Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор методов ремонта подводных переходов 8
1.1 Методы ремонта подводных переходов с заменой трубы 8
1.2 Ремонт подводных переходов внутритрубиыми методами 10
1.3 Методы локального ремонта трубопроводов 16
1.4 Применение гофрированных оболочек для ремонта трубопроводов 19
Выводы но главе 21
Глава 2 Обоснование конструктивных решений и расчет основных параметров внутритрубных ремонтных элементов 22
2.1. Обоснование максимальной толщины стенки гильзы 22
2-2, Гидравлические потери при местном ремонте трубопроводов 26
2,3 Разработка методики расчета основных конструкционных параметров ремонтных гильз 30
2.3.1 Обоснование геометрических параметров 30
23.2 Определение межтрубного зазора для ремонтных гильз 37
2.3.3 Исследование деформации оболочки на «плоской модели сечения» 41
Выводы по главе 49
Глава 3. Герметизация стыков ремонтных оболочек внутритрубиыми гильзами 50
3.1.Технологические основы внутритрубной сварки 51
3.2 Физико-химические основы сварки полимерных материалов 52
3.4 Расчёт пороговых значений времени нагрева полиэтиленовых оболочек 55
3.5 Экспериментальное исследование режимов сварки закладными элементами 68
3.5.1. Методика экспериментальных исследований 68
3.5.2 Выбор критериев оптимизации и анализ влияющих факторов 72
3.5.3 Проверка воспроизводимости опытов 73
3.5.4 Проверка гипотезы нормального распределения 74
3.5.5 Планирование эксперимента и анализ данных 77
Выводы по главе 81
Глава 4. Разработка конструктивных решений и расчет основных параметров оборудования для ремонта трубопроводов внутренними гильзами 83
4.1. Состав ремонтного комплекса 83
4.2 Определение положения ремонтного оборудования во внутренней полости трубопровода 84
4.2.1 Расчет смещения ремонтного элемента при потере устойчивости штанги с центральным креплением 84
4,2.2, Расчет устойчивости штанг при креплении по нижней образующей трубы 89
4.3 Угловая ориентация ремонтного блока 97
4.4 Основы расчета силового блока ВРУ 108
4.5 Испытание рабочей модели силового блока 116
4.5 1. Устройство рабочей модели силового блока 116
4.5.2. Анализ работы модели силового блока по результатам деформации контрольных образцов 122
4.6 Влияние краевого эффекта на деформацию ВРУ . 129
Выводы по главе 134
Основные выводы по работе . 135
Список литературы
- Ремонт подводных переходов внутритрубиыми методами
- Гидравлические потери при местном ремонте трубопроводов
- Экспериментальное исследование режимов сварки закладными элементами
- Расчет смещения ремонтного элемента при потере устойчивости штанги с центральным креплением
Введение к работе
В последние годы, в связи с внедрением новых материалов и оборудования, существенно изменились основные конструктивные и технологические схемы прокладки новых магистралей, особенно в области сооружения подводных переходов. Это привело, соответственно, к аналогичным изменениям, как в структуре, так и в методах производства ремонтно-восстановительных работ. Сократилась область применения традиционных методов. Стали активно разрабатываться новые перспективные методы восстановления работоспособности магистрального и промыслового трубопроводного транспорта.
Решение задач, поставленных перед ремонтными организациями, по поддержанию требуемого уровня надежности трубопроводов возможно только на основе применения современной технологии и организации производства и внедрения высокоэффективных технических средств.
В последние годы зарубежными и отечественными фирмами активно внедряются принципиально новые технологии восстановления изношенных коммуникаций без проведения вскрышных работ по всей длине ремонтируемого участка, так как существующие традиционные технологии предусматривают проведение больших объемов земляных и демонтажно-монтажных работ, что значительно увеличивает сроки их выполнения и стоимость. Анализ тенденций развития методов ремонта показал, что ожидается рост потребности в локальных методах ремонта трубопроводов, основанных на новых технологиях и материалах.
Даная работа посвящена исследованиям, связанным с разработкой прогрессивных методов и оборудования в области внутритрубного ремонта.
