Эксплуатация. Эксплуатация и ремонт машин и оборудования нефтяных и газовых пр. Лекция Особенности эксплуатации машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов
 Скачать 0.85 Mb.
|
|
2. Выбор номенклатуры показателей надежности буровых машин и оборудования. Номенклатура показателей надежности выбирается в зависимости от технических, эксплуа- тационных и экономических параметров и особенностей рассматриваемых машин и оборудования. Число выбранных параметров надежности должно быть минимальным, но достаточным для оцен- ки. В зависимости от последствий отказа, ремонтопригодности и признаков определяющих необ- ходимость прекращения эксплуатации, буровые машины и оборудование подразделяются на от- дельные группы. I группа объединяет ремонтируемые и эксплуатирующиеся до определенного состояния машины и оборудование, последствием отказов которых, являются потери от вынужденных про- стоев. Это БУ в целом, ОЦС, буровые насосы, лебедки. Экономический эффект от эксплуатации этих машин зависит от длительности их безотказной работы и времени простоев за основные по- казатели надежности этой группы машин принимаются: 1) Коэффициент готовности или коэффициент технического использования. 2) Наработка на отказ. 3) Средний ресурс до капремонта или полный средний ресурс. II группа – вышка, талевый канат – испытывающие циклические нагрузки. Нормируемым показателем надежности в связи с этим являются: 1) Вероятность безотказной работы за время t. 2) Средний ресурс и средний срок службы. III группа – ремонтируемое оборудование первый отказ которого совпадает с наступлени- ем его предельного состояния и отдельные элементы оборудования, которые эксплуатируются до первого отказа не подлежат ремонту. К этому оборудованию относится ротор.ю а к элементам – уплотнения, поршни, клапаны. В качестве показателей надежности принимаются: 1) Средний ресурс до капремонта. 2) Средний ресурс. IV группа – наиболее многочисленная, эксплуатируемая до предельного состояния. Сюда относятся узлы талевого механизма, цепные передачи, вертлюги, запорные устройства. Показателями надежности являются: 1) Коэффициент готовности или коэффициент технического использования. 2) Средний ресурс до капитального ремонта либо полный средний ресурс. V группа – ремонтируемое оборудование, эксплуатируемое до предельного состояния, по- сле которого необходим капитальный ремонт. Отказы этой группы не вызывают простоев БУ. сю- да относятся: компрессорные блоки, установки очистки раствора. Основными показателями надежности являются: 1) Наработка на отказ. 2) Средний ресурс до капитального ремонта. VI группа – устройства, используемые для обеспечения безопасности и устранения аварий. Для этой группы характерны режимы ожидания работы характерны режимы ожидания работы (противовыбросовое оборудование, ограничитель подъема тальблока) показаниями надежности являются: 1) Коэффициент оперативной готовности. 2) Назначенный ресурс. Весь период эксплуатации оборудования состоит из трех: 13 I. Период повышенного значения потока отказов (вследствие скрытых дефектов конструктор- ского и производственного характера). II. Период нормальной эксплуатации, накопление повреждений и редкие отказы. III. Период интенсивного роста отказов. В большинстве случаев наработка оборудования измеряется машинным временем в часах. Факторы влияющие на надежность бурильных машин и оборудования нося случайный характер. В этой связи основной метод изучения надежности – статистический, а для решения теоретических задач используется теория вероятностей. Литература: 1. Баграмов Р.А. «Буровые машины и комплексы», изд. Недра 1988. 14 Эксплуатация и ремонт машин и оборудования НиГ промыслов. Лекция 4. Виды неисправностей и причины их возникновения. 1. Классификация видов разрушения деталей. Большинство деталей бурового и нефтепромыслового оборудования при работе подверга- ются значительным статическим и динамическим нагрузкам, а так же интенсивному изнашиванию и коррозии. Большое число деталей работают в коррозионных и абразивных средах при высоких температурах. В южных районах страны оборудование работает часто при температуре до +50 0 С, а в северных – при -50 0 С. Кроме того, по мере углубления скважин температура на забое так же возрастает и основные детали бурового инструмента работают при температуре 200÷300 0 С. Указанные условия эксплуатации приводят к преждевременному выходу из строя основных деталей бурового и нефтепромыслового оборудования и инструмента (поршневых втулок, клапа- нов, штоков буровых насосов, основных опор ротора и вертлюга, деталей цепей, долот, плунжеров и клапанов глубинных насосов и т.