Анализ конкретных случаев показывает, что механические свойства и знание металлургических факторов производства бурильных труб помогают определить вид их повреждения, а также выяснить является это единственным случаем или повторяющейся проблемой.
ШРИ ЧИМБЛИ И СКОТТ ХАРДИНГ
«Услуги по расчёту механических
напряжений при проектировании»
Анализ первопричины является важным методом определения причины происшествия, поломки или проблемы. Доступны несколько методов, в том числе метод «5 почему», метод «рыбьей кости» и «Аполлон», для анализа первопричин с целью исследования и выявления проблем и для разработки соответствующих профилактических мер. Нефтепромысловое оборудование тщательно проверяется и оценивается. Тем не менее, повреждения, приводящие к несчастному случаю, по-прежнему случаются в силу разных причин, таких как экстремальные условия эксплуатации, неадекватный подбор материалов, несоответствия в процессе производства или контроля качества.
Анализ повреждений, который обычно состоит из системного подхода, использующего как анализ механических свойств, так и металлургические факторы для определения типа повреждения, обеспечивает основу для проведения какого-либо анализа причинно-следственных связей. В этом разделе рассматриваются примеры анализа повреждений соединений бурильных и обсадных труб, которые не выдерживают экстремальных условий работы, недостатков производства или контроля качества.
Результаты анализа конкретных случаев предоставят более широкую перспективу для понимания и помощи в предотвращении таких повреждений. Анализ дефектов может быть подтвержден расчетами нагрузки, анализом конечных элементов или имитацией сбоя путем тестирования. Анализ конкретных случаев без анализа самого повреждения недостаточен для предотвращения повторного возникновения дефектов оборудования или компонента, необходимого для поддержания целостности конструкции.
Американское общество контроля качества определяет анализ первопричин как «собирательный термин, который описывает широкий диапазон подходов, оборудования и методов, используемых для выявления причин проблем». Методы, такие как «5 почему», анализ по Парето, анализ влияния сбоев и визуализация реальности предполагают систематический подход к выявлению первопричины путем тщательного исследования. Повреждения оборудования или компонентов обычно подразделяются на четыре категории: дефекты качества или производства, окружающая среда, условия эксплуатации и дизайн. Крайне важно провести тщательный анализ сбоев, чтобы определить вид повреждения и узнать, является ли сбой повторяющимся или единственным случаем, тем самым, уменьшая непредвиденное время простоя и затраты.
В нескольких примерах исследований буровых труб и креплений, представленных в этой статье, подчеркивается важность анализа сбоев при анализе главных причин. Анализ сбоев представляет собой системный подход, который часто включает анализ справочной информации, проведение визуального осмотра и неразрушающего контроля, фрактографию (изучение трещиноватых поверхностей) с помощью стереомикроскопии и/или сканирующей электронной микроскопии, металлографическое исследование образца и анализ коррозионных отложений.
Случай 1: бурильная труба класса XD 105, разделенная на длину 1,83 м, 24,13 см от конца трубы. Никаких видимых вторичных трещин не было видно рядом с разрывом после влажной магнитно-люминесцентной дефектоскопии. Визуальный осмотр бурильной трубы показал сжатие, уменьшение диаметра и толщину стенки, прилегающую к разрыву, которая была определена количественно измерениями наружного диаметра 11,68 см при разрыве и 12,57 см от места разлома. Фрактография показала 45°-ные боковые скосов без каких-либо особенных или видимых мест зарождения разрушения. Сочетание удлинения и боковых скосов под 45° указывает на то, что бурильная труба разорвалась из-за вязкой, растягивающей чрезмерной нагрузки.
Бурильная труба имела среднюю твердость 25 единиц по шкале Роквелла С. с микроструктурой отпущенного мартенсита, типичной для стали в закаленном и отпущенном состоянии. Предел текучести бурильной трубы, 122,5 тыс.фунтов/кв.дюйм, был выше заданного максимального требования к производительности 120 тыс.фунтов/кв.дюйм, что указывает на то, что длина бурильной трубы увеличилась растягиванием, что привело к деформационному упрочнению при разрушении под воздействием чрезмерных нагрузок. Никакой очевидной аномалии производства не было замечено в этом анализе, поэтому разрушение под воздействием чрезмерных нагрузок, вероятно, объясняется условиями эксплуатации и дизайном.
Случай 2: Три разделенных участка из двух стыков бурильной трубы имели механически поврежденные поверхности разлома, которые не имели никаких признаков разрушения, указывающих на их вид излома. Влажная магнитно-люминесцентная дефектоскопия деталей бурильных труб показала несколько периферических трещиноподобных проявлений (рис. 1). Эти круговые трещины находились в основании углублений с глубиной от 0,05 до 0,15 см.
Одна из типичных трещин была вскрыта для оценки поверхности трещины, которая отображала следы деформации инструментом и коррозионные раковины наряду с черными и красновато-коричневыми отложениями. Следы деформации инструментом наблюдаются, когда две или более истонченные трещины образовывают трещины, которые соединяются вместе, образуя единый фронт трещины. Коррозионные раковины, присутствующие на поверхности трещины, указывают на постепенный рост трещины, характерный для усталости и циклической нагрузки.
Основываясь на расположении деформаций инструмента и направленности коррозионных раковин, было очевидно, что открытая трещина зародилась на внешней поверхности и распространилась внутрь. На поверхности трещин (анализ по методу энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии) содержались элементы бария, кальция и серы, характерные для буровых растворов, в дополнение к элементам, обычно присутствующим в стали. Металлографическое исследование поперечного сечения трещин выявило множественные внутризеренные трещины у основания углублений (рис. 1d).
