Влияние нештатных напряжений на безопасность оборудования, контактирующего с сероводородсодержащими средами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.26.03, кандидат технических наук Чирков, Евгений Юрьевич

• Чирков, Евгений Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Чирков, Евгений Юрьевич

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

1.2.1 Разрушение 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 1

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 2

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 3

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 4

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 РбКМ, работающей в сероводородсодержащей среде

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние нештатных напряжений на безопасность оборудования, контактирующего с сероводородсодержащими средами»

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»).

Степень разработанности. Особенности эксплуатации оборудования, контактирующего с сероводородсодержащими средами, влияние напряжений на сероводородное растрескивание металла отражены в работах ученых: Антонова В.Г., Барышова С.Н., Бугай Д.Е., Гафарова H.A., Генделя Г.Л., Гумерова А.Г., Иванова С.И., Клейменова A.B., Кушнаренко В.М., Митрофанова A.B., Перунова Б.В., Стеклова О.И., Худяковой Л.П. и др. Однако, остаются невыясненными многие причины внезапных отказов оборудования, а также актуальными являются проблемы влияния нештатных напряжений на работоспособность оборудования, контактирующего с сероводородсодержащими средами, в частности, влияние возникающих при ремонте и монтаже остаточных напряжений на безопасность восстановленной фонтанной арматуры.

Объект исследования - фонтанная арматура нефтегазовых скважин и детали фонтанной арматуры, контактирующие с сероводородсодержащими средами.

Предмет исследования - процессы возникновения повреждений и нештатных напряжений в деталях нефтегазового оборудования, контактирующего с сероводородсодержащими средами, диагностика повреждений и технологии восстановления безопасности фонтанной арматуры.

Цель исследования - повышение безопасности нефтегазового оборудования, контактирующего с сероводородсодержащими средами, за счет конструктивно-технологических мероприятий, обеспечивающих снижение уровня нештатных напряжений в деталях оборудования.

Задачи исследования:

- анализ повреждений и отказов нефтегазопромыслового оборудования, контактирующего с сероводородсодержащими средами;

- разработка технологии ремонта корпусов ФА методом наплавки;

- оценка напряженно-деформированного состояния (НДС) и безопасности корпусов ФА, подвергнутых ремонту;

- разработка рекомендаций по восстановлению безопасности ФА, контактирующей с сероводородсодержащими средами.

Научная новизна:

- установлено, что основной причиной выпадающих из общей статистики отказов оборудования сероводородсодержащих месторождений являются нештатные напряжения в элементах оборудования, возникающие в результате действия факторов, не предусмотренных проектами, нормами и регламентами;

- впервые предложена система критериев оценки восстановления безопасности ФА, бывшей в эксплуатации на сероводородсодержащих нефтегазоконденсатных месторождениях: свариваемость металла - не хуже ограниченной по шкале свариваемости; стойкость металла зоны ремонта водородному растрескиванию должна быть высокой; контролепригодность -зона ремонта должна подвергаться неразрушающему контролю, и, в связи с этим, не все поврежденные участки могут подвергаться восстановлению; стоимость ремонта зависит от степени поврежденности и не должна превышать 40% от стоимости новой фонтанной арматуры; твердость наплавленного металла и переходной зоны не должна превышать 28HRC; гарантированный

ресурс после ремонта должен составлять не менее 5 лет; НДС металла ФА после ремонта - нештатные напряжения не должны превышать 15% от предела текучести материала;

- разработанные модели узлов и деталей ФА, результаты расчетов и натурных экспериментов, позволившие оценить НДС и установить зависимости напряжений в металле узлов ФА от усилия затяжки и размеров под уплотнительные элементы и определить диапазон необходимых значений момента затяжки резьбовых соединений крепления крышек восстановленной ФА от 400 Нм, обеспечивающий герметичность соединения при испытательном давлении, до 420 Н-м, при котором напряжения в металле корпуса ФА не превышают пороговые напряжения сероводородного растрескивания.

Теоретическая ценность:

развиты современные подходы в области расчетного и экспериментального анализа нештатных напряжений, установления причин их возникновения и влияния на безопасность оборудования, контактирующего с сероводородсодержащими средами;

- доказана возможность возникновения при сборке фонтанной арматуры нештатных напряжений в области уплотнения, приводящих к образованию трещин в металле корпуса арматуры;

- изложены условия и критерии восстановления безопасности фонтанной арматуры;

- проведена модернизация модели расчета остаточных нештатных напряжений после наплавки металла при ремонте фонтанной арматуры, обеспечивающей определение остаточных напряжений с учетом зависимостей теплопроводности, теплоемкости, модуля упругости и предела текучести от температуры.

Практическая ценность:

- рекомендации по восстановлению безопасности ФА, контактирующей с сероводородсодержащими средами, и диапазон значений момента затяжки резьбовых соединений, не приводящего к увеличению напряжений до уровня, вызывающего сероводородное растрескивание металла корпуса задвижки, и обеспечивающего герметизацию соединения и безопасность ФА, используются в ООО «Технология» (г. Оренбург);

- расчетно-экспериментальная оценка НДС фланцевых соединений арматуры, работающей под высоким давлением, используется в учебном процессе при проведении практических занятий по дисциплине «Расчет и конструирование элементов оборудования отрасли» при подготовке инженеров по специальности 240801 «Машины и аппараты химических производств» на кафедре МАХПП ФГБОУ ВПО ОГУ.

Методы исследований - теоретические и экспериментальные методы: моделирование объектов и оценка их НДС методом конечных элементов; определение значимости критериев безопасности ФА методом экспертных оценок; лабораторные и производственные механические и коррозионно-механические испытания, металлографические исследования металлов; оценка результатов методами статистического анализа и теории вероятности.

На защиту выносятся:

- результаты оценки влияния нештатных напряжений на безопасность оборудования, контактирующего с сероводородсодержащими средами;

- критерии и условия восстановления безопасности ФА, контактирующей с сероводородсодержащими средами;

- рекомендации по модернизации конструкции и технология сборки герметизирующего узла ФА с учётом значений геометрических размеров деталей и условий эксплуатации;

- технология восстановления безопасности ФА.

Достоверность полученных результатов

В работе использованы современные методики сбора и обработки информации, а также комплекс теоретических и экспериментальных методов исследований физико-химических свойств и НДС металла ФА. Результаты расчетов подтверждаются многочисленными экспериментальными данными, полученными на сертифицированном оборудовании, и сопоставимы с опубликованными работами других авторов.

Апробация работы и публикация результатов

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научных конференциях: УП-ой международной научно-технической конференции «Диагностика оборудования и трубопроводов, подверженных воздействию сероводородсодержащих сред» (Оренбург, 2008); международной научной конференции «Наука и образование: фундаментальные основы, технологии, инновации» (Оренбург, 2010); УШ-ой международной научно-технической конференции «Диагностика оборудования и трубопроводов, подверженных воздействию сероводородсодержащих сред» (Оренбург, 2010); всероссийской научно-технической конференции «Интеграция науки и практики в профессиональном развитии педагога» (Оренбург, 2010); международной конференции, посвященной 110-летию со дня рождения член-корреспондента АН СССР Г.В. Акимова «Фундаментальные аспекты коррозионного материаловедения и защиты металлов от коррозии» (Москва, 2011); молодежной научно-технической конференции с международным участием «Инновационные решения для нефтегазовой отрасли (опыт и перспективы)» (Оренбург, 2012); всероссийской научно-методической конференции с международным участием «Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры» (Оренбург, 2013).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 5 статей в ведущих научных журналах, включенных в перечень ВАК РФ.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех разделов с результатами теоретических и экспериментальных исследований, основных выводов, списка использованных источников из 103 наименований и приложений, изложена на 131 странице машинописного текста, содержит 76 рисунков и 17 таблиц.

1 ПОВРЕЖДЕНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ ДЕЙСТВИИ

НЕШТАТНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И СЕРОВОДОРОДСОДЕРЖАЩИХ

СРЕД

Нештатные напряжения - напряжения, возникающие при эксплуатации технических систем в результате действия внешних или внутренних силовых факторов, не предусмотренных проектами, нормами и регламентами.

