CC BY
43DIAGNOSIS
Б.А. Ерехинский, главный технолог отдела по эксплуатации скважин, диагностике и ремонту объектов добычи
Управления по добыче газа и газового конденсата (нефти), ОАО «Газпром», e-mail: B.Erekhinskiy@adm.gazprom.ru;
С.В. Маслаков, заместитель генерального директора по производству, ОАО «Газпром добыча Ноябрьск»,
e-mail: Mas1akov.sv@noybrsk-dobycha.gazprom.ru; Н.И. Шустов, главный механик - начальник отдела, ООО «Газпром
добыча Уренгой», e-mail: i.n.shustov@gd-urengoy.gazprom.ru; А.В. Митрофанов, д.т.н., генеральный директор,
ОАО «Техдиагностика», e-mail: contact@tdiag.ru; С.Н. Барышов, д.т.н., заместитель директора по науке - начальник
расчетно-экспериментального центра, ОАО «Техдиагностика», e-mail: baryshov@tdiag.ru; М.Ю. Заряев, к.т.н.,
заместитель директора по производству - начальник отдела экспертизы промышленной безопасности,
e-mail: zaryaev@tdiag.ru; А.В. Кравцов, главный специалист-эксперт, ОАО «Техдиагностика», e-mail: kravtsov@tdiag.ru;
С.В. Егоров, начальник технического отдела, ОАО «Техдиагностика», e-mail: egorov@tdiag.ru
Растрескивание металла корпусов задвижек фонтанной арматуры газодобывающих скважин северных месторождений
Изложены результаты неразрушающего контроля с разборкой и разрушающего контроля металла элементов фонтанных арматур (ФА) UPETROM скважин Комсомольского, Уренгойского и Ен-Яхинского газовых месторождений после 20 лет их эксплуатации. По результатам диагностирования были установлены низкие исходные пластические свойства металла. В ходе работ выявлено множество трещин металла корпусов задвижек, которые были оперативно выведены из эксплуатации. Результаты исследований показывают, что при диагностировании фонтанных арматур скважин северных месторождений в дополнение к традиционным применяемым методам неразрушающего контроля необходимо выполнять неразрушающий контроль с разборкой, разрушающий контроль, исследование структуры и определение механических свойств металла (в т.ч. характеристик пластичности и хладостойкости) представителей элементов фонтанных арматур, выбранных на основе оценки их технического состояния по результатам неразрушающего контроля, а также выполнять на них отработку технологии неразрушающего контроля для применения ее в полевых условиях.
Ключевые слова: фонтанная арматура, диагностирование, газодобывающие скважины, растрескивание металла.
Фонтанная арматура газодобывающих скважин является одним из самых сложных и опасных видов арматур, эксплуатируемых в составе опасных производственных объектов газодобывающих предприятий ОАО «Газпром». Одними из основных мероприятий по поддержанию надежности и безопасности при их эксплуатации являются диагностирование, экспертизы промышленной безопасности, ревизии, ремонты и замены элементов [1, 2 и др.]. Применяемые традиционные методы кон-
троля технического состояния ФА при их диагностировании основываются на проведении неразрушающего контроля их элементов - как правило, с наружной поверхности.
