Технические средства и технологии неразрушающего контроля и технологической диагностики труб нефтяного сортамента

о.м. карпаш, я.м. зинчак, Ивано-Франковский национальный технический университет нефти и газа и.и. Цюцяк, и.А. молодецкий, А.в.висков, научно-производительная фирма «Зонд»

технические средства и технологии неразрушающего контроля и технологической диагностики труб нефтяного сортамента

Увеличение объемов добычи и транзитного транспортирования нефти и газа — одно из ключевых направлений развития экономики Украины. Успешное решение этой задачи невозможно без сохранения, эффективного использования конструкций, оборудования, инженерных сетей и сооружений комплекса (далее оборудование) и соблюдения его технологической безопасности.

Современное состояние нефтегазовой отрасли Украины характеризуется такими особенностями:

• свыше 70% оборудования отработало нормативный срок эксплуатации или близится к полному исчерпанию технического ресурса;

• большинство оборудования работает в сложных условиях (высокие давления и температуры, агрессивные коррозионные среды, значительные статическая и динамическая нагрузки);

• в последние годы значительно возросли как требования к экологической безопасности, так и риски возникновения экологических катастроф;

• все оборудование находится под надзором органов промбезопасности.

Ввиду экономических трудностей государства, в том числе нефтегазового комплекса, особенно остро стоит проблема полного технического, а не только нормативного, использования ресурса оборудования, инженерных сетей и конструкций.

Анализ аварийности оборудования показывает, что общее количество отказов и распределение их по видам за последние 30 лет существенно не из-

Рисунок 1. Виды дефектов труб, обнаруженных разработанными средствами

менились. Основную часть отказов (50%) составляют и имеют тенденцию к увеличению коррозионно-усталост-ные повреждения, разрушение сварных соединений, износ, потеря прочности и герметичности оборудования. Характерные виды дефектов изображены на рисунке 1. Обобщая причины отказов оборудования, следует отметить, что они, как правило, обусловленные организационными и техническими причинами трех типов:

• неправильной эксплуатацией оборудования, например, при нагрузках превышающих допустимые, и т.п.;

• неправильным изготовлением, когда параметры элементов трубных колонн, в первую очередь резьбовых соединений, не отвечают проектным характеристикам. Так, за данными Б. Дейла и М.Майера, в США на трубных базах после проверки обсадных труб на соответствие к требованиям стандартов Американского нефтяного института отбраковывается около 20% общего количества даже новых труб;

• отсутствием высокоэффективных методов и средств по объективной оценке качества трубных колонн и соединений его элементов на протяжении всего срока эксплуатации.

В большинстве случаев на практике специалисты встречаются с одновременным действием двух, а иногда и трех приведенных выше случаев. Одним из наиболее эффективных способов предупреждения отказов оборудования, обеспечение работоспособности его элементов в процессе эксплуатации, является контроль технического состояния методами и средствами неразрушающего контроля и технической диагностики (НКТД) с последующим изъятием дефектных элементов с эксплуатации. В Ивано-Франковском национальном техническом университете нефти и газа и научно-производственной фирме «Зонд» на протяжении многих лет проводятся научные и прикладные исследования по созданию и широкому

Рисунок 2. Приоритеты комплексного подхода к неразрушающему контролю и технической диагностике

внедрению средств неразрушающего контроля и технологий технической диагностики бурового и нефтегазоп-ромышленного оборудования в нефтегазовую область.

При реализации этой задачи были определены два приоритета, которые состоят в комплексном подходе к решению проблемы, а именно (рис.2):

1. Разработанные средства должны позволять проводить оценку технического состояния объектов нефтегазового комплекса не только за одним параметром, например, из-за отсутствия дефектов типа нарушения сплошности материала, как это было принято раньше, но и осуществлять контроль соответствия герметических и физико-механических характеристик своим нормированным значениям, то есть осуществлять комплексную оценку качества контролируемых объектов.

2. Необходимо предусмотреть комп-

лекс мероприятий, которые обеспечивали бы эффективное использование разработанных средств и технологий, а именно:

• методическое обеспечение — разработать и внедрить нормативные документы различных уровней — государственные, отраслевые, ведомственные стандарты, по возможности гармонизировав их с требованиями международных

• кадровое обеспечение — организация в области сертификации специалистов по неразрушающему контролю;

• обеспечить условия для сертификации средств, аттестации методик неразрушающего контроля и аккредитации служб (лабораторий) неразрушающего контроля.

