Аналіз факторів, що впливають на вибір конструкційних матеріалів

Вибір конструкційних матеріалів є відповідальним етапом в процесі проектування виробів. Неправильний вибір конструкційних матеріалів може привести до негативних наслідків при експлуатації виробу (недостатньої міцності конструкції; низької довговічності окремих деталей, що працюють в режимі змінних навантажень та в умовах агресивних середовищ тощо). Крім того, неправильний вибір конструкційних матеріалів веде до збільшення матеріало-місткості конструкції, до підвищення вартості виготовлення, погіршує експлуатаційні показники обладнання.

Вибір конструкційних матеріалів повинен здійснюватися в залежності від умов роботи виробу та його складових вузлів і деталей. Для оцінки умов експлуатації бурового і нафтогазо-промислового обладнання враховують в основному такі фактори:

– характер навантаження конструкції;

– агресивність середовища;

– тепловий режим роботи обладнання;

– кліматичну характеристику регіону.

Характер навантаження конструкції. Характер навантаження деталей і вузлів обладнання є визначальним фактором при виборі несучих деталей конструкції. Окремі вироби бурового і нафтогазопромислового обладнання працюють під тиском до 100 МПа, сприймають навантаження до 1 – 2 МН, а в деяких випадках і більше. Для прикладу, проектуються і виготовляються фонтанні арматури, превенторні установки та колонні обв’язки на робочий тиск 70 та 105 МПа. На деякі деталі конструкції цього обладнання при експлуатації та випробуваннях діє зусилля до 4 – 5 МН.

Механічні навантаження на деталі конструкцій можуть бути різними за напрямком дії (розтяг, стиск, згин, кручення, їх комбінація). У відповідності з вказаними навантаженнями напружений стан деталей може бути простим і складним. Так, корпусні деталі засувок, превенторів, колонних обв’язок знаходяться під дією складного напруженого поля. В циліндричних стінках вказаних конструкцій діють радіальні, колові та осьові напруження.

Навантаження на деталі можуть бути постійними і змінними в часі, змінюватися плавно або прикладатися раптово (ударні навантаження). Прикладом останнього є навантаження, що виникають в конструкції трубного елеватора.

Багато конструкцій бурового і нафтогазопромислового обладнання працює в режимі змінних навантажень. Останні характеризуються циклом змінних напружень. В табл. 3.1 наведені цикли змінних напружень для деяких деталей.

Таблиця 3.1 – Цикли змінних напружень

Агресивність середовища. Бурове і нафтогазо-промислове обладнання працює в умовах дії різноманітних агресивних факторів, які спричиняють такі види руйнування: абразивне спрацювання, ерозійне та кавітаційне руйнування, корозію, корозійно–механічне руйнування.

Абразивне спрацювання справляє найбільш руйнівну дію на деталі конструкції і спостерігається в тих випадках, коли поверхні, що труться забруднюються дрібними абра-зивними частинками. Ці частинки тривалий час зберігають свої ріжучі властивості, утворюють на поверхнях деталей подряпини, задири. В умовах абразивного спрацювання працюють циліндро-поршневі пари та плунжери насосів для перекачування технологічних рідин, напірна труба вертлюга та інші деталі бурового і нафтогазопромислового обладнання.

Ерозія – це процес руйнування деталей при дії на них потоків рідини або газів, які забруднені механічними частинками і рухаються з великою відносною швидкістю. В залежності від середовища, в якому працюють деталі конструкції розрізняють гідроабразивне і газоабразивне руйнування. Перше має місце в деталях гідромашин (відцентрові насоси, турбобури, гідротурбіни), друге – у відцентрових компресорах, газових турбінах та ін.

Кавітаційне руйнування відбувається при русі рідини в умовах кавітації. Процес кавітації обумовлений утворенням кавітаційних бульбашок в зонах з пониженим тиском рідини. Переміщаючись в зону підвищеного тиску, бульбашки руйнуються. Їх руйнування проходить з великою швидкістю, внаслідок чого виникає гідравлічний удар на поверхні металу, що приводить до його руйнування. Кавітаційне руйнування характерне для деталей гідромашин.

Корозія – це результат руйнівної дії на конструкційні матеріали рідини, газу, коливань температури, повітря. Руй-нування відбувається внаслідок хімічних та електрохімічних процесів, які мають місце на поверхні конструкційних матеріалів.

Корозійно–механічне руйнування відбувається під впливом корозії і механічних чинників (напружень, деформацій, тертя та ін). Наприклад, корозійно-втомне руйнування – це процес руйнування конструкції, яка працює в корозійному середовищі в режимі змінних напружень. В таких умовах працюють насосні штанги, окремі елементи бурильної колони та інше обладнання.

Тепловий режим роботи обладнання.Обладнання або його окремі вузли та деталі можуть працювати в умовах підвищених температур. Причому температурне поле може бути зумовлене характером технологічного процесу або нагріванням деталей в процесі роботи (вузли двигунів, компресорів, підшипникові вузли, тощо). Для прикладу, при тепловій обробці привибійної зони пласта температура на вибої може досягати 100-350 ^оС. В таких умовах працює і пакер, який використовується в даному випадку для локалізації зони прогріву. При проектуванні пакера для зазначеного вище технологічного процесу температурний фактор слід врахо-вувати при виборі конструкційних матеріалів деталей пакера, при виборі зазорів в спряжених деталях.

Крім того, підвищення температури веде до погіршення механічних характеристик матеріалів. Наприклад, в табл. 3.2 показано, як змінюється границя текучості деяких конструк-ційних сталей при підвищенні температури. Останнє зас-відчує, що тепловий режим роботи обладнання є важливим фактором при виборі конструкційних матеріалів.

Таблиця 3.2 – Вплив температури на механічні властивості сталей

Кліматична характеристика регіону. Бурове і нафтогазо-промислове обладнання експлуатується в різноманітних кліматичних умовах (від –50 ^оС до +60 ^оС).

Рисунок 3.1 – Вплив температури на ударну в’зкість сталі 50Г

При понижених температурах конструкційні матеріали стають крихкими, погіршується їх схильність до пружних деформацій. Для більшості сталей знижується їх ударна в’язкість. Останнє може стати причиною руйнування обладнання, що працює в режимі динамічних навантажень (трубні та штангові елеватори, несучі деталі талевого блока і кронблока, підйомні гаки та ін.). На рис. 3.1 показана залежність ударної в’язкості сталі 50Г від температури. Як видно, ударна в’язкість суттєво зменшується при пониженні і підвищенні температури. Крім того, тропічний клімат, підвищена вологість, сонячні промені руйнують захисні покриття та ізоляційні матеріали.