Цель исследования.
Цель исследования состоит в создании новых технических средств для ремонта локальных дефектов трубопроводов с помощью внутритрубных ремонтных гильз.
Основные задачи исследования:
- получение экспериментальных геометрических форм внутритрубных ремонтных гильз. Обоснование и расчет их основных технологических параметров;
- определение положения ремонтного оборудования во внутренней полости трубопровода при различных схемах крепления направляющих штанг;
- обоснование условий и определение режимов получения сварных соединений с помощью внутренних закладных элементов;
- разработка основных конструктивных решений технических средств для ремонта трубопроводов внутритрубными гильзами.
Методы исследований.
При выполнении работы использовались экспериментальные и теоретические методы исследований, в частности, методы математического анализа, классические положения теории теплопереноса, методы теории планирования центральных композиционных планов с последующей обработкой полученной информации методами математической статистики, а также методы регрессионного анализа данных, осуществляемые с использованием программного комплекса Statistica.
Научная новизна.
L Обоснованы и экспериментально подтверждены схемы нагрузки оболочки, при которых формируется гофрированная гильза, имеющая технологически необходимый внешний диаметр. Получено распределение напряжений по контуру оболочки, определены зоны упругих и пластических деформаций. Разработана методика расчета основных параметров внутритрубных ремонтных гильз.
2. Получены аналитические выражения для определения пороговых значений времени нагрева полиэтиленовых оболочек, в зависимости от их геометрических параметров и заданного теплового потока,
3. Экспериментально получены аналитические зависимости прочности соединения полиэтиленовых образцов (ПЭ-80) от режимов нагрева и конструкционных параметров закладных элементов,
4. Установлено, что при положении направляющих штанг по нижней образующей трубопровода существуют оптимальные соотношения диаметров полых штанг, при которых критическая длина потери устойчивости имеет выраженный максимум, слабо зависящий от диаметра ремонтируемой трубы.
Практическая ценность.
Результаты выполненных автором исследований позволяют проводить расчеты основных конструктивных и технологических параметров оборудования для внутритрубного ремонта. Разработаны практические рекомендации для строительных и ремонтных организаций по устранению локальных дефектов на основе применения внутритрубных гильз.
Апробация работы.
Основные положения работы были представлены на: научно-практической конференции «Проблемы эксплуатации транспортных систем в суровых условиях» в 2001г., на региональной конференции «Молодые ученые в решении проблем АПК» в 2003 г., региональной научно-практической конференции «Нефть и газ. Новые технологии в системах транспорта» в 2004г., расширенном заседании кафедры общетехнических дисциплин Тюменской государственной сельскохозяйственной академии в 2005г., на научно-техническом семинаре Тюменского государственного нефтегазового университета в 2005 г.
Публикации.
По теме диссертации опубликоваио 10 работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, основных выводов, 3 приложений и списка использованной литературы» включающего 105 наименований» Работа изложена на 144 страницах, содержит 17 таблиц и 84 рисунка
Ремонт подводных переходов внутритрубиыми методами
Кроме указанных в п. 1.1 методов ремонта подводных переходов, связанных с демонтажем старого и строительством нового трубопровода, существует группа методов внутритрубного ремонта, позволяющих восстановить подводный переход без замены существующего трубопровода [7, 8, 11, 12, 19]. Это, прежде всего, методы внутритрубного ремонта (или бестраншейные методы), К ним относятся:
- метод введения в ремонтируемый трубопровод пропитанных смолами гибких рукавов с последующей их вулканизацией после подачи в рукав пара или горячей воды (метод CIPP, известный в России как метод «чулка»);
- метод протаскивания ремонтного трубопровода меньшего диаметра внутри существующего трубопровода с последующим заполнением зазора между старым и новым трубопроводом строительным раствором (метод SHpHntng).
- метод «разрушения», когда существующий трубопровод разрушается ударным или режущим инструментом и при этом одновременно за разрушающей головкой по образовавшейся скважине затягивается новый трубопровод равного или большего диаметра;
- методы, основанные на нанесении различных видов химических покрытий на внутреннюю поверхность существующего трубопровода; - метод тролайнинг.
