книги из ГПНТБ / Бабаев С.Г. Надежность и долговечность бурового оборудования

С. Г. Б А Б А Е В

НАДЕЖНОСТЬ

И

ДОЛГОВЕЧНОСТЬ

БУРОВОГО

ОБОРУДОВАНИЯ

Гос. пѵ^л^чиая

*.пк

y i j - ' І і З ' - f ö

Бабаев С. Г. Надежность и долговечность бурового оборудо­ вания. М., «Недра», 1974. 184 с.

В книге дана краткая характеристика бурового оборудова­ ния и описаны особенности условии работы его основных узлов.

Оценена эксплуатационная надежность оборудования и при­ ведена классификация видов износа и разрушения его основных детален.

Рассмотрены вопросы, связанные с повышением долговечно­ сти деталей гидравлической части буровых установок, приведены результаты исследовании по устранению аварийных разрывовтормозных шкивов буровых лебедок. Даны методические указания по оптимизации надежности оборудования, применению профилак­ тического обслуживания и назначению ііаипыгоднеііших сроковсмены быстронэнашивающихся деталей, а также указаны основ­ ные требования, которым должно удовлетворять буровое обору­ дование.

Кинга предназначена для инженерно-технических и научных работников, занятых бурением скважин.

Таблиц — 35, иллюстрации — 66, список литературы — 103 наз­ вания.

0 4 3 (0 1 )—74

ПРЕДИСЛОВИЕ

Достижение высокого уровня добычи нефти и природного га­ за требует соответствующего увеличения объема буровых работ, а следовательно, и затрат на изготовление бурового оборудова­ ния и инструмента. В связи с этим большое значение приобре­ тает проблема повышения надежности и долговечности оборудо­ вания как одного из важнейших направлений увеличения про­ изводительности, снижения материальных и денежных затрат на эксплуатацию оборудования и инструмента.

Однако практически решить некоторые вопросы повышения долговечности оборудования довольно сложно в связи с боль­ шим количеством задач, требующих проведения значительных экспериментально-теоретических исследований.

Буровое оборудование эксплуатируется в специфических и сложных условиях. Технологический процесс буровых работ осу­ ществляется по системе тесного взаимодействия оборудования,

вкоторой отказ или неисправность одного из них препятствует нормальной работе всей системы. Нередко отказы бурового обо­ рудования приводят к значительному экономическому ущербу не только вследствие перебоев производственного процесса, но и

врезультате осложнений и аварий в бурении. Причиной этого являются нарушения нормального технологического процесса.

Для повышения надежности, совершенствования конструктив­ ных и эксплуатационных параметров буровых установок, при­ меняемых для бурения глубоких скважин, требуется прежде всето систематизация причин отказов и выявление видов изнаши­ вания деталей, лимитирующих срок их службы.

Необходимо также изучить и обобщить закономерности вза­ имодействия поверхностей трения и изнашивающей способности типичных сред, в которых работают детали оборудования, выя­ вить эффективные методы повышения надежности и долговеч­

ности, установить требования, которые должны быть обеспечены при проектировании, изготовлении и эксплуатации бурового обо­ рудования, исходя из обеспечения необходимой надежности и долговечности. Перечисленные вопросы являются одними из

3

ОЦЕНКА ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ БУРОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ

ТРЕБОВАНИЯ,

ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ к б у ро в о м у о б о р у д о в а н и ю

Анализ работ, посвященных повышению долговечности буро­ вого оборудования, показывает, что в отечественной и зарубеж­ ной литературе слабо освещены вопросы изучения причин и ха­ рактера отказов основных агрегатов буровых установок: рото­ ров, вертлюгов, буровых лебедок и др. Проведенные работы в большинстве ограничивались решением отдельных частных за­ дач, связанных в основном с повышением долговечности быст­ роизнашивающихся деталей. Например, значительное число ра­ бот посвящено изысканию путей повышения долговечности де­ талей гидравлической части буровых насосов, опор шарошечных долот, деталей турбобуров и т. д.

Использование опыта других отраслей машиностроения и их общий высокий технический уровень позволяют без специаль­ ных исследований обеспечить необходимую долговечность таких деталей, как подшипники, втулочно-роликовые цепи, талевые ка­ наты и др.

