Контроль стальных труб для обсадных колонн или насосно-компрессорных труб

Контроль стальных труб для обсадных колонн и насосно-компрессорных труб (НКТ)

Введение
Качество стальных труб, используемых для обсадных колонн и насосно-компрессорных труб (НКТ), является критически важным фактором для обеспечения безопасности, надежности и эффективности эксплуатации нефтяных и газовых скважин. Экстремальные условия в скважине (высокие давления, температуры, агрессивные среды, механические нагрузки) предъявляют жесткие требования к целостности и свойствам труб. Система контроля качества, охватывающая весь цикл производства и подготовки труб к спуску, служит гарантией соответствия продукции требованиям стандартов (таких как API 5CT, ГОСТ Р 53366-2009 и др.) и условиям эксплуатации. Данная статья охватывает ключевые аспекты контроля.

1. Объекты испытаний

Объектами контроля и испытаний являются:

1. Стальные трубы для обсадных колонн: Трубы большого диаметра, предназначенные для крепления стенок скважины, изоляции продуктивных пластов и создания канала для спуска оборудования. Контролируются трубы всех групп прочности и классов (например, H-40, J-55, K-55, N-80, L-80, C-90, C-95, T-95, P-110, Q-125).
2. Насосно-компрессорные трубы (НКТ): Трубы меньшего диаметра, предназначенные для спуска в скважину насосов, подачи агентов (газ, жидкость) под давлением, откачки продукции. Требуют особо тщательного контроля из-за циклических нагрузок и воздействия внутренней среды. Контролируются трубы всех групп прочности и классов (например, J-55, K-55, N-80, L-80, C-90, C-95, T-95, P-110).
3. Соединительные элементы (муфты): Резьбовые муфты, применяемые для соединения труб между собой. Контролю подвергаются как сами муфты, так и качество нарезанной на трубах резьбы и герметичность соединений в сборе.
4. Материал трубы: Контроль начинается с проверки исходной заготовки (штрипса или трубы-заготовки), включая химический состав и механические свойства.

2. Область испытаний

Контроль качества труб осуществляется на протяжении всего производственного процесса и подготовки к отгрузке:

1. Входной контроль: Проверка сертификатов качества, соответствия геометрических размеров и визуального состояния труб и муфт при поступлении на склад или перед обработкой.
2. Производственный контроль:
   • После термообработки (нормализация, закалка и отпуск) – проверка механических свойств и микроструктуры.
   • После нарезки резьбы – контроль геометрии резьбы, качества поверхности, наличия смазки, состояния торцов.
   • После навинчивания муфт (для НКТ и некоторых типов обсадных труб) – проверка положения муфты, наличие контрольной метки, герметичность соединения.
   • После нанесения защитных покрытий – контроль толщины, сплошности, адгезии.
3. Приемо-сдаточные испытания: Комплекс обязательных испытаний готовой продукции перед отгрузкой потребителю, включающий:
   • Гидроиспытания.
   • Контроль геометрических размеров (длина, кривизна, овальность, толщина стенки, диаметр).
   • Контроль твердости (обычно по торцам трубы).
   • Контроль состояния поверхности (визуальный и магнитопорошковый/капиллярный).
   • Контроль массы.
   • Испытания на растяжение и ударную вязкость (на образцах-свидетелях от партии).
   • Ультразвуковой контроль тела трубы на сплошность.
4. Контроль при подготовке к спуску: Дополнительный визуальный осмотр, очистка резьб, проверка состояния на складе буровой.

3. Методы испытаний

Для контроля труб применяется широкий спектр неразрушающих и разрушающих методов:

