Розвиток наукових основ оцінки впливу навантаженності на довговічнічність рухомих елементів свердловинного обладнання

Суть методу полягає в наступному. Початковим етапом схематизації є, як і для інших методів, визначення екстремумів процесу . Потім, як і для методу Є.К.Почтєнного, для кожного із сусідніх півциклів визначається амплітуда та середнє значення . Це дає можливість визначити послідовність амплітуд на першій найбільш високій частоті процесу.

На другому етапі розглядається процес, при якому до уваги беруться обчислені раніше середні значення .

Для цього процесу визначаються екстремальні значення, а інші точки процесу з подальшого розгляду відкидають.

Знову визначаються, як і для першого етапу, і . Таким чином, ми отримуємо розподіл амплітуд та їх послідовність на другій, більш низькій частоті.

Таку процедуру повторюють до того часу, поки на якомусь етапі різниця між максимальним і мінімальним значенням процесу не стане меншою за якесь заздалегідь визначене значення [], наприклад, ; або не залишаться 2-3 екстремальні точки.

Використання методу вкладених циклів відображено на прикладі випадкового процесу, для якого проведено аналіз згідно з методами “дощу”, повних циклів та врахування одного екстремуму між сусідніми перетинами середнього рівня. Проведений аналіз свідчить про досить близьку відповідність розподілів, проведених згідно з пропонованим методом і методом “дощу”, який на сьогоднішній день вважається найбільш прийнятним при розрахунках. Але головною перевагою запропонованого методу вкладених циклів є одержання розподілу в часі амплітуд напружень при одночасному визначенні реальної складності структури процесу. Це дає можливість більш повно враховувати історію навантажування та складність структури процесу при розрахунках на довговічність.

Процеси навантажування РЕСО характеризуються також великою асиметрією циклів напруження. У такому випадку при використанні рівняння (1) ми зіткнемося з проблемою оцінки їх пошкоджуючої дії. У зв'язку з тим, що переважну більшість експериментів з визначення параметрів опору втомі проводять при симетричному циклі напружень, необхідним етапом є приведення асиметричних циклів до еквівалентних за пошкоджуючою дією симетричних.

Для розрахункового приведення асиметричних напружень з коефіцієнтом асиметрії до симетричних пропонується, виходячи із закономірностей кінетики втомного пошкодження та лінійної залежності характеристики кута нахилу кривої втоми від асиметрії навантаження, використовувати отримане наступне рівняння

, (4)

де - максимальне напруження симетричного циклу, яке еквівалентне за пошкодженням асиметричному з максимальним напруженням і коефіцієнтом асиметрії R;

- коефіцієнт чутливості до асиметрії навантаження;

 - границі витривалості при симетричному і віднульовому циклах напружень відповідно.

Аналіз великої кількості експериментів з визначення параметрів опору втомі дає змогу стверджувати, що кут нахилу кривих з рівним ступенем пошкодження в області багатоциклової втоми задовільно описується коефіцієнтом тільки при , а при кут нахилу збільшується при зменшенні N. Тому для більшої достовірності приведення асиметричних циклів пропонується криві рівної пошкоджуваності апроксимувати двома прямими. Для напружень з буде справедливим приведення згідно з (4). Для приведення ж циклів напружень з скористаємось особливістю діаграми Хея, а саме тим, що всі криві з рівним ступенем пошкодження сходяться в точці (1,0). Схему приведення до симетричного циклу зображено на рис. 6.

До симетричного циклу приводимо напруження, показане на рис. 6 точкою А. Для цього проводимо промінь, який виходить з точки К(1, 0), через А до перетину з прямою R=0 (точка В). За аналогією з приймемо

. (5)

Тоді, враховуючи координати точок А і К, отримуємо рівняння

; (6)

; (7)

. (8)

Для оцінки достовірності запропонованого приведення було проаналізовано результати експериментального дослідження зразків, виготовлених зі сталі 40ХН. Отримано такі параметри кривих втоми за рівнянням Є.К.Почтєнного у вигляді

: (9)

На рис. 7 наведено криві втоми 1, 2, побудовані згідно з даними параметрами за рівнянням (9), криву 3, побудовану за рівнянням І.А.Одінга, а також криві 4, 5 отримані шляхом приведення за допомогою рівнянь (4) і (8) відповідно. Як бачимо, в даному випадку запропонований метод приведення, на відміну від загальноприйнятого методу І.А.Одінга, практично повністю відповідає результатам експерименту. Отже, за аналізу випадкового процесу навантажування приведення до еквівалентного симетричного процесу рекомендується проводити за допомогою рівнянь (4) і (8), які більш точно враховують чутливість до асиметрії навантажування.

Як відомо, РЕСО працюють у корозійних середовищах бурильного розчину чи газонафтоводяної суміші, підлягаючи впливу корозійної втоми. Але при використанні рівняння (9) для оцінки довговічності та залишкового ресурсу в умовах корозійної втоми виникають значні труднощі. Крива втоми у формі (9) має нижню гілку, яка асимптотично наближається до границі витривалості. Експериментальні ж дослідження в умовах корозійної втоми свідчать, що в такому випадку крива не має горизонтальної нижньої гілки.

Таким чином, існує необхідність урахування нижньої гілки кривої корозійної втоми. Для оцінки її параметрів потрібно проводити довготривалі експериментальні дослідження на великих базах.

Для оцінки параметрів нижньої гілки кривої корозійної втоми доцільним є використання результатів експериментальних досліджень у багатоцикловій області. Для цього розроблено рівняння

, (10)

де - кількість циклів до руйнування деталей;

- максимальне напруження циклу регулярного навантаження з постійним значенням коефіцієнта асиметрії;

, - параметри нижньої гілки кривої корозійної втоми.

