МЕХАНИЗМ РАЗРУШЕНИЯ ГИБКИХ ТРУБ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ

 

В настоящее время несмотря на большой объем накоплен­ной информации о работе КГТ отсутствует общая теория, объясняющая механизм их разрушения в процессе эксплуата­ции. Наличие подобной теории необходимо для правильной оценки ресурса труб и возможностей прогнозирования их дол­говечности в промысловых условиях.

При нормальной работе КГТ, отсутствии заводского брака и нештатных ситуаций при эксплуатации их долговечность определяется количеством циклов спуска-подъема до потери герметичности. К параметрам режима их работы следует от­нести минимальный диаметр барабана D _б или направляющих, на которых происходит изгиб труб, давление технологической жидкости р_ж в трубе, ее диаметр d _тр и толщину стенки d_тр, а также максимальную глубину спуска КГТ. 'Кроме того, на долговечность трубы оказывают влияние условия работы и ее состояние. К ним относятся наличие механических повреждений и коррозия. Однако они носят случайный характер и в данной работе не рассматриваются.

Анализ перечисленных параметров сразу приводит к выводу о сложности их описания, регистрации и анализа. Это объясня­ется и уникальностью режимов ведения работ на каждой сква­жине, и многообразием вариантов нагружения КГТ даже при проведении одного подземного ремонта скважины. Кроме того, в чисто техническом плане сложность представляет регистрация условий работы трубы в процессе проведения всего комплекса операций - спуск колонны, выполнение технологических опера­ций и ее подъема. Например, даже такая простая в технологиче­ском отношении операция, как промывка скважины, сопровож­дается периодической остановкой КГТ, подъемом ее на неболь­шую величину, повторным спуском и т.д. При этом изменяются давление технологической жидкости, прокачиваемой через тру­бы, температуры окружающей среды и жидкости и т.д. Существенное влияние на интересующие показатели оказывают также I срок и условия хранения трубы до ввода ее в эксплуатацию.

Тем не менее, необходимо прогнозировать срок службы трубы в конкретных условиях и иметь методики расчетов ее долговечности.

Сложность создания подобной теории определяется прежде всего тем, что в настоящее время отсутствуют методики расчета деталей в условиях малоциклического нагружения, материал которых работает за пределом упругости, так как в подобных условиях нагружения не работает ни одна из деталей, приме­няемых в отраслях гражданского и военного машиностроения.

В зависимости от конкретных условий работы гибкой тру­бы и режима эксплуатации агрегата опасными сечениями яв­ляются места перегибов трубы в зонах пластического дефор­мирования при взаимодействии с барабаном, направляющим устройством и выходе из транспортера на вертикальном уча­стке. Анализ напряженных состояний материала в этих сече­ниях приведен в разд. 3.3 и 6.5. Возможен изгиб трубы с об­разованием пластических деформаций и в транспортере, од­нако подобные случаи встречаются лишь при работе неопыт­ного оператора.

При деформации трубы в точках, наиболее удаленных от нейтральной линии изгиба, возникают максимальные напря­жения. При определенном соотношении наружного диаметра трубы и радиуса ее изгиба напряжения могут превысить пре­дел упругости.

Радиус изгиба, соответствующий переходу материала тру­бы из упругого состояния в пластическое, определяется по формуле:

 

R = Ed _тр /2 s _т,

 

где Е - модуль упругости материала трубы.

 

При пределе упругости (для простоты расчетов его прини­мают равным пределу текучести) 480 МПа минимальные ра­диусы изгибов будут следующими:

Наружный диаметр КГТ, мм	19, 1	25, 4	31, 8	38, 1	44, 5
Радиус изгиба (минимальный), м	3, 97	5, 49	6, 71	8, 24	9, 46
Наружный диаметр КГТ, мм	50, 8	60, 3	89	114
Радиус изгиба (минимальный), м	10, 98	60, 3	89	114

 

Из описания конструкций агрегатов и их основных узлов, очевидно, следует, что при существующих габаритах устано­вок и реальных размерах деталей и узлов тракта, по которому проходит гибкая труба, радиусы ее изгиба намного меньше приведенных выше, и поэтому, возникновение пластических деформаций неизбежно. С учетом этого и будем рассматри­вать вопросы прочности гибкой трубы согласно теории пла­стичности, поскольку напряжения, действующие в опасном сечении, превышают предел пропорциональности.

