CC BY
59
Джумагазиева Ш.К. ©
К.т.н., кафедра «Нефтегазовое машиностроение», Каспийский государственный университет технологий и инжиниринга имени Ш. Есенова
СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ НАСОСНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
НЕФТЯНЫХ ПРОМЫСЛОВ
Аннотация
Методика диагностирования насосного оборудования нефтяных промыслов, основанная на методе магнитной памяти металла дает большую возможность решить ряд проблем связанных с повышением качества оборудования, сокращением затрат на эксплуатацию и сроков его освоения.
Ключевые слова: диагностирование, насосное оборудование, метод магнитной памяти. Keywords: diagnosis, pump equipment, magnetic memory method.
В настоящее время использование насоса и насосного оборудования установленного на нефтяных промыслах правильно и эффективно невозможно без применения новых методов и средств контроля и прогнозирования их технического состояния и технологических параметров.
Разработка современных методов диагностики позволяет решать ряд проблем связанные с повышением качества оборудования, сокращением затрат на эксплуатацию и сроков его освоения.
Внедрение методов и средств диагностирования, включающая техническое обслуживание и ремонт по результатам диагностирования, позволяет [1]:
• сократить время поиска неисправностей и причин отказов;
• перейти от традиционной системы планово-предупредительных ремонтов к ремонту с учетом фактического технического состояния оборудования, что способствует увеличению ресурса работы оборудования, позволяет сократить затраты на ремонт, уменьшить потребность в запасных частях и ремонтном персонале, повысить качество выполнения ремонта, сократить время его проведения;
• перейти к оптимальному управлению технологическим процессом на объектах нефтедобычи с учетом фактического состояния оборудования с целью повышения эффективности и экономичности работы энергомеханического оборудования;
• повысить коэффициент использования оборудования;
• уменьшить вероятность внезапных отказов и тем самым повысить безопасность труда и исключить значительный ущерб.
Таким образом, проблема повышения надежности раннего обнаружения дефектов насосного оборудования нефтяных промыслов путем диагностирования их технического состояния является актуальной.
Диагностирование - одна из важных мер обеспечения и поддержания надёжности технических объектов.
Рассмотрим погружные электрические центробежные насосы (ПЭЦН), предназначенные для подъема пластовой жидкости из глубоких, высокодебитных скважин. В состав такой установки в общем случае входят такие компоненты, как компенсатор, погружной электродвигатель, кабель, протектор, газосеператор, многосекционный электроцентробежный насос (ЭЦН), обратный клапан, сливной клапан, трубы НКТ, устьевой штуцер, станция управления, трансформатор [2].
Центробежные насосы являются наиболее распространенным видом лопастных машин. Это обусловлено их существенными преимуществами над другими насосами. В
© Джумагазиева Ш.К., 2016 г.
первую очередь, следует отметить равномерность и широкие границы регулирования расхода при относительно высоком КПД, возможность непосредственного соединения с высокоскоростными электродвигателями и газовыми турбинами, небольшие габаритные размеры и вес.
Отказы и снижение работоспособности насосного оборудования главным образом связаны с накоплением необратимых повреждений в их деталях, узлах и элементах. Эти повреждения бывают как механического (усталость, изнашивание, растрескивание и накопление пластических деформаций), так и физико-химического происхождения (коррозия, эрозия и адсорбция). При этом многие виды повреждений возникают в результате комплексного воздействия различных факторов.
Известно, что безаварийная работа насосного агрегата в оптимальных режимах в значительной степени зависит не только от правильного выбора и обеспечения основных конструкторских решений при проектировании и изготовлении, но и от условий и выполнения правил их эксплуатации [3].
Диагностика ПЭЦН проводится при остановке установки. Наиболее распространенными причинами отказов установок погружных электрических центробежных насосов являются засорение насоса мусором; засорение насоса песком; солеотложения на рабочих органах насоса; износ рабочих органов насоса; коррозия; засорение механическими примесями.
При эксплуатации погружных насосов имеются случаи их усталостных повреждений, что вызывает большие экономические потери. Проблема усугубляется низкой эффективностью традиционных средств неразрушающего контроля из-за сложной формы деталей.
Процессы усталости и коррозии протекают более интенсивно в зонах концентрации механических напряжений, являющихся основными источниками разрушения установок погружных центробежных насосов. Поэтому методы технической диагностики, имеющие корреляцию с механическими напряжениями необходимы для своевременного выявления деталей близких к повреждениям.
Эффективным методом при оценке напряжённо-деформированного состояния оборудования является метод магнитной памяти (ММП) металла. Все детали ПЭЦН в исходном состоянии имеют остаточную намагниченность, сформировавшуюся естественным образом при их изготовлении и эксплуатации [4]. 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.
Для своевременного выявления участков труб, насосов и деталей с максимальной концентрацией напряжений, а также для проведения неразрушающего контроля перед спуском в скважину, предлагается применять метод магнитной памяти металла.
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 2м/сек);
- для выполнения контроля по предлагаемому методу используются приборы, имеющие малые габариты, автономное питание и регистрирующие устройства.
Рассматриваемый магнитный метод контроля концевых деталей и труб может быть использован самостоятельно и (или) в сочетании с другими разрушающими и неразрушающими методами.
Метод МПМ относится к неразрушающему пассивному феррозондовому магнитному методу.
