Разработка бестраншейной технологии восстановления изношенных трубопроводов установкой внутренней оболочки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.19, кандидат технических наук Алексеев, Алексей Викторович

• Алексеев, Алексей Викторович
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Алексеев, Алексей Викторович

Введение.

1 БЕСТРАНШЕЙНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РЕМОНТА ТРУБОПРОВОДОВ

1.1 Особенности стальных и пластмассовых трубопроводов.

1.2 Санация как способ защиты подземных трубопроводов.

1.3 Технологии бестраншейного восстановления трубопроводов

1.4 Опыт ремонта трубопроводов бестраншейными методами

2 МОДЕЛИРОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ ВНУТРЕННЕЙ ОБОЛОЧКИ ПРИ РЕМОНТЕ ТРУБОПРОВОДА МЕТОДОМ САНИРОВАНИЯ

2.1 Расчётная модель внутренней оболочки трубопровода.

2.2 Метод конечных элементов для оболочки, основные допущения и математический аппарат.

2.3 Решение системы уравнений методом аппроксимации.

2.4 Алгоритм и программы решения задачи о напряженно-деформированном состоянии оболочки, проверка сходимости

2.5 Роль адгезии оболочки к внутренней поверхности трубы.

2.6 Оболочка на участке с продольным дефектом трубы.

2.7 Оболочка в зоне компактного дефекта трубы.

Выводы по разделу 2.

3 ОЦЕНКА ПРОЧНОСТИ ТРУБОПРОВОДА, ВОССТАНОВЛЕННОГО УСТАНОВКОЙ ВНУТРЕНЕЙ ГИБКОЙ ОБО

1 ЛОЧКИ.

3.1 Факторы, определяющие прочность восстановленных трубопроводов с внутренней оболочкой.

3.2 Основные закономерности деформирования оболочки на дефектных участках труб.

3.3 Оценка прочности оболочки на дефектном участке трубы

3.4 Упрощённая оценка прочности оболочки в трубе.

3.5 Испытание оболочки на прочность.

Выводы по разделу 3.

4 ИССЛЕДОВАНИЕ И ВЫБОР МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГИБКИХ ПОЛИМЕРНЫХ ОБОЛОЧЕК (РУКАВОВ)

4.1 Условия эксплуатации трубопроводов, санированных внутренней оболочкой.

4.2 Классификация полимерных оболочек.

4.3 Конструкция рукавного покрытия для санации трубопроводов

4.4 Выбор армирующего материала для изготовления рукава.

4.5 Материалы для пропитки полимерного рукава. 4.6 Исследование коррозионной стойкости полимерного покрытия рукава.

4.7 Испытание технологии санирования.

Выводы по разделу 4.

5 НОРМАТИВНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ РЕМОНТА НЕФТЕПРОМЫСЛОВЫХ ТРУБОПРОВОДОВ МЕТО

I ДОМ САНАЦИИ.

5.1 Технические условия на рукава из полимерных материалов для восстановления внутренней поверхности трубопроводов

5.2 Технические требования по ремонту промысловых трубопроводов путём внутритрубной установки гибких полимерных рукавов.

5.3 Технические условия "Концевые фланцевые участки трубопроводов, санированных гибким полимерным рукавом и фасонные вставки к ним".

5.4 Технические условия "Гладкие концевые участки трубопро

I водов, санированных гибким полимерным рукавом и соединительные детали к ним при использовании сварки".

Выводы по разделу 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка бестраншейной технологии восстановления изношенных трубопроводов установкой внутренней оболочки»

В настоящее время трубопроводный транспорт представляет собой огромную разветвленную сеть преимущественно стальных трубопроводов. Значительная часть трубопроводов в европейской части страны эксплуатируются с 30.50-х годов, а на территории Западной и Восточной Сибири и Дальнего востока - с 60.70-х годов и практически исчерпали свой срок службы. Только в нефтепромысловых трубопроводах, эксплуатируемых в условиях сильного коррозионного воздействия агрессивных транспортируемых сред, ежегодно происходит 40.70 тыс. отказов, которые сопровождаются причинением экологического ущерба, приводят к экономическим потерям и требуют выполнения соответствующего объёма ремонтных работ. По разным оценкам коррозионный износ нефтепромысловых трубопроводов составляет порядка 60 %.