Процесс работы материала КГТ в течение всего срока службы изделия можно охарактеризовать с помощью графи­ков, приведенных на рис. 4.1.

В начале эксплуатации трубы прочностные и деформаци­онные свойства материала соответствуют кривой 1, представ­ляющей по существу диаграмму идеально пластичного мате­риала. При этом напряжения, возникающие при пластиче­ском деформировании трубы в период ее взаимодействия с барабаном, определяются чисто геометрическими параметрами

 

s _и = E × d _{т p} / D _б.

 

 

Рис. 4.1. Диаграммы де­формирования материала КГТ в процессе их экс­плуатации:

а - видоизменение диа­граммы растяжения мате­риала в процессе эксплуа­тации трубы; 1 - исход­ная диаграмма; 2 - 4 -диаграммы, соответствую­щие различным стадиям накопления усталости материалом трубы; 5 - диа­грамма, отражающая мо­мент разрушения трубы; s_в1-s_в4 - пределы проч­ности материала трубы, соответствующие различ­ным стадиям; s_вmax - пре­дел прочности материала трубы, отражающий мо­мент ее разрушения; Δ s - разность между предела­ми прочности и текуче­сти; s_п - предел пропор­циональности материала трубы; ξ _ф - максимальная величина деформаций, имеющая место при разруше­нии трубы; б - напряженное состояние материала трубы в зонах пластического деформирования при ее разматывании и наматывании на барабан; в - то же, в опасном сечении в точке подвеса трубы; нормальные напряжения: s _t - танген­циальные, обусловленные давлением технологической жидкости в трубах, s_z -осевые, обусловленные осевой нагрузкой на трубу и внутренним давлением; t -касательные напряжения, возникающие в результате реактивного крутящего момента при работе забойного двигателя

 

Этой деформации соответствуют напряжения s _а в точке а, которые можно считать равными пределу текучести материа­ла новой трубы s _то. При действии внутреннего давления тех­нологической жидкости и продольного усилия натяжения трубы в продольных и поперечных сечениях возникают сле­дующие нормальные напряжения:

меридиональные

 

s _т = r _ж × D _б /4 × d _тр

 

тангенциальные

s _t = r _ж × D _б /2 × d _тр

 

продольные

 

s _п = Р_пр / F _тр

 

радиальные

 

s _r = - r _ж

 

где F _тр - площадь поперечного сечения трубы;

Р_тр - усилие, растягивающее трубу.

 

Величиной последних можно пренебречь, так как они на порядок меньше других напряжений. Таким образом, напря­женное состояние труб будем считать плоским.

Указанные напряжения действуют на главных площадках, совпадающих с продольным и поперечным сечениями трубы, так как касательные напряжения здесь отсутствуют.

Для расчетов на прочность при сложном напряженном со­стоянии трубы, изготовленной из пластичного материала, наи­лучшим образом подходит энергетическая теория Хубера-Мизеса. Сущность этой теории заключается в том, что в качестве критерия прочности материала, находящегося в сложном на­пряженном состоянии, может быть принята величина накоп­ленной удельной энергии деформации изменения формы. В технической литературе эта теория иногда называется четвер­той. Эквивалентные напряжения а_ЭК8 в данном случае опре­деляются, исходя из величин главных напряжений s ₁, s ₂, s ₃, следующим образом:

 

s _экв = {0, 5 × [( s ₁ - s ₂ )² + ( s ₂ - s ₃ )² + ( s ₃ - s ₁ )²]}^1/2.

 

Эту теорию для прочностных расчетов в основном исполь­зуют специалисты американских и канадских фирм, произво­дящих гибкие трубы.

С учетом положений теории пластичности [19] определим величину эквивалентных напряжений, используя эту теорию как наиболее удобную для описания процессов образования пластических деформаций,

 

s _экв = 2^-1/2[( s ₁ - s ₂ )² + ( s ₂ - s ₃ )² + ( s ₃ - s ₁ )²]^1/2.