Для верхньої гілки кривої корозійної втоми пропонується використання трипараметричного рівняння Є.К.Почтєнного у вигляді

(11)

де N - кількість циклів до руйнування деталей;

- параметр з розмірністю напруження;

- коефіцієнт витривалості;

- умовна границя корозійної витривалості.

При цьому для визначення даних параметрів необхідно вирішити розроблену систему рівнянь

, (12)

де k - коефіцієнт впливу корозійного чинника при низьких напруженнях, який визначається експериментально.

Розв'язок рівняння наведено на рис. 8.

Як бачимо, параметр характеризує кут нахилу нижньої гілки кривої корозійної втоми і визначається за результатами експериментальних досліджень.

Слід зауважити, що за допомогою рівнянь (10-12) можна будувати кінетичні криві корозійної втоми та оцінювати їх параметри.

У п'ятому розділі наведено результати теоретичних досліджень закономірностей накопичення корозійно-втомного пошкодження РЕСО, спрямованих на розроблення ефективних методів оцінки їх навантаженості, довговічності та залишкового ресурсу.

Перспективним засобом оцінки залишкового ресурсу деталей, які працюють в умовах випадкового навантажування, є кінетичні криві втоми, тобто криві, побудовані для деталей чи зразків з різним фіксованим пошкодженням. Але існуюча методологічна база не дає можливості широко використовувати кінетичні криві втоми через необхідність великої кількості експериментів, а також через складність оцінки ступеня попереднього пошкодження в експлуатаційних умовах.

На основі аналізу експериментальних даних розроблено вдосконалену методику проведення експериментальних досліджень та їх обробки. Методика дає можливість будувати кінетичні діаграми корозійної втоми натурних зразків з достатньою точністю визначення імовірнісних параметрів навіть при обмеженій кількості зразків. Суть даної методики полягає в наступному.

На першому етапі натурні деталі чи зразки-моделі групуємо за ступенем їх пошкодження (наприклад, за терміном експлуатації в типових умовах). Потім проводимо серію втомних випробувань зі зразками кожної групи.

На другому етапі усі результати зводяться в генеральну вибірку і з допомогою програми обробки даних визначаються параметри усередненої кривої втоми. Для цього розроблено алгоритм обробки експериментальних даних, який призначено для використання в середовищі програмування комп'ютерної математичної системи Maple, за якого відбувається послідовний перебір усіх чотирьох параметрів у заздалегідь встановлених межах з визначеним кроком. Після усіх розрахунків визначаються параметри, за яких сумарне середньоквадратичне відхилення мінімальне. Крок зміни параметрів встановлюємо на рівні достатньої точності. За необхідності уточнення параметрів можна провести другий етап розрахунків з меншим кроком зміни параметрів, але з визначеними на першому етапі їх межами. Оскільки дані параметри визначено на великій кількості експериментальних даних, то довірча імовірність отримання їх медіанних значень буде високою.

Наступний етап обробки отриманих результатів потребує деяких пояснень. Кінетичні криві втоми мають дуже важливу в даному випадку закономірність, яка підтверджена численними експериментальними дослідженнями. Вона полягає в тому, що такі параметри кривої втоми (11), як і - кількість циклів до нижнього перегину кривої, не залежать від ступеня пошкодження деталі чи зразка. Тому можна стверджувати, що їх значення є медіанними значеннями параметрів і для кінетичних кривих втоми з різними ступенями пошкодження. Таким чином, наступна обробка експериментальних даних полягає у визначенні тільки двох параметрів кривої (10-12), а саме, і для кожного ступеня пошкодження. Алгоритм розрахунку на цьому етапі відрізняється використанням залежностей

і .

На основі даного алгоритму створено комплексну програму розрахунку параметрів та побудови кінетичних кривих корозійної втоми з різною імовірністю неруйнування.

Для визначення еквівалентного експлуатаційного напруження пропонується використання рівняння кривої втоми у формі (11). У такому випадку рівняння матиме вигляд

. (13)

Але визначення еквівалентної кількості циклів напружень є складною задачею. У першу чергу, це пояснюється випадковим характером навантажування, змінами режимів експлуатації та іншими випадковими чинниками. Постійний контроль навантаження тільки частково вирішує дану проблему. Так, навіть при постійному моніторингу за напруженням у випадку складного багаточастотного навантажування зробити висновок про еквівалентну кількість його циклів неможливо без значних спрощень гіпотетичного характеру при схематизації процесу. Тому пропонується визначення за допомогою кінетичних кривих втоми.

Для цього необхідно мати хоча б три криві втоми натурних зразків з визначеним терміном експлуатації в типових умовах рі, наприклад, за кількістю років експлуатації. При достатньо великих термінах експлуатації в типових умовах можна прийняти еквівалентну кількість циклів напружень за однаковий термін експлуатації величиною незмінною.

Тоді при р1<p2<p3 отримуємо

,

і можна записати систему рівнянь

, (14)

розв'язком якої і будуть шукані величини і .

Таким чином, розроблено вдосконалений метод прогнозування залишкового ресурсу деталей та обладнання в типових умовах експлуатації за допомогою кінетичних кривих втоми. Його перевагами є:

- зменшення витрат на проведення експерименту при збереженні точності оцінки;

- автоматизована обробка даних з допомогою розробленого програмного забезпечення;

- оцінювання навантажування деталі та прогнозування залишкового ресурсу в умовах мінімальної інформації про її попередню експлуатацію.

