Статьи
Контакты
+7 (49621) 2-73-68+7 (495) 221-84-78; факс: +7 (49621) 3-04-25Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
Теплосеть
Коллектор теплосети
Клапан
Отсечной клапан на газопроводе
Дефект
Не правильно выполненный демонтаж элемента трубопровода
Арматура
Отсечное устройство на газопроводе

Прогнозируемая безопасность 
Метод магнитного контроля и оценки остаточного ресурса элементов металлоконструкции буровых установок

tehnadzor_gi_200

Миниварис ГАЛИМУЛЛИН, директор 

Владимир ПРОХОРОВ, начальник ЦТД и ЭО ООО «Октябрьский завод нефтепромыслового оборудования» (Октябрьский) 
Ринат ЗАГИДУЛЛИН, директор, д.т.н., профессор 
Тимур ЗАГИДУЛЛИН, научный сотрудник ООО «НТЦ «Спектр» (Уфа)


Для ранней диагностики потенциально опасных производственных объектов и предупреждения аварийных ситуаций при их эксплуатации используется магнитный метод контроля напряженно-деформированного состояния (НДС) металла стальных изделий, который основан на тесной корреляционной зависимости между структурно-чувствительными магнитными параметрами и остаточными механическими напряжениями металла.

Для измерения структурно-чувствительных магнитных параметров металла используются технические средства контроля, которые принято называть магнитными структуроскопами. Показания магнитного структуроскопа однозначно зависят от величины остаточных механических напряжений металла, которая весьма близка к линейной во всей области деформации металла (упругая, упруго-пластическая), вплоть до разрушения стального изделия.

Зависимость коэрцитивной силы металла Нс от механического напряжения σ является уникальной для каждой марки стали. Ее предварительно устанавливают в лабораторных условиях путем проведения механических испытаний стандартных образцов, изготовленных из разных марок сталей, на разрывной машине типа Р5 в соответствии с ГОСТ 1497–84 или ГОСТ 10006–80.

На основе предварительно установленной зависимости коэрцитивной силы металла от величины механического напряжения, по результатам практических измерений, можно оценивать фактическую величину механического напряжения металла.

Опыт применения магнитного метода контроля НДС металла и оценки остаточного ресурса элементов конструкции грузоподъемных машин (ГПМ) в Центре технического диагностирования и экспертного обследования (ЦТД и ЭО) ООО «Октябрьский завод нефтепромыслового оборудования» показал надежность, эффективность и возможность проведения магнитного контроля как в цеховых, так и в полевых условиях.

Положительный опыт практического применения магнитного метода контроля технического состояния элементов конструкции ГПМ позволяет перейти к решению проблемы оценки остаточного ресурса буровых установок и агрегатов для ремонта нефтегазовых скважин, элементы конструкций которых работают в тяжелых условиях и испытывают при эксплуатации основные виды механических деформаций и нагрузок.

В настоящее время при экспертном обследовании буровых установок и агрегатов для ремонта скважин не предусмотрено применение технических средств, которые бы определяли НДС металла наиболее нагруженных элементов металлоконструкций. Отсутствует также концепция расчета остаточного ресурса буровых установок и агрегатов для ремонта скважин по их техническому состоянию, и существует только упрощенная программа расчета этого параметра по степени коррозионной поврежденности металлоконструкции. С этим обстоятельством связано то, что для всех буровых установок, независимо от условий их эксплуатации и фактического технического состояния, определен предельный срок эксплуатации, равный 25 годам.

В настоящее время является актуальной задача создания нормативной и технической базы, регламентирующей возможность оценки технического состояния металлоконструкций буровых установок и агрегатов для ремонта скважин по критериям НДС металла. Наиболее перспективным является контроль НДС металла и оценки работоспособности элементов конструкции буровых установок и агрегатов для ремонта скважин по магнитным диагностическим параметрам, которые обеспечивают практическую реализацию ранней диагностики потенциально опасных участков и предупреждения аварийных ситуаций.

Как показала практика использования магнитного контроля элементов конструкции ГПМ, наиболее объективным и надежным является способ, когда остаточный ресурс металлоконструкций определяется на основе номограмм, обобщающих предварительно полученные экспериментальные зависимости и построенные в координатах: значение коэрцитивной силы металла Нс – число циклов нагружения N (рис. 1). В процессе механических испытаний стандартных образцов реализуются различные режимы нагружения металла, приближенные к реальным условиям эксплуатации металлоконструкций.