В настоящем исследовании представлены результаты неразрушающего контроля с разборкой и разрушающего контроля металла на примере элементов ФА UPETROM румынского производства газодобывающих скважин северных месторождений. По результатам диагностирования были установлены
низкие запасы исходных пластических свойств металла по отношению к минимально допустимым нормативным значениям по ГОСТ Р 51365-2009 [3]. На скважинах северных месторождений эта ФА эксплуатируется с 1986 г., т.е. к настоящему времени срок ее эксплуатации в ряде случаев достигает 27 лет и превышает проектный срок эксплуатации. На основе анализа результатов диагностирования в качестве представителя элементов ФА UPETROM для проведения неразрушающего контроля
Рис. 1. Трещины в корпусе задвижки
1 - тарелка фланца; 2 - ступица (патрубок) фланца; 3 - стакан корпуса; 4 - трещина в зоне сопряжения тарелки фланца с патрубком; 5 - трещина в зоне сопряжения стакана с патрубком
в лабораторных условиях с разборкой и разрушающего контроля металла была выбрана задвижка размером (условным диаметром) 41/16" на давление 210 МПа (далее - задвижка), эксплуатировавшаяся более 20 лет на скважине Комсомольского газового месторождения. По результатам выполненного моделирования напряженно-деформированного состояния корпуса задвижки при нагружении рабочим давлением и силами от затяжки шпилек фланцевых соединений установлено, что на поверхности корпуса задвижки имеются зоны высоконагруженных конструктивных концентраторов напряжений в металле. Механические напряжения от внешних нагрузок в этих зонах являются наибольшими. Такие зоны располагаются в местах конструктивных переходов - сопряжениях различных диаметров, галтелях, проточках, местах изменения формы и геометрических размеров и других конструктивных неоднород-ностях. Аналогичные поверхностные зоны конструктивных концентраторов напряжений имеются на корпусах других типовых элементов ФА (колонных и трубных головок, переводников и т.д.). Затем в лаборатории ОАО «Техдиагно-стика» был выполнен неразрушающий контроль наружной и внутренней поверхностей корпуса задвижки после ее разборки. При этом были применены визуальный и измерительный (далее - ВИК) и магнитопорошковый методы контроля. По результатам магнитопорошкового контроля корпуса задвижки в зонах высоконагруженных конструктивных концентраторов напряжений - в зоне сопряжения тарелки фланца с патрубком (ступицей) и в зоне сопряжения стакана корпуса с патрубком (ступицей) фланца - были выявлены поверхностные трещины металла (рис. 1). Общая длина трещины в зоне сопряжения тарелки фланца со ступицей (патрубком) составляет 98 мм, расстояние (Н) от трещины до плоскости тарелки фланца - Н = 20-30 мм. Длина трещины в зоне сопряжения стакана со ступицей (патрубком) фланца - 15 мм. Следует отметить, что до зачистки металла от лакокрасочного покрытия ВИК не позволил выявить эти трещины, поскольку они были скрыты под слоями краски.
Для проведения разрушающего контроля из металла зоны сопряжения тарелки фланца со ступицей (патрубком) корпуса задвижки, не имеющего поверхностных дефектов по результатам неразрушающего контроля, были изготовлены образцы для механических
испытаний (на растяжение и ударный изгиб), ориентированные по длине вдоль оси патрубка (ступицы) фланца. После механической обработки при проведении визуального осмотра и магнитопорошкового контроля на некоторых изготовленных образцах
а) б)
Рис. 2. Фрагмент металла с трещиной (а) и поверхность излома образца № 2 (б) 1-6 - нумерация образцов; 7 - трещина; 8 - поверхность трещины; 9 - область долома; 10 - место подпила
Негосударственное образовательное учреждение дополнительного профессионального образования
«Научно-учебный центр
«КОНТРОЛЬ И ДИАГНОСТИКА»
Негосударственное образовательное учреждение дополнительного профессионального образования «Научно-учебный центр «Контроль и диагностика» основано в 1994 году. В его структуру входит орган
по сертификации персонала, экзаменационный центр, учебно-методическое объединение, центр экспертизы, независимая техническая инспекция, информационный отдел, отдел маркетинга и проектов.
Центр Экспертизы и консалтинга проводит:
независимую экспертизу и диагностику опасных производственных объектов, включая:
• экспертизу проектной документации,
• экспертизу технических устройств,
• экспертизу зданий и сооружений,
• экспертизу деклараций промышленной безопасности;
аттестацию лабораторий неразрушающего контроля по ПБ 03-372-00;
независимый технический надзор на металлургических предприятиях;
независимый строительный контроль; оказывает:
консультационные услуги по разработке, внедрению и поддержке на предприятиях систем качества в соответствии со стандартами ISO 9000;
Центр сотрудничает с Бюро Веритас, BV-QI (Англия) и ТЩГермания), высококвалифицированными международными экспертами по ISO 9001:2008, ISO 14001:2004, OHSAS 18001:2007.
Аттестация/сертификация персонала НК
Нормы:
ПБ 03-440-02 (Россия); ISO 9712:2012 (международный) Методы: ультразвуковой; визуально-измерительный; радиационный; магнитный; электрический; проникающих веществ; вихретоковый; тепловой;
акустико-эмиссионный. Объекты:
котлонадзора;
оборудования взрывоопасных и химических опасных производств; системы газоснабжения; подъемные сооружения; оборудование нефтяной и газовой промышленности;
оборудование металлургической промышленности;
здания и сооружения. Промышленные сектора:
металлообработка и металлопроизводство; энергетика; авиация;
химия и нефтехимия;
Дополнительная аттестация на объектах ОАО «АК «Транснефть».
