Производственно-технический нефтегазовый журнал
+7 (903) 580-85-63 +7 (495) 371-01-74 info@glavteh.ru

Анализ причин отказов УЭЦН при эксплуатации в осложненных условиях

Вал установки электроцентробежного насоса (УЭЦН) представляет собой один из наиболее нагруженных ее элементов, слом которого входит в число самых распространенных причин выхода УЭЦН из строя. В этой связи материалы, применяемые для изготовления валов, должны обладать высокой прочностью, достаточной пластичностью и коррозионной стойкостью.

В настоящей статье приводятся результаты анализа характера и видов разрушения валов УЭЦН, применявшихся для добычи нефти в скважинах осложненного фонда одного из российских нефтедобывающих предприятий. На основании проведенного анализа были определены основные технологические и эксплуатационные причины слома валов, а также составлены рекомендации по профилактике преждевременных отказов УЭЦН вследствие механического изнашивания вала.

31.10.2017 Инженерная практика №09/2017
Деговцов Алексей Валентинович Доцент кафедры машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, к.т.н.

В настоящее время более 80% всей нефти в России добывается при помощи УЭЦН, которыми оборудованы около 55% скважин действующего фонда нефтедобывающих компаний. УЭЦН отличаются высокой эффективностью (КПД до 65%) и надежностью – наработка на отказ во многих случаях превышает 700 суток. Такие высокие показатели по наработке зависят от многих условий, к основным из которых относятся конструктивное совершенство оборудования, качество изготовления, сборки, монтажа, правильный подбор оборудования и материалов с учетом условий эксплуатации, соблюдение технологии запуска и эксплуатации системы «пласт – скважина – насосная установка». Существенное влияние на показатели наработки УЭЦН также оказывают различные осложняющие факторы, такие как коррозия, вынос мехпримесей, высокий газовый фактор и др.

Для производства валов отечественных погружных центробежных насосов применяются металлические прутки со специальной отделкой поверхности, изготовленные из коррозионно-стойкой высокопрочной стали марки 03X14Н7В (σт=930 МПа, σт=785 МПа) или специального сплава Н65Д29ЮТ-ИЩ (К-монель) с пределами прочности и текучести σв=980 МПа и σт=880 МПа соответственно. Заготовки для валов (прутки) выпускаются диаметром 12,8, 14,17, 20, 22, 25, 28 и 30 мм [1]. Валы импортных насосов также изготавливаются из высокопрочной нержавеющей стали или сплавов MonelK 500, Inconel 718 и др.

Рис. 1. Распределение отказов по причине слома вала УЭЦН по элементам установки
Рис. 1. Распределение отказов по причине слома вала УЭЦН по элементам установки

Автором настоящей статьи был проанализирован 51 случай отказа УЭЦН, эксплуатируемых в 46 скважинах одного из российских месторождений. К осложняющим факторам, характерным для данного месторождения, относятся сложная конструкция скважин (большой горизонтальный участок ствола и необсаженный забой); высокое содержание механических примесей (до 2780 мг/л) и их высокая твердость (кварц твердостью 7 по шкале Мооса) в пластовой продукции; высокие дебиты жидкости скважин (более 500 м3/сут), а также повышенное содержание газа (газовый фактор до 1039 м3/т) и солеотложение. Распределение отказов по элементам УЭЦН по причине слома вала представлено на рис.1.

ВИДЫ ИЗЛОМА ВАЛОВ УЭЦН

Валы насосов постоянно находятся в сложном напряженном состоянии: при кручении в поперечном сечении возникают касательные напряжения, достигающие наибольшего значения в точках сечения у поверхности вала. Кроме того, из-за большой длины установки и кривизны скважины образуется изгиб вала, при котором в поперечном сечении возникают нормальные напряжения, достигающие максимального значения в крайних волокнах (рис. 2).

Рис. 2. Напряженное состояние валов УЭЦН
Рис. 2. Напряженное состояние валов УЭЦН
Рис. 3. Пластический излом вала
Рис. 3. Пластический излом вала

Проведенный нами анализ разрушенных валов показал, что характер излома может быть как пластическим, так и усталостным. Пластические изломы – это изломы, которые происходят под углом 90° к оси вала и сопровождаются значительными пластическими деформациями детали в месте излома. Пластические изломы, как правило, происходят в местах значительного радиального износа или в местах с ослабленным сечением (например, в месте шлицевого соединения) (рис. 3).

Рис. 4. Усталостное разрушение вала протектора под углом 45°
Рис. 4. Усталостное разрушение вала протектора под углом 45°

Усталостные изломы – это изломы, которые происходят в результате воздействия переменных напряжений в течение определенного временного промежутка. Чаще всего встречаются усталостные изломы, возникающие при напряжениях ниже предела текучести вследствие накопления в материале необратимых изменений (образование и дальнейшее развитие трещин и т.д.). Под действием высоких номинальных напряжений усталостный слом вала происходит под углом примерно 45° к оси вращения (рис. 4). При этом получается характерный вид излома с двумя зонами: зоной развивающихся трещин и зоной, по которой произошел излом. Поверхность первой зоны гладкая, второй – с раковинами, иногда зернистая (рис. 5).

