CC BY
6УДК 622.24
Тимашев В.Т.
студент, кафедры «Бурение нефтяных и газовых скважин» Уфимский государственный нефтяной технический университет
(Россия, г. Уфа)
Климин Д.Ф.
студент
студент, кафедры «Бурение нефтяных и газовых скважин» Уфимский государственный нефтяной технический университет
(Россия, г. Уфа)
ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ТРУБ РАЙЗЕРА ОТ СТОЛКНОВЕНИЯ ЛЕДОВЫХ ОБРАЗОВАНИЙ
Аннотация. Континентальный шельф России крупнейший в мире источник неразведанных ресурсов углеводородов. В настоящее время инженеры нуждаются как в рационально подобранной компоновки водоотделяющей колонны (райзера), так и в рациональном использовании материала конструкции. Свойства материалов в значительной степени зависят от температур, при которых они эксплуатируются. Резкое уменьшение пластичности некоторых материалов под воздействием низких температур может повысить вероятность хрупких разрушений.
В связи с этим, целью исследования является изучение и анализ эксплуатации райзера в зависимости от материала труб в условиях низких температур. В зависимости от определенных условий производства можно выбирать материалы различного состава и использовать разную технологию их получения и обработки, влияющими в целом на работу системы райзера в море.
Ключевые слова: безаварийная работа, водоотделяющая колонна, континентальный шельф России, материал, прочность, пластичность, хрупкое разрушение.
Система райзера используется на морских плавучих сооружениях для
предотвращает соприкосновение бурового раствора и морской воды при бурении,
служит каналом для спуска в скважину бурильных и обсадных труб. Также, райзер
393
подвергается нагрузкам от воздействия морской окружающей среды, таким как гидродинамические нагрузки от волн и течений в дополнение к перемещениям плавучего судна [1].
Наибольшая опасность возникает при столкновении райзера с плавающими обломками льда или айсбергом, которые способны проходить между колоннами ППБУ и попадать под днище бурового судна. Подобная ситуация возникает также при непредвиденном столкновении подводного объекта с райзером.
Максимальные напряжения при различных отклонениях райзера от точки бурения достигаются вблизи поверхности моря, вследствие больших нагрузок, создаваемых при натяжении райзера и отклонении БС от точки бурения. Так как лед движется на поверхности моря он контактирует с верхней частью - секцией натяжения райзера. Поэтому задача об прочности протяженных конструкций, используемых в морских нефтегазовых технологиях, по-прежнему представляет актуальную задачу механики твердого деформируемого тела, а ее решение представляет интерес при проектировании и эксплуатации таких важных элементов, как райзер [2].
Основной проблемой является предотвращение возможности хрупкого разрушения, поскольку оно представляет собой внезапный и неконтролируемый процесс. Опыт эксплуатации многих конструкций показал, что в большинстве случаев хрупкое разрушение начинается с образованием мелких трещин, которые в процессе эксплуатации развиваются и превращаются в трещины критических размеров [3]. Возникновение трещин может способствовать циклический контакт райзера с ледовым образованием, например, в сезон, когда характерно образование ледовых полей.
Возникновение и рост трещин зависит от кристаллической решетки и размера зерна. Зародыши трещин, как правило, располагаются в разупрочненных местах термического влияния сварки и зонах сосредоточения напряжений. При эксплуатации сооружений в условиях низких температур необходимо применять материалы такого химического состава, который формирует структуры, устойчивые к зарождению трещин при низких температурах.
Сталь является в настоящее время основным конструкционным материалом,
используемым для изготовления конструкций, предназначенных для освоения шельфа
394
и моря. Свойства сталей изменяются в широком диапазоне, зависящем от ее химического состава и термического упрочнения.
Поэтому, традиционным материалом для изготовления райзера служит конструкционная сталь с хорошими пластическими свойствами, однако по мере удаления работ от берега на север, увеличивается глубина моря и понижается температура, при которых проводится разведка и разработка месторождений, инженеры стали интересоваться возможностями применения алюминиевых сплавов.
