Содержание к диссертации
Введение
Глава I Анализ состояния вопроса исследований .. 10
1.1 Природно- климатические условия района эксплуатации трубопроводов 10
1.2 Анализ причин выхода в ремонт магистральных трубопроводов 16
1.3 Анализ методов ремонта нефтегазопроводов 20
1.4 Анализ взрывных технологий, ремонта нефтегазопроводов 21
1.5 Проблемы утилизации поврежденных участков нефтегазопроводов 26
Выводы по главе 1 29
Глава II Построение математической модели извлечения трубопровода из грунта энергией взрыва 30
2.1 Постановка внутренней задачи по теории действия взрыва 30
2.2 Постановка внешней задачи по теории действия взрыва , 45
2.3 Определение условий распространения продуктов взрыва во внешней среде 50
2.4 Определение воздействия продуктов взрыва на подземный трубопровод
2.4.1 Построение модели среды 55
2.4.2 Определение характеристик возмущения, при взрыве в твердой среде
2.4.3 Определение параметров ударных волн и волн сжатия при взрыве в твердой среде 67
2.5 Исследование влияния формы заряда на величину импульса воздействующего на трубопровод... 73
Выводы по главе II 74
Глава III Разработка метода извлечения подземных трубопроводов с использованием энергии взрыва 75
3.1 Исследование действия взрыва удлиненного заряда применительно к извлечению трубопроводов 79
3.1.1 Расчет расхода взрывчатого вещества и оптимальной глубины заложения удлиненного заряда 79
3.1.2 Постановка полигонных экспериментов 81
3.1.2.1 Описание экспериментов 81
3.1.2.2 Обработка результатов экспериментальных исследований 87
3.1.2.3 Результаты экспериментов 100
Выводы по главе III. 120
Глава IV Практические рекомендации по применению взрывной технологии для капиального ремонта трубопровода 101
4.1 Выработка рекомендаций по практическому применению предлагаемой технологии 101
4.1.1 Установки направленного бурения 101
4.1.2 Зарядные машины 103
4.2 Меры безопасности при применении предлагаемого способа 108
Выводы по главе IV 111
Основные выводы по работе 112
Библиографический список литературы
- Анализ методов ремонта нефтегазопроводов
- Постановка внешней задачи по теории действия взрыва
- Расчет расхода взрывчатого вещества и оптимальной глубины заложения удлиненного заряда
- Меры безопасности при применении предлагаемого способа
Введение к работе
Актуальность темы. По трубопроводным магистралям Западной Сибири от мест добычи до потребителей в границах региона в год транспортируется более 500 млрд. м3 газа и более 300 тыс. тонн нефти. Протяженность магистральных трубопроводов по Западно-Сибирскому региону составляет более 45000 км, 50% проложены по слабонесущим грунтам и эксплуатируются в сложных природно-климатических условиях. Вследствие необходимости проведения больших объемов земляных работ при капитальных ремонтах трубопроводов возникает необходимость поиска новых способов выемки грунта, связанного с необходимостью его извлечения из трассы. Это определило актуальность темы исследований.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования является трубопровод, проложенный в грунте. Предметом исследования является взаимодействие продуктов взрыва с демонтируемым трубопроводом.
Цель и задачи исследования. Целью исследования является разработка рекомендаций и методик по способу извлечения трубопровода из грунта энергией взрыва.
Для достижения поставленной цели, решались следующие задачи:
-
Произвести оценку динамического воздействия взрыва заряда в грунте вдоль трубопровода.
-
Разработать методику проведения экспериментальных исследований по извлечению трубопроводов из грунта методом взрыва.
-
Определить устройство заряда, характер и объем взрывных работ для получения оптимальных параметров извлечения трубопровода.
-
Оценить влияние почвенно - грунтовых условий на рациональность демонтажа трубопровода из невскрытой трассы.
Научная новизна. На основании выполненных исследований получены следующие результаты:
-
Установлены оптимальные параметры динамического воздействия направленного взрыва на демонтируемый трубопровод.
-
Разработана методика проведения, взрывных работ для демонтажа трубопровода.
-
Разработана методика расчета критериальных оценок по влиянию почвенно-грунтовых условий на демонтаж трубопровода.