Рис. 5. Усталостное разрушение вала
Рис. 5. Усталостное разрушение вала

Еще одна характерная особенность валов заключается в том, что они работают при циклическом изгибе наиболее опасного симметричного цикла, который возникает вследствие того, что вал, вращаясь, поворачивается к действующим изгибающим нагрузкам то одной, то другой стороной.

Следует также помнить, что усталостное разрушение, как правило, возникает в местах концентрации напряжений, которые приводят к появлению усталостных трещин. Напряжения могут возникать на грубо обработанной поверхности при наличии проточек, рисок и царапин, а также в местах образования коррозии и шлицевых соединениях.

Рис. 6. Места концентрации напряжений вала ЭЦН
Рис. 6. Места концентрации напряжений вала ЭЦН

На рис. 6 показаны результаты компьютерного моделирования работы вала серии 10ЭЦНД5А-250 при приводной мощности 125 кВт и вертикальном расположении ЭЦН.

ИЗНОС ВАЛА

Основной причиной слома валов служит износ как самого вала, так и рабочих органов насоса (рабочих колес, направляющих аппаратов, ступиц, втулок, подшипников). На величину износа элементов ЭЦН существенное влияние оказывают такие факторы, как применяемые материалы, количество и твердость механических примесей, содержащихся в пластовой продукции, режимы работы оборудования [2].

Различают несколько видов износа. Основной из них – механическое изнашивание, происходящее в результате истирания поверхности, выламывания частиц, пластического деформирования и др. В свою очередь, механическое изнашивание подразделяется по механизму изнашивания на абразивное и усталостное.

Абразивное изнашивание – это механическое изнашивание материала в результате режущего или царапающего действия твердых тел. При этом происходит истирание (срезание) поверхностного слоя металла и искажение геометрических размеров у совместно работающих деталей. Этот вид износа часто возникает при работе таких распространенных сопряжений деталей, как «вал – подшипник», «вал – ступица рабочего колеса насоса», «опорная поверхность рабочих колес – опорный бурт направляющего аппарата».

Гидроабразивный износ –это механическое изнашивание материала в результате режущего или царапающего действия твердых тел, находящихся в потоке жидкости.

И последний вид механического изнашивания – это виброабразивный износ. Возникающие при вибрации дисбалансные силы провоцируют начальное силовое замыкание трущихся поверхностей, между которыми в скважине могут находиться мехпримеси (абразив) твердостью 6-8 по шкале Мооса. Наличие абразива в сочетании со значительной силой соприжатия поверхностей трения приводит к катастрофическому износу (рис.7).

Рис. 7. Виброабразивный износ рабочих элементов ЭЦН
Рис. 7. Виброабразивный износ рабочих элементов ЭЦН

При откачке абразивной среды может очень быстро наступить недопустимый с точки зрения усталостной прочности локальный виброабразивный износ пар трения рабочих органов ЭЦН.

ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПОВЫШЕННЫХ ВИБРАЦИЙ В ЭЦН

Повышенный уровень вибраций ЭЦН может возникать по причинам как механического, так и гидравлического характера. К первым можно отнести динамическую неуравновешенность рабочих колес и вала насоса. Ко вторым (которые приводят к появлению вибраций в насосе) относят нестационарность потока в проточной части насоса, что вызывает пульсации скоростей и давлений и, следовательно, приводит к появлению пульсирующей радиальной силы.

На характер течения в рабочем колесе существенное влияние оказывает угол атаки, который влияет на величину потерь и вибраций в лопастной системе насоса (рис. 8). При слишком больших расходах возникают большие положительные углы атаки (рис. 8 а), происходит отрыв потока с тыльной стороны профиля, образуется вихревая область, создающая большие потери и вибрации. При малых расходах возникает слишком большой отрицательный угол атаки (рис. 8 в). При этом также образуется вихрь на лицевой стороне профиля, потери и угол отставания потока возрастают, а вибрации увеличиваются. Оптимальный расход соответствует правильно подобранному углу атаки (рис. 8 б), при котором происходит почти безотрывное обтекание потоком профиля лопатки, что позволяет максимально понизить уровень вибраций [3].

Рис. 8. Схема течения жидкости в рабочем колесе при различных углах атаки
Рис. 8. Схема течения жидкости в рабочем колесе при различных углах атаки

Уровень вибраций в УЭЦН также зависит от режимов работы установки. В соответствии с российскими и зарубежными стандартами (в частности, со стандартом Американского нефтяного института API 610) номинальная подача должна находиться в диапазоне 80110% в точке максимального КПД (пункт 5.1.14). Насос при этом эксплуатируется в рабочем диапазоне с высоким КПД и низким уровнем вибрации, что существенно увеличивает наработку на отказ (рис. 9) [3].