Учебно-методическое объединение
Учебный центр проводит курсы повышения квалификации, подготовку и переподготовку специалистов предприятий и организаций по направлениям:
современные приборы и методы контроля и диагностики;
сертификация систем качества продукции,услуг, персонала и аккредитация испытательных лабораторий;
строительный контроль (технический надзор) в потенциально опасных отраслях;
промышленная безопасность и охрана труда на опасных производственных объектах;
современное оборудование и технологии сварочного производства;
обучение и квалификация международного персонала по сварке
(по классификации Международного института сварки и Европейской Федерации по сварке).
■ *...
Й8Й
109507, Москва, Волгоградский пр-т, д. 183, корп. 2 Тел./факс: +7 (495) 709-17-35,372-83-52; +7 (499) 741-60-12/13/14 e-mail: testdiag@df.ru; control@df.ru www.ndt-rus.ru
Директор - Волкова Надежда Николаевна • Первый заместитель директора - Муллин Александр Васильевич
Заместитель директора - Аношкина Елена Александровна
Рис. 3. Положение трещины в плоскости поперечного сечения ступицы (патрубка) фланца №1-6 - номера образцов; 1-1, ..., 7-7 - сечение трещины (плоскости образцов); ] - поверхность трещины; - плоскость поперечного сечения патрубка (ступицы) фланца
были выявлены трещины и металлургические рыхлоты. Затем были выполнены исследования трещин в образцах для механических испытаний и в зоне сопряжения тарелки со ступицей (патрубком) фланца (рис. 1). По результатам исследований образцов для механических испытаний установлено, что в соответствии с ориентацией вырезки образцов, как и в случае на
рисунке 1, трещина в корпусе задвижки располагалась в зоне галтели сопряжения тарелки фланца со ступицей. Трещина являлась практически радиальной, т.е. ее поверхность имела наклон к плоскости радиального сечения ступицы фланца не более 10°. Для исследования поверхностей трещины один образец был надпилен и доломлен. Установлено, что строение поверхностей трещины со-
ответствует хрупкому излому. Наличие выявленных в образцах металлургических рыхлот снижает их прочность, а также служит одной из причин образования и развития трещин. Для исследования трещины в зоне сопряжения тарелки фланца со ступицей (патрубком) фланца (рис. 1) из корпуса задвижки был вырезан фрагмент металла с трещиной, который по длине трещины был размечен и разрезан на образцы (рис. 2а), затем каждый образец был надпилен и доломлен. Для примера на рисунке 2б представлен внешний вид поверхности излома образца № 2 с трещиной после его долома. После долома в каждом образце были выполнены измерения длины трещины и ее глубины. По данным результатов измерений произведена реконструкция положения трещины в плоскости поперечного сечения ступицы (патрубка) фланца (рис. 3).
На рисунке 3 наглядно показано, что трещина располагается по периферии плоскости поперечного сечения и ее глубина достигает половины сечения. В соответствии с общими положениями механики растрескивания и разру-шения,образование и развитие такой трещины происходит в случаях, когда в периферийной части сечения до ее середины действуют нормальные (осевые) растягивающие напряжения (т.е. вдоль
МПз 190
160
130
100
75
45
15 0 -15
-45
-75
-105
\
\
V \ Растяжение
Сжа тие
О 3,0 5.0 8 0 10,0 13.0 16.0 18.0 21,0 24.0 26.0 А Б
Толщина станки» мм
а) б)
Рис. 4. Распределение осевых напряжений во фланцевом соединении (а), эпюра осевых нормальных напряжений по линии А - Б в области расположения выявленной трещины (б)
FП - сила обжатия прокладки; FШ - сила затяжки шпильки; М - распределенный изгибающий момент в сечении ступицы (патрубка) фланца
DIAGNOSIS
Таблица. Обобщенные результаты неразрушающего контроля ФА в полевых условиях
Показатели контроля Результаты контроля
Скважины Комсомольского газового месторождения Скважины Уренгойского и Ен-Яхинского газовых месторождений
Количество (типы) проконтролированных элементов 422 ед. 467 ед.
(колонные и трубные головки, спецфланцы (адаптеры), задвижки, крестовины, переводники (буферы), промежуточные и глухие фланцы
Количество скважин, на которых выявлены элементы с трещинами 16 ед. 4 ед.
Количество элементов с трещинами 21 ед. 7 ед.
Типы-размеры элементов с выявленными трещинами Задвижки 41/16» - 19 ед., задвижки 71/16» - 2 ед. Задвижки 41/16» - 6 ед., задвижка 21/16» - 1 ед.