Здесь

 

s ₁ = s _и + s _t + s _п = E × d _тр / D _б + р_ж × D _б /2 d _тр + Р_пр / F _тр;

 

s ₂ = s _т = р_ж × D _б /4 d _тр ;

s ₃ = 0;

 

При этом абсолютный запас прочности, выраженный в на­пряжениях, а не в коэффициенте запаса прочности по ее пре­делу, может быть определен как

 

D s ₁ = s _в1 - s _экв

 

Процесс образования трещин в материалах трубы начина­ется в том случае, если D s приближается к нулю.

Для гибкой трубы в начальный период эксплуатации значение D s ₁ достаточно велико, и действие внутреннего давле­ния технологической жидкости не приводит к образованию трещин.

По мере эксплуатации гибкой трубы она подвергается циклическим нагружениям и происходит наклеп на межкристаллическом уровне. При этом увеличиваются твердость и соответственно прочностные показатели. В процессе накоп­ления наклепа пластические свойства материала ухудшаются, протяженность площадки текучести сокращается, а значение вторичного модуля упругости увеличивается. Этот процесс хорошо отражается на графике функции, положение которого изменяется от горизонтального к наклонному. На рис. 4.1 приведено семейство линий (1-5), соответствующих разным стадиям нагружения гибкой трубы и соответственно разным степеням эффекта наклепа.

Процесс упрочнения материала сопровождается перемеще­нием точки а по вертикали, абсцисса которой e _ф соответству­ет величине деформаций при изгибе трубы во время наматы­вания ее на барабан. При этом величина D s _i = s _{в i} - s _экв все время уменьшается. Это обусловлено тем, что в процессе ох-рупчивания s _{в i} растет медленнее, чем s _т. В конце концов на­ступает момент, когда нормальные напряжения, возникающие при пластическом деформировании трубы с образованием деформаций e _ф, становятся равными или близкими к пределу прочности s _{в i}. При этом наличие даже незначительного дав­ления в трубах приводит к образованию микротрещин, кото­рые постепенно распространяются в глубь стенки трубы. Эти трещины, по нашему мнению, должны располагаться в ее по­перечной плоскости, совпадающей с площадками, на которых действуют максимальные главные напряжения.

Из сказанного следует, что Недопустимо использовать плашки транспортеров с насечкой, поскольку последняя про­воцирует образование микротрещин на поверхности гибкой трубы.

Для количественной оценки числа циклов, выдерживае­мых гибкой трубой при ее пластическом деформировании и действии внутреннего давления, необходимо знать законо­мерности изменения прочностных характеристик материала в зависимости от числа циклов нагружения. Подобных данных в обобщенном виде в настоящее время не существует.

Если такие зависимости будут получены, то их можно использовать в практических расчетах для оценки макси­мального давления жидкости, которое должно быть обеспе­чено для новой трубы, прочностные показатели которой из­вестны.

Описанный механизм разрушения гибкой трубы в процес­се ее эксплуатации достаточно хорошо согласуется с данными американских и канадских фирм [20].

Считают, что основными факторами, определяющими долговечность трубы, являются радиус ее изгиба и давление технологической жидкости. Причем последнее в определенном ^диапазоне значений играет решающую роль.

Например, в результате экспериментальных исследований, выполненных специалистами фирмы " Southwestern Pipe Inc.", при испытаниях трубы с наружным диаметром 31, 8 мм и толщиной стенки 2, 2 мм, изготовленной из стали с пределом текучести 480 МПа, и циклическом изгибе по радиусу 1, 83 м получены следующие данные. При давлении жидкости в тру­бе 17, 2 МПа разрушение произошло через 500 двойных цик­лов нагружения (согнуть-разогнуть) при увеличении наруж­ного диаметра до 33 мм, а при давлении 34, 5 МПа - через 150 двойных циклов при увеличении диаметра до 35 мм.

При реальной работе агрегата на скважине число спусков-подъемов трубы в таких условиях в 3 раза меньше [18].

