Содержание к диссертации
Введение
РАЗДЕЛ 1. Анализ состояния системы магистральных трубопроводов 7
1.1. Анализ возрастной структуры магистральных трубопроводов 7
1.2. Классификация отказов магистральных трубопроводов и анализ причин их возникновения 9
1.3. Классификация локальных дефектов стенки трубопровода 13
1.4. Анализ видов ремонта локальных дефектов стенки трубопровода 17
Выводы по разделу 1 25
РАЗДЕЛ 2. Разработка метода электролитно-плазменной очистки наружной поверхности магистрального трубопровода 26
2.1. Анализ и классификация существующих способов очистки участков магистрального трубопровода 26
2.2. Разработка электролитно-плазменного метода очистки поверхности магистрального трубопровода 30
2.2.1. Основные закономерности электролитно-плазменного разряда. 30
2.2.2. Очистка поверхности трубопроводов электролитно-плазменной обработкой 35
2.3. Вольт-амперные характеристики процесса 39
2.3.1. Вольт-температурные характеристики процесса 45
2.3.2. Модификация поверхности металла 50
Выводы по разделу ii 56
РАЗДЕЛ 3. Разработка метода ремонта дефектов элементов и детали трубопровода 57
3.1. Принципиальная схема компоновки оборудования для очистки и ремонта стеки трубопровода 57
3.2. Технологический процесс выполнения работ по ремонту локального дефекта стенки магистрального трубопровода 61
3.3. Восстановление поверхности элементов трубопровода методом железнения 63
3.4. Экспериментальные исследования 73
3.5. Выбор параметров режима восстановления работоспособности трубопровода методом электролитного железнения 77
3.6. Адгезионные свойства осаждаемого покрытия 85
3.7. Механические свойства восстановленного дефекта 87
Выводы разделу iii 91
Основные выводы по работе 92
Список литературы
- Классификация отказов магистральных трубопроводов и анализ причин их возникновения
- Анализ видов ремонта локальных дефектов стенки трубопровода
- Разработка электролитно-плазменного метода очистки поверхности магистрального трубопровода
- Технологический процесс выполнения работ по ремонту локального дефекта стенки магистрального трубопровода
Введение к работе
Актуальность темы. Трубопроводный транспорт является одним из наиболее развитых видов транспорта жидких и газообразных углеводородов. Существующая система магистральных трубопроводов обеспечивает транспорт нефти и газа потребителям России, странам СНГ и Западной Европы. Безопасная эксплуатация трубопроводных систем зависит от множества факторов, основным из которых является своевременное и качественное проведение различного вида ремонтов. Трубопроводные системы стареют, и задачу обеспечения высоконадежного и безопасного транспорта углеводородов в условиях дефицита финансовых и материальных ресурсов может быть эффективно достигнута только за счет перехода на выборочные методы ремонта.
Существующие технологии выборочного ремонта локальных участков трубопровода предусматривают проведения большого объема работ, что значительно увеличивает сроки выполнения и их стоимость. Технико-экономические показатели проведения выборочного ремонта трубопровода ещё более ухудшаются в зимний период, особенно в условиях Западной Сибири.
Таким образом, разработка современного метода выборочного ремонта, для увеличения срока службы элементов и деталей трубопроводов путем восстановления прочности металла, является актуальной задачей.
Состояние изученности вопросов темы. Вопросами изучения физических характеристик электролитно-плазменного разряда при очистке, сварке и упрочнении металлов занимались ученые В.Н. Дураджи, Б.Р. Лазаренко, В.Д. Сапрыкин, Д.И. Словецкий, С.Д. Терентьев, В.Г. Плеханов, И.З. Ясногор-ский. Электролитическим осаждением железа в электролитах для ремонта деталей занимались ученые В.А. Бабенко, И.М. Ковенский, А.А. Милушкин, М.П. Мелков, М.П. Панкратов, Ю.Н. Петров, С.Н. Стоиков, В.А. Шадричев, на результаты работ которых основывался автор в своих исследованиях.
