Влияние нештатных напряжений на безопасность оборудования, контактирующего с сероводородсодержащими средами

• Автор: Чирков, Евгений Юрьевич
• Шифр специальности: 05.26.03, 05.02.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Оренбург
• Количество страниц: 223 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

1 ПОВРЕЖДЕНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ ДЕЙСТВИИ

НЕШТАТНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И СЕРОВОДОРОДСОДЕРЖАЩИХ СРЕД

1.1 Разрушения скважинного оборудования

1.1.1 Разрушение НКТ и муфты НКТ

1.1.2Разрушение переводника

1.1.3 Разрушение труб эксплуатационной колонны

1.1.4Разрушение гайки прижимной винта мультифазного насоса

1.2 Сероводородное растрескивание сварных соединений и деталей трубопроводов

1.2.1Разрушение сварных соединений трубопроводов

1.2.2Разрушение деталей трубопроводов
1.2.3Разрушение крепежа фланцевых соединений трубопроводов
1,2.4Разрушение штока задвижки трубопровода
1.2.5Разрушение переходного штуцера манометра
1.3 Разрушение патрубка теплообменника
1.4 Разрушения фонтанной арматуры
1.4.1 Разрушение крышки задвижки шиберной
1.4.2Разрушение крестовины
1.5 Анализ причин отказов фонтанной арматуры скважин АГКМ
Выводы по главе
2 КРИТЕРИИ И ТЕХНОЛОГИЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ФОНТАННОЙ АРМАТУРЫ
2.1 Анализ технологий восстановления безопасности фонтанной
арматуры после эксплуатации в сероводородсодержащих средах
2.2 Оценка методом анкетирования значимости критериев
восстановления безопасности фонтанной арматуры, бывшей в эксплуатации на АГКМ
2.3 Свариваемость - один из основных критериев восстановления безопасности фонтанной арматуры
2.4 Выбор режимов и отработка технологии восстановления безопасности фонтанной арматуры
2.5 Контроль восстанавливаемых корпусов
2.6 Механические и коррозионные испытания и металлографические исследования металла корпуса моноблока
2.6.1 Механические испытания
2.6.2Коррозионные испытания
2.6.3Металлографические исследования
Выводы по главе
3 НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ КОРПУСОВ ФОНТАННОЙ АРМАТУРЫ
3.1 Напряженно-деформированное состояние моноблока
3.2 Напряженно-деформированное состояние задвижки
3.3 Нештатные напряжения при коррозионных повреждениях фонтанной арматуры

3.4 Нештатные - остаточные напряжения в корпусе фонтанной арматуры
при наплавке металла на восстанавливаемые поверхности
Выводы по главе
4 ОЦЕНКА НЕШТАТНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ МОНТАЖЕ
ФОНТАННОЙ АРМАТУРЫ
4.1 Теоретическая оценка критических нагрузок при герметизации
восстановленной фонтанной арматуры
4.2 Определение фактического усилия затяжки гаек шпилек для
герметизации фонтанной арматуры
4.3 Теоретическая оценка напряжений в резьбовых соединениях
фонтанной арматуры
4.4 Определение нагрузочной способности резьбовых соединений моноблока
Выводы по главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1 - Форма анкеты для определения критериев восстановления
безопасности корпуса фонтанной арматуры
Приложение 2 - Результаты неразрушающего контроля корпусов
моноблока и задвижки фонтанной арматуры
Приложение 3 - Образцы для металлографических исследований
Приложение 4 - Твердость металла зоны ремонта
Приложение 4 -Рекомендации по технологии ремонта корпусов фонтанной арматуры из стали БбИМ, работающей в сероводородсодержащей среде

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Эксплуатация ряда нефтегазовых месторождений России осложнена вследствие наличия в добываемых продуктах сероводорода и других компонентов, агрессивных по отношению к металлу газопромыслового оборудования и опасных для жизни и здоровья персонала нефтегазодобывающих и перерабатывающих предприятий. В наиболее жестких условиях эксплуатируется фонтанная арматура (ФА), которая подвергается воздействию коррозионных рабочих сред высокого давления и коррозионных сред, применяемых для обработки скважин, повышающих вероятность развития процессов сероводородного растрескивания и отказов, ведущих к авариям с соответствующими последствиями. Обеспечение безопасности ФА является актуальной задачей в нефтегазовой отрасли, для решения которой необходимо разработать методы и установить критерии оценки восстановления безопасности ФА и условия её обеспечения конструктивно-технологическими мероприятиями, в том числе на стадиях ремонта и испытания (восстановления работоспособности). Особое значение приобретает разработка технологий восстановления повреждённых поверхностей корпусов ФА наплавкой коррозионно-стойкого металла с учётом возможного возникновения дополнительных не проектных (нештатных) и остаточных напряжений, исключение всевозможных концентраторов напряжений, разработка технологий сборки и монтажа оборудования, обеспечивающих минимальный уровень нештатных напряжений.
Объём и содержание исследований в данной работе определены паспортами специальностей научных работников (утв. приказом Минобрнауки России от 25 февраля 2009 г. №59):
05.26.03 Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовая отрасль) - в части изучения причин возникновения, закономерностей проявления и развития, методов и средств превентивного и текущего управления техногенными явлениями разрушительного и пожароопасного характера, сопровождающимися значительным ущербом (п. 12. «Разработка и совершенствование способов повышения безопасности производственного оборудования, технологических процессов, вспомогательных операций и условий труда работников»);
05.02.13 Машины, агрегаты и процессы (нефтегазовая отрасль) - в части теоретических и экспериментальных исследований и научно-технического обоснования новых эффективных методов и технологий проектирования, модернизации и ремонта агрегатов и узлов нефтегазового оборудования и их эксплуатации в нефтегазовой отрасли (п.7. «Разработка и повышение эффективности методов технического обслуживания, диагностики, ремонтопригодности и технологии ремонта машин и агрегатов в целях обеспечения надежной и безопасной эксплуатации и продления ресурса»).

Рисунок 1.20 - Напряженно-деформированное состояние металла патрубка
На рисунке 1.20 видно, что напряжения в правой части патрубка значительно выше, чем в левой. Наибольшие напряжения (розовый цвет) находится в зоне термического влияния сварного шва приварки фланца к патрубку и под ней. [89] Фланец обладает более высокой жесткостью по сравнению с трубой, к которой он приварен. Таким образом, место соединения трубы и фланца является концентратором напряжений. Именно в этом месте наблюдаются максимальные напряжения. Кроме того, зона максимальных напряжений совпадает с зоной термического влияния сварного шва патрубка и фланца. В зоне термического влияния сварного шва материал изменяет свои свойства, в частности, увеличивается твердость и, соответственно, хрупкость материала, что также способствует развитию трещин.
Сталь, из которой изготовлены патрубки, имеет минимальный предел текучести ат = 206МПа, фактический предел текучести от = 292МПа, для сероводородсодержащих сред коэффициент запаса прочности равен 2, тогда допускаемые напряжения равны [о] = ЮЗМПа.
Таким образом, расчеты подтверждают высказанное ранее предположение о том, что на патрубок действуют растягивающая сила и изгибающий момент под действием, которого патрубок изгибается выпуклостью в сторону опоры. [89]
Полученные при расчете значения нештатных напряжений в выпуклой зоне патрубка соизмеримы с допускаемым напряжением, пределом текучести и пороговыми напряжениями материала, что подтверждает выдвинутое предположения об основной причине разрушения патрубков теплообменников: