Научные подходы к повышению надежности УЭЦН
Значительного снижения издержек на ремонте скважин можно добиться за счет увеличения ресурса и надежности ЭЦН.
Однако существует ряд методологических трудностей, связанных с недостаточной исследованностью процессов разрушения и деградации свойств материалов, отсутствием единых методик испытаний деталей и узлов установки на ресурс. Определенные проблемы возникают при послеэксплуатационном анализе оборудования, когда необходимо определить причину отказа. Отсутствуют стандарты на методы испытаний, многие термины и определения не отражают физической сути процессов.
В статье представлена концепция и некоторые результаты научно-исследовательской работы, проводимой в ТНК-ВР по Программе двукратного увеличения ресурса УЭЦН.
Суть научного подхода к повышению надежности нефтепогружного оборудования заключается в следующих основных положениях:
- разработка модели отказа на основе знания о процессе (или процессах) разрушения;
- моделирование предельного состояния детали, узла, изделия;
- определение критериев работоспособности;
- разработка корректных методик испытаний деталей, узлов УЭЦН на ресурс;
- испытания деталей, узлов на ресурс в условиях, близких к эксплуатационным, и послеэксплуатационный анализ оборудования с применением научно-обоснованной методики разбора.
УЭЦН — механическая система с последовательно соединенными между собой элементами (узлами). Вероятность безотказной работы такой системы равна произведению вероятностей безотказной работы каждого элемента. При этом выход из строя одного из элементов приводит к отказу всей системы.
Рекомендуемая нами схема предусматривает деление всех отказов на две основные категории (ре «Рекомендуемая к применению структура основных отказов и их причин»).
Стратегия работ по совершенствованию УЭЦН и условий эксплуатации состоит в создании равнонадежной конструкции. Для решения этой задачи выделяются ресурсоопределяющие элементы — детали и узлы, оказывающие наибольшее влияние на снижение ресурса установки.
Разработка модели отказа ресурсоопределяющего элемента системы заключается в исследовании возможного механизма разрушения, процессов изменения состояния изделия (изнашивание, усталостные повреждения, динамика и т.д.) и влияния последних на вероятность наступления отказа. Это можно проиллюстрировать с помощью диаграммы на примере отказа функционирования по критерию прочности — «полет» (см. «Алгоритм формирования отказа»).
В результате исследования поверхности разрушенных деталей с помощью металлографических и электронных микроскопов, рентгеноскопии и других методов определяют физическую природу разрушения. При усталостном характере разрушения зависимость амплитуды переменных напряжений σ детали от количества циклов нагружения N выражают кривой усталости (I квадрант). Причину возникновения переменных напряжений можно представить как результат динамики системы, обусловленной зазорами ε(h) в подвижных сопряжениях (IV квадрант), которые в свою очередь зависят от степени износа (III квадрант). На рисунке приведены графики и зависимости в самом общем виде для иллюстрации принципа. При разработке алгоритма отказа имеет большое значение точная идентификация характера разрушения (усталостное, разрушение при статических нагрузках и т.д.), выделение наиболее влияющих факторов или процессов (динамика, изнашивание и т.п.). Например, при выяснении причин отказа одного насоса были проанализированы болты с усталостным разрушением по галтельному переходу (см. «Усталостные испытания болтов, а)»). Проведенные испытания при переменных нагрузках аналогичного крепежа на усталостной машине дали иные результаты по месту разрушения: резьба (см. «Усталостные испытания болтов, б)»).
Был проведен дополнительный цикл испытаний с изменением характера нагружения по величине осевой силы, условиям закрепления болта и т.д. В результате аналогичный реальному характер разрушения был воспроизведен, что позволило сформулировать гипотезу разрушения, учитывая степень изношенности деталей ЭЦН, уровень вибрации, эксплуатационные факторы.
НАСОСНАЯ СЕКЦИЯ
В качестве ресурсоопределяющих элементов насосной секции рассматриваются рабочая ступень (РС) и износостойкие концевые и промежуточные подшипники. Износ радиальных сопряжений РС и подшипников приводит к динамике системы, а износ радиальных и осевых сопряжений РС — к изменению расходно-напорных параметров (параметрический отказ). Динамика системы в свою очередь влияет на возникновение отказа по критерию прочности (отказ функционирования) и косвенно — на снижение надежности кабеля.
