Блок индикаторов контроля интенсивности эрозии стенок фонтанной арматуры технологической обвязки газовых скважин

Полезная модель относится к измерительной технике эрозионного мониторинга, в частности к датчикам контроля скорости эрозии, и может быть применена для дистанционного долговременного контроля интенсивности эрозии внутренних поверхностей металлических стенок угловых деталей фонтанной арматуры газовых скважин, отводов, тройников и т.п. В процессе отбора природного газа в его высокоскоростной поток попадают механические примеси в основном в виде частиц песчано-глиняной смеси горной породы продуктивного пласта. В результате происходит абразивный вынос металла с внутренних стенок арматуры вплоть до их разрушения. Особенно критичны к эрозионному износу угловые детали технологической обвязки скважины - отводы, тройники стенки которых, расположены по нормали к вектору газовой атаки (Бирюков В.И. и др. Абразивное изнашивание газопромыслового оборудования. - М.: Недра, 1977). Непрерывный мониторинг скорости эрозии скважинной арматуры позволяет оптимизировать скорость отбора природного газа из пласта и увеличить сроки межремонтного периода технологической обвязки скважины (Система и способы обнаружения и мониторинга эрозии, патент RU №2562295 С2, Е21В 47/10, опубл. 10.09.2015). Система мониторинга включает в себя датчики эрозии в виде блока индикаторов, устройство мониторинга, оборудованное аппаратурой телеметрической передачи данных на устройство анализа и контроля, имеющее обратную связь управления, например, по оптимальному регулированию скорости отбора газа. На истощенных скважинах маневр регулирования скорости отбора ограничен от оптимальных (порядка 20 м/сек) к требуемым. Для поддержания дебита скорость отбора газа увеличивают (до 40 м/сек), что вызывает деформацию пласта, его интенсивное разрушение и повышенный вынос песка газовым потоком, вплоть до лавинных выбросов. При этом эрозионное истончение стенок поворотных участков технологической обвязки скважины резко увеличивается до критических толщин по прочностным показателям для сосудов высокого давления. Известен ряд металлических датчиков разрушения для контроля износа трубопроводов, путем мониторинга изменения электросопротивления чувствительного индикаторного элемента, различающихся только по физическому принципу их разрушения: электрохимическому (коррозия) и механическому (эрозия).
Известны и широко используются резистивные индикаторы эрозии/коррозии (см. www.metalsamples.com), которые являются основными диагностическими элементами системы мониторинга интенсивности эрозии/коррозии. Данный вид датчиков предназначен для контроля среднестатистической скорости механической эрозии с выносом металла стенок трубопроводной арматуры, наравне с контролем скорости электрохимической коррозии. Принцип работы резистивных индикаторов заключается в определении скорости эрозии посредством измерения электрического сопротивления рабочего чувствительного элемента датчиков: стальной фольги, напыленного металлического слоя, проводников в виде петли или стержня (примеры на фиг. 1). Рабочий элемент датчика помещается в поток газа с абразивными частицами внутри трубопроводной арматуры в местах повышенного выноса металла. В процессе эрозии толщина/диаметр чувствительного элемента уменьшается и, соответственно, увеличивается его электрическое сопротивление. По изменению сопротивления датчика в схеме измерения, например, включенного в полумост, контролируют величину эрозии/ коррозии стенок арматуры.
При простоте конструкции резистивных датчиков общими недостатками являются относительно небольшой срок службы, низкая достоверность оценки (измерения) интенсивности эрозии, техническая сложность контроля скорости эрозии, так как стальной чувствительный элемент имеет малое сопротивление сопоставимое с погрешностью его измерения серийно выпускаемыми приборами. Так в процессе эрозионного локального разрушения датчика, его сопротивление начинает резко и нелинейно возрастать от тысячных долей Ома до нескольких Ом в момент предразрушения. Кроме того, резистивный датчик дает низкую степень достоверности по корреляционной зависимости реальной физической эрозии толщины стенки арматуры и кинетикой измерения сопротивления из-за малой площади охвата абразивного потока его одиночного рабочего элемента. По этой же причине место расположения одиночного чувствительного элемента датчика может не соответствовать зоне максимальной абразивного воздействия на стенки арматуры, что ведет к несоответствию метрологической калибровки его разрушения и реальному физическому износу металлических стенок фонтанной арматуры.