Метод МПМ основан на измерении и анализе распределения собственных магнитных полей рассеяния металла изделий, отражающих их структурную и технологическую наследственность [5]. При контроле используют естественную намагниченность, сформировавшуюся в процессе изготовления изделия в слабом магнитном поле. Метод МПМ определяет зону концентрации напряжений (ЗКН), наличие дефектов и неоднородности структуры металла. Метод МПМ применяют на изделиях из ферро- и парамагнитных сталей и сплавов, чугунах, без ограничения контролируемых размеров и толщин.
При использовании метода МПМ оборудование и конструкции контролируют как в рабочем состоянии (под нагрузкой), так и при их останове (после снятия рабочей нагрузки). Зачистка и подготовка поверхности не требуются. Изоляцию рекомендуется снять. Акустические шумы и механические вибрации не оказывают влияния на результаты контроля.
Для контроля оборудования с использованием метода МПМ применяют специализированные магнитометрические измерители концентрации напряжений, одним из представителей которых является прибор ИКНМ-2ФП.
Прибор ИКНМ-2ФП имеет цифровую индикацию измеряемых данных без регистрации, имеет блок памяти с возможностью записи до 1000 измерений, имеет возможность записи информации в энергонезависимую память 2Мб с последующим сбросом данных на компьютер, а также возможность отображения параметров контроля в виде графиков на жидкокристаллическом графическом индикаторе с разрешением 97х32 точки.
Прибором ИКНМ-2ФП измеряют нормальную и/или тангенциальную составляющие собственного магнитного поля рассеяния Нр на поверхности объекта контроля (ОК) непрерывным или точечным сканированием датчиком прибора, при этом на поверхности ОК определяют зоны с экстремальными изменениями поля Нр и линии с нулевым значением поля Нр (Нр = 0). Эти зоны и линии соответствуют зонам концентрации остаточных напряжений.
Для количественной оценки уровня концентрации остаточных напряжений определяют коэффициент интенсивности А/м , изменения магнитного поля Нр по
формуле [6]:
к =1-—^ (1)
ин т
1 к
где ДНр - разность поля Нр между двумя точками контроля, !к - расстояние между точками контроля.
Зоны максимальной концентрации остаточных напряжений соответствуют максимальному градиенту нормальной и/или тангенциальной составляющей поля Нр.
Результаты контроля записывают в блок памяти приборов и затем, используя соответствующее программное обеспечение, определяют зону концентрации напряжений с максимальным значением и считывают среднее значение для всех ЗКН, выявленных на объекте контроля. После определения значений и для всех зон, выявленных при контроле, выделяют две - три ЗКН с самыми большими значениями и вычисляют магнитный показатель деформационной способности т по формуле [6]:
К
т =
К
(2)
Отношение т рассчитывают отдельно для градиентов нормальной и тангенциальной составляющих поля. Если т превышает предельное значение тпр, то делают вывод о предельном состоянии металла, предшествующем повреждению ОК. Магнитный показатель тпр характеризует деформационную способность металла на стадии упрочнения перед разрушением и определяют в лабораторных и промышленных условиях по специальной методике.
В ЗКН с максимальными значениями выполняют дополнительный контроль разрушающими или неразрушающими методами и отбирают наиболее представительную пробу металла или образец для исследования структуры и механических свойств металла.
Результаты контроля фиксируют в протоколе, при этом указывают следующие данные:
- наименование узлов и участков, на которых выявлены ЗКН;
- экстремальные значения поля Нр и его градиента Кин в ЗКН;
- наработку объекта контроля с начала эксплуатации;
- тип прибора, используемого при контроле;
- выводы по результатам контроля;
- дату контроля, фамилию и подпись специалиста, выполнявшего контроль.
По результатам контроля составляют заключение с анализом результатов, выводами и приложением магнитограмм, характеризующих состояние объекта контроля. Результаты контроля сохраняют до следующего обследования ОК.
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 концевых деталях устанавливать эксплуатационные, конструктивные причины, обусловившие концентрацию напряжений.
Контроль концевых деталей может выполняться оператором на ремонтной площадке или непосредственно возле скважины в сборке.
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 32Мб и сканирующие устройства в виде специализированных датчиков с феррозондовыми 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.
Современная методика диагностирования насосного оборудования нефтяных промыслов, основанная на методе магнитной памяти металла позволит решить ряд проблем связанных с повышением качества оборудования, сокращением затрат на эксплуатацию и сроков его освоения.
Литература
1. Богданов, Е. Л. Основы технической диагностики нефтегазового оборудо—вания: Учеб. пособие для вузов, Е. А. Богданов. - М.: Высш. шк., 2006. - 279 с Сергеев А.Г., Латышев М.Ф.
2. Донской Ю.А. Повышение эффективности эксплуатации УЭЦН с частотнорегулируемым приводом при повышенных скоростях вращения ротора установки. дисс. к.т.н., М., 2010. - 148 с.
3. Дроздов А.Н. Технология и техника добычи нефти погружными насосами в осложненных условиях. Учебное пособие. М.: МАКС Пресс, 2008.-312с.
4. Соснин Ф.Р. и др. Неразрушаюший контроль. Справочник: в 8 т./Под ред. В.В. Клюева. - М.: Машиностроение, 2003.
5. Дубов А.А. Метод магнитной памяти металла и приборы контроля. -М.: Энергодиагностика, 2001.
6. Бажайкин С.Г. Исследование характеристик и модернизация насосных агрегатов нефтяных промыслов. Диссертация* на соискание ученой степени доктора технических наук, Уфа, 2000.