Другим характерным механизмом износа является зарастание внутренней поверхности трубопроводов твердыми отложениями. Это приводит к сужению поперечного сечения и увеличению энергетических потерь на транспортировку продуктов. Как показывают результаты обследований, порядка 80% трубопроводов имеют отложения, заметно снижающие их пропускную способность.

Борьба с коррозией традиционно ведётся разными методами, в том числе путем нанесения на внутреннюю поверхность антикоррозионного покрытия, обработкой перекачиваемой жидкости химреагентами, а также в направлении создания коррозионно-стойких труб. Несмотря на большие затраты на борьбу с коррозией, дефекты продолжают развиваться, появляются сквозные свищи, происходят порывы. Поэтому объём аварийно-восстановительных работ со временем не снижается, а только увеличивается.

Как правило, ремонт трубопроводов требует остановки перекачки продукта, вскрытия траншеи, замены дефектных участков. Если износ достигает большого уровня, то порывы становятся так часты, что дальнейшая эксплуатация трубопроводов становится нерентабельной, и он подлежит полной замене.

По разным данным в стране ежегодно восстанавливается всеми видами ремонта только 1.3 % изношенных трубопроводов. Причём, замена и ремонт трубопроводов обычно ведется традиционным способом - со вскрытием траншеи. При такой технологии и такой интенсивности работ на замену изношенных трубопроводов требуется 40.50 лет. За это время успеют выйти из строя все остальные трубопроводы, даже абсолютно новые.

Таким образом, налицо несоответствие между потребностью и фактическими объёмами ремонта. Это несоответствие трудно преодолеть, оставаясь в рамках старых технологий ремонта, напрямую связанных с большими объёмами земляных работ.

Проблема становится особенно острой в населённых пунктах, на площадках с большим количеством пересечений разных коммуникаций, на подводных переходах больших рек, а также на участках, проложенных методом наклонно-направленного бурения. В последнем случае трубопровод считается ремонтонепригодным, так как его невозможно вскрыть из-за большой глубины и недоступности.

В передовой зарубежной практике до 95% объема работ по прокладке и реконструкции подземных трубопроводов (водо- и газораспределения, канализации, теплоснабжения) выполняется бестраншейными методами. Это, во-первых, сводит на нет проблему недоступности трубопровода для ремонта, во-вторых, позволяет снизить затраты на ремонт трубопроводов на 10. .40%.

Стоимость прокладки трубопровода бестраншейными методами в основном определяется технологией производства работ, производительностью комплекта оборудования, диаметром и материалом прокладываемого трубопровода. Если основная доля затрат в структуре себестоимости работ по открытой перекладке сетей приходится на земляные работы и транспортировку грунта (особенно в городах), при бестраншейном методе земляные работы составляют незначительную долю. Они связаны лишь с рытьем двух котлованов в начале и конце участка протяженностью до нескольких сот метров.

При бестраншейных технологиях ремонта участков трубопроводов, включающих переходы через дороги, не требуется останавливать движение транспорта и получать соответствующие разрешения ГИБДД и других организаций.

С экологической точки зрения бестраншейный метод позволяет избежать некоторых проблем: окружающая среда не подвергается техногенному воздействию, связанному с уничтожением зеленых насаждений и травяного покрова.

Бестраншейные технологии ремонта изношенных трубопроводов находят применение в основном в коммунальном хозяйстве крупных городов. Но в нефтяной и газовой промышленности бестраншейные технологии ремонта практически не применялись до последнего времени. Это связано, главным образом, с тем, что внедрение новых технологий в эту отрасль является делом чрезвычайно хлопотным, требующим разработки соответствующей нормативно-технической базы, согласования с надзорными органами, получения разрешений на применение материалов, оборудования, технологий. В свою очередь, это требует достаточной доказательной базы, проведения множества экспертиз, научной проработки всех вопросов, большого объёма испытаний. В результате внедрение новых технологий в нефтегазовую отрасль происходит с очень большой инертностью. Тем не менее, необходимо делать шаги в этом направлении, накапливать доказательную базу, проводить соответствующие исследования, разрабатывать необходимые документы.