Технологическая схема производства работ по бестраншейным методам ремонта, предлагаемая фирмами следующая: обследование состояния ремонтируемых трубопроводов с помощью запускаемых в них инспекционных снарядов; анализ материалов обследования с составлением расчетов и принятие решения по методу восстановления трубопроводов; заготовка ремонтных материалов; подготовительные работы на стро ІЗ площадках; выполнение ремонтных работ; испытание отремонтированного трубопровода и сдача его заказчику.
Немецкая фирма Prcussag разработала технологию санации изношенных трубопроводов полиэтиленовыми трубами без уменьшения сечения (метод CIPP), основанную на использовании тканево-полиэтиленового шланга (рукава) и специального оборудования, смонтированного в кузове грузового автомобиля.
Внутренняя поверхность изношенного трубопровода тщательно очищается до металлического блеска специальными устройствами. Рукав-оболочка (расчетный отрезок) перед вводом в трубопровод пропитывается дозированным количеством эпоксидного клея по всей длине прокаткой через вальцевый аппарат. После этого рукав сворачивается в рулон и помещается в подающий бункер, снабженный выпускным патрубком, на котором закрепляется начальный конец рукава. Конец рукава раскрывается и выворачивается для закрепления на подающем патрубке. В подающий бункер нагнетается воздух и под его давлением рукав начинает выворачиваться и выходить из бункера. Вытесняемый рукав подводится оператором к открытому трубопроводу и соосно с ним ориентируется. Далее под действием внутреннего давления оболочка как бы вдувается в санируемый трубопровод вплоть до выхода на другом его конце. Затем санируемый трубопровод пропаривается в течение 3-—4 ч для полного отвердения клея.
Преимуществами этого метода являются сохранение диаметра изношенного трубопровода и высокое качество отремонтированного трубопровода, срок службы которого достигает 50 лет. К недостаткам следует отнести большую трудоемкость и высокую стоимость работ. Эту технологию начали применять и в России, для чего в ноябре 1996 г. было создано российско-германское совместное предприятие «Руспройсгаз» по санированию трубопроводов диаметром от 200 до 600 мм тканево-полиэтиленовым шлангом «Феникс» [11].
В последние 10-15 лет во всем мире стала широко внедряться технология замены изношенных трубопроводов полиэтиленовыми трубами с помощью пневмопробойников. Технология состоит в следующем. Пневмопробойник, снабженный специальной насадкой, проходя по изношенной трубе, разрушает ее и вдавливает обломки трубы в грунт, одновременно образуя скважину диаметром, больше диаметра старой трубы, в которую затягивается полиэтиленовая труба [11].
Гидравлические потери при местном ремонте трубопроводов
В рамках разрабатываемой технологии и оборудования для внутритрубного ремонта, предлагается использовать конструкции ремонтных гильз, с гофрированной боковой поверхностью (рис, 2,4).
В процессе монтажа стенки таких гофр деформируются не на растяжение, как в случае деформации ремонтных гильз фирмы Link-Pipe, а на изгиб, что снижает остаточные напряжения в слое герметика и повышает герметичность конструкции. Геометрические размеры и форму предлагаемых гильз можно подобрать таким образом, чтобы после ее деформации оставался небольшой натяг в сторону стенки ремонтируемой трубы, что обеспечивает дополнительное поджатие слоя герметика и увеличение герметичности конструкции. В «транспортном» положении, когда гильза перемещается по внутреннему пространству ремонтируемого трубопровода, гофрообразные конструкции имеют значительно меньший диаметр, чем проходное сечение трубопровода» Это обеспечивает проход по участкам меньшего радиуса кривизны.
Гофрировать оболочку можно с таким расчетом, чтобы при гофрировании были достигнуты пластические деформации» При этом возможна геометрия гофр с одинаковой кривизной (рис. 2-4 а), геометрия -когда одни участки оболочки гофрированы по окружностям, а другие повторяют форму описанной окружности (рис. 2.4 б), И третий вариант -деформация, когда с помощью точечного приложения нагрузки формируется геометрия гофры под влиянием упругих и пластических деформаций (рис, 2.4 в).
Заготовкой для металлической оболочки гильзы может служить металлический лист или цилиндрическая обечайка.
Определим максимально допустимый радиус изгиба гофры в зависимости от толщины листа-заготовки (рис.2.5).
При изгибе пластины длина се средних слоев не изменяется. Поэтому длина дуги ABC, расположенная на окружности диаметром d равняется длине пластины до ее изгиба.
В процессе деформации пластины, как показано на рис. 2.5, внутренние (по отношению к центру изгиба) слои сжимаются, а наружные — растягиваются. Если записать относительную деформацию Є\ для внутренних слоев (она будет равна относительной деформации для наружных слоев), то получим следующее выражение ., = -5 -100 ..00% (2.17) ABC d Єї - относительная деформация граничных слоев пластины; и ЛВС- длина дуги ABC; А І С -длинадуги A"B"Cf; d — диаметр средней окружности; da,i — диаметр окружности внутренних слоев. Так как S = d-dm (2.18) где 5 — толщина пластины, то выражение (2.17) примет вид ,=--100% (2-19) d
Если задать максимальную деформацию, при которой материал работает в зоне упругого изгиба или исходя из предела прочности материала, равной 6 %, то минимально допустимый радиус изгиба пластины dmin:
Рассмотрим связь между геометрическими размерами оболочки и ее допустимой деформацией. Для этого составим следующую расчетную схему (рис. 2.8). диаметр изгиба 1 зоны; 0, Ог, 03 - центры окружностей изгиба; Д прогиб гофры относительно окружности DO; DO — диаметр окружности на которой располагается средняя линия 2 зоны; Dp - диаметр расположения центров окружностей изгиба.
Определим длину участка ABCDE=Lg, которая равна сумме длин дуг АВ, BD и DE, причем АВ = DE, поэтому можем записать u и w TT d тг-d ж-d L =AB+BD+DE = 2- --p + -r = -(2-Р + У) (2.21) 180 и 180 ! 180 y и !/ K } Рассмотрим треугольник C OiO, в котором 02Oi=d, OiO-Dp/2, a 020 D0/2+d/2-A. Определим угол у. По теореме косинусов для указанного треугольника 0,0і = 0202,+Q202 -2-0,0, -0: 3-cos (2.22) или (DA2 I2 (DO + d V n (D0 + d Л у ,_ч =d2-h Л\ -2-d- A -cos- (2,23) 2J \2 ) \2 )2 Т.к. Dp= D0-d3 то выражение (3) примет вид Гофра с максимально возможным прогибом Максимальное число гофр также ограничено и должно быть меньше, чем 360/а. Если задать допустимую et относительную деформацию материала металлического слоя гильзы, то зная St DO можно определить є2 (относительное увеличение диаметра средней линии гильзы), а также конечный диаметр гильзы в «расправленном состоянии»,
Определение межтрубного зазора для ремонтных гильз Межтрубный зазор при трансформации гофрированной оболочки из начального состояния, характеризуемого радиусом описанной окружности КцУ в конечное с радиусом RK определяется изменением длины оболочки AL, Как показывают расчёты, изменение радиуса окружности RK=h при увеличении её длины на величину AL не зависит от радиуса и определяется только изменением длины окружности (2,39)
Экспериментальное исследование режимов сварки закладными элементами
Методика экспериментальных исследований Целью проведения данного эксперимента являлось определение оптимальных режимов сварки исходя из условия максимальной прочности сварного соединения 69
Испытания проводились на образцах, изготовленных из полиэтиленовых труб (ПЭ80). Трубы предназначены для транспортировки природного газа и имеют соответствующую маркировку (ПЭ80 ГАЗ SDR11 225 20,5 ГОСТ Р 50838-95). Производитель ЗАО «Завод АНД Газтрубпласт», Россия. В соответствии с сертификатом № РоссЛіиАЯ 02.В 15563 трубы были изготовлены в феврале 2000 г. из сырья F3802B ОАО «Ставропольполимер», как серийный выпуск.