Закон изнашивания насосной секции представляем в виде мультипликативной зависимости:
где J, Jрс — соответственно интенсивность изнашивания насосной секции и рабочей ступени; ka — абразивный фактор; kk — коррозионный фактор; М — свойства материала деталей; А — конструктивный фактор. Вышеприведенные факторы являются по своей физической сути комплексными. Например, коэффициент ka учитывает концентрацию абразивных частиц, их тип, размеры, форму, твердость.
Критерий работоспособности насосной ступени выражается зависимостью:
где h и [h] — соответственно величина и допускаемая величина износа; Т — время работы (ресурс).
Для практического использования зависимости (1) необходимо провести комплекс испытаний на изнашивание РС из различных материалов в абразивосодержащей коррозионно-активной жидкости и определить степень влияния промежуточных подшипников, их расположения по длине насоса на износостойкость (конструктивный фактор).
Для учета конструктивного фактора были проведены испытания на ресурс насосных секций различного конструктивного исполнения (с промежуточными подшипниками, «пакетная сборка» и т.д.) в количестве более 25 штук на горизонтальном стенде. Эти испытания позволили получить два принципиально важных результата.
Во-первых, получена возможность ранжировать насосные секции по износостойкости в зависимости от их конструктива, т.е. типа промежуточных подшипников, их расположения. Благодаря этому можно оценить изменение износостойкости насосных секций вследствие применения различных конструктивных решений.
Во-вторых, получена принципиальная зависимость виброскорости, ее горизонтальной и вертикальной составляющих от степени износа радиальных сопряжений (см. «Зависимость вибрации от износа»).
Эти результаты имеют большое значение при использовании ТМС с каналом измерения вибропараметров. Они позволяют более обоснованно выставлять установки измерительной системы.
РАБОЧАЯ СТУПЕНЬ
Рабочая ступень (РС) является ресурсоопределяющим элементом. Ее необходимо рассматривать и как элемент динамической системы, и как трибологическую систему. Траектория движения вала с РК имеет прецессионный характер и сильно зависит от степени износа подвижных сопряжений. При определенной величине износа периферия колеса начинает контактировать с внутренней поверхностью гильзы НА, а диски РК — с дисками НА. Кроме того, могут возникать эрозионные процессы («промыв»). Причем наблюдается взаимовлияние процессов изнашивания радиальных и осевых сопряжений и влияние их на динамику насосной секции. Многообразие указанных факторов и процессов серьезно осложняет исследование ресурсных характеристик РС.
Поэтому разработан оригинальный стенд (патент на изобретение №2371694) для испытаний РС на ресурс, который, по сути, является физической моделью РС и позволяет исследовать траекторию движения вала при задаваемых в опыте динамических параметрах, обеспечивать различные формы износа радиальных сопряжений, измерять осевую силу (см. «Стенд для испытания рабочих ступеней»). Испытания проводят при замкнутом и разомкнутом контурах движения абразива, который подается в систему с помощью дозатора, в коррозионно-активной или нейтральной средах.
Для оценки ресурса РС вводятся следующие ресурсные характеристики РС:
- скорость изнашивания радиальных сопряжений Vрс;
- скорость изнашивания осевых сопряжений Vос;
- коэффициент стойкости к коррозионно-эрозионному разрушению kк;
- коэффициент асимметрии износа.
Скорость изнашивания сопряжений Vрс и Vос рассчитывается как отношение суммарного износа контактирующих деталей к времени работы. Коэффициент стойкости к коррозионно-эрозионному разрушению kк определяют по формуле:
Методика определения следующая.
Измеряют массу образца ΔМ до опыта и вычитают из нее массу изношенного материала подвижных сопряжений Δmc. Величину Δmc получают расчетным путем, измеряя разницу размеров каждого сопряжения в результате износа. На основании этих измерений вычисляют объем и массу, зная удельный вес материала. Коэффициент асимметрии износа определяют через отношение износов контактирующих деталей. Он, по сути, является и критерием ремонтопригодности. Проведенные испытания различных типов РС позволили получить интересные и полезные результаты. Измерения осевой силы РС показали, что рабочие ступени одной производительности сильно различаются (см. «Измерение осевой силы РС»). Осевая сила наряду с материалами шайбы РК и бурта НА влияет на скорость изнашивания осевых сопряжений. Поэтому производитель должен знать ее величину. В зависимости от реологических свойств жидкости (вода, масло, эмульсия) величина осевой силы изменяется. Особенно интересны изменения при разных соотношениях «вода/масло».