Складність методу полягає в переведенні результатів довготривалих експериментальних досліджень для інших умов експлуатації. У першу чергу, труднощі пов'язані з необхідністю запису і оброблення процесу навантажування деталей протягом тривалих проміжків часу, що пов'язано зі значними матеріальними затратами та складнощами організаційного і методичного характеру. Тому для усунення даного недоліку розроблено новий метод інтегральної оцінки експлуатаційного навантаження за допомогою індикаторів навантажування.

Суть методу полягає у використанні закономірностей накопичення втомного пошкодження індикаторів з попереднім визначеним пошкодженням. Спочатку експериментально визначаємо параметри кінетичних кривих втоми індикаторів. Потім індикатори з різним фіксованим пошкодженням встановлюємо безпосередньо на елемент у верхній частині РЕСО або, при неможливості такої конструктивної схеми, на спеціальний пристрій, який сприйматиме експлуатаційне навантаження через додаткові елементи. Довговічність індикаторів буде залежати від заздалегідь визначеного попереднього і накопиченого пошкодження. При цьому кожен індикатор сприйматиме цикли напружень, вищі за його кінетичну границю витривалості. Таким чином, при складному розподілі циклів напружень буде спостерігатись закономірне запізнювання руйнування індикаторів з меншим початковим пошкодженням. Це дає змогу провести інтегральну оцінку навантажування з виділенням декількох рівнів амплітуд напружень та визначенням на кожному рівні еквівалентної кількості їх циклів. Кількість рівнів відповідає кількості індикаторів з різним попереднім пошкодженням, а їх межі - кінетичним границям витривалості індикаторів. Для оптимального поділу навантажування на рівні необхідно знати орієнтовні величини максимальних напружень та границю витривалості РЕСО, що сприймають дане навантаження.

Також у розділі наведено результати теоретичних досліджень з оцінки довговічності бурильних та штангових колон за даними експлуатаційної навантаженості та параметрами їх кривих корозійної втоми. Результати отримані за допомогою комплексної програми, розробленої для використання в програмному середовищі системи символьного числення Maple. Оцінка довговічності проводиться за розробленими методами з урахуванням поциклового зниження границі витривалості.

У шостому розділі представлено результати експериментальних досліджень з оцінки навантаженості, довговічності та залишкового ресурсу РЕСО.

З метою оцінки впливу низьких напружень експериментально досліджувалося накопичення втомних пошкоджень при циклічному ступеневому деформуванні матеріалу бурильних труб за жорсткою схемою навантажування консольним згином.

На циклічну тріщиностійкість досліджували балочні зразки, що були виготовлені безпосередньо із бурильних труб групи міцності “Д” (т=417 МПа). Для оцінки впливу низьких напружень для кожного варіанту блока було введено ступінь навантажування, який викликає напруження, нижчі за границю витривалості матеріалу. На основі проведених досліджень встановлено, що низькі напруження при підсумовуванні втомних пошкоджень не можна оцінювати тільки з точки зору їхньої частки у загальному втомному пошкодженні. При блокових чи випадкових навантажуваннях зі ступенями, які спричиняють напруження, наближені до границі витривалості матеріалу, на перший план виходить взаємодія низьких напружень блока чи спектру навантажування з високими, найбільш руйнівними. При цьому залежно від чинників навантажування та матеріалу така взаємодія може призвести як до збільшення пошкоджень від високих напружень, так і до їх зменшення.

Таким чином, необхідно враховувати послідовність навантажування при розрахунках на втомну довговічність деталей, які працюють в умовах випадкових навантажувань з високою часткою низьких напружень спектру, що має місце при експлуатації бурильної колони. Крім цього, результати даних досліджень дають змогу більш обґрунтовано визначати послідовність ступенів блоку навантажування при проведенні експериментальних втомних досліджень натурних зразків деталей бурильної колони.

Випробовування на втомну довговічність натурних зразків бурильних труб при багатоступеневому навантажуванні практично не проводились, тому оцінка довговічності для труб великих типорозмірів має велике теоретичне й практичне значення. Для такої оцінки необхідні натурні випробування в умовах, наближених до експлуатаційних. Для вирішення даного завдання проведено випробування натурного зразка бурильної труби ТБВК-140 із замковим з'єднанням 3-147. Для розробки блоку навантажування було схематизовано методом вкладених циклів запис зміни згинального моменту, який діє на бурильну трубу, розташовану над ОБТ. Руйнування відбулося на відстані 20 мм від опорного торця ніпеля.

Відносна похибка розрахунку довговічності становить 13%. Дещо більше значення довговічності, яке спостерігається при експерименті, може бути пояснено з статистичної точки зору, а також процесами “тренування” матеріалу зразка на ступенях блоку з низькою величиною напруження.

У розділі також наведено результати експериментальних досліджень з вибору та визначення необхідних параметрів індикаторів навантажування для оцінки навантаженості геофізичного кабелю.

У результаті проведених випробувань на тріщиностійкість визначено такі значення параметрів залежності швидкості підростання тріщини за рівнянням : С=2,4*10-12 м7/Н4; n=4. Також визначено параметр К* відповідно до залежності

: К*=14,3 МПа м1/2.

Втомні випробовування для визначення параметрів кривої втоми індикаторів і вирощення початкової тріщини проводились на розробленому стенді. За результатами втомних випробовувань плоских зразків-індикаторів без вирощеної тріщини визначено такі параметри кривої втоми: N0=3767600; V=15,5 МПа; 0=83,7 МПа; =0,032. При використанні індикаторів для оцінки навантаженості необхідно мати параметри кривої втоми індикаторів з різною попередньо вирощеною тріщиною. Для зменшення кількості експериментів використано кінетичні криві втоми. Визначено необхідне число відпрацьованих циклів для зниження границі витривалості індикаторів у межах від 83,7 до 40 МПа. Наприклад, для границі витривалості 40 МПа довжина тріщини була рівною 2,32 мм.

