Дослідження та методи аналізу
51
ISSN 1993–9973 print
ISSN 2415–332
Х
online
Розвідка
та
розробка
нафтових
і
газових
родовищ
2017.
№
2(63)
УДК 620.191.33
МЕТОДИКА
ДОСЛІДЖЕННЯ
ПОВЕРХНЕВОЇ
ПОШКОДЖУВАНОСТІ
ЕЛЕМЕНТІВ
ГНУЧКИХ
ТРУБ
КОЛТЮБІНГОВИХ
УСТАНОВОК
1
А
.М. Сиротюк,
2
О
.Ю. Витязь,
1
Р
.А. Барна,
2
В
.В. Тирлич
1
Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка НАН України; 79060, м. Львів, вул. Наукова, 5,
тел. (0322) 631400; e-mail: s y r o t y u k @ i p m . l v i v . u a
2
ІФНТУНГ; 76019, м. Івано-Франківськ, вул. Карпатська, 15, тел. (0342) 727182,
e-mail: vyt yaz@nung.e du.ua
Ґрунтуючись на експериментально-розрахункових підходах механіки руйнування і міцності матеріалів,
а також матеріалознавства, запропоновано та апробовано методику дослідження поверхневої пошкоджу-
ваності сталей гнучких труб, що реалізується шляхом зародження та подальшого розвитку поверхневих
тріщиноподібних дефектів за дії циклічних навантажень. Методика враховує специфіку навантажень, що
виникають під час експлуатації колтюбінгової установки, а також вплив робочих агресивних середовищ:
технологічних – всередині труби та пластових вод – назовні труби.
Розроблено геометрію зразків для випробувань на міцність та довговічність елементів гнучких труб з
врахуванням дії експлуатаційних чинників, а також модифіковано та апробовано необхідне дослідне уста-
ткування для проведення таких досліджень. Запропонована методика дозволяє встановлювати основні
стадії процесу руйнування гнучких труб, тобто період зародження початкової пошкоджуваності матеріа-
лу, період утворення поверхневих тріщиноподібних дефектів, а також їх подальший розвиток до руйнуван-
ня труби.
Одержано результати попередніх випробувань елементів гнучких труб із зовнішнім діаметром
38,10 мм і товщиною стінки 2,95 мм, які виготовлено зі сталі марки А606 з межею міцності 793 МПа та
межею плинності 672 МПа. Зокрема, для внутрішньої поверхні таких труб побудовано експериментальні
залежності „довжина поверхневого тріщиноподібного дефекту – кількість циклів навантаження” за різ-
них значень амплітуди циклічного навантаження.
Ключові слова: колтюбінгові технології; гнучкі труби; конструкційні низьколеговані сталі; циклічні на- вантаження; агресивні робочі середовища; поверхневе тріщиноутворення.
Базируясь на экспериментально-расчетных подходах механики разрушения и прочности материалов и
материаловедения, предложена и апробирована методика исследования поверхностной повреждаемости
сталей гибких труб, которая реализуется путем зарождения и дальнейшего развития, поверхностных
трещиноподобных дефектов при действии циклических нагрузок. Методика учитывает специфику нагру-
зок, возникающих при эксплуатации колтюбинговой установки, а также влияние рабочих агрессивных сред:
технологических – внутри трубы и пластовых вод – снаружи трубы.
Разработана геометрия образцов для испытаний на прочность и долговечность гибких труб с учетом
действия эксплуатационных факторов, а также модифицировано и апробировано необходимое испыта-
тельное оборудование для проведения таких исследований. Предложенная методика позволяет устанавли-
вать основные стадии процесса разрушения гибких труб, т.е. период зарождения начальной повреждаемо-
сти, период образования поверхностных трещиноподобных дефектов, а также их дальнейшее развитие до
разрушения трубы.
Получены результаты предварительных испытаний элементов гибких труб с внешним диаметром
38,10 мм и толщиной стенки 2,95 мм, которые изготовлены из стали марки А606 с пределом прочности
793 МПа и пределом текучести 672 МПа. В частности, для внутренней поверхности таких труб построе-
ны экспериментальные зависимости „длина поверхностного трещиноподобного дефекта – число циклов
нагружения” для разных значений амплитуды циклического нагружения.
Ключевые слова: колтюбинговые технологии, гибкие трубы, конструкционные низколегированные стали, циклические нагрузки, агрессивные рабочие среды, поверхностное трещинообразование.
