Анализ методов диагностики насосных штанг

НАСОСЫ

A.B. Маляревский, РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина

анализ методов диагностики насосных штанг

В последние годы в нефтяной промышленности Российской Федерации постоянно возрастает действующий фонд механизированных скважин, из которых более половины составляют скважины, оборудованные штанговыми скважин-ными насосами.

Эксплуатация таких скважин связана с целым рядом осложнений, которые часто приводят к авариям со штангами. Штанги - одно из основных звеньев в штанговых насосных установках, и от их надежности и долговечности зависит величина добычи нефти и ее себестоимость при эксплуатации скважин штанговыми насосными установками. На надежность и долговечность насосных штанг влияют (снижают эти показатели) такие параметры, как инклино-метрия, асфальто-смолопарафиновые отложения (АСПО), механические примеси, коррозионный состав среды, динамические нагрузки и т.д. Рост числа аварий, приходящихся на штанговые колонны, указывает на необходимость контроля состояния штанг, что позволит уменьшить их аварийность, а иногда и предупредит ее. Анализ обрывов и осмотр новых штанг показал, что причинами аварий часто являются заводские дефекты изготовления (волосовины, пористость, продольные трещины, отслаивание металла, неправильная геометрическая форма, несоосность головки и тела штанги, различие характеристик стали по паспорту и по факту). Большую часть обрывов можно предупредить своевременным обнаружением начала зарождения усталостных макротрещин, контролируя состояние штанги в ходе проведения спуско-подъемных операций. Для выявления всех вышеперечисленных дефектов наиболее эффективны-

ми являются электромагнитные методы дефектоскопии, которые будут рассмотрены ниже [4].

1) Феррозондовый метод Обнаружение поверхностных трещин и волосовин осуществляется путем регистрации поля возмущения от дефектов преобразователем -феррозондом, обладающим высокой чувствительностью к магнитным полям напряженностью от 10-4 до 104 А/м.

Анализ конструкций феррозондовых дефектоскопов и их технических характеристик показал, что существенные недостатки эксплуатации этих приборов - необходимость высокой чистоты обработки контролируемого изделия. Феррозондовые дефектоскопы используются для контроля деталей в форме тел вращения Применение дефектоскопов с вращающимися ферропреобразователями возможно для изделий постоянного сечения и связано с устройством контактного токосъема, что в условиях нефтепромыслового при наличии взрывоопасных газов и нефти совершенно недопустимо.

2) Токовихревой метод

Одной из разновидностей электроиндуктивного метода является метод «вихревых токов». Он основан на возбуждении в испытуемом участке с контролируемого изделия вихревых токов и на исследовании обратного действия этих токов на возбуждающую или какую-либо другую (вторичную) катушку. На величину и характер распределе-

ния вихревых токов оказывают влияние такие факторы, как электропроводимость и магнитная проницаемость материала контролируемых изделий, их размеры и форма, расстояние между поверхностью изделия и возбуждающей катушкой преобразователя и частота возбуждаемого поля. Результаты контроля зависят также от наличия скин-эффекта, ограничивающего глубину контроля, и неоднородности магнитной структуры материала изделий, вызванной неравномерной термообработкой, сжатием, растяжением, кручением и т.д. Подобные явления также характерны для условий изготовления и эксплуатации насосных штанг. Все эти так называемые переменные мешающие факторы часто оказывают значительно большее влияние на выходной сигнал, чем выявляемый дефект. Токовихревой метод и электроиндуктивные приборы нашли большое практическое применение во многих областях машиностроения и используются для контроля проволоки, прутков, труб и других форм протяженных изделий постоянного сечения, обнаружения усталостных трещин, для измерения диаметров и геометрических размеров труб и цилиндров (как из ферро-, так и неферромагнитных материалов), контроля технического состояния деталей. Необходимо отметить, что штанги по всей длине покрыты окалиной, небольшими углублениями, коррозионными раковинами, мало влияющими на их прочностные свойства, но при исполь-

надежные насосные системы

ВЫ ДЕРЖИТЕ СВОЕ СЛОВО МЫ - ВАШЕ!

гу

Аква Сервис

flow line

ООО «АКВА СЕРВИС»

г. Москва, ул. Академика Варги, д. 1 Тел.: (495) 424-37-22, Факс: (495) 424-30-44 E-mail: info@promnasos.ru

www.promnasos.ru

ОФИЦИАЛЬНЫЙ ДИЛЕР GRUNDFOS

www.grundfos.com/ru

НАСОСЫ

зовании токовихревого метода индикатор может фиксировать эти места как дефектные. Это показывает, что применять токовихревые методы для контроля насосных штанг не представляется возможным без их существенной модернизации.

3) Ультразвуковой метод

В настоящее время ультразвуковая дефектоскопия находит практическое использование для контроля качества нефтепромыслового оборудования. Так, разработаны способы контроля, для:

• Обнаружения дефектов в резьбовых участках замков и переводников бурильных труб, ввиду того, что 85-90% аварий со стальным бурильным инструментов вызвано усталостным разрушением в этих местах [2].

• Отбраковки штанг, выявления дефектов внутри тела штанги, усталостных поверхностных трещин, проверки резьбовой части [5].

В лабораторных условиях было установлено, что во всей области глубины дефектов выявляемость дефектов с помощью ультразвука не превышает 50% по сравнению с магнитоиндукционным методом. Многочисленные дефекты глубиной 0,3 до 0,6 мм не обнаруживаются вообще. Даже глубокие дефекты (0,9 мм) выявляются только на 18%. При этом необходимо отметить, что условия лабораторных исследований достаточно далеки от практического приложения данного метода к контролю штанг непосредственно на нефтепромыслах, так как в реальных условиях поверхность штанг покрыта слоем окалины, нефтью, парафином, продуктами коррозии и т.д. Неудовлетворительное обнаружение поверхностных дефектов ультразвуковым методом обусловлено геометрией дефектов, углом их залегания к поверхности.

