книги / Эксплуатация оборудования для бурения скважин и нефтегазодобычи

где 7^ и Т ’р - среднее время безотказной работы оборудования

соответственно до повышения надежности и после; т'р и т*р -

среднее время восстановления соответственно до повышения на­ дежности и после.

Из этого выражения следует, что мероприятия по повышению надежности целесообразны при условии

Время, требуемое на ремонт оборудования, уменьшают с по­ мощью рационального конструирования оборудования и исполь­ зования передовых методов эксплуатации.

Оценить эффективность того или иного метода повышения надежности можно на основании сравнения количественных ха­ рактеристик надежности.

Вероятность безотказной работы оборудования, интенсивность отказов которого уменьшена в k раз, при X = const будет

где X - интенсивность отказов оборудования до ее понижения. Выигрыш надежности по вероятности отказов и среднему

времени безотказной работы в этом случае определяется выра­ жением

(4.9)

Из (4.9) видно, что при Xt -> 0 выигрыш надежности по ве­ роятности отказов равен l/k. С ростом Xt он убывает и в области больших A.Éстремится к единице. Выигрыш надежности по сред­ нему времени безотказной работы растет пропорционально ко­ эффициенту k.

Существует мнение, что надежность объекта в процессе экс­ плуатации можно лишь поддерживать на определенном уровне, который заложен при проектировании и изготовлении. Превзой­ ти же этот уровень невозможно.

Действительно, объекты, находящиеся в эксплуатации, обла­ дают так называемой «встроенной» надежностью с параметром Гер. Под «встроенной» надежностью понимается рассчитанное конструктором значение средней наработки до отказа Гер. Это

Таким образом, в процессе эксплуатации общее число отказов может быть уменьшено и

В этом заключается сущность активного воздействия эксплуа­ тационных мероприятий при обеспечении заданной надежности. Работы, выполняемые в соответствии с комплексной программой обеспечения надежности оборудования на этапе эксплуатации, направлены на поддержание заданного уровня надежности. Ос­ новные принципы поддержания уровня надежности, которые за­ ложены при проектировании, производстве, монтаже и наладке оборудования, реализуются в программе ТО и Р.

Таким образом, высокий уровень надежности, предусматри­ ваемой программой ТО и Р при эксплуатации оборудования, обеспечивается неукоснительным соблюдением требований НТД путем сохранения всех параметров систем на протяжении уста­ новленных ресурсов и сроков службы. С этой целью в процессе эксплуатации реализуется комплекс задач по оценке и анализу уровня надежности оборудования, включающий:

статистический и инженерный анализ надежности оборудова­ ния, находящегося в эксплуатации;

оценку соответствия надежности оборудования техническим условиям (ТУ);

изучение влияния условий и особенностей эксплуатации обо­ рудования на показатели его надежности;

разработку и осуществление мероприятий по уменьшению от­ рицательного воздействия условий и режимов эксплуатации на надежность оборудования;

предъявление заводам рекламаций на низкое качество про­ дукции;

подготовку обоснований для увеличения ресурсов оборудова­ ния и совершенствования эксплуатационной и нормативно­ технической документации.

Управление надежностью - это целенаправленная деятель­ ность по обоснованию, планированию, обеспечению, поддержа­ нию и повышению характеристик безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости объектов.

Целью управления надежностью является обеспечение задан­ ного уровня безопасности и экономической эффективности обо­ рудования.

Основными задачами управления надежностью являются: сбор, анализ и обобщение статистических данных о надежно­

сти оборудования;

го, математического, программного и технического обеспечения всех необходимых расчетов надежности для оценки текущего уровня безопасности оборудования, определения фактических значений показателей надежности оборудования, оценки ресурса оборудования, планирования замены оборудования;

2) обучение специалистов цехов, отделов и лабораторий по сбору, обработке и анализу данных по надежности в единой информационной среде нефтегазодобывающего общества и по­ мощь им;

3) постоянное совершенствование системы сбора и обработки данных по надежности оборудования на основе современных программных комплексов и развитых средств ЭВТ.

Основные элементы программы управления надежностью на этапе эксплуатации приведены на рис. 4.6.

