Введение к работе
Актуальность работы
Одной из проблем в трубопроводном транспорте остается защита от внутренней коррозии. По разным оценкам, коррозионный износ нефтепромысловых трубопроводов составляет порядка 60 %, а количество отказов в год достигает 40…70 тысяч. 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, а объём аварийно-восстановительных работ со временем не снижается, а только увеличивается.
По данным разных источников, в стране ежегодно восстанавливается всеми видами ремонта 1...3 % изношенных трубопроводов. Причём замена и ремонт обычно ведутся 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 настоящее время в передовой зарубежной практике до 95 % объема работ по прокладке и реконструкции подземных трубопроводов (водо- и газораспределения, канализации, теплоснабжения) выполняется бестраншейными методами, которые имеют ряд положительных особенностей.
Они, во-первых, сводят на нет проблему недоступности трубопровода для ремонта, во-вторых, позволяют снизить затраты на ремонт трубопроводов на 10…40 %.
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 до последнего времени находили применение в основном в коммунальных хозяйствах крупных городов. В нефтяной и газовой промышленности такие технологии ремонта практически не применялись. Это связано, главным образом, с тем, что объекты нефтегазовой отрасли считаются производственно-опасными, и 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 экспертиз, научной проработки всех вопросов, большого объёма испытаний.
Тем не менее, необходимо делать шаги в этом направлении, накапливать доказательную базу, проводить соответствующие исследования, разрабатывать необходимые документы. Именно в этом контексте были сформулированы цель и задачи настоящей работы.
Цель работы повышение эффективности ремонта нефтепромысловых трубопроводов внедрением бестраншейных технологий.
Основные задачи работы:
1. Анализ существующих технологий восстановления трубопроводов бестраншейными методами и их применимости в нефтегазовой отрасли;
2. Разработка математической модели напряженно-деформированного состояния (НДС) внутренней гибкой защитной оболочки в изношенных стальных трубопроводах;
3. Исследование закономерностей формирования напряженно-деформированного состояния и прочности трубопроводов, восстановленных методом установки внутренней оболочки;
4. Выбор материалов для внутренней защитной оболочки применительно к нефтегазопромысловым трубопроводам;
5. Разработка нормативной базы для восстановления изношенных нефтегазопромысловых трубопроводов установкой внутренней защитной оболочки.
Методы решения поставленных задач
При разработке основных положений диссертационной работы использовались методы математического моделирования, механики разрушения, теорий упругости и пластичности, численные методы.
В работе использованы данные о технологиях ремонта трубопроводов коммунальных хозяйств, экспериментальные исследования физико-химических свойств материалов в различных агрессивных средах, стендовые и полевые испытания.
Основой для решения данных задач явились работы отечественных и зарубежных ученых и специалистов: В.И. Агапчева, С.Г. Бажайкина,
А.В. Бакиева, Д.А. Виноградова, А.Г. Гумерова, К.М. Гумерова, В.Г. Загребельного, Р.С. Зайнуллина, С.Б. Киченко, Н.Г. Пермякова, А.К. Ращепкина, В.С. Ромейко, А.Г. Сираева, М.М. Фаттахова и других.
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 оболочка должна содержать два или три слоя: защитную пленку из термопласта (поливинилхлорида или полиэтилена); волокнистый армирующий материал (полиэфирное полотно или стеклоткань), пропитанный эпоксидной композицией «Эпофом-1С»; упрочняющий слой (стеклоткань), который позволяет повысить прочность восстановленного трубопровода практически без ограничения. Такая оболочка является в процессе ремонта технологичной, в процессе эксплуатации - прочной и стойкой к воздействию рабочих сред.
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 различных агрессивных средах;
бестраншейная технология ремонта нефтегазопромысловых трубопроводов, использующая формирование внутренней защитной оболочки.
Практическая ценность и реализация результатов работы
1. Найдена расчётная схема для оценки прочности оболочки в трубопроводе. Данная схема и полученная на её основе формула позволяют решать ряд важных для практики задач: подбирать материалы для оболочки и определять допустимое рабочее давление после ремонта.
2. Даны обоснованные рекомендации по выбору конструкции рукава и подбору необходимых материалов в зависимости от транспортируемых сред и условий эксплуатации санируемых промысловых трубопроводов.
3. Разработан комплекс нормативно-технических документов, необходимых для изготовления оболочек и выполнения ремонтных работ на нефтегазопромысловых трубопроводах бестраншейным методом.
Апробация результатов работы
Основные положения и результаты работы докладывались на:
научно-практических конференциях «Проблемы и методы обеспечения надёжности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» (Уфа, 2007, 2012 гг.);
XII Всероссийской научно-практической конференции «Энергоэффективность. Проблемы и решения» (Уфа, 2012 г.);
Международном научно-техническом российско-германском семинаре «Трубопроводные системы инженерной инфраструктуры из полимерных материалов» (Уфа, 2005 г.);
межвузовской научно-технической конференции «Актуальные проблемы технических, естественных и гуманитарных наук» (Уфа, 2006 г.);
Международных учебно-научно-практических конференциях «Трубопроводный транспорт» (Уфа, 2008-2012 гг.);
Международных научно-технических конференциях «Проблемы строительного комплекса России» (Уфа, 2004, 2006, 2007 гг.).
Публикации
Основные результаты диссертационной работы опубликованы
в 18 научных трудах, в том числе 5 в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ. Получен 1 патент.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, библиографического списка использованной литературы, включающего 122 наименования, 1 приложения. Работа изложена на 166 страницах машинописного текста, содержит 42 рисунка, 26 таблиц.