Обозначенные выше проблемы и анализ путей их решения позволил сформулировать цель и задачи исследований настоящих исследований.

Цель работы - повышение эффективности ремонта нефтепромысловых трубопроводов внедрением бестраншейных технологий.

Основные задачи:

1. Анализ существующих технологий восстановления трубопроводов бестраншейными методами и их применимости в нефтегазовой отрасли;

2. Разработка математической модели напряженно-деформированного состояния внутренней гибкой защитной оболочки в изношенных стальных трубопроводах;

3. Исследования закономерностей формирования напряженно-деформированного состояния и прочности трубопроводов, восстановленных методов установки внутренней оболочки;

4. Выбор материалов для внутренней защитной оболочки применительно к нефтегазопромысловым трубопроводам;

5. Разработка нормативной базы для восстановления изношенных неф-тегазопромысловых трубопроводов установкой внутренней защитной оболочки.

Основой для решения данных задач явились работы отечественных и зарубежных ученых и специалистов: В.И. Агапчева, С.Г. Бажайкина, A.B. Бакиева, Д.А. Виноградова, А.Г. Гумерова, K.M. Гумерова, В.Г. Загребельно-го, P.C. Зайнуллина, С.Б. Киченко, Н.Г. Пермякова, А.К. Ращепкина, B.C. Ромейко, А.Г. Сираева, М.М. Фаттахова и других.

В работе использованы данные о технологиях ремонта трубопроводов коммунальных хозяйств, численные методы исследования напряженного состояния и прочности оболочек, экспериментальные исследования физико-химических свойств материалов в различных агрессивных средах, положения теорий упругости, пластичности и прочности, стендовые и полевые испытания на технологичность методов ремонта и прочность восстановленных участков.

В процессе решения поставленных задач получены следующие результаты, представляющие научную новизну:

1. Разработана математическая модель гибкой внутренней оболочки трубопровода в зоне сквозных дефектов разных форм: кольцевой, продольной, круглой (компактной). Модель, основанная на методах конечных элементов, последовательных приближений и итераций, позволяет исследовать закономерности формирования напряженно-деформированного состояния и прочности гибкой оболочки под действием рабочего давления.

2. Установлены закономерности деформирования гибкой внутренней оболочки и формирования поля напряжений в зависимости от размеров труб и дефектов, физико-механических свойств и адгезии внутренней оболочки, рабочего давления в трубопроводе. Установлено, что: предельное состояние оболочки наступает по двум причинам: переход в неустойчивое состояние и достижение предельных значений деформаций; прочность оболочки приблизительно пропорциональна толщине стенки и пределу текучести оболочки, обратно пропорциональна размеру дефекта трубы.

3. Экспериментальными исследованиями установлено, что наиболее эффективна двухслойная оболочка, состоящая из защитной пленки из термопласта (поливинилхлорид или полиэтилен) и волокнистого армирующего материала (полиэфирное полотно или стеклоткань), пропитанного эпоксидной композицией "Эпофом-1С". Такая оболочка является в процессе ремонта технологичной, в процессе эксплуатации прочной и стойкой к воздействию всех сред, характерных для нефтегазопромысловых трубопроводов.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Путём анализа теоретических результатов найдена упрощённая расчётная схема для оценки прочности оболочки в трубопроводе. Данная схема и полученная на её основе формула позволяет решать ряд важных для практики задач: подбирать материалы для оболочки и определять допустимое рабочее давление после ремонта.

2. На основе анализа доступных на отечественном рынке полимерных материалов даны рекомендации по выбору конструкции рукава и подбору необходимых материалов в зависимости от транспортируемых сред и условий эксплуатации санируемых промысловых трубопроводов.

3. Результаты исследований легли в основу комплекса нормативно-технических документов, необходимых для изготовления оболочек и выполнения ремонтных работ на нефтегазопромысловых трубопроводах бестраншейным методом.

На защиту выносятся:

- математическая модель гибкой внутренней оболочки и численные результаты, полученные на её основе;

- закономерности формирования напряженно-деформированного состояния и прочности оболочки, введённой в трубопровод при его ремонте;

- результаты испытаний прочности оболочки и технологии её введения в трубопровод;

- результаты коррозионных испытаний оболочки в составе различных агрессивных сред;

- бестраншейная технология ремонта нефтегазопромысловых трубопроводов, использующая формирование внутренней защитной оболочки.

Автор выражает искреннюю благодарность: научному руководителю Гумерову K.M. и сотрудникам ГУП «ИПТЭР» РБ за помощь и критические замечания при разработке математического аппарата; профессору |Агапчеву В.И| и коллективу кафедры "Прикладная механика" УГНТУ за консультации по пластмассовым материалам в трубопроводном транспорте; коллективу ООО "Вектор" и его руководителю Загребельному В.Г. за помощь в организации испытании.

Заключение диссертации по теме «Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ», Алексеев, Алексей Викторович

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана математическая модель гибкой внутренней оболочки, находящейся под действием внутреннего давления в трубопроводе со сквозными дефектами разных форм: кольцевыми, продольными, компактными. Модель основана на методах конечных элементов, последовательных приближений и итераций, позволяет исследовать закономерности формирования напряженно-деформированного состояния и прочности изношенного трубопровода, восстановленного методом санации.

2. Установлены закономерности деформирования гибкой внутренней оболочки и формирования полей напряжений в зависимости от размеров труб и их дефектов, физико-механических свойств и адгезии внутренней оболочки, рабочего давления в трубопроводе. Установлено, что: предельное состояние оболочки наступает по двум причинам: вследствие перехода в неустойчивое состояние или достижения предельных значений деформаций. Прочность оболочки приблизительно пропорциональна толщине стенки и пределу текучести оболочки, обратно пропорциональна размеру дефекта трубы.

3. Путём анализа теоретических результатов найдена упрощённая расчётная схема для оценки прочности оболочки в трубопроводе. Данная схема и полученная на её основе формула позволяет решать ряд важных для практики задач: подбирать материалы для оболочки по механическим свойствам и определять допустимое рабочее давление после ремонта.

4. Экспериментальными исследованиями установлено, что наиболее эффективна двухслойная оболочка, состоящая из защитной пленки из термопласта (поливинилхлорид или полиэтилен) и волокнистого армирующего материала (полиэфирное полотно или стеклоткань), пропитанного эпоксидной композицией "Эпофом-1С". Такая оболочка является в процессе ремонта технологичной, в процессе эксплуатации прочной и стойкой к воздействию всех сред, характерных для нефтегазопромысловых трубопроводов.

5. Испытания показали, что применение рекомендованных материалов будет эффективным при ремонте нефтепромысловых трубопроводов методом санации и обеспечит получение необходимого эффекта, а именно: восстанавливает прочность и герметичность изношенных трубопроводов; обеспечивает антикоррозионную защиту материала труб от воздействия перекачиваемой среды; обеспечивает защиту внутренней поверхности труб от абразивного износа.

6. Результаты исследований легли в основу комплекса нормативно-технических документов (технических условий и инструкций), регламентирующих этапы изготовления оболочек и выполнения ремонтных работ на нефтегазопромысловых трубопроводах бестраншейным методом. Разработанные документы позволяют выполнять ремонт трубопроводов на недоступных и труднодоступных участках, таких как переходы через различные препятствия и сложные коммуникации, а также участки, проложенные методами микротоннелирования, наклонно-направленного бурения, подводные участки и другие.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Алексеев, Алексей Викторович, 2013 год

1. Агапчев В.И., Виноградов Д.А. Металлопластовые трубы перспектива транспорта нефтепродуктов // НТЖ "Нефтяное хозяйство". - 2005 - №2. -С. 106-107.

2. Агапчев В.И., Виноградов Д.А., Абдуллин В.М. Трубопроводные системы из композиционных материалов в нефтегазовом строительстве // НТЖ "Изв. Вузов. Нефть и газ". 2003. - С 91-95.

