Моделирование и оптимизация процесса восстановления насосных штанг тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

Введение.

1. Техническая постановка задачи восстановления насосных штанг.

1.1. Условия эксплуатации насосных штанг и основные требования к их работоспособности.

1.2. Факторы, влияющие на коррозионно-усталостную прочность насосных штанг.

1.2.1. Деформационное упрочнение.

1.2.2. Накопление повреждённости за счёт пластической деформации

1.2.3. Остаточные напряжения.

1.3. Способы повышения коррозионно-усталостной прочности.

1.3.1. Обкатка роликами.

1.3.2. Дробеструйная обработка.

1.3.3. Закалка токами высокой частоты (ТВЧ).

1.3.4. Пластическое скручивание.

1.4. Техническая постановка задачи совершенствования системы управления процессом восстановления насосных штанг в условиях неопределенности.

1.5. Выводы.

2. Экспериментальное исследование случайного характера распределения кривизны и упругопластических свойств материала штанги.

2.1. Измерение кривизны штанг после эксплуатации.

2.2. Исследование упругопластических свойств материала штанг после эксплуатации.

2.2.1. Методика определения упругопластических свойств материала путём измерения твёрдости.

2.2.2. Способы измерения твёрдости.

2.2.3. Испытание на растяжение.

2.2.4. Связь между твёрдостью и характеристиками механических свойств.

2.2.5. Исследование твёрдости материала штанг после эксплуатации.

2.3. Исследование продольных и сдвиговых деформаций штанг в процессе восстановления.

2.4. Статистическая обработка экспериментальных данных.

2.4.1. Теоретические основы статистической обработки экспериментальных данных.

2.4.2. Статистическое исследование измерений.

2.5. Выводы.

3. Математическое моделирование процесса восстановления П1танги с учётом неоднородного распределения упругопластических свойств материала.

3.1. Обш;ая постановка задачи упругопластического деформирования штанги.

3.2. Упрощенная модель растяжения и кручения штанги.

3.3. Проверка адекватности модели и анализ результатов.

3.4. Выводы.

4. Оптимизация и совершенствование системы управления процессом восстановления насосных штанг.

4.1. Техническая постановка задачи стохастической оптимизации процесса восстановления насосных штанг.

4.2. Математическая постановка задачи стохастической оптимизации

4.3. Алгоритм решения задачи стохастической оптимизации.

4.4. Анализ результатов.

4.5. Схема адаптивного управления процессом восстановления насосных штанг.

4.6. Выводы.

В настоящее время эксплуатационные службы нефтедобывающих предприятий всё больше внимания уделяют поиску современных технологий восстановления подземного оборудования, особенно насосных штанг.

Наиболее распространенным способом добычи нефти в нашей стране является эксплуатация нефтяных скважин с использованием скважинных штанговых насосных установок (СШНУ) [1, 8, 42, 51, 75, 78].

Число скважин, оборудованных СШНУ, на территории России превышает 70 тыс. Отбор нефти штанговыми насосами применяется на глубинах до 3500 м и среди других способов оказывается более рентабельным.

Современные установки работают при неблагоприятных условиях внешней среды и подвергаются воздействию высоких статических и динамических нагрузок. Одним из наименее надежных элементов насосной установки считается штанговая колонна, представляющая собой, последовательность насосных штанг, скрепленных резьбовыми соединениями посредством соединительных муфт. При эксплуатации скважин аварии, связанные с колонной штанг являются причиной около 40% от общего числа ремонтов подземного оборудования [8].

После планового или аварийного ремонта отработавшие штанги заменяются на новые. При этом старые штанги отправляются в переплавку или выбрасываются.

За прошедшие годы на складах, базах и рядом с месторождениями скопилось большое количество штанг, бывших в эксплуатации, что является еще одним источником экологической опасности в и без того неблагополучных регионах. Вторичное использование штанг позволило бы значительно снизить затраты на добычу нефти и практически решить проблему утилизации. Поэтому разработка технологии восстановления работоспособности бывших в эксплуатации насосных штанг является важной и актуальной проблемой современной нефтедобываюш;ей промышленности России.

Суш;ествующая на сегодняшний день технология восстановления, разработанная на одном из предприятий ОАО "Мотовилихинские заводы" совместно с ОАО "ПермНКПИнефть", позволяет одновременно править и упрочнять тело насосной штанги, бывшей в эксплуатации. Процесс восстановления предполагает продольную пластическую деформацию насосной штанги до определённой величины, а затем кручение штанги, находящейся в напряжённом состоянии. Частично в результате этого происходит правка штанги, а также деформационное упрочнение материала и выравнивание первоначально неоднородных пластических свойств по длине штанги. Но главное, в результате кручения происходит формирование благоприятного поля остаточных напряжений, существенно повышающих прочность штанги как конструкции. Назначение параметров процесса правки и упрочнения экспериментальным путём сопряжено с рядом трудностей, связанных с различием применяемых материалов, видов термической обработки, размеров насосных штанг и разбросом механических свойств по длине штанг.

Кроме того, необходимо учитывать, что существенное влияние на работоспособность насосных штанг в условиях циклического нагружения и воздействия коррозионной среды оказывают остаточные напряжения, возникающие после восстановления. В свою очередь, остаточные напряжения зависят от режимов восстановления и упругопластических свойств материала штанги.

Таким образом, целями настоящей работы являются построение математической модели упругопластического деформирования насосных штанг в процессе воссстановления и совершенствование системы управления процессом с учётом неоднородного случайного распределения начальных свойств по длине.

Исходя из поставленных целей, можно сформулировать следующие задачи исследования:

1) установление основных факторов, влияющих на рабочие характеристики насосной штанги, и способов повышения прочности;

2) исследование влияния начальных свойств насосных штанг на процесс их восстановления;

3) математическое моделирование сложного упругопластического деформирования неоднородного длинномерного стержня;

4) оптимизация процесса восстановления насосных штанг;

5) совершенствование системы управления процессом восстановления насосных штанг, бывших в эксплуатации.

При решении поставленых задач были получены результаты, составляющие научную новизну работы:

- определены законы случайного распределения характеристик начальных свойств по длине для трёх групп насосных штанг;

- разработана математическая модель сложного упругопластического деформирования длинномерного стержня с учётом начальной неоднородности пластических свойств материала и истории нагружения;

- поставлена и решена задача стохастической оптимизации процесса восстановления для группы штанг;

Практическая ценность работы заключается в следующем:

- разработана математическая модель процесса восстановления, позволяющая исследовать влияние параметров процесса на прочностные свойства штанги;

- по результатам исследований получены оптимальные параметры процесса восстановления для трёх наиболее распространённых групп насосных штанг;

- модернизированная система управления процессом восстановления насосных штанг проходит апробацию на одном из Комплексов правки, упрочнения и дефектоскопии насосных штанг КШ - 02.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы (90 источников), содержит 100 рисунков и 50 таблиц, изложена на 207 страницах.

4.6. Выводы

1. В ходе решения задачи стохастической оптимизации определены оптимальные режимы процесса восстановления трёх групп штанг (таблица 4.1).

Заключение

1. Исследованы основные факторы, влияющие на усталостную прочность насосных штанг. Предложены критерии прочности штанг, подвергнутых процессу восстановления.

2. Проведено экспериментальное исследование случайных законов распределения начальных свойств трёх групп штанг. Показано влияние начальных свойств на процесс восстановления штанг.

3. Разработана математическая модель процесса восстановления насосных штанг с учётом начальной неоднородности пластических свойств материала и истории нагружения штанги.

4. Поставлена задача стохастической оптимизации для группы штанг и разработан алгоритм её решения. Установлены оптимальные режимы процесса восстановления для трёх групп штанг.

5. Предложена схема адаптивного управления процессом восстановления насосных штанг, позволяющая идентифицировать восстанавливаемую штангу и учитывать неоднородность начальных пластических свойств материала по длине штанги при выборе оптимальных режимов процесса.

1. Адонин А.Н. Добыча нефти штанговыми насосами. М.: Недра, 1979. 213 с.

2. Акимов Г.В. Основы учения о коррозии и защите металлов. М.: Металлургиздат, 1946. 146 с.

3. Анисимов С.А., Дынькин В.Н., Касавин А.Д. и др. Основы управления технологическими процессами. М.: Наука, 1978. 440 с.

4. Безухов Н. И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести. М.: Высшая школа, 1968. 512 с.

5. Бугай Н.В. Ткаченко А.Н. Определение механическнк характеристик сварных соединений и литых деталей энергооборудования безобразцовым способом // Косвенные методы оценки свойств материалов, 1976, С. 58-60.

6. Букин Ю.А,, Дрозд М.С. и др. Определение твёрдости и механических свойств металла энергетического оборудования безобразцовым методом // Энергетическое строительство, 1976, №3, С. 35 36.