Положение на корпусе, количество (М) и длина трещин: Ступица (патрубок) фланца, М = 35, L = 15 4 502 мм. Тарелка фланца, М= 3, L = 110 4178 мм Ступица (патрубок) фланца, М = 26, L = 2 4 210 мм. Галтель сопряжения стакана корпуса и ступицы (патрубка) фланца, М = 1, L = 60 мм
продольной оси ступицы (патрубка) фланца и перпендикулярно плоскости ее поперечного сечения), а от середины к внутренней части в сечении - нормальные осевые сжимающие напряжения. Как показано на рисунке 4, характерным случаем такого нагружения ступицы (патрубка) фланца является нагружение ее распределенным по периметру сечения изгибающим моментом (М), возникающим при действии сил и FШ) от затяжки крепежных элементов (шпилек) фланцевого соединения. По результатам моделирования напряженно-деформированного состояния методом конечных элементов получено распределение осевых напряжений в сечении фланцевого соединения задвижки от действия рабочего давления и сил затяжки шпилек (рис. 4а). На рисунке 4б представлена эпюра осевых нормальных напряжений в сечении ступицы (патрубка) фланца по линии А - Б, нанесенной в области нахождения выявленной трещины (рис. 1).
Результаты расчетов, представленные на рисунке 4, наглядно показывают, что от затяжки шпилек фланца периферийная (наружная) часть сечения практически до ее середины нагружена нормальными (осевыми) растягивающими напряжениями (см. положительные значения напряжений на рисунках 4а, 4б), а от середины к внутренней части сечение нагружено нормальными осевыми сжимающими напряжениями (см. отрицательные значения напряжений на рисунках 4а, 4б). Таким образом, по результатам исследований установлено,что причинами возникновения и развития выявленной трещины являются низкие исходные пластические свойства металла, исходные дефекты отливки и структуры металла, деформирование металла корпуса задвижки при отрицательных температурах эксплуатации от действия внутреннего давления и сил затяжки крепежных элементов (шпилек) фланцевого соединения.
Поскольку в корпусе представленной для исследования первой задвижки (далее условно - задвижки № 1) были выявлены трещины, являющиеся недопустимыми дефектами с точки зрения возможности продолжения эксплуатации ФА, дополнительно были исследованы еще два корпуса аналогичных задвижек (далее условно - задвижки № 2 и задвижки № 3). По аналогии с корпусом задвижки № 1 был выполнен неразрушающий контроль наружной поверхности дополнительно представленных корпусов задвижек № 2 и № 3. Так же, как и в случае с задвижкой № 1, по результатам магнитопорошково-го контроля на наружной поверхности корпуса задвижки № 2 были выявлены сразу несколько (четыре) поверхностных трещин металла длиной от 16 до 102 мм в зоне сопряжения тарелки фланца со ступицей (патрубком). По результатам контроля наружной поверхности корпуса задвижки № 3
а) б)
Рис. 5. Трещина ступицы (патрубка) фланца (а) и трещина тарелки фланца (б) задвижек (трещины показаны стрелками)
трещин выявлено не было. После ее разрезки на четыре фрагмента по взаимно перпендикулярным плоскостям вдоль оси фланцев по результатам ВИК и магнитопорошкового контроля наружной и внутренней поверхностей обнаружено восемь трещин протяженностью от 2 до 6 мм. На основании вышеизложенных результатов исследований было принято решение о проведении неразрушающего контроля металла высоконагруженных конструктивных концентраторов напряжений элементов ФА UPETROM (Румыния) 31 скважины Комсомольского газового месторождения и 62 скважин Уренгойского и Ен-Яхинского газовых месторождений. Контроль в полевых условиях также выполнялся методом магнитопорошкового контроля по отработанной в лаборатории технологии
контроля «Дефектоскоп на постоянных магнитах». При отработке технологии контроля обоснованы возможные места расположения трещин, места установки полюсов магнитопорошкового дефектоскопа, требования к напряженности магнитного поля, оптимальные размеры частиц магнитной суспензии. Обобщенные результаты контроля представлены в таблице.