Для визначення залишкового ресурсу КНШ у типових умовах експлуатації проведено експериментальні випробування насосних штанг з різним корозійно-втомним пошкодженням: нових, після 4 і після 8 років експлуатації.

Генеральну вибірку експериментальних даних наведено на рис. 9. У результаті обробки з допомогою розробленої методики отримано такі параметри усередненої кривої втоми (рис. 9) у вигляді (10-12):

6,1·107 МПа; 61 МПа; 450 МПа; 1·106 циклів; =2 МПа.

Наступним етапом обробки є визначення параметрів кінетичних кривих корозійної втоми насосних штанг. Результати розрахунку, проведені згідно з розробленою методикою, наведено в таблиці 1.

Таблиця 1

Параметри кінетичних кривих корозійної втоми насосних штанг

Аналіз результатів свідчить про тенденцію зменшення розкиду значень довговічності зі збільшенням терміну експлуатації. Це пояснюється тим, що в початковий період роботи (період припрацювання) було відбраковано і знято з експлуатації усі штанги з високим початковим ступенем пошкодження. Певну роль відіграє і складний характер експлуатаційного навантажування насосних штанг, яке є випадковим багаточастотним процесом з великим розкидом значень амплітуд та асиметрії. Такий складний характер навантажування та вплив корозійного чинника з часом призводить до згладжування закономірно високого розкиду довговічності деталей, тобто в нашому випадку до зменшення середньоквадратичного відхилення границі витривалості насосних штанг.

Кінетичні криві для медіанної імовірності неруйнування наведено на рис. 10.

Завершальним етапом обробки експериментальних даних є оцінка залишкового ресурсу насосних штанг після 8 років експлуатації в типових умовах. Для такої оцінки потрібно знати еквівалентне напруження . Його було б досить легко визначити, знаючи еквівалентну кількість циклів напружень насосних штанг за рік експлуатації .

Але при експлуатації насосних штанг визначення є складною задачею. У першу чергу, це пояснюється випадковим характером навантажування, змінами режимів експлуатації та іншими випадковими факторами. Крім цього, у випадку складного багаточастотного навантажування, яке є характерним для насосних штанг, зробити висновок про еквівалентну кількість циклів напружень неможливо без значних спрощень при схематизації процесу. Тому для визначення використано розроблений метод за допомогою кінетичних кривих втоми.

При досить великих термінах експлуатації насосних штанг можна вважати еквівалентну кількість циклів напружень за однаковий термін експлуатації величиною незмінною. Тоді можна використати систему рівнянь (14), розв'язком якої і будуть шукані величини і . Розв'язок даної системи нелінійних рівнянь зображено на рис. 11 як перетин кривих. Отримано такі чисельні значення: =124000 цикли і =111,3 МПа.

Тепер, маючи усі необхідні параметри, можна розрахувати залишковий ресурс насосних штанг у роках за рівнянням

. (15)

Для медіанної імовірності неруйнування отримаємо залишковий ресурс =8,5 років.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

У результаті проведення теоретичних і експериментальних досліджень отримано нове вирішення науково-технічної проблеми оцінки впливу навантаженості на довговічність і залишковий ресурс рухомих елементів свердловинного обладнання, зокрема, бурильних колон, геофізичних кабелів, колон насосних штанг, яке ґрунтується на закономірностях кінетики накопичення корозійно-втомного пошкодження, що дало можливість вдосконалити методи розрахунку їх довговічності та залишкового ресурсу.

1. Проведено оцінку експлуатаційного навантажування бурильної колони під час спуско-піднімальних операцій, колони насосних штанг та геофізичного кабелю. Встановлено, що характерними рисами експлуатаційного навантажування рухомого свердловинного обладнання є складний асиметричний широкосмуговий процес з великою кількістю випадкових високочастотних низькоамплітудних складових. Так, 90% розподілу напружень у верхній частині колони насосних штанг займають напруження з коефіцієнтом асиметрії більше 0,6 і амплітудами менше 20 МПа.

Проведено експериментальні дослідження натягу геофізичного кабелю під час спуско-піднімальних операцій. Аналіз одержаних результатів в умовах вертикальних свердловин дав змогу розрахувати сили гідравлічного опору для різних швидкостей виконання спуско-піднімальних операцій і різних каротажних приладів. Зауважено позитивний вплив збільшення швидкості на зменшення сили опору руху каротажних пристроїв, наприклад, для інклінометра сила гідравлічного опору при збільшенні швидкості від 0,056 до 0,84 м/с зменшується від 920 до 780 Н, і екстремальний характер сили питомого гідравлічного опору геофізичного кабелю при швидкості =0,15 м/с, де вона складає 1,2 Н/м.

Розроблено удосконалені засоби:

а) вимірювання навантажень у верхній частині штангової колони (Патент України № 21964), який дає змогу виділяти високочастотні цикли навантажень КНШ і проводити безпосередній запис результатів вимірювань для їх обробки на ПЕОМ;

б) вимірювання зусиль в колоні бурильних труб (Патент України № 20126), який дає можливість вимірювати зусилля та визначати напруження в елементах бурильної колони на викривлених ділянках;

в) оцінювання навантажування геофізичного кабелю за допомогою індикаторів, який дає змогу попередити можливість обриву і проводити інтегральну оцінку навантаженості кабелю.