д.). Очевидно, что причины выхода из строя деталей бурового и нефтепромыслового оборудования, отличающихся друг от друга конструкцией и материалом и эксплуатирующихся в различных условиях, неодинаковы. Для повышения долговечности этих де- талей необходимо установить и проанализировать причины, которые приведут к их повреждению. В практике эксплуатации машин и оборудования встречаются разнообразные повреждения деталей. Наблюдения за отказами деталей машин в эксплуатации позволяют все виды разрушений материалов деталей разделить на три основные группы: 1) деформация и изломы; 2) износ; 3) хи- мико-тепловые повреждения. Изломы происходят при напряжениях, превышающих предел текучести или предел проч- ности материала детали. Изнашивание происходит в результате взаимодействия трущихся тел. ха- рактер трущихся тел и условия их взаимодействия обуславливают особенности процесса их изна- шивания. Химико-тепловые повреждения – результат комплексного воздействия на рабочие по- верхности деталей факторов, среди которых факторы теплового воздействия превалируют. 2. Деформации и изломы. Деформация материала детали происходит в результате приложения нагрузки и отражается изменением формы и размеров деталей. Эти изменения могут быть временными (упругие дефор- мации, исчезающие после снятия нагрузки) и остаточными (пластические деформации, остающие- ся после снятия нагрузки). Повреждение деталей происходит в результате пластической деформа- ции, и выражаются в виде изгибов, вмятин и скручиваний. При изгибах и вмятинах нарушается геометрическая форма деталей в результате приложе- ния в основном динамических нагрузок. Скручивание деталей вызывается приложением крутящего момента превосходящего расчетный. Указанным повреждениям подвергаются бурильные трубы, замки, штанги, клинья, детали корпусов, детали изготовленные из листового проката. Излом мате- риала детали происходит также в результате приложения нагрузки и выражается в разрушении де- тали. В зависимости от характера нагружения рассматривают статический, динамический и уста- лостный изломы. Статический излом является результатом воздействия значительных местных нагрузок. чаще всего он наблюдается в наиболее нагруженных местах в деталях корпусов в идее трещин, особенно в деталях, изготовленных из чугуна. Динамический излом является следствием сильных поверхностных ударов и часто наблюда- ется в литых деталях. Установлено, что одной из причин отказов роторов является откол металла основной опоры. Аналогичное повреждение наблюдается в вертлюгах, в которых откалываются бурты основной опоры, вследствие ударов от колебаний бурильной колонны. В зависимости от скорости нагружения и исходного строения материала деталей бывают хрупкий и вязкий изломы. 15 Хрупкий излом характеризуется полным отсутствием или незначительной величиной пла- стических деформаций. Причинами хрупкого излома чаще всего служат хладоломкость материала детали, наличие концентраторов напряжений в опасном сечении и мгновенное приложение нагрузки. При хрупком изломе в зоне в зоне разрушения кристаллическое строение материала хо- рошо наблюдается. Хрупкое разрушение является причиной низкой долговечности шарошек, бу- ровых долот, основных опор ротора и вертлюга. Вязкий излом обусловлен наличием макропластической деформации. Разрушение детали при вязком изломе – результат резкого возрастания приложений статической нагрузки. Вязкий из- лом появляется в результате превышения предела текучести материала детали. На поверхности вязкого излома наблюдаются следы пластической деформации. Однако наиболее часто причиной выхода детали из строя является усталостный излом, в основе которого лежит явление усталости, т.е разрушение материала под влиянием циклических напряжений, действующих в течении опре- деленного времени. Свойство материала детали, характеризующее еѐ способность сопротивляться усталостному разрушению, называют выносливостью. Установлено, что усталостные изломы воз- никают при напряжениях ниже предела текучести. Процесс начинается с зарождения усталостной трещины, появлению которой способствует наличие концентратора напряжений в основном сече- нии детали. Возникнув, усталостная трещина под действием циклической нагрузки, распространя- ется в глубь детали, что приводит в конечном итоге к еѐ разрушению. Практика показала, что раз- рушение шарошек, замков буровых труб, основных опор ротора, вертлюга, начинается с появле- ния усталостных трещин. 3. Износ. При эксплуатации деталей бурового, нефтепромыслового оборудования и инструмента наблюдается равномерный и неравномерный износ, а так же образование рисок и задиров на рабо- чих поверхностях деталей. Поскольку при работе детали оборудования подвергаются чаще всего переменным по величинам и знаку нагрузкам, то наибольшее распространение имеет неравномер- ный износ. Износ деталей – основной дефект, приводящий к выходу машин из строя. Изнашивание – процесс постепенного изменения размеров тела при трении, появляющийся в отделении с поверхности трения материала и его остаточной деформации. Износ – результат изнашивания, проявляющегося в виде отделения или остаточной дефор- мации материала. Трение – сопротивление, возникающее при взаимном перемещении соприкасающихся по- верхностей тел. Различают в зависимости от состояния трущихся поверхностей. Трение без смазки – трение двух твердых тел при отсутствии на поверхности