7. Вайсбурд P.A., Коновалов A.B. Известия вузов. Чёрная металлургия, 1974, № 10, С 82-87.

8. Валеев М.Д., Хасанов М.М. Глубиннонасосная добыча вязкой нефти. Уфа: Башк. Кн. Изд-во, 1992. 150 с.

9. Вассерман H.H. и др. Технология восстановления прямолинейности и упрочнения насосных штанг // Наука производству. 5(30)72000. С. 49 - 51.

10. Гальперин М.Я., Ровинский Б.М., Синайский В.М. О влиянии предварительной пластической деформации растяжением на усталостную прочность стали // АН СССР. Механика и машиностроение. 1961. № 3. С. 22 -25.

11. П.Гитман М.Б. Методика решения задачи стохастической оптимизации технологических процессов обработки металлов при стохастическом распределении начальных условий // Математическое моделирование систем и процессов. Сб-к научн. тр. ПНИ, 1992. №2. С.20 25.

12. Гитман М.Б., Трусов П.В., Федосеев СЛ. Оптимизация процессов переработки материалов с доопределением неизвестных начальных характеристик // Инженерно-физический журнал. Минск. 2000. ТУЗ, №3. С.627 -636.

13. И.Гитман М.Б., Трусов П.В., Федосеев СЛ. Стохастическая оптимизация процессов обработки металлов давлением //Изв. РАН. Металлы. 1996. №3. С.72 -76.

14. Гихман И.И., Скороход A.B., Ядренко М.И. Теория вероятностей и математическая статистика. К.: "Вьща школа", 1988. 439 с. 2221

15. Гликман Л. А. Коррозионно-механическая прочность металлов. М.-Л.: Машгиз, 1955. 176 с.

16. Гликман Л.А., Гуревич Б.Г. О влиянии предварительной малой деформации гладких образцов на их усталостную прочность // Физико-химическая механика материалов. 1979. № 2. С. 11-15.

17. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика: Учеб. пособие для втузов. Изд. 5-е перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1977. 479 с.

18. Гнеденко Б.В. Курс теории вероятностей. М.: Наука, 1969. 400 с.

19. Гонник A.A. Коррозия нефтепромыслого оборудования и меры её предупреждения. М.: Недра, 1976. 192 с.

20. ГОСТ 13877 80. Штанги насосные и муфты к ним. Технические условия. М.: Издательство стандартов, 1995. 26 с.

21. ГОСТ 1497-84. Металлы, методы испытаний на растяжение. М.: Издательство стандартов, 1993. 36 с.

22. ГОСТ 22761-77. Металлы и сплавы, методы измерения твёрдости по Бринеллю переносными твердомерами статического действия. М.: Издательство стандартов, 1993. 42 с.

23. ГОСТ 22762-77. Металлы и сплавы, методы измерения твёрдости на пределе текучести вдавливанием шара. М.: Издательство стандартов, 1993. 38 с.

24. ГОСТ 9012-59. Металлы, метод измерения твёрдости по Бринеллю. М.: Издательство стандартов, 1993. 42 с.

25. Готлиб Б.М., Добычин И.А. и др. Адаптивное управление процессами обработки металлов давлением. М,: Металлургия, 1985.144 с.

26. Гурский Е.И. Теория вероятностей с элементами математической статистики. М.: Высшая школа, 1971. 328 с.

27. Джабарзаде А.Д., Атакишиев А.Н., Толкачёв Ю.Н. и др. О снижении аварийности насосных штанг на месторождениях Башкирии. // РНТС "Нефтепромысловое дело", №10,1974. С. 26 28.29. Ермольев

28. Ершов Л.В., Максимов В.А. Введение в механику горных пород. М.: Недра, 1976. 221 с.

29. Жуков A.B., Маринец Т.К. Оценка влияния пластической деформации на повреждаемость материалов по характеру изменения усталостной прочности // Прочность металлов при циклических нагрузках. М.: Наука, 1967. С. 76 -82.

30. Ивченко Г.И., Медведев Ю.И. Математическая статистика. М.: Высшая школа, 1984. 217 с.

31. Ингерма А.И. Влияние малых пластических деформаций на предел выносливости стали 12ХН2 // Износ, усталость и коррозия металлов. Сб. статей. Таллин: Таллинский политехнический институт, 1965, № 219. С. 3 5.

