Jan Artymiuk*, Stanis³aw Bednarz*, Wies³aw Kie³bik** ANALIZA KONSTRUKCYJNA STREF ZGRZANIA RUR P UCZKOWYCH***

Transkrypt

1 WIERTNICTWO NAFTA GAZ TOM 25 ZESZYT Jan Artymiuk*, Stanis³aw Bednarz*, Wies³aw Kie³bik** ANALIZA KONSTRUKCYJNA STREF ZGRZANIA RUR P UCZKOWYCH*** 1. WPROWADZENIE Przewód wiertniczy jest d³ugim wydr¹ onym wa³em, w którego budowie wystêpuj¹ ró ne elementy rurowe, w szczególnoœci s¹ to rury p³uczkowe i obci¹ niki. Inne elementy specjalistyczne, jak: stabilizatory, amortyzatory, no yce, itp. wprowadza siê w celu poprawy pracy przewodu wiertniczego. Specjalne ³¹czniki stosuje siê przy zmianach œrednic. Poszczególne czêœci przewodu wiertniczego ³¹czone s¹ ze sob¹ przy pomocy sto kowych po- ³¹czeñ gwintowych z czo³ami oporowymi [4, 5]. Podstawowy element przewodu wiertniczego rura p³uczkowa o d³ugoœciach od 8,5 m do 9,5 m i œrednicach od 3 1 / 2 do 6 5 / 8 sk³ada siê z odcinka rury spêczanej na koñcach w temperaturze siêgaj¹cej 1260 o C, do których zgrzewane s¹ zworniki: czop i mufa z naciêtymi prawymi gwintami narzêdziowymi o zaokr¹glonych trójk¹tnych zarysach: (V-038) dla po³¹czeñ NC, (V-065) dla po³¹czeñ IF oraz (V-040.V-050) dla po³¹czeñ Reg oraz (V-040,050,065) dla po³¹czeñ FH. Przyk³adow¹ technologiê wykonania rury p³uczkowej pokazano na rysunku PROCES TECHNOLOGICZNY W czasie produkcji (rys. 1) ca³a d³ugoœæ rury jest poddana obróbce cieplnej i podlega kontroli jakoœci, w tym m.in. poprzez 100% kontrolê magnetyczn¹. Odcinek wewnêtrzny rury p³uczkowej stanowi rura walcowana bez szwu i spêczana na koñcach. Koñce rur s¹ wykonywane jako [2]: spêczane wewnêtrznie (internal upset), spêczane zewnêtrznie (external upset), spêczane wewnêtrznie i zewnêtrznie (internal end external upset). * Wydzia³ Wiertnictwa, Nafty i Gazu AGH, Kraków ** Poszukiwania Nafty i Gazu Kraków Sp. z o.o., Kraków *** Praca wykonana czêœciowo w ramach badañ w³asnych 177

2 Rys. 1. Przyk³adowy proces technologiczny produkcji rur p³uczkowych z oddzielnie wykonanymi zwornikami Rury p³uczkowe o mniejszych œrednicach z regu³y posiadaj¹ koñce spêczane na zewn¹trz i w miarê wzrostu œrednicy zewnêtrznej wielkoœæ spêczenia przesuwa siê w kierunku wewnêtrznym a do spêczenia tylko do wewn¹trz przy g³adkiej rurze na zewn¹trz. Para zworników: czop i mufa, wykonywane s¹ oddzielnie. Nastêpnie ³¹czy siê koñce zworników z odpowiednio przygotowanymi koñcami rur metod¹ zgrzewania tarciowego lub indukcyjnego, po czym poprzez obróbkê skrawaj¹c¹ wyrównuje siê powierzchnie w miejscu zgrzania. Zworniki przed po³¹czeniem posiadaj¹ naciête gwinty, utwardzone powierzchnie oraz s¹ obrobione cieplnie. Strefa zgrzania podlega obróbce skrawaj¹cej w celu usuniêcia wyp³ywek: wewnêtrznej i zewnêtrznej. Obróbka wyrównuj¹ca nadaje ostateczny kszta³t profilu zewnêtrznego i wewnêtrznego strefy zwornik-rura. Jest to strefa charakteryzuj¹ca siê zmiennymi przekrojami poprzecznymi. Najmniejszy przekrój poprzeczny rury przechodzi ostatecznie w najwiêkszy przekrój poprzeczny zwornika. Zgrzewany koniec rury jest wczeœniej spêczany w celu zwiêkszenia przekroju zgrzewania i jego wytrzyma³oœci. Po³¹czenie gwintowe, strefa zgrzewania i obszar w jej pobli u to miejsca, w których wystêpuj¹ najniebezpieczniejsze koncentracje naprê eñ zmniejszaj¹ce niezawodnoœæ pracy przewodu wiertniczego. 3. AWARIE Na otworze wiertniczym Odrow¹ ek 1 wyst¹pi³o 9 charakterystycznych pêkniêæ w rurach p³uczkowych, (przyk³adowe pêkniêcia pokazano na rys. 2). Wszystkie pêkniêcia wyst¹pi³y w zakresie odleg³oœci od 37,0 do 100,0 cm od czó³: czopa lub mufy przy œredniej 178

3 odleg³oœci wynosz¹cej 55,7 cm. W siedmiu przypadkach pêkniêcia wyst¹pi³y bli ej zwornika z muf¹, tutaj rozrzut odleg³oœci pêkniêæ od czo³a mufy lokalizuje siê w zakresie od 41,0 do 69,0 cm przy œredniej wynosz¹cej 52,1 cm. a) b) c) Rys. 2. Pêkniêcie rury 187 (a) na pocz¹tku spêczenia jej koñca w odleg³oœci 47,6 cm od czo³a mufy, rury 48 (b) na pocz¹tku spêczenia jej koñca w odleg³oœci 46,4 cm od czo³a mufy oraz rury 50 (c) w caliÿnie w odleg³oœci 100 cm od czo³a czopa Z powy szego zestawienia wynika, e wiêkszoœæ pêkniêæ mia³a miejsce w tym samym obszarze lub jego pobli u. Tym obszarem jest pocz¹tek spêczania koñca rury. G³êbokoœci pêkniêæ by³y bardziej rozrzucone. Ich miejsca pokazano na rysunku 3. Strefy pêkniêæ obszary spêczania koñców rur p³uczkowych poddano analizie konstrukcyjnej. Rys. 3. Schematyczne zestawienie poszczególnych awarii oraz po³o enia poszczególnych pêkniêæ przewodu mierzone od wierzchu 179

4 4. ANALIZA KONSTRUKCYJNA STREF ZGRZANIA RUR P UCZKOWYCH Analizie konstrukcyjnej poddano odcinki rur z miejscami pêkniêcia strefy spêczenia i zgrzania rur ze zwornikami mufami [1]. Sporz¹dzono odlewy wnêtrz tych rur. Na rysunku 4 przedstawiono przyk³adowe odlewy. Strefy pêkniêæ obszary spêczania koñców rur p³uczkowych poddano analizie konstrukcyjnej. a) b) Rys. 4. Odlew wewnêtrzny odcinka rury nr 41 (a) w strefie zgrzania i spêczenia w dowolnie wybranej p³aszczyÿnie oraz odcinka rury nr 58 (b) w strefie zgrzania i spêczenia w p³aszczyÿnie pêkniêcia Nastêpnie wykonano pomiary geometrii profili zewnêtrznych odlewów wewnêtrznych rur (rys. 5 i 6) oraz pomiary geometrii profili zewnêtrznych rur. Rys. 5. Wymiary profilu wewnêtrznego zdjête z odlewu rury nr 41 w p³aszczyÿnie jej pêkniêcia Rys. 6. Wymiary profilu wewnêtrznego zdjête z odlewu rury nr 58 w p³aszczyÿnie jej pêkniêcia Pomierzone odleg³oœci profili charakterystycznych przekrojów (wewnêtrznych i zewnêtrznych) przedstawiono graficznie (rys. 7 i 8) na zasadzie porównania wymiarów rzeczywistych z wymiarami zawartymi w normach: PN-EN ISO 11961:1996 i API Spec 5D [2, 3]. 180

5 Rys. 7. Profil zewnêtrzny i wewnêtrzny koñca spêczonego rury wykonanej wed³ug norm: [2, 3] i badanej rury nr 41 Rys. 8. Profil zewnêtrzny i wewnêtrzny koñca spêczonego rury wykonanej wed³ug norm: [2, 3] i badanej rury nr 58 Z porównania wynika, e profile rzeczywiste odbiegaj¹ od kszta³tu normowego. Szczególn¹ ró nicê zauwa a siê w d³ugoœci spêczenia zewnêtrznego. W zwi¹zku z tym koniec sto ka spêczenia wewnêtrznego bardzo zbli a siê do koñca sto ka spêczenia zewnêtrz- 181