В зависимости от причины возникновения нештатные напряжения разделяются на технологические [2, 65, 66, 72, 76] - связанные с процессом изготовления (остаточные напряжения [7, 67] в отливках, прокате, сварных соединениях, напряжения от механической обработки, напряжения, возникшие в результате неравномерности нагрузки на сопрягаемые поверхности вследствие неточности изготовления, концентраторы напряжений, такие как отверстия, резьбы, резкие переходы), эксплуатационные - напряжения, связанные с изменением режима работы оборудования (повышение давления в аппаратах, увеличение нагрузки в сопрягаемых соединениях), напряжения в результате повреждения металла (коррозионные повреждения, приводящие к утонению металла и как следствие увеличению напряжений от тех же нагрузок, механического воздействия - вмятины, деформации, приводящие к перераспределению напряжений, концентраторы напряжений типа рисок, продиров), напряжения, возникающие в результате установки дополнительного оборудования на эксплуатируемое. Нештатные напряжения трудно обнаружить и предсказать их возникновение, при этом совместно со штатными напряжениями от рабочих нагрузок они способны повысить общий уровень напряжений до критического, взывающего коррозионное растрескивание. Особенности обеспечения безопасности эксплуатации оборудования, контактирующего с сероводородсодержащими средами, отражены в работах ученых: Антонова В.Г., Барышова С.Н., Бугай Д.Е., Гафарова H.A., Генделя Г.Л., Гумерова А.Г., Иванова С.И., Клейменов A.B., Кушнаренко В.М., Макарова Г.И., Митрофанова A.B., Перунова Б.В., Стеклова О.И., Худяковой Л.П. и др.

Коррозионное растрескивание (KP) - вид квазихрупкого разрушения металлов и сплавов при одновременном воздействии статических напряжений растяжения и агрессивных сред; характеризуется образованием единичных и множественных трещин, связанных с концентрацией основных рабочих и внутренних напряжений. Трещины могут распространяться между кристаллами или по телу зерен, но с большей скоростью в плоскости, нормальной к действующим напряжениям, чем в плоскости поверхности. Согласно [88] различают три характерных периода в развитии явления коррозионного растрескивания и коррозионной усталости: инкубационный период; развитие

коррозионной трещины; конечное, лавинное разрушение детали (изделия) по одной из наиболее прогрессирующих трещин [88].

КР является наиболее опасным видом коррозии. Оно связано с появление трещин в металле, которые распространяются, как правило, с поверхности. Опасность этого вида разрушения обусловлена тем, что на начальной стадии роста трещины, когда еще можно принять превентивные меры, например вырезать пораженный участок металлоконструкции, зафиксировать поражение металла очень трудно. Это связано с тем, что на поверхности отсутствуют продукты коррозии, существенного изменения свойств металла также не наблюдается. Достигнув критических размеров, трещина растет лавинно, что неизбежно приводит к отказу оборудования [88].

КР относится к так называемым коррозионно-механическим разрушениям, т.к. для его реализации мало только контакта металла с коррозионной средой, -необходимо еще действие растягивающих напряжений. Причем, если уровень этих напряжений не превышает расчетный (допустимый), разрушение не происходит. Расчетный уровень напряжений всегда значительно меньше предела текучести материала. Если металл конструкции не имеет на поверхности или в объеме дефектов, конструкция, в которой уровень напряжений не превышает допустимый, успешно эксплуатируется в течение всего срока службы даже при наличии контакта с агрессивной средой. При появлении на поверхности металла дефекта, например, коррозионной язвы, питтинга, межкристаллитного поражения или просто механического повреждения, ситуация меняется принципиально. В вершине дефекта создается концентрация напряжений, уровень которых может превысить допустимый для данной металлоконструкции. Такая концентрация напряжений в вершине дефекта даже при невысоких средних рабочих напряжениях вызывает развитие локальной пластической деформации. Исчерпание возможностей этой деформации приводит к разрушению. Развитие локальной пластической деформации в основании движущейся трещины следует рассматривать как первую стадию разрушения. Деформация, поглощая энергию, ограничивает скорость движения трещины и может даже привести к ее торможению. Если же трещине удается достигнуть некоторых критических, характерных для данных условий размеров, наступает вторая стадия разрушения. Это — лавинный, неуправляемый рост трещины. Он протекает практически без пластической деформации и приводит в конечном итоге к разрушению металлоконструкции [88]. Нештатные напряжения совместно с напряжениями от рабочих нагрузок приводят к увеличению общего уровня напряжений до критического и вызывают КР металла оборудования без видимых причин.

При развитии СР основной стадией является наводороживание, сопровождающееся сильным снижением пластичности стали. При таком характере взаимодействия металла со средой любой дефект, даже небольшое механическое повреждение, представляет опасность: деформации металла практически не наблюдается, и трещина развивается лавинно даже при незначительной концентрации напряжений. Соответственно инкубационный период СР может быть совсем небольшим, иногда несколько часов. Долом металла носит хрупкий характер [88]. В этом случае нештатные напряжения также играют важную роль в формировании условий для возникновения СР.

1.1 Разрушения скважинного оборудования

Оборудование скважин, как правило, изготовлено из среднеуглеродистых и высоколегированных сталей с пределом текучести выше 500 МПа, соединения насосно-компрессорных труб (НКТ) и ФА осуществляются с помощью резьбовых соединений. Язвенная коррозия НКТ и муфт является основной причиной отказов металлоконструкций этой группы. Отмечаются также многочисленные случаи СР НКТ скважин, разрушение происходит как резьбовых соединений НКТ, так и самих труб[51].

1.1.1 Разрушение НКТ и муфты НКТ

На внешней поверхности НКТ с трещиной наблюдаются риски от используемого при монтаже ключа, глубина рисок составляет 0,2 - 0,7 мм, (рисунок 1.1). Также в месте захвата ключа находится вмятина глубиной 2 мм и длиной 41 мм вдоль образующей трубы. Длина трещины вдоль образующей трубы составляет 79 мм с максимальным раскрытием в области очага до 0,1 мм [50,51].

Очаг разрушения

Рисунок 1.1- Трещина и риски в НКТ

Причиной повреждения НКТ при работе под действием повторно-статических нагружений и воздействия сероводородсодержащей среды, являются риски - очаги разрушения, от которых, как от нештатных концентраторов напряжений, образовались микротрещины, объединившиеся в магистральную трещину длиной Ь, соединяющую риски [50,51].

Разрушение муфты НКТ (рисунок 1.2): трещина зародилась в области торца муфты и распространялась вдоль образующей цилиндрической части муфты к ее середине, что свидетельствует о превышении величины кольцевых напряжений в металле муфты относительно допустимых напряжений. Учитывая характер разрушения муфты и наличие визуально заметных дефектных участков резьбовой части НКТ, установлено, что причиной разрушения муфты является несоответствие резьбовой части НКТ и муфты требованиям нормативных документов (НД), что привело к возникновению дополнительных нештатных напряжений и образованию трещины[51,54].

а) б)

Рисунок 1.2 - Муфта НКТ с трещиной

1.1.2 Разрушение переводника

На поверхности переводника находятся следы в виде рисок и вмятин от используемого при монтаже ключа: риски глубиной 0,2 - 0,5 мм (рисунок 1.3). Риски являются концентратором напряжений, инициирующими образование трещины при действии монтажных и рабочих нагрузок. Трещина длиной 63 мм с максимальным раскрытием 0,4 мм расположена вдоль образующей поверхности большего диаметра переводника. Очаг разрушения находится на дне одной из рисок, нанесенной механическим ключом. Находящиеся на внутренней резьбовой поверхности переводника продукты коррозии приводят к возникновению нештатных напряжений, которые увеличивают суммарные окружные напряжения и способствуют зарождению трещин от рисок -концентраторов напряжений [51].

12 _

ЩЯИШШЯ

Рисунок 1.3 - Трещина в переводнике 3 1/2" VAM-M><2 7/8" VAM-H

1.1.3 Разрушение труб эксплуатационной колонны

Трещины образовалась вдоль образующей поверхности на двух трубах: на первой трубе эксплуатационной колонны возникла трещина длиной 253 мм с раскрытием до 0,1 мм (рисунок 1.4, а); на второй трубе эксплуатационной колонны на расстоянии 111 мм от торца ниппеля (рисунок 1.4, б) возникла трещина длиной 76 мм с раскрытием до 0,1 мм. В районе трещины наблюдается вздутие поверхности металла диаметром 70 мм. Величина диаметра трубы в месте вздутия составляет 145,1 мм, по сравнению с исходным диаметром 139 мм, т.е. перед разрушением металл трубы испытывал пластические деформации. На поверхности данных труб другие дефекты не обнаружены [51]. Причиной разрушения труб эксплуатационной колонны являются нештатные напряжения, вызванные гидроударом, возникшим вследствие нарушения регламента эксплуатации скважины.

а) б)

Рисунок 1.4- Трещины в трубах эксплуатационной колонны

1.1.4 Разрушение гайки прижимной винта мультифазного насоса

Разрушение гайки прижимной 080 мм винта мультифазного насоса произошло после 870 часов эксплуатации в условиях: входное давление -3,0МПа, выходное - 5,5 МПа, рабочая среда - нефть с содержанием сероводорода до 11 % мол. Согласно результатам спектрального анализа металл гайки соответствует стали типа 12Х15Н4Д4МБ. Твердость стали гайки

38,2...41,2 НЯС. Гайка разрушилась по двум плоскостям (рисунок 1.5) [38]. В одной из плоскостей разрушение практически хрупкое, без видимых следов пластической деформации, и совпадает с осевыми сечениями резьбовых отверстий крепежа гайки и ее стопорного винта (рисунок 1.5, б). В противоположной плоскости разрушение квазихрупкое. Причиной разрушения является несовершенство конструкции гайки прижимной, приводящее к возникновению нештатных напряжений - концентрации напряжений в области пересечения резьбовых отверстий крепления гайки и ее стопорного винта, и воздействие сероводородсодержащей среды [50, 51].

а) б)

Рисунок 1.5 - Разрушение гайки прижимной

1.2 Сероводородное растрескивание сварных соединений и

деталей трубопроводов

1.2.1 Разрушение сварных соединений трубопроводов

СР сварных стыков трубопроводов (ТП) обусловлено дефектами сварных соединений (рисунок 1.6) [52, 3]. Дефекты в сварных соединениях приводят к возникновению нештатных напряжений, которые при совместном действии с сероводородсодержащей средой вызывают СР в сварном шве и снижают безопасность ТП.

Разрушение сварного соединения трубы крана ТП 0219x12 мм из стали 20, транспортирующего конденсат от насосов до узла подключения на выходе ДКС, вызвано воздействием нештатных циклических нагрузок - вибрацией от работы поршневых насосов и знакопеременных термических деформаций надземной части ТП на данное сварное соединение, работающее в условиях воздействия сероводородсодержащего конденсата. Излом хрупкий (рисунок 1.6, а), коррозионно-усталостная трещина зародилась на внутренней поверхности в зоне сплавления и развивалась по литому металлу шва в направлении перпендикулярном внутренней поверхности трубы. На участке

Д)

Рисунок 1.6- Отказы трубопроводов: а - СР сварного шва трубы 0219* 12 мм; б - ТП 0 720* 18 мм, сталь 20 (х2); в - по дефектам шва ТП 0168x14 мм, сталь 20 (х5); г - по цепочке пор шва ТП 072Ох 22 мм, сталь 20 (х3,5); д - по зоне сплавления шва ТП 0720x20 (30) мм, сталь 20;

юбки, примыкающем непосредственно к сварному соединению, наблюдаются технологические дефекты глубиной до 3,12 мм, возникшие от строжки, проведенной при изготовлении крана, явившиеся для данного сварного соединения нештатным концентратором напряжений, значения которого, согласно расчётам составляет 3. От данного дефекта, явившегося очагом разрушения, образовалась коррозионно-усталостная трещина, развивающаяся в обе стороны от этого очага. Согласно расчётам напряжённо-деформированного состояния данного участка ТП установлено, что усталость металла появляется при значениях амплитуд поперечных колебаний ТП, превышающих 3,4 мм (или размахе колебаний 6-8 мм). Максимальные напряжения от изгиба ТП возникают в области опор, где существует наибольшая вероятность возникновения усталости металла, что необходимо учитывать при диагностировании. На этом же участке ТП произошло разрушение сварного соединения трубы 0 219x12 мм с тройником (0 377x377x219 мм) присоединения к конденсатопроводу 0 377 мм под углом 45° выкидной линии от насосов ДКС. Очагом разрушения явился дефект сварного соединения (несплавление корня шва глубиной 4,5 мм), от которого под действием нештатных циклических нагрузок и сероводородсодержащего конденсата зародились микротрещины, развившиеся в сквозную трещину. [51] Таким образом, при наличии сероводородсодержащей среды необходимо особо внимательно контролировать качество выполнения сварных соединений ТП.

1.2.2 Разрушение деталей трубопроводов

В процессе эксплуатации ТП наблюдаются случаи хрупких разрушений деталей - отводов ТП (рисунок 1.7, а) [50]. Твердость металла разрушенных деталей составляет 177 - 198 НВ. Детали изготавливаются, как правило, посредством дорнования из труб бесшовных горячедеформированных по ГОСТ 8731-74, согласно которому для стали 20, при толщине стенки трубы более 10 мм, твердость должна быть не более 156 НВ. Согласно требованиям стандарта NACE MR 0175 максимальное значение твердости принято 229 НВ для стальных изделий, эксплуатирующихся в условиях воздействия сероводородсодержащих сред, а твердость соединительных деталей не должна превышать 205 НВ. Согласно технологии изготовления гнутых трубчатых деталей из стали 20, дорнование проводится при температуре 650 °С с последующей термообработкой (высокий отпуск 640 °С, 60 минут), при этом твердость деталей не должна превышать 167НВ. После термообработки детали подвергаются 100% УЗК. [51]

<ЗР1_1 17.12 .07 Ерст 1

ч Х-

Ч: ч.

¡1 /

/ /г Л'

О.ООО ООО

ЮАО 0<М5! 0.Б02

8.ООО 12.ООО 16. ООО 20.000

ЕХТЕИЗЮЫ СтгпЭ

ЕХТЕМЗЮМ СтггО> 0.7-37

б)

В)

Рисунок 1.7 - Хрупкое разрушение отвода (а), диаграммы испытаний на растяжение образцов металла отвода (б), напряжения в отводе (в)

Отводы разрушаются с образованием сквозных трещин (рисунок 1.7, а) или несквозных трещин, развивающихся со стороны внутреннего радиуса загиба. Результаты механических испытаний на растяжение (рисунок 1.7, б), по ГОСТ 1497 и на ударный изгиб по ГОСТ 9454 свидетельствуют о несоответствии механических характеристик металла отвода паспортным данным и требованиям. Полученный испытаниями на растяжение условный предел текучести металла отвода 528 МПа превышает указанный в паспорте предел прочности 520 МПа. При этом на диаграммах испытаний на растяжение (рисунок 1.7, б) образцов металла отвода 114x12 мм отсутствует характерная для стали 20 после термообработки при 640 °С и времени выдержки 1 час, площадка текучести. [50, 51]

В то же время относительное удлинение образцов металла отвода 18,8 % -

в 1,5 раза меньше указанной в паспорте величины 28 %. Среднее значение

20° 2 ударной вязкости КС1Г металла отводов 10,6 Дж/см - в 2,8 раза меньше

требуемой, а минимальное значение ударной вязкости металла отвода 9,3

2 2 Дж/см в 2,7 раз меньше минимально допустимого значения (25 Дж/см ), что,

наряду с хрупким характером разрушения металла отводов (рисунок 1.7, а),

свидетельствует о недопустимо низкой пластичности металла отвода. [51]

Хрупкое разрушение отводов из стали 20 объясняется тем, что в процессе прохождения трубной заготовки через фильеру, при изготовлении отвода, в металле заготовки возникают значительные технологические напряжения от пластического изгиба (рисунок 1.7, в). При пластическом течении металла на вогнутой стороне отвода до половины сечения возникают практически одинаковые по величине напряжения сжатия, а на выпуклой стороне -напряжения растяжения. После выхода готового отвода из фильеры внешние нагрузки снимаются и отвод незначительно «распрямляется», в результате чего происходит наложение напряжений упругого изгиба на технологические напряжения, приводящее к равновесию суммарных напряжений. В сечении отвода возникают технологические остаточные напряжения, эпюра которых изображена на рисунке 1.7 в, то есть на вогнутой стороне - напряжения растяжения, а на выпуклой стороне - напряжения сжатия. При изготовлении отводов, имеющих необходимую технологическую температуру (~ 600 °С), предел текучести стали 20 близок к нулю и остаточные напряжения после выхода отвода из фильеры незначительны. Величина нештатных-технологических остаточных напряжений пропорциональна снижению температуры прохождения трубной заготовки через фильеру и при температуре ~ 10...30 °С достигает предела текучести стали, при этом существенно снижаются пластические свойства, и повышается твердость стали. Повышенная твердость (более 170 НВ) стали 20 и хрупкий характер излома разрушенных

отводов свидетельствуют также о нарушении режима термообработки после прохождения отводов через фильеру [50, 51].