Based on the experimental-calculation approaches of fracture mechanics, strength of materials and also the
materials science, the method for surface damaging study of flexible pipe steels that is realized by the way of nuclea-
tion and further development of surface crack-like defects under cyclic loading has been proposed and approbated.
The method takes into account the specific characteristics of loading that is arisen under operation of coiled tubing
equipment and also the influence of aggressive working environments: technological – inside pipe and reservoir
water – outside pipe. The geometry of specimens for strength and durability testing of flexible pipe elements, taking
into account the operating factors has been developed and required testing equipments have been modified and veri-
fied. The proposed method gives the possibility to define the main stages of pipe fracture process, i.e. the period of
early damaging of material, the period of surface crack-like defects initiation and also their further propagation up
to pipe failure. The results of preliminary tests of the elements of flexible pipes with outer diameter of 38,10 mm and
wall thickness of 2,95 mm manufactured with steel grade A606 (ultimate strength is 748 MPa and yield stress is
628 MPa) have been received. In particular, the dependencies „length of surface crack-like defect – number of
loading cycles” under different values of cyclic loading amplitude have been built for internal surface of these
pipes.
Keywords: coiled tubing technologies, flexible pipes, structural low-alloyed steels, cyclic loadings, aggressive operating environments, surface cracking.
Дослідження та методи аналізу
52
Розвідка
та
розробка
нафтових
і
газових
родовищ
2017.
№
2(63)
ISSN 1993–9973 print
ISSN 2415–332
Х
online
Вступ
. Однією із основних сучасних тен- денцій світової газової та нафтової індустрії є підвищення ефективності видобутку вуглевод- невої сировини. На сьогодні відомі різні спосо- би та технології збільшення ефективності газо- нафтовидобування, це – вплив на пластові по- клади, застосування нових технологій буріння свердловин, застосування сучасного устатку- вання для капітального ремонту та відновлення свердловин, тощо.
Однак, особливе місце серед вищенаведе- них способів займають так звані „колтюбінго- ві” (Coiled Tubing) технології, які ґрунтуються на застосуванні гнучких труб (ГТ). Ці техноло- гії відзначаються високою економічною ефек- тивністю, перебувають у стані неперервного розвитку та вдосконалення і для координації цих зусиль існує відповідна міжнародна асоці- ація (International Coiled Tubing Association).
Колтюбінгові технології застосовують для широкого спектру операцій: буріння горизон- тальних і похило-спрямованих свердловин; очищення стовбура свердловини; промивання відкладень парафіну; витіснення бурового роз- чину; видалення рідини зі свердловини; фрезе- рування відкладень корозивних солей; кислот- ної обробки призабійної зони пласта; розши- рення стовбура свердловини; цементування під тиском; закачування інгібіторів і розчинників; дослідження чи глушіння свердловин; очищен- ня насосно-компресорних труб і трубопроводів; прокладання викидних ліній; закачування плас- тових вод та підтримання пластового тиску, тощо.
У технологічному устаткуванні ГТ пра- цюють у пружно-пластичній області деформу- вання, але в результаті тривалої експлуатації відбувається локальне руйнування труб, що призводить до виникнення аварійних ситуацій.
Виникнення поломок зумовлене багатьма екс- плуатаційними чинниками. Однак, як свідчить
інженерна практика, в основному це циклічні згинальні навантаження за сумісної дії агресив- них робочих середовищ
(технологічних –
всередині труби та пластових вод – назовні труби). Таким чином, розроблення методів під- вищення надійності та довговічності ГТ для газонафтовидобування за колтюбінговими тех- нологіями є актуальною науковою та науково- технічною задачею.
Аналіз
сучасних досліджень і публікацій.
Щоб запропонувати ефективну методику до- слідження пошкоджуваності елементів ГТ кол- тюбінгових установок потрібно запропонувати підходи, що враховують деградацію їх власти- востей за дії експлуатаційних чинників (циклі- чне навантаження, агресивне середовище, тем- пература, тощо). У літературі наведено низку рекомендацій, щодо вдосконалення технології виготовлення ГТ, методів їх випробування, оцінювання технічного стану та обґрунтування безпечного терміну експлуатації ГТ колтюбін- гових установок. Деякі з них наведено нижче.
Автор [1] зазначає, що однією з базових характеристик, що визначають термін безава- рійної роботи ГТ в умовах циклічних знако- змінних навантажень, є пластичність матеріалу,
і, зокрема, відносне видовження за розтягу.