6 nego. Nastêpuje dwustronna zmiana przekroju do gruboœci œcianki rury w caliÿnie, przebiegaj¹ca w blisko siebie po³o onych p³aszczyznach. Jest to niekorzystne z punktu widzenia rozk³adu obci¹ eñ przenoszonych przez rurê. Istotn¹ rolê w pracy rury p³uczkowej odgrywa jej wspó³œrodkowoœæ. Zwornik powinien byæ zgrzany wspó³œrodkowo ze spêczonym koñcem rury. Jest to trudne technologicznie. Dlatego w tym przypadku norma PN-EN ISO 11961:1996 [2] dopuszcza znaczne odchylenia. Dokonano pomiarów wspó³œrodkowoœci rury nr 41 i 58. Wyniki pomiarów przedstawiono na rysunkach 9 i 10. Rys. 9. Pomiar wspó³œrodkowoœci odcinka rury nr 41 Rys. 10. Pomiar wspó³œrodkowoœci odcinka rury nr 58 Wspó³œrodkowoœæ badanych odcinków rur ze zwornikami (mufami): nr 41 i nr 58 nie przekracza dopuszczalnych odchyleñ podanych w normie PN-EN ISO 11961:1996 [2] dla koñców rur ze spêczeniami. 182

7 5. PODSUMOWANIE W przeprowadzonej analizie konstrukcyjnej stwierdzono, e wymiary rzeczywiste w strefie spêczania i zgrzania badanych rur odbiegaj¹ od kszta³tu wynikaj¹cego z wymiarów wg norm: [2, 3]. Szczególn¹ ró nicê zauwa a siê w d³ugoœci spêczenia zewnêtrznego. Koniec sto ka spêczenia zewnêtrznego znajduje siê bardzo blisko koñca sto ka spêczenia wewnêtrznego. Nastêpuje dwustronna zmiana przekroju gruboœci œcianki rury w caliÿnie. Zmiana ta przebiega w blisko siebie po³o onych p³aszczyznach. Jest to niekorzystne z punktu widzenia rozk³adu obci¹ eñ przenoszonych przez rurê. Obci¹ enia te wywo³uj¹ w p³aszczyznach zmian przekrojów koncentracjê naprê eñ potêgowan¹ dodatkowo wg³êbieniami powsta³ymi w procesie spêczania i zgrzewania. Zamieszczone na rysunku 4 nierównoœci (fa³dy) widoczne na odlewach, wykonane zosta³y bez zdjêcia plastikowej wewnêtrznej pow³oki ochronnej, która je w pewnym stopniu niweluje. W rzeczywistoœci mog¹ one byæ jeszcze wiêksze. Spowodowane tymi nierównoœciami wystêpy i wg³êbienia wywo³uj¹ zjawiska lokalnych karbów, które wystêpuj¹ równoczeœnie z koncentracj¹ naprê- eñ wynikaj¹c¹ z dwustronnych zmian przekrojów wystêpuj¹cych w wyniku spêczania w blisko siebie po³o onych p³aszczyznach. To wszystko mo e powodowaæ, e naprê enia zredukowane w warunkach dynamicznych mog¹ przekroczyæ dopuszczalne wartoœci naprê eñ dla danego pracuj¹cego przekroju rury. Jest to jedna z przyczyn, która powodowa³a pêkanie rur p³uczkowych. LITERATURA [1] Artymiuk J., Bednarz S.: Badania przyczyn pêkniêæ i wyp³ukañ rur p³uczkowych 4 1 / 2 ''. Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydzia³ Wiertnictwa Nafty i Gazu, LBAUWiE, Kraków, styczeñ 2005 (Praca badawcza) [2] PN-EN ISO 11961:2001. Przemys³ naftowy i gazowniczy. Rury stalowe stosowane jako rury p³uczkowe. Specyfikacja techniczna [3] API Spec 5D. Specification for Drill Pipe. Edition: 5 th. 01-Oct-2001 [4] API RP 7G. Recommended Practice for Drill Stem Design and Operation Limits (Includes November 2003 Addendum). Edition: 16 th. 01-Aug-1998 [5] API RP 7G Addendum 1. Recommended Practice for Drill Stem Design and Operation Limits (Includes May 2000 Errata). 01-Nov