После монтажа отвода и сварки его стыков с трубами в кольцевых швах возникают остаточные сварочные напряжения, которые уменьшаются при термообработке швов, однако остаются на уровне 1/3 от предела текучести стали. Сварочные и монтажные напряжения суммируются с рабочими напряжениями, температурными напряжениями (вызванными колебаниями температуры) и со значительными нештатными-технологическими остаточными напряжениями в отводе, достигающими предела текучести стали, и приводят к хрупкому разрушению отвода. Таким образом, основной причиной разрушения отводов из стали 20 является нарушение технологии их изготовления, приводящее к потере пластичности (увеличению твердости более 170 НВ) металла отводов и к возникновению в металле отвода нештатных-технологических остаточных напряжений, достигающих предела текучести стали. При этом даже незначительные рабочие напряжения и дополнительные нештатные сварочные, монтажные и температурные напряжения при воздействии сероводородсодержащей рабочей среды приводят к хрупкому разрушению отводов. [50, 51]

1.2.3 Разрушение крепежа фланцевых соединений трубопроводов

Разрушение гаек М36 крепления фланцевых соединений ТП произошло после более 20 лет эксплуатации. Гайки имеют крупную резьбу с шагом 4 мм и уменьшенным размером под ключ Б = 50 мм, диаметр описанной окружности 0 = 56,1 мм, высота гаек Н = 28 мм (рисунок 1.8).

Рисунок 1.8 - Гайка М36><4

Спектральным анализом определен материал гаек - сталь 12X18Н10, твердость металла гаек НВ 192 - 209. Из 20 исследованных гаек на всех видны трещины параллельные оси гайки, на 8 наблюдаются по две практически диаметрально противоположные трещины. На трех гайках кроме двух трещин видна еще одна трещина, а на одной гайке обнаружены дополнительно три трещины. Все трещины зарождаются от внутренней поверхности гаек со стороны опорной плоскости, которой гайки прижимаются к фланцу в соединении. Характер разрушения гаек - хрупкий, без видимых следов пластической деформации. [51]

Такой вид разрушения не характерен разрушению при статическом нагружении пластичной стали 12Х18Н10. Точный расчет распределения напряжений в резьбовом соединении связан трудоемким численным решением контактной задачи методом конечных элементов. Известно, что распределение нагрузки по виткам резьбы происходит неравномерно. На первый виток -опорный виток, приходится 35 - 40 %, кроме того, в связи с отсутствием необходимых фасок (по углом 60°) на резьбе гаек, на первый виток резьбы нагрузка увеличивается в 1,2 - 1,6 раза. Зарождение трещин от внутренней опорной поверхности гаек подтверждает классическую теорию о наибольшей нагруженности первых 3-х витков при работе резьбового соединения со стороны опорной поверхности. Хрупкий характер разрушения гаек свидетельствует об усталостном зарождении и развитии трещин в процессе длительной работы резьбовых соединений, имеющих значительные нештатные-монтажные остаточные напряжения. Для повышения надежности данных резьбовых соединений фланцев рекомендовано использовать гайки, соответствующие требованиям ГОСТ 28919-91 с фаской со стороны резьбы и с нормальным размером под ключ Б = 55 мм. Перед затяжкой соединения смазывать резьбу и опорную поверхность гайки, например, графитовой смазкой с добавлением 25 % по объёму ингибитора И-55-ДК. Затяжку соединения производить соответствующим для данного соединения ключом предельного момента. [51]

1.2.4 Разрушение штока задвижки трубопровода

В процессе эксплуатации конденсатопроводов нестабильного конденсата наблюдаются случаи отказа задвижек Ду 350 Ру 8,0МПа вследствие отрыва «пятки» шпинделя (рисунок 1.9). Шпиндель изготовлен из никелевого сплава Н70МФВ, твердость металла шпинделя составляет 305-310НВ. Результаты испытаний показали, что механические характеристики металла шпинделя, включая и ударную вязкость, находятся на высоком уровне: ав = 1047 МПа, ат= 793 МПа, 6=22,7%, КСУ"40 =62,8 Дж/см2. Разрушение произошло в области

ЭУМ| МПа]

3714 350.8 330.3 3087

289.1 268 5

246 2274 206.8

166.2 165.6 1451 124.5 1039 8332 62.74

д)

Рисунок 1.9 — Разрушение шпинделя штока задвижки конденсатопровода

галтели- перехода от шпинделя к пятке (зацепу) - по зоне I сосредоточения максимальных растягивающих напряжений. Очаг СР располагается на участке I (рисунок 1.9, б), от него магистральная трещина развивалась в плоскости,

лежащей под углом 35-^40° к оси шпинделя, на глубину до % от сечения, далее трещина перешла в плоскость, расположенную под углом 11СН-1200 к первоначальной плоскости развития трещин (рисунок 1.9, в). Очаг разрушения возник там, где шибер опирался на «пятку» шпинделя, причем нагрузка распределялась не по всей длине окружности, а только на дуге 150° и неравномерно (рисунок 1.9, б). На пятке, в месте приложения нагрузки, видны следы смятия поверхности, а с противоположной стороны на поверхности остались нестертыми следы от механической обработки, оставшиеся при изготовлении шпинделя. Внецентренное приложение нагрузки на пятку шпинделя привело к возникновению совместного действия растяжения и изгиба, что обусловило значительную концентрацию нештатных напряжений и CP металла в области галтели- перехода от шпинделя к пятке. С противоположной стороны от очага разрушения так же интенсивно зарождались и межкристаллитно развивались водородные трещины (рисунок 1.9, г), слияние этих межкристаллитных трещин с магистральной привело к обрыву пятки шпинделя задвижки. [5]

Проведен расчет по специализированной программе АРМ WinMachin методом конечных элементов напряжений в шпинделе у «пятки» от действия силы открытия задвижки при расчетной нагрузке 15 тонн в момент страгивания шибера при открытии задвижки, коэффициент концентрации напряжений составил Ка=1,6. [5]

Если процесс открытия крана заканчивается упиранием шибера в корпус крана и остановкой после срабатывания аппаратуры при превышении максимального крутящего момента, то шпиндель остается под нагрузкой и при отключении электродвигателя привода задвижки. Очаг разрушения возник там, где шибер опирался на «пятку» шпинделя, причем нагрузка распределялась не по всей длине окружности, а только на дуге 150° и неравномерно (рисунок 1.9, б). Внецентренное приложение нагрузки на шпиндель привело к возникновению совместного действия растяжения и изгиба и к значительной концентрации нештатных напряжений. [5]

Расчетный коэффициент концентрации нештатных напряжений в шпинделе у «пятки», при неравномерном приложении нагрузки, согласно результатам расчетов (рисунок 1.9, д), равен: Kff =412,6:75=5,43. [5]

С учетом концентрации напряжений в шпинделе у «пятки», при неравномерном приложении нагрузки, максимальные напряжения равны: атах =aE-Kff=95-5,43=515,9 МПа. [5]

Высокие нештатные напряжения (515,9 МПа), возникающие в области галтели-перехода от цилиндрической части шпинделя к пятке шпинделя, при

длительном опирании шибера на корпус задвижки и воздействии сероводородсодержащей среды привели к СР металла шпинделя задвижки. [5]

1.2.5 Разрушение переходного штуцера манометра

Причиной поломки переходного штуцера манометра является его конструктивный недостаток, приведший при воздействии сероводородсодержащей среды и рабочих нагрузок к CP резьбовой части переходного штуцера, изготовленного из нестойкого к сероводородной коррозии металла (рисунок 1.10). [51]

В) Г)

Рисунок 1.10- Отломившаяся резьбовая часть переходного штуцера манометра (а) и расположение очага разрушения резьбовой части штуцера (б); в, г - трещины в резьбовой части переходного штуцера

При анализе излома переходного штуцера манометра выявлен хрупкий характер разрушения. Разрушение началось от впадины последней нитки резьбы, о чем свидетельствует небольшая площадка - очаг разрушения, рисунок 1.10, б. Резьбовая часть переходного штуцера 1 работает не только на растяжение, но и на изгиб при нештатных напряжениях вследствие вибрации манометра. Значение параметров вибрации по скорости и перемещению в месте крепления манометра составляет: V = 0,3 - 2,0 мм/с, S = 3 - 12 мкм соответственно. Кроме того, резьбовая часть переходного штуцера манометра не изолирована от контакта с сероводородсодержащей средой. В результате при

возникающей вибрации, наличия резьбы как концентратора напряжения, относительно малого диаметра резьбы (9 мм) переходного штуцера, действия коррозионной среды и значительной площади корпуса манометра происходит колебание манометра, в том числе от ветровой нагрузки, перпендикулярно оси резьбового соединения и образования микротрещин от впадин резьбы (рисунок 1.10, в, г). [51]

1.3 Разрушение патрубка теплообменника

Рекуперативный теплообменник для подогревания раствора этаноламина представляет собой три расположенных друг над другом кожухотрубчатых теплообменника с плавающими головками. Схема теплообменника приведена на рисунке 1.11. [89]

Рисунок 1.11— Схема теплообменника амин-амин. Расположение патрубков: I -отвод нагретого амина; II - подвод холодного амина для нагрева; III - подвод горячего амина для охлаждения; IV - отвод охлажденного амина.

