№ 3 (March 2007)
Важным аспектом повышения надежности УЭЦН является предотвращение отказов по критерию прочности («полет»). Как показано ранее проведенными исследованиями [1], причиной отказа являются переменные по амплитуде напряжения растяжения, возникающие в элементах конструкции вследствие динамики системы.
By Н.И. Смирнов, ИМАШ РАН им. А.А. Благонравова, С.Ф. Горланов, ТНК-ВР
Повышенная динамика установки в свою очередь обусловлена рядом факторов: износом опор скольжения, формой опирания УЭЦН в обсадной колонне, конструктивными особенностями и т. д. По статистике основную долю отказов УЭЦН по критерию прочности составляют разрушения межсекционных соединений. Можно выделить следующие пути обеспечения необходимого запаса усталостной прочности:
• снижение динамических нагрузок на межсекционное соединение;
• строгое выполнение эксплуатационных требований к монтажу и спуско-подъемным операциям;
• оптимизация конструкции (снижение коэффициентов концентрации, ресурсные технологии изготовления).
На основе математического моделирования динамики УЭЦН [1] выявлен характер влияния основных конструктивно-технологических и эксплуатационных факторов на надежность межсекционных соединений, табл. 1.
Известно много вариантов исполнения межсекционных соединений УЭЦН, которые эксплуатируются в настоящее время без соответствующего анализа их усталостной прочности.
С этой целью проведены усталостные испытания межсекционных соединений в сборе на электрогидравлической машине MTS-50 (США) при частоте нагружения 3 Гц. Цикл нагружения отнулевой. Минимальная нагрузка цикла Pmin= 0-1 000 Н, максимальная нагрузка цикла Pmax - задается для каждого опыта. Нормированный момент затяжки крепежных деталей Мкр= 55 Н*м.
Результаты испытаний межсекционных соединений при нормированной затяжке приведены в табл. 2. Образцы 1, 2, 3 изготовлены ОАО «АЛНАС» по «Техническим требованиям ТНК-ВР к оборудованию УЭЦН», рис. 1. Их отличительные признаки от других групп образцов: оптимизированная геометрия, технологические методы поверхностной обработки. Видно, что предел выносливости этого соединения при базе 2*106 имеет величину в диапазоне 180-190 МПа, что значительно выше, чем у образцов 4 и 5 групп. Живучесть соединений (количество циклов от зарождения трещины до разрушения) составляет почти половину от циклической долговечности.
В процессе испытаний наблюдали отдельные случаи разрушения оснастки испытательной машины и головки соединения, рис. 2, что позволяет говорить о равнопрочности межсекционного соединения. Трехлетний опыт применения данной конструкции в ТНК-ВР на фонде более 10 тыс. скважин подтверждает справедливость результатов испытаний - за все время не было случаев разрушений детали. В 2005-2006 годах отмечена тенденция снижения общего количества аварий по секциям ЭЦН (на 66%), при этом происходит уменьшение доли аварий по межсекционным соединениям и увеличение доли аварий по телу корпусных деталей.
В последние годы количество аварий УЭЦН из-за разрушений крепежа снизилось более чем пять раз: в 2000-2003 годах доля «полетов» по крепежу достигала 45%, в 2005 году - 24%, в 2006 году - 8,4 % от общего количества аварий. В процессе испытаний не было зафиксировано случаев разрушения ресурсного крепежа, изготовленного ООО «ИМАШ ресурс» (разрушались фланцы), но на практике случаи разрушений крепежа продолжают иметь место. Поэтому была проведена работа по определению степени влияния организационных и эксплуатационных факторов на надежность соединения.
Выборочная проверка винтов, поставляемых заводами-изготовителями в комплекте с новым оборудованием и винтов, приобретаемых сервисными базами ЭПУ на соответствие «Техническим требованиям ТНК-ВР» по критерию усталостной прочности (методика ИМАШ-059.01) показала, что не все используемые «ресурсные» винты в действительности выполнены по ресурсной технологии. По данному факту были приняты экстренные меры.
Нарушение регламента спуско-подъемных операций, кривизна скважины и повышенная динамика установки могут привести к ослаблению усилий 
затяжки крепежных деталей межсекционных соединений. Для оценки влияния ослабления затяжки на ресурс были проведены их усталостные испытания с существенно ослабленной затяжкой (Мзат=10 Н*м). Как показали результаты испытаний, табл. 3, уменьшение величины затяжки резко снижает ресурс межсекционного соединения. При напряжениях в резьбовой части винтов smax=344 МПа они в среднем выдерживают около 430 500 циклов. При испытаниях первое разрушение винта произошло после достижения 96 800 циклов. Очевидно, что после разрушения одного винта возрастет нагрузка на оставшиеся и происходит ускоренное разрушение межсекционного соединения. Было отмечено, что у винтов, № 5 и № 2 (рис. 1), циклическая долговечность значительно ниже, чем у остальных - 209 133 и 388 200 соответственно. Это можно объяснить влиянием на ресурс винтов напряжений изгиба, возникающих как в процессе зарождения и развития трещины в основании, так и в результате погрешностей механической обработки опорной поверхности фланца под головку винта.
Таким образом, ресурс межсекционного соединения при практическом отсутствии затяжки винтов значительно снижается и регламентируется для исследуемого соединения пределом выносливости ресурсных винтов.
Детали насоса в процессе эксплуатации находятся в коррозионно-активной среде, которая, как известно, снижает их усталостные характеристики. Проведены усталостные испытания на машине MTS-25 винтов М12х1,25 по методике ИМАШ-059.01 после выдержки их в течение нескольких месяцев в коррозионно-агрессивной среде - аналоге пластовой жидкости. Помимо серийной продукции из сталей 30ХГСА и 20Х13 испытывали опытные партии крепежа, изготовленного из высоколегированных сталей и сплавов, табл. 4. Все партии крепежа выдержали 200 тыс. циклов без разрушения при Pmax=33500 Н и являются ресурсными. Т.е. снижение циклической долговечности после выдержки образцов в коррозионно-активной среде не отмечено.
ВЫВОДЫ
1. Фланцево-болтовое соединение, выполненное в соответствии с «Техническими требованиями ТНК-ВР», превосходит по усталостной прочности существующие конструкции, обеспечивая в затянутом состоянии равнопрочность деталей.
2. Надежность межсекционного соединения по критерию усталостной прочности с нормированной затяжкой винтов в значительной степени определяется качеством изготовления основания, коэффициентом концентрации напряжений и технологическим методом поверхностной обработки.
3. Малая величина затяжки винтов или ее отсутствие резко снижает предел выносливости соединения и приводит к разрушению винтов. Серийные фланцы разрушаются по основанию.
4. Нахождение винтов перед испытаниями в коррозионно-активной среде в течение нескольких месяцев не снижает их циклическую долговечность. Необходимо провести испытания крепежа в коррозионно-активной среде.
Литература:
1. Лукин А.В., Смирнов Н.Н., Смирнов Н.И. Компьютерные и нанотехнологии в нефтяном насосостроении. // Oil and Gas Eurasia, 2006, №6, с.52-54.
2. Комаров А., Ульянов Ю. Циклическая прочность межсекционных соединений УЭЦН. // Oil and Gas Eurasia, 2006, №9, с.63-65.
3. Н.И.Смирнов, Н.Н.Смирнов. Прочность и износостойкость насосов (расчет, испытания, технология). // Материалы IХ Всеросийской технической конференции «Производство и эксплуатация УЭЦН»//, Альметьевск, 2000.