Образцы 4 и 7 (рис. 3.12) устанавливались с определенным зазором между собой на стальную пластину 2, а затем помещались на поверхность нагревателя и выдерживались при постоянном давлении 90 Н/см2 (в зоне контакта стальной пластины и пластмассовых образцов) в течении 5 минут. 1-гидроцилиндр; 2- направляющие шпильки; 3- подвижная плита; 4,7-полиэтиленовые образцы; 5-металличсекий элемент; 6- шток; 8-нагреватель; 9 -неподвижные плиты
В это время к металлической пластине подводился поток теплоты Q от нагревателя (рис. 3.13)
Согласно [3] для одного и того же материала могут выполняться разные закономерности деформирования в зависимости от условий хранения, изготовления испытуемого образца, определяющие неоднородность его структуры. Такая неопределенность устраняется при исходном состоянии структуры, получаемой термической обработкой - нормализацией. Поэтому перед сваркой образцы выдерживались в печи при температуре 70 С в течении 2 часов.
Как показывает практика сварки полимеров, качество сварного соединения определяют: температура нагрева, время нагрева и давление первоначального контакта деталей с нагревателем.
После достижения необходимой глубины проплавлення, т, е. перевода слоя определенной толщины на поверхности полимера в текучее состояние, производится его осадка под давлением на заданную величину. При осадке происходит частичное вытеснение расплава в грат из зоны контакта металлического элемента с полимерными образцами, В процессе сварки осадка идет до тех пор, пока давление, прикладываемое к металлическому элементу, не уравняется с напряжением сдвига вытесняемого в грат расплава. Для герметичности соединения необходимо обеспечить вытеснение полимера в зазор между полиэтиленовыми образцами. Для этого необходимо при данной вязкости расплава и давлении обеспечить определенную глубину проплавлення [2],
Как оказалось, при данном способе сварки полиэтиленовых образцов на качество соединения влияют не только выше перечисленные факторы, но и первоначальное расстояние с между образцами. Это связано с тем, что прочность соединения обусловлена двумя составляющими - адгезией металлического элемента к полиэтилену, а также сваркой валиков грата, выдавливаемого в зазор с между образцами. При слишком малом зазоре расплав, выдавливаемый металлическим элементом, не заполняет все пространство между торцами полиэтиленовых образцов (по-видимому, из-за сил поверхностного натяжения и быстрого охлаждения, за счет отдачи тепла торцевым поверхностям пластмассовых образцов), что ведет к «непровару» (рис. ЗЛ4, а),
Слишком большой зазор с также отрицательно влияет на качество сварного соединения (рис. ЗД4,б), т.к. выдавливаемые стальной пластиной валики расплавленного полиэтилена не входят в контакт и не образуют диффузионного соединения .между собой.
Характер зависимости качества сварного соединения от величины зазора между полиэтиленовыми образцами и температуры нагрева установлен экспериментальным путем. За критерий качества сварных соединений, полученных предлагаемым способом (рис.3.12) было принято усилие, при котором наблюдалось разрушение. Испытания на разрыв (рис. 3.15) проводились на разрывной машине ЗИП Р-10 при скорости деформации, не превышающей 50 мм/мин и температуре образцов 18 С.
Схема испытания на разрыв сваренных образцов Испытания на прочность проводились на разрывной машине ЗИП Р-10 при скорости деформации 50 мм/мин и температуре 18 С (после выдержки образцов в течении 24 часов при комнатной температуре).
В качестве критерия оптимизации было принято максимальное усилие, зарегистрированное до разрушения образцов,
В следствии того, что согласно абсорбционной теории, смачивание является обязательным условием образования адгезионного соединения, а полиэтилен переходит в вязкотекучее состояние при 130 С, то нижним пределом варьирования температуры была задана температура, равная 140 С. При температуре 270 С происходит термодеструкция полимера, поэтому верхний предел был установлен на уровне 200 С.