Вимога споживачів підвищити міцнісні харак- теристики сталей для виготовлення ГТ супере- чить вимогам збільшення терміну експлуатації
ГТ, оскільки загальновідомо [2], що зі збіль- шенням міцності помітно знижується пластич- ність сталей.
Тут виявлено, що підвищених міцнісних характеристик ГТ, зокрема, високої міцності за статичних і циклічних навантаженнях, можна домогтися, застосовуючи для їх виготовлення високоміцні низьколеговані сталі після терміч- ної обробки, що включає гартування і відпуск.
Вміст хрому і молібдену сприяє гартуванню таких сталей. Водночас ГТ виготовлені з таких сталей важко ремонтувати в експлуатаційних умовах, оскільки виконані під час ремонтних робіт зварні з’єднання зумовлюють локальний відпуск, і, відповідно, зниження межі плиннос- ті. Також помічено тенденцію до зменшення кількості поперечних зварних з’єднань у ГТ з метою підвищення термінів експлуатації ГТ у колтюбінгових установках.
У праці [3] проаналізовано та систематизо- вано ряд чинників, що впливають на термін експлуатації ГТ, наприклад: діаметр і товщина стінки ГТ, технологічний тиск під час колтю- бінгових операцій, механічні пошкодження зо- внішньої поверхні труби, корозія, тощо. Про- мивання свердловини супроводжується пері- одичною зупинкою спуску труби, її підйомом на незначну відстань і повторним спуском. При цьому змінюються внутрішній тиск у трубі, те- мпература навколишнього середовища, тощо, що не завжди фіксують прилади і оператори, а, отже, ці моменти не враховують при аналізу- ванні причин руйнування труб. Небажано ви- користовувати плашки транспортера з насіч- кою, оскільки такі механічні пошкодження є концентраторами напружень на зовнішній по- верхні труб. Терміни та умови зберігання ГТ також впливають на термін експлуатації.
У [4] проаналізовано і узагальнено сучасні наукові та інженерні підходи механіки руйну- вання і міцності матеріалів до оцінювання пра- цездатності та залишкової довговічності дефек- тних елементів конструкцій тривалої експлуа- тації за умов появи гострокінцевих концентра- торів напружень.
Автор роботи [5] запропонував безконтак- тні неруйнівні випробування для оцінювання втомної міцності ГТ, зокрема показано, як про- гнозувати залишкову міцність за геометрични- ми розмірами виявлених поверхневих дефектів.
У праці [6] зазначено, що довговічність ГТ залежить як від механічних властивостей труб, так і від умов їх експлуатації, зокрема: параме- трів циклічного навантаження при колтюбінго- вих операціях, внутрішнього тиску в трубах, активності корозійних процесів з врахуванням експлуатаційних напружень, зменшення тов- щини стінки за рахунок тертя труби до стінки свердловини при спуско-підйомних операціях, механічних пошкоджень поверхні труби (рис-
Дослідження та методи аналізу
53
ISSN 1993–9973 print
ISSN 2415–332
Х
online
Розвідка
та
розробка
нафтових
і
газових
родовищ
2017.
№
2(63)
ки, задири, тощо), наявності зварних з’єднань, неметалевих включень у сталі.
У [7] запропоновано використовувати три- вимірні лазерні зображення для контролю ста- ну поверхні ГТ, зокрема, для отримання інфор- мації щодо глибини, ширини, довжини і площі дефектів. Технології, що базуються на розсію- ванні магнітного потоку, не показують геомет- рію пошкоджень, а за допомогою лазерів мож- на визначити геометричні параметри пошко- джень і оцінити їх допустимі розміри або кри- тичні розміри дефектів, за яких відбувається катастрофічне руйнування.
У праці [8] зазначено, що основною при- чиною виходу з ладу ГТ є утворення на зовні- шній поверхні труб тріщин, які перетворюють- ся в наскрізні. Це, на думку авторів, відбуваєть- ся через окрихчення металу в процесі експлуа- тації внаслідок зростання його межі міцності і зменшення пластичності. Оскільки межа плин- ності і твердість металу пов’язані між собою, запропоновано оцінювати термін служби труб, вимірюючи їх твердість після 10–20 спуско- підіймальних операцій. У цій же роботі зазна- чено, що у процесі експлуатації ГТ навантажені згинальним моментом, повздовжньою силою і крутним моментом, що може спричинити втра- ту стійкості колони труб і набути спіралевидної або хвилеподібної форми.