2. Розраховано локальні напруження згину в елементах бурильних колон і колон насосних штанг на викривлених ділянках із урахуванням сили розтягу і параметрів викривлення осі свердловини. Розрахункові схеми ґрунтуються на аналізі можливого положення колон в обмеженому просторі свердловини. Результати досліджень свідчать про значний вплив на локальні напруження згину сили розтягу. Так, якщо напруження розтягу внизу колони насосних штанг змінюються від 0 до 1,8 МПа при силі розтягу 500 Н, то напруження згину на ділянці з кутом викривлення 20є і радіусом 50 м - від 50,7 до 207,3 МПа. Таким чином, амплітуда згинаючих напружень досягає 78,3 МПа, що може служити основною причиною втомного руйнування колони насосних штанг у нижній частині на викривлених ділянках.

Показано, що нехтування силами розтягу та неспівпадінням осі свердловини і бурильної колони може призвести до похибок при розрахунках напружено-деформованого стану та довговічності бурильних труб. Так, визначено напруження у поперечному перерізі бурильних труб ТБПК 127 (товщина стінки 8 мм) у криволінійному стовбурі свердловини діаметром 295,3 мм. При відстані від нейтрального перерізу до початку криволінійної ділянки =250 м колона буде доторкатися до нижньої частини стінки свердловини по всій довжині. У цьому випадку напруження згину - 9,5 МПа. При збільшенні до 260 м, сила розтягу зростає і є достатньою для відриву колони від стінки свердловини. Напруження зростає до 11,9 МПа. При подальшому збільшенні (понад 260 м), сила розтягу спричиняє контакт бурильної колони із верхньою частиною стовбура свердловини, а величина напружень збільшується від 15,2 до 40,2 МПа при збільшенні до 300 м.

3. Розроблено метод підсумовування втомних пошкоджень деталей при широкосмуговому навантажуванні, з урахуванням багаточастотності та розподілу амплітуд на окремих частотах, який базується на врахуванні експериментально визначених коефіцієнтів впливу даних чинників на накопичення втомних пошкоджень у матеріалі деталі.

Розроблено метод схематизації випадкового процесу навантажування з урахуванням багаточастотності процесу та розподілу амплітуд у часі, який базується на визначенні екстремумів при поетапному згладжуванні процесу шляхом заміни висхідних розмахів на їх середні значення. Проведено апробацію методу на двочастотних і випадковому процесах навантажування.

Розроблено метод урахування напружень з високим рівнем асиметрії циклу, в тому числі з амплітудами напружень, нижчими за границю витривалості, при оцінці довговічності з урахуванням кінетики втомного пошкодження.

4. Розроблено чотирипараметричне рівняння кривої втоми з урахуванням корозійного чинника при низьких напруженнях. Для оцінки параметрів нижньої гілки кривої корозійної втоми запропоновано використання результатів експериментальних досліджень у багатоцикловій області.

Удосконалено розрахунково-експериментальний метод оцінки навантаженості деталей з допомогою індикаторів навантаження, який дає змогу провести інтегральну оцінку навантажування з виділенням декількох рівнів напружень та визначенням на кожному рівні їх еквівалентної кількості циклів. Кількість рівнів відповідає кількості індикаторів з різним попереднім пошкодженням, а їх межі - кінетичним границям витривалості індикаторів.

Удосконалено розрахунково-експериментальний метод оцінки навантаженості та залишкового ресурсу деталей за результатами досліджень натурних зразків з різним ступенем накопиченого корозійно-втомного пошкодження. Метод базується на закономірностях кінетики зниження границі витривалості та запропонованій системі рівнянь для визначення еквівалентних за пошкоджуючою дією амплітуд напружень та кількості циклів навантажування.

5. Експериментально досліджено накопичення втомних пошкоджень при циклічному ступеневому деформуванні матеріалу бурильних труб (сталь групи міцності “Д”) за жорсткою схемою навантажування консольним згином з амплітудами деформації а=0,3…1 мм. У результаті встановлено, що при блокових чи випадкових навантажуваннях зі ступенями, які спричиняють напруження, близькі до границі витривалості матеріалу, визначальною стає взаємодія низьких напружень блока чи спектру навантажування з високими, найбільш руйнівними. Доведено необхідність врахування послідовності навантажування для розрахунків на втомну довговічність деталей, які працюють в умовах випадкових навантажувань з високою долею низьких напружень спектру, що має місце при експлуатації бурильної колони.

Проведено випробовування натурного зразка бурильної труби ТБВК 140 мм із замковим з'єднанням 3-147 при блоковому навантажуванні. Розрахункова довговічність досить близько відповідає експериментальній (відносна похибка 13%), що вказує на достатню точність для практичного визначення довговічності бурильних труб і замкових з'єднань.

Експериментально визначено параметри кінетичних кривих корозійної втоми насосних штанг. На основі розробленого методу проведено оцінку залишкового ресурсу насосних штанг після 8 років експлуатації, який при медіанній імовірності неруйнування складає 8,5 років.

6. Проведені в роботі теоретичні та експериментальні дослідження використано при розробленні керівних документів: „Інструкція по розрахунку і вибору колони насосних штанг”, впроваджених в ГПУ „Полтавагазвидобування”, Надвірнянському та Чернігівському НГВУ ВАТ “Укрнафта”; „Інструкція по забезпеченню надійності бурильної колони на викривлених ділянках свердловини при комбінованому способі буріння”, впроваджена у ДАТ “Чорноморнафтогаз”.