Для решения же проблемы повышения надежности и долго­ вечности бурового оборудования, эксплуатируемого в специфи­ ческих, крайне тяжелых условиях, необходимы специальные ис­ следования по выявлению причин неисправностей и отказов, а также по изучению явлений, связанных с изнашиванием и раз­ рушением деталей.

Опыт эксплуатации бурового оборудования показывает, что для большинства узлов критерием, определяющим сроки службы отдельных деталей, как правило, является интенсивное изнаши­ вание.

В области изучения явлений трения и изнашивания опубли­ ковано большое число работ, среди которых особо следует отме­ тить разработки М. М. Хрущова, И. В. Крагельского, Б. И. Ко-

5

стецкого, В. Д. Кузнецова, Д. Н. Гаркунова, А. С. Проникова,

Н.Л. Голего, М. М. Тененбаума.

Вто же время особенности явлений изнашивания деталей бу­ рового оборудования изучены недостаточно. Виды изнашивания многих деталей и узлов буровых установок в отечественной и за­ рубежной литературе не рассматривались.

Исходя из условий эксплуатации, к надежности бурового обо­ рудования должны предъявляться повышенные требования, так как внезапный отказ при бурении скважин таких агрегатов бу­

ровых установок, как ротор, вертлюг и другие может привести

ктяжелым осложнениям и авариям.

Внастоящее время, как правило, при проектировании и изго­ товлении оборудования усилия конструкторов и технологов на­ правлены на обеспечение заданных технико-экономических ха­ рактеристик. Задача же по выявлению необходимой надежности

вбольшинстве случаев не решается.

Долговечность деталей машин определяется следующими фак­ торами: конструкцией узлов и деталей, физико-механическими свойствами поверхностей трения, рабочей средой и условиями эксплуатации, качеством изготовления. Множество факторов, влияющңх на долговечность и возможность различных сочетаний этих фак'горов в условиях эксплуатации, приводит к рассеива­ нию фактических данных по выходам из строя деталей и узлов.

Исходя из этого, в первую очередь надо выявить наиболее слабые и уязвимые звенья, наметить необходимые конструктив­ ные и технологические мероприятия и тем самым обеспечить повышение надежности и долговечности оборудования. Выпол­ нение этой задачи связано прежде всего с организацией наблю­ дений за работой буровых установок в условиях эксплуатации. Для этого необходимо изучить физическую сущность протекаю­ щих в условиях эксплуатации процессов разрушения и изнаши­ вания рабочих поверхностей деталей, а также собрать и обрабо­ тать статистические данные об отказах отдельных узлов и дета­ лей оборудования для оценки их фактической надежности.

Характерным для эксплуатации буровой установки является цикличность работы оборудования. Нормальный цикл эксплуа­ тации бурового оборудования состоит из последовательно про­ изводимых операций, связанных с проходкой, спуском и подъе­ мом инструмента.

На длительность нормального цикла наряду с условиями экс­ плуатации существенное влияние оказывает надежность обору­ дования. Чем менее оно надежно, тем чаще проводятся ремонт­ ные работы в условиях эксплуатации. Это приводит к увеличе­ нию длительности цикла бурения скважины, уменьшению числа циклов в течение всего срока службы оборудования, а также к увеличению эксплуатационных расходов.

Современная буровая установка с индивидуальным приво­ дом механизмов состоит из отдельных кинематически не свя-

6

заиных между собою механизмов. Однако, несмотря на незави­ симую параллельную работу механизмов буровой установки с индивидуальным приводом, бурение скважин осуществляется системой тесно взаимодействующего оборудования. Поэтому в процессе бурения практически необходима безотказная работа всех механизмов.

Из-за специфики бурения во многих случаях внезапный отказ оборудования может привести к аварии — прихвату инструмента и оставлению его в скважине. В свою очередь, ликвидация прих­ вата требует приложения нагрузок, нередко значительно прево-' сходящих вес бурильной колонны. А чем выше средняя нагруз­ ка, тем более вероятно аномальное превышение фактической прочности, при которой возникают отказы.

