книги / Технологические процессы и технические средства для глубинно-насосной эксплуатации нефтяных скважин

одной обмотки 5 намагничивания по отношению к структуре участка насосной штанги 3 в пределах другой обмотки 5 намагничивания. В случае, если магнитные проницаемости участков структуры, лежащих в зоне первой и второй обмоток 5, отличаются друг от друга, на выходе измерительных обмоток 6 возникают ЭДС. Этот сигнал в процессе перемещения измерительных обмоток 6 вдоль штанги 3 поступает на вход быстродействующего регистратора.

Рис. 2.14. Распределение магнитного потока, пронизывающего насосную штангу при входе участка штанги с неоднородной структурой в зону первой обмотки измерительной системы

Для того чтобы распознать дефекты несплошности либо неоднородности структуры насосной штанги 3, повторно нагружают насосную штангу от величины минимального ее нагружения в скважине (F1 = 1000 кГс) до величины максимального ее нагружения (F1 = 3000 кГс) и постепенно снимают механическую нагрузку до величины 1000 кГс. При этом нагрузка изменяется во времени и по длине насосной штанги. Это изменение определяется величиной 500 кГс на длине 1 м за 0,5 с. Одновременно с нагружением насосной штанги 3 производят ее намагничивание постоянным током Iо = 0,5 А, Iр = 1,35 А путем перемещения от конца штанги 3 до ее начала двух обмоток 5 намагничивания. Намагничивание штанги 3 и измерение сигнала осуществляется аналогично изложенному ранее.

151

Поскольку в данном способе вначале производят нагружение горизонтально расположенной штанги 3, обеспечивается выпрямление тела насосной штанги 3, а также уменьшается ее прогиб, чем обеспечивается в процессе неразрушающего контроля одинаковый для всех штанг 3 гарантированный эксцентриситет между ее наружной поверхностью и внутренней поверхностью обмоток 5 намагничивания и измерительных обмоток 6.

Нагружение штанги 3 от величины ее минимального нагружения в скважине до величины ее максимального нагружения в скважине и вновь до величины минимального нагружения обеспечивает условия, идентичные условиям, которые испытывает насосная штанга 3 в скважине, а именно: минимальное нагружение – это нагружение колонны насосных штанг 3 при ходе ее вниз, максимальное нагружение – нагружение, которое испытывает колонна насосных штанг 3 при ходе вверх с поднимаемой жидкостью.

Исходя из того, что насосная штанга 3 при магнитоиндукционном контроле находится под воздействием изменяющейся по величине и во времени механической нагрузки, достигается надежное выявление дефектов неоднородности структуры.

Таким образом, благодаря деформации насосной штанги 3 в процессе ее намагничивания, происходит приращение намагниченности изделия, т.е. возрастает величина индукции в теле насосной штанги в процессе намагничивания. Кроме того, сравнивая по дефектограмме на рис. 2.12 уровни выходного сигнала (канал 1) при прямом перемещении (при токе намагничивания I = Iн, при обратном перемещении систем (ток намагничивания 0 < Iр < Iн), судят о природе дефекта. Уменьшение тока намагничивания ведет к уменьшению основного магнитного потока. Если уровень выходного сигнала при уменьшении тока намагничивания уменьшается незначительно (обратное перемещение обмоток), это говорит о дефекте несплошности, а если уровень выходного сигнала при уменьшении тока намагничивания резко уменьшается, это говорит о дефекте неоднородности структуры.

152

Эффективность магнитоиндукционного контроля протяженных ферромагнитных изделий на примере насосных штанг, нашедшего применение в ПО «Пермнефть», ПО «Укрнефть», ПО «Белоруснефть» МНП СССР и НК «ЛУКОЙЛ» и в других компаниях РФ, подтверждена результатами усталостных испытаний насосных штанг, бывших в эксплуатации, представленными в табл. 2.3 и 2.4.

Таблица 2 . 3

Предел выносливости насосных штанг, бывших в эксплуатации, отобранных по результатам магнитоиндукционного контроля протяженного ферромагнитного изделия

Примечание. Серии64(1), 66(1), 65(1) выполненыизштанг, находившихсявэксплуатациинаместорожденияхНГДУ«Осинскнефть», ПО «Пермнефть», г. Оса

Примечание. Серии73, 73(1), 74, 74(1), 74(2) выполнены изштанг, находившихся вэксплуатации наместорождених НГДУ«Краснокамскнефть», ПО«Пермнефть», г. Краснокамск

153

Таблица 2 . 4

Предел выносливости насосных штанг, бывших в эксплуатации, прошедших магнитоиндукционный контроль и отобранных по результатам усталостных испытаний на воздухе

Примечание. Серия 64(1) выполнена из штанг, находившихся в эксплуатации на месторождениях НГДУ «Осинскнефть», ПО «Пермнефть», г. Оса.