При назначении уровней варьирования второго фактора (зазора между образцами) были учтены результаты, полученные в ходе предварительного эксперимента, который показал, что уже при расстоянии, равном 22-25 мм, валики грата, выдавливаемые в зазор, не соприкасаются между собой. Поэтому не происходит герметизации стыка. Вследствие этого, наибольшую величину зазора между образцами в ходе эксперимента не превышали более 20 мм (фактически не более 16 мм). Наименьший зазор был равен 0 мм.
Расчет смещения ремонтного элемента при потере устойчивости штанги с центральным креплением
Наиболее просты и технологичны шарнирно-рычажные и клиновые многоплунжерные центрирующие механизмы.
Шарнирно-рычажный многоплунжерный механизм (рис. 4Л 8) позволяет реализовать значительное усилие. Усилие разжатия изменяется в зависимости от угла наклона рычага. Такой механизм имеет две модификации: со встречным движением цилиндров и с поворотной планшайбой.
Суммарная сила, развиваемая идеальным механизмом: W =Q сулшд tga (4.45)
Следовательно, идеальный механизм при а - О развивает силу Wud- to. Силу, развиваемую реальным механизмом с плунжерами, можно найти по формуле: где Q — исходная сила; q — сила сопротивления пружин; а — длина направляющей плунжера; /-расстояние от оси шарнира до середины направляющей плунжера; а — угол наклона рычага; 1$ - дополнительный угол к углу наклона а, которым учитывают потери, на трения в шарнирах; sinP =—f;p = arcsinf--, (4.47) f- коэффициент трения; L- расстояние между осями отверстий рычага; tg p2 — коэффициент трения скольжения в двухопорном (неперекошенном плунжере) /gp2 0TL W W =- -, (4.48) где п - число плунжеров»
Одним из слабейших конструктивных элементов шарнирно-рычажной схемы является соединение оси с плунжером и рычагом. Несущая способность плунжера зависит от размеров площадки контакта, т.е. геометрических размеров оси. Контактные напряжения в общем случае зависят от диаметра отверстия D и диаметра оси d . На практике такое цилиндрическое сочленение выполняется с большой точностью, поэтому напряжение можно вычислить по упрощенной формуле: W = -- (4,49) где S=dli - площадь контакта; її - длина площадки контакта» Давление максимально по средней линии площадки [5], а кои .max = \,21-(7 \ т 1 кон L кон J (4.50)
При использовании конструкций шарнирно-рычажных механизмов нужно помнить, что свойствами самоторможения они не обладают. Клиновые многоплунжерные центрирующие механизмы (рис.4 Л 9) позволяют реализовывать постоянные усилия при постоянном угле клина, т. е. усилие не зависит от хода плунжеров.
Рис, 4.19 Клиновой многоплунжерный центрирующий механизм Клиновые центрирующие механизмы имеют две основные разновидности: с многоскосым клином и с конусом. В связи с возникновением на роликах и клине больших контактных давлений, они ограничены в передаче усилия разжатия. Суммарная сила идеального клинового механизма так же, как и шарнирно-рычажного (4.51) W =о сум.ыд tga а - угол скоса.
В реальном механизме, если все плунжеры расположены вокруг многоскосого клина и, равномерно сжимая его, не передают давление на его опорную поверхность, сила зажима: УУсум Ш 4J tg(a + tp) С4"Ь2) где р — угол трения; tgtp = f;p = arctgf, (4.53) где/— коэффициент трения скольжения; tg(p2np - приведенный угол трения плунжеров; tg PinP= tg p2, (4.54) ig pz - коэффициент трения скольжения двухопорного (неперекошенного плунжера). При наличии на наклонных поверхностях роликов, вместо (р в формулу следует подставлять ipnp tg P p = tg p-R P»P = arcig p— (4.55) Dr"p отО где d- диаметр оси; D- диаметр ролика. W =- -. (4.56)
Свойствами самоторможения такие механизмы обладают при углах скоса ог 10,
Несущую способность клиновых механизмов определяют по величине контактных напряжений между роликом и клином. Напряжения на площадке соприкосновения распределяются по закону эллипсоида. Наибольшие напряжения в центре эллипса касания в общем случае можно выразить по формуле [6]:
Похожие диссертации на Совершенствование технических средств для внутритрубного ремонта трубопроводов
