image

Территория Нефтегаз № 11 2016

Бурение

01.11.2016 10:00 Разрушение ниппелей бурильных труб в процессе эксплуатации
В статье рассматриваются причины сломов ниппелей бурильных труб при их свинчивании при отрицательных температурах окружающей среды. Слому предшествует образование трещины усталостного происхождения в области галтели ниппеля под воздействием знакопеременных напряжений изгиба, реализующихся в этой зоне при вращении труб на участках наклонного бурения при отсутствии плотного контакта между упорным уступом ниппеля и торцом муфты. Окончательному долому ниппелей с ранее образовавшейся усталостной трещиной при повторном свинчивании способствует низкое сопротивление металла ниппелей хрупкому разрушению при отрицательных температурах. Зоны последующего развития разрушения имеют характерную для разрушения при однократном приложении нагрузки волокнистость поверхностей излома. Ранее подобный характер разрушения в виде ориентированных в кольцевом направлении сквозных трещин уже наблюдался в замковых соединениях бурильных труб после эксплуатации их на участках наклонного бурения. Наряду с анализом условий слома и характера разрушения ниппелей были выполнены работы по определению химического состава, прочностных, пластических характеристик металла поврежденных ниппелей и его ударной вязкости в температурном интервале от –32 до 20 °С. Для проведения исследований был использован металл резьбовых частей ниппелей бурильных труб, извлеченных из муфт. Для предотвращения хрупкого разрушения (сломов) ниппелей бурильных труб в процессе их сборки при отрицательной температуре окружающего воздуха представляется целесообразным перед завинчиванием ниппеля в муфту производить их предварительный подогрев до температуры не ниже 10–15 °С. Выяснение причин повреждений бурильных труб представляется весьма актуальным с точки зрения предупреждения выхода их из строя в процессе эксплуатации и обеспечения промышленной безопасности при бурении скважин.
Ключевые слова: бурильные трубы, сломы ниппелей, момент затяжки, усталостные трещины, отрицательные температуры, охрупчивание металла ниппелей.
Ссылка для цитирования: Корчагин А.П., Климов В.В., Баринова Н.В., Мурашов А.О. Разрушение ниппелей бурильных труб в процессе эксплуатации // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2016. № 11. С. 28–32.
Открыть PDF


В процессе свинчивания бурильных труб в свечу имели место разрушения их замковых соединений – сломы ниппелей.

Представленные для исследования две поврежденные бурильные трубы эксплуатировались в скважине на участках наклонного бурения в течение 646 часов. По истечении этого времени трубы были извлечены из скважины и поставлены на хранение без проведения инспекции их технического состояния.

При работе труб на участке наклонного бурения в материале замка реализуются знакопеременные напряжения изгиба, возникающие при вращении трубы.

1_1_7.png

Поскольку в процессе сборки, по всей вероятности, не был обеспечен плотный контакт между упорным уступом ниппеля и упорным торцом муфты, то имел место зазор между ними. Соответственно, напряжения изгиба циклического характера воспринимались уже не замком в целом, а металлом ниппеля в зоне галтели с высоким уровнем концентрации напряжений.

Неполное ввинчивание ниппеля в муфту и, как следствие, отсутствие контакта между упорным уступом ниппеля и упорным торцом муфты могло произойти при недостаточной очистке резьбы ниппеля и муфты.

В предоставленном для исследования дополнительном образце замкового соединения в сборе зазор между упорным уступом ниппеля и упорным торцом муфты составил 1,6 мм.

Используемые ранее в работе бурильные трубы после хранения вновь поступали на сборку в свечи с открытых стеллажей. Температура металла стенки труб за время хранения соответствовала уровню температуры окружающей среды. По имеющейся информации, соединение труб в свечу производилось после длительного пребывания на открытом воздухе в зимних условиях при температуре окружающей среды около –30 °С.

Сломы ниппелей бурильных труб произошли в области упорного уступа за пределами резьбового участка, в месте перехода от цилиндрической шейки ниппеля диаметром 130 мм к утолщенному участку диаметром 170 мм, в сечении упорного уступа (рис. 1).

1_1.png

Подобного рода разрушения замковых соединений (сломы ниппелей и повреждения муфт бурильных труб) имели место и ранее, в том числе на буровых установках в Уренгое, при этом сломы ниппелей во всех случаях происходили при отрицательной температуре окружающей среды.

Радиус галтели в зоне перехода от цилиндрической части ниппеля к его основному корпусу равен 1,5 мм. Такой малый радиус галтели изначально предопределяет высокий уровень концентрации напряжений в материале ниппеля в области упорного уступа.

В процессе сборки, предшествовавшей эксплуатации колонны на участке наклонного бурения, в соединении с неполным ввинчиванием ниппеля в муфту его нагружение крутящим и изгибающим моментами способствовало образованию усталостной трещины в зоне галтели ниппеля (рис. 2).

Под действием сложного нагружения металла в области максимальной концентрации напряжения (области галтели) трещина распространилась на значительную часть поперечного сечения стенки трубы и получила развитие по направлению к внутреннему отверстию. Этот процесс одинаков для обоих образцов.

