При освоении и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений используют бурильные, обсадные и насосно-компрессорные колонны, которые состоят из отдельных труб, соединенных резьбовыми концевыми участками (рис. 1). Срок службы трубных колон в значительной степени определяется надежностью резьбовых соединений. Статистика аварийности свидетельствует, что около 80% аварий трубных колон связано с коррозионно-усталостным разрушением, около 60% которых приходится на отказы резьбовых соединений . Кроме того, в нефтегазовой отрасли имеются другие примеры ответственных резьбовых соединений, например, резьбы шатунных болтов, штоков, шпилек поршневых компрессоров и др. Неразрушающий контроль (НК) резьбовых участков позволит снизить количество аварий в нефтегазовой отрасли путем своевременного выведения дефектных труб из эксплуатации.

Рис. 1. Резьбовые участки бурильных труб.

Нормативный документ по дефектоскопии концов бурильных труб предусматривает для выявления дефектов во впадинах замковой резьбы применение магнитопорошкового и ультразвукового методов НК. Эти методы НК имеют ряд недостатков, которые снижают достоверность выявления дефектов и ограничивают их применение в полевых условиях, в частности, из-за необходимости предварительной подготовки поверхности концов труб. Ультразвуковой метод дефектоскопии бурильных труб предусматривает введение ультразвуковых волн с торцевых поверхностей труб, которые должны тщательно зачищаться от механических повреждений (забоин и заусенцев) и остатков коррозии. Кроме того, метод требует применения контактных жидкостей, что не совсем удобно в полевых условиях. Магнитопорошковый метод имеет низкую производительность из-за необходимости проведения трудоемких операций по очистке, намагничиванию и размагничиванию контролируемой резьбы, а также ограниченную достоверность контроля из-за влияния субъективных факторов, связанных с качеством выполнения контрольных операций и квалификацией оператора-дефектокописта. Вихретоковый метод имеет высокую чувствительность и не требует тщательной зачистки контролируемой резьбы от маслянистых загрязнений и ржавчины, а также характеризуется высокой производительностью. Кроме того, метод позволяет дать объективную оценку размеров выявленных трещин с целью анализа возможности их удаления без существенного снижения надежности труб.

Для выявления дефектов в резьбовых соединениях поставлена задача разработки специализированного ВТП и сканирующих устройств для труб различного диаметра. К ВТП выдвигалось требование обеспечить высокую чувствительность к дефектам в межвитковой канавке (порог чувствительности по глубине не хуже 0,25 мм) с возможностью надежного разделения сигналов от дефектов сигналов, связанных с изменением зазора или перекоса ВТП. Сканирующее устройство должно обеспечивать нормальное положение ВТП относительно контролируемой поверхности в процессе сканирования контролируемой резьбы по винтовой линии с минимальным зазором между дном резьбы и рабочей поверхностью ВТП. В результате исследований для контроля резьбы предложен трансформаторный ВТП абсолютного типа, в котором возбуждающая и измерительная обмотки установлены на общем ферритовом сердечнике. Однозначное позиционирование чувствительного элемента на дне межвитковой канавки обеспечивалось за счет выполнения корпуса рабочей части ВТП в форме профиля резьбы. Для контроля резьбы разного типа и шага в объектах различного диаметра разработан набор сканирующих устройств, которые представлены в таблице 1.

Таблица 1. Типы сканеров для контроля резьбовых соединений

Сканирующее устройство для контроля резьбы (рис. 2) оснащено регулировочными механизмами, один из которых предназначен для регулировки высоты расположения ВТП и защиты чувствительного элемента от механических повреждений за счет обеспечения постоянного зазора между ВТП и контролируемой трубой, а второй механизм предназначен для устранения перекосов устройства при установке на трубы различного диаметра и обеспечения третей точки опоры.

Рис. 2. Сканирующее устройство с ВТП для контроля резьбы.

Дальнейшие работы проводились по 2-м основным направлениям: 1) разрабока и испытание технологий дефектоскопии резьбы буровых труб и 2) разработка и испытание технологий для дефектоскопии резьбовых элементов поршневых компрессоров.

Дефектоскопия резьбы бурильных труб.

Для выбора оптимальных режимов вихретокового контроля и проверки чувствительности ВТП при дефектоскопии буровых труб разработан специальный контрольный образец типа КО2353.08. Образец изготовлен из стали 40Х в виде отрезков трубы диаметром 100 мм и длиной 250 мм, на концах которых нарезалась метрическая резьба с шагом 4 мм. Вдоль межвитковой впадины резьбы электроэрозионным методом выполнены два искусственных дефекта прямоугольной формы, параметры которых приведены в таблице 2.

Таблица 2. Параметры искусственных дефектов в стандартных образцах типа КО2353.08.

Рис. 3. Контрольный образец предприятия КО2353.08 для контроля метрической резьбы.

На рис. 4 приведены сигналы в комплексной плоскости дефектоскопа Eddycon от искусственных дефектов глубиной 0,25 мм (рис. 4а) и 0,5 мм (рис. 4б), полученные с помощью специализированного ВТП при сканировании резьбовой зоны контрольного образца КО 2353.08 с помощью сканирующего устройства типа СКВ-МР-02 (см. табл. 1), а также сигналы от изменений зазора (рис. 4в), полученные путем отвода ВТП от контролируемой резьбы. Рабочая частота контроля – 350 кГц. Для улучшения условий разделения сигналов от дефектов и сигналов зазора усиление по вертикали установлено на 6 дБ больше, чем усиление по горизонтали.

Рис. 4. Годографы сигналов от дефектов глубиной 0,25 мм (а) и глубиной 0,5 мм (б),
а также годографы сигнала от изменения зазора (в).

Представленные дефектограммы (рис. 4а и 4б) свидетельствуют о высокой чувствительности разработанных технологий вихретоковой дефектоскопии резьбы буровых труб. Вихретоковый дефектоскоп «EDDYCON» имеет возможность автоматического определения соотношения сигнал/шум. В нашем случае при выявлении дефектов глубиной 0,25 мм и 0,5 мм было получено соотношение сигнал/шум, равное 12 дБ и 20 дБ соответственно. При этом, годографы сигналов от дефектов в комплексной плоскости имеют вертикальное направление (рис. 4а и 4б), что позволяет надежно выделять их даже в условиях изменяющегося зазора, так как годографы сигналов от изменения зазора имеют горизонтальное направление (рис. 4в). При этом дефекты разной глубины имеют разную амплитуду (размах годографа в комплексной плоскости), что позволяет реализовать возможность количественного контроля.

Дефектоскопия резьбы элементов поршневых компрессоров.

По предложению Всероссийского научно-исследователького и конструкторско-технологического института оборудования нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности (ОАО «ВНИКТИнефтехимоборудование», Волгоград) проведены испытания предложенных технологий вихретокового контроля резьбы применительно к элементам поршневых компрессоров. Для проведения испытаний подготовлен широкий набор контрольных образцов, который позволяет имитировать элементы поршневых компрессоров по диаметру труб и шагу резьбы (см. таблицу 3).

Испытания проводились в мае 2012 г. на базе ОАО «ВНИКТИнефтехимоборудование». На испытаниях в составе вихретокового дефектоскопа Eddycon использовались сканирующие устройства СКВ-МР-01, СКВ-МР-02, СКВ-МР-03 (см. таблицу 1) с комплектом специализированных ВТП.

Таблица 3. Параметры образцов для испытания технологий контроля резьбы поршневых компрессоров.

В ходе проведения испытаний были обнаружены все искусственные дефекты на представленных образцах без ложных срабатываний. Также были отмечены высокие технические характеристики дефектоскопа Eddycon, которые позволяют применять его для проведения вихретокового контроля резьбовых элементов шатунных болтов, штоков, шпилек поршневых компрессоров и т.д. По результатам испытаний дефектоскоп типа Eddycon рекомендовано включить в нормативный документ СТО 03-001-12 2012 «Поршневые компрессоры нефтеперерабатывающих, нефтехимических и химических предприятий. Эксплуатация, технический надзор, ревизия, отбраковка и ремонт».

Заключение

1.Представлена технология дефектоскопии резьбовых элементов нефтегазового оборудования на базе универсального вихретокового дефектоскопа Eddycon и комплекта специализированных вихретоковых преобразователей и сканирующих устройств. Испытания показали, что предложенная технология позволяет обеспечить производительный достоверный контроль резьбовых элементов нефтегазового оборудования, в частности, буровых труб и поршневых компрессоров.