У [9] розглянуто основні відомості про ко- розію, корозійно-механічне руйнування, трі- щиностійкість і водневу крихкість конструк- ційних сталей. Подано методи розрахунку конструкційної міцності труб з корозійними дефектами.
Окрім цього, у літературі наведено відомо- сті і про натурні випробування ГТ. Так, напри- клад, в університеті Талса, штат Оклахома,
США (Tyumen State O&G University, USA) створено Консорціум з дослідження фізико- механічних властивостей ГТ [10]. Працівник цього університету Стівен Тіптон (Steven
Tipton) розробив алгоритми для визначення те- рміну експлуатації ГТ, а в університеті сконст- руйовано та апробовано дослідну машину для випробувань ГТ. Багато компаній, в тому числі компанія Шлюмберже (Schlumberger), викорис- товують алгоритм Тіптона для визначення тер- міну експлуатації ГТ.
У праці [11] описано розроблену випробу- вальну установку для оцінювання втомної дов- говічності труб діаметрами до 3,5 дюймів за тиску 10000 psi і осьової навантаженні до
120000 футів.
У [12] зазначено, що втомні випробування
ГТ – дороговартісна і тривала процедура, тому запропоновано методику випробувань за при- швидшеною процедурою. Тут досягнуто швид- кість одноразового згину до 10 циклів на хвили- ну при радіусі згину 1200 мм, і в двічі більша швидкість при згині з радіусом 2400 мм.
Проаналізувавши низку існуючих підходів, нами розроблено та апробовано нову лаборато- рну методику дослідження поверхневої пошко- джуваності елементів ГТ, що реалізується шля- хом зародження та подальшого розвитку пове- рхневих тріщиноподібних дефектів за цикліч- них навантажень. На сьогодні в спеціалізованій науковій та науково-технічній літературі ви- вченню цієї проблеми приділено недостатньо уваги. У наведених вище працях практично від- сутній належний розгляд впливу чинників агре- сивних робочих середовищ. Результати наведе- них досліджень дають інтегральну картину процесу втомного руйнування матеріалу і не дозволяють встановити його стадійність, тобто зародження початкової пошкоджуваності мате- ріалу, утворення поверхневих тріщиноподібних дефектів та їх розвиток до руйнування труби.
Таким чином, критерії міцності та довговічнос- ті ГТ, що побудовано за такими даними є недо- статніми і не можуть вважатися надійними для прогнозування безпечної роботи колтюбінгових установок та запобігання виникненню аварій- них ситуацій за їх довготривалої експлуатації.
Запропонований нами методичний підхід усуває цей принциповий недолік, оскільки дасть можливість встановити основні „ліміту- ючі” стадії процесу поверхневого руйнування, які визначають довговічність ГТ в експлуата- ційних умовах.
Формулювання
цілей статті
Метою цієї роботи розроблення та апроба- ція методики дослідження поверхневої пошко- джуваності елементів ГТ, що реалізується шля- хом зародження та подальшого розвитку пове- рхневих тріщиноподібних дефектів за цикліч- них навантажень.
Досягнення поставленої мети вимагало ви- рішення таких задач:
проаналізувати існуючі методичні підходи дослідження поверхневої пошкоджуваності елементів ГТ колтюбінгових установок; запропонувати методику дослідження по- чаткових стадій руйнування матеріалів на цик- лічно деформованій поверхні елементів ГТ; шляхом проведення попередніх дослі- джень пошкоджуваності елементів ГТ здійсни- ти апробацію запропонованих методик дослі- дження та зразків.
Об’єкт дослідження: процес руйнування елементів ГТ, що реалізується шляхом заро- дження та подальшого розвитку поверхневих тріщиноподібних дефектів за циклічних наван- тажень.
Методи дослідження: експериментально- розрахункові підходи механіки руйнування і міцності матеріалів, а також матеріалознавства.
Виклад
основного матеріалу
Методика та устаткування для випробу-
вань матеріалів гнучких труб за сумісної дії
циклічних навантажень та робочих середовищ.
Використовуючи експериментальну базу
Фізико-механічного
інституту
імені
Г.В. Карпенка НАН України [13, 14], створено спеціальну дослідну установку для визначення фізико-механічних та електрохімічних характе- ристик процесів зародження та розвитку повер- хневих дефектів, а також корозійно-втомних тріщин на циклічно-деформованих металевих
Дослідження та методи аналізу
54
Розвідка
та
розробка
нафтових
і
газових
родовищ
2017.