2011_05_11_tn_51_2011_26_1

 

2011_05_11_tn_51_2011_26_2

Особенностью магнитного контроля элементов конструкции буровых вышек и мачт является необходимость проведения значительного объема экспериментальных измерений, что связано с большими габаритными размерами и массивностью объектов контроля. Начинает негативно сказываться на производительности магнитного контроля статический характер и длительность измерения коэрцитивной силы металла магнитными структуроскопами типа КРМ-Ц (рис. 2), которая составляет около 8–10 сек.

В связи с этим, для значительного повышения производительности магнитного контроля элементов конструкций буровых вышек, совместно с магнитным структуроскопом КРМ-Ц-К2М был апробирован индикатор механического напряжения металла ИН-02 сканирующего типа.

Контроль НДС металла осуществляется путем непрерывного сканирования поверхности стального изделия магнитоизмерительным блоком, скорость перемещения которого составляет 0.1-0.3 м/с. Магнитоизмерительный блок соединен с электронным блоком, показания цифрового индикатора которого коррелируют с величиной механических напряжений металла. Результаты магнитного контроля НДС металла могут быть записаны в электронную память прибора.

Для документирования результатов магнитного контроля и их дальнейшей математической обработки и интерпретации предусмотрена автоматическая выгрузка измеренных данных из электронной памяти индикатора механического напряжения металла ИН-02 на внешнюю ЭВМ.

Многие элементы конструкций буровых вышек и агрегатов для ремонта нефтегазовых скважин имеют сложный профиль поверхности, что затрудняет, а иногда делает невозможным проведение контроля НДС металла с помощью магнитного структуроскопа. Магнитный контроль таких элементов конструкции бурового оборудования производился с помощью индикатора механических напряжений металла ИН-01, осуществляющего измерение магнитного параметра металла, как и магнитный структуроскоп, в статическом режиме, однако обладающего более высокой локальностью области контроля металла.

2011_05_11_tn_51_2011_27При проведении магнитного контроля элементов конструкций буровых вышек осуществлялось комплексное применение индикаторов механических напряжений металла ИН-01, ИН-02 и магнитного структуроскопа КРМ-Ц-К2М, которое заключается в следующем: 
■ с помощью индикатора механического напряжения металла ИН-02 осуществляется сканирование (экспресс-контроль) поверхности элементов конструкции буровых вышек и мачт и выявляются области с повышенным НДС металла; 
■ с помощью магнитного структуроскопа КРМ-Ц-К2М измеряется коэрцитивная сила металла в выявленных областях с повышенным НДС и по номограммам оценивается величина механического напряжения; 
■ контроль НДС металла в труднодоступных местах элементов конструкции бурового оборудования или поверхностей контроля со сложным профилем, где невозможен контроль с помощью магнитного структуроскопа, осуществляется индикатором механических напряжений металла ИН-01.

Данная методика была использована при проведении магнитного контроля технического состояния стальной вышки буровой установки типа БУ-75, принадлежащей Уфимскому УБР, которая к моменту контроля отработала t ≈ 21 год. Основные элементы конструкции буровой вышки изготовлены из конструкционной стали 20.

Магнитному контролю подвергались наиболее нагруженные части стальной вышки буровой установки (рис. 3): 
■ нижняя часть секции 1 и основание буровой вышки (по мере доступности); 
■ узлы крепления основания буровой вышки к стальной платформе.

Процесс магнитного контроля НДС металла элементов конструкции буровой вышки состоял из двух этапов. На первом этапе поверхность ног буровой вышки сканировалась индикатором механического напряжения металла ИН-02, в процессе которого выявлялись зоны с повышенным НДС металла (эти места отмечались мелом).

На втором этапе отмеченные области поверхности ног буровой вышки контролировались индикатором механического напряжения металла ИН-01 или магнитным структуроскопом типа КРМ-Ц, по показаниям которых количественно оценивалась величина механического напряжения металла. Для этого магнитный структуроскоп и индикатор механического напряжения металла предварительно были откалиброваны на стандартных образцах, изготовленных из конструкционных сталей разных марок.