трения сма- зочного материала. Граничное трение – трение двух твердых тел при наличии на поверхности трения слоя жидкости, обладающего свойствами, отличающимися от объемных. Жидкостное трение – явление сопротивления относительному перемещению, возникаю- щее между телами, разделенными слоем жидкости, в котором проявляются еѐ объемные свойства. Наименьший износ трущихся пар наблюдается при жидкостном трении. Трение поверхно- стей предотвращает масляный клин, который образуется например при работе подшипника скольжения. Смазка уменьшает энергетические потери на трение и охлаждает трущиеся поверхно- сти. Механизм изнашивание при этом обуславливается механическим разрушением окисной плен- ки, образующейся на поверхности трения. Интенсивность изнашивания в данном случае мини- мальная и поэтому всегда надо стремиться к созданию условий жидкостного трения, если это поз- воляют конструктивные особенности механизма. Рассмотрим общую физическую картину процессов трения и изнашивания без смазки. по- верхность твердого тела шероховата и волниста. Самые чистые поверхности имеют неровности 0,05÷0,1 мкм, а наиболее грубые 100÷200 мкм. Поверхности контактируют друг с другом отдель- ными малыми площадками, расположенными в зонах вершин выступов поверхности. Число точек контактов зависит от чистоты поверхностей, точности изготовления, нагрузок. Под влиянием сжимающей нагрузки поверхности сближаются и число контактов увеличивается. В начале эле- менты контакта деформируются упруго, затем, по мере роста нагрузки, упругая деформация сме- 16 няется пластической. Формируются пятна касания – фрикционные связи, в которых участвуют не только вершины выступов, но и прилегающий к ним материал. При снятии нагрузки поверхно- сти в основном восстанавливают свою форму и фрикционные связи разрушаются. Процесс деформации поверхностей. Возникновения и разрушения фрикционных связей со- провождается переходом механической энергии в тепловую, изменяющей механические свойства поверхностных слоев. Поверхности изменяются так же при химическом и физическом взаимодей- ствии с окружающей средой – адсорбционного понижения прочности материала, диффузионного его насыщения из окружающей среды и от противолежащей поверхности. Таким образом, в про- цессе трения участвуют материалы существенно отличающиеся от исходных. Большое влияние на прочность оказывают дефекты в твердых телах, т.к. являются концен- траторами напряжений. Процесс разрушения материала развивается скачками. Сначала идет процесс накопления усталостных дефектов в поверхностном слое материала, который сменяется активным отделением частиц и обнажением новой поверхности. Затем процесс повторяется. В классификации три основных вида изнашивания: механическое, молекулярно- механическое и коррозионно-механическое. Механическое изнашивание – изнашивание в результате механических воздействий. В свою очередь механическое изнашивание подразделяется на : абразивное, гидроабразивное, газоабра- зивное, эрозионное, усталостное и кавитационное. Абразивное изнашивание – механическое изнашивание материала в результате режущего или царапающего действия твердых тел или частиц. Очень опасен износ поверхностей твердыми подвижными частицами, попадающими между трущимися поверхностями. Абразивное изнашива- ние поверхностей деталей происходит при бурении скважин, дроблении камня, резании грунтов и т.д. Абразивная эрозия, гидро – и газоабразивное изнашивание – основной вид изнашивания де- талей насосов, трубопроводов, дымососов, вентиляторов, эжекторов, пескоструйных аппаратов в результате воздействия твердых тел или частиц, увлекаемых потоком жидкости или газа. При усталостном изнашивании поверхности трения или отдельных еѐ участков повторное деформирование микрообъемов материала приводит к возникновению трещин и отделению ча- стиц. Это особенно проявляется при трении качения: шарик или ролик, перемещаясь по поверхно- сти кольца подшипника, гонит перед собой волну сжатия материала, а сзади создает зону растя- жения. Многократно повторяющиеся знакопеременные нагрузки вызывают явление контактной усталости и подшипники разрушаются. Кавитационное изнашивание поверхности происходит при относительном движении твер- дого тела в жидкости в условиях кавитации. При неправильно выбранном режиме работы гидрав- лической машины в потоке жидкости могут образоваться пузырьки пара или газа, ликвидация ко- торых происходит бурно с гидравлическими ударами. Кавитационное изнашивание во много раз активнее других видов изнашивания. Картина молекулярно-механического изнашивания – результат одновременного механиче- ского воздействия и молекулярных и атомных сил возможно, когда между поверхностями на рас- стоянии (3-5)×10 -7 мм полностью отсутствует смазка, адсорбированные пленки окислов и загряз- нений и имеются значительные местные напряжения сжатия. Это характерно для трения со значи- тельными пластическими деформациями и обнажениями чистого материала. Молекулярно- механическое изнашивание весьма активно – коэффициент