№
2(63)
ISSN 1993–9973 print
ISSN 2415–332
Х
online
поверхнях за дії корозійно-активних середо- вищ. Дане обладнання та запропонована нижче методика досліджень дасть можливість провес- ти комплекс експериментальних фізико- механічних досліджень особливостей початко- вої пошкоджуваності та поверхневого тріщино- утворення у сталях для виготовлення ГТ. Особ- ливу увагу на подальших етапах роботи буде приділено встановленню впливу хімічного складу робочих середовищ (технологічних – всередині труби та пластових вод – назовні труби) та їх температури. Базуючись на резуль- татах досліджень, можна встановити взаємо- зв’язок між амплітудою прикладених цикліч- них навантажень, параметрами агресивного робочого середовища (рН, температура) і про- цесами тріщиноутворення у матеріалах ГТ.
Матеріали та послідовність випробувань.
Випробовували зразки зі сталі A606 тип 4, що застосовують для виготовлення ГТ колтюбінго- вих установок. Це високоміцна низьколегована сталь, яка забезпечує хорошу зварюваність, ко- розійну стійкість, втомну міцність та високі механічні властивості. Її хімічний склад наве- дено в табл. 1, а механічні властивості – у табл. 2.
Всі базові фізико-механічні дослідження процесів зародження та розвитку поверхневих тріщиноподібних дефектів виконано на балко- вих зразках, у середній частині яких приварено сегменти (рис. 1) вирізані з ГТ. Такий вибір конфігурації зразка зумовлено врахуванням технології виготовлення елемента труби.
Окрім того, для локалізації процесу заро- дження тріщини, за спеціально розробленою методикою (рис. 2) наносився концентратор напружень, який моделював корозійне пошко- дження типу пітингу. Для цього на гладкій по- лірованій поверхні зразка висвердлювалась ям- ка глибиною 0,1 мм.
Програму експериментальних досліджень реалізовано з використанням спеціальної дослі- дної установки [13], яка дає змогу проводити випробування у повітрі, а також в умовах коро- зійної втоми та базується на випробуваннях балкових зразків за циклічного навантаження в умовах чистого згину (рис. 3).
Всі випробування виконано за кімнатної температури та постійних умовах циклічного навантаження: форма циклу – синусоїдальна; частота навантаження f = 1 Гц; коефіцієнт аси- метрії циклу R = 0, амплітуда навантажень
∆σ =
σ
т
= 672 МПа.
Таблиця
1 – Хімічний склад сталі A606 тип 4 (мас. %) [15]
Хімічний склад сталі, % вагових
Тип сталі
C
Mn
P
S
Si
Cr
Ni
Cu
Mo
Модифікована
ASTM A606
Тип 4 0,08–0,15 0,60–0,90 0,030 max
0,005 max
0,30–0,50 0,45–0,70 0,25 max
0,40 max
0,21 max
Таблиця
2 – Механічні властивості сталі A606 тип 4 [15]
σ
в
, МПа
σ
т
, МПа
δ, %
ψ, %
793 672 8,5 45,7
Рисунок
1 – Загальний вигляд зразка для дослідження зародження та розвитку
поверхневих
тріщиноподібних дефектів за циклічних навантажень
а
– визначення місця розміщення концентратора;
б
, в – висвердлювання ямки глибиною 0,1 мм; г – свердло
Рисунок
2 – Методика нанесення концентратора напружень на поверхні дослідного зразка:
Дослідження та методи аналізу
55
ISSN 1993–9973 print
ISSN 2415–332
Х
online
Розвідка
та
розробка
нафтових
і
газових
родовищ
2017.
№
2(63)
Рисунок
3 – Загальний вигляд установки для
випробування
балкових зразків за циклічного
навантаження
в умовах чистого згину
Базові параметри процесів поверхневої ко-
розійно-механічної пошкоджуваності та трі-
щиноутворення у сталях гнучких труб. Мето- дологічною основою роботи є одночасне вра- хування фізико-механічних та фізико-хімічних процесів (рис. 4), що спричиняють корозійно- механічну пошкоджуваність та поверхневе тріщиноутворення в конструкційних сталях.
Такий підхід є ефективним та фізично обґрун- тованим при визначенні стандартних характе- ристик корозійної тріщиностійкості конструк- ційних металів та сплавів [13].
Рисунок
4 – Схематичне представлення
параметрів
, що контролювались у процесі
дослідження
Тому у процесі кожного випробування ко- нтролюють та реєструють такі параметри [14]: максимальне напруження циклу навантаження
σ
max
; коефіцієнт асиметрії R та частота наван- таження f ; число циклів навантаження N; дов- жина поверхневих тріщин a; зображення дослі- джуваної поверхні (рис. 4).