Практическая ценность. Результаты проведенных исследований рекомендуется использовать при проектировании и. производстве строительно-монтажных работ по капитальному ремонту магистральных и промысловых нефтегазопроводов, а также подземных водоводов.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на технических совещаниях в ОАО «Сибнефтепровод» (г. Тюмень, 2001,2002,2003); научно-практическом семинаре «Транспортный комплекс 2003»; международной научно-технической конференции «Нефть и газ Западной Сибири» (г. Тюмень, 2003); научно-технической конференции «Энергия взрыва в народном хозяйстве» (г. Тюмень, 2003).
На защиту выносится. Метод извлечения трубопроводов из грунта энергией взрыва, без предварительного вскрытия грунта.
Структура работы. Работа выполнена на 132 страницах, включает в себя введение, 4 главы, основные выводы по работе, 8 приложений, 8 таблиц, 33 иллюстрации.
Анализ методов ремонта нефтегазопроводов
За последние 1,5 десятилетия интенсивность аварийных отказов в целом по отрасли снижалась и к 2001-2003 годам вышла на уровень 0,22 аварий на 1 тыс. км в год. Несмотря на это, следует признать, что при современном техническом уровне развития производства, качестве сооружения объектов и контроле за их состоянием, техногенные аварии остаются неизбежным, объективным и постоянно действующим фактором.
При анализе статистических данных отказов на магистральных трубопроводах, возникает необходимость оценки влияния различных факторов на вероятность аварий, и в этой связи представляет интерес информация о распределении аварий по причинам их возникновения.
За период 2001-2003 года, наибольшее количество аварий происходило вследствие подземной коррозии (26%), брака строительно-монтажных работ (26%) и механических повреждений (21%).
Анализ данных за период с 2001 по 2003 год позволяет выявить определенные закономерности. Так, на магистральных трубопроводах больших диаметров (1220-1420 мм) преобладали аварии по причине брака строительно-монтажных работ. На магистральных трубопроводах диаметром 820-1020 мм главной причиной аварий являлась наружная коррозия, а на магистральных трубопроводах малых диаметров (529-720 мм и менее) подавляющее большинство аварий происходило из-за механических повреждений труб [113].
Обусловлено это следующими причинами. Известно, что магистральные трубопроводы больших диаметров являются наиболее «молодыми», а следовательно коррозионные процессы на тот момент имели меньшее влияние.
В настоящее время ситуация значительно переменилась. Старение магистральных трубопроводов большого диаметра обусловило значительное увеличение доли коррозионных отказов. Если в 1996 году доля отказов по причине коррозионных разрушений составляла 26%, а в 2000 году - 32%, то на 2003 год их доля возросла до 43% [55].
Анализ актов аварийных ситуаций за 2003 год на трубопроводах Западной Сибири показал, что на долю аварий по причине коррозионных разрушений на сегодня приходится около 63% всех аварий [55].
Приведенные исследования свидетельствуют о значительном возрастании доли аварий трубопроводов по причине коррозионных разрушений металла трубы, и в том числе развития коррозионного растрескивания под напряжением.
Коррозионные растрескивания под напряжением (КРН или стресскоррозия) - одна из широко распространенных причин разрушения конструкций и изделий, изготовленных из металлов и сплавов. Это явление наблюдают с начала века в энергетике, на транспорте, в строительстве, в оборонной и других отраслях промышленности. В последние два десятилетия аварии по причине коррозионного растрескивания металла труб под напряжением происходят и на трубопроводах больших диаметров [114].
За период 2000-2003 г.г. в России произошло 73 аварии по этой причине на трубопроводах предприятий «Тюменьтрансгаз», «Уралтрансгаз», «Севергазпром», «Баштрансгаз», «Сургутгазпром», «Волгатрансгаз», «Пермтрансгаз», «Лентрансгаз», «Югтрансгаз», «Томсктрансгаз» [55].
За последние 5 лет число разрушений трубопроводов по причине стресскоррозий составила 82% от всех аварий, произошедших в результате наружной коррозии. Из них 65% - разрушения трубопроводов диаметром 1420 мм [55].