Давление в трубном пространстве - 10 кгс/см2, температура 64/106 °С. Давление в межтрубном пространстве -1,9 кгс/см2, температура 130/86 °С. [89]

В данных теплообменниках, несмотря на более агрессивную среду и значительно более высокое давление в трубном пучке, основная часть повреждений выявлена в патрубках корпуса, работающего с менее агрессивной средой.[89]

Сквозные дефекты в основном металле этих патрубков выявлялись, как правило, в процессе гидроиспытаний или при выводе установок и теплообменников на рабочий режим. [89]

Результаты совместных исследований металла поврежденного патрубка позволили отметить следующие:

1. Согласно результатам лабораторных исследований химический состав металла патрубка и его механические свойства соответствуют стали А 333 ОЯ1 и отечественной стали 20.

2. В процессе длительной эксплуатации в рабочей коррозионной среде, в состав которой входит сероводород и щелочные продукты, в металле патрубков вследствие наводороживания возникают микроповреждения межкристаллитные микротрещины, которые со временем не прогнозируемо развиваются и соединяются в сквозную макротрещину (рисунок 1.12). [89]

Рисунок 1.12- Трещина в металле патрубка

Сталь АЗЗЗОг1 аналогична стали 20 и относится к сталям стойким к воздействию сероводорода, пороговые напряжения для нее лежат в пределах 0,7 - 0,8 <7Т. [89]

Рабочие напряжения в металле патрубка равны 2,6 МПа, что составляет 0,0 \ат.

араб ='

Р Ошт 0,19 0,325

2-5..

2-0,012

= 2,51 МПа,

где Р - давление в межтрубном пространстве теплообменника, Р=0,19 МПа;

£>шя - диаметр патрубка, £)ши =0,325 м;

5шт - толщина патрубка 5шот=0,012м,

Таким образом, при проектном режиме эксплуатации КР патрубков не могло возникнуть. [89]

Для возникновения коррозионного растрескивания необходимо, что бы металл находился под действием значительных растягивающих напряжений, при этом трещины развиваются перпендикулярно направлению действия растягивающего напряжения. [89]

Анализ выявленных повреждений патрубков, показал, что основными видами повреждений являлись трещины и утонение стенки патрубков, все трещины и утонения стенки располагались в секторе 120° со стороны опор теплообменников, а трещины развивались в основном перпендикулярно продольной оси патрубков. Данный анализ позволил сделать вывод о том, в патрубках теплообменника возникают дополнительные нештатные напряжения, вызванные действующей растягивающей силой и изгибающим моментом, под действием которого патрубок изгибается выпуклостью в сторону опоры, чем и определяется ориентация повреждений. [89]

Таким образом, осталось найти причину данных воздействий. Нарушения технологического режима согласно паспорту не было. Поэтому температурные напряжения и увеличение внутреннего давления не могли повлиять на НДС. Единственно возможное объяснение причины повреждения патрубка -нарушение в конструкции теплообменника, которое привело к возникновению нештатных напряжений. [89]

Монтажный размер между опорами корпусов в соответствии с чертежом составляет 23 мм. Фактическое значение данных зазоров, определенное на четырех теплообменниках лежит в пределах от 21,5 мм до 36,3 мм. Монтажный размер обеспечивался при строительстве установкой между опорами регулирующих листов в количестве от 2-х до 4-х. [89]

За 34 года в условиях промышленной атмосферы ГПЗ данные регулировочные листы значительно прокорродировали (рисунок 1.13), причем при 2-х листах корродировало 6 поверхностей, а при 4-х листах 10 поверхностей. Известно, что объем продуктов атмосферной коррозии примерно в 2 раза больше объема прокорродировавшего металла. Таким образом, за счет атмосферной коррозии монтажный зазор увеличился, что вызвало изменение НДС теплообменников. [89]

Рисунок 1.13- Коррозия регулирующих листов

Для определения НДС теплообменников при увеличении монтажных размеров проведены расчеты согласно схеме на рисунке 1.14. [89]

I! -1- 1

л - о._.. 2А, г Ш -

N 1 г 1 1 к гп

Заключение диссертации по теме «Пожарная и промышленная безопасность (по отраслям)», Чирков, Евгений Юрьевич

Выводы по главе 4

1 Пластическая деформация уплотиительного кольца ФА начинается при значении крутящего момента при затяжке гаек шпилек более 250 Н-м, что должно обеспечить герметичность соединения крышки задвижки и корпуса моноблока. Гидравлическими испытаниями задвижки установлено, что необходимый момент затяжки для герметизации крышки задвижки составляет 400 Н-м. При этом из-за пластических деформаций металла уплотиительного кольца происходит перераспределения усилий на шпильки крепления крышки задвижки и необходимо протягивать гайки шпилек не менее 3 раз.

2 При затяжке гаек крепления крышки задвижки пластическая деформация металла буртика канавки корпуса моноблока под уплотнительное кольцо начинается при значении крутящего момента более 600 Н-м.

3 Резьба моноблока обладает достаточными прочностными характеристиками, чтобы создавать необходимое усилие для обеспечения герметичного соединения, и выдерживает крутящий момент 3150 Н-м при завинчивании шпильки в корпус моноблока на три витка. Последнее свидетельствует о том, что диаметр шпилек выбран из условия обеспечения жесткости соединения, а не исходя из условия прочности шпильки по значению крутящего момента при затяжке гаек, необходимого для создания герметичного соединения.

4 Если металл уплотиительного кольца имеет высокую твердость, тогда не происходит его деформации, и для герметизации задвижки необходимо создавать большее усилие, при котором возможна деформация буртика канавки под уплотнительное кольцо. Поэтому для обеспечения безопасности ФА перед сборкой необходимо контролировать размеры канавки под уплотнительное кольцо, а также размеры и твердость уплотиительного кольца.

5 Буртики канавок под уплотнительные кольца крышек задвижек обладают малой жесткостью и при установке на корпусе моноблока крышек задвижек возможна пластическая деформация буртика, которая при воздействии сероводородсодержащей среды может вызвать растрескивание в области пластической деформации металла буртика, что приведет к разгерметизации моноблока. Таким образом, конструкция канавки является конструктивной недоработкой данного изделия.

6 При фактической толщине буртиков канавок под уплотнительные кольца 1,7. 1,8 мм в процессе затяжки шпилек возникают значительные нештатные напряжения в металле буртиков канавок моноблока, которые при воздействии сероводородсодержащей среды могут привести к возникновению трещин. Увеличение путем наплавки толщины буртиков канавок под уплотнительные кольца до 3,8 мм позволит снизить напряжения на 35 % и повысить сопротивление металла моноблока СР.

7 Буртики канавок под уплотнительные кольца крышек задвижек обладают малой жесткостью и при установке крышек задвижек возможна пластическая деформация металла, которая при воздействии сероводородсодержащей среды может вызвать растрескивание в области пластической деформации металла буртика, что приведет к разгерметизации моноблока. В связи с этим, при ремонте подобных корпусов моноблоков для обеспечения безопасности ФА предлагается путем наплавки и последующей расточки уменьшить диаметр внутренней поверхности задвижки, что приведет к увеличению сечения буртика канавки под уплотнительное кольцо. При этом необходимо изготовить соответствующий ремонтный комплект направляющих шибера задвижки под уменьшенный на ~ 4 мм диаметр внутренней поверхности.