3
Известен датчик контроля абразивного износа трубопроводов (АС №815596, М.Кл. G01N 3/56, опубликовано 25.03.1981 г.) с индикатором, выполненным в виде иглообразного электрода в электроизоляционной втулке, с узлом фиксирования на внешней поверхности контролируемого трубопровода. Электрод помещен на определенную глубину в массив стенки трубы и по мере ее сквозного разрушения, по достижению торцевой поверхности электрода, поступает сигнал о разрушении стенки. При всей простоте точечного датчика он не охватывает всю зону эрозии под воздействием абразивного потока (на фиг. 4а показано стрелками), а выбор места его установки на наружной поверхности соединительной арматуры в месте максимальной абразивной атаки в зоне А-Б фиг. 4а сложно предугадать. Увеличение количества точечных датчиков в предполагаемых местах максимального абразивного выноса металла ведет к дополнительной перфорации стенок угловой поворотной части арматуры и уменьшению эксплуатационной надежности трубопровода в целом.
Известен блок индикаторов скорости коррозии подземных металлических сооружений (Пат. РФ №2161789 С2, МПК G01N 17/00, G01N 27/30, опубл. 10.01.2001 г.), принятый за прототип. Блок индикаторов содержит не менее трех чувствительных элементов в форме металлических пластин (отрезков проволоки) различной толщины и шириной не более 2 мм, расположенных параллельно к друг другу в виде плоской решетки и присоединенных одним концом к контрольной пластине. Внутренняя поверхность индикаторов изолирована антикоррозийным покрытием. К противоположным концам индикаторов присоединены контрольные проводники с указателями скорости коррозии. Все пластины изготовлены из того же материала, что и контролируемое подземное сооружение и вмонтированы в диэлектрический корпус. Контрольная пластина присоединяется к подземному металлическому сооружению. Путем периодического измерения электропроводимости каждой цепи «индикатор-трубопровод» определяется момент разрушения каждого конкретного индикатора определенной толщины 0,3; 0,4; 0,5 мм. Сущность метода, реализуемого данным устройством, заключается в том, что с помощью набора пластин оценивают среднюю скорость коррозии при отсутствии электрохимической защиты трубопровода от момента установки индикаторов до потери продольной электропроводности пластин в результате коррозии. В отличии от одиночного индикатора определенной толщины/диаметра, блок индикаторов за счет геометрического набора разрушаемых чувствительных элементов позволяет повысить надежность диагностирования коррозионного состояния наружной поверхности сооружения. Конструкция блока индикаторов коррозии не предназначена для использования в качестве датчика эрозии.
Кроме того, калибровка указателей коррозии производится из допущения, что скорость разрушения чувствительных элементов блока индикаторов коррозии совпадает с величиной скорости разрушения контролируемой конструкции, так как оба изделия находятся в одинаковой среде грунтового электролита. То есть калибровочный коэффициент корреляционной зависимости разрушения индикатора и контролируемой стенки конструкции равен единице. Для датчика эрозии такое утверждение не допустимо, так как индикаторы блока и внутренняя криволинейная поверхность трубной арматуры находятся под разными углами атаки газоабразивного потока (см. Фиг. 4а) и калибровочная зависимость разрушения индикаторов Δd и стенки Δh носит нелинейный характер (фиг. 2). Так как общим метрологическим параметром для металла конструкции и чувствительных элементов является твердость материалов, целесообразно изготавливать рабочие элементы блока индикаторов эрозии из металлов близких по твердости или одной и той же марки стали, что и арматура. При этом разброс твердости материала металлопроката зависит от его структуры и может быть предварительно скорректирован термообработкой.