Необходимо также отметить трудность проведения ремонт­ ных работ в условиях бурения. Фактически допустимы лишь отказы, которые легко и быстро устраняются обслуживающим персоналом непосредственно на буровой. Отказы же, для уст­ ранения которых требуется смена оборудования или проведение сложных ремонтных работ, не допустимы.

Для выявления слабых звеньев буровых установок и разра­ ботки эффективных мероприятий по повышению надежности и долговечности необходимо иметь сведения о количестве и харак­ тере отказов за весь период бурения. При этом статистическое исследование надежности должно сочетаться с изучением физи­ ческих причин, вызывающих те или иные отказы оборудования.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПРИНЯТАЯ МЕТОДИКА ОЦЕНКИ НАДЕЖНОСТИ1

Надежность машин и механизмов зависит от характера и ве­ личины нагрузок, материала и конструкции сопряженных дета­ лей, качества изготовления, условий эксплуатации и т. д. Воздей­ ствие значительной части этих факторов носит случайный харак­ тер (случайные перегрузки, дефекты в металле), вследствие че­ го возникающие отказы также оказываются случайными по своей природе. В результате все величины, используемые при оценке надежности (время работы оборудования до первого отказа или между последовательными отказами, число отказов за опреде­ ленное время и другие), также являются случайными. Поэтому основные закономерности, характеризующие надежность машин и механизмов, устанавливаются на основе статистических дан­ ных с применением законов теории вероятностей и математиче­ ской статистики.

1 Принятая методика подробно изложена в отраслевом руководящем техническом материале РТМ 26-11-101-67 «Методика оценки надежности неф­ тепромыслового оборудования».

7

Выбор тех или иных количественных показателей надежности зависит от назначения и конструкции изделия, от способа его

использования, а также от того, какие последствия влечет за со­ бой отказ.

Известно, что по способу использования изделия молено раз­ делить на две группы: изделия однократного использования (невосстанавливаемые) и изделия многократного использования (восстанавливаемые), для которых предусмотрена возможность ремонтов в процессе эксплуатации. В зависимости от того, к ка­ кой группе будет отнесено рассматриваемое изделие, применяют­ ся различные показатели надежности.

В некоторых случаях буровое оборудование, состоящее из большого количества деталей и узлов,, которые требуется вос­ становить после отказа путем ремонтов и замен отказавших де­ талей, целесообразно рассматривать как изделие однократного использования. Такой подход к оценке надежности бурового обо­ рудования необходим в связи с тем, что во многих случаях за­ мена вышедших из строя деталей ротора, вертлюга, приводной части бурового насоса, некоторых узлов лебедки относится сог­ ласно классификаторам ремонтов к среднему и капитальному ремонтам. В таких случаях оборудование требуется отправлять на ремонт в ремонтные мастерские или на ремонтные заводы. Кроме того, такие отказы приводят к длительным простоям обо­ рудования и часто к авариям в бурении, что приносит значитель­ ный материальный ущерб. Поэтому к основным узлам бурового оборудования предъявляются исключительно высокие требова­ ния безотказности их работы.

Для подавляющего большинства видов оборудования наибо­ лее важными показателями надежности являются: вероятность безотказной работы в течение заданного промежутка времени P(t) или периода бурения Р(Ь), интенсивность отказов к((), средняя наработка между отказами Гср, средняя наработка до первого отказа Т.

Перечисленные количественные характеристики использованы в настоящей работе для оценки надежности бурового оборудо­ вания на основе статистических данных об отказах основных уз­ лов и деталей, полученных при эксплуатации.

" Поскольку случайное время безотказной работы является понятием обобщенным, то в каждом конкретном случае уста­ навливали наиболее характерный параметр для оценки безотказ­ ности оборудования. Так, оценка надежности роторов, вертлюгов и тормозных шкивов буровых лебедок произведена с учетом глу­ бины бурения, оценка надежности буровых насосов и буровых лебедок — с учетом времени безотказной работы.

Обобщение и предварительную обработку статистических данных об отказах бурового оборудования проводили с помо­ щью комплекса счетно-перфорационных машин. Для учета отка­ зов и неисправностей была разработана форма журнала наблю-

8