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石油天然气设备的修理和修复 编译尹 丽河南石油勘探局精蜡厂 刘庆江河南石油勘探局钻井机修厂 审校孙梅莲河南石油勘探局勘探开发研究院 摘要 俄联邦明星机械制造厂开发出一 种新型检测仪器 “ 系统205”,它能够判 断和检测金属应力探伤状态,以及确定机械 应力集中系数,它的应用大大提高了石油天 然气设备的修理和修复水平。 主题词 石油天然气设备 维修 检测 仪器 机械应力 超声波处理 俄联邦明星机械制造厂半个世纪以来专攻修 理、施工、潜艇和轮船的改造。在金属结构轮船修 复,延长其服务期限方面积累了大量的实践经验。 为了进行优质修理,首先要确定在磨蚀、穴蚀 和疲劳破坏作用下制造材料的磨损程度,其次是隐 藏的或不能被发现的内部焊接和冶金缺陷,甚至不 能完全消除的焊接应力或热应力。所有这些都会导 致设备、设施或结构应力状态的改变,以及应力的 额外危险集中。 明星机械制造厂应用全光谱检测技术,即超声 波厚度检测、探伤、磁探伤、α γ射线探伤、表 面金相研究和肉眼观察。将无损检测法与提高结构 的可靠性和安全性紧密联系在一起。现代探伤技术 已应用于产品的工艺技术中,即寻找以裂纹、气 孔、夹渣、未焊透、不熔合和其他不连续方式存在 的缺陷,也就是确定缺陷参数位置、形状和尺 寸。用常规方法是可以发现缺陷的,但却难以发 现应力的危险集中。缺陷面积越大,破坏产品所需 的力就越小。设计单位通过试验来确定典型缺陷的 危险程度,也就是对无缺陷部分和有缺陷部分进行 比较,但是探伤无法确定缺陷危险程度,只能测出 它的存在,实际上在产品状态计算中,并不采用缺 陷参数。 该厂实验室开发出判断和检测金属应力探伤状 态,以及确定机械应力集中系数的 “ 系统205” 仪器。它能大大提高轮船和机械装置的修理水平。 例如,订货人送修的吊卡用于石油、天然 气开采的起升装置 , 在用于起升油管的吊耳结构 部分出现了较小的裂纹。但起升油管时作用在吊卡 上的载荷达到了500t,这一点务必指出。该厂专家 借助于传统的检测方法又发现了气孔和细小的表面 裂纹。应用仪器 “ 系统205”确定了裂纹,并发 现裂纹随着机械应力的增加而扩大,此机械应力超 过它额定总值的10倍,甚至更高。这种超标看来 是应力累加的结果,这些应力是在吊卡工作过程中 产生的,以及制造时未消除的热处理残余应力。在 残余应力区域,可以消除常规缺陷。如果热处理方 式选择不正确,残余应力甚至会在较小的结构载荷 下加速破坏。如果不仅找到了缺陷,而且找到了危 险位置,就可以避免事故的发生。在分析吊卡的例 子中,通过传统途径发现的缺陷可以选择在缺陷位 置补焊。为了去除焊接应力和改善金属结构,需按 步骤进行选择补焊在补焊后到缺陷段全补焊完之 前需要进行超声波处理。在照片上可以看出,缺陷 深度超过了80mm。冲击作用的超声波处理在除去 应力集中的有害影响的同时,不只是使表层,更会 使深层位置的残余应力重新合理分布,提高零件的 使用寿命。 为了确定残余应力,仪器 “ 系统2 - 05”选择 总的机械应力差作为缺陷改变参数。这种选择有一 定的范围,对于弹塑性材料结构钢我们应用 强度第三准则。机械应力梯度分布图不仅直观地显 示出机械应力场的分布参数,而且还可显示金属研 究段的坚固断面。根据测量尺寸和缺陷位置,借助 常规探伤理论模型可以计算出机械应力集中值和机 械应力梯度的分布,以此判断结构缺陷的危险 程度。 仪器 “ 系统205”与以往技术手段的不同在 于它不必进行参数计算,而是直接根据物理场的扰 动参数来评价结果。这消除了人为的主观评价,利 用模型表达式可避免计算错误,简化模拟研究,最 终得到应力梯度分布和机械应力集中的关系式。必 须注意,“ 系统205”不是探伤仪。如果在被测 区域存在缺陷,而这种缺陷不产生机械应力场实质 性的扰动即不是应力集中 , 那么在机械应力梯 下转第40页 22 国外油田工程第21卷第2期20051 2 原料气调压装置。