автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему: Методология разработки нормативной базы, определяющей качество внутреннего полимерного покрытия насосно-компрессорных труб
Автореферат диссертации по теме "Методология разработки нормативной базы, определяющей качество внутреннего полимерного покрытия насосно-компрессорных труб"
МЕТОДОЛОГИЯ РАЗРАБОТКИ НОРМАТИВНОЙ БАЗЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩЕЙ КАЧЕСТВО ВНУТРЕННЕГО ПОЛИМЕРНОГО ПОКРЫТИЯ НАСОСНО-КОМПРЕССОРНЫХ ТРУБ
Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (нефтегазовая промышленность)
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Работа выполнена в Российском государственном университете нефти и газа им. И.М.Губкина.
Научный руководитель - доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор
Защита состоится «25» февраля 2010г. в 15-00 часов в аудитории 612 на заседании диссертационного совета Д 212.200.07 в Российском государственном университете нефти и газа им. И.М.Губкина по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинский проспект, д.65.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного университета нефти и газа им. И.М.Губкина.
кандидат технических наук, доцент Петрусенко Е.В. ЗАО "НТС - Лидер"
Автореферат разослан «¿¿_» _2010г.
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук
Колонна насосно-компрессорных труб (НКТ) является одним из ответственных видов скважинного оборудования от безаварийной работы которой зависит себестоимость добычи нефти и газа.
Колонна НКТ помимо основной функции - подъема продукции скважины на поверхность, выполняет ряд других не менее важных функций: транспортирование в скважину технологических сред; подвеска в скважине оборудования для выполнения ряда технологических операций; проведение в скважине ремонтных работ.
В процессе эксплуатации НКТ подвергаются интенсивной электрохимической коррозии, корозионному растрескиванию, коррозионной усталости, сульфидному растрескиванию, образованию твердых отложений минеральных солей и асфальтосмолопарафинов (АСП) на их внутренней поверхности, коррозионно-механическому износу в паре трения с муфтами насосных штанг и центраторами, что обусловливает их частые отказы или низкую эффективность работы.
Накопленный опыт работы НКТ в подобных осложненных условиях эксплуатации показывает, что одним из перспективных направлений повышения их надежности и эффективности работы является нанесение полимерных покрытий на внутреннюю поверхность НКТ.
Наряду с этим имеется достаточно много примеров низкой эффективности и ограниченного срока службы используемых покрытий, необоснованных значительных материальных затрат на их применение. Сложившаяся ситуация объясняется отсутствием нормативной базы, определяющей качество внутреннего покрытия НКТ в соответствии с его назначением, методики разработки подобной нормативной базы, методики выбора оптимальной конструкции покрытия для конкретных условий эксплуатации. Поэтому решение указанных вопросов является актуальной проблемой.
Цель работы - разработка основных принципов, методов и технических средств выбора конструкции внутреннего полимерного покрытия НКТ с требуемым комплексом свойств и заданным сроком службы для конкретных условий эксплуатации.
1. Проанализировать функции и специфику условий работы внутреннего покрытия НКТ в различных условиях эксплуатации.
2. Разработать основные принципы создания нормативной базы, определяющей качество внутреннего покрытия НКТ в соответствии с его назначением.
3. Создать на основе нормативной базы методику разработки технических требований к внутреннему покрытию НКТ для конкретного месторождения.
4. Разработать методику выбора оптимальной конструкции внутреннего покрытия НКТ.
5. Проанализировать существующие методы контроля показателей свойств полимерного покрытия нефтегазопроводных труб, определяющих его требуемое качество, и обосновать необходимость разработки новых методов контроля качества внутреннего покрытия НКТ.
6. Разработать необходимые методы контроля качества внутреннего покрытия НКТ в лабораторных условиях, моделирующих реальные условия эксплуатации.
7. Разработать и внедрить на предприятиях, осуществляющих внутреннюю изоляцию НКТ полимерным покрытием, нормативную документацию, определяющую требуемое качество этого покрытия при добыче нефти УЭЦН в различных условиях эксплуатации.
1. Впервые создана методология разработки нормативной базы, определяющей требуемое качество внутреннего полимерного покрытия НКТ в соответствии с его назначением и базирующейся на установленных взаимосвязях между функциями выполняемыми покрытием и комплексом свойств покрытия, показателей свойств и норм, обеспечивающих выполнение
покрытием этих функций в разнообразных условиях эксплуатации в течение регламентированного срока службы.