Анализ результатов расследования аварийных ситуаций по причине коррозионного растрескивания под напряжением с учетом данных по марке стали, изготовителя трубы, диаметра и толщины стенки трубы, вида противокоррозионного покрытия, напряжения и температуры стенки трубы, характера грунта, наличия катодной защиты, показал, что КРН имело место как на трубах отечественного производства (Челябинский, Харцызский и Волжский трубопрокатные заводы), изготовленных из сталей марок 14Г2САФ, 15Г2С, 17ГС, 17Г1С, 17Г2СФ, так и на трубах поставляемых по импорту фирмами Германии, Японии, Франции из сталей групп прочности Х60,Х65,Х70[119].
Отказы возникали на катодно-защищенных магистральных трубопроводах, диаметром 1020... 1420 мм с толщиной стенки 9-18 мм, имеющих пленочную изоляцию [55]. Из приведенного анализа видно, что в наибольшей степени стресскоррозии подвержены трубопроводы большого диаметра с пленочной изоляцией в полевом исполнении, построенные и введенные в эксплуатацию в начале 80-х годов. Этот период в крупных газодобывающих странах характеризовался интенсивным строительством магистральных газопроводов.
Разрушение на внешней поверхности трубы проявляется в виде одиночных трещин, ориентированных вдоль образующей трубы, под отслоившейся изоляцией. Типичными особенностями трещин коррозионного растрескивания является наличие характерных рубцов направленного роста от расслоения трубного листа. Трещины коррозионного разрушения развиваются хрупко со стороны внешней поверхности трубы с вязким доломом на её внутренней поверхности. Окружающая среда (почвенный электролит) заполняет полость и при определенных условиях способствует разрушению, вследствие возникновения начальных концентраторов разрушения из-за локальных анодных процессов.
Согласно данным ОАО АК «Транснефть» и ОАО «Газпром», следует ожидать рост числа дефектов, связанный со сроком службы магистральных трубопроводов. Удельный вес аварий, приходящихся на трубопроводы со сроком службы 15-20 лет, равен 85 %.
Постановка внешней задачи по теории действия взрыва
В подобласти II, занятой сжатой средой, параметры меняются плавно от точки к точке, поэтому можно считать, что в ней ни сами параметры, ни их, по крайней мере, первые производные по времени и координате не терпят разрыва [106].
Толщина граничного слоя перехода от продуктов взрыва к сжатой среде, в котором частицы продуктов взрыва перемешиваются с частицами внешней среды, невелика по сравнению с пространственной протяженностью подобластей I и II, поэтому ею можно пренебречь [99]. В связи с этим будем считать ее равной нулю, т. е. будем считать, что подобласть I, занятая продуктами взрыва, в каждый момент своего расширения контактирует непосредственно с подобластью II, занятой сжатой и вытесняемой средой, при этом взаимное проникновение продуктов взрыва в подобласть II и частиц среды в подобласть I отсутствует. Так как эта граница в принятой модели представляет собой поверхность контактирования двух разных сред, то мы будем называть ее контактной поверхностью; ее координату будем обозначать через г .
В подобласти / продукты взрыва изменяют свои параметры от точки к точке плавно, поэтому, как и для инертной среды, двигающейся в подобласти II, можно считать, что сами параметры и их первые производные по координате и по времени не терпят разрыва.
В качестве основных параметров продуктов взрыва и среды, выделим давление р, плотность р, скорость частиц и и температуру Т. Поскольку рассматриваемая задача одномерна, то эти параметры будут функциями только двух аргументов: расстояния г от точки взрыва О (для линейного и плоского взрывов соответственно от линии и от плоскости взрыва) и времени t Другие характеристики задачи войдут в эти функции в качестве параметров.
Так как теперь, в отличие от внутренней задачи, возмущенная область неоднородна, а состоит из двух разнородных сред, то решение внешней задачи сводится к отысканию основных параметров, как функций координаты г и времени t, для каждой из этих сред, двигающихся в подобластях ІИІІ [95].
Математическая модель. Обозначив искомые функции теми же символами, что и во внутренней задаче, и условившись применять их для подобласти / и для подобласти II, можно задачу сформулировать так: для подобласти / необходимо найти функции:
Исходное состояние среды характеризуем давлением р0 плотностью ро, температурой То и скоростью частиц щ которую для упрощения задачи положим равной нулю, т. е. будем считать среду покоящейся [89].