Алюминиевые сплавы при низких температурах обладают значительным сопротивлением распространению трещин. Этот материал, кристаллизующиеся в системе куба с центрированными гранями, не склонен к хладноломкости ни при каком понижении температуры, в отличии от сталей, которые кристаллизируются с кубической объемноцентрированной решёткой [4].
Для изготовления труб из алюминиевых сплавов наиболее перспективными являются системы легирования: А1-Си-М£, А1-М£-7п, А1-М£-7п-Си. При измельчении структуры зерна сплавов методами равно канально-углового (РКУ) прессования и методом локально-сдвигового прессования (ЛСП), можно существенно повысить прочность и износостойкость алюминиевых труб [5], и, следовательно, увеличить трещиностойкость материала.
По химическому составу конструкционную сталь делят на углеродистую и легированную. Увеличении содержания углерода в стали ведет к повышению прочностных свойств и твердости, но снижает ее пластичность и ударную вязкость [6].
Легированные стали, кроме углерода, содержат один или несколько легирующих, специально добавляемых элементов, такие как, марганец, кремний, хром, никель и др [5]. Эти элементы в зависимости от их количества, сочетания между собой, существенно повышают их прочность к механическим нагрузкам в сочетании с хорошей вязкостью, что связано с формированием более мелкого размера зерна. К постоянным примесям относят марганец, кремний, серу и фосфор. Эти элементы всегда присутствуют в стали любой марки и их количество регламентируется нормативными документами.
Требования к хрупкому разрушению должны соблюдаться для основного металла и металла сварного шва, а также зоны термического влияния при минимальной расчетной температуре эксплуатации конструкции [3].
Одним из основных критерием качества сталей является способность сопротивления хрупкому разрушению, эта способность качественно выражена в величине ударной вязкости.
Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод о том, что характер изменения свойств металлов с понижением температуры зависит от многих факторов, главным образом от строения кристаллической решетки, химического состава материла, величины зерна и стойкости к распространению трещин.
Как материал для эксплуатации при низких температурах, алюминиевые сплавы обладают хорошим комплексом свойств. Можно говорить о том, что многие сплавы алюминия не обладают свойством хладноломкости. При понижении температуры механические свойства в общем случае не меняются или постоянно возрастают.
Для эксплуатации конструкционной стали при низких температурах необходимо рациональное содержание легируемых элементов. Из всех легирующих элементов в наибольшей степени на понижение температуры хладноломкости влияет никель, а хром увеличивает его вязкость.
Использованные источники:
1. Тимирханов И.Ф., Янгиров Ф.Н., Альмухаметов А.А., Греб А.В. Исследования сварных соеденений основной трубной конструкции бурового райзера АБР-Г // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти инефтепродуктов. 2017. №4. С. 84-91.
2. Нефтегазовое дело: в 6 т.: учеб. пособие / Под ред. проф. А.М. Шаммазова. СПб.: Недра, 2012. Т. 2: Бурение нефтяных и газовых скважин / Ф.А. Агзамов и др. 436 с.
3. Мондольфо Л.Ф. Структура и свойства алюминиевых сплавов - Пер с англ. — М.: Металлургия, 1979. — 640 с.
4. Шакирова А.И. Работа компоновки бурильной колонны в зависимости от матреиала труб [Текст] / Шакирова А.И. // Вестник молодого ученого УГНТУ - Уфа, 2016. - с. 15-20.
5. Солнцев, Ю. П. Конструкционные стали и сплавы для низких температур / Ю. П. Солнцев, Г. А. Степанов. - М.: Металлургия, 1985. - 270 с.
6. Банных О.А., Ковнеристый Ю.К. Стали для работы при низких температурах - М.: Металлургия, 1969. — 191 с.