Надалі це дасть змогу достатньо повно охарактеризувати досліджувану систему „мате- ріал – середовище” як з фізико-механічної, так і з фізико-хімічної сторони, і побудувати на цій основі адекватну модельну схему та встановити критерій поверхневого тріщиноутворення за циклічного деформування досліджуваних мате- ріалів ГТ в експлуатаційних умовах.
Фізико-механічні методи дослідження по-
чаткових стадій руйнування матеріалів на ци-
клічно деформованій поверхні сталей ГТ. Зраз- ки випробовували до повного руйнування
(рис. 5) з подальшим аналізом поверхонь зла- мів. Стадія початкового пошкодження поверхні та зародження тріщиноподібних дефектів, а також стадія розвитку поверхневих тріщинопо- дібних дефектів вивчалась за допомогою мето- ду пластичних реплік [16, 17]. Реплікаційним матеріалом служила целюлозоацетатна плівка
(марка G255 виробництво фірми AGAR
SCIENTIFIC, Велика Британія) товщиною
35 мкм. Дана плівка є легкорозчинною в ацето- ні. Методика виконання цього дослідження по- лягає в наступному. Досліджувану поверхню перед експериментом ретельно зачищають та шліфують до стану ювенільності. Після цього змочують її ацетоном високого очищення і на ще вологу поверхню накладають реплікаційну плівку певного розміру, внаслідок чого плівка приклеюється до поверхні. Через 5…7 хв. плів- ка відстає від поверхні, зберігаючи на собі де- тальний відбиток досліджуваної поверхні. Оде- ржані в процесі дослідження відбитки аналізу- вали за допомогою спеціальної системи [13], що складається з мікроскопа, фотоапарата та персонального комп’ютера з відповідним про- грамним забезпеченням. Дана система дає мо- жливість фіксувати зображення досліджуваної поверхні в електронному варіанті (рис. 6), а та- кож вимірювати лінійні розміри, площу та роз- ташування існуючих на поверхні пошкоджень та тріщиноподібних дефектів. Точність вимі- рювання лінійних розмірів складає
10 мкм
±
Це дало змогу детально, якісно і кількісно до- слідити кінетику зародження та розвитку пове- рхневих тріщиноподібних дефектів, за заданих умов випробовування.
Крім цього, зареєстровані в комп’ютері зо- браження поверхні руйнування, що відповіда- ють різним стадіям досліджуваних процесів, можуть бути використані як зразки при іденти- фікації умов руйнування реальних елементів ГТ в експлуатаційних умовах.
Інші методи дослідження. Необхідні для реалізації завдань роботи металографічні та фрактографічні дослідження виконано у Центрі колективного користування науковими прила- дами (ЦККНП) „Центр електронної мікроскопії та рентгенівського мікроаналізу” НАН України
(див. www.ipm.lviv.ua), що функціонує на базі
Фізико-механічного інституту НАН України
і обладнаний сучасним науковим обладнанням
Дослідження та методи аналізу
56
Розвідка
та
розробка
нафтових
і
газових
родовищ
2017.
№
2(63)
ISSN 1993–9973 print
ISSN 2415–332
Х
online
Рисунок
5 – Загальний вигляд зразка
зі
сталі A606 тип 4 після випробувань
Рисунок
6 – Характерні приклади мікро-
пошкоджуваності
та зародження тріщин на
циклічно
деформованій металевій поверхні
ГТ
виробництва фірм Carl Zeiss (Німеччина) та
Oxford Instruments (Велика Британія).
Дослідження пошкоджуваності сталей
гнучких труб. Кінетику розвитку поверхневих втомних тріщин у сталі аналізували на основі залежності „довжина тріщини a – кількість ци- клів навантаження N”, яку було побудовано за результатами випробувань у повітрі. Одержано результати попередніх випробувань елементів гнучких труб із зовнішнім діаметром 38,10 мм і товщиною стінки 2,95 мм, які виготовлено зі сталі марки А606 тип 4 з межею міцності
793 МПа та межею плинності 672 МПа. Тріщи- на зародилась після ≈ 460 тис. циклів наванта- ження з нанесеного концентратора напружень
(рис. 7), який моделює корозійне пошкодження типу пітинга. Вийшовши з концентратора на поверхню зразка, тріщина поширювалась по обидва його боки, практично рівномірно.
