Аналіз конкретних випадків показує, що механічні властивості і знання металургійних факторів виробництва бурильних труб допомагають визначити вид їх пошкодження, а також з’ясувати чи є це єдиним випадком або повторюваною проблемою.
ШРІ ЧІМБЛІ І СКОТТ ХАРДІНГ
«Послуги з розрахунку механічних
напруг при проектуванні»
Аналіз першопричини є важливим методом визначення причини події, поломки або проблеми. Доступні кілька методів, в тому числі метод «5 чому», метод «риб’ячої кістки» і «Аполлон», для аналізу першопричин з метою дослідження і виявлення проблем і для розробки відповідних профілактичних заходів. Нафтопромислове обладнання ретельно перевіряється і оцінюється. Проте, пошкодження, що призводять до нещасних випадків, як і раніше трапляються в силу різних причин, таких як екстремальні умови експлуатації, неадекватний підбір матеріалів, невідповідності в процесі виробництва або контролю якості.
Аналіз пошкоджень, який зазвичай складається з системного підходу, що використовується як аналіз механічних властивостей, так і металургійні фактори для визначення типу ушкодження, забезпечує основу для проведення будь-якого аналізу причинно-наслідкових зв’язків. У цьому розділі розглядаються приклади аналізу пошкоджень з’єднань бурильних і обсадних труб, які не витримують екстремальних умов роботи, недоліків виробництва або контролю якості.
Результати аналізу конкретних випадків нададуть більш широку перспективу для розуміння і допомоги в запобіганні таких ушкоджень. Аналіз дефектів може бути підтверджений розрахунками навантаження, аналізом кінцевих елементів або імітацією збою шляхом тестування. Аналіз конкретних випадків без аналізу самого ушкодження недостатній для запобігання повторному виникненню дефектів обладнання або компонента, необхідного для підтримки цілісності конструкції.
Американське суспільство контролю якості визначає аналіз першопричин як «збірний термін, який описує широкий діапазон підходів, обладнання та методів, що використовуються для виявлення причин проблем». Методи, такі як «5 чому», аналіз по Парето, аналіз впливу збоїв і візуалізація реальності припускають систематичний підхід до виявлення першопричини шляхом ретельного дослідження. Пошкодження обладнання або компонентів зазвичай поділяються на чотири категорії: дефекти якості або виробництва, навколишнє середовище, умови експлуатації та дизайн. Вкрай важливо провести ретельний аналіз збоїв, щоб визначити вид ушкодження і дізнатися, чи є збій повторюється або єдиним випадком, тим самим, зменшуючи непередбачений час простою і витрати.
У декількох прикладах досліджень бурових труб і кріплень, представлених в цій статті, підкреслюється важливість аналізу збоїв при аналізі головних причин. Аналіз збоїв є системний підхід, який часто включає аналіз довідкової інформації, проведення візуального огляду і неруйнівного контролю, фрактографію (вивчення тріщинуватих поверхонь) за допомогою стереомікроскопів і / або скануючої електронної мікроскопії, металографічні дослідження зразка і аналіз корозійних відкладень.
Випадок 1: бурильна труба класу XD 105, розділена на довжину 1,83 м, 24,13 см від кінця труби. Ніяких видимих вторинних тріщин не було видно поруч з розривом після вологої магнітно-люмінесцентної дефектоскопії. Візуальний огляд бурильної труби показав стиснення, зменшення діаметра і товщину стінки, прилеглу до розриву, яка була визначена кількісно вимірами зовнішнього діаметра 11,68 см при розриві і 12,57 см від місця розлому. Фрактографія показала
45 ° - ні бічні скоси без будь-яких особливих або видимих місць зародження руйнування. Поєднання подовження і бічних скосів під 45 ° вказує на те, що бурильна труба розірвалася через надмірнео навантаження.