8 При затяжке гаек шпилек крепления крышек задвижек моноблока повышенные напряжения наблюдаются в первых трех витках резьбы. Данные области металла корпуса моноблока не взаимодействуют с сероводородсодержащей средой при отсутствии нарушений герметичности уплотнительных элементов, поэтому СР металла резьбы не наблюдается. Пластические деформации первых трех витков резьбы в корпусе моноблока возникают при растягивающей силе, составляющей более 420 кН, а металле шпилек- при растягивающей силе более 300 кН.

121

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведённые теоретические и экспериментальные исследования позволили решить поставленные в работе задачи и получить следующие результаты:

1. Анализ повреждений и отказов оборудования, контактирующего с сероводородсодержащими средами, подтверждает, что основной причиной выпадающих из общей статистики отказов оборудования сероводородсодержащих месторождений являются нештатные напряжения в элементах оборудования, возникающие в результате действия факторов, не предусмотренных проектами, нормами и регламентами, например: в оборудовании, образующем замкнутые цепи силовых связей, возникают нештатные напряжения от перемещения смежных опор в результате образования между ними продуктов коррозии; механические повреждения посадочных поверхностей под уплотнения крышек задвижек возникают в результате перетяжки резьбовых соединений из-за неконтролируемого момента затяжки (превышения уровня затяжки резьбовых соединений узла уплотнения ФА ведёт к росту напряжений в металле буртика канавки под уплотнительное кольцо до предела текучести металла и к возникновению трещин под действием сероводородсодержащей среды).

2. Уточнены по степени значимости критерии восстановления безопасности ФА, контактирующей с сероводородсодержащими средами: свариваемость металла - не хуже ограниченной по шкале свариваемости; стойкость металла зоны ремонта водородному растрескиванию должна быть высокой; контролепригодность - зона ремонта должна подвергаться неразрушающему контролю и в связи с этим не все поврежденные участки могут подвергаться восстановлению; стоимость ремонта зависит от степени поврежденности и не должна превышать 40% от стоимости новой фонтанной арматуры; твердость наплавленного металла и переходной зоны не должна превышать 28НЯС; гарантированный ресурс после ремонта должен составлять не менее 5 лет; НДС металла ФА после ремонта - нештатные напряжения не должны превышать 15% от предела текучести материала.

3. Установлено, что коррозионные повреждения на внутренних поверхностях глубиной до 5% от толщины стенки корпуса ФА приводят к возникновению нештатных напряжений величиной до 18% от исходных напряжений, что не превышает концентрацию напряжений в металле области уплотнения корпуса ФА. Подобные повреждения при ремонте достаточно зашлифовать с плавным переходом к основной поверхности.

4. Предлагаемая технология восстановления работоспособности корпусов и безопасности ФА, включает операции: расточка поврежденных поверхностей; дегазация металла при температуре 280-300 °С; наплавка металла на подготовленные поверхности с сопутствующим их подогревом при 250-280 °С; последующая термообработка - двойной отпуск металла восстанавливаемого корпуса ФА. В связи со сложной формой корпусов ФА, отдельные участки после ремонта невозможно проконтролировать. К ним относятся посадочные места под седла и отдельные участки внутренних поверхностей корпуса ФА. Согласно результатам исследований, металл корпуса ФА в области наплавки обладает механическими характеристиками и стойкостью к водородному растрескиванию, соответствующими требованиям нормативных документов; недопустимые дефекты в наплавленном металле в области ремонта отсутствуют. При этом нештатные остаточные напряжения от наплавки металла при ремонте корпуса ФА после термообработки не превышают 15% от минимального нормативного предела текучести стали. Суммарные напряжения не превышают пороговые напряжения сероводородного растрескивания.

5. Разработанные модели узлов и деталей ФА, результаты расчетов и натурных экспериментов, позволили оценить НДС и установить зависимости напряжений в металле узлов ФА от размеров под уплотнительные элементы и усилия затяжки. Установлен диапазон необходимых значений момента затяжки резьбовых соединений крепления крышек задвижек восстановленной ФА от 400 Нм до 420 Нм, при котором напряжения в металле корпуса ФА не превышают пороговые напряжения сероводородного растрескивания и обеспечивается надёжная герметизация при испытательном давлении.

6. Разработанные рекомендации по технологии ремонта ФА, бывшей в эксплуатации на сероводородсодержащих месторождениях, позволяют повысить безопасность отремонтированной ФА путем снижения нештатных напряжений и используются в ООО «Технология».

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

ВР - водородное расслоение;

КК - капиллярный контроль;

КР - коррозионное растрескивание;

НД - нормативный документ;

НДС - напряженно-деформированное состояние;

ОНГКМ - Оренбургское нефтегазоконденсатное месторождение;

СР - сероводородное растрескивание;

ТП - трубопровод;

УЗК - ультразвуковой контроль;

ФА - фонтанная арматура.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Чирков, Евгений Юрьевич, 2013 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ источников

1 Абдуллин, P.A. Сероводородная коррозия газонефтепромыслового оборудования и некоторые методы защиты / P.A. Абдуллин. - М: ВНИИЭгазпром, 1971. - 62 с.

2 Антонов, A.A. Исследование технологических остаточных напряжений в сварных соединениях магистральных трубопроводов / A.A. Антонов, О.И. Стеклов, Ю.В. Сидорин. // Заготовительные производства в машиностроении. -2010.-№3.-С. 13-19.

3 Антонов, В.Г. Коррозионное растрескивание под напряжением труб магистральных газопроводов: атлас / В.Г. Антонов, [и др.] - М.: Наука, 2006. -105 с. - ISBN 5-02-033747-1.

4 Антонов, В.Г. Сопоставление методов измерения остаточных напряжений / В.Г. Антонов, Д.В. Толстое, С.Е. Яковлев. // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2007. № 3. С. 42-43.

5 Бауэр, A.A. Основные причины повреждения запорной арматуры / A.A. Бауэр, Е.Ю. Чирков, М.Р. Ишмеев, Е.В. Кушнаренко // Нефтепромысловое дело. - 2010. - № 12. - С. 70-72

6 Белобородов A.B. Оценка надежности трубопроводной арматуры // ANSYS Solutions. Русская редакция. 2006. № 2. С. 4-9.

7 Биргер И.А. Остаточные напряжения. М.: Машгиз, 1963. 232 с.

8 Винокуров В. А. Сварочные деформации и напряжения. - М.: Машиностроение, 1968. - 236 с.

9 Волков, П.Н. Ремонтопригодность машин / П.Н. Волков, А.И. Аристов. -М., 1971.-368с.

10 Гафаров, H.A. Ингибиторы коррозии: В 2-х томах.: Том 2. Диагностика и защита от коррозии под напряжением нефтегазопромыслового оборудвания. / H.A. Гафаров, В.М. Кушнаренко, Д.Е. Бугай и др. - М.:Химия, 2002. - 367 с.

11 Гафаров, H.A. Коррозия и защита оборудования сероводородсодержащих нефтегазовых месторождений / H.A. Гафаров, A.A. Гончаров, В.М. Кушнаренко. - М.: Недра, 1998. - 437 с.

12 Гендель, Г.Л. Безопасность - приоритет эффективного развития / Г.Л. Гендель // Нефтепромысловое дело. - 2008. - № 11. - С. 10-11.

13 Голованенко, С.А. Влияние легирующих элементов и структуры на сопротивление конструкционных сталей водородному охрупчиванию / С.А. Голованенко, В.Н. Зикеев, Е.Б. Серебрянная и др. // МиТОМ. - 1978. - № 1. - С. 2-14.

14 ГОСТ 61-75 Реактивы. Кислота уксусная. Технические условия

15 ГОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытаний на растяжение.

16 ГОСТ 1778-70. Металлографические методы определения неметаллических включений.

17 ГОСТ 3242-79. Соединения сварные. Методы контроля качества.

18 ГОСТ 4233-77 Реактивы. Натрий хлористый. Технические условия

19 ГОСТ 6709-72 Вода дистиллированная. Технические условия

20 ГОСТ 6996-66. Сварные соединения. Методы определения механических свойств.

21 ГОСТ 9012-59. Металлы и сплавы. Метод измерения твердости по Бринеллю.

22 ГОСТ 9013-59. Металлы и сплавы. Метод измерения твердости по Роквеллу. Шкалы А, В и С.

23 ГОСТ 9454-78. Металлы. Методы испытаний на ударный изгиб при пониженной, комнатной и повышенной температурах.

24 ГОСТ 12503-75. Сталь. Методы ультразвукового контроля. Общие требования.

25 ГОСТ 14782-86. Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Методы ультразвуковые.

26 ГОСТ 18300-87 Спирт этиловый ректификованный технический. Технические условия

27 ГОСТ 18442-80. Контроль неразрушающий. Капиллярные методы. Общие требования.