4) Магнитоиндукционный метод

В последние годы вновь получили развитие магнитоиндукционные (индукционные) методы контроля, которые

находят большое применение в практике дефектоскопии ферромагнитных изделий наряду с феррозондовыми методами контроля. В настоящее время индукционный метод контроля с использованием метода постоянного магнитного поля, несмотря на относительную малоизученность, находит все большее распространение в технике дефектоскопии в связи с возможностью контроля более глубоких подповерхностных слоев изделий. Сущность метода заключается в следующем. Если магнитное поле, создаваемое полюсами постоянного магнита, пересекает провод, замкнутый в петлю, то в последнем возникает электрический ток. Следовательно, если катушку из провода перемещать по поверхности намагниченного металла, то в момент пересечения витков катушки рассеянным магнитным полем в месте дефекта в проводе возникает индукционный ток. Основная трудность в применении метода постоянного магнитного поля состоит в том, что магнитные потоки рассеяния могут вызываться не только внутренними дефектами металла (трещинами, раковинами, шлаковыми включениями и т.д.), но и изменениями его структуры и некоторых физических свойств: величина зерна, сегрегации, твердости, а также внутренними напряжениями. Все эти так называемые мешающие факторы нарушают однородность магнитного поля по длине детали, образуют свои поля рассеяния, которые вызывают в записи регистратора ряд дополнительных пиков, часто по своей амплитуде соизмеримых с импульсами напряжения от дефекта. Справедливости ради необходимо отметить, что эти факторы и сами могут стать первопричиной усталостных разрушений штанг.

Последние обстоятельства приводят к необходимости проведения исследований, позволяющих повысить чувствительность приборов к выявлению

различных дефектов и создать уточненные модели.

Важными преимуществами приборов, в основу работу которых положен индукционный метод контроля, являются:

• отсутствие механического контакта между преобразователем и контролируемым изделием при проведении скоростной дефектоскопии изделий;

• получение однородного магнитного поля, глубоко проникающего в металл, для чего питание намагничивающей катушки осуществляют постоянным током, что дает возможность контролировать более глубокие, подповерхностные слои изделий;

• высокая помехоустойчивость при контроле ферромагнитных изделий и малая зависимость показаний регистратора от положения изделия внутри преобразователя;

• возможность проведения непрерывной записи и визуальных наблюдений за результатами контроля по диаграммной ленте самопишущего прибора.

Все известные в настоящее время физические методы и средства диагностики, использующие различные физические поля, измеряют лишь параметры используемых физических полей, значения которых связаны с параметрами напряженно-деформированного состояния материала и его характеристиками, недостаточно изученными и не всегда монотонными и однозначными закономерностями [3]. Регистрируемые изменения параметров используемых физических полей являются результатом взаимодействия вводимых полей с внутренними энергетическими полями материала, измененными внешними воздействиями и условиями эксплуатации обследуемого объекта.

В работах Власова В.Т., Дубова А.А. предлагается заменить стандартную классификацию [1] неразрушающих методов контроля по виду используемых физических полей. В результате

\\ ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ \\

№ 9 \\ сентябрь \ 2007

можно выделить следующие виды не-разрушающих методов контроля:

• электрические;

• магнитные;

• электромагнитные;

• тепловые;

• механические.

По оценке достоверности результатов диагностики напряженно-деформированного состояния материалов надо иметь в виду, что практически все неразрушающие методы диагностики являются косвенными или применяются как косвенные. Исходя из новой классификации, прямыми методами исследования свойств материалов являются механические методы диагностики, а все остальные методы являются косвенными.

Анализ позволил выявить несколько вариантов диагностики штанг: 1) Совокупность нескольких методов неразрушающего контроля. Например,

последовательное применение магнитно-индукционного метода и ультразвукового, т.к. при использовании ультразвука (как отмечено ранее) возникает проблема в определении поверхностных дефектов. При применении же магнитно-индукционного метода магнитные потоки могут вызываться изменением структуры металла и некоторых физических свойств, что приводит к нарушению магнитного поля. 2) Совокупность методов неразрушающего и разрушающего контроля. Это позволит получить информацию о структуре и физических свойствах материала и его напряженно-деформированном состоянии. При этом диагностика будет проводиться для отдельно взятой партии штанг и в дальнейшем отбраковка штанг должна проходить, исходя из статистических данных.

литература

ГОСТ 18353-79. Контроль неразрушаю-щий. Классификация методов и видов неразрушающего контроля. Методы физические.

Гульянц Г.М., Джерики Г.К., Петров А.А. Ультразвуковой контроль бурильных труб. - Дефектоскопия, 1976, №3, с. 118-120.

Международный семинар «Контроль напряженно-деформированного состояния промышленного оборудования и металлоконструкций при оценке остаточного ресурса». Сборник материалов под ред. Дубова А.А. - М.: ООО Энергодиагностика, 2005. Окрушко Е.И., Ураксеев М.А. Дефектоскопия глубиннонасосных штанг. -М.: Недра, 1983.

Халиуллин А.Г. Устройство для дефектоскопии насосных штанг. - Уфа, Тр. УНИ, 1975, вып. 28, с. 60-63.

краски ИОТУН - надежная защита, проверенная временем

¿bJOTUN

Покрытия ЙОТУН одобрены ООО "Институт ВНИИСТ" для использования на объектах нефтегазового комплекса

198096 С-Петербург пр. Стачек д.57 оф.31 тел. (812) 332 00 80 факс (812) 783 05 25 E-mail: russia.reception@jotun.com www.jotun.ru