В процессе развития усталостной трещины происходило многократное соприкосновение поверхностей излома, вследствие чего возникла притертость этих поверхностей. Именно такой вид имеет поверхность излома стенки трубы в области развития и распространения трещины.

Притертость поверхности излома свидетельствует и о том, что повреждение в стенке обоих ниппелей развивалось достаточно медленно в течение длительного времени при относительно небольших нагрузках [1, 2].

Зоны последующего развития разрушения – зоны долома – имеют характерную для разрушения при однократном приложении нагрузки волокнистость поверхностей излома. Ранее подобный характер разрушения в виде ориентированных в кольцевом направлении сквозных трещин уже наблюдался в замковых соединениях бурильных труб после эксплуатации их на участках наклонного бурения.

Слом ниппелей произошел при ввинчивании их в муфты при моменте затяжки, равном 3 КНм (300 кГм), что существенно ниже величины регламентируемого момента затяжки. Такой малый момент затяжки может свидетельствовать о том, что в металле ниппелей в области галтели уже имело место ослабление сечения, произошедшее ранее, и при свинчивании произошел его долом.

В связи с этим можно предположить, что бурильные трубы были подняты с участков наклонного бурения с уже образовавшимися трещинами в области упорного уступа ниппеля. Поскольку инспекция их технического состояния после поднятия с участков наклонного бурения не проводилась, трубы с поврежденными ниппелями поступили на сборку в свечу.

Наряду с анализом условий слома и характера разрушения ниппелей были выполнены работы по определению химического состава, прочностных, пластических характеристик металла поврежденных ниппелей и его ударной вязкости в температурном интервале от –32 до 20 °С. Для проведения исследований был использован металл резьбовых частей ниппелей бурильных труб, извлеченных из муфт.

Результаты химического анализа свидетельствуют о том, что фактическое содержание элементов в металле поврежденных ниппелей бурильных труб соответствует сертификатным данным фирмы – поставщика труб. Ближайшим отечественным аналогом является сталь марок 38ХГМ, 38ХМ. Согласно требованиям отечественной документации [3, 4] замки бурильных труб должны изготавливаться из сталей марок 40ХН и 40ХМФА.

Разрушение ниппелей произошло в диаметральной плоскости. Соответственно, для оценки механических свойств ниппелей образцы для механических испытаний на растяжение также располагались в этой плоскости. Для сравнения были проведены механические испытания образцов металла ниппелей в продольном направлении. Эти испытания (табл. 1) позволили сопоставить фактические механические свойства металла замковых соединений с нормативными и сертификатными данными, которые оценивают свойства материалов по результатам испытаний продольных, ориентированных вдоль образующей, образцов.

Результаты механических испытаний металла поврежденных ниппелей бурильных труб на растяжение характеризуются малым разбросом, что косвенно свидетельствует об однородности материала резьбовой части ниппелей. Данные, представленные в табл. 1, свидетельствуют о том, что прочностные характеристики – предел текучести и временное сопротивление металла поврежденных ниппелей в продольном и тангенциальном направлениях –
соответствуют нормам отечественной документации и сертификатным данным фирмы-поставщика.

Пластические характеристики – относительное удлинение и сужение в тангенциальном направлении – у металла поврежденных ниппелей заметны ниже. Относительное удлинение металла поврежденных ниппелей в диаметральной плоскости (плоскости слома) по сравнению с продольной ориентацией (вдоль образующей) ниже на 18–29 %, относительное сужение – ниже на 18–21 %.
Разница в значениях пластических характеристик металла в тангенциальном и продольном направлениях объективна и обусловлена анизотропией механических свойств металла заготовок ниппелей.

По всей вероятности, для изготовления ниппелей был использован сортовой прокат, анизотропия механических свойств металла которого обусловлена технологией его производства.

Численные значения ударной вязкости металла ниппелей (табл. 2) в диаметральной плоскости – плоскости слома ниппелей – при температурах от –
32 до 20 °С в среднем в 2,2 раза ниже, чем вдоль их образующей в продольном направлении. Такое различие в величине ударной вязкости свидетельствует о том, что материалу ниппелей в части сопротивления хрупкому разрушению свойственна значительная анизотропия.

Анизотропия материала ниппелей имеет деформационное происхождение в результате ориентированной вдоль образующей пластической деформации металла на стадии формирования заготовки – круглого проката, использованного впоследствии для изготовления ниппелей.

При температуре –20 °С согласно сертификатам качества фирмы-поставщика величина ударной вязкости металла ниппелей должна находиться в пределах 101–114 Дж/см2. Фактические значения ударной вязкости при этой температуре в продольном направлении находятся в пределах 67–80 Дж/см2. При других температурах значения ударной вязкости не регламентируются как фирменными сертификатами, так и отечественной нормативной документацией.

Согласно существующим представлениям о механизме перехода металла из вязкого состояния в хрупкое считается, что для сталей с пределом прочности свыше 1000 МПа величина ударной вязкости должна быть не менее 40 Дж/см2. При величине ударной вязкости ниже 40 Дж/см2 сталь с пределом прочности свыше 1000 МПа переходит в хрупкое состояние.