Основными научными задачами, которые нуждались в решении, были

следующие:

1. исследование особенностей взаимодействия внешних физических

Рисунок 3. Стационарная дефектоскопическая установка для комплексного механизированного контроля труб СОТ -1

А Б

Рисунок 4. Передвижная лаборатория ПЛНК-9

(ультразвуковых, электромагнитных, тепловых) полей с конкретными объектами контроля, в т.ч. при наличии в них типовых дефектов и отклонений определенных параметров контролируемых изделий от нормированных значений;

2. разработка новых (магнитный, тепловой) и усовершенствование существующих (вихретоковый, ультразвуковой, ЭМА) методов выявления дефектов различной природы в металлоконструкциях;

3. измерение физико-механических характеристик материала оборудования и исследование их изменения в процессе его эксплуатации;

4. контроль напряженно-деформированного состояния, в т.ч. и остаточных деформаций, материала оборудования неразрушающими методами;

5. разработка методики прогнозирования остаточного ресурса оборудования по результатам достоверной оценки их технического состояния.

В результате проведенных теоретических и экспериментальных иссле-

дований получены более существенные результаты.

Впервые были разработаны и реализованы новые подходы к оценке качества резьбовых соединений бурового оборудования и инструмента на разных этапах его эксплуатации. Они включают не только выявление средствами неразру-шающего контроля дефектов типа нарушения целостности металла (трещины, раковины, непровары, включения), но и дают возможность измерять параметры, которые определяют его эксплуатационные характеристики - прочность и герметичность [1].

Проведенными исследованиями установлено, что за новые информационные диагностические признаки качества резьбовых соединений следует брать: во время свинчивания - момент достижения в наиболее нагруженных элементах резьбового соединения напряжений, близких к пределу текучести материала; после свинчивания и в процессе эксплуатации - величину фактической площади касания и уровень радиальных деформаций в сопря-

женных элементах [2]. Благодаря этому выполнены важные работы по оценке напряженно-деформированного состояния резьбовых соединений, получены аналитические выражения для расчета напряжений и перемещений в резьбовом соединении, разработан новый подход к определению распространения упругих волн в предварительно напряженных материалах [3]. Обосновано также целесообразность применения ультразвукового метода неразрушающего контроля для определения этих параметров. Теоретически и экспериментально установлен характер взаимосвязи между эксплуатационными характеристиками резьбовых соединений и параметрами ультразвукового метода контроля [4]. Дальнейшее развитие получили и методы определения физико-механических характеристик (ФМХ) металлических конструкций, в частности: разработана методика идентификации марки стали и группы прочности оборудования на базе определенных ФМХ и процентного содержания углерода на основе теоретических подходов нечеткой логики [5]; разработана новая конструкция накладного выхретокового преобразователя, при которой влияние асимметрии основных и паразитных параметров на его исходный сигнал исключается уже на стадии конструирования преобразователя [6]; разработана методика определения допустимой нагрузки на буровую башню на основе определенных в процессе эксплуатации фактических ФМХ материала.

Также разработан новый метод контроля ФМХ и изменения структурного состояния материала сталей, сущность которого состоит в одновременном изменении теплопроводности и твердости с использованием искусственных нейронных сетей для повышения точности оценки результатов измерений [7]. Кроме того, исследована пространственная структура импульсных полей с целью формирования поля излучения в ближней и переходной областях [8],

методы и средства контроля стальных обсадных труб как перед спуском в буровую скважину, так и непосредственно в буровой скважине [9, 10]. Разработаны новые способы повышения информативности и достоверности ультразвукового контроля путем использования сложных зондирующих сигналов (фазомодулирующий код Баркера) и через применение процедуры параметрической идентификации дефектов [11].

Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований были положены в основу разработки новых компьютеризированных технических средств неразрушающего контроля. Исходя из требований производства они были разработаны в различных вариантах конструктивного выполнения, а именно: стационарные (рис. 3, б), передвижные (рис. 4), переносные (рис. 5).

Указанные технические средства предназначены для неразрушающего контроля ряда основных показателей качества бурового и нефтегазового оборудования и инструмента, а именно:

• дефектов типа нарушения целостности металла (трещины, в том числе и коррозионно-утомительные, раковины, поры, непровары и др.);

• геометрических характеристик (толщина стенки, величина износа, в том числе коррозионного, овальность и т.п.) - приборы ПТУ, корозиметр КТУ-1 (рис.6);

• физико-механических характеристик (предел текучести, твердость, коэрцитивная сила, магнитная проницаемость и др.) - приборы СИГМА-Т (рис.7), ФМХ - 1 ( рис.8);

• качества сборки (прочности и герметичности) резьбовых соединений с натяжением.