Целью заявленной полезной модели является повышение точности контроля интенсивности эрозии стенок в местах поворота фонтанной арматуры технологической обвязки газовых скважин и надежности диагностирования эрозионного состояния ее внутренней поверхности по фактической толщине. Цель достигается путем конструктивных особенностей датчика эрозии с пространственным расположением чувствительных элементов блока индикаторов с охватом газоабразивного потока; оптимального выбора месту монтажа в зонах максимальной интенсивности эрозии стенок арматуры; предварительной калибровкой индикаторов по корреляционной зависимости уменьшения толщины металла стенок от убыли поперечного размера набора индикаторов при их абразивной обработке и повышением чувствительного схемы измерения изменений силы тока при абразивном износе индикаторов. Индикаторы калибруются таким образом, что момент разрушения каждого определенного индикатора блока соответствует фактическому уменьшению толщины стенок контролируемой арматуры.
В свою очередь, состояние износа индикаторов контролируется путем мониторинга изменения электропроводности измерительной цепи в момент разрушения индикатора. По сравнению с аналогами, схема измерения построена не на контроле плавного незначительного изменения силы тока через собственное сопротивление определенного индикатора эрозии в процессе его разрушения, в данном техническом решении им пренебрегается, а на факте разрушения индикатора, выполняющего роль механического ключа размыкания цепи, в которой включено балластное сопротивление. При этом по мере разрушения каждого индикатора блока сила тока в схеме измерения изменяется ступенчато.
Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение точности и достоверности контроля интенсивности эрозии стенок поворотной трубопроводной арматуры технологической обвязки газовых скважин за счет выбора оптимального места монтажа блока индикаторов на поверхности арматуры и его ориентации как по отношению к направлению движения газоабразивного потока, так и к зоне максимальной эрозии стенки арматуры, конструктивных особенностей блока индикаторов, наиболее полно охватывающей газоабразивный поток, предварительной калибровкой каждого индикаторного стержня и эталонной пластины при пескоструйной обработке и увеличения чувствительности схемы измерения путем последовательного включения балластных электросопротивлений, расположенных вне эрозионной среды на внешней поверхности арматуры, к каждому стержневому, что позволяет пренебречь их собственными сопротивлениями и рассматривать только как механические ключи размыкания измерительных цепей.
Технический результат достигается тем, что блок индикаторов контроля интенсивности эрозии стенок фонтанной арматуры технологической обвязки газовых скважин, выполненный в форме плоской решетки, содержащей не менее трех металлических стержней разных диаметров, выполняющих функции индикаторов эрозии, изготовленных из того же материала, что и контролируемое сооружение, каждый из которых соединен одним концом на общей металлической пластине, а к противоположным концам присоединены контрольные проводники с указателями размеров индикаторов, особенностью является то, что
решетка имеет длину не менее радиуса и ширину не менее половины радиуса поперечного сечения трубной арматуры, ее плоскость ориентирована перпендикулярно к вектору движения газоабразивного потока транспортируемого газа и расположена внутри арматуры так, чтобы ось симметрии решетки в проекции на внутреннюю поверхность стенки совпадала с огибающей линией поворотной части стенки арматуры, тем самым перекрывая всю зону повышенной эрозии от вершины изгиба стенки длиной не менее радиуса и шириной не менее половины радиуса,
каждый индикатор предварительно калибруется пескоструйной обработкой стержней в виде графика зависимости абсолютного уменьшения толщины стенки арматуры от убыли диаметра стержня, и дополнительно к контрольным проводникам присоединены балластные электросопротивления, не подвергаемые износу, соединенные между собой параллельно в измерительной схеме силы тока так, что по мере полного эрозионного разрушения индикаторов параметры измерительной цепи изменяются ступенчато.