Рис. 9. Связь между подачей и вибрацией
Рис. 9. Связь между подачей и вибрацией

Современные УЭЦН оснащены приводами с частотным регулированием, что позволяет изменять расходно-напорную характеристику (РНХ) в широком диапазоне частот вращения: от 30 до 70 Гц (рис. 10).

Рис. 10. Расходно-напорные характеристики ЭЦН при различных частотах вращения
Рис. 10. Расходно-напорные характеристики ЭЦН при различных частотах вращения

При этом возможен выход параметров работы за границы рабочей части характеристики. Неправильный подбор установки к параметрам скважины приводит к росту уровня вибрации, что при наличии механических примесей влечет за собой катастрофический радиальный износ валов и других рабочих элементов насоса и увеличивает вероятность усталостного слома вала за короткий промежуток времени. Помимо этого, при высоких частотах вращения наработка оборудования сокращается по причине увеличения скорости износа.

Рис. 11. Анализ характера слома валов УЭЦН
Рис. 11. Анализ характера слома валов УЭЦН

На рис. 11 представлены результаты анализа характера слома валов УЭЦН. Как уже отмечалось, объем выборки по разрушенным валам составил 51 единицу. В 47% случаев причиной слома стал усталостный излом, на втором месте – пластический излом (39% отказов), на третьем – пластический излом без износа под действием избыточной нагрузки (14% или семь отказов). Отметим, что в 71% случаев отказ обусловлен выносом механических примесей и в 29% – отложением солей в рабочих органах ЭЦН.

Анализ режимов и условий эксплуатации УЭЦН показал, что преждевременные отказы по причине слома вала происходят не только вследствие выноса механических примесей, но также при повышенных частотах вращения в процессе эксплуатации скважины. При эксплуатации высокодебитных скважин (с дебитом более 500 м3/сут) с содержанием механических примесей в пластовой продукции более 0,5 г/л и твердостью по шкале Мооса 7 и выше необходимо ограничить частоту вращения вала ЭЦН 3000-3200 об/мин (50-53 Гц).

ЛИТЕРАТУРА

  1. Нефтепромысловое оборудование / В.Н. Ивановский, В.И. Дарищев, В.С. Каштанов, И.А. Мерициди, Н.М. Николаев, С.С. Пекин, А.А. Сабиров. – М.: ЦентрЛитНефтеГаз, 2006.
  2. Деговцов А.В., Соколов Н.Н., Ивановский А.В. К вопросу о выборе материалов ступеней центробежного насоса для эксплуатации в осложненных условиях // Территория НЕФТЕГАЗ. 2016. №11. С.88.
  3. Проектирование и исследование ступеней динамических насосов / В.Н. Ивановский, А.А. Сабиров, А.В. Деговцов, С.С. Пекин, Ю.А. Донской, Н.Н. Соколов, А.В. Кузьмин. – М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2015.
Комментарии

Эту публикацию еще никто не прокомментировал. Станьте первым, поделитесь своим мнением.

Написать комментарий
Комментировать
Читайте далее
Компоновки для одновременно-раздельной добычи и одновременно-раздельной закачки с системой контроля параметров в режиме онлайн
Опыт эксплуатации механизированного фонда скважин Лыаельской площади Ярегского месторождения НШУ «Яреганефть»
Реклама
Свежий выпуск
Инженерная практика №03/2018

Инженерная практика

Выпуск №03/2018

Сбор, подготовка и транспорт нефти.Рациональное использование ПНГ
Испытания установки предварительной подготовки дисперсных системРеализация программы утилизации ПНГ в ПАО «ЛУКОЙЛ»Оценка дебита скважин с использованием PVT-зависимостейУтилизация ПНГ: ароматизация тяжелых фракций, жидкофазное окислениеИнгибирование солеотложений карбонатного типаМеталлографитные покрытияАнализ операционных процессов при строительстве скважинСопровождение разработки и мониторинга объектов
Ближайшее совещание
Механизированная добыча, Разработка месторождений
Мониторинг — 2018
Производственно-технический семинар-совещание

Мониторинг ‘2018. Системы мониторинга и управления для эксплуатации мехфонда и контроля разработки месторождений

18 июня 2018 г., г. Москва
Интеллектуализация процессов добычи нефти (автоматизация, телемеханизация, интеллектуальные станции управления) с целью сокращения затрат, повышения наработки оборудования и дебита жидкости, увеличения энергоэффективности и контроля разработки месторождений, внедрение нового программного обеспечения, геофизического оборудования, интеллектуализация систем одновременно-раздельной эксплуатации (ОРЭ) и др.
Общая информация Планируется
Ближайший тренинг
Механизированная добыча
Эффективность механизированного фонда — июнь 2018
Тренинг-курс

Повышение эффективности эксплуатации механизированного фонда скважин

18 – 22 июня 2018 г., г. Москва
Цель курса состоит в создании у слушателей комплексного и разностороннего представления о современной теории и практике работы с механизированным фондом скважин при решении ряда основных производственно-технических задач. Занятия проводятся с использованием новейших презентационных материалов и программных комплексов экспертами-практиками с большим производственным и научным опытом.