Методи й засоби контролю різьбових з’єднань трубних колон

- до досягнення певного навантаження (40 МПа) амплітуда прийнятого сигналу круто (0. 2 – 0. 4 дБ/МПа) зростає, що свідчить про припрацьовування спряжених поверхонь, супроводжуване швидким збільшенням фактичної площі дотику, і підтверджує теоретичні висновки щодо процесів, які відбуваються в зоні спряження під час згвинчування з’єднань;

- при подальшому збільшенні питомого навантаження до 120- 160 МПа в зоні спряження розпочинається пружно-пластична деформація мікронерівностей, супроводжувана поступовим зростанням площі дотику і незначним (0. 03 – 0. 07 дБ/МПа) збільшенням амплітуди прийнятого сигналу, що співпадає з даними досліджень В. Г. Щербінського;

- в діапазоні від 120 до 160 МПа рівень амплітуди, а отже, і площа дотику стабілізується, що добре узгоджується з експериментальними даними Л. Б. Березовського та В. Г. Щербінського;

- після 140 – 160 МПа амплітуда знову починає зростати, що свідчить про подальше збільшення фактичної площі дотику – внаслідок пластичної деформації вже згладжених мікронерівностей, що узгоджується з даними С. Ф. Білика.

Причина тимчасової стабілізації амплітуди стає зрозумілою з рис. 3 – після 160 МПа криві для Rz20, Rz40 та Rz60 зливаються в одну. Отже, в проміжку від 120 до 160 МПа висота початкових мікронерівностей на спряжених поверхнях вирівнюється, площадки контакту збільшуються, контактні тиски стають меншими за границю текучості і знову, як показано в другому розділі, відбувається пружна деформація мікронерівностей.

Експериментальні дослідження показали, що характер залежності між питомим тиском та амплітудою сигналу, який пройшов через зону спряження, не залежить від шорсткості контактуючих поверхонь, наявності та типу мастила, але відсутність мастила в зоні спряження призводить до значного (порядку 12 дБ) зменшення амплітуди прийнятого сигналу, що відповідає даним С. Я. Гмиріна.

Таким чином, рівень і характер зміни амплітуди реально відображає фізичні процеси, які відбуваються під час навантаження або, в нашому випадку, під час згвинчування з’єднання, і може використовуватись як інформативний сигнал, що безпосередньо характеризує якість з’єднання через фактичну площу дотику спряжених поверхонь. В інтервалах питомих тисків, які нормуються для більшості конструкцій різьбових з’єднань (від 60 до 180 МПа), між амплітудою сигналу, що пройшов через зону спряження (або відбився від неї), та питомим тиском існують кореляційні зв’язки, коефіцієнт кореляції для робочого діапазону та реальних умов контактування становить від 0. 95 до 0. 99.

На підставі проведених теоретичних та експериментальних досліджень розроблені способи контролю якості торцевих ущільнень типу “метал – метал” для обважнених бурильних труб (так зване зусилля затяжки) та для обсадних і насосно-компресорних труб. Схема для розрахунку параметрів п’єзоперетворювачів показана на рис. 4.

Результати вимірювання амплітуд сигналу, що пройшов через зону торцевого ущільнення або відбився від неї, показані на рис. 5 (для замкового з’єднання ОБТ з втомною тріщиною в різьбі) та на рис. 6 (для обсадних труб фірми “Ніппон Стіл Корп. ”). Різниця амплітуд луно-імпульсів при якісному ущільненні та за наявності різного роду відхилень (недостатня напруженість, втомна тріщина в різьбі) становить від 6 до 12 дБ, що підтверджує наявність перерозподілу напружень та взаємозв’язок між ступенем напруженості з’єднання та його акустичними властивостями.

Експериментальні дослідження на натурних зразках обважнених бурильних труб з реальними та штучними дефектами дали можливість уточнити параметри та розробити спосіб дефектоскопії ніпельної частини замкового різьбового з’єднання в згвинченому стані (див. рис. 3) з похибкою вимірювань в межах 8%.

Експерименти проводились з використанням п’єзоперетворювачів з плоскою робочою поверхнею, максимум (16-20 дБ) амплітуди відбитих від дефектів луно-імпульсів мав місце при використанні парних п’єзоперетворювачів з кутом вводу 55°. Після надання робочій поверхні кривизни, радіус якої відповідав радіусу контрольованої труби, амплітуда сигналів збільшилась майже на 10 дБ. Експерименти показали, що відстань між точками вводу перетворювачів мало впливає на рівень амплітуди, що співпадає з даними А. К. Гурвіча.

На підставі проведених експериментальних досліджень та розрахунків розроблені способи контролю якості діаметральних ущільнень типу “метал – метал” (один з них показаний на рис. 7), виведені аналітичні залежності для визначення основних параметрів Так, параметри способу контролю, показаного на рис. 7, обчислюються за виразами:

 

Ці способи апробовані на бурильних і насосно-компресорних трубах діаметром 73 та 89 мм і можуть бути поширені на інші типорозміри труб з діаметральними ущільненнями при умові перерахунку основних параметрів за згаданими залежностями. Розрахункова достовірність результатів при контролі розробленими способами з використанням серійних ультразвукових приладів та проведенні контролю фахівцями ІІ рівня становить не менше 0. 9.

Агрегатування методик піддавалось експериментальній перевірці на натурних зразках з’єднань обсадних труб фірми “Ніппон Стіл Корп. ” з трапецієвидною різьбою, конічними діаметральними проточками для мастила та торцевими ущільненнями типу “метал – метал”. Цей підхід виявився досить ефективним, і в подальшому був практично реалізований під час розробки галузевих стандартів з неруйнівного контролю нарізних труб нафтового сортаменту та інших об’єктів нафтогазового комплексу.

Четвертий розділ містить інформацію про розробку та впровадження технічних засобів, технологій та нормативного забезпечення для неруйнівного контролю. Під час розробки технічних засобів основна увага приділялась розробці акустичних блоків та систем сканування, які реалізували б нові технології за допомогою серійної ультразвукової апаратури. З огляду на те, що технічні засоби призначені для