Полезная модель поясняется иллюстрационными материалами: на фиг. 1 представлен набор типовых датчиков эрозии/коррозии с одним чувствительным элементом; на фиг. 2 представлен калибровочный график зависимости уменьшения толщины стальной пластины Δh (пунктир) от убыли поперечного сечения стержня Δd - чувствительного элемента блока индикаторов; на фиг. 3 (а,б,в) представлен эскизный чертеж индикаторного блока в сборе с пространственным расположением стержней разных диаметров в виде плоской решетки (3а), «беличье колесо (3б) и фотография изготовленного образца блока индикаторов для проведения испытания (3в); на фиг. 4(а,б,в) схематически представлена зона А-Б максимального воздействия газоабразивного потока на стенки 90° углового отвода (на фиг. 4а стрелками показано направление потока газа); на фиг.4б - место установки и ориентация блока индикаторов на поверхности 90° углового отвода (т.А); на фиг. 4в представлен чертеж монтажа блока индикаторов в сборе на стенке угловой арматуры и вид блока в разрезе с расположением стержней по нормальной составляющей к газоабразивному потоку и исключением их взаимной экранировки (на фиг. 4в вектор потока не показан и направлен перпендикулярно листу); на фиг. 5 представлена схема внешнего подключения блока индикаторов эрозии с использованием напряжения питания станции электрохимический защиты арматуры скважины; на фиг. 6 приведена зависимость убыли толщины Δh стенки отвода П90-114X8 Ст. 3 от времени t её газоабразивной обработки в контрольных точках на вершине изгиба отвода ( - в кт. 7; •- в кт. 8;), показанных на фиг. 7; на фиг. 8 представлена фотография этапа калибровки индикаторов при одновременной пескоструйной обработке стержневых индикаторов и эталонной стальной пластины, расположенных под 90° и 45° соответственно к направлению газоабразивного потока, что соответствует абразивному выносу металла в угловом 90° отводе; на фиг. 9 приведена фотография индикаторных стержней после 110 сек абразивной обработки с разрушенным стержнем ∅1,5 мм; на фиг. 10 приведен калибровочный график зависимости абсолютного уменьшения толщины эталонной стальной пластины Δh и убыли поперечного размера стального стержня Δd от времени газоабразивной обработки:  - диаметр стержня d=1,5 мм,  - d=3,0 мм, ♦ - стальная пластина h=4,0 мм; фиг. 11 приведен калибровочный график зависимости относительного уменьшения толщины эталонной стальной пластины Δh и убыли поперечного размера стального стержня Δd от времени газоабразивной обработки:  - диаметр стержня d=1,5 мм,  - d=3,0 мм, ♦ - стальная пластина h=4,0 мм; на фиг. 12 представлена электрическая схема измерения блока индикаторов в виде полумоста, справа находится автоматический цифровой измеритель тока; фиг. 13 изображен график ступенчатый зависимости изменения силы тока на измерительной схеме (фиг. 12) при последовательном разрушении стержней блока индикаторов в процессе газоабразивной обработки; на фиг. 14 приведен усредненный по 10 образцам график зависимости относительного уменьшения толщины стенки ε отвода марки П90-114X8 Ст.3 от относительной убыли поперечного размера индикаторных стержней блока δ при их абразивной (пескоструйной) обработке:  - убыль толщины индикаторов ∅ 0,5÷1,5 мм;  - соответственно ∅ 3÷4 мм.
Блок индикаторов контроля интенсивности эрозии стенок фонтанной арматуры в форме плоской решетки и «беличье колесо», фиг. 3а и 3б соответственно, смонтированный в т.А (фиг. 4б) на внешней поверхности стенки 1 углового 90° отвода (фиг. 4в), состоит из индикаторов 2, 3, 4 в виде сборки набора проволочных стержней разного диаметра, на фиг. 4в их показано три, которые с одного конца прикреплены к общей пластине 5, а противоположные концы соединены с контрольными проводниками 6, например, точечной сваркой; корпуса блока в виде болтовой муфты 7, содержащей в верхней части резьбовой крепежный узел 8 с болтовой головкой, имеющей сквозное отверстие 9 для вывода наружу контрольных проводников 6 на клеммы соединительной колодки 10. Узел 8 предназначен для крепления блока индикаторов на стенке 1 трубной арматуры через приваренную к ней втулку 11, имеющую ответную резьбу и эластичную уплотнительную шайбу 12, например из фторопласта Ф-4. Сборка индикаторов 2, 3, 4 помещена в нижнюю цилиндрическую часть корпуса 7, контрольные проводники 6 выведены через отверстие 9 и все вместе запрессованы диэлектрическим материалом 13, например, эпоксидным компаундом. Для беспрепятственного погружения рабочей части блока индикаторов внутрь отвода 1 диаметр корпуса 7 не должен превышать внутренний диаметр втулки 11, а, в свою очередь, ширины решетки в сборе из индикаторов 2, 3, 4 и пластины 5, диаметра корпуса 7. Для необходимого охватывания газоабразивного потока длина стержней индикаторов 2, 3, 4 должна быть больше внутреннего радиуса отвода 1. Контрольные проводники 6 промаркированы с указанием диаметров индикаторных стержней 2. 