Искомую систему уравнений и здесь можно получить, привлекая три закона сохранения и второе начало термодинамики. Эти законы были использованы при выводе уравнений (2.1.10) — (2.1.11) применительно к внутренней задаче. Очевидно, эти уравнения в силу их общности будут описывать движение продуктов взрыва и по внешней задаче, если соответствующим образом изменить граничные условия для них. Первое граничное условие (2.1.12) останется в силе и для внешней задачи, так как и при расширении продуктов взрыва скорость частиц в начале симметрии для любого момента времени равна нулю [98]. Отличие от внутренней задачи будет заключаться в том, что теперь продукты взрыва, расширяясь и вытесняя окружающую среду, будут постоянно контактировать с ней, поэтому вместо граничных условий (2.1.13), полученных для фронта возмущения, необходимо ввести граничные условия для контактной поверхности. Первые два условия для этой поверхности очевидны: давления и скорости частиц по обе стороны контактной поверхности в любой момент времени одинаковы, т. е. 1. р(г ,0=р(г ,ї)=р ;Л Г С2-2-3) 2. и (r ,t)=u(r ,t)=u\ J Третье граничное условие можно получить, приравняв скорость dr контактной поверхности — скорости частиц на ней и , так как контактная поверхность перемещается в пространстве по тому же закону, что и частицы, лежащие на ней.
Плотность на контактной поверхности терпит разрыв: продукты взрыва и вытесняемая ими среда по обе стороны этой поверхности имеют разную плотность, т. е. р(Ы)Фр(Ы), что невозможно использовать для ограничения решения. Таким образом, в нашей модели движение продуктов взрыва в подобласти / описывается системой уравнений (2.1.4) - (2.1.5), граничными условиями для них (2.1.6), (2.2.3), (2.2.4) и начальным условием Ык)-г0 (2.2.5) следующим из того факта, что в момент образования области повышенного давления и начала расширения продуктов взрыва контактная поверхность совпадает с внешней границей области повышенного давления [108].
Как видно из сопоставления, внешняя задача значительно сложнее внутренней. Для ее решения необходимо интегрировать одновременно две системы нелинейных дифференциальных уравнений с частными производными; граничные условия для этих систем на контактной поверхности являются общими, и по этому параметры на ней могут быть получены лишь в результате их совместного интегрирования. Из-за этой трудности внешняя задача теории действия взрыва до сих пор не имеет точного решения. 2.3 Определение условий распространения продуктов взрыва во внешней среде Внутренняя задача теории действия взрыва позволяет определять параметры продуктов взрыва (давление, плотность, скорость частиц) в детонационной волне. Если заряд контактирует с трубопроводом, то она позволяет определять и взрывную нагрузку для начальной стадии развития взрыва [123]. Однако полной картины нагружения трубопровода из рассмотрения только внутренней задачи получить нельзя даже для контактных зарядов.
В нашем случае трубопровод нагружается разлетающимися продуктами взрыва непосредственно через среду, которую они вытесняют. Поэтому для неконтактных зарядов взрывная нагрузка может быть определена только в рамках внешней и граничной задач. При этом внутренняя задача определит начальные параметры продуктов взрыва. Таким образом, чтобы найти взрывную нагрузку в рассматриваемом случае, необходимо решить внешнюю задачу.
Расчет расхода взрывчатого вещества и оптимальной глубины заложения удлиненного заряда
Для измерения размеров выемок, и изменения геометрических размеров трубопроводов получаемых в результате взрывов зарядов, применялось специальное приспособление. Оно состояло из металлической стойки и горизонтальной перекладины, которая перемещалась по стойке и могла фиксироваться в нужном положении. Измерения проводились следующим образом. По центру выемки на дно устанавливалась стойка, а затем путем перемещения по стойке перекладина выводилась на уровень свободной поверхности (предварительно навал грунта удалялся) и фиксировалась. На стойке и перекладине делались отметки по видимой глубине и радиусе выемки. С помощью метровой линейки по отметкам снимались соответствующие размеры с точностью до 0,001м. Изменение геометрических размеров трубопровода и высота выброса оценивалась визуально.
