Введение к работе
Актуальность проблемы. Диагностика технического состояния нефтепромыслового оборудования непосредственно в процессе его эксплуатации является основным инструментом, позволяющим решать проблему предотвращения внезапных аварийных ситуаций. Вопросами оценки нагруженности, работоспособности и надежности оборудования для разработки и эксплуатации нефтяных месторождений занимались Адонин А.Н., Ивановский В.Н., Кершенбаум Я.М., Касьянов В.М., Мищенко И.Т., Молчанов А.Г., Муравьев В.М., Шейнбаум B.C. и многие другие ученые. В настоящее время около 75% скважин на нефтедобывающих промыслах России оборудовано штанговыми скважинными насосными установками (УСШН), с помощью которых извлекается более 25% нефти. Одним из ответственных видов наземного оборудования, входящего в комплекс УСШН является её механизированный привод, в качестве которого широко применяются балансирные станки-качалки (СК). При эксплуатации на элементы конструкции станка-качалки воздействуют циклические нагрузки, которые приводят к постепенной деградации прочностных характеристик материала, накоплению усталостных повреждений и появлению развивающихся макроскопических трещин в наиболее нагруженных зонах конструкций объекта. Усталостное разрушение элементов конструкции является причиной многочисленных аварий на месторождениях.
Анализ наработки парка станков-качалок на промыслах ОАО «СУРГУТНЕФТЕГАЗ» (НГДУ «Быстринскнефть») свидетельствует, что из -1700 СК, находящихся в эксплуатации, ~ 40% подлежат замене на новые или продлению срока эксплуатации, а 37% парка СК близки к исчерпанию гарантированного заводом-изготовителем срока эксплуатации. Рост доли стареющего и выработавшего свой ресурс парка станков-качалок при невозможности своевременного и в полном объеме его обновления, отсутствие должного мониторинга реальной нагруженности указанных объектов за прошедший период эксплуатации могут привести в ближайшее время к значительному увеличению числа аварий на промыслах. Указанная проблема усугубляется отсутствием научно-обоснованной концепции проведения диагностики и оценки остаточного ресурса нефтедобывающего оборудования.
Поэтому разработка новых способов и методов обеспечения дальнейшей безаварийной эксплуатации имеющегося оборудования с минимальными затратами является актуальной задачей для нефтедобывающей отрасли.
Эффективное решение поставленной проблемы позволяют получить
методы диагностики нагруженности и усталостной прочности деталей и
металлоконструкций, основанные на применении датчиков деформаций
интегрального типа (ДДИТ). ( )
Опыт практического применения данных методов для оценки индивидуальной нагруженности и прогнозирования остаточного ресурса различных деталей и металлоконструкций свидетельствует об их широкой универсальности и больших потенциальных возможностях.
Однако комплексных исследований по применению ДДИТ для индивидуальной оценки фактической нагруженности и прогнозирования остаточного ресурса СК в условиях эксплуатации до сих пор не проводилось.
Цель работы. Обеспечение в процессе добычи нефти безаварийной работы станков-качалок путем диагностики индивидуальной нагруженности и усталостной прочности элементов их металлоконструкций.
Основные задачи исследования
1. Получить обобщённые математические зависимости для обработки
результатов тарирования ДЦИТ и усталостных испытаний образцов из
материала исследуемых деталей с различной величиной повреждения
материала.
2. Разработать методику применения датчиков деформаций
переменной чувствительности (ДДПЧ), позволяющую в любой момент
прерывания испытаний определять величину эквивалентных напряжений и
накопленных усталостных повреждений в элементах станка-качалки.
3. Разработать и экспериментально проверить основанную на применении
ДДПЧ методику индивидуальной диагностики усталостной прочности
элементов конструкции станков-качалок в условиях их эксплуатации.
Научная новизна работы
Получены зависимости, описывающие на единой методологической основе результаты тарирования ДДИТ и усталостных испытаний образцов из материала исследуемой конструкции.
В зависимости от технологии изготовления ДДПЧ определены изменения их выходных параметров, регистрация которых в любой момент времени прерывания испытаний позволяет получить необходимую для диагностики усталостной прочности информацию.
Для регулярного режима нагружения металлоконструкции станка-качалки решена задача восстановления действующих напряжений и числа циклов нагружения до разрушения диагностируемых элементов по информации с датчиков, имеющих переменную чувствительность.
Разработан метод индивидуальной диагностики элементов станков-качалок, позволяющий научно обосновать возможность их дальнейшей безаварийной эксплуатации в процессе добычи нефти.
Практическая ценность работы. На основе развития кинетической теории усталости получены базовые зависимости, которые необходимы для разработки методик описания результатов тарирования датчиков и
данных испытаний образцов на усталость. Разработаны методики и алгоритмы, реализованные в созданном программном обеспечении для решения задач обработки данных усталостных испытаний образцов на выносливость; определения разработанных в рамках кинетической теории усталости параметров математических моделей, описывающих результаты тарирования ДДИТ; расчета эквивалентных напряжений и число циклов при заданной вероятности разрушения. Полученные данные тарировочных испытаний образцов с ДДИТ из стали 45 совместно с результатами испытаний на усталость являются основой для экспериментального исследования не только элементов станков-качалок, но и другого, изготовленного из этой же стали оборудования, применяемого при разработке и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений. Разработанные расчетно-экспериментальные методики позволяют после кратковременной эксплуатации станка-качалки определить реальную величину возникающих в различных элементах исследуемой конструкции напряжений и оценить их индивидуальный фактический остаточный ресурс. Реализация данных методик позволит уменьшить число аварийных остановов оборудования, в особенности отработавшего нормативный ресурс, и, как следствие, повысить эффективность и надежность разработки нефтяных месторождений.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на различных симпозиумах и конференциях: XXXV Уральском семинаре XXV Российской школы «НАУКА И ТЕХНОЛОГИИ», посвященном 60-летию Победы (г. Миасс, 2005г.); Межрегиональной научно-технической конференции с международным участием, посвященной 45-летию Индустриального института и 10-летию кафедры РиВС ТюмГНГУ «Современные технологии для ТЭК Западной Сибири» (г. Тюмень, 2008г.); III международной научно-технической конференции «Новые технологии в нефтегазовой отрасли и образовании» (г. Тюмень, 2008г.); II Всероссийской научно-технической конференции с международным участием, Симпозиума и XII Школы молодых ученых «Безопасность критичных инфраструктур и территорий» (г. Екатеринбург, УрО РАН 2008 г.); Академической международной конференции «Состояние, тенденции и проблемы развития нефтегазового потенциала Западной Сибири» (г. Тюмень, 2009г.).
Публикации. По материалам работы опубликовано 8 печатных работ, в том числе 1 в журнале, рекомендованном ВАК РФ.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, основных выводов, библиографического списка использованной литературы из 109 наименований и приложения, содержит 151 страниц машинописного текста, 8 таблиц, 36 рисунков.