3, 4 на клеммах колодки 9 и помещены в корпус соединительной коробки для наружного монтажа во взрывозащищенном исполнении (на фиг. 4в не показана, см. слева на фиг. 3б). С целью предотвращением взаимной экранировки индикаторных стержней от воздействия абразива, для правильного монтажа плоскости решетки индикаторов 2, 3, 4 нормально к вектору газоабразивного потока, на болтовой головке крепежного узла 8 нанесена механическая риска-указатель ориентации плоскости решетки, например, в виде шлица, линия горизонта которого, совпадает с линией горизонта решетки (на фиг.4в не показана). Точная регулировка ориентации решетки из деталей 2, 3, 4, 5 по отношению к вектору газоабразивного потока осуществляется за счет деформации упругой уплотнительной шайбы 12 и, если этого недостаточно, дополнительной установкой шайб. Для повышения точности контроля интенсивности эрозии путем увеличения количества индикаторных стержней и одновременным сохранением компактности конструкции сборки блока индикаторов рабочая часть выполнена в виде объемной решетки типа «беличье колесо» фиг. 3б, 3в. При этом пластина 5 имеет форму круглой шайбы, а размещение на ней индикаторных стержней 2, 3, 4 осуществляется ассиметрично таким образом, чтобы они не экранировали друг друга относительно вектора воздействия газоабразивного потока.
На фиг. 5 приведен пример внешнего подключения блока индикаторов эрозии 14 контролируемого отвода 1 в составе надземной части фонтанной арматуры 15 с использованием штатной станции катодной защиты (СКЗ) 16 с глубинным анодным заземлителем 17 и блока управления и контроля (БУиК) скважины 18, в котором размещен измерительный полумост схемы контроля изменений силы тока в цепях индикаторов блока (фиг. 12) и устройство телеметрической передачи данных на пульт оператора месторождения.
Приведен пример поэтапной работы полезной модели для контроля интенсивности эрозии стенок 90° отвода марки П90-114X8 Ст. 3 в следующей последовательности: определение места оптимального монтажа индикаторов эрозии; калибровка стержневых индикатор эрозии блока пескоструйной обработкой; определение корреляционной зависимости между физическим износом стенок отвода и убылью металла чувствительных элементов блока индикаторов эрозии в сборе при воздействии газообразивного потока с одновременной регистрацией интенсивности эрозии стенок на схеме измерения.
Сначала, для определения места оптимального монтажа блока индикаторов эрозии, были проведены испытания четырех 90° отводов марки 114X8 Ст. 3 по определению мест максимального эрозионного износа стенок арматуры.
Конструкция испытательной установки отводов позволяет локализовать газоабразивную обработку внутренних поверхностей образцов, и располагать их на неизменном расстоянии от сопла пистолета пескоструйного аппарата.
3
Сопло ∅6,5 мм пескоструйного аппарата (производительность 6,3 м/мин, давление 6 атм, скорость потока 35 м/с) располагается в торцевой части отвода и абразивный поток на выходе из сопла нормален к торцевой поверхности отвода, что повторяет характер движения газоабразивной среды в промысловом трубопроводе технологической обвязки скважин. В качестве абразива используется купершлак, абразивный порошок с острой угловой формой, получаемый из гранулированных шлаков медеплавильного производства, с фракционным составом гранул в пределах 02-2.4 мм и твердостью по Моосу не менее 6 ед. Тем самым создается постоянная плотность абразивного потока в одной и той же области внутренней поверхности образцов. На выпуклой внешней поверхности каждого отвода выбирается образующая линия, на которой отмечались по 14 (на фиг. 4а и фиг. 7 контрольные точки кт. 1-14) контрольных точек измерения толщины стенки в процессе газоабразивного воздействия на нее. Измерения толщины стенок отводов выполняются с помощью прибора ультразвуковой толщинометрии УД2В-П.