32. Калашников В.В. Сложные системы и методы их анализа. М.: Знание, 1980. 280 с.

33. Карпенко Г.В. Коррозия металлов и методы борьбы с нею. М.: Оборонгиз, 1955.237 с.

34. Зб.Карпенко Г.В. Прочность стали в коррозионной среде. Киев: Машгиз, 1963. 185 с.

35. ЗТ.Карпенко Г.В., Крипякевич Р.И. Влияние водорода на свойства стали. М.: Металлургиздат, 1962. 167с.

36. Керимзаде A.C., Ахмедов Б.М. Упрочнение глубиннонасосных штанг пластическим скручиванием. // Труды АзИНМАШ. 1965, вып. 3, С. 260-270.

37. Компьюторизованный технологический процесс восстановления, упрочнения, магнитного контроля насосных штанг производства СССР, СНГ и России. ПермНИПИнефть, г.Урай, 1997. 27 с.

38. Копей Б.Т., Фёдорович Я.Т. Устранение технологических и эксплуатационных дефектов насосных штанг с одновременным их упрочнением. М.: ВНИИОНГ, 1987. 21 с.

39. Королюк B.C., Портенко Н.И. и др. Справочник по теории вероятностей и математической статистике. М.: Наука, 1985. 640 с.

40. Круман Б.Б. Глубиннонасосные штанги. М.: Недра, 1977. 181 с.

41. Кудрявцев И.В. Внутренние напряжения, как резерв прочности в машиностроении. М.: Машгиз, 1951. 278 с.

42. Лепёхин Ю.Н. Влияние наклонно направленного профиля скважин на работу штанговых колонн. Экспресс-информация. Серия "Техника и технология добычи нефти". М.: ВНИИОЭНГ, 1990. вып. 3, с. 11 15.

43. Лисин В.Н., Колотов O.A., Щетулов Д.И., Соколов Л.Д. Особенности изменения усталостной прочности некоторых металлов, подвергнутых предварительному упрочнению. // Физико-химическая механика материалов, 1974. № I.e. 103-104.

44. Лотарёв П.И., Бобрицкий Н.В., Хакимьянов P.P. Остаточные напряжения и дефекты в насосных штангах. // Труды УфНИИ, 1972. вып. 13. с. 105 -112.

45. Малинин H.H. Прикладная теория пластичности и ползучести. М.: Машиностроение, 1975. 400 с.

46. Марковец М.П. Определение механических свойств металлов по твёрдости. М.: Машиностроение, 1979. 191 с.

47. Михайлов Л.Н., Савельев В.Ф. Выявление и анализ причин досрочного обрыва насосных штанг // Нефтепромысловое дело, 1994. № 7 8. С. 28 - 29.

48. Моисеев H.H. Численные методы в теории оптимальных систем.-М.: Наука, 1971.352 с.

49. Мухаметзянов Я.А. Добыча нефти штанговыми насосами. М.: Недра, 1993. 350 с.

50. Надымов А.Н., Столбов В.Ю. Экспериментальные исследования неоднородности пластических деформаций в процессе правки насосных штанг // Механика и технология материалов и конструкций. Сб-к научн. тр. ПГТУ, 1999. №2. с. 12 3- 127.

51. Надымов А.Н., Столбов В.Ю., Кочуров В.И. Упрощенная модель восстановления насосных штанг // Изв. Тульского гос. ун-та. Серия: "Экон. и соц.-экологические проблемы природопользования", 2000. вып. 1. С. 459 466.

52. Надымов А.Н., Столбов В.Ю., Трусов П.В. Математическое моделирование процесса восстановления насосных штанг // Сибирский журнал индустр. математики. 2002, Том 5, № 1(9), 2002. С. 120 126.

53. Надымов А.Н., Столбов В.Ю., Трусов П.В., Борматов A.A. Моделирование процесса восстановления насосных штанг // Вестник ПГТУ. Прикладная математика и механика. 2000. №1. С. 110 116.

54. Назаренко Г.Т. К вопросу о снижении предела выносливости предварительно растянутой стали // Физико химическая механика материалов. 1967. № 2. С. 213 -217.

55. Николаев В.И., Брук В.М. Системотехника: методы и приложения. Л.: Машиностроение, 1985. 484 с.

56. Павшев Д. Д. Упрочнение деталей обкаткой шариками. М.: Машиностроение, 1968. 311 с.