5 Целью работы является разработка метода восстановления дефектной
стенки трубопровода на основе восстановления структуры металла с помощью электролитического железнения.
Основными задачами исследования являлись:
сравнительный анализ методов восстановления работоспособности магистральных трубопроводов;
анализ существующих способов очистки поверхности трубопровода для последующего восстановления структуры металла;
исследовать метод электролитического железнения для ликвидации локальных дефектов трубопровода;
— исследовать прочность отремонтированного трубопровода.
Методика исследования. Поставленные задачи решались путем про
ведения теоретических и экспериментальных исследований.
Теоретические и экспериментальные исследования основаны на теории электрохимических процессов. Научная новизна работы.
Назначены рабочие параметры технологических режимов очистки и электролитического железнения дефектной стенки трубопровода;
Разработан режимный алгоритм управления процессом восстановления дефектов стенки трубопровода;
Получены физические зависимости параметров электролитно-плазменной обработки трубопровода для обеспечения надежности восстановленной стенки методом электролитического железнения.
Получены расчетные зависимости максимально допустимого давления трубопровода от величины отремонтированного дефекта методом электролитического железнения.
Практическая ценность работы. Результаты проведенных исследований рекомендуется использовать при проектировании и производстве строительно-монтажных работ по ремонту локальных дефектов стенки трубопровода. Рекомендуется использовать в курсах обучения студентов по
специальности:- «Проектирование, сооружение и эксплуатация газонефтепроводов, баз и хранилищ».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на: расширенных заседаниях кафедры «СиРНГО» ТюмГНГУ в 2003-2004г.г.; 4-ой региональной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых ТюмГНГУ (Тюмень, 2005г.), III Международной научно-технической конференции «Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении» ТюмГНГУ (Тюмень, 2005г.), на VI научно-технической конференции молодежи ОАО «АК «Транснефть» (Тюмень, 2005г.).
Публикации и личный вклад автора. По результатам исследований опубликовано 14 печатных работ, в том числе 8 статей, 6 тезисов докладов.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 3 разделов, выводов и предложения. Работа изложена на 117 страницах и содержит 36 таблиц, 31 рисунков и список литературы из 151 наименования.
Классификация отказов магистральных трубопроводов и анализ причин их возникновения
В начале 90-х годов случаи аварий, разрушений, катастроф на магистральных трубопроводах, как и других промышленных объектах, рассматривались как совершенно неожиданные, случайные явления, находясь в одном ряду с природными катаклизмами. Поскольку природные катаклизмы невозможно избежать и надежно предсказывать, то считалось, что технические катаклизмы также невозможно избежать и предсказывать. К концу 90-х годов XX века техногенные катастрофы, аварии, разрушения участились настолько, что общая картина стала обретать другое качество. Стало понятно, что необходимо создавать специальную систему предупреждения техногенных катастроф и аварий на опасных производственных объектах, в число которых входят трубопроводы. Вместе с этим появилось понятие «промышленная безопасность» - состояние защищенности жизненно важных интересов личности и общества от аварий на опасных производственных объектах и последствий указанных аварий. Таким образом, данное понятие включает две составляющие: защищенность от аварий и защищенность от последствий аварий. Из них только первая составляющая определяется техническим состоянием и условиями эксплуатации трубопроводов.
Защищенность от аварий количественно можно выразить через механическую надежность (вероятность безаварийной эксплуатации) трубопровода, которая, в свою очередь, напрямую зависит от вероятности аварий. С этой целью необходимо проанализировать причины аварий и механизмы разрушения трубопроводов.
В таблице 1.3 представлены результаты оценки технического состояния линейной части магистральных трубопроводов, полученные с использованием различных диагностических методов.
На основании этого можно заключить, что необходимо широкомас штабное внедрение внутритрубной дефектоскопии, которое приведет к росту объемов выборочного ремонта и снижению аварийности на МТ.
Отказом называется нарушение работоспособности линейной части трубопровода вследствие недопустимого изменения его параметров или свойств под влиянием физико-химических процессов и внешних механиче-ских, климатических и иных воздействий, приводящих к необходимости остановки работы участка магистрального трубопровода для восстановления его заданных параметров и функций, перебоям в поставке продукта, а также загрязнению окружающей среды.