3. Агапчев В.И., Виноградов Д.А., Михайлов A.B., Мастобаев Ю.Б., Пермяков Н.Г., Стриковский Л.Л. Исследование работоспособности металлопла-стовых труб // Проблемы строительного комплекса России. Матер. IV Ме-ждунар. научн.-техн. конф. Уфа, 2000. С. 111.

4. Агапчев В.И., Виноградов Д.А., Фаттахов М.М. Бестраншейные технологии восстановления и сооружения трубопроводов. -Уфа: Изд-во УГНТУ, 2005.- 141 с.

5. Агапчев В.И., Пермяков Н.Г. Восстановление изношенных трубопроводов путем введения в них пластмассовых труб // Прикладная синергетика и проблемы безопасности. Сб. научн. трудов. Уфа: ГУП «Уфимский поли-графкомбинат», 2003. - С. 43-47.

6. Агапчев В.И., Ращепкин А.К., Фаттахов М.М. Восстановление трубопроводных систем бестраншейными технологиями // Надежность и безопасность магистрального трубопроводного транспорта. Матер. V Междунар. научн.-техн. конф. Новополоцк, 2006. - С. 81-83.

7. Агапчев В.И., Фаттахов М.М. Изменение пропускной способности трубопроводов, восстановленных пластмассовыми трубопроводами // Трубопроводный транспорт-2006. Тез. докл. Междунар. учеб.-научн. практ. конф. -Уфа: ДизайнПолиграфСервис, 2006. С. 9-10.

8. Агапчев В.И., Фаттахов М.М. Новые технико-экономические решения при восстановлении трубопроводов нефтегазовой инфраструктуры современными бестраншейными технологиями // НТЖ "Нефть и газ" Киев, 2005.-№ 7 - С. 66-70. - http://oil-gas.com.ua.

9. Агапчев В.И., Фаттахов М.М., Виноградов Д.А. Бестраншейные технологии в трубопроводном строительстве России // НТЖ "Нефть и газ" Киев, 2006. - № 7. - С. 72-74. - http://oil-gas.com.ua.

10. Агапчев В.И., Фаттахов М.М., Виноградов Д.А., Шамсиев Р.Ф. Развитие бестраншейных технологий при сооружении трубопроводных систем //

11. НТЖ "Нефтегазовое дело" Уфа: УГНТУ, 2006. - Том 4. - № 1. - С. 317321.

12. Алексеев A.B., Глухова О.В., Исламов А.Р., Сергеев С.М., Минкевич А.Б. Состояние и перспективы развития пластмассовых трубопроводов в России // НТЖ "Нефтегазовое дело" 2004. htth://www.ogbus.ru.

13. Алексеев A.B., Гумеров K.M., Сираев А.Г. Восстановление изношенных подземных трубопроводов бестраншейными методами // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. -2012.-Вып. 4 (90).-С. 107-113.

14. Безухов Н.И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести. М.: Высшая школа, 1968. - 512 с.

15. Бестраншейные технологии восстановление трубопроводов. Техническое описание. -М., СПб.: ООО "Вавин-Рус", wawin.ru.

16. Биргер И.А., Мавлютов P.P. Сопротивление материалов. М.: Наука. Гл. ред. физ. мат. лит., 1980. - 560 с.

17. Бобылев В.А. Состояние и перспективы развития эпоксидных материалов. Специальные смолы // НТЖ "Композитный мир". 2006. - №3. - С. 14-17.

18. Бобылев JI.M., Бобылев A.JI. Оборудование для бестраншейной прокладки коммуникаций / Российское Общество по Внедрению Бестраншейных Технологий (Некоммерческое партнерство «РОБТ»). 1996. -№1. - С. 11.

19. Виноградов Д.А., Фаттахов М.М., Сергеев С.М. и др. Моделирование процесса разрушения металлопластовых труб // НТЖ «Нефтегазовое дело»,-2006 Т. 4.-№ 1. http://www.ogbus.ru.34.