28 ГОСТ 23338-91. Сварка металлов. Методы определения содержания диффузионного водорода в наплавленном металле и металле шва.

29 ГОСТ 23487-79 - 2-Нитротолуол технический. Технические условия

30 ГОСТ 24507-80. Контроль неразрушающий. Поковки из черных и цветных металлов. Методы ультразвуковой дефектоскопии.

31 ГОСТ 30768-2001. Оборудование устьевое нефтепромысловое добычное. Методы испытаний.

32 ГОСТ Р 51365-2009. Нефтяная и газовая промышленность. Оборудование для бурения и добычи. Оборудование устья скважины и фонтанное устьевое оборудование. Общие технические требования.

33 Гуляев, А.П. Металловедение: учебник. / А.П. Гуляев. - 5-е перераб. изд. - М.: Металлургия, 1977. - 647 с.

34 Гумеров, А.Г. Методические основы оценки эффективности мероприятий по повышению безопасности объектов нефтегазового комплекса / А.Г. Гумеров, В.И. Ларионов // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. - 2005. - № 65. - С. 254-272.

35 Ежова, A.A. Влияние водорода на стойкость и разрушение стали с различной структурой / A.A. Ежова, Л.П. Герасимова, И.Ф. Касаткина //

МиТОМ. - 1978. - № 2. - С. 23-25.

36 Захаров, Ю.В. Влияние температуры отпуска на стойкость против сероводородного растрескивания высокопрочных сталей / Ю.В. Захаров // Коррозия и защита в нефтегазовой промышленности. - 1975. - № 9. - С. 23-26.

37 Иванов, В.Ф. Использование метода вставок для оценки свариваемости конструкционных сталей, бывших в эксплуатации в сероводородной среде / В.Ф. Иванов, В.М. Кушнаренко // Тр. МИНГа им.И.М.Губкина. - 1987. - Вып. 196. - С. 94-100.

38 Иванов, С.И. Обеспечение безопасной эксплуатации трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие среды / С.И. Иванов, A.B. Швец, В.М. Кушнаренко, Д.Н. Щепинов. - М.: ООО "Недра-Бизнесцентр", 2006. - 215 с.

39 Инструкция по обустройству Астраханского промысла высокосернистого газа М 015, М 017, М 008, М 012. Маннесманн.- 1984.- 96 с.

40 Иосилевич, Г.Б. Концентрация напряжений и деформаций в деталях машин / Г.Б. Иосилевич - М.: Машиностроение. 1981. - 224 с.

41 Карпенко, Г.В. Влияние водорода на свойства стали / Г.В. Карпенко, Р.И. Крипякевич. - М.: Металлургиздат, 1962. - 198 с.

42 Кахраманов, Х.Т. О применении экономнолегированной стали 0Х22Н6М2 (ЗИ-67) для изготовления деталей фонтанной арматуры в сероводородостойком исполнении / Х.Т. Кахраманов // Коррозия и защита в нефтегазовой промышленности. - 1983. - № 6. - С. 11-12.

43 Кеше, Г. Коррозия металлов / Г. Кеше. Пер. с нем. под ред. Я.М.Колотыркина. - М.: Металлургия, 1983. - 541 с.

44 Клейменов, A.B. Концепция выбора мероприятий, повышающих уровень безопасности нефтегазовых производств / A.B. Клейменов, Г.Л. Гендель // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. - 2004. - № 8. -С. 11-14.

45 Коллинз, Дж. Повреждения материалов в конструкциях. Анализ, предсказывание, предотвращение: пер. с англ. / Дж. Коллинз. - М.: Мир, 1984. -624 с.

46 Коренякин, А.Ф. База диагностических данных по фонтанной арматуре, эксплуатируемой на АНГКМ / А.Ф. Коренякин, Б.А. Ерехинский, В.А. Полозов // VIII Международная научно-техническая конференция «Диагностика оборудования и трубопроводов, подверженных воздействию сероводородсодержащих сред». - Оренбург. - 2010. - С. 107-112.

47 Корж, Т.В. Влияние структуры металла сварного шва на его склонность к водородной хрупкости / Т.В. Корж, Т.А. Чернышева, А.П. Окенко и др. // Сварочное производство. - 1985. - № 5. - С. 24-26.

48 Кузнецов, Н.П. Коррозионное разрушение внутрискважинного оборудования и промысловых трубопроводов на нефтяных месторождениях Западной Сибири / Н.П. Кузнецов, В.Д. Макаренко, В.В. Объедкова, К.А. Муравьев, А.И. Калянов // Нефтяное хозяйство. - 2004. - № 12. - С. 69-71.

49 Кукушкина, С.В. Метод Дельфи в форсайт-проектах / С.В. Кукушкина // Форсайт. - 2007. - №9. - С. 68-73.

50 Кушнаренко, В.М. Анализ причин отказов оборудования и трубопроводов / В.М. Кушнаренко, B.C. Репях, Е.В. Кушнаренко, Е.Ю. Чирков // «Вестник ОГУ». - 2010. - №10. - С. 153-159.

51 Кушнаренко, В.М. Дефекты и повреждения деталей и конструкций: монография / В.М. Кушнаренко, В.С Репях, Е.Ю. Чирков, Е.В. Кушнаренко; Оренбургский гос. Ун-т: - Оренбург: ОГУ, 2011. - 402 е.: ил.

52 Кушнаренко, В.М. Определение характеристик надежности и технического состояния оборудования сероводородсодержащих нефтегазовых месторождений: монография / В.М. Кушнаренко, H.A. Гафаров, A.A. Гончаров. -М.: Недра, 2001.-241 с.

53 Кушнаренко, В.М. Оценка предельного состояния конструкций с водородными расслоениями / В.М. Кушнаренко, М.И. Климов, Н.В. Холзаков, И.Ф. Миргородский // ФХММ. - 1990. - № 1. - С. 76 - 80.

54 Кушнаренко, В.М. Повреждение деталей при воздействии коррозионных сред / В.М. Кушнаренко, B.C. Репях, Е.В. Кушнаренко, Е.Ю.Чирков // «Наука и образование: фундаментальные основы, технологии, инновации»: сборник материалов международной научной конференции: Ч. 6 -Оренбург: ОГУ, 2010. С. 57 - 61.

55 Кушнаренко, В.М. Ремонт нефтегазовых металлоконструкций, контактирующих с сероводородсодержащими средами / В.М. Кушнаренко, О.И. Стеклов, Н.В. Холзаков. - М.: ВНИИОЭНГ. - 1986. - 62 с.

56 Лоран, П.Ж. Аппроксимация и оптимизация / П.Ж. Лоран. - М.: Мир, 1975.-357 с.

57 Мазур, И.И. Безопасность трубопроводных систем / И.И. Мазур, О.М. Иванцов. - М.: ИЦ «ЕЛИМА», 2004. - 1104 с. - ISBN 5-89674-011-5.

58 Макаренко, В.Д. Коррозионная стойкость сварных металлоконструкций нефтегазовых объектов / В.Д. Макаренко, И.М. Ковенский, Н.М. Прохоров и др. - М.: ООО «Недра-бизнесцентр», 2000. - 500 с.

59 Махутов, H.A. Научное обоснование методов повышения безопасности и ресурса оборудования для добычи и переработки сероводородсодержащих сред / H.A. Махутов, A.B. Митрофанов, С.Н. Барышов // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2008. - № 9. - С. 36-42.

60 Макаров, Э.Л. Холодные трещины при сварке легированных сталей. -

М: Машиностроение, 1981.-297 с.

61 Медовар, Б.И. Сварка жаропрочных аустенитных сталей и сплавов. / Б.И. Медовар. - М.: Машиностроение, 1966. - 430 с.

62 Методика диагностирования технического состояния фонтанных арматур скважин, подверженных воздействию сероводородсодержащих сред на объектах газодобывающих предприятий ОАО «Газпром». Согласовано Госгортехнадзором России, Письмо №10-13/783 от 20.10.2000 г.

63 Михайленко, С. А. Основные положения стратегии в области промышленной безопасности (на примере ООО "Оренбурггазпром") / С.А. Михайленко, Г.Л. Гендель, A.B. Клейменов // Безопасность жизнедеятельности. - 2006. - № 8.-С. 1-5.

64 Мороз, Л.С. Водородная хрупкость металлов / Л.С. Мороз, Б.В. Чечулин. - М.: Металлургия, 1967. - 256 с.