Также был разработан ряд сервисных устройств (сканеры и пьезопреобразо-ватели), которые дают возможность обнаруживать дефекты продольной и поперечной ориентации в теле труб и дефекты поперечной ориентации в

резьбовой части труб. На рис. 9 изображены сканеры для проведения различных видов контроля резьбовых соединений. Сканеры различной конструкции (рис. 10) служат для размещения и крепления в них пьезопреобразователей во время контроля труб разных типоразмеров и обеспечения надежного акустического контакта. Указанные средства введены практически на всех буровых и нефтегазодобывающих предприятиях Украины и на многих предприятиях нефтегазового комплекса стран СНГ. Разработано, утверждено и введено в действие свыше 30 нормативных документов разного уровня по неразруша-ющему контролю основных видов нефтегазового оборудования, в т.ч. для всех типов труб, находящихся в эксплуатации. В этих нормативных документах регламентировано:

• объемы, виды и технологии проведения контроля;

• браковочные критерии по каждому объекту контроля;

• периодичность неразрушающего контроля;

• методы идентификации проконтролированных изделий;

• алгоритм действия персонала после проведения контроля.

Перечень основных нормативных документов включает в себя:

• ГСТУ 320.02829777.002-95 Инструкция по проведению неразрушающего контроля нарезных труб нефтяного сортамента в процессе их эксплуатации - Госнефтегазпром Украины, 1996;

• ГСТУ 320.02829777.013-99 Рекомендации по проведению неразрушающего контроля бурового оборудования - Министерство энергетики Украины, 2000,

• ГСТУ 320.02829777.014-99 Неразру-шающий контроль и оценка технического состояния металлоконструкций буровых башен в разобранном и собранном виде. - Министерство энергетики Украины, 2000;

• СТП 320.00135390.066-2002 Диагностирование фонтанных арматур, колонных головок и другого устьевого оборудования. - Утв. приказом ПАО «Укрнефть» №89 от 24.03.2003;

• СТП 320.00135390.067 Оценка технического состояния башенных подъемников для собирания башенных башен (ПВК-1, ПВУ-35, ПВ2-45, ПВ-5-60, ПВЛ) и механизмов подъема мачтовых башен (МПВ, МПВА). - Утв. приказом ПАО «Укрнефть» №247 от 30.09.2003;

• СТП 320.00135390.068 Оценка фактического технического состояния основ буровых башен - Утв. приказом ПАО «Укрнефть» №248 от 30. 09. 2003;

• СТП 320.00135390.069-2002 Методи-

A

Рисунок 5. Переносной комплекс

для безконтактного контроля МагниСКАН-2

Б

Рисунок 6. Корозиметр-толщиномер КТУ-1

ка технического диагностирования для продления срока эксплуатации оборудования, которое отработало амортизационный срок, для добычи нефти и газа - Утв. приказом ПАО «Укрнефть» №118 от 15.04.2003; СТП 320.00135390.070-2001 Методики технического диагностирования для продления срока эксплуатации технологического транспорта и спецтехники - Утв. приказом ПАО «Укрнефть» №138 от 13.05.2003; СТП 320.00135390.071-2002 «Методика технического диагностирования для продления срока эксплуатации оборудования, которое отработало амортизационный срок, для ремонта буровых скважин - Утв. приказом ПАО «Укрнефть» №216 от 26.08.2003;

СОУ 11.1-20077720:2004 Арматура фонтанная и головки колонные.

Рисунок 7. Прибор для определения физико-механических характеристик стальных бурильных и насосно-компрессорных труб СИГМА-Т

Контроль технического состояния. Методы неразрушающие - Утв. приказом НАК «Нафтегаз Украины» №439 от 16.08.2004;

• СОУ 11.2-30019775-044:2005 Средства для капитального ремонта буровых скважин. Подъемное оборудование. Башни и лебедки. Контроль технического состояния - Утв. приказом ДК «Укргаздобыча» №365 от 06.07. 2005;

• СОУ 11.2-30019775-053:2005 Средства для капитального ремонта буровых скважин. Оборудование и инструмент. Контроль технического состояния - Утв. приказом ДК «Укргаздобыча» №512 от 27.09.2005.