Существует несколько способов классификации отказов: 1. Классификация по периодам строительства трубопроводов [29]. 2. Классификация по признакам отказов. Под признаками отказов понимается вид отклонения от рабочих параметров или дефекта, по причине которого произошел отказ [50]. 3. Классификация по длине трубопровода в процессе эксплуатации [59]. 4. Классификация по сроку службы трубопровода. 5. Классификация по характеру проявления отказа [84].
В процессе эксплуатации под действием циклических нагрузок, возникающих из-за перепадов избыточного рабочего давления и температуры транспортируемого продукта, стальная оболочка трубопровода испытывает напряжения, близкие к нормативным характеристикам прочности металла труб. Поэтому по виду напряжений в стенке трубы во время эксплуатации, можно разделить на отказы, связанные с действием продольных напряжений, обусловленных переменой температуры перекачки (27%) и на отказы, связанные от действия кольцевых напряжений (13%) и прочие. [97]
Результаты анализа аварий на магистральных трубопроводах и исследования аварийных катушек показывают, что размеры разрушения труб нефтепроводов в длину не превышают 3-5 диаметров труб. На газопроводах разрушение может распространяться на десятки и сотни метров.
Разрушения в длину (трещина распространяется по длине трубы) всегда происходят от дефектов и под действием внутреннего давления. Такие разрушения происходят внезапно при эксплуатации под действием рабочих давлений, а также при гидроударах и гидроиспытаниях.
На продольных сварных швах разрушение обычно происходит по следующему механизму: на сварочном дефекте (непровар, прожог, смещение кромок и т.д.) от перепадов давления происходит накопление повреждений, зарождение и рост магистральной трещины, разрыв трубы с выходом трещины в основной металл.
Разрушения по кольцевому (монтажному) шву происходят, как правило, когда допущены грубые дефекты сварки: непровары в сочетании с грубой подготовкой кромок под сварку. Эти дефекты плохо проявляются при гидроиспытаниях и методами внутритрубной диагностики. Разрушения происходят от перегрузок в осевом направлении, причинами которых, как правило, бывают температурные напряжения, изменения в грунте, технологические операции капитального ремонта.
Усталостно-механические свищи - результат развития усталостных трещин от механических и сварочных дефектов на стенке трубы. Это - наи более опасные свищи - результат первого этапа усталостного разрушения трубы. Дальнейший рост трещины приводит ко второму этапу разрушения ускоренному раскрытию трубы и аварии.
Анализ видов ремонта локальных дефектов стенки трубопровода
Очистка — это процесс удаления с наружной поверхности трубопровода продуктов различной природы происхождения, образовавшихся в процессе эксплуатации. Очистку производят непосредственно перед проведением тех-нологических операций связанных с ремонтом трубопровода [19].
Очищенная поверхность должна соответствовать определенным требованиям, которые регламентированы нормативно - технической документацией. Главными требованиями являются: адгезия и шероховатость поверхности металла трубы, кроме того, материал должен сохранить свои свойства и параметры после очистки [28].
Существует множество способов очистки наружной поверхности трубопровода. Различие состоит, как в механизме, так и в методах разрушения структуры продуктов загрязнения. Большинство методов разработано для подготовки поверхности к технологическим операциям по сооружению трубопровода или капитальному ремонту с заменой изоляционного покрытия. Цель такой очистки заключается в образовании на поверхности металла определенной шероховатости для создания максимальной адгезии нового изоляционного покрытия к трубе. Поэтому производится грубая очистка, заклю чающаяся в удалении старого изоляционного покрытия и частично продуктов коррозионного разрушения.
Результаты проведенного анализа позволили провести классификацию методов очистки поверхности трубопровода, которая представлена на рисунке 2.1.
Все существующие методы очистки разделяются на предварительную или грубую и окончательную или финишную. Предварительная заключается в основном в снятии старого изоляционного покрытия и загрязнения с трубопровода, финишная обработка подготавливает поверхность с точки зрения адгезии. Не всегда производится последовательная обработка, включающая оба этапа, в некоторых случаях достаточно только грубой очистки, например при демонтаже трубопровода, кроме того, существуют прогрессивные методы, которые производят предварительную и финишную очистку одновременно, что ведет к сокращению время производства работ и снижению себестоимости.
В основу механических способов очистки заложен принцип разрушения структуры отложений, продуктов коррозии, материалов посредствам воздействия резцов, щеток и абразива. Разработано множество механизмов обеспечивающих очистку наружных поверхностей трубопровода. Механические способы наиболее адаптированы к работе в полевых условиях. На сегодняшний день именно эти способы применяются для очистки трубопроводов. Главными недостатками данного метода является низкое качество обработки очищаемой поверхности, особенно от продуктов коррозии, нарушение структуры металла после очистки. Скрытые коррозионные полости и микротрещины просто заклёпываются, создавая видимость полной очистки поверхности. Кроме того, механические способы производятся оборудованием, имеющим большие габаритные размеры и требующим точной настройки исключающей повреждение стенки трубы, поэтому их применяют при производстве больших объемов работ.
Химический способ очистки труб заключается в разрушении отложений на поверхности металла путем растворении с помощью химических реагентов. Обработку производят в специальных ваннах. В качестве разновидности химической очистки можно выделить электрохимический способ очистки (катодная и анодная поляризация). Данные методы, в системе трубопроводного транспорта, находят большое применение при очистке элементов перекачивающих агрегатов, но не является приоритетным при обработке наружной поверхности трубопровода, особенно в полевых условиях, из-за больших габаритов очистных устройств, и большого расхода реагента. Кроме того, из-за невозможности контроля протекания процесса, в данном случае трещины и механические повреждения забиваются продуктами химической реакции.
Гидравлические методы очистки подразумевают очистку поверхности путем смыва отложений и продуктов посредством течения жидкости. При очистки наружной поверхности жидкость подают под высоким давлением от 12,5 до 25 МПа. В некоторых случаях в жидкость добавляют реагент образующий кристаллическую фазу, используемую в качестве абразива.
Эти методы применяются при очистке газопроводов и продуктопрово-дов, где установлены жесткие рамки использования способов опасных с точки зрения противопожарной безопасности. Они отвечают требованиям грубой или предварительной очистки трубопровода.
Главным недостатком является низкий уровень очистки, кроме того, остатки воды остаются в микротрещинах и порах и способствуют развитию коррозионных разрушений в процессе дальнейшей эксплуатации.
Термические способы очистки применяются при подготовке наружной поверхности трубопровода и подразумевают разрушения старого покрытия пламенем, которое образуется при горении различного вида топлив с образованием кокса или беспламенными методами, при котором обработка происходит разогретыми продуктами горения, получаемыми в отдельной камере сгорания. Очистка трубопроводов открытым пламенем имеет множество недостатков и в настоящее время не применяется.
Разработка электролитно-плазменного метода очистки поверхности магистрального трубопровода
Явление нагрева металлических электродов до высоких температур при пропускании электрического тока повышенной плотности через электролиты было обнаружено еще в 19 веке [127].
Начиная с сороковых годов 20-го века, нагрев металлов в электролите стал широко применяться для горячей механической и термической обработки металлов и сплавов [16, 41, 67, 86, 87, 118, 144, 145]. Были выполнены исследования процессов при протекании тока через электролит при наличии парогазовой оболочки и нагрева электродов, а так же разрядов между металлическим и электролитным электродами в воздухе [148, 149, 150, 3, 7, 12, 39]. Однако, несмотря на достигнутое практическое использование и значительное число работ, посвященных исследованию плазменно-электролитного нагрева, до настоящего времени нет единого мнения о механизме нагрева металлических электродов. Дело в том, что нагрев до высоких температур наблюдается не всегда, а лишь при определенного типах и определенных концентрациях электролитов. Чаще нагрев наблюдается на катоде, хотя и на аноде осуществляется нагрев [41, 63, 66, 67]. Существуют такие режимы, когда вокруг электрода образуется сплошная газовая оболочка, тем не менее, нагрев его не происходит. Температура нагрева электрода заметно изменяется при сравнительно небольших изменениях состава электролита. Все эти явления не находят объяснения и в литературе практически не обсуждаются.
