Введение к работе
Актуальность темы. Композиционные материалы являются весьма перспективными для использования в различных областях науки и техники. Наряду с созданием новых и традиционных узлов авиационной и ракетной техники в последнее время расширяется внедрение композитов и в народном хозяйстве. В настоящее время острейшей проблемой нефтегазодобывающей отрасли стали аварии промысловых трубопроводов. По данным Госгортехнадзора России, ежегодно регистрируется около 50 тыс. нарушений герметичности и разрывов труб, и их количество растет с каждым годом. Одна из основных причин аварий - коррозия, скорость которой за последние пять лет увеличилась в тридцать раз вследствие интенсивной эксплуатации и обводнённости большинства месторождений.
Кардинальным решением проблемы коррозионной защиты нефтепромысловых трубопроводов является применение новых неметаллических материалов в конструкции труб. Композиты и особенно стеклопластики являются наиболее перспективными материалами для изготовления некор-родируемых. химически и износостойких труб, выдерживающих высокое давление. Несмотря на многочисленные попытки, до настоящего времени остаются актуальными задачи выбора материалов, разработки конструкции, совершенствования технологии и оборудования для производства неметаллических труб высокого давления нефтегазового назначения. Особенно важным вопросом является создание надежного герметичного разъемного и неразъемного соединения неметаллических труб, обеспечивающих высокую прочность и герметичность трубопроводов по всей длине. Кроме того, для широкого внедрения новых неметаллических труб в нефтедобывающих компаниях необходимо создание надежной технологии и оборудования монтажа трубопроводов в полевых условиях и разработка методик и руководящих докумешш по проектированию, монтажу, и ремонту таких трубопроводов.
Диссертационная работа связана с проведением инициативных, опыт
но-конструкторских работ в ЗАО «Композит-нефть», и исследованиями,
выполненными на кафедре механики композиционных материалов и кон
струкций Пермского государственного технического университета в рам
ках научно-технических программ Минобразования «Конверсия» (1993-
1994 гг.), «Надёжность конструкций» (1993-1998 гг.), «Перспективные ма
териалы» (1994-1997 гг.); хоздоговоров с ЗАО «Композит-нефть» «Конст-
рукторско-технологческое совершенствование композитных труб и узлов
соединений промысловых нефтепроводов» и «Расчетно-
экспериментальные исследования технологических остаточных напряжений в бипластмассовых трубах увеличенного диаметра для внутрипромы-словых нефтепроводов»» (1995-1998 гг.).
Целями работы являлись выбор материалов, разработка конструкции и создание технологии производства и монтажа бипластмассовых труб, соединительных деталей, узлов стыка для внутрипромысловых нефтепроводов высокого давления.
Научная новизна работы состоит в следующем.
-
Выбраны материалы и предложена новая конструкция бипластмассовых труб, внешняя силовая оболочка которых состоит из нескольких слоев однонаправленного стеклопластика, внутренний герметизирующий слой - из полиэтилена низкого давления (ПЭНД), для обеспечения адгезии между данными слоями разработана специальная композиция на основе сэвилена.
-
Предложены новые конструкции разъемного и неразъемного стыка и соединительных деталей бипластмассовых труб, обеспечивающие равно-прочность и герметичность внутрипромысловых нефтепроводов высокого давления (до 20 МПа).
-
Разработана технология и оборудование для серийного автоматизированного производства бипластмассовых труб и соединительных деталей.
-
Созданы математические модели, описывающих эволюцию полей температур, коэффициентов полимеризации и стеклования, а также технологических напряжений в процессе изготовления труб; проведены расчеты и выбраны рациональные параметры основных этапов технологического процесса.
-
Разработаны методики и получены расчетно-экспериментальные оценки эксплуатационной прочности бипластмассовых труб и узлов стыка, определены запасы прочности труб с различными повреждениями.
-
Разработаны методика проектирования и расчета, технология и оборудование для монтажа внутрипромысловых нефтепроводов из бипластмассовых труб.
