технической конференции с международным участием «Инновационные решения для нефтегазовой отрасли (опыт и перспективы)» (Оренбург, 2012); всероссийской научно-методической конференции с международным участием «Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры» (Оренбург, 2013).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 5 статей в ведущих научных журналах, включенных в перечень ВАК РФ.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех разделов с результатами теоретических и экспериментальных исследований, основных выводов, списка использованных источников из 103 наименований и приложений, изложена на 131 странице машинописного текста, содержит 76 рисунков и 17 таблиц.

1 ПОВРЕЖДЕНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ ДЕЙСТВИИ

НЕШТАТНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И СЕРОВОДОРОДСОДЕРЖАЩИХ

СРЕД

Нештатные напряжения - напряжения, возникающие при эксплуат