Внедрение указанных технических средств и методик на буровых предприятиях и базах производственного обслуживания предприятий нефтегазовой отрасли Украины дали возмож-

Рисунок 8. Прибор для определения физико-механических свойств материалов металлоконструкций ФМХ-1

ность повысить уровень эксплуатационной безопасности оборудования путем оценки его фактического технического состояния и продление срока эксплуатации, которое привело к уменьшению количества аварий, связанных с отказами и поломками. Одновременно, с целью подготовки инженерных кадров в области НК нефтегазового оборудования и инструмента, в 1991 году в Ивано-Франковском институте нефти и газа (сегодня Ивано-Франковский национальный технический университет нефти и газа) была создана кафедра «Методы и приборы контроля качества и сертификации продукции». На кафедре готовятся специалисты по специальности 7.09.0903 - «Приборы и системы не-разрушающего контроля». В 1993г. при НВФ «Зонд» создан филиал кафедры, где студенты получают практичес-

Б В

Рисунок 9. Сканирующие приборы неразрушающего контроля

а) - сканер для контроля качества свинчивания резьбовых соединений; б) - блок акустический АБ-ВБТ-РЖ в) - сканер для контроля герметичности резьбовых соединений насосно-компрессорных труб

A

Рисунок 10. Сканеры различной конструкции для крепления ультразвуковых преобразователей

кие навыки, ознакомляются с новыми разработками, выполняют курсовые и дипломные работы. В 2003 году в университете создано новую кафедру «Техническая диагностика и мониторинг». В университете функционирует специализированный совет по защите докторских и кандидатских диссертаций по специальности 05.11.13 «Приборы и методы контроля и определения состава вещества».

На основании вышесказанного, в Украине функционирует современная система подготовки, аттестации и сертификации специалистов по НК нефтегазового оборудования и инструмента. Система признана на Европейском уровне. Таким образом, была сформу-

лирована, поставлена и реализована задача комплексного, научного, технического, технологического, организационного и кадрового обеспечения качества неразрушающего контроля в нефтегазовой отрасли Украины.

ЛИТЕРАТУРА

1. Про один з тдход1в до контролю якосп скру-чування р1зьбових з'сднань у трубах нафтового сортаменту // Карпаш О.М., Бажалук Я.М., Зжчак Я.М., Под1льчук Ю.Н., Рубцов Ю.К. Збтрн. «Розв1дка та розробка нафтових 1 газових родо-вищ» - Льв1в, 1992, № 29, с. 73-77.

2. Карпаш О.М., Криничний П.Я., Даниляк Я.Б., Козор1з А.В. / Контроль зусилля затяжки обважне-них бурильних труб // Техническая диагностика и неразрушающий контроль, 1999, № 2, с.71-74.

3. Карпаш О.М., Рубцов Ю.К. Уточненный анализ отражения пучков высокочастотных упругих волн при поперечном распостранении в цилиндрических волноводах //Межд. научн. Журнал «Прикладная механика», т. 30/40, № 3, март 1994.

4. Карпаш О.М., Кийко Л.М., Даниляк Я.Б., Молодецкий И.А. / Об одном из подходов к контролю качества резьбового соединения труб нефтяного сортамента // Техническая диагностика и неразрушающий контроль, 1996, № 4, с. 26-29.

5. Карпаш О.М., Молодецький I.A. Вдосконалення методологй' визначення групи мщносп та щен-тифжацй' марки стал1 нафтогазового обладнан-ня та жструменту // Методи та прилади контролю якосп. - 1999, № 3, с. 12-13.

6. Молодецький I.A., Карпаш О.М., Бучма I.M. До питання про тдвищення точносп вихрострумово-го методу контролю меж1 текучосп нафтогазового жструменту та обладнання // Методи та прилади контролю якосп. - 1999, № 3. - С. 14-17.

7. Карпаш О.М., Молодецький I.A., Киаль I.C., Карпаш М.О. Новий тдх1д до визначення ф1зи-ко-мехатчних параметр1в сталей неруйтвними методами // Ф1зичт методи та засоби контролю середовищ, матер1ал1в та вироб1в: Зб.нак.праць. - 2004. - Вип..9. - С.80-86.

8. Карпаш О.М., Луценко Г.Г., Галаненко Д.В. Доотдження просторовоЧ структури поля випро-мження п'езоелектричноЧ пластини довмьноЧ форми. //Методи та прилади контролю якосп. -2003, № 11, с.3-9.

9. Карпаш О.М., Криничний П.Я., Козор1з А.В. Контроль екстремальних значень товщини спн-ки труб нафтового сортаменту // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. - 200, № 4, с. 47-49.

10. Карпаш О.М., Зжчак Я.М., Криничний П.Я., Векерик В.В. Офнка техтчного стану обсадних колон // Зб1рник наукових праць. Сер1я Ф1зичт методи та засоби контролю середовищ, ма-тер1ал1в та вироб1в, випуск 7, Неруйтвний контроль конструкфйних та функфональних ма-тер1ал1в. - Льв1в, 2002, с.27-30.

11. Степура А.И., Карпаш О.М., Висков А.В. Идентификация параметров дефектов с применением специальных зондирующих сигналов // Материалы П Междун. Конф. «Компьютерные методы и обратные задачи в неразрушающем контроле и диагностике», -Минск: - 1998, с.315-317.

Б