Розроблений засіб вимірювання навантажень у верхній частині штангової колони впроваджено в НГВУ “Надвірнанафтогаз” ВАТ “Укрнафта”, а також у навчальному процесі на кафедрі нафтогазового обладнання ІФНТУНГ з дисципліни “Машини і обладнання для видобутку нафти і газу”.

Розроблений засіб інтегральної оцінки навантаження геофізичного кабелю застосовується в Івано-Франківській експедиції з геофізичних досліджень в свердловинах.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Крижанівський Є.І., Івасів В.М., Артим В.І., Нікітюк В.М. Схематизація випадкового навантажування методом вкладених циклів // Науковий вісник ІФНТУНГ. Нафтогазопромислове обладнання. - 2002. - № 2. - С.47-54.

2. Івасів В.М., Федорович Я.Т., Артим В.І., Гладун В.В., Пушкар П.В. Дослідження кінетики втомного пошкодження матеріалу бурильних труб в умовах блокового навантажування // Науковий вісник ІФНТУНГ. Нафтогазопромислове обладнання. - 2003. - № 1. - С.39-43.

3. Івасів В.М., Артим В.І., Яворський М.М., Козак Я.І., Пушкар П.В. Розрахунок втомної довговічності замкового з'єднання бурильних труб 3-147 при багатоступеневому навантажуванні // Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ. - 2003. - № 2. - С. 116-120.

4. Івасів В.М., Артим В.І., Нікітюк В.М., Козак О.М. Використання локальних моделей для оцінки залишкового ресурсу магістральних трубопроводів. // Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій / Під заг. ред. В.В.Панасюка - Львів: Фізико-механічний інститут ім. Г.В.Карпенка НАН України, 2004. - С. 557-562.

5. Артим В.І., Пушкар П.В. Моделювання накопичення втомних пошкоджень при випадковому навантажуванні // Авиационно-космическая техника и технология. - 2004. - № 1. - С 19-24.

6. Івасів В.М., Чудик І.І., Артим В.І., Яворський М.М. Методи визначення стійкості неорієнтованих КНБК з двома ОЦЕ // Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ. - 2004. - № 2 (11). - С. 20-24.

7. Івасів В., Артим В., Смоляк Т., Козак О., Нікітюк В. Методика оцінки втомної довговічності та залишкового ресурсу великогабаритних деталей з допомогою локальних моделей // Вісник Тернопільського державного технічного університету. - 2005. - № 1. - С. 19-24.

8. Івасів В.М., Артим В.І., Пушкар П.В. Оцінка впливу параметрів двочастотного процесу навантажування на довговічність деталей машин / Вібрації в техніці та технологіях. - 2004. - № 5 (37). - С. 113-116.

9. Івасів В.М., Артим В.І., Пушкар П.В., Козак О.М. Урахування напружень низького рівня при розрахунках довговічності деталей машин // Машинознавство. - 2003. - № 12. - С. 17-20.

10. Ivasiv V.M., Artym V.I., Gladun V.V. The logging strain-gauge registering system LSGRS-10M // NORDTECH 2004 / Scientific Bulletin. - Baia Mare, Rumania. - 2004. - P. 159-164.

11. Рачкевич Р.В., Артим В.І., Козлов А.В. Визначення функції К-тарування для різьбових з'єднань бурильних труб // Науковий вісник ІФНТУНГ. - 2005. - № 1 (10). - С. 82-87.

12. Артим В.І., Івасів В.М., Федорович Я.Т., Пушкар П.В. Визначення залишкового ресурсу насосних штанг в типових умовах експлуатації // Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ. - 2005. - № 2. - С. 79-82.

13. Гладун В.В., Артим В.І., Януш С.М. Особливості навантажування каротажних кабель-канатів в необсаджених свердловинах // Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ. - 2005. - № 3. - С. 59-63.

14. Івасів В.М., Харун В.Р., Пушкар П.В., Артим В.І., Атаманчук І.С. Удосконалення експериментального дослідження навантаження колони насосних штанг // Науковий вісник ІФНТУНГ. Нафтогазопромислове обладнання. - 2005. - № 3. - С. 31-35.

15. Івасів В.М., Артим В.І., Харун В.Р., Пушкар П.В. Оцінка експлуатаційної навантаженості та її вплив на довговічність насосних штанг // Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ. - 2005. - № 4. - С. 77-81.

16. Івасів В.М., Артим В.І., Пушкар П.В. Удосконалена методика прогнозування залишкового ресурсу деталей у типових умовах експлуатації // Машинознавство. - 2005. - № 10. - С. 43-46.

17. Пушкар П.В., Павлюк Я.Ю., Матвіїшин Т.Б., Артим В.І. Аналіз відмов колон насосних штанг в НГВУ “Надвірнанафтогаз” // Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ. - 2006. - № 1. - С. 116-120.

18. Івасів В.М., Артим В.І., Гладун В.В., Дейнега Р.О. Модель багатоциклового корозійно-втомного пошкодження деталей машин // Механічна втома металів. Під ред. Трощенка В.Т. / Праці колоквіуму. - Тернопіль. - 2006. - С. 198-203.

19. Артим В.І. Контактні зусилля в колоні насосних штанг у свердловинах складного профілю з урахуванням розтягу // Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ. - 2007. - № 3. - С. 56-59.

20. Артим В.І. Урахування корозійного чинника при оцінці довговічності насосних штанг // Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ. - 2007. - № 4. - С. 140-143.

21. Артим В.І. Інтегральна оцінка навантаженості відповідальних об'єктів нафтогазової промисловості за допомогою індикаторів навантаження // Нафтогазова енергетика. - 2007. - № 4. - С. 76-80.

22. Рачкевич Р.В., Артим В.І., Козлов А.А. Визначення положення бурильної колони у криволінійному стовбурі свердловини // Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ. - 2007. - № 4. - С. 88-91.