65 Овсеенко, А.Н. Современные проблемы, связанные с технологическими остаточными напряжениями / А.Н. Овсеенко, Д.Н. Клауч // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2010. - № 6. - С.8-12

66 Овсеенко А.Н. Технологические начальные напряжения и методы их определения//Труды ЦНИИТМАШ. 1986. № 196. С. 4-8.

67 Осгуд, В.Р. Остаточные напряжения в металлах и металлических конструкциях: сб. статей / под ред. В.Р. Осгуда: пер. с англ. В.О. Контовта и H.A. Форсман. - М.: Изд-во Иностранной литературы, 1957. - 393 с.

68 ОСТ 26-5-99. Контроль неразрушающий. Цветной метод контроля сварных соединений, наплавленного и основного металла

69 ОСТ 5.9768-89. Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Ультразвуковой метод.

70 ПБ 03-440-02. Правила аттестации персонала в области неразрушающего контроля.

71 ПБ 08-624-03 «Правила безопасности в нефтяной и газовой промышленности».

72 Подзей, A.B. Технологические остаточные напряжения / A.B. Подзей, A.M. Сулима, М.И. Евстигнеев, Г.З. Серебренников. - М.: «Машиностроение», 1973.-С. 216.

73 Перунов, Б.В. Качество и надежность сварных соединений трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие продукты / Б.В. Перунов, В.М. Кушнаренко, А.И. Пауль // Коррозия и защита в нефтегазовой промышленности. - 1980. - №6. - С. 19-21.

74 Перунов, Б.В. Коллективная экспертная оценка проблемы надежности конструкции в наводораживающих средах / Б.В. Перунов, В.А. Попов, О.И. Стеклов, В.А. Тимонин // Защита металлов. - 1978. - №5. - С. 572-575.

75 Полозов, В.А. Диагностика и результативность ремонта фонтанной арматуры газовых скважин / В.А. Полозов, А.Г. Филиппов, Д.В. Пономаренко // Газовая промышленность. - 2012. - №9. - С.76-80.

76 Промптов, А.И. Технологические остаточные напряжения / А.И. Промптов. - Иркутск, 1980. - 51 с.

77 РД 03-606-03. Инструкция по визуальному и измерительному контролю.

78 Регламент аттестации фонтанных арматур и колонных головок, отслуживших паспортный срок эксплуатации на скважинах подземных хранилищ газа. - ОАО «СевКавНИПИгаз», ООО «Газобезопасность» ОАО «Газпром». - 1999.

79 Регламент 2004. Регламент по проведению экспертизы промышленной безопасности и технического диагностирования фонтанных арматур и оборудования устья скважин подземных хранилищ газа ОАО «Газпром». -ООО «ВНИИГАЗ». - 2004.

80 Стеклов, О.И. Испытание сталей и сварных соединений в наводороживающих средах / О.И. Стеклов, Н.Г. Бодрихин, В.М. Кушнаренко, Б.В. Перунов. - М.: Металлургия. - 1992. - 128 с.

81 Стеклов, О.И. Стойкость материалов и конструкций к коррозии под напряжением / О.И. Стеклов. - М.: Машиностроение, 1990. - 384 с. - ISBN 5217-00500-9.

82 СТО Газпром 2-2.3-139-2007. Проведение экспертизы промышленной безопасности и технического диагностирования фонтанных арматур и оборудования устья скважин ПХГ. - ОАО Газпром, ОАО СевКавНИПИгаз. -2007.

83 СТО Газпром 2-2.4-083-2006. Инструкция по неразрушающим методам контроля качества сварных соединений при строительстве и ремонте промысловых и магистральных газопроводов.

84 СТО Газпром 2-5.1-148-2007. Методы испытаний сталей и сварных соединений на коррозионное растрескивание под напряжением. ОАО Газпром, ООО ВНИИГАЗ, РГУ И.М. Губкина, ОГУ. Москва, ОАО «Газпром» №168 от 27.06.2007 г.

85 Сызранцев, В.Н. Использование метода конечных элементов для анализа конструкции трубопроводной арматуры / В.Н. Сызранцев, К.В. Сызранцева, A.B. Белобородов //Нефть и газ: проблемы недропользования, добычи и транспортировки: Материалы научно-технической конференции, посвященной 90-летию со дня рождения В. И. Муравленко. -Тюмень: ТюмГНГУ, 2002.-С 130.

86 Сызранцев, В.Н. Использование метода конечных элементов для

расчета напряженно-деформированного состояния корпусных деталей клиновых задвижек/ В.Н. Сызранцев, К.В. Сызранцева, А.В. Белобородов // Известия ВУЗов. Нефть и газ. 2007. № 4. С. 38-43.

87 Сызранцева К.В. Компьютерное моделирование процесса гидравлических испытаний корпуса превентора / К.В. Сызранцева, Ю.И. Князев, Е.В Сеньков. // Вестник тюменского государственного университета. 2009. №6 С. 27-34.

88 Томашов, Н.Д. Теория коррозии и защиты металлов / Н.Д. Томашов. -М.: Издательство академии наук СССР, 1960. - 591 с.

89 Узяков, Р.Н. Коррозионное растрескивание стали в регенерированном растворе ДЭА / Р.Н. Узяков, Е.Ю. Чирков, В.М. Кушнаренко, О.А. Чуносов, В.В. Ралко // Материалы VII международной научно-технической конференции «Диагностика оборудования и трубопроводов, подверженных воздействию сероводородсодержащих сред» 26-29 ноября 2008 г. - Оренбург. - 2008. - С. 249-266.

90 Феоктистов, В.А. Коррозионное растрескивание под напряжением в рабочих средах нефтепереработки и нефтехимии. Наводороживание, расслоение и растрескивание в средах, содержащих сероводород. / В.А. Феоктистов, В.А. Аюян, И.М. Серов. // Химическая техника. - 2010. - № 2. - С. 18-21.

91 Хорн, Ф. Атлас структур сварных соединений: атлас: пер. с нем. / Ф. Хорн. - М.: Металлургия, 1977. - 288 с.

92 Худякова, Л.П. Определение остаточного ресурса оборудования и трубопроводов, подверженных стресс-коррозионному растрескиванию / Л.П. Худякова, А.Ю. Спащенко, С.Ф. Шайхулов. // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. - 2007. - № 3. - С. 50-56.

93 Чирков, Ю.А. Оценка напряженного состояния элементов оборудования скважин / Ю.А. Чирков, М.Р. Ишмеев, В.М. Кушнаренко // Вестник Оренбургского государственного университета. - 2000. - №3. - С.95.

94 Швед, М.М. Изменения эксплуатационных свойств железа и стали под влиянием водорода / М.М. Швед. - Киев: Наукова думка, 1985. - 120 с.

95 ANSI/API 6А ISO 10423:2001. Технические условия на устьевое оборудование.

96 ANSYS Element Reference. ANSYS Release 9.0 Documentation. ANSYS Inc., 2004.

97 ASTM A388/A388M - 11 Стандартное практическое руководство по ультразвуковой дефектоскопии стальных поковок

98 ASTM Е428 - 08 Стандартная методика изготовления и контроля металлических (неалюминиевых) эталонных образцов, используемых для

ультразвуковой дефектоскопии

99 Cumino, G. Supermartensitic 13% Cr Large Diameter Seamless Pipes: Mechanical Corrosion and Weldability Properties. G. Cumino, A. Poli, T. Ono, S. Hashizume, K. Yamazaki, L. Scoppio // Latin American Applied Research. - 2002. -№32. - P. 215-219. (http://www.scielo.org.ar/pdmaar/v32n3/v32n3a01)

100 NACE MR 0175/-ISO 15156-1,2,3. «Нефтедобывающая и газодобывающая промышленность - материалы для использования в средах, содержащих H2S, в нефтедобывающей и газодобывающей промышленности».

101 NACE Standard ТМ 0284-2003. Standard Test Method Evaluation of Pipeline and Pressure Vessel Steels for Resistance to Hydrogen-Induced Cracking.

102 Ogawa K., Hirata H., Kondo K., Ueda M., Takabe H.and Miyazaki Y. Weldability of Super 13Cr Martensitic Stainless Steels, Proc. Supermartensitic Stainless Steels/99, 214-221, Brussel, Belgium (1999).

103 Rogne T. and Bjordal M. Testing of Welded 13% Cr Grades Martensitic Stainless Steels for Sour Service Applications, Proc. NACE Corrosion/97, paper No. 62, Houston, USA (1997).