Зразок зруйнувався після 595 тис. циклів навантаження, коли тріщина поширилась на всю ширину випробовуваного зразка та вийшла на його бокову поверхню, і почала розвиватись вглиб матеріалу.
Результати проведених експериментальних досліджень свідчать, що для всіх випадків ви- пробувань сталі А606 тип 4 утворені на цикліч- но деформованій поверхні макротріщини ма- ють форму близьку до півеліптичної зі співвід- ношенням півосей c
/
а ≈ 0,10…0,15 (рис. 8). У подальшому такі тріщини розвиваються в гли- бину матеріалу.
При розробці інженерних підходів до оці- нювання втомного поверхневого тріщиноутво- рення сталей ГТ необхідні певні спрощення та схематизація процесів, що розглядаються.
За допомогою фрактографічних дослі- джень виявлено типову картину руйнування низьколегованої сталі у повітрі. Тріщини заро- джувалися від нанесеного концентратора на- пружень (рис. 9) і поширювалися в глибину перерізу зразка. При цьому на зламі формува- лися фестони (рис. 9а), поперек яких розташо- вувалися втомні борозенки (рис. 9б). Характер- ною ознакою втомного рельєфу є вторинне розтріскування вздовж втомних боріздок, які
Рисунок
7 – Довжина поверхневої втомної тріщини
як
функція кількості циклів навантаження N за випробувань у повітрі
Дослідження та методи аналізу
57
ISSN 1993–9973 print
ISSN 2415–332
Х
online
Розвідка
та
розробка
нафтових
і
газових
родовищ
2017.
№
2(63)
Рисунок
8 – Зародження тріщини
від
нанесеного концентратора напружень
а
– × 500; б – × 5000; в – × 2000; г – × 1000
Рисунок
9 – Поверхні втомного руйнування
сталі
А606 тип 4 у повітрі
контрастно відтінюють їх (рис. 9в). Крок цих борозенок зростав у міру просування тріщини від концентратора на зразку до остаточного йо- го руйнування. Гребені відриву між суміжними фестонами на зламі в основному мали сліди наклепу через невідповідність впадин і висту- пів під час контактування берегів тріщини в циклі навантаження (рис. 9г). Спонтанне руй- нування зразка відбувалося за типовим в’язким руйнуванням шляхом зародження порожнин, їх подальшого росту та злиття з утворенням на поверхні ямкового рельєфу.
Висновки
Запропоновано та апробовано методику дослідження поверхневої пошкоджуваності сталей гнучких труб, що реалізуються шляхом зародження та подальшого розвитку поверхне- вих тріщиноподібних дефектів за циклічних навантажень.
Розроблено геометрію зразків для випро- бувань на міцність та довговічність елементів гнучких труб в умовах статичного та циклічно- го згину за дії агресивних робочих середовищ, а також модифіковано та апробовано дослідне устаткування для проведення таких досліджень.
Запропонована методика дає змогу досліджува- ти особливості початкових стадій пошкоджува- ності та поверхневого тріщиноутворення, як на внутрішніх, так і на зовнішніх поверхнях еле- ментів гнучких труб в умовах, що моделюють реальні експлуатаційні.
Одержано результати попередніх випробу- вань елементів гнучких труб із зовнішнім діа- метром 38,10 мм і товщиною стінки 2,95 мм, які виготовлені зі сталі марки А606 з межею міцності 793 МПа та межею плинності 672 МПа.
Зокрема, для внутрішньої поверхні таких труб побудовано експериментальну залежність
„довжина поверхневого тріщиноподібного дефекту – кількість циклів навантаження”.
Література
1 Pursell J. Coiled tubing – a manufacturer’s challenges / J. Pursell // Coiled Tubing Times. –
2004. – № 3 (009). – P. 14–16.
2 Механика разрушения и прочность мате- риалов [Текст]: справ. пособ. / Под общ. ред.
В.В. Панасюка. [Т. 4]: Усталость и циклическая трещиностойкость конструкционных материа- лов / О.Н. Романив, С.Я. Ярема, Г.Н. Никифор- чин и др. – К: Наукова думка, 1990. – 680 с.
3 Молчанов А.Г. Подземный ремонт и бу- рение скважин с применением гибких труб /
А.Г. Молчанов, С.М. Вайншток, В.И. Некрасов,
В.И. Чернобровкин. – М.:
Изд-во
Академия горных наук, 1999. – 224 с.
4 Механіка руйнування та міцність матері- алів: довідн. посіб. / За заг. ред. В.В. Панасюка.