В результате неразрушающего контроля в полевых условиях (табл.) из 239 задвижек, эксплуатируемых на 31 скважине Комсомольского газового месторождения, в 21 задвижке выявлено 38 трещин. Из 213 задвижек, эксплуатируемых на 62 скважинах Уренгойского и Ен-Яхинского газовых месторождений, в семи задвижках выявлено 27 трещин. На рисунке 5 показаны некоторые типичные трещины, выявленные при кон-
троле корпусов задвижек ФА UPETROM. По результатам контроля все задвижки с выявленными трещинами были оперативно выведены из эксплуатации. Результаты исследований показывают, что при диагностировании ФА скважин северных месторождений в дополнение к традиционным применяемым методам неразрушающего контроля необходимо выполнять неразрушающий контроль с разборкой, разрушающий контроль, исследования структуры и определение механических свойств металла (в т.ч. характеристик пластичности и хладо-стойкости) представителей элементов ФА, выбранных на основе оценки их технического состояния по результатам неразрушающего контроля, а также выполнять на них отработку технологии неразрушающего контроля для применения ее в полевых условиях.
B^. Yerekhinsky, Chief Process Engineer of the Wells Operation, Field Production Project Sites Diagnostics and Repair Group of the Gas and Gas (Oil) Condensate Production Department, Gazprom JSC, e-mail: B.Erekhinskiy@adm.gazprom.ru; S.V. Maslakov, Deputy General Director for Production, Gazprom Dobycha Noyabrsk LLC, e-mail: Maslakov.sv@noybrsk-dobycha.gazprom.ru; N.I. Shustov, Chief Mechanical Engineer - Department Head, Gazprom Dobycha Urengoy LLC, e-mail: i.n.shustov@gd-urengoy.gazprom.ru; А.V. Mi-trofanov, D.Sc. (Eng.), General Director, e-mail: contact@tdiag.ru; S.N. Baryshov, D.Sc. (Eng.), Deputy Director for Science - Head of the Process and Research Center, e-mail: baryshov@tdiag.ru; М.Yu. Zaryaev, Cand.Sc. (Eng.), Deputy Director for Production - Head of the Industrial Safety Expert Review Group, e-mail: zaryaev@tdiag.ru; А.V. Kravtsov, Chief Specialist - Expert, e-mail: kravtsov@tdiag. ru; S.V. Yegorov, Head of the Technical Group, e-mail: egorov@tdiag.ru, Tekhdiagnostica JSC
Cracking of metal housings of Christmas-tree gate valves of northern fields gas producers
Results of non-destructive tests with disassembly and destructive tests of metal elements of UPETROM Christmas trees of Kom-somolskoye, Urengoyskoye and Yen-Yakhinskoye gas fields wells after 20 years of their operation were set forth. According to the diagnostics results, low initial plastic properties of metal were identified. When performing works, numerous cracks of metal valve housings were identified, which were promptly removed from service. Studies results show that when diagnosing Christmas trees of northern fields wells, in addition to the standard methods of non-destructive tests applied, it is required to perform non-destructive tests with disassembly, destructive tests, structure study and identification of metal mechanical properties (including plasticity and cold resistance characteristics) of Christmas trees elements selected based on their technical condition assessment according to the results of non-destructive tests, as well as perform fine-tuning technologies of non-destructive tests on them for their application in the field.
Keywords: Christmas trees, diagnostics, gas producers, metal cracking. References:
1. Federal Law No. 116-FZ «O promyshlennoi bezopasnosti opasnykh proizvodstvennykh ob'ektov» («On industrial safety of hazardous production facilities»), dated 21.07.1997.
2. Poryadok prodleniya sroka bezopasnoi ekspluatatsii tekhnicheskikh ustroistv, oborudovaniya i sooruzheni na opasnykh proizvodstvennykh ob'ektakh (Procedure for safe operation extension of technical devices, equipment and structures at hazardous production facilities) (approved by Order of the Ministry of Natural Resources and Environment of the Russian Federation No. 195 dated 30.06.2009).
3. GOST R 51365-2009 «Neftyanaya i gazovaya promyshlennost'. Oborudovania dlya bureniya i dobychi. Oborudovanie ust'ya skvazhiny i fontannoe ust'evoe oborudovanie. Obtshie tekhnicheskie trebovaniya» («Oil and gas industry. Drilling and production equipment. Wellhead assembly and Christmas trees. General technical specifications»).
Литература:
1. Федеральный закон № 116-ФЗ от 21.07.1997 «О промышленной безопасности опасных производственных объектов».
2. Порядок продления срока безопасной эксплуатации технических устройств, оборудования и сооружений на опасных производственных объектах (утв. Приказом Министерства природных ресурсов и экологии Российской Федерации № 195 от 30.06.2009).
3. ГОСТ Р 51365-2009 «Нефтяная и газовая промышленность. Оборудование для бурения и добычи. Оборудование устья скважины и фонтанное устьевое оборудование. Общие технические требования».
