Методика контроля концевых и трубных деталей установок погружных электроцентробежных насосов с использованием магнитной памяти металла Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ДИАГНОСТИКА

о.А. Чукчеев, ОАО «ТНК-Нижневартовск»

A.A. дубов, с.М. колокольников, ООО «Энергодиагностика», г. Москва

методика контроля концЕвых и трубных деталей установок погружных электроцентробежных насосов с использованием магнитной памяти металла

При эксплуатации нефтедобывающего оборудования и, в частности, концевых деталей погружных насосов имеются случаи их усталостных повреждений, что вызывает большие экономические потери. Проблема усугубляется низкой эффективностью традиционных средств неразрушающего контроля (УЗД, МПД, вихретоковый) из-за сложной формы деталей.

В настоящее время основным методом контроля концевых деталей УЭЦН (ло-вильные головки, переводники, протекторы и т.д.) является визуально-измерительный контроль. Основными источниками разрушения колонны насосно-компрессорных труб (НКТ) и подвешенного на ней оборудования (установок погружных насосов) являются зоны концентрации механических напряжений, в которых процессы коррозии и усталости протекают наиболее интенсивно. Таким образом, для своевременного выявления концевых деталей, предрасположенных к повреждениям, необходимы методы технической диагностики, имеющие корреляцию с механическими напряжениями.

Эффективным методом при оценке напряжённо-деформированного состояния оборудования, который получает всё большее распространение на практике, является метод магнитной памяти (ММП) металла. Все детали УЭЦН в исходном состоянии имеют

остаточную намагниченность, сформировавшуюся естественным образом при их изготовлении. Установлено, что естественная намагниченность отображает структурную и технологическую наследственность детали. В условиях эксплуатации эта намагниченность изменяется и перераспределяется под действием рабочих нагрузок. Необратимое изменение намагниченности в направлении действия главных напряжений от рабочих нагрузок, а также остаточную намагниченность деталей и сварных соединений после их изготовления и охлаждения в магнитном поле Земли, предложено называть магнитной памятью металла. Метод магнитной памяти металла - метод НК, основанный на регистрации собственных магнитных полей рассеяния (СМПР) и анализе их распределения на контролируемом оборудовании. При этом определяют области аномального изменения СМПР, обусловленные неоднородностью напряжённо-деформированного состояния и нали-

чием зон концентрации напряжений (ЗКН) в металле.

Под действием вибрационных процессов, обусловленных работой насосов, крутящих и изгибающих моментов, вызванных сборкой колонны и спуско-подъёмыми операциями, а также сил растяжения, вызванных весом колонны, в ослабленных сечениях труб и концевых деталей образуется соответствующее поле напряжений и плоскости сдвига с максимальной деформацией металла. В этой же зоне на поверхности деталей и труб возникают устойчивые полосы и площадки скольжения дислокаций задолго до предела текучести металла. Момент возникновения устойчивых площадок скольжения дислокаций связан с уровнем и направлением внутренних напряжений (напряжения растяжения или сжатия). Устойчивые полосы скольжения дислокаций, возникающие под действием повторяющихся в одном и том же месте циклических нагрузок, могут получить развитие до каналов с раз-

\\ ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕ2АЗ \\

№ 6 \\ июнь \ 2007

мерами по глубине и ширине до десятков и сотен микрон, что уже будет заметно на макроуровне. По границам этих каналов происходит развитие пластической деформации и, в итоге, зарождение трещин. В силу магнито-механического эффекта на поверхности участка детали или трубы, где образовались устойчивые полосы скольжения, возникает магнитное поле рассеяния Нр соответствующего направления и, как правило, со сменой знака. Для своевременного выявления участков труб и деталей с максимальной концентрацией напряжений, а также для проведения неразрушающего контроля перед спуском в скважину, предлагается применять метод магнитной памяти металла.

Многолетний опыт исследования магнитных полей на различном оборудовании выявил наличие устойчивых линий смены знака нормальной составляющей напряжённости магнитного поля Нр или резкого локального его

изменения в зонах развивающихся повреждений металла. Такие же локальные изменения поля Нр и его градиента были выявлены в специальных промышленных экспериментах на многих деталях УЭЦН.

Для количественной оценки уровня концентрации напряжений определяется градиент (интенсивность изменения) нормальной и (или) тангенциальной составляющей магнитного по-

ля Нр в ЗКН:

dHp

|АИР|

Кин =-, при Дх 0 ^ Кин =-

Дх dx

где Кин - градиент магнитного поля рассеяния или магнитный коэффициент интенсивности напряжений, характеризующий интенсивность изменения намагниченности металла в ЗКН и, соответственно, интенсивность изменения поля Нр; |ДНр| - модуль разности поля Нр между двумя точками контроля, расположенными на равных отрезках Дх.