Глава 5

ПРИЧИНЫ ОТКАЗОВ ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ

5.1. СПЕЦИФИКА УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ БУРЕНИЯ СКВАЖИН, ДОБЫЧИ И ПОДГОТОВКИ НЕФТИ И ГАЗА

Несмотря на многообразие функционально и конст­ руктивно отличающихся видов оборудования для бурения сква­ жин и нефтегазодобычи по условиям эксплуатации следует раз­ личать две основные группы оборудования: наземное и скважин­ ное. Большинство видов наземного оборудования эксплуатирует­ ся на открытом воздухе, поэтому они подвергаются внешним климатическим воздействиям. Климатические условия весьма разнообразны. В северных районах температура воздуха в зим­ ний период снижается до минус 50 °С, а иногда и до минус 60 °С. В южных районах температура воздуха в летний период достигает плюс 50 °С. Климатические условия влияют на тепло­ вой режим работы оборудования, коррозионную активность ок­ ружающей среды, трудоемкость и качество технического обслу­ живания и ремонта.

При эксплуатации в условиях низких температур возникает опасность разрушения металлоконструкций, вызванная повыше­ нием хрупкости материалов, выхода из строя устройств для осу­ шения сжатого воздуха и удаления жидкого конденсата, систем управления. В результате преждевременного разрушения или изменения свойств материалов уплотнений и шлангов нарушает­ ся работа систем смазки, что вызывает возрастание сил трения и интенсивный износ деталей и механизмов.

При эксплуатации в условиях высоких температур окружаю­ щего воздуха возможно преждевременное разрушение деталей, изготавливаемых из резины и полимерных материалов.

При значительной запыленности воздуха возрастает износ трущихся поверхностей. Степень абразивного воздействия пыли изменяется в широких пределах и зависит от ее дисперсности, формы, размера и твердости частиц.

Износ различных сопряжений оборудования существенно возрастает при проникновении пыли через уплотнительные уст­ ройства к поверхностям трения. Поэтому в условиях большой запыленности качество уплотнений и уход за ними оказывают решающее влияние на ресурс сопряжений оборудования.

Подземное оборудование и внутренние рабочие полости на­ земного оборудования испытывают воздействие различных жид­ ких и газообразных технологических и эксплуатационных сред. По механизму контактного взаимодействия с конструкционными материалами, используемыми для изготовления различных эле­ ментов оборудования для бурения скважин и нефтегазодобычи, разнообразные технологические и эксплуатационные среды могут быть разделены на ряд групп: абразивные, сорбционно-активные, химически активные, электрохимически активные и инертные. Такое деление является условным. Одна и та же среда может быть абразивной, сорбционно-активной, электрохимически ак­ тивной или химически активной по отношению к одному мате­ риалу и инертной по отношению к другому, что в значительной степени определяется свойствами самого материала и условиями его контактного взаимодействия со средой.

Механизм контактного взаимодействия абразивной среды с поверхностями элементов оборудования заключается в режущем или царапающем действии этой среды по отношению к поверх­ ностям оборудования.

Механизм контактного взаимодействия сорбционно-активных сред с конструкционными материалами основан на явлениях ад­ сорбции среды на поверхности материала и ее абсорбции объе­ мом материала, приводящих к изменению прочности и деформа­ ционных свойств этого материала.

Адсорбцией называется поглощение поверхностью твердого тела молекул, атомов и ионов другого вещества, находящихся в окружающей среде.

Силы притяжения поверхностных молекул, атомов и ионов твердых тел, подобно поверхностным молекулам жидкости, не уравновешены притяжением молекул другой фазы, и результи­ рующая сила направлена внутрь твердого тела. Вследствие этого твердые тела, так же как и жидкости, обладают определенным запасом свободной поверхностной энергии и стремятся умень­ шить величину этой энергии до минимального при данных усло­ виях значения. Этим объясняется способность твердых тел ад­ сорбировать газы и жидкости; при этом твердое тело является сорбентом, а вещество поглощаемое - сорбтивом. Сорбционные процессы в зависимости от того, насколько глубоко проникают частицы сорбтива в сорбент, носят различное название. Хотя всякий сорбционный процесс начинается на поверхности раздела фаз, однако закончиться он может двояким образом. Пока газ или жидкость остаются на поверхности пронизывающих твердое тело микроканалов, полостей или трещин, не внедряясь между молекулами, атомами или ионами твердой фазы, мы говорим, что среда является адсорбированной.

Протекание этого поверхностного процесса связано с измене­ нием свободной поверхностной энергии. Свободная поверхност­ ная энергия F в данной системе равна произведению поверхност­ ного натяжения ст на величину поверхности S, т.е. F = aS. Во всякой системе, в которой свободная энергия больше минималь­ ного при данных условиях значения, должен самопроизвольно идти процесс в направлении уменьшения свободной энергии.

Мерой свободной поверхностной энергии единицы поверхно­ сти является поверхностное натяжение. Поэтому при обсуждении поверхностных явлений обычно говорят не о свободной поверх­ ностной энергии, а о поверхностном натяжении. В результате адсорбции жидких или газообразных веществ уменьшается по­ верхностное натяжение твердого тела. Вещество, уменьшающее поверхностное натяжение, называется поверхностно-активным.

Адсорбция происходит за счет сил межмолекулярного притя­ жения (ван-дер-ваальсовых), сопровождается небольшим поло­ жительным тепловым эффектом и является обратимым процес­ сом. Ее обычно называют физической адсорбцией. В ряде случа­ ев при адсорбции образуются поверхностные химические соеди­ нения, при этом затрачивается энергия активации; адсорбция такого вида называется активированной. Адсорбция этого вида может быть необратимой. Скорость физической адсорбции при всех температурах достаточно велика и на гладкой поверхности

протекает почти мгновенно, в то время как скорость активиро­ ванной адсорбции резко увеличивается с повышением темпера­ туры. Поэтому при низких температурах происходит, в основном, физическая адсорбция, а при высоких - активированная.

Поверхностная энергия твердого тела во многом определяет такие важные свойства поверхности как смачивание и адгезия. При соответствии знака полярности любые жидкости тем лучше смачивают твердое тело, чем выше его поверхностная энергия. Наиболее высокой поверхностной энергией (более 500 МДж/м2) обладают металлы, их окислы, сульфиды, нитриды, стекло. Низкой поверхностной энергией обладают полимеры (I8­

60МДж/м2).

Адсорбционное взаимодействие жидких и газообразных сред с

поверхностью твердого тела в значительной мере зависит от по­ лярности сорбтива и сорбента. О полярности молекул различных твердых тел, жидкостей и газов можно судить по степени поляр­ ности групп, входящих в состав молекул.

Наиболее активное молекулярное взаимодействие происходит при контакте полярных веществ с полярным материалом поверх­ ности твердого тела и неполярных веществ с неполярным мате­ риалом поверхности, т.е. когда полярность сорбтива и сорбента одинакова. Поскольку смачиваемость поверхности твердого тела жидкостью является показателем молекулярного взаимодействия жидкости и твердого тела, то адсорбционное взаимодействие на плохо смачиваемой поверхности твердого тела будет низкое и наоборот - при хорошей смачиваемости достаточно высокое. Яв­ ление смачивания заключается в том, что капля жидкости, по­ мещенная на поверхность твердого тела, растекается. Угол 0, образуемый поверхностью растекающейся капли с поверхностью твердого тела, называется краевым углом (рис. 5.1). Условие равновесия капли

<*1.3 = <*1.2 + <*2.3 cos®.

Из уравнения видно, что cos © является мерой избирательно­ го смачивания, т.е. мерой полярности. Твердое тело смачивают только те жидкости, для которых cos © > 0, т.е. © < 90° и ai.2 < < а»1.з, т.е. которые понижают поверхностное натяжение данного твердого тела на границе с воздухом. В случае смачивания моле­ кулы жидкости испытывают сильное притяжение со стороны твердого тела, и жидкость растекается. Наоборот, если силы при­ тяжения между молекулами жидкости и твердого тела значи­ тельно меньше, чем между молекулами жидкости, то жидкость не смачивает поверхности.

Адсорбция компонентов эксплуатационной среды на поверх-