Результаты испытаний, проведенных специалистами фир­мы " Bowen Tools, Inc.", следующие (рис. 4.2): при отсутствии давления трубы, изготовленные из материала с пределом уп­ругости 70 МПа, выдерживают 200 циклов нагружения, а при внутреннем давлении 35 МПа в тех же условиях - 40 циклов. Кроме того, существенное влияние на долговечность оказывает толщина стенки трубы, что подтверждается мате­риалами фирмы " Bowen Tools, Inc.", специалисты которой ввели единицу нагружения колонны труб - один цикл давле­ния [Pressure Cede Unit (PCU)], являющуюся величиной, эквивалентной одному полному циклу спуска и подъема ко­лонны при внутреннем давлении 14 МПа.

1 - число циклов изгиба труб;

2 - число выполненных спусков-подъемов

колонны

Рис. 4.2. Влияние внутреннего давлениятехнологической жидкости на долговеч­ность гибкой трубы:

 

В процессе работы трубы происходит накопление усталости, причем в пределах одной колонны эта величина распределена неравномерно.

Специалисты различных фирм приводят различные описа­ния картины разрушения гибкой трубы. Так, на фирме " Bowen Tools, Inc." считают, что местом, где начинается раз­рушение, является внутренняя (или нижняя) сторона трубы. В этой зоне напряжения, вызванные пластической деформа­цией, имеют отрицательное значение.

Специалисты всех организаций, эксплуатирующих уста­новки, сходятся во мнении, что характер разрушения трубы при ее правильной эксплуатации - усталостный. Механизм разрушения трубы состоит из следующих этапов:

• образования микротрещин;

• дальнейшего роста одной из них до макроразмеров;

• " внезапного" обрыва трубы.

Образование микротрещин провоцируется местными неоднородностями материала, из которого изготовлена труба, или сварного шва.

Существуют и иные версии механизма разрушения трубы, которые, впрочем, не объясняют появления исходной микро­трещины. Так, специалисты фирмы " Bowen Tools, Inc." счи­тают, что основным является гидроклиновый эффект, кото­рый заключается в том, что при открывании трещина запол­няется технологической жидкостью. При взаимодействии с криволинейной направляющей и барабаном жидкость, по­павшая в трещину, запирается в объеме металла и при сжа­тии действует подобно клину, раскалывая трубу. Эту же тео­рию подтверждают и другие исследователи [20]. При этом, однако, не ясно, как возникает исходная микротрещина.

Графики, характеризующие наработку гибкой трубы с наруж­ным диаметром 25 мм и толщиной стенки 2, 2 мм в зависимости от величины внутреннего давления, приведены на рис. 4.2.

По данным Э. Дж. Уолкер [18], развитие трещин начина­ется на поверхности трубы, их направление перпендикулярно образующим трубы. Большинство трещин возникает в результате поверхностных дефектов грубы. В продольном на­правлении по сварному шву их наличия не обнаружено. По результатам испытаний при давлениях порядка 7 МПа ко­лонна диаметром 45, 3 мм выдерживает 157 циклов спуска-подъема, а при давлении 17, 2 МПа - только 17.

Сложность аналитического расчета гибких труб на проч­ность усугубляется еще и плохо предсказуемым их поведени­ем в скважине. Так, в результате малой жесткости труб и на­личия сжимающих нагрузок, обусловленных силами трения и реактивными силами, возникающими при работе инструмен­та, возникает продольный изгиб колонны. Из-за того, что по­теря устойчивости происходит в стесненном объеме скважи­ны (при первой критической нагрузке по Эйлеру), на первом этапе геометрическая форма оси трубы изменяется от прямо­линейной либо изогнутой с большим радиусом кривизны, до синусоидальной. Если продольная сжимающая сила стано­вится больше значения первой критической нагрузки, ось трубы принимает винтовую форму.

В последнем случае резко возрастают усилия трения гиб­кой трубы о стенки канала, в котором она располагается. При достижении определенного предела продольной нагрузки пе­ремещение колонны гибких труб становится невозможным. Этот процесс сопровождается ростом сжимающих напряже­ний.

При дальнейшем увеличении силы происходит разрушение колонны. Радикальным способом для исключения подобного явления, особенно в горизонтальных скважинах, служит ис­пользование инструмента, в котором рабочие усилия созда­ются с помощью гидравлических методов, а также гидравли­ческого способа проталкивания трубы в скважину.

 

⇐ Предыдущая3456789101112Следующая ⇒

Поделиться: