АНАЛИЗ ПРИЧИН АВАРИЙ НЕФТЯНЫХ ВЫШЕК В РЕСПУБЛИКЕ ТАТАРСТАН¹

И.Л. КУЗНЕЦОВ, проф., д-р техн. наук, Р.А. ГАЛИМШИН, А.З. МАНАПОВ, кандидаты техн. наук (Казанский государственный архитектурно-строительный университет)

В Республике Татарстан за последние годы произошли две аварии нефтяных вышек: первая авария вышки Б91.01.00.000 буровой установки (БУ) 2900/175 ЭП-2 случилась 28 июня 2002 г. в 21 ч 40 мин при безветренной погоде, температуре воздуха 18°С, атмосферном давлении 750 мм рт. ст., видимости 10 км. Осмотр места аварии выполнен и запротоколирован комиссией, назначенной приказом по Управлению Приволжского округа Госгортехнадзора России от 01.07.02 № 64.

¹ в порядке обсуждения

Из данных, приведенных в протоколе осмотра места аварии, видно, что вышка после падения лежит с правой стороны буровой установки, согнута под углом более 90° (изгиб произошел ниже полатей буровой вышки), талевый канат диаметром 28 мм не порван; задний левый якорь ветровой оттяжки вышки выдернут из земли и находится в 3 м от места его установки, три остальных якоря лежат на месте, оттяжки не порваны. Проушина под опорой правой ноги нижней секции вышки разрушена; на секциях левой и правой ног вышки имеются нарушения целостности главных ног и шпренгеля со следами ударов и вмятин; разрушены полати буровой вышки, маршевые лестницы, швеллер рамы под кронблоком.

Установлены следующие повреждения конструкционных элементов вышки после обрушения: разрывы сварных швов в узлах соединений раскосов с поясами; деформации раскосов и поясов (выгиб со стрелкой до 70 мм), вмятины, разрывы поясов по основному металлу; отсутствуют показания приборов и устройств контроля и безопасности.

В момент аварии выполнялись работы по бурению скважины на нефть. Разрушение вышки происходило постепенно, на первой стадии была отмечена потеря устойчивости со значительными деформациями вышки, на второй - полное ее обрушение. При расследовании причин аварии были рассмотрены материалы, необходимые для экспертизы: чертежно-техническая документация на изготовление вышки Б91.01.00.000; ее техническая характеристика; прочностные расчеты вышки буровой установки БУ2900/175 ЭП-2; технические условия на буровую установку и на изготовление деталей и сборочных единиц нефтепромыслового оборудования; акты и протоколы испытаний вышки; заключение независимых экспертов о прочности вышки буровой установки.

Качество конструкционных материалов и сварных соединений было проверено в инженерном центре «Энергопрогресс» ОАО «Татэнерго». По результатам стилоскопического и химического анализов, визуального и измерительного контроля, механических испытаний и измерения твердости, металлографического анализа сделаны следующие выводы:

1. Химический состав трубы правой ноги, трубы левой ноги и шпренгеля правой ноги разрушенной буровой установки БУ2900/175 ЭП-2 (скважина № 11320 Альме-тьевского управления буровых работ структурного подразделения ООО «Татнефть-Бурение») соответствует стали 09Г2С, раскосов - Ст 20 (ТУ 14-3-1128-82).

2. Химический состав наплавленного металла сварных соединений разрушенной буровой установки не соответствует СВ-08Г2С согласно ГОСТ 2246-70 по содержанию марганца.

3. В результате визуального и измерительного контроля установлены отклонения по толщине стенки труб раскосов и от требований ГОСТ 14771-76, ГОСТ 23518-79 по подготовке кромок свариваемых элементов, размеров сварных швов, проплавления металла; большинство разрушенных сварных соединений приварки раскосов и поясов к основным тубам и шпрен-гелям буровой вышки имеют разрыв по сварному шву.

4. Механические свойства металла (основных ног, раскосов) разрушенной буровой вышки соответствуют требованиям ТУ 14-3-1128-82.

5. Микроструктура металла раскосов, основных ног и шпренгелей буровой вышки вне разрушения - нормальная для данной марки стали.

6. Сварные соединения вышки имеют поры в наплавленном металле, непровары и трещины.

По результатам обследования конструкций вышки Б91.01.00.000 после аварии, анализа качества конструкционных материалов и сварных соединений, выполнения дополнительных проверочных расчетов конструкций специалистами КГАСУ было отмечено следующее:

1. В момент аварии на буровой установке велись работы по бурению скважины на нефть, технический персонал установки находился вне опасной зоны возможного падения вышки.

2. В предаварийной ситуации и перед падением вышки контрольные приборы и устройства безопасности не сработали. На диаграмме часового механизма гидравлического индикатора веса (ГИБ-6) с 21 до 24 ч нет записи, рабочая стрелка электроконтактного манометра (ЭКМ) находится на цифре 3, на цифре 8 нанесена красная черта, стрелка ограничителя нагрузки на крюке установлена на цифре 8, провода и трубки высокого давления ЭКМ оборваны, пломба на трансформаторе веса ГИБ-6 нарушена (оборвана проволока).

3. Качество изготовления несущих конструкций вышки Б91.01.00.000 оценивалось по вышке (заводской № 97), находящейся на точке бурения в ожидании первичного монтажа.

В несущих конструкциях вышки, аналогичной обрушившейся, имеются нарушения геометрии и дефекты сварных швов: отклонение фактических размеров сварных швов от проектных в сторону уменьшения; наложение швов; наплывы металла; несплавление с основным металлом трубы; неправильная подгонка раскосов в узле; прожог.

4. При обрушении вышки произошли многочисленные разрывы по сварным швам в узлах соединений раскосов и поясов. В разрушенных сварных швах соединений раскосов и поясов выявлены несплавление металла шва с основным металлом, занижение размера катетов швов до 2 мм, прерывистость очагов сплавлений. Характер и скорость развития деформаций при обрушении вышки Б91.01.00.000 свидетельствуют, что наиболее вероятная причина обрушения - потеря устойчивости опорной ноги вышки.

5. Пространственная стержневая конструкция вышки на стадии проектирования рассчитана по программе «Парус», которая предусматривает расчет стержневых конструкций методом конечных элементов в варианте метода перемещений. Расчеты проведены в предположении упругих деформаций стали по недеформированной схеме.

6. Казанским государственным архитектурно-строительным университетом выполнены расчеты несущих конструкций вышки Б91.01.00.000 с использованием программы «Сумрак».

Согласно СНиП II-23-81* «Стальные конструкции» расчетное сопротивление по пределу текучести для Ст 20 по ГОСТ 8731-74* и ГОСТ 8731-87 составляет R_у =230 МПа (2300 кгс/см²). По данным РД 22-16-96, нормативное сопротивление Ст 20 по ТУ 14-3-816 составляет R_уп = 249,5 МПа, по ТУ 14-3-611 - R_уп = 269 МПа, по ГОСТ 10705 - R_уп = 220 МПа. Рекомендуемый коэффициент надежности по материалу 1,05. В соответствии с результатами расчетов максимальные напряжения зафиксированы в элементе № 65 в шпренгеле верхней секции левой ноги. При нагрузке на крюке 210 т в указанном элементе конструкции напряжения  составляют: 269,1 МПа при расчетах по системе «Парус», 270 МПа (2700 кгс/см²) - при линейном и 303 МПа (3030 кгс/см²) - при нелинейном расчетах по программе «Сумрак».

С учетом значений расчетного сопротивления и максимальных напряжений рассчитана несущая способность конструкции вышки для нагрузки на крюке по формуле . Результаты расчета приведены в таблице.

При использовании стали 09Г2С по ТУ 14-3-611 с расчетным сопротивлением по пределу текучести, равным 325 МПа при расчете несущей способности вышки, следует учитывать снижение коэффициента продольного изгиба ф при увеличении расчетного сопротивления стали в среднем в 1,25 раза. В этом случае несущая способность вышки имеет следующие значения:

при расчетах по программе «Парус»:

т;

при линейном расчете по программе «Сумрак»:

т;

при нелинейном расчете по программе «Сумрак»

т.

Полученные результаты свидетельствуют, что несущая способность вышки недостаточна.

7. Испытания показали несоответствие несущих конструкций вышки условиям ее эксплуатации. Основное отличие заключается в том, что в рабочем состоянии общие перемещения конструкции будут иметь большие значения за счет податливости контактов «земля-платформа», «крюк-обсадные трубы». В этом случае дополнительные перемещения будут способствовать более быстрому достижению критических перемещений потери устойчивости.

8. В известных случаях аварий вышки Б91.01.00.000 обрушение начиналось с потери устойчивости левой опорной ноги (не оборудованной лестницей) на уровне полатей и чуть ниже. Характер и скорость развития деформаций при обрушении вышки Б91.01.00.000 (заводской № 96) свидетельствуют, что наиболее вероятная причина обрушения - потеря устойчивости опорной ноги вышки вследствие неэффективной работы раскосов решетки и шпренгеля в зоне полатей. Результаты расчетов по программам «Парус» и «Сумрак» также подтверждают, что наиболее напряженный элемент - шпренгель верхней секции левой ноги в зоне полатей.

Вторая авария буровой установки БУ2000/125 ЭВМ произошла 4 июля 2005 г. в 8 ч 45 мин. Установка введена в эксплуатацию 31 мая 2005 г на скважине-точке № 20245. Авария буровой установки выразилась в виде значительных деформаций верхней секции вышки М11.01.00.000 (см. рисунок).