气源来自萨南厂区的干气管 网,夏季干气管网压力为111MPa,管网干气经计 量调压至0125MPa后,直接作为燃料气输至燃气 发电机组。 循环冷却水及消防。循环冷却水依托萨南循环 水场,原设计2个冷却水塔能力为1200m 3 /h,余 量为200m 3 /h,进水温度40℃,出水温度30℃, 满足发电机循环冷却水量160m 3 /h的要求。但原 设计3台循环水泵流量小,需更换,循环水补水及 排放均利用萨南厂内已建水系统。电站建筑内及设 备区消防采用消防栓,消防给水引自萨南厂消防系 统管线,其压力、流量均满足要求。 余热利用。为提高燃气利用率,节约厂内加热 用气消耗,在发电机出口处设置简单的换热器,将 450℃、4500m 3 /h的烟气与水进行换热,用于浅冷 装置乙二醇再生系统及站内职工洗浴等。 四、投资估算及经济评价 该燃气电站工程建设投资103110 4 元,电站 夏季按运行7个月计算,发电量151210 4 kWh, 消耗干气42310 4m3。 放空气计价情况下 0 11元/m 3 , 项目所得 税前内部收益率52161 ,投资回收期2191年, 所得税后的内部收益率为37155 ,投资回收期 3165年。 放空气不计价情况下,项目所得税前内部收益 率56100 ,投资回收期2179年,所得税后的内 部收益率为39184 ,投资回收期315年。 五、结论 1、小型燃气发电技术成熟,设备可靠,在油 田放空气方面的应用,特别是热电联产,效益好, 建议推广。 2、由于随着逐年油量递减,天然气放空量也 在逐渐减少,预计到2010年已经没有天然气放空。 因此,为了使油田放空天然气尽快转化为效益、减 少空气污染,宜尽早实施燃气电站工程项目。 收稿日期 200407 15 上接第22页 度分布和机械应力集中图中不会发现该缺陷。此时 任何机械应力集中与缺陷尺寸无关这种缺陷隐 患用传统的探伤方法无法发现 , 它将在机械应力 梯度分布和金属晶体结构图中被发现。 因此,机械应力集中的存在和机械应力梯度分 布的高梯度值势必造成了弹塑性物体的破坏,根据 危险程度用直接试验的方法可以对出现的机械应力 集中进行分类。 我们发现,在完成吊卡全部修理工作和消除缺 陷后,为了除去整个零件应力集中现象,可通过热 处理零件来实现,其标准是在检测试样中形成的。 之后应用仪器 “ 系统205”对产品的机械应力集 中段进行校验,对应力集中危险段进行超声波处 理。由 “ 赫淮斯托斯- 400”超声波系统输出功 率为014kW,输出应力频率为222kHz以及 “ 黄蜂- 2”超声波系统输出功率为016kW,输 出应力频率为222kHz完成这一工作。 “ 赫淮斯 托斯- 400” 与 “ 黄蜂- 2”的区别在于前者能自 动冷却。值得注意的是,在表层发生冷作硬化,这 种情况下经过超声波处理的区域的金属硬度强 度增加。焊缝带的超声波处理增加了对疲劳的 抵抗力。 超声波处理不同于热处理,它能够在整个变形 金属范围内均衡地分布,主要靠晶粒边界即晶 格缺陷吸收声能,具有选择性。 在整个系统全套修理、修复工作完成之后,根 据国家矿业技术监督机构的要求对吊卡进行相关的 承载试验。 我们发现,残余应力这一因素从本质上影响着 结构寿命,在应用仪器 “ 系统2 - 05”之前只在统 计试验数据的基础上来计算结构寿命。 根据试验数据结果可以得出如下结论 ◇金属热处理并不总是导致残余机械应力和机 械应力集中区的松弛,它可将应力重新更有利地 分布。 ◇结构金属的超声波处理工艺,包括借助于仪 器 “ 系统205”对所选对象的物理应力 形变检 测工序,确保了残余机械应力强度的水平控制,以 及机械应力集中区的松弛。 ◇钢结构的超声波处理可重新分配机械应力集 中区和减弱应力集中。 资料来源于俄罗斯 Б у р е н и е ИН е ф т ъ 2004年3月 收稿日期 200409 15 04 国外油田工程第21卷第2期20051 2 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载