2. Создана методика разработки технических требований к внутреннему полимерному покрытию НКТ для конкретного месторождения, базирующаяся на нормативной базе, определяющей качество покрытия НКТ различного назначения.
3. Разработана методика выбора оптимальной конструкции внутреннего покрытия НКТ конкретного назначения.
4. Разработаны методики расчета:
- нормы на допустимое относительное изменение адгезионной прочности внутреннего покрытия НКТ на двух заданных базах времени испытаний в модельных средах, обусловливающей сохранение адгезионных связей покрытия с металлом НКТ в течение регламентированного срока службы и базирующейся на математической модели, описывающей кинетику изменения адгезионной прочности покрытия металла в различных эксплуатационных средах. (Патент РФ № 2284504 от 27.09.2006г);
-нормы на допустимую удельную силу сдвига твердых отложений АСП и минеральных солей, адсорбирующихся на поверхности внутреннего покрытия НКТ, обеспечивающей срыв этих отложений с поверхности покрытия силой трения потока продукции скважины, транспортируемой по колонне НКТ; -нормы на толщину внутреннего покрытия НКТ, обеспечивающей гидравлически гладкое течение транспортируемой продукции скважины по внутренней полости НКТ.
Практическая значимость и реализация работы 1. Разработаны методы контроля:
- относительного изменения адгезии внутреннего покрытия НКТ на двух базах времени испытаний при комплексном воздействии на покрытие модельной среды, давления среды, повышенной температуры и при наличии на контролируемом участке покрытия сквозного дефекта, обусловливающего
проникновение модельной среды к поверхности раздела покрытие-сталь на ограниченной базе времени испытаний (Патент РФ № 2284504 от 27.09.2006г.); -диэлектрической сплошности внутреннего покрытия НКТ в условиях комплексного влияния на него деформации металла НКТ при поперечном изгибе или действии внешней контактной нагрузки, эксплуатационной среды и температуры (Патент РФ № 2293306 от 02.10.2007г.);
- сцепления твердых отложений АСП и минеральных солей с поверхностью покрытия НКТ в условиях моделирующих срыв твердых отложений с поверхности покрытия силой трения потока жидкости во внутренней полости НКТ.
2. Разработаны и внедрены ТУ на внутреннее эпоксидное покрытие НКТ на Нижневартовском заводе изоляции труб Трубной металлургической компании, базирующиеся на разработанной нормативной базе, определяющей требуемое качество внутреннего покрытия НКТ различного назначения.
3. Разработанная методология создания нормативной базы, определяющей требуемое качество внутреннего полимерного покрытия насосно-компрессорных труб в разнообразных условиях эксплуатации, может быть рекомендована для создания нормативных баз, определяющих качество полимерных покрытий других видов оборудования нефтегазовой отрасли.
Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены:
- на 1-ой российской конференции по трубному производству «Трубы России-2004» (Екатеринбург, 2004); на конференции «Состояние и перспективы применения полимерных покрытий для повышения эффективности работы и срока службы нефтегазопроводов» (Москва, 2005); на конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» (Москва, 2005); на конференции «Состояние и перспективы применения полимерных покрытий для противокоррозионной защиты нефтяных резервуаров, емкостей и других видов технологических аппаратов нефтегазовой отрасли» (Москва, 2006); на международной научно-технической
конференции «Качество колонн бурильных, обсадных и насосно-компрессорных труб, используемых в нефтегазовой отрасли. Состояние и перспективы» (Москва, 2006); на международной конференции «Состояние и перспективы применения полимерных покрытий в оборудовании и сооружениях нефтегазовой отрасли» (Москва, 2007).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, включая 13 статей, из них 1 статья в журнале, включенном в перечень ВАК Минобрнауки РФ, и 2 патента на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 148 страницах машинописного текста, состоит из введения, 4 глав, основных выводов, 2 приложений, содержит 25 рисунков, 17 таблиц и список литературы из 86 наименований.
Во введении дана краткая характеристика области исследования, обоснованы актуальность и направление исследований.
В первой главе систематизированы виды дефектов, возникающих в НКТ в различных условиях эксплуатации, процессы, вызывающие их образование, и свойства материала НКТ, обеспечивающие предотвращение или торможение этих процессов. Показано, что наибольшее количество дефектов НКТ, вызывающих их отказы, возникает в теле НКТ и является следствием протекания процессов электрохимической коррозии, коррозионного растрескивания, коррозионной усталости, сульфидного растрескивания, адсорбции твердых отложений, коррозионно-механического изнашивания (при добыче нефти СШНУ).