При этом принятая база испытаний на воздухе насосных штанг, а именно – 5·10 6 циклов и 20·106 циклов, соответствует 2,5 и 10 годам эксплуатации штанги в среде добываемой жидкости согласно исследованиям, выполненным совместно со специалистами кафедры «Сопротивления материалов» Пермского политехнического института. Пример практической реализации [5, 7, 10, 60, 55] промышленного устройства для осуществления способа неразрушающего магнитоиндукционного контроля насосных штанг пред-

ставлен на рис. 2.15, 2.16, 2.17.

Таким образом, данный способ неразрушающего контроля штанг позволяет из объема штанг, например находившихся в эксплуатации, с высокой степенью достоверности выявить насосные штанги, пригодные для дальнейшей эксплуатации, независимо от качества подготовки их внешней поверхности.

154

2.4. Неразрушающий контроль структуры металла протяженного изделия растяжением и кручением (на примере насосной штанги)

Рассматриваемый способ контроля металла протяженного изделия относится к неразрушающим методам контроля структуры металла протяженных ферромагнитных и неферромагнитных изделий, в частности насосных штанг, используемых при механизированной нефтедобыче, и предназначен для экспресс-индикации структурной неоднородности материала изделий, связанной с нарушением режима при объемной термообработке в процессе изготовления, а также структурной неоднородности, возникшей в процессе эксплуатации изделия [6].

Способ заключается в том, что насосную штангу деформируют продольным нагружением в области упругой деформации, проводят индикацию насосной штанги путем нанесения на ее поверхность от одного конца до другого параллельно продольной оси прямой индикаторной линии красящим веществом и производят ее кручение. Осуществляют визуальный контроль за траекторией индикаторной линии, по которой судят о наличии дефектов в металле. После снятия крутящего момента, приложенного к штанге, прошедшей контроль, продолжают продольное нагружение в области упругопластической деформации до величины, не превышающей предела прочности материала насосной штанги, и вновь производят кручение в этой же области деформации. Снимают крутящий момент и продольное нагружение ивновь осуществляют визуальный контроль за траекторией индикаторнойлинии, по которой судят оналичии дефектов металла.

Данное решение обеспечивает экспрессность способа при достаточной достоверности выявления структурной неоднородности металла как ферромагнитных, так и неферромагнитных изделий.

Экспрессность способа достигается тем, что в способе контроля структуры металла протяженного изделия, включающем продольное нагружение изделия в области упругой деформации до величины, не превышающей предела пропорциональности, кручение изде-

156

лия и снятие после него крутящего момента, продолжение продольного нагружения изделия до величины, не превышающей предела прочности материала изделия в области упругопластической деформации, кручение нагруженного изделия в указанной области и снятие крутящего момента и продольного нагружения, индикацию изделия и контроль за выходным сигналом, по которому судят о наличии дефектов неоднородности структуры металла, существенным является то, что индикацию изделия проводят после продольного нагружения изделия в области упругой деформации до величины, не превышающей предела пропорциональности, причем индикацию изделия производят путем нанесения на поверхность протяженного изделия от одного его конца до другого параллельно продольной оси изделия индикаторной прямой линии, например, красящим веществом, затем производят кручение изделия, находящегося под указанной нагрузкой, до величины касательных напряжений, не превышающих предела пропорциональности, после чего осуществляют визуальный контроль за траекторией индикаторной линии, по которой судят о наличии дефектов неоднородности структуры металла изделия, снимают крутящий момент и продолжают продольное нагружение изделия в области упругопластической деформации до величины, не превышающей предела прочности материала изделия, для изделий, прошедших контроль в области упругой деформации, и вновь производят кручение изделия в указанной области деформации, снимают крутящий момент и продольное нагружение изделия, после чего вновь осуществляют визуальный контроль за траекторией индикаторной линии, по которой судят о наличии дефектов неоднородности структуры металла изделия.

Известно, что при деформации изделия путем продольного нагружения происходит его удлинение, причем величина удлинения элементарных участков изделия находится в прямой зависимости от механических свойств материала изделия, характеризующих качество структуры металла, зависящих, например, от химического состава материала, качества термической обработки, предварительных остаточных деформаций и т.п. Деформация кручением позволяет осуще-

157

ствлять поворот элементарных участков изделия относительно друг друга в плоскостях, перпендикулярных продольной оси изделия, причем угол поворота этих элементарных участков также зависит от механических свойств материала изделия.