23. Патент № 21964, Україна, G01V 13/00. Пристрій безконтактного вимірювання навантажень підвіски колони штанг / Патентовласник ВАТ “Укрнафта” // Пушкар П.В., Харун В.Р., Артим В.І., Івасів О.В. - № u200608146; Заявл. 10.04.2007; Опубл. 15.09.2007, Бюл. № 3. - 6 с.

24. Патент № 21126, Україна, E21B 19/00, G01L 1/00. Пристрій для вимірювання зусиль в колоні бурильних труб / Патентовласник ІФНТУНГ // Івасів В.М., Артим В.І., Козлов А.А., Чудик І.І., Юрич А.Р. - № u200607356; Заявл. 03.07.2006; Опубл. 15.01.2007, Бюл. № 1. - 4 с.

25. Патент № 20277, Україна, G01V 13/00. Спосіб зрощування частин геофізичних кабелів без збільшення діаметра / Патентовласник ІФНТУНГ // Гладун В.В., Нейдлін Г.С., Івасів В.М., Артим В.І., Януш С.М. - № u200608146; Заявл. 20.07.2006; Опубл. 15.01.2007, Бюл. № 1. - 6 с.

26. Патент № 18066, Україна, G01N 3/00, G01M 3/00. Процес визначення залишкового ресурсу нафтогазопроводів та збільшення нормативного терміну їх експлуатації за результатами дослідження вирізаних дефектних ділянок / Патентовласник ІФНТУНГ // Івасів В.М., Говдяк Р.М., Івченко О.Г., Лопушанський А.Я., Кравець О.А., Дрогомирецький М.М., Василюк В.М., Ільницький Р.М., Артим В.І. - № u200605396; Заявл. 17.05.2006; Опубл. 16.10.2006, Бюл. № 10. - 6 с.

27. Івасів В.М., Артим В.І., Пушкар П.В., Козак О.М. Врахування напружень низького рівня при розрахунках довговічності деталей машин / Зб. матеріалів 6 Міжнародного симпозіуму українських інженерів-механіків. - Львів. - 2003. - С. 53-56.

28. Ivasiv V., Artym V., Kozak O., Gladun V. Fatigue reliability calculations with accounting low stresses / Зб. матеріалів Міжнародної наукової конференції. - м. Бая-Маре, Румунія. - 2003. - С. 163-168.

29. Артим В.І. Моделювання накопичення втомних пошкоджень при випадковому навантажуванні / Міжнародна науково-технічна конференція „Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні - ІКТМ-2003”: Тези доповідей. - Харків: Національний аерокосмічний університет, 2003. - С. 74.

30. Karpash O., Ivasiv V., Artym V., Pushkar P. Сalculation of fatigue damages upbuilding for complicating loading processes // Зб. матеріалів Міжнародної наукової конференції. - Бая-Маре, Румунія. - 2004. - С. 355-360.

31. Артим В.І., Гладун В.В., Нейдлін Г.С., Шаповалов Я.М. Каротажна тензометрична реєструюча система КТРС-10М / Нафта і газ України. Матеріали 8-ї Міжнародної науково-практичної конференції „Нафта і газ України - 2004” у 2-х т. - Л.: „Центр Європи”, 2004. - Т. 1. - С. 304-306.

32. V.Ivasiv, V.Artym, R.Ilnitskiy The Account of Complexity of Loading at Meaning of Reliability of Parts of Machines / 2nd International Symposium on Hydrocarbons & Chemistry. - Ghardaїa: Algeria. - 2004. - P. 84.

33. Харун В.Р., Артим В.І., Прозур О.В. Використання математичної моделі для визначення технічного стану ШСНУ в умовах експлуатації / Міжнародна науково-технічна конференція „Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні - ІКТМ-2005”: Тези доповідей. - Харків: Національний аерокосмічний університет, 2005. - С. 145-146.

34. Artym V., Pushkar P., Fedorovych Y., Karpyk R. Reliability Research of Pump Rods under Wear-Fatigue Conditions // Зб. матеріалів Міжнародної наукової конференції. - м. Бая-Маре, Румунія. - 2006. - С. 21-26.

АНОТАЦІЇ

Артим В.І. Розвиток наукових основ оцінки впливу навантаженості на довговічність рухомих елементів свердловинного обладнання. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.05.12 - Машини нафтової і газової промисловості. - Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, Івано-Франківськ, 2008.

Дисертацію присвячено вирішенню проблем впливу навантажування на накопичення корозійно-втомного пошкодження рухомих елементів свердловинного обладнання (РЕСО) з метою розроблення ефективних методів оцінки їх довговічності та залишкового ресурсу.

Проведено експериментальні дослідження експлуатаційного навантажування РЕСО та локальних напружень згину в елементах бурильних колон і колон насосних штанг на викривлених ділянках. Розроблено метод підсумовування втомних пошкоджень при широкосмуговому навантажуванні та відповідний метод схематизації випадкового процесу навантажування. Розроблено метод урахування напружень з високим рівнем асиметрії циклу та чотирипараметричне рівняння кривої втоми для урахування корозійного чинника при оцінці довговічності РЕСО. Удосконалено розрахунково-експериментальний метод оцінки навантаженості геофізичного кабелю за допомогою індикаторів навантаження. Удосконалено розрахунково-експериментальний метод оцінки навантаженості та залишкового ресурсу деталей за результатами досліджень натурних зразків з різним ступенем накопиченого корозійно-втомного пошкодження. Результати досліджень експериментально апробовано на натурних зразках елементів свердловинного обладнання.