Газоабразивное воздействие на внутреннюю поверхность отвода производилось в девять этапов с продолжительностью по времени согласно данных в таблице.
После каждого этапа воздействия измерялась толщина стенки отводов. По результатам этих измерений оценивались убыль толщины стенки отводов и изменения рельефа их внутренней поверхности вплоть до полного разрушения (9-й этап). Движение газоабразивного потока в отводе направлено от контрольной точки кт. 1 к точке кт. 14 (фиг. 4а). В этом же направлении ведется отсчет координаты их положения.
После первых 30 секунд обработки на внутренней поверхности отвода между кт.6 и кт.9 наблюдается область износа материала с эпицентром между кт. 7 и кт. 8. Дальнейшая обработка в течение 150 сек (этап №2-4) не изменила ее размеры. Заметная убыль толщины стенки наблюдается после 240 секунд (на этапе №6) газоабразивного воздействия, при этом площадь изнашиваемой поверхности осталась практически неизменной. На фиг. 6 приведена зависимость убыли толщины Δh стенки отвода №3 со временем t ее газоабразивной обработки:  - в кт.7 • - в кт. 8.
У всех испытуемых образцов координаты контрольных точек, где происходит максимальный износ стенок отводов и образовались сквозные разрушения (фиг. 7), расположены в одной в области между кт. 7÷9 фиг. 4а, в виде узкой полосы, что соответствует положению зоны максимальной эрозии в вершине изгиба отводов (касательной к образующей поверхности под углом 45° к горизонту). Проведенные микроструктурные исследования в области максимальной эрозии поверхности, подтверждают известный из литературы факт, что природа разрушения имеет ударно-истирающий характер и зависит от угла атаки газоабразивного воздействия; угол атаки в зоне максимальной эрозии между кт. 7-9 составляет 20÷30°.
Таким образом, по результатам начального этапа испытаний был сделан вывод: для повышения достоверности и информативности состояния контролируемой внутренней поверхности арматуры оптимальный монтаж блока индикаторов эрозии на внешней поверхности отвода (т.А фиг. 4б) выполняется таким образом, чтобы перекрыть зону максимальной эрозии внутренней поверхности в районе вершины изгиба отводов (между кт. 7÷9), при этом индикаторы блока должны располагаться по нормали к вектору газообразивного потока, а их длина, длина погруженных стержней внутрь отвода, должна превышать его радиус. Выполнение этих условий позволяет смоделировать близкие условия газообразивного воздействия как на индикаторы, так и на поверхность стенки отвода.
Следующим этапом осуществляют калибровку чувствительных элементов блока индикаторов, металлических стержней, для получения зависимости абсолютного уменьшения толщины эталонной стальной пластины, моделирующей стенку арматуры, и убыли поперечного сечения стержней фиг. 8. Использовалось пескоструйное оборудование и приборное обеспечение аналогичное начальному этапу испытаний, указанному в описании выше.