При сканировании поверхности стальных труб диаметром 140 мм секции 1 обеих ног буровой вышки с помощью индикатора механического напряжения металла ИН-02 было установлено, что в среднем показания в ненапряженных участках металла равны 8–9 мТл. Однако в секции 1 обеих ног буровой вышки были выявлены области с повышенным НДС металла, где показания индикатора механического напряжения металла ИН-02 составили 12.0 и 13.1 мТл для правой и левой ног вышки соответственно, что превышает показания в ненапряженных участках стальной трубы на 40–45%.

Для количественной оценки величины механических напряжений металла в указанных областях ног буровой вышки с повышенным НДС металла был осуществлен их дополнительный контроль индикатором механического напряжения металла ИН-01. Показание индикатора ИН-01 в ненапряженном участке буровой вышки было равно 0.66–0.74 мТл, что соответствует для стали 20 механическому напряжению металла 0.57 σт – 0.74 σт (здесь σт – предел текучести металла), то есть состояние металла в этих участках буровой вышки соответствует упругой области деформации.

Показание индикатора механического напряжения металла ИН-01 на участках буровой вышки с повышенным НДС металла было равно: 
■ 0.99 мТл (правая нога буровой вышки), что соответствует для стали 20 механическому напряжению металла 0.86 σт; 
■ 1.07 мТл (левая нога буровой вышки), что соответствует для стали 20 механическому напряжению металла 0.93 σт, то есть состояние металла в этих участках буровой вышки приблизилось к области упруго-пластической и пластической деформации.

Из-за отсутствия сведений о марке стали, из которой изготовлены узлы крепления буровой вышки к стальной платформе, исключалась возможность количественной оценки величины механических напряжений в зоне с повышенным НДС металла, поэтому по показаниям индикатора механического напряжения металла ИН-01 осуществлялась лишь качественная оценка НДС металла проконтролированных областей.

Для узла крепления левой ноги буровой вышки к стальной платформе показания индикатора механического напряжения металла ИН-01 были примерно одинаковы и составляли в среднем около 0.47 мТл.

Магнитный метод контроля позволяет проводить раннюю диагностику потенциально опасных элементов стальной вышки и предупреждать аварийные ситуации

Для узла крепления правой ноги буровой вышки к стальной платформе показания индикатора механического напряжения металла ИН-01 были существенно выше и составляли в среднем около 0.88 мТл, то есть почти в два раза выше, чем показания, полученные на узле крепления левой ноги буровой вышки.

При последующем осуществлении ВИК на узле крепления правой ноги вышки к стальной платформе было обнаружено наличие продольного сварного шва большой протяженности, рядом с которым были выявлены зоны с повышенным НДС металла и где показания индикатора механического напряжения металла ИН-01 менялись в интервале от 1.34 до 1.92 мТл.

Для приближенной оценки остаточного ресурса буровой вышки была использована эмпирическая формула зависимости величины фактических остаточных механических напряжений металла от времени эксплуатации, согласно способу оценки остаточного ресурса металлоконструкции ГПМ.

Исходя из вида эмпирической зависимости величины механического напряжения металла от количества циклов нагружения, полученного для умеренного режима нагружения Q2, на основе результатов магнитного контроля НДС металла было установлено, что физического предела текучести металл наиболее нагруженных элементов конструкции буровой вышки достигнет за период времени эксплуатации, который равен:


≈ 22.4 года (формула 1), 
где постоянная k = 0.4584 МПа/(лет 2).

Интервал времени достижения предела текучести металла буровой вышки с момента текущего контроля технического состояния его элементов конструкции равен: 
∆t=t1–t ≈ 1,2 года ≈ 1 год и 3 месяца (формула 2).

Следует заметить, что после достижения металлом физического предела текучести определенное время идут процессы ползучести металла, зависящие от условий эксплуатации и режима работы буровой вышки. Интервал времени, установленный по формуле 2, определяет время гарантированной безопасной эксплуатации элементов конструкции буровой вышки.

Для дальнейшего увеличения этого интервала времени эксплуатации следует принять меры по устранению выявленных зон с повышенным НДС металла.

*** 
Практика неразрушающего контроля металлоконструкций показывает, что в настоящее время существует необходимость разработки соответствующих методических рекомендаций для оценки технического состояния и оценки остаточного ресурса элементов металлоконструкций буровых установок и агрегатов для ремонта скважин по результатам магнитного метода контроля, которые могут применяться в составе существующих методик или самостоятельно.

 

Источник: http://www.tnadzor.ru//project/tn/art/tn_51_2011_26.php