Комплексне врахування теоретичних і експериментальних досліджень, які ґрунтуються на закономірностях кінетики накопичення корозійно-втомного пошкодження рухомих елементів свердловинного обладнання, зокрема, бурильних колон, геофізичних кабелів, колон насосних штанг, дало змогу вдосконалити методи розрахунку їх довговічності та залишкового ресурсу.

Ключові слова: свердловинне обладнання, схематизація навантаження, корозійно-втомне пошкодження, довговічність, залишковий ресурс.

Артым В.И. Развитие научных основ оценки влияния нагружения на долговечность подвижных элементов скважинного оборудования. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.05.12 - Машины нефтяной и газовой промышленности. - Ивано-Франковский национальный технический университет нефти и газа, Ивано-Франковск, 2008.

Диссертация посвящена решению проблем влияния нагружения на накопление коррозионно-усталостного повреждения подвижных элементов скважинного оборудования (ПЭСО) с целью разработки эффективных методов оценки их долговечности и остаточного ресурса.

Проведено оценку эксплуатационной нагрузки ПЭСО с помощью разработанных методик и средств. Проведены экспериментальные исследования натяжения геофизического кабеля при спуско-подъемных операциях. Анализ полученных результатов в условиях вертикальных буровых скважин позволил рассчитать силы гидравлического сопротивления для разных скоростей выполнения спускоподъемных операций и разных каротажных приборов.

Проведено оценку контактных усилий и локальных напряжений изгиба в элементах бурильных колонн и колонн насосных штанг на искривленных участках с учетом силы растяжения и параметров искривления оси буровой скважины.

Разработан метод суммирования усталостных повреждений при широкополосном нагружении, который базируется на раздельном учете многочастотности и распределения амплитуд на отдельных частотах. Для его реализации разработан метод схематизации случайного процесса нагружения с учетом многочастотности процесса и распределения амплитуд во времени, который базируется на определении экстремумов при поэтапном сглаживании процесса путем замены восходящих размахов на их средние значения.

Разработан метод учета напряжений с высоким уровнем асимметрии цикла, в том числе с амплитудами напряжений, низшими за границу выносливости, при оценке долговечности с учетом кинетики усталостного повреждения. Для учета кинетики коррозионно-усталостного повреждения разработано четырехпараметрическое уравнение кривой коррозионной усталости.

Усовершенствован расчетно-экспериментальный метод оценки нагруженности ПЭСО с помощью индикаторов нагрузки, который дает возможность провести интегральную оценку нагруженности с выделением нескольких уровней напряжений и определением на каждом уровне эквивалентного количества их циклов.

Усовершенствован расчетно-экспериментальный метод оценки нагруженности и остаточного ресурса ПЭСО по результатам исследований натурных образцов с разной степенью накопленного коррозионно-усталостного повреждения.

Экспериментально исследовано накопление усталостных повреждений натурного образца бурильной трубы ТБВК 140 мм с замковым соединением 3-147 и коррозионно-усталостных повреждений насосных штанг с разным сроком эксплуатации. С помощью разработанных методов произведен расчет параметров кинетических кривых коррозионной усталости и остаточного ресурса насосных штанг после 8 годов эксплуатации.

Разработанные методики и средства внедрены в промышленности. В частности, разработаны и внедрены "Инструкция по расчету и выбору колонн насосных штанг", "Инструкция по обеспечению надежности бурильной колонны на искривленных участках скважины при комбинированном способе бурения", гидравлический динамограф с индукционным датчиком малых перемещений, устройство интегральной оценки нагружения геофизического кабеля.

Комплексный учет теоретических и экспериментальных исследований, которые базируются на закономерностях кинетики накопления коррозионно-усталостного повреждения подвижных элементов скважинного оборудования, в частности, бурильных колонн, геофизических кабелей, колон насосных штанг, сделал возможным усовершенствование методов расчета их долговечности и остаточного ресурса.

Ключевые слова: скважинное оборудование, схематизация нагрузки, коррозионно-усталостное повреждение, долговечность, остаточный ресурс.

Artym V.I. Scientific bases progressing of loading influencing estimation on durability of downhole equipment mobile members. - Manuscript. Thesis for a doctor's degree on technical sciences on the speciality 05.05.12 - Equipment for Oil and Gas Industry. - Ivano-Frankivsk National Technical University of Oil and Gas, Ivano-Frankivsk, 2008.

The thesis is dedicated to a solution of loading influencing problems on corrosion-fatigue damage accumulation of downhole equipment mobile members (DEMM) with the purpose for effective methods development of their durability and residual life evaluation.

The experimental researches of DEMM operation loading and local stresses of a flexure in members of drill columns and sucker rod string on curved leases are held. The method of DEMM fatigue damages summation at a broadband loading and applicable method of stochastic loading process schematization are designed. A method of the high-level skew stresses registration and four-parametric equation of a fatigue curve for the corrosive factor registration are designed at an estimation of DEMM durability. Experiment-calculated methods of DEMM loading estimation with the help of loading indicator both DEMM loading and residual life estimation by results of studies at full-scale model with miscellaneous stored corrosion-fatigue damage are improved. Findings of investigation are approved experimentally on DEMM full-scale samples.

The all-up registration idealized and experimental researches, which one are founded on legitimacies of corrosion-fatigue damage accumulation kinetics at downhole equipment mobile members, in particular, drill columns, geophysical cables, sucker rod string, has enabled to improve computational methods of their durability and residual life. The designed method of applications and facilities are inserted in an industry.

Keywords: downhole equipment, loading schematization, corrosion-fatigue damage, durability, residual life.

Страницы: 1, 2