Основные преимущества ММП:

• не требуется применение специальных намагничивающих устройств, так как используется явление естественного намагничивания деталей в процессе их изготовления и эксплуатации;

• места концентрации напряжений заранее не известны и определяются в процессе контроля;

• не требуется зачистка металла и другая какая-либо подготовка контролируемой поверхности;

• высокая скорость контроля (до 2 м/сек);

• для выполнения контроля по предлагаемому методу используются приборы, имеющие малые габариты, автономное питание и регистрирующие устройства.

Основная задача ММП-контроля -определение на поверхности контролируемой детали зон аномального распределения магнитных полей рассеяния Нр, соответствующих зонам КН -

краски ИОТУН - надежная защита, проверенная временем

198096 С-Петербург пр. Стачек д.57 оф.31 тел. (812) 332 00 80 факс (812\ 783 05 25 E-mail: russia.reception@jotun.com www.jotun.ru

ДИАГНОСТИКА

источникам развития повреждений. Затем, с использованием специализированной программы "ММП-Система", проводится сортировка деталей по степени предрасположенности к повреждению по максимальным значениям градиента поля Кин, зафиксированным в результате контроля. Сортировка и отбраковка деталей может выполняться непосредственно при контроле, если известны значения Кин, соответствующие предельному состоянию металла перед разрушением. Рассматриваемый магнитный метод контроля концевых деталей и труб может быть использован самостоятельно и (или) в сочетании с другими разрушающими и неразрушающими методами. Методика позволяет:

• выявлять концевые детали, работающие в наиболее напряженных условиях и предрасположенные к повреждениям;

• определять концевые детали с максимальной концентрацией напряжений, в которых коррозионные и усталостные процессы металла развиваются наиболее интенсивно;

• определять контрольную группу концевых деталей с целью наблюдения за развитием в них дефектов и обеспечения их своевременной замены;

• по характеру распределения поля остаточной намагниченности на кон-

цевых деталях устанавливать эксплуатационные, конструктивные причины, обусловившие концентрацию напряжений. Контроль концевых деталей может выполняться оператором на ремонтной площадке или непосредственно возле скважины в сборке. На рис.1 представлен эскиз концевой детали (ловильной головки), на примере которой будет представлена методика контроля. При контроле других концевых деталей, имеющих другие конструктивные характеристики, принцип контроля не изменяется. ММП-контроль концевых и трубных деталей состоит из следующих основных этапов:

• контроль по 8 (или 12) образующим вдоль концевой детали четырёхка-нальным специализированным сканирующим устройством (СУ) по всей длине детали;

• контроль по периметру внешней кольцевой проточки;

• сортировка и выявление деталей с зонами максимальной КН;

• уточняющий контроль в выявленных зонах КН с построением линии Нр = 0

• выявление поверхностных трещин электромагнитным индикатором трещин (ЭМИТ) в зонах КН.

Для выполнения измерений напряжённости магнитного поля рассеяния Нр на

поверхности концевых деталей используется прибор типа ИКН (измеритель концентрации напряжений магнитометрический), имеющий жидкокристаллический экран для графического представления параметров контроля, регистрирующее устройство на базе микропроцессора, блок памяти 32 Мб и сканирующие устройства в виде специализированных датчиков с ферро-зондовыми преобразователями. Прибор имеет возможность переноса результатов контроля с запоминающего устройства (ЗУ) на персональный компьютер и распечатки на принтере. В комплекте с прибором поставляется программный продукт для обработки результатов контроля на компьютере. Для проведения контроля концевых деталей с прибором типа ИКН (Сертификат Госстандарта RU.C.34.003.A № 22258) используются два основных типа специализированных датчиков в виде сканирующих устройств (СУ): На рис.1, а представлено объёмное распределение поля Нр в зоне КН. На рис.1, б показано расположение линий КН (линии КН в данном случае соответствуют линиям Нр = 0), построенных оператором с помощью прибора ИКНМ-2ФП и отмеченных краской на ловильной головке. На рис.1, в показано расположение линий КН,построенных по результатам контроля в программе «ММП-Система».

344064 г. Ростов-на-Дону, пер. Технологический, 5. Тел.: +7 863 277-44-01; +7 863 277-34-65. www.gefestrostov.ru;serv@gefestrostov.ru Представительство в г. Москва: +7 495 148-17-13; +7 495 148-49-03

АНТИКОРРОЗИЙНАЯ ЗАЩИТА ТРУБОПРОВОДОВ