57. Панов Б.В. Повышение прочности стальных деталей скручиванием // Металловедение и обработка металлов, 1958. № 10. С. 50-56.1361 .Перегудов Ф.И., Тарасенко Ф.П. Введение в системный анализ М.: Высшая школа, 1989. 367 с.

58. Рей У. Методы управления технологическими процессами: Пер. с англ. М.: Мир, 1983. 368 с.

59. Ришмюллер Г. Добыча нефти глубинными насосами. SBS нефтепромысловая техника Шёллер-Блекманн ГМБХ. Тёрниц, 1988. 150 с.

60. Романов В.В. Влияние коррозионной среды на циклическую прочность металлов. М.: Наука, 1969. 220 с.

61. Рябченков A.B. Коррозионно-усталостная прочность стали. М.: Машгиз, 1953.197 с.

62. Рябченков A.B., Казимировская Е.Л. Влияние коррозионных сред на прочность стали. // Сб. ЦНИИТМАШ, кн.77. Машгиз, 1955. С.24 37.

63. Семёнов В.В., Надымов Н.П. Способ упрочнения длинномерных изделий. Патент 2126842 RU. МКИ 6 С 21 D 7/00.

64. Срагович В.Г. Теория адаптивных систем. М.:Наука, 1976. 320 с.

65. Степуренко В.Т. Исследование коррозионной стойкости и коррозионно-механической прочности стали 45. Львов: Издательство АН УССР, 1958. 173 с.

66. Тараевский С.Н., Куслицкий А.Б. Повышение долговечности насосных штанг, эксплуатируюш;ихся в сероводородсодержащих средах // Защитные покрытия на металлах. Киев, 1988. №22. С. 92 94.

67. Технический отчёт АЗИНМАШ, Баку, 1976.

68. Технологический процесс восстановления, упрочнения, магнитного контроля насосных штанг производства СССР, СНГ и России.

69. ПермНИПИнефть, г. Урай, 1996.18 с.

70. Томашов Н.Д. Теория коррозии и защиты металлов. М: Изд-во АН СССР, 1960, 258 с.

71. Трощенко В.Т., Сосновский Л.А. Сопротивление усталости металлов и сплавов. Справочник. Часть 1, 2, Киев: Наукова думка, 1987. 1351 с.

72. Уразаков K.P., Андреев В.В., Жулаев В.П. Нефтепромысловое оборудование для кустовых скважин. М.: ООО "Недра-Бизнесцентр", 1999. 268 с.

73. Уразаков K.P. Эксплуатация наклонно направленных насосных скважин. М.: Недра, 1993. 169 с.

74. Уразаков K.P., Багаутдинов Н.Я. и др. Особенности добычи нефти на месторождениях Западной Сибири. М.: ВНИИОЭНГ, 1997, 56 с.

75. Фаерман И.Л. Штанги для глубинных насосов. М.: Машиностроение, 1975. 322 с.

76. Фёдорова Е.П. Новые методы упрочнения насосных штанг. // Сб. докладов на сессии Техсовета МНП. М.: Гостоптехиздат, 1954. С. 182 195.

77. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М.: Наука, 1986. 512 с.

78. Фомин В.Н., Фрадков А.Л., Якубович В. А, Адаптивное управление динамическими объектами. М.:Наука, 1981. 448 с.

79. Фридман Я.Б. Механические свойства металлов ч.1. М.: Машиностроение, 1974. 472 с.

80. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование. М.: Мир, 1975.532 с.

81. Черняк Н.И. Механические свойства стали в области малых пластических деформаций. Киев: Изд-во АН УССР, 1962. 103 с.

82. Эванс Ю.Р. Коррозия и окисление металлов. М.: Машгиз, 1962. 644 с.44

83. Юдин Д.В. Задачи и методы стохастического программирования. М.: Советское радио, 1979. 392 с.

84. API Spec IIB. Штанги, штанги укороченные, устьевые штоки, муфты и переходные муфты / Пер. с англ., 1990. с. 27.200

85. Rosenthal D. and Sines G. Effect of Residual Stress on the Fatigue Strength of Notched Specimens // Proc. Amer. Soc. Test. Mat., vol. 51, 1951. p. 133 139.

86. Dugdale D. Effect of Residual Stress on Fatigue Strength // Welding J., vol. 38, 1959. p. 162-174.

87. Forrest G. Some Experiments on the Effect of Residual Stresses on the Fatigue of Aluminum Allors // J.Just. Met., vol. 72 , 1946. p. 140 164.