Бурильна труба мала середню твердість 25 одиниць за шкалою Роквелла С. з мікроструктурою відпущеного мартенситу, типовою для сталі в загартованому та відпущеному стані. Межа плинності бурильної труби, 122,5 тис.фунтов / кв.дюйм, була вище заданої максимальної вимоги до продуктивності 120 тис.фунтов / кв.дюйм, що вказує на те, що довжина бурильної труби збільшилася розтягуванням, що призвело до деформаційного зміцнення при руйнуванні під впливом надмірних навантажень. Ніякої очевидною аномалії виробництва не було помічено в цьому аналізі, тому руйнування під впливом надмірних навантажень, ймовірно, пояснюється умовами експлуатації і дизайном.
Випадок 2: Три розділених ділянки з двох стиків бурильної труби мали механічно пошкоджені поверхні розлому, які не мали жодних ознак руйнування, що вказують на їх вигляд зламу. Волога магнітно-люмінесцентна дефектоскопія деталей бурильних труб показала кілька периферичних тріщиноподібних проявів (рис. 1). Ці кругові тріщини перебували в підставі поглиблень з глибиною від 0,05 до 0,15 см.
Одна з типових тріщин була розкрита для оцінки поверхні тріщини, яка відображала сліди деформації інструментом і корозійні раковини поряд з чорними і червонувато-коричневими відкладеннями. Сліди деформації інструментом спостерігаються, коли два або більше витончення тріщини утворюють тріщини, які з’єднуються одна з одною, утворюючи єдиний фронт тріщини. Корозійні раковини, присутні на поверхні тріщини, вказують на поступове її зростання , характерне для втоми і циклічного навантаження.
Грунтуючись на розташуванні деформацій інструменту і спрямованості корозійних раковин, було очевидно, що відкрита тріщина зародилася на зовнішній поверхні і поширилася всередину. На поверхні тріщин (аналіз за методом енергодисперсійної рентгенівської спектроскопії) містилися елементи барію, кальцію і сірки, характерні для бурових розчинів, на додаток до елементів, зазвичай присутніх в стали. Металографічне дослідження поперечного перерізу тріщин виявило множинні внутрішньозерінні тріщини біля основи заглиблень (рис. 1d).
Механічні властивості бурильних труб були задовільними згідно вимог специфікації АPI 5DP, клас S. Точкова корозія привела до утворення місць концентрації напруги, з яких розросталися втомні тріщини. Незважаючи на те, що для дослідження не було надано ніяких непошкоджених зламів, був достатній обсяг додаткової інформації, яка дозволила визначити причину дефекту - втома металу.
Випадок 3: Бурильна труба мала пробой і вимивання на відстані приблизно 0,61 м від сторони замкового з’єднання кінця труби. Дослідження внутрішньої поверхні труби показало пошкодження внутрішнього покриття, ймовірно, через пошкодження інструментом. Велика частина поверхні розлому була пошкоджена при вимиванні. Однак було виявлено, що невелика внутрішня тріщина поверхні, неушкоджена вимиванням, була викликана втомою металу. Труба мала мікроструктуру відпущеного мартенситу, а механічні та хімічні властивості труби задовольняли специфікації АPI 5DP класу X-95. В ході даного аналізу не було виявлено ніяких очевидних аномалій виробництва, а вимивання пояснюється втомною тріщиною, яка зародилася на внутрішній поверхні в корозійній виразці, викликаній порушенням внутрішнього покриття. Аналіз першопричин може, крім того, виявити причину пошкодження покриття, вимагати перевірки покриття та дій, необхідних для запобігання пошкодженням покриття в майбутньому.