трения при схватывании возрастает до 4-6 единиц, образуются глубокие задиры поверхностей и может быть заклинивание. Особенно опасны явления схватывания при высоких температурах. Так называемое тепловое изнашивание является главной причиной низкой долговечности тормозных шкивов буровых лебедок. При коррозионно-механическом изнашивании среда, округляющая трущиеся поверхности вступает с их материалом в химическое взаимодействие, а в результате перемещения поверхно- стей удаляются продукты коррозии и обнажаются чистые поверхности деталей. Этот процесс мно- гократно повторяется. Если поверхности неподвижны, продукты коррозии не удаляются, иногда образуя антикоррозионный защитный слой. Например, защитным слоем от окислительного воз- действия воздуха обладают поверхности алюминиевых деталей. 17 Окислительное изнашивание , протекающее при наличии на поверхности трения защит- ных пленок, которые образовались в результате взаимодействия материала с кислородом, является наиболее распространенным и наименее опасным видом изнашивания. Интенсивность окисли- тельного изнашивания набольшая (менее 0,05 мкм/час). В некоторых случаях поверхности рабо- тают при небольших относительных перемещениях, вызванных вибрацией системы – посадочные поверхности шестерен, цепных колес, подшипников качения, деталей втулочно-роликовых цепей и др. При этом возникает так называемая фреттинг-коррозия, т.е. коррозионно-механическое изнашивание соприкасающихся тел при небольших колебательных перемещениях. 4. Факторы, влияющие на изнашивание деталей. На процесс изнашивания рабочих поверхностей деталей машин оказывают влияние раз- личные факторы, которые можно разделить на две группы: 1) факторы, влияющие на износостойкость деталей; 2) факторы, влияющие на изнашиваемость деталей. Под изнашиваемостью подразумевается свойство материала детали поддаваться изнаши- ванию. Изнашиваемость есть свойство противоположное износостойкости. Факторы влияющие на износостойкость деталей: качество материала детали и качество рабочей поверхности детали. К факторам влияющим на изнашиваемость детали относятся: вид трения сопрягаемых деталей; ха- рактер и величина удельных нагрузок на поверхности трения; относительные скорости перемеще- ния трущихся поверхностей; форма и размер зазора между сопряженными поверхностями; усло- вия смазки трущихся поверхностей; наличие. Размер и форма абразива, участвующего в процессе трения и физико-механические свойства абразива. Качество материала детали характеризуется его физико-механическими свойствами (прочностью, твердостью, вязкостью), которые в свою очередь определяются химическим соста- вом и структурой. Твердость оказывает наибольшее влияние на износостойкость материала. При выборе материала для деталей, работающих при удельной нагрузке, кроме твердости, следует учи- тывать ещѐ его вязкость во избежание повышения хрупкости. При изготовлении деталей бурового и нефтепромыслового оборудования, работающего в сложных условиях, широко применяются вы- сокопрочные хромистые, хромоникелевые и другие легированные стали со значительной вязко- стью. На износостойкость металлов и сплавов большое влияние оказывает их химический состав и структура. Наиболее износостойкий сплав – сталь имеющая мелкозернистую структуру. Введе- ние в состав стали добавок кремния, марганца, хрома, никеля, молибдена и вольфрама повышает износостойкость. Следующим важным фактором, влияющим на износостойкость деталей машин, является качество поверхности трения после механической обработки. Качество обработанной поверхно- сти характеризуется совокупностью геометрических параметров и физико-механических свойств поверхностного слоя материала (чистота, шероховатость поверхностей). На износостойкость по- верхностей влияет способность материала детали смачиваться смазкой – способность удерживать на себе слой смазки определенной толщины. Важнейшим фактором изнашивания является внешние механическое воздействие – вид трения (качение, скольжение) скорость относительного перемещения трущихся поверхностей, ве- личина и характер давления при трении. Износ при трении качения меньше чем при трении скольжения. Удельные нагрузки также оказывают большое влияние на характеристики процесса в поверхностных слоях металла. С увеличением давления увеличивается площадь контакта трущих- ся поверхностей и интенсивность изнашивания. Условиями, обеспечивающими минимальную интенсивность изнашивания, являются усло- вия жидкостного трения, при котором сопряженные детали разделены масляным слоем. При со- блюдении правильных геометрических форм деталей (вал-подшипник) давления внутри масляно- го слоя могут превышать в 2,5-3 раза передаваемые рабочие удельные нагрузки. Погрешности геометрической формы приводят к уменьшению несущей способности масляного слоя. Причина- 18 ми погрешностей могут служить неточности обработки или сборки, изменения структурных па- раметров сопряжения в процессе работы механизма. Литература: Авербух и др. «Ремонт и монтаж бурового и НП оборудования». |