Поскольку индикацию изделия при контроле проводят после продольного нагружения его в области упругой деформации, появилась возможность нанести индикаторную линию на поверхность протяженного изделия от одного его конца до другого параллельно оси изделия в виде прямой линии, что позволяет в последующем при деформации изделия кручением до величины касательных напряжений, не превышающих предела пропорциональности, видоизменить траекторию индикаторной линии из прямой в винтовую и визуально наблюдать за характером изменения этой траектории. И поскольку углы поворота элементарных участков протяженного изделия при его кручении зависят от механических свойств материала изделия в каждом таком участке, то при изменении угла сдвига индикаторной линии на элементарных участках относительно друг друга можно судить о наличии в структуре металла изделия дефектов неоднородности структуры. Проведение индикации изделия путем нанесения на его поверхность индикаторной линии красящим веществом позволяет формировать выходной сигнал о наличии дефектов структуры металла как ферромагнитных, так и неферромагнитных изделий.

Для обеспечения достоверности контроля для штанг, прошедших контроль в области упругой деформации, после снятия крутящего момента производят продольное нагружение с последующим кручением в области упругопластической деформации и выявляют такие особо опасные дефекты неоднородности структуры, как «шейка», что невозможно было обнаружить в области упругой деформации. После снятия продольного нагружения и крутящего момента после деформирования изделия в области упругопластической деформации появилась возможность визуально выделить участки с дефектами неоднородности структуры, характеризуемые разными углами сдвига индикаторной линии по отношению друг к другу.

158

Протяженное изделие – насосную штангу, предназначенную для контроля, укладывают в захваты нагрузочной машины [62, 63]. Нагрузочная машина снабжена механизмами для продольного нагружения и приложения крутящего момента к свободному концу насосной штанги, другой конец насосной штанги жестко закрепляют в неподвижный захват нагрузочной машины. В свою очередь неподвижный захват связан с механизмом, обеспечивающим продольное нагружение насосной штанги, а подвижный захват связан с механизмом, обеспечивающим кручение тела насосной штанги.

Нагрузочная машина также снабжена двумя диаграммными аппаратами с датчиками. Первый диаграммный аппарат снимает зависимость величины продольного нагружения штанги от величины ее продольной деформации. Второй диаграммный аппарат фиксирует зависимость между крутящим моментом, приложенным к штанге, и углом ее закручивания.

Насосную штангу, уложенную в захваты нагрузочной машины, под действием приложенной нагрузки деформируют пропорционально приложенным напряжениям, причем процесс нагружения в области упругой деформации прекращают при достижении предела пропорциональности. Затем при сохранении продольной нагрузки на поверхность насосной штанги от одной головки до другой параллельно продольной оси изделия наносят индикаторную прямую линию красящим веществом (например, масляной краской, люминесцентным красителем и т.п.).

После индикации производят кручение штанги до величины касательныхнапряжений, не превышающих предела пропорциональности.

При достижении указанной величины нагружения процесс кручения изделия прекращают и осуществляют визуальный контроль за траекторией индикаторной линии, по которой судят о наличии дефектов неоднородности структуры металла изделия, в результате чего часть штанг отбраковывают. Уменьшают величину крутящего момента, приложенного к штанге, до нулевого значения и продолжают нагружение штанги в области упругопластической деформации до величины, не превышающей предела прочности материала изделия.

159

При достижении непропорционального удлинения (пластической деформации) штанги процесс ее нагружения прекращают

ипроизводят кручение находящегося под указанной нагрузкой изделия до величины, не превышающей предела прочности материала. Процесс продольного нагружения и процесс кручения записывают на диаграммную ленту для последующего анализа и прекращения процесса нагружения и кручения насосной штанги. Осуществляют разгрузку изделия от действия продольной растягивающей нагрузки

икрутящего момента.

Насосную штангу высвобождают из захватов нагрузочной машины и укладывают на монтажный стол для визуального контроля за траекторией индикаторной линии на наружной поверхности тела штанги, которая отображает остаточную деформацию, вызванную продольным нагружением и кручением штанги в области упругопластической деформации. Вид индикаторной линии позволяет достоверно судить об однородности и неоднородности структуры металла ферромагнитного или неферромагнитного изделия.

Данное техническое решение было реализовано при входном неразрушающем контроле насосных штанг 19М8Б. 8038У (изготовитель – АО «Мотовилихинские заводы», г. Пермь, Пермская обл.) с целью выявления структурной неоднородности материала теланасоснойштанги.

Насосную штангу ШН 19 длиной 8150 мм уложили в захваты нагрузочной машины и под действием продольной нагрузки осуществили упругое удлинение насосной штанги на величину 10 мм. Затем при сохранении продольной растягивающей нагрузки на поверхность насосной штанги нанесли индикаторную тонкую линию белой масляной краской параллельно продольной оси штанги от одной ее головки до другой.

Далее при консольном жестком закреплении одного конца насосной штанги осуществили деформацию тела штанги кручением на угол 120°, т.е. до величины касательных напряжений, не превышающей предела пропорциональности. После этого осуществляли визуальный контроль за траекторией индикаторной линии, по которой судили о качестве структуры металла контролируемой штанги.

160