Випадок 4: З’єднання бурильної труби, відокремлене по колу в стику інструменту на 3,81 см від зварного шва. Сильне звуження в точці розриву вказує на дуже в’язке руйнування. На зовнішній поверхні поблизу пошкодження спостерігалися периферичні задираки і темно-забарвлені місця окислення, пов’язані з високотемпературним окислення. Дослідження мікроструктури поблизу точки монтажу показало неотпущенний мартенсит, який свідчить про те, що з’єднання інструменту було піддано надзвичайно високим температурам і швидкому охолодженню в точці дефекту. Тертя між верхньою торцевою поверхнею замку і стовбуром свердловини, ймовірно, викликало високотемпературний вплив, пов’язаний з мікроструктурними змінами. Твердість по Віккерсу невідпущенної мартенситнї області становила приблизно 450 HV (HRC 45,2), тоді як область мартенситової відпустки (далеко від розлому) мала середню твердість 300 HV (HRC 29,7). Хімічні і механічні властивості представленого з’єднання інструменту були задовільними. Цей дефект, ймовірно, пояснюється відмінністю експлуатаційних від проектних умов, а аналіз першопричин допоможе визначити робочі параметри, які сприяли перегріву з’єднання інструменту.
Випадок 5: Виявлено пробій в трубному кріпленні. Металографічне дослідження поперечного перерізу пробою виявило відсутність дефекту зварного шва при контактному зварюванні в стику, що призвело до пробоїни в середині стику. Відсутність дефекту сплаву була короткою і спостерігалася тільки на краях пробоїни. Пробоїна виникла, коли дефект зварного шва поширився по стінці, що призвело до вимивання через високошвидкісного потоку, що руйнує стінки, на яких відсутнє сплавом, в результаті чого спостерігається круглий отвір з рифленими сторонами. Трубне кріплення відповідає вимогам до механічних і хімічних властивостей матеріалу АPI 5CT, класу P110. Пробій в кріпленні пояснюється виробничим дефектом, який може бути додатково досліджено при аналізі головних причин.
Випадок 6: Ділянка 11,43 см, кріплення P110 мало розрив уздовж зварного з’єднання в результаті відсутності термообробки на звареному шві і трубі. Зварене з’єднання і основний метал мали твердість 55 за шкалою Роквелла С і 94 за шкалою Роквелла У відповідно.
Невідпущений мартенсит спостерігався в зварюванні з високою твердістю, в той час як в низькотемпературному основному металі спостерігалася ферріто-перлитная мікроструктура. Матеріал класу P110 загартована і відпущена мікроструктура з мінімальною міцністю на розтягнення 125 тис.фунтов / кв.дюйм (мінімальна твердість приблизно 26 HRC). Це вказує на те, що після зварювання труба не піддавалася термообробці. Для отримання твердості 26 HRC потрібно загартована і відпущена мікроструктура, якої не було в основному металі. Таким чином, не тільки напруга зварного шва не знімалася, але і труба не була надана в загартованому та відпущеному стані. Відсутність термообробки призвела до тендітного контактному зварюванні і низької міцності корпусу труби, що призвело до нинішнього розламу і роз’єднання. Кріплення не відповідало вимогам АPI 5CT класу P110. Аналіз головних причин може досліджувати питання виробництва і контролю якості, які дозволили створити невідповідне трубне кріплення.
Випадок 7: АPI 5CT класу P110 вимагає, щоб з’єднання були виконані в загартованому та відпущеному стані, тобто мали мікроструктуру відпущеного мартенситу. Однак під час звичайного приймального огляду було встановлено, що чотири з семи кріплень з декількох теплових партій мали порушення режиму термообробки, що призвело до утворення феррито-перлітної структури. Феррито-перлітна мікроструктура типова для сталі в нормалізованому стані. Відсутність належної термообробки призводить до більш низьким механічних властивостей, що призводить до передчасних пошкоджень при експлуатації.
З цих тематичних досліджень, очевидно, що аналіз пошкоджень забезпечує найважливіші фактори, необхідні для проведення ретельного аналізу головних причин, як показано на малюнку 2.
Ця стаття заснована на презентації, на Конференції з цілісності і надійності конструкцій МАБП 2017 року, 22-23 серпня, Х’юстон.