С этой целью были подготовлены 4 образца, стальные пластины марки Ст. 3 размером 100×150×4 мм, на которые устанавливалось по два стержня диаметром 1,5 мм и 3,0 мм той же марки стали, совпадающей с маркой материала, контролируемого трубного отвода. Рабочая область датчиков, подвергаемая пескоструйному воздействию, моделирующему газоабразивный поток на газовой скважине, имеет изогнутую часть в виде равнобедренного треугольника с углом при вершине 90°, то есть по нормали к вектору потока. Эталонные пластины с закрепленными на них стержнями, устанавливают в специальном приспособлении так, что их плоскость составляет угол в 45° относительно горизонта (фиг. 8). Газоабразивный поток направляют по нормали к индикаторным стержням и под углом в 45° к поверхности пластин, что соответствует оптимальному углу атаки 22,5° (45°/2), то есть в диапазоне углов атаки 20-30° газоабразивного потока соответствующих максимальной эрозии (в кт. 7-9, фиг. 3а, как указано выше). Сопло ∅6,5 мм пескоструйного аппарата располагали на расстоянии 100 мм от центральной части образцов, где располагают рабочие части изогнутых стержней. При таком расположении сопла и пластинчатых образцов пучок абразива атакует поверхность пластин под углом атаки в 22,5° и одновременно по нормали воздействует на изогнутую часть стержней обоих диаметров, что позволяет смоделировать движение и одновременное воздействие газоабразивной смеси на внутреннюю поверхность отвода работающего трубопровода и, расположенные внутри него, чувствительные элементы блока индикаторов эрозии. Воздействие потока абразива на образцы осуществляется поэтапно, с интервалом по 10 сек, вплоть до полного разрушения стержней. Каждый раз после поэтапного воздействия измерялись толщина пластины микрометром МК 75-100 и поперечные размеры стержней в зоне воздействия штангенциркулем электронным ШЦЦ-II-250 (фиг. 9 приведена фотография образца при 110 сек. воздействии). Обработанные данные измерения приведены на фиг. 10 и фиг. 11 в виде калибровочных графиков зависимости абсолютного уменьшения толщины стальной пластины Δh (h=4 мм) и диаметра стержней (d=1,5 и 3,0 мм) Δd и, соответственно, относительного уменьшения толщины стальной пластины ε и индикаторных стержней δ от времени их газообразивной обработки.
Как видно в течение первых 257 секунд газоабразивной обработки образца убыль толщины стальной пластины и индикаторов эрозии происходит практически по линейному закону. Следовательно, в течение этого периода скорость (интенсивность) их изнашивания оставалась постоянной. По истечении этого интервала времени произошло разрушение обоих стержней. К моменту разрушения стержней толщина пластины составила 2,82 мм, а износ 1,18 мм.
и
и
и
и
и
-3
-1
-3
-1
-3
-1
-3
-1
Скорость изнашивания К стержней и обрабатываемой поверхности определяется по углу наклона указанных зависимостей. При их сравнении установлено, что в интервале времени обработки образца в 257с наибольшая скорость износа стержня d3 мм составляет К ~11⋅10 мм⋅с (d1,5 мм - К ~7⋅10 мм⋅с), а наименьшая у стальной пластины (К ~5⋅10 мм⋅с). В течение следующего, после разрушения стержней, интервала времени обработки образца, скорость износа стальной пластины возросла до значения К ~22⋅10 мм⋅с. Рост скорости изнашивания пластины обусловлен изменениями искривлений ее поверхности вплоть до образования «впадины» на месте падения пучка абразива и увеличением ее шероховатости, проявляющихся по мере абразивной обработки за счет увеличения истирающего эффекта воздействия. Аналогично, для полной комплектации блока, проводится калибровка стержневых индикаторов эрозии других требуемых диаметров. Калибровка индикаторов для контроля эрозии стенок других типов фонтанной арматуры, имеющих иной угол поворотного участка, осуществляется аналогичным образом, при этом угол атаки пескоструйного потока на эталонную пластину должен соответствовать углу поворота арматуры. Далее, определяется корреляционная зависимость между физическим износом стенок отвода и убылью металла чувствительных элементов блока индикаторов эрозии в сборе при воздействии газообразивного потока с одновременной регистрацией степени интенсивности эрозии стенок на схеме измерения.
Предварительно, в стенке сертифицированного отводы трубопроводов П90-114X8 Ст. 3, далее отвода 1, сверлят отверстие в точке А (фиг. 4б), расположенной на расстоянии не менее 50 мм от вершины изгиба - ближайшей поверхности атакуемой внутренней стенки для предотвращения возможного отражения частиц абразива при ударе об нее и обратного воздействия на индикаторные стержни, и с внешней стороны стенки вваривают втулку 11, как показано на фиг. 4б и 4в, соблюдая требования ГОСТ Р 52627-2006 при монтаже сопрягаемых деталей сосудов высокого давления. Во втулку 11 укладывают уплотнительное кольцо 12 из фторопласта Ф-4 и вкручивают болтовую часть 8 корпуса 7 блока индикаторов в сборе (фиг. 4в) с плоской решеткой (фиг. 3а) с длиной стержней 80 мм, ∅ 0,5; 1,0; 1,5; 3,0 и 4 мм. Плоская решетка 2, 3, 4 ориентируется в горизонтальной плоскости, по нормали к вектору движения газоабразивного потока, положением шлица на болтовой головке 8 и погружается внутрь отвода 1 на всю длину 80 мм, чтобы перекрывать зону максимальной эрозии стенки 1, расположенную в области вершины изгиба отвода (кт. 7-9 на фиг. 4а). Тонкая регулировка положения решетки по отношению к нормали газообразивного потока осуществляется за счет упругой деформации уплотнительной шайбы 12 и, при необходимости, добавлением количества шайб. Объемная решетка типа «беличье колесо» не требует ориентационной регулировки по отношению к вектору газоабразивного потока.
Контрольные проводники 6 с одной стороны присоединяют к клеммам соединительной колодки 10, на которой указаны диаметры индикаторов блока 2, 3, 4, а с другой стороны - соединительные линии приборного блока контроля интенсивности эрозии в составе полумостовой схемы измерения фиг. 12 и цифрового измерителя тока 18 на фиг. 5.
Следующим этапом, проведены испытания десяти 90° отводов 114X8 Ст. 3 одновременного воздействия газоабразивного потока на индикаторные стержни блока как в плоском, так и объемном исполнении, и внутреннюю стенку отвода с использованием оборудования, приборного обеспечения и методики, описанных выше при калибровке чувствительных элементов с созданием постоянной плотности абразивного потока в одной и той же области внутренней поверхности отводов.
Газоабразивное воздействие на внутреннюю поверхность стенки отвода вплоть до образования сквозного отверстия (свища), производились поэтапно: по мере разрушения каждого стержневого индикатора измерялась толщина стенки отвода с помощью прибора ультразвуковой толщинометрии УД2В-П.
При этом фиксировалось продолжительность времени воздействия до момента разрушения каждого индикатора и соответственно измерялось изменение силы тока в полумостовой схеме измерения (фиг. 12). На осциллограмме цифрового измерителя тока (фиг. 13) видно, что, по мере разрушения каждого из стержней, сила тока изменяется ступенчато с резким ростом амплитуды сигнала, вполне достаточным, чтобы достоверно фиксировать момент разрушения определенного по диаметру индикатора и по калибровочной зависимости определять соответствующую глубину эрозии стенки соединительной арматуры.
стенки
стержня
На фиг. 14 приведены усредненные результаты обработки данных испытаний десяти отводов: зависимость относительного уменьшения толщины стенки 90° отвода ε от относительной убыли поперечного размера индикаторных стержней δ согласно калибровочным кривым (фиг. 10 и 11) при абразивной (пескоструйной) обработке:  - убыль толщины индикаторов ∅0,5÷1,6 мм;  - соответственно ∅ 3÷4 мм. Полученные результаты показывают, что для соединительной арматуры в виде 90° отводов, зависимость носит линейный характер и относительное уменьшение толщины стенки отвода в момент разрушения стержневых индикаторов блока составляет 28-35% от их диаметра. Таким образом, с учетом требований по надежности и достоверности контроля (мониторинга) состояния стенок сосудов высокого давление, следует принять наибольший калибровочный коэффициент стержневых индикаторов блока: ε=0,35 δ.
Питание схемы измерения блока индикаторов и передача данных ступенчатого оповещения состояния стенок фонтанной арматуры производится от шкафов управления и автоматизации, размещенных в близи скважин. Дистанционный мониторинг состояния износа стенок под воздействием газоабразивного потока предлагаемым блоком индикаторов эрозии позволяет исключить аварийные ситуации, связанные с разрушением стенок фонтанной арматуры, достоверно и своевременно принять решение по проведению детальной ультразвуковой диагностики арматуры на месте ее монтажа с целью проведения ремонтно-восстановительных работ. Кроме того, предлагаемая полезная модель по контролю интенсивности эрозии стенок арматуры позволяет выполнять опытно-конструкторские разработки по оценке эффективности нанесения различных защитных покрытий на внутренние стенки поворотной части фонтанной арматуры, отводов магистральных трубопроводов, что и было выполнено авторами.