Разработанная методика дает более корректные сравнительные результаты. Так, например, если сравнивать нирезист и порошковый материал типа ЖГр1Д15 или ЖГр1Д25 только по результатам абразивного изна-
шивания, то оба материала обладают приблизительно одинаковой износостойкостью. Принципиально картина меняется, если жидкость обладает коррозионной активностью. В этом случае склонность к коррозионно-эрозионному разрушению у порошковых материалов значительно выше, чем у нирезиста. И лишь высоколегированные порошковые материалы по комплексу свойств идентичны нирезисту. На основании полученных результатов была инициирована программа разработки низколегированных порошковых материалов.
Комплексные испытания РС различных производителей позволили получить ресурсные характеристики для всех применяемых при их изготовлении материалов (нирезист, серый чугун, порошковые материалы, стали), которые использованы при разработке технических требований на оборудование.
Результаты исследования износостойкости промежуточных подшипников из керамических материалов нашли отражение в более ранних публикациях (см., например: Смирнов Н.И. Ресурсные испытания ЭЦН: тест на износ.//Нефтегазовая вертикаль, №12, 2008, 168-171).
ГАЗОСЕПАРАТОР
Ресурсоопределяющим элементом газосепаратора (ГС) является защитная гильза или в более общем случае — корпус. С другой стороны, применяемые в ГС суперкавитирующие колеса и другие устройства, интенсифицирующие турбулизацию пластовой жидкости, являются источником интенсификации процессов разрушения деталей ГС. Причем физически процессы коррозионно-эрозионного разрушения НА и ГС в определенной степени идентичны. Поэтому целесообразно к выработке методов испытаний, моделированию процесса подходить с единых позиций.
Физическая природа «промыва» заключается в воздействии на поверхность детали вихреобразного потока жидкости (см. «Моделирование коррозионно-эрозионного процесса»).
Наличие в жидкости абразивных частиц и химически активных веществ усиливает процесс разрушения. Моделирование процесса разрушения этого вида на стенде (см. «Стенд для испытания рабочих ступеней»), позволило получить аналогичный реальному вид разрушения НА. Из теоретических соображений для описания процесса разрушения («промыв») можно предложить зависимость скорости изнашивания V деталей ГС и НА от влияющих параметров:
где: рН — коррозионная активность среды, ωМ — местная скорость потока, q, d — концентрация и размер абразивных частиц соответственно, НВ — твердость частиц.
Ресурс Т определяется по формуле:
где: h — толщина стенки НА; V — толщина стенки корпуса и защитной гильзы.
Основными путями снижения склонности устройств к «промывам» являются следующие:
- применение материалов с высокой стойкостью к гидроабразивному и коррозионно-эрозионному изнашиванию;
- снижение вихреобразования и местной скорости потока;
- увеличение толщины стенки.
Для оценки требуемых свойств материалов разработана методика и стенд, позволяющий проводить испытания материалов в абразивосодержащей коррозионно-активной среде (см. «Исследование износостойкости материалов»).
Образцы материалов размером 23х15х3 мм устанавливаются на вращающийся ротор, в котором через сопла на образец воздействует струя модельной жидкости.
Опыты, проведенные на стенде с различными материалами, подтвердили правильность гипотезы разрушения (см. «Результаты исследования износостойкости материалов»).
Из таблицы видно, что мало отличающийся износ для разных материалов при воздействии только струи воды с абразивом резко изменяется в условиях комбинированного воздействия абразива и коррозионноактивной жидкости.
ПОСЛЕЭКСПЛУАТАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ
Логическим завершением работ по моделированию процессов разрушения, исследованию свойств материалов, оценке конструктивных решений является послеэксплуатационный анализ. Он проводится на основе специально разработанной методики, учитывающей особенности процесса изнашивания насосных систем, и позволяет получить практически полезные результаты.
Результаты послеэксплуатационного анализа используются, во-первых, при совершенствовании системы GAMS, а во-вторых, при формировании технической политики по повышению надежности и ресурса УЭЦН. Например, обработка результатов по износу радиальных и осевых сопряжений 60 ЭЦН, позволяет сделать вывод о том, что по износу радиальных сопряжений оборудование для данных условий эксплуатации имеет значительный запас, а по износу осевых сопряжений запас небольшой (см. «Износ радиальных и осевых сопряжений»). Поэтому техническая политика должна быть направлена в этом конкретном случае на повышение осевой износостойкости ЭЦН.
Для отправки комментария вам необходимо авторизоваться.