[Т. 13]: Працездатність матеріалів і елементів конструкцій з гострокінцевими концентратора- ми напружень
/
І.М. Дмитрах,
Л. Тот,
О.Л. Білий,
А.М. Сиротюк:
[за ред.
В.В. Панасюка]. – Львів: Сполом, 2012. – 316 с.
5 Stanley R.K. Some new developments applicable to coiled tubulare / R.K. Stanley //
Coiled Tubing Times. – 2005. – № 3 (013). –
P. 50.
6 Козловский А.М. Пути повышения ре- сурса гибких длинномерных труб при их экс- плуатации / А.М. Козловский, Г.П. Куканков,
С.И. Пыхов, В.А. Шуринов, А.В. Брылкин //
Время колтюбинга. – 2003. – № 3 (005). – С. 13–
15.
7 Кристиан А. Использование трехмерных лазерных изображений для ревизии состояния гибких труб / А. Кристиан, С.М. Типтон,
А.Р. Эмнетт // Время колтюбинга. – 2008. –
№ 2 (024). – С. 53.
8 Молчанов А.Г. Методика контроля со- стояния колонны гибких труб колтюбинговых установок в промысловых условиях / А.Г. Мол- чанов, В.Г. Певнев // Матер. 10-ой Междунар. конф. по колтюбинговым технологиям и внут- рискважинным работам. – М., 2009. – С. 45–46.
Дослідження та методи аналізу
58
Розвідка
та
розробка
нафтових
і
газових
родовищ
2017.
№
2(63)
ISSN 1993–9973 print
ISSN 2415–332
Х
online
9 Корозійно-воднева деградація нафтових і газових трубопроводів та її запобігання [Текст]: наук.-техн. посіб.: у 3-х томах / Є.І. Крижанів- ський, Г.М. Никифорчин; за ред. В.В. Пана- сюка. – Т. 1: Основи оцінювання деградації трубопроводів. – Івано-Франківськ: вид-во Іва- но-Франківського національного технічного університету нафти і газу, 2011. – 457 с.
10 Габдулхакова О. Чему учат в универси- тете Талса? / О. Габдулхакова // Время колтю- бинга. – 2009. – № 4 (029). – С. 82–85.
11 Типтон С. Две уникальные системы для проведения испытаний / С. Типтон // Время колтюбинга. – 2005. – № 2 (012). – С. 6.
12 Типтон С. Испытательная машина для ускоренного тестирования гибкой трубы /
С. Типтон // Матер. 10-ой Междунар. конф. по колтюбинговым технологиям и внутрисква- жинным работам. – М., 2009. – С. 41.
13 Дмитрах І.М. Вплив корозійних середо- вищ на локальне руйнування металів біля кон- центраторів напружень
/
І.М. Дмитрах,
В.В. Панасюк. – Львів: Фізико-механічний ін- ститут ім. Г. В. Карпенка, 1999. – 342 с.
14 Механіка руйнування та міцність мате- ріалів [Текст]: довідн. посіб.; за заг. ред.
В.В. Панасюка. [Т. 7]: Надійність та довговіч- ність елементів конструкцій теплоенергетично- го устаткування / І.М. Дмитрах, А.Б. Вайнман,
М.Г. Стащук, Л. Тот; за ред. І.М. Дмитраха. –
К.: ВД „Академперіодика”, 2005. – 378 с.
15 Coiled Tubing Technical Data. GT-100.
Global Tubing, 2009.
16 Akid R. The effect of solution pH on the initiation and growth of short fatigue cracks /
R. Akid, K. J. Miller // Fracture behaviour and de- sign of materials and structures: 8 th European
Conf. on Fracture (ECF–8), 1–5 Oct., 1990: Turin
(Italy): proceedings. – UK: EMAS Publishing,
1990. – P. 1403–1411.
17 Dmytrakh I.M. Determination and predic- tion of corrosion fatigue cracks nucleation from surface of the semicircular notches
/
I.M. Dmytrakh, V.V. Panasyuk // Fracture from
Defects: 12 th European Conf. on Fracture (ECF–
12),
14–18 Sept.,
1998:
Sheffield
(UK): proceedings. – Sheffield (UK): EMAS Publishing,
1998. – P. 1187–1192.
Стаття надійшла до редакційної колегії
31.05.17
Рекомендована до друку
професором Чудик І.І.
(ІФНТУНГ, м. Івано-Франківськ)
професором Дмитрахом І.М.
(Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка
НАН України, м. Львів)