Проведен анализ отечественной и зарубежной нормативной документации, определяющей качество НКТ. Показано, что в действующих стандартах (ГОСТ Р 52203-2004 и API SPEC 5СТ) отсутствует рад свойств тела НКТ, обеспечивающих его способность выполнять свое назначение: сопротивление электрохимической коррозии, коррозионному растрескиванию (КР), коррозионной
усталости, коррозионно-механическому изнашиванию (при эксплуатации скважин СШНУ), образованию твердых отложений АСП и минеральных солей.
Обоснован и сформулирован комплекс свойств и показателей свойств тела НКТ, определяющий его требуемое качество в различных условиях эксплуатации.
Предложено разбить требуемый комплекс свойств тела НКТ на две группы: свойства поверхностного слоя во внутренней полости НКТ и свойства тела НКТ, за исключением поверхностного слоя во внутренней полости. Подобный дифференцированный подход к свойствам НКТ позволяет создать оптимальную многослойную конструкцию НКТ с требуемым градиентом свойств по толщине, используя для ее изготовления биметаллы или различные виды покрытий.
Показано, что перспективным направлением обеспечения требуемого качества поверхностного слоя во внутренней полости НКТ является применение полимерных покрытий. Однако, отсутствие нормативной базы, определяющей требуемое качество внутреннего покрытия НКТ в соответствии с его назначением, и методики выбора оптимальной конструкции покрытия конкретного назначения обусловливает ограниченное и недостаточно эффективное применение НКТ с внутренним полимерным покрытием в нефтегазовой отрасли.
Поэтому проблема разработки соответствующей нормативной базы и методики выбора оптимальной конструкции внутреннего полимерного покрытия НКТ конкретного назначения на ее основе является актуальной.
Сформулированы цель и основные задачи диссертационной работы.
Во второй главе анализируется отечественная и зарубежная нормативная документация, определяющая качество полимерных покрытий нефтегазопроводных труб. Отмечаются ее существенные недостатки, заключающиеся прежде всего в том, что содержащиеся в ней показатели требуемых свойств покрытия и нормы на эти показатели обусловливаются характеристиками конкретных материалов и конструкций покрытий на их
основе, а не назначением покрытия, включающим в себя функции, которые должно выполнять покрытие конкретного объекта, показатели выполнения этих функций, условия применения и регламентированный срок службы.
Рассматривается предлагаемая методология разработки нормативной базы, определяющей требуемое качество внутреннего полимерного покрытия НКТ в соответствии с его назначением и базирующейся на установленных взаимосвязях между функциями, выполняемыми покрытием НКТ, и комплексом свойств покрытия, показателей свойств и норм на показатели, определяющих способность покрытия выполнять эти функции при различных видах внешнего воздействия на него в течение регламентированного срока службы.
В соответствии с предлагаемой методологией систематизированы в матричной форме:
- функции, выполняемые внутренним полимерным покрытием НКТ в различных условиях эксплуатации, и свойства покрытия, обеспечивающие выполнение этих функций (см. табл.1);
- виды внешних воздействий на НКТ с внутренним покрытием на разных стадиях жизненного цикла, моделирующие их процессы при контроле качества покрытия в лабораторных условиях и контролируемый при этих воздействиях комплекс свойств покрытия, определяющий его способность выполнять различные функции.
- показатели контролируемых свойств покрытия и нормы на показатели, определяющие требуемое качество покрытия в исходном состоянии и при различных видах внешнего воздействия на него на разных стадиях жизненного цикла НКТ с покрытием.
Приведенный в табл. 1 комплекс свойств покрытия, определяющий его способность выполнять различные функции, включает в себя две группы свойств.