Достоверность основных научных положений и выводов, полученных в диссертации, подтверждена данными экспериментов на образцах материалов, применяемых в конструкции труб, образцах труб, узлов стыка и соединительных деталей и опытом эксплуатации с 1994 года участков внутрипромысловых нефтепроводов из бипластмассовых труб в НГДУ "Чернушканефть" ООО "ЛУКОЙЛ-Пермнефть".
Практическая ценность. Результаты диссертационной работы внедрены в серийное производство. В г. Чернушка Пермской области развернуто производство бипластмассовых труб и соединительных деталей объемом 180 км в год. Разработана инструкция по монтажу, эксплуатации и ремонту трубопроводов, по которой смонтированы и в настоящее время успешно эксплуатируется более 250 км трубопроводов из бипластмассовых труб по стоимости на 25-30% ниже зарубежных аналогов в ОАО "НК
ЛУКОЙЛ", 000 "ЛУКОЙЛ-Пермнефть", ОАО "Удмуртнефть", ОАО "Ставрополь-нефтегаз" на месторождеігаях Пермской и Тюменской областей, Ставропольском крае, Удмуртии. Оценка экономической эффективности замены металлических трубопроводов на трубопроводы из разработанных бипластмассовых труб показала, что вследствие низких расходов на строительство и эксплуатацию последних затраты на приобретение более дорогих бипластмассовых труб окупаются через пять лет.
Теоретические разработки нашли отражение в спецкурсе "Теория процессов армирования и намотки ", читаемого в Пермском государственном техническом университете студентам специальности 121000 "Конструирование и производство изделий из композиционных материалов", в курсовых и дипломных проектах студентов данной специальности.
Па защиту выносится совокупность теоретических и экспериментальных исследований в области материаловедения, направленных на решения важной народнохозяйственной проблемы - создания коррозионно-стойких труб и трубопроводных систем из композициошшж материалов для промысловых нефтепроводов с длительным сроком эксплуатации. Основными результатами исследований, выносимых па защиту, являются:
а) материалы и новая конструкция композитных бипластмассовых
труб, узлов стыка и соединительных элементов, обеспечивающие высокую
коррозионную стойкость, прочность и герметичность внутрипромысловых
нефтепроводов высокого давления;
б) технология изготовления бипластмассовых труб и соединительных
элементов, методики и результаты решения задач по выбору рациональных
технологических режимов изготовления труб;
в) материалы и технология монтажа и эксплуатации, методики рас-
четно-эксперимептальной оценки эксплуатационной прочности трубопро
водов из бипластмассовых труб.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на заседании объединенного НТС АО "НК ЛУКОЙЛ", АО "СИДАНКО", АО "РИТЭК", АО "НК ЮКОС", АК "Транснефть", АО "Татнефть", АОЗТ "Композит-нефть", ГП "Роснефть", институтов "Гипровостокнефть", ВНИИСТ, ГАНГ им. И.М. Губкина (Москва, 1995 г.), Международной выставке "Высокие технологии России" (Италия, Рим, 1996 г.), Международном научно-техническом семинаре "Проблемы нефтегазовой отрасли" (Уфа, 1997 г.), Международном научно-техническом семинаре "Повышение надежности нефтесборных сетей на месторождениях" (Нижневартовск, 1999 г.), П Всероссийском семинаре "Механика микронеоднородных материалов и разрушение" им. С.Д. Волкова (Пермь, 2000 г.), Всероссийской научно-технической конференции "Аэрокосмическая техника и высокие технологии" (Пермь, 2000 г.), XI Международной конференции по композитным материалам (Рига, 2000 г.).
Результаты научных исследований и практических разработок, представленных в диссертационной работе, были удостоены в 1997 г. премии правительства Российской Федерации.
Диссертация в завершённом виде докладывалась и обсуждалась на научном семинаре кафедры механики композиционных материалов и конструкций Пермского государственного технического университета (руководитель - профессор А.А. Ташкинов, 2000 г.),
Публикации. По теме диссертации получено десять патентов, опубликовано пять статей и трое тезисов докладов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх разделов, заключения и списка литературы. Работа включает 113 страниц машинописного текста, 30 рисунков, 23 таблицы. Общий объем диссертации составляет 155 страниц. Библиография включает 118 наименований.