1. Визуальный и измерительный контроль (ВИК):
   • Цель: Обнаружение поверхностных дефектов (раковины, закаты, плены, расслоения, надрывы, следы коррозии), повреждений резьбы, проверка геометрических размеров (диаметр, толщина стенки – ультразвуковым толщиномером, длина, кривизна, овальность), состояния покрытий, наличия маркировки.
   • Инструмент: Глазомерно (иногда с лупами), шаблоны резьбы, калибры, рулетки, штангенциркули, микрометры, УЗ-толщиномеры.
2. Магнитопорошковый контроль (МПК/МД):
   • Цель: Обнаружение поверхностных и неглубоко подповерхностных дефектов (трещины, волосовины, закаты) преимущественно на теле трубы и в зоне резьбы.
   • Принцип: Намагничивание трубы, нанесение магнитного порошка (сухого или суспензии). Порошок скапливается в местах выхода силовых линий магнитного поля около дефектов.
3. Капиллярный контроль (ПВК/КК):
   • Цель: Обнаружение мелких поверхностных дефектов (трещины, поры), особенно в зоне резьбы и на торцах, где МПК затруднен.
   • Принцип: Нанесение пенетранта (красящей жидкости), проникающего в дефекты; удаление излишков; нанесение проявителя, вытягивающего пенетрант наружу и делающего дефекты видимыми.
4. Ультразвуковой контроль (УЗК):
   • Цель:
     • Сплошность (дефектоскопия): Обнаружение внутренних и сквозных дефектов (раковины, трещины, расслоения, неметаллические включения) по всей длине и толщине стенки трубы.
     • Толщинометрия: Точное измерение толщины стенки, выявление зон коррозии или утонений.
     • Контроль зоны термовлияния (ЗТВ): Особый контроль области сварки у бесшовных труб для выявления дефектов, возникших при производстве.
   • Принцип: Излучение ультразвуковых волн в материал и анализ отраженных сигналов от дефектов и противоположной стенки трубы. Автоматизированные системы используют вращающиеся или многоканальные преобразователи.
5. Гидроиспытания (Гидроопрессовка):
   • Цель: Проверка прочности трубы и герметичности ее тела и соединений (резьба + муфта) под действием внутреннего давления, имитирующего рабочие условия.
   • Принцип: Заполнение трубы водой, создание заданного внутреннего давления (обычно значительно превышающего рабочее), выдержка под давлением в течение нормированного времени (несколько секунд), контроль на отсутствие течи или остаточной деформации. Давление контролируется манометрами высокого класса точности.
6. Испытания на растяжение:
   • Цель: Определение механических свойств материала трубы: предела текучести (σт), предела прочности (σв), относительного удлинения (δ), относительного сужения (ψ).
   • Принцип: Образцы, вырезанные из труб (продольные или поперечные) или из свидетелей партии, растягиваются на разрывной машине до разрушения с регистрацией диаграммы "нагрузка-удлинение".
7. Испытания на ударную вязкость (KCU/KCV):
   • Цель: Оценка способности материала трубы сопротивляться хрупкому разрушению при динамических нагрузках и пониженных температурах.
   • Принцип: Разрушение стандартного надрезанного образца маятниковым копром при заданной температуре. Измеряется работа разрушения.
8. Контроль твердости:
   • Цель: Оценка прочности материала, косвенная проверка правильности режимов термообработки. Обычно выполняется по торцам трубы.
   • Методы: Бринелль (HB), Роквелл (HRB, HRC), Виккерс (HV). Иногда - переносными твердомерами динамического или ультразвукового принципа.
9. Контроль химического состава:
   • Цель: Подтверждение соответствия марки стали требованиям стандарта по содержанию углерода, легирующих элементов, примесей (S, P).
   • Методы: Спектральный анализ (искровой или на стационарных спектрометрах) проб, отобранных из металла.

4. Испытательное оборудование

Для реализации указанных методов контроля используется специализированное оборудование:

1. Для ВИК и размерного контроля: Измерительные стенды с подвижными каретками, оптические системы, УЗ-толщиномеры, наборы калибров и шаблонов для резьб.
2. Для МПК: Установки намагничивания (соленоиды, центральные проводники, контакты), системы нанесения порошка и суспензии, оборудование для демагнитизации.
3. Для Капиллярного контроля: Линии нанесения пенетранта и проявителя (опрыскиванием или погружением), камеры сушки и выдержки, осветители (УФ или белый свет).
4. Для УЗК:
   • Автоматизированные системы: Вращающиеся блоки с множеством преобразователей (пьезоэлементов) разного типа (для продольных, поперечных волн, ЭМАК), перемещающиеся вдоль оси трубы; системы привода и вращения трубы; сложное электронное оборудование (многоканальные дефектоскопы) для возбуждения, приема, обработки сигналов и автоматического маркирования дефектов; программное обеспечение для настройки, контроля и архивации данных.
   • Ручные приборы: Портативные дефектоскопы и толщиномеры для выборочного контроля или дообследования.
5. Для Гидроиспытаний: Мощные гидравлические насосы высокого давления (плунжерные или мультипликаторные), запорная и предохранительная арматура, система заполнения и слива воды, герметизирующие заглушки (чашечные или с уплотнением через резиновые кольца), прецизионные манометры или датчики давления, система автоматического управления циклом испытаний (подъем, выдержка, сброс давления).
6. Для Механических испытаний:
   • Разрывные машины: Универсальные испытательные машины с компьютерным управлением, оснащенные динамометрами и тензометрическими системами для измерения нагрузки и деформации.
   • Маятниковые копры: Для испытаний на ударную вязкость с регулируемой температурой испытаний (криостаты).
   • Твердомеры: Стационарные (Бринелля, Роквелла, Виккерса) и переносные (чаще динамические по методу Либа или ультразвуковые).
7. Для Химического анализа: Стационарные или мобильные оптико-эмиссионные спектрометры, рентгенофлуоресцентные анализаторы.
8. Вспомогательное оборудование: Краны и рольганги для перемещения труб, установки для очистки труб и резьб, линии нанесения смазки и защитных покрытий, оборудование для маркировки (ударное, краской).

Заключение
Комплексный контроль стальных труб для обсадных колонн и НКТ, основанный на применении современных методов испытаний и высокоточного оборудования, является неотъемлемой частью обеспечения качества и безопасности нефтегазодобычи. Строгое соблюдение регламентов контроля на всех этапах – от входного контроля материалов до приемо-сдаточных испытаний готовой продукции – позволяет минимизировать риски аварий, вызванных дефектами труб, гарантировать срок службы скважины и защитить окружающую среду. Непрерывное развитие методов неразрушающего контроля и автоматизация процессов испытаний способствуют повышению надежности и эффективности этого критически важного вида контроля.