Свойства покрытия, определяющие его способность выполнять требуемые функции Ф- дикции покрытия
Защита НКТ от коррозии, КР и коррозионной усталости Защита НКТ от сульфидного растрескивания Защита НКТ от отложений АСП и минеральных солей Снижение гидравлического сопротивления НКТ Защита НКТ от износа в паре трения со штанговой муфтой
I. Предотвращение коррозии, КР и коррозионной усталости стали в минерализованной водной среде +
2. Предотвращение охрупчивания стали в сероводородсодержащей водной среде +
3. Сцепление с твердыми отложениями АСП и минеральных солей +
4. Износостойкость в паре трения с более жестким контртелом +
5. Шероховатость поверхности + +
6. Дефектность внешняя + + + +
8. Диэлектрическая сплошность + +
9. Геометрические размеры + + + +
К первой группе относятся сложные свойства покрытия: предотвращение коррозии, коррозионного растрескивания и коррозионной усталости защищаемой стали в минерализованной водной среде, предотвращение охрупчивания стали в сероводородсодержащей водной среде, износостойкость в паре трения с более твердым контртелом, сцепление с твердыми отложениями АСП и минеральных солей, однозначно определяющие его способность выполнять соответствующие функции и зависящие от ряда простых свойств, оценить степень влияния которых на выполняемые покрытием функции достаточно сложно. Контроль сложных свойств требует значительных затрат времени и его следует проводить при разработке конструкции покрытия требуемого качества из конкретных материалов, при
периодических испытаниях покрытия на стадии контроля качества его производства и при сертификационных испытаниях.
Ко второй группе относится ряд простых свойств покрытия: внешняя дефектность, адгезия, диэлектрическая сплошность, геометрические размеры, шероховатость, формируемых на стадии производства покрытия. Они существенно зависят от качества процесса формирования покрытия и в значительной мере определяют приведенные в табл. 1 сложные свойства покрытия. Контроль этих свойств достаточно прост, не требует значительных затрат времени и может осуществляться в условиях промышленного производства при приемо-сдаточных испытаниях внутреннего покрытия НКТ.
Проанализированы виды внешних воздействий на НКТ с внутренним покрытием на стадиях их технической эксплуатации и использования по назначению. Выявлены и обоснованы виды внешних воздействий способные вызвать изменение свойств покрытия, определяющих его требуемое качество в течение регламентированного срока службы. К числу подобных воздействий при транспортировании НКТ с покрытием, при монтаже и демонтаже колонны НКТ относятся их поперечный изгиб и внешние локальные контактные нагрузки в сочетании с отрицательной температурой. При использовании НКТ с покрытием по назначению необходимо учитывать воздействие на покрытие транспортируемых эксплуатационных и технологических сред в сочетании с давлением среды и повышенной температурой, силами трения при эксплуатации скважин СШНУ.
Систематизированы в матричной форме моделирующие их воздействия при испытаниях покрытия НКТ в лабораторных условиях и свойства покрытия, контролируемые при этих воздействиях.
В таблице 2 приведены компоненты эксплуатационных и технологических сред, способные вызвать изменение требуемых свойств внутреннего покрытия НКТ, и моделирующие их среды в лабораторных условиях.
Обоснованы показатели и нормы на показатели требуемых свойств внутреннего покрытия НКТ, определяющие его качество в исходном состоянии и при различных видах внешнего воздействия на него на разных стадиях жизненного цикла.
Компоненты эксплуатационных и технологических кой сред активные по отношению к покрытию НКТ Модельная среда
Обезвоженная нефть 3%-ный водный раствор №С1 Пары смеси керосина с толуолом в соотношении 1:1 Серово- дородсо- держащая водная среда ЫАСЕ Вода, содержащая К„а„% кварцевого песка 15%-ный водный раствор соляной кислоты
Свободный углеводородный газ +
Механические примеси, К„а1< % +
15%-ный водный раствор соляной кислоты +
Показано, что традиционно используемые показатели способности покрытия сохранять адгезию в эксплуатационных средах при различных температурах, т.е. адгезионная прочность покрытия после испытаний в модельной среде на заданной базе времени или ее изменение относительно исходного значения после испытаний в модельной среде на заданной базе времени, не обусловливают регламентируемый срок службы покрытия. Предложен новый объективный показатель данного свойства покрытия НКТ -относительное изменение адгезионной прочности в модельной среде при заданной температуре, функционально связанное с регламентированным сроком службы покрытия.
Разработана методика назначения нормы на этот показатель, базирующаяся на кинетике изменения адгезионной прочности во времени в
различных эксплуатационных средах при разных температурах и регламентированном сроке службы покрытия.
Для расчета данной нормы использована разработанная проф. Протасовым В.Н. математическая модель, базирующаяся на флуктуационной теории прочности твердых тел и описывающая изменения адгезионной прочности полимерных покрытий во времени в сорбционно-активных жидких средах:
где г* - время до отслаивания покрытия; а? -предельная прочность адгезионных связей; а"