Для понимания механизма происходящих явлений необходимо определить тип разряда, механизм проводимости через оболочку, ее состав. Поскольку процесс при активном катоде имеет большее практическое значение, составу газовой фазы, в частности, присутствию и значению водорода в оболочке придается большое значение. Так, например, ряд исследователей [33, 144, 145,] считает присутствие водорода в оболочке необходимым условием обеспечения высокотемпературного нагрева, но полученный нагрев анода [3, 16, 60, 63, 66,], а так же нагрев электрода в расплаве солей, где водород отсутствует, но примерно при тех же электрических параметрах, что и в растворах [17], вызывают сомнение о значении водорода для обеспечения нагрева активного электрода. Спектральными исследованиями, проведенными рядом авторов [147, 24, 99, 102, 119, 121, 122] наличие водорода с его высоким уровнем потенциала ионизации (12,6 эВ) установлено только при обработке в растворах сильных кислот.
Многообразие взаимосвязанных факторов, влияющих на оболочку, незначительные ее линейные размеры, создающие экспериментальные трудности при измерении ее толщины, приводят к большому разбросу получаемых результатов от 3 мкм до 1,2 мм [3, 18, 33, 42, 48, 62, 69]. Влияние основополагающего фактора - температуры поверхности также неоднозначно. По данным одних авторов увеличение температуры детали от 400С до 750С приводит к уменьшению размеров оболочки от 0,025 см до 0,007 см, а других при изменении температуры с 300С Д 800 С к увеличению ее от 0,04 мм до 0,3 мм. Наблюдается влияние температуры электролита[18, 62].
Нет единого мнения о проводимости парогазовой оболочки. В одних работах отмечено, что оболочка является диэлектрической и термоизоляционной, а проводимость осуществляется электрическим пробоем промежутка и носит импульсный характер [88]; другие исследователи считают, что газовый промежуток обладает собственной проводимостью за счет наличия в нем паров легкоионизируемых элементов; третьи [119] считают, что первоначально разряд проходит в виде отдельных разрядов - стримеров, вызывающих ионизацию атомов, эмиссию электронов и в дальнейшем может проходить по всей площади слоя стабильно или в виде отдельных микроразрядов [3]. Природа электролитического разряда также не выяснена. Незначительные линейные размеры области, занятой разрядом, не позволяют провести точную диагностику плазмы, поэтому различные авторы приходят к выводу о развитии между электролитным и металлическим электродами искрового [40, 70, 94,], дугового [11, 33, 88], тлеющего [61] разряда.
Технологический процесс выполнения работ по ремонту локального дефекта стенки магистрального трубопровода
Изменение микроконфигурации поверхностных слоев металла присуща многим видам обработки, но при механической шероховатость цилиндрической и сложнопрофильной поверхности неравномерная из-за разных углов атаки воздействующего материала (песка, дроби), при химическом и электрохимическом из-за неравномерности стравливания и недостаточной рассеивающей способности электролитов.
Изученные закономерности воздействия разряда на поверхность обрабатываемого металла позволили разработать способ модификации поверхности для нанесения металлических покрытий с повышенными адгезионными свойствами по сравнению с известными, т.е. проведение одновременной очистки и увеличение «истинной» площади поверхности за счет образования микрократеров при определенной мощности разряда =0,12-5-1,5 кВт/см в электролите с электропроводностью р = 0,05-s-0,2 Ом" см 1 в течение 0,1-5 мин. При р 10 Ом см 1 наблюдаются большие потери мощности в объеме электролита при прохождении электрического тока, ас р 0,2 Ом см"1 нерационально из-за перегрева образца с образованием окалины и повышенного расхода соли [131].
Минимальная удельная мощность необходимая для развития и стаби-лизации горения разряда Np =0,12кВт/см . при Np=l,5 кВт/см наблюдалось образование окалины на поверхность металла вследствие перегрева образца, что вызывает ухудшение прочности связи основания с покрытием.
С увеличение времени обработки более 5 минут шероховатость поверхности образца возрастает незначительно. Обработка металла осуществлялась следующим образом: в электролит погружали деталь - стандартный стальной образец с рабочей поверхностью в форме диска по ГОСТ 22.229-75, подключали ее к отрицательному полюсу источника тока. Вторым электродом служила погруженная в электролит пластина из нержавеющей стали. После подачи напряжения в объеме электролита формируется микроразряды определенной удельной мощности, под действием которых во времени происходит очистка металла с одновременным развитием истинной площади поверхности образца.
На профилографе - профилемере AI-252 определяли шероховатость поверхности образцов до и после обработки. Результаты экспериментов сведены в таблицу 2.3.
Из данных таблиц следует, что электролитно-плазменная обработка является скоростным и эффективным способом подготовки поверхности под нанесение гальванических и изоляционных полимерных покрытий при оптимальных технологических режимах.
Для обработки табличных данных было использовано программное обеспечение «Statistica», позволяющая производить аппроксимацию экспериментальных данных различными функциями и строить графики в используемом интервале переменных величин. Для аппроксимации были выбраны многочлены второй степени по следующим причинам:
Выходные параметры не имею прямо пропорциональную линейную зависимость в начале измерений;
Имеется область максимума выходного параметра, за которым следует область обратно пропорциональной зависимости, где процесс становится неустойчив.
1. Проведен анализ методов очистки наружной поверхности трубопровода. Результаты анализа показали, что существующие технологии не позволяют подготовить поверхность трубы в месте локального дефекта для дальнейшего восстановления методом электролитического железнения. На основании этого в качестве задачи исследований принята разработка прогрессивного метода очистки с помощью электролитно-плазменного разряда
2. В результате проведенных теоретических, натурных и экспериментальных исследований изучена специфическая форма неравновесного разряда -распределенного пленочного разряда с низкой температурой газа, но высокой температурой электронов, достаточной для ионизации газа и обеспечения его проводимости.
3. Изучение воздействия разряда на обрабатываемую поверхность позволило разработать технологические процессы очистки ремонтируемой поверхности, разработать технологию модификации поверхности для последующего нанесения металлических покрытий.
Оборудование, необходимое для проведения данного вида ремонта можно подразделить на два типа: механизмы, выполняющие очистку поверхности трубопровода от продуктов коррозии; устройства, восстанавливающие стенку трубопровода.
Необходимую степень очистки для проведения ремонта может обеспечить электролитно-плазменный способ, физическая сущность которого подробно описана в главе 3. Данный метод применялся при очистке металлических деталей и конструкций в машиностроении. Оборудование, обеспечивающее этот процесс, являлось стационарным. При ремонте трубопроводов основным условием является мобильность очистного комплекса. Это достигается путем внедрения новых автоматизированных энергосберегающих технологий и специально разработанных унифицированных вспомогательных устройств.
Технологические процессы очистки и восстановления различаются средствами (материалом анода) и выходными параметрами оборудования (сила тока и т.д.).
Принцип работы установки заключается в следующем: электрический ток вырабатывается автономным источником питания (синхронный дизель -генератор) 1, рисунок 3.1, выдающим однофазный переменный ток напряжением 220В, мощность автономной электростанции 5-10 кВт. Регулирование величины тока, потребляемого ЭПУ, производится лабораторным автотрансформатором ЛАТР-10 (поз.2, рисунок 3.1). Переменный ток преобразуется в постоянный по средствам прохождения через диодный мост 3, сглаживание напряжения производится путем введения в цепь электролитного конденсатора 4. К трубопроводу подключается провод, обладающий отрицательным потенциалом, таким образом, трубопровод является катодом.
Похожие диссертации на Восстановление дефектных элементов и деталей трубопроводных систем методом железнения