Механические свойства бурильных труб были удовлетворительными согласно требований спецификации АPI 5DP, класс S. Точечная коррозия привела к образованию мест концентрации напряжения, из которых разрастались усталостные трещины. Несмотря на то, что для исследования не было предоставлено никаких неповрежденных изломов, имелся достаточный объем дополнительной информации, которая позволила определить причину дефекта – усталость металла.
Случай 3: Бурильная труба имела пробой и вымывание на расстоянии приблизительно 0,61 м от стороны замкового соединения конца трубы. Исследование внутренней поверхности трубы показало повреждение внутреннего покрытия, вероятно, из-за повреждений инструментом. Большая часть поверхности разлома была повреждена при вымывании. Однако было обнаружено, что небольшая внутренняя трещина поверхности, неповрежденная вымыванием, была вызвана усталостью металла. Труба имела микроструктуру отпущенного мартенсита, а механические и химические свойства трубы удовлетворяли спецификации АPI 5DP класса X-95. В ходе данного анализа не было выявлено никаких очевидных аномалий производства, а вымывание объясняется усталостной трещиной, которая зародилась на внутренней поверхности в коррозионной язве, вызванной нарушением внутреннего покрытия. Анализ первопричин может, кроме того, выявить причину повреждения покрытия, потребовать проверки покрытия и действий, необходимых для предотвращения повреждения покрытия в будущем.
Случай 4: Соединение бурильной трубы, отделенное по окружности в стыке инструмента на 3,81 см от сварного шва. Сильное сужение в точке разрыва указывает на очень вязкое разрушение. На внешней поверхности вблизи повреждения наблюдались периферические задиры и темно-окрашенные места окисления, связанные с высокотемпературным окислением. Исследование микроструктуры вблизи точки монтажа показало неотпущенный мартенсит, свидетельствующий о том, что соединение инструмента было подвержено чрезвычайно высоким температурам и быстрому охлаждению в точке дефекта. Трение между верхней торцевой поверхностью замка и стволом скважины, вероятно, вызвало высокотемпературное воздействие, связанное с наблюдаемыми микроструктурными изменениями. Твердость по Виккерсу неотпущенной мартенситной области составляла приблизительно 450 HV (HRC 45,2), тогда как область мартенсит отпуска (вдали от разлома) имела среднюю твердость 300 HV (HRC 29,7). Химические и механические свойства представленного соединения инструмента были удовлетворительными. Этот дефект, вероятно, объясняется отличием эксплуатационных от проектных условий, а анализ первопричин поможет определить рабочие параметры, которые способствовали перегреву соединения инструмента.
Случай 5: Выявлен пробой в трубном креплении. Металлографическое исследование поперечного сечения пробоя выявило отсутствие дефекта сварного шва при контактной сварке в стыке, что привело к пробоине в середине стыка. Отсутствие дефекта сплавления было коротким и наблюдалось только на краях пробоины. Пробоина возникла, когда дефект сварного шва распространился по стенке, что привело к вымыванию из-за высокоскоростного потока, разрушающего стенки, на которых отсутствовало сплавление, в результате чего наблюдается круглое отверстие с рифлеными сторонами. Трубное крепление соответствует требованиям к механическим и химическим свойствам материала АPI 5CT, класса P110. Пробой в креплении объясняется производственным дефектом, который может быть дополнительно исследован при анализе главных причин.
Случай 6: Участок 11,43 см, крепления P110 имел продольный разрыв вдоль сварного соединения в результате отсутствия термообработки на сварном шве и трубе. Сварное соединение и основной металл имели твердость 55 по шкале Роквелла С и 94 по шкале Роквелла В соответственно.
Неотпущенный мартенсит наблюдался в сварке с высокой твердостью, в то время как в низкотемпературном основном металле наблюдалась феррито-перлитная микроструктура. Материалу класса P110 требуется закаленная и отпущенная микроструктура с минимальной прочностью на растяжение 125 тыс.фунтов/кв.дюйм (минимальная твердость приблизительно 26 HRC). Это указывает на то, что после сварки труба не подвергалась термообработке. Для получения твердости 26 HRC требуется закаленная и отпущенная микроструктура, которой не было в основном металле. Таким образом, не только напряжения сварной шов не снималось, но и труба не была предоставлена в закаленном и отпущенном состоянии. Отсутствие термообработки привело к хрупкой контактной сварке и низкой прочности корпуса трубы, что привело к наблюдаемому разлому и разъединению. Крепление не соответствовало требованиям АPI 5CT класса P110. Анализ главных причин может исследовать вопросы производства и контроля качества, которые позволили создать несоответствующее трубное крепление.
Случай 7: АPI 5CT класса P110 требует, чтобы соединения были выполнены в закаленном и отпущенном состоянии, то есть имели микроструктуру отпущенного мартенсита. Однако во время обычного приёмочного осмотра было установлено, что четыре из семи креплений из нескольких тепловых партий имели нарушение режима термообработки, что привело к образованию феррито-перлитной структуры. Феррито-перлитная микроструктура типична для стали в нормализованном состоянии. Отсутствие надлежащей термообработки приводит к более низким механическим свойствам, что приводит к преждевременным повреждениям при эксплуатации.
Из этих тематических исследований, очевидно, что анализ повреждений обеспечивает важнейшим фактором, необходимым для проведения тщательного анализа главных причин, как показано на рисунке 2.
(Рисунок 2: Анализ повреждений обеспечивает важнейшим фактором, необходимым для тщательного анализа главных причин)
Эта статья основана на презентации, на Конференции по целостности и надежности конструкций МАБП 2017 года, 22-23 августа, Хьюстон.