Температурные зависимости ударной вязкости металла ниппелей свидетельствуют о том, что величина ударной вязкости в плоскости слома, равная 40 Дж/см2, обеспечивается для материала ниппеля (условн. № 1) в плоскости слома при температуре –2 °С и для материала ниппеля бурильной трубы (условн. № 2) в плоскости слома при температуре –15 °С.

При более низких температурах металл ниппелей находится в хрупком состоянии. Это подтверждается и характером изломов ударных образцов, ориентированных в диаметральной плоскости и испытанных при температурах –20 и –32 °С. У образцов, подвергшихся испытаниям при этих температурах, доля вязкой составляющей в изломе не превышает 5–10 %, деформация поперечного сечения образца в изломе практически отсутствует. Это является еще одним свидетельством того, что металл ниппелей, изготовленных из стали повышенной прочности (В > 1000 МПа), при температуре стенки ниже –15 °С находится в хрупком состоянии.

Таким образом, при повторной сборке трубы с трещиной в ниппеле в зоне уступа, образовавшейся в процессе наклонного бурения, при температуре сборки, равной –32 °С, металл ниппеля перешел в хрупкое состояние и его способность к сопротивлению развитию уже существующей трещины резко понизилась, в связи с чем для окончательного долома ниппеля потребовалось приложение гораздо меньшей нагрузки, что подтверждается низким моментом затяжки, предшествовавшим разрушению.

В связи с этим для предотвращения хрупкого разрушения (сломов) ниппелей бурильных труб в процессе их сборки в осенне-зимний период при отрицательной температуре окружающего воздуха представляется целесо-
образным перед завинчиванием ниппеля в муфту производить их предварительный подогрев до температуры не ниже 10–15 °С.

Бурильные трубы, отработавшие на участках наклонного бурения, перед вводом в эксплуатацию независимо от продолжительности их предыдущей работы должны подвергаться дефектоскопии в области упорного уступа ниппеля в целях своевременного выявления возможных повреждений его металла в этой зоне.

При свинчивании бурильных труб должен быть обеспечен плотный контакт между упорным уступом ниппеля и упорным торцом муфты (отсутствие зазора между ними) для предупреждения перегрузки металла ниппеля.


Таблица 1. Результаты испытаний металла ниппелей на растяжение

Table 1. Results of nipples metal tensile tests

Объект исследования

Test object

Ориентация образцов

Samples orientation

Механические свойства при 20 °С

Mechanical properties at 20 °C

Предел текучести 0,2, МПа

Yield 0.2, MPa

Временное сопротивление В, МПа

Temporary resistance В, MPa

Относительное удлинение 5, %

Elongation 5, %

Относительное сужение , %

Reduction , %

Ниппель (условн. № 1)

Nipple (conv. No. 1)

Тангенциальная

Tangential

1009–1054

1131–1560

11,0–12,8

46,6–48,5

Продольная Longitudinal

965–1037

1081–1999

15,5–16,0

58,0–62,3

Ниппель (условн. № 2)

Nipple (conv. No. 2)

Тангенциальная

Tangential

957–967

1068–1078

11,0–12,7

46,9–48,3

Продольная

Longitudinal

1015–1048

1131–1444

16,6–17,2

54,3–57,9

Сертификат качества фирмы-поставщика

Quality certificate of the supplier

938–1078

1104–1167

15,4–18,5

50,9–61,5

Ниппели из стали 40ХН ГОСТ 5286-75 [3]

Nipples made of steel 40ХН GOST 5286-75 [3]

≥750

≥900

≥10

≥45

Таблица 2. Результаты испытаний материала ниппелей на ударный изгиб

Table 2. Results of nipples material bending impact test

Объект испытаний

Test object

Ориентация образцов

Samples orientation

Ударная вязкость KCV при температуре испытаний, Дж/см2

Impact strength KCU at test temperature, J/cm2

20 °С

–20 °С

–32 °С

Ниппель (условн. № 1)

Nipple (conv. No. 1)

Продольная (вдоль образующей ниппеля)

Longitudinal (along the generator of the nipple)

84; 87

67; 69; 75

44; 47; 49

Тангенциальная (в диаметральной плоскости)

Tangential (in a diametrical plane)

50; 53

26; 36

21; 21

Ниппель (условн. № 2)

Nipple (conv. No. 2)

Продольная (вдоль образующей ниппеля)

Longitudinal (along the generator of the nipple)

93; 99

77; 77; 80

52; 53; 56

Тангенциальная (в диаметральной плоскости)

Tangential (in a diametrical plane)

82; 84

35; 37

25; 26

Ниппели из стали 40ХМФА ГОСТ 27834

Nipples made of steel 40ХМФА GOST 27834

Продольная (вдоль образующей)

Longitudinal (along the generator)

58,9

Сертификаты качества поставщика

Quality certificates of the supplier

Сведения отсутствуют

N/A

101–114

 



← Назад к списку


im - научные статьи.