Погодные условия на момент аварии, по данным Управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды Республики Татарстан, следующие: скорость ветра 3 м/с при юго-западном направлении; температура воздуха 12-16°С.

Осмотр места аварии выполнен и запротоколирован комиссией, назначенной приказом по Управлению по технологическому и экологическому надзору Ростехнадзора по Республике Татарстан. По данным протокола осмотра места аварии следует, что буровая установка БУ2000/125 ЭВМ размещена на аппорели. В качестве фундамента использованы железобетонные дорожные плиты. Правый винт домкрата основания вышки приподнят на 1 см, согнут в сторону устья скважины от посадочного седла аппорели и смещен в сторону устья на 4 см, левый винт домкрата сорван с посадочного седла аппорели и находится в опущенном состоянии ниже седла на 1 см, согнут в сторону устья скважины на 6-7 см. На площадке силового агрегата левый регулировочный винт опорной фермы вышки погнут с изгибом вниз, а правый оборван, и на месте обрыва имеются старые следы трещин.

На левой силовой оттяжке вышки свободный конец каната заделан четырьмя зажимами заводского исполнения. Три зажима свободного конца каната собраны вместе, а четвертый находится на расстоянии 10 см от третьего зажима. Выскальзывание конца каната из-под зажимов составляет 50 см. Зажимы крепления верхних силовых оттяжек вышки собраны вместе на концах заделки свободных концов каната. Концы канатов силовых оттяжек верхней секции вышки выдернуты из мест креплений к натяжным винтам.

Два якоря ветровых оттяжек верхней секции вышки со стороны силового агрегата выдернуты из земли на 60 см. Натяжные винты и якоря полати верхового рабочего полностью выдернуты из земли.

В результате повторного осмотра сделаны следующие дополнения:

1. Вышка разрушилась вследствие потери устойчивости поясов верхней секции второй панели в месте ее крепления к нижней секции. При этом свободные пояса секции потеряли устойчивость из плоскости, а внутренние пояса - в своей плоскости.

2. Свободные пояса башни по длине имеют выгиб со стрелкой до 50 мм: правый - из плоскости, левый - в плоскости, вовнутрь.

3. В месте стыка верхней и нижней секций пояс верхней секции в зажимах между рычагами сдвинут до 20 мм.

4. По нижней плоскости опорной фермы вырезан участок внутренней грани нижнего пояса и отсутствует раскос. Данная реконструкция вызвана установкой технологического агрегата на заводе-изготовителе.

5. Концы тросов после сдвижки и срыва сжимов не имеют следов перегиба (деформаций) по месту их проектной установки.

6. Расстояние между элементами сжимов 44-46 мм, т.е. коэффициент степени затяжки находится в пределах 0,86-0,90.

Конструктивная схема вышки включает следующие элементы: верхнюю и нижнюю секции, телескопически укладываемые при транспортировании друг в друга. Вышку устанавливают под углом 3,33° на опорную ферму и винтовыми домкратами ставят на основание, дополнительно раскрепляют двумя подкосами. От опрокидывания в обратную сторону внешний пояс соединяется откидными болтами с опорной фермой. В рабочем положении вышка удерживается силовыми парными оттяжками, расположенными в два яруса. Сечение секции вышки выполнено с применением бесшовных труб и прокатных профилей в виде швеллеров и двутавров. Элементы вышки, по данным сертификатов качества, изготовлены из стали 09Г2С.

По результатам обследования конструкций вышки М11.01.00.000 после аварии и дополнительных проверочных расчетов конструкций сделаны следующие выводы:

1. Разрушение вышки М11.01.00.000 буровой установки БУ2000/125 ЭВМ произошло при нагрузке на крюке 109,6-74,35 т, что меньше расчетной, равной 125 т.

2. Основные оттяжки вышки не обеспечивают достаточной несущей способности. Фактический коэффициент степени затяжки сжимов составляет 0,86-0,90 при нормированной степени затяжки, равной 0,6.

3. В руководстве по эксплуатации вышки М11.01.00.000 отсутствуют рекомендации по приборному контролю уровня натяжения оттяжек и указания по контролю степени и периодичности затяжки сжимов.

4. Узлы крепления верхней и нижней секций вышки выполнены с эксцентриситетами в двух плоскостях соответственно 120 и 140 мм, а в опорных элементах, роликах и рычагах имеются зазоры до 15 мм. Кроме того, передача горизонтальных усилий в местах опирания на ролики и рычаги осуществлена не в узлах верхней секции, а в пролете панелей на расстоянии до 250 мм от узлов.

5. В опорной ферме вышки по нижней грани отсутствуют панель внутреннего пояса и раскос, что не обеспечивает пространственную жесткость опорной фермы.

Журнал "Безопасность труда в промышленности", № 5/2006 г.