Прогнозирование остаточного ресурса материала гибкой насосно-компрессорной трубы на основе кинетической теории усталости

Технологии колтюбинга активно применяются в процессе бурения скважин и производстве внутрискважинных работ. Во время эксплуатации колтюбинговой установки необходимо в режиме реального времени получать оценку остаточного ресурса оборудования установки, в частности, остаточного ресурса гибкой насосно-компрессорной трубы. К основным повреждающим факторам гибкой трубы можно отнести сгибающие нагрузки, действия внутреннего давления, осевые воздействия, воздействия агрессивных сред. Важнейшей задачей прогнозирования состояния гибкой насосно-компрессорной трубы является построение математической модели, позволяющей наиболее точно описать процесс накопления усталостных повреждений в условиях малоцикловых нагрузок. Анализ доступных к изучению литературных источников показал, что в данный момент времени является актуальной задача разработки методов и алгоритмов, позволяющих оценить наколенную усталость материала гибкой насосно-компрессорной трубы на сложной траектории движения, где труба подвергается изгибающим нагрузкам с различной интенсивностью. Решение данной задачи обосновывает разработку математической модели, связывающей расчет поврежденности в области малоцикловых деформаций с учетом наколенных ранее повреждений. Целью настоящей работы является разработка методов и алгоритмов построения прогнозной модели текущего состояния материала гибкой насосно-компрессорной трубы, с учетом накопленных повреждений на основе полуэмпирических моделей в рамках кинетической теории усталости. В исследовании проведен анализ серии опытов с изгибной деформацией образцов гибких труб. На основе методов построения алгоритмов обработки данных малоцикловых испытаний в рамках кинетической теории усталости и математических моделей для оценки остаточного ресурса испытуемого образца в статье предложено решение, позволяющее рассчитать параметр поврежденности образца в случае накапливания повреждений на различных участках траектории движения гибкой насосно-компрессорной трубы. Материалы статьи представляют практическую ценность для исследователей, занимающихся проблемами расчета остаточного ресурса гибких труб в условиях их циклического деформирования.

1. Львович Я.Е., Питолин А.В., Сорокин С.О. Оптимизация проектирования многоаспектной цифровой среды системы однородных объектов на основе процедур декомпозиции и агрегации. Моделирование, оптимизация и информационные технологии. 2019;7(2).

2. Вдовин А.С., Ивженко С.П. Разработка информационной системы прогнозирования состояния оборудования для бурения скважин методом колтюбинга. Проблемы управления в социально-экономических и технических системах: Сборник научных статей. Материалы XV Международной научно-практической конференции. 2019:69–75.

3. Вдовин А.С. Разработка методов и алгоритмов прогнозирования состояния оборудования для повышения эффективности системы управления бурением скважин методом колтюбинга. Проблемы управления в социально-экономических и технических системах: Материалы XVII Международной научно-практической конференции. 2021:117–119.

4. Львович Я.Е. О подходах, связанных с оценками прочности объектов. За нами будущее: взгляд молодых ученых на инновационное развитие общества: Сборник научных статей 2-й Всероссийской молодежной научной конференции. 2021;4:254–257.

5. Павлов В.Ф., Кирпичев В.А., Кочерова Е.Е. Оценка малоцикловой усталости на основе использования зависимости Мэнсона-Коффина при отнулевом цикле "мягкого" нагружения. Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2017;16(1):129–136.

6. Горбовец М.А., Ходинев И.А., Рыжков П.В. Малоцикловая усталость при высоких температурах жаропрочного никелевого сплава, полученного селективным лазерным сплавлением. Авиационные материалы и технологии. 2019;(4):65–73.

7. Kima S.-J., Pil H.С., Dewa R.T., Kim W.-G., Kim M.-H. Low cycle fatigue properties of Alloy 617 base metal and weld joint at room temperature. Procedia Materials Science. 2014;(3):2201–2206.

8. Григорьев В.В., Зарубина Е.В., Репин Д.С. Разработка модели исследования эксплуатационных характеристик трубопровода. Трибология и проблемы МЧС России: Сборник материалов международной научно-практической конференции, посвященной 90-летию образования гражданской обороны. Иваново. 2022:11–14.

9. Cruces A., Lopez-Crespo P., Moreno B., Antunes F. Multiaxial Fatigue Life Prediction on S355 Structural and Offshore Steel Using the SKS Critical Plane Model. Metals.[Internet] 2018;8(12):1060. Доступно по: https://doi.org/10.3390/met8121060 (дата обращения: 20.12.2022).

10. Liu K.C., Wang J.A. An energy method for predicting fatigue life, crack orientation, and crack growth under multiaxial loading conditions. Int. J. Fatigue. 2001;23:129–134. Доступно по: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0142112301001694 (дата обращения: 21.12.2022).

11. Branco R., Costa J.D.M., Antunes F.V. Fatigue behaviour and life prediction of lateral notched round bars under bending-torsion loading. Engineering Fracture Mechanics. 2014;119(1):66–84.

12. Хоу Сюэцзунь, Хе Цзя, Сунь Тэньфэй Анализ критических изгибающих и контактных нагрузок, действующих на колтюбинг при работах в вертикальной скважине малого диаметра. Химия и технология топлив и масел. 2015;(3):44–50.

13. Почтенный Е.К. Прогнозирование долговечности и диагностика усталости деталей машин. Мн.: Наука и техника; 1983. 246 с.

14. Сызранцев В.Н., Черная Л.А., Сызранцева К.В. Расчет эквивалентных по повреждающему воздействию напряжений. Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2013;(10):30–35.

15. Сызранцев В.Н., Сызранцева К.В. Определение напряжений и остаточного ресурса по показаниям датчика деформаций интегрального типа переменной чувствительности. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2017;328(9):82–93.

16. Сызранцев В.Н. Обработка данных тарирования датчиков усталости. Новые информационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании: Материалы IX Международной научно-практической конференции-конкурса, Тюмень. 2022:148–151.