За истинные значения размеров выемок принимались средние их значения. Они определялись по результатам общего количества измерений при взрыве зарядов на одинаковой глубине заложения. При этом определялись следующие величины: дисперсия (D); среднеквадратичное отклонение (а) и погрешность среднеквадратичного отклонения (Е). В обобщенном виде результаты проведенных экспериментов представлены в приложении 5 для удлиненных зарядов и в приложении 6 для сосредоточенных зарядов. Как следует из этих таблиц удельный расход
Сопоставление кривых, характеризующих поведение функции при различных значениях п (см. рис. 3.3) показывает, что в области п 2,0 формулы ПР-69 и экспериментальная совпадают с погрешностью до 15%. Однако, в этой области формулы Мудрагея И.П., Вовка А.А. и экспериментальная Кушнарева Д.М. не соответствуют нашим данным. При п 2,5 имеет место значительное расхождение экспериментальной у с формулой ПР-69. В сравнительно узком диапазоне «=3,5... 5,0 наши п2 данные совпадают с формулой Вовка А.А., с погрешностью не превышающей 10... 14%. Следует отметить, что характер поведения у п2 ростом п по экспериментальным данным Кушнарева Д.М. и нашим практически одинаков, если не считать существенную разницу в оптимальном значении показателя действия взрыва. По результатам экспериментов представилась возможность оценить расход взрывчатого вещества. На рис. 3.4 показана зависимость относительного расхода взрывчатого вещества от показателя действия взрыва, которая свидетельствует, что уже при п=2,5 (это соответствует уменьшению глубины заложения заряда от оптимума на 20%) перерасход взрывчатого вещества составит 15...20%. № 50 Рис. 3. 4. Зависимости функции./ ) и относительного расхода взрывчатого вещества от показателя действия взрыва Если полагать последнее нормой перерасхода взрывчатого вещества, то п должен выбираться в пределах 1,8 и 2,5. При этом взрыв заряда целесообразно производить на относительной глубине заложения 45 — 30. В остальных случаях необходимо считаться с тем, что перерасход взрывчатого вещества будет тем значительнее, чем больше показатель действия взрыва (или меньше глубина заложения заряда).
Таким образом, по интересующим нас вопросам с учетом результатов проведенного анализа и полигонных экспериментов можно отметить следующее:
1. При одинаковых условиях взрывания удельный расход взрывчатого вещества для удлиненных зарядов получается меньшим по сравнению с удельным расходом взрывчатого вещества для сосредоточенных зарядов примерно на 20...30%.
2. Оптимальные соотношения между параметрами г о и h для получения максимальных размеров выемки, оптимальных параметров извлечения трубопровода из грунта при минимальном расходе взрывчатого вещества составляют honm=(35...45)r0 чему соответствует Поігг=2,25...1,8 Принимая во внимание отмеченную выше структуру построения эмпирических формул для расчета массы удлиненного заряда, а также тот факт, что грунты в которых проложены трубопроводы, имеют характеристики довольно близкие к грунту полигона, предлагается формула вида:
Меры безопасности при применении предлагаемого способа
Оборудование точек инициирования производит командир машины и оператор-взрывник. Затем с помощью Инженерной машины заграждения осуществляется прокладка магистрального провода в направлении подрывной станции. Для перевода в 1-ую степень готовности извлекается из приямка ящик, сращиваются электродетонаторы (или капсюли-детонаторы зажигательных трубок) с концами отрезков детонирующего шнура боевика.
Обладая перечисленными выше возможностями, и приведенными в технических характеристиках, Инженерная машина заграждения за один час непрерывной работы в состоянии обеспечить подготовку к извлечению: Участка протяженностью 100 м трубопровода; Кроме того, Инженерная машина заграждения позволяет: со средним темпом до 150 пог. м/час. осуществлять подготовку к взрыву участков устройства траншей для прокладки трубопроводов; Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что реализация на практике нового способа извлечения трубопроводов с помощью Инженерной машины заграждения или установок направленного бурения позволит почти на порядок сократить время и трудоемкость подготовительных работ, а также примерно на 25% (иногда и больше) снизить общее время на извлечение участка трубопровода из грунта.
Исходя из описанного в предыдущих главах можно сделать вывод что взрывные работы необходимо проводить с соблюдением определенных мер безопасности, которые предлагаются автором: —Электродетонаторы в открытые заряды вставлять только непосредственно перед производством взрыва по распоряжению руководителя работ (старшего); при этом лиц, не связанных с выполнением указанной операции, от зарядов удалять на безопасное расстояние (в укрытие); —до окончания работ по установке электродетонаторов в заряды и отхода людей на безопасное расстояние (в укрытие) источник тока к магистральным проводам не подключать; —при устройстве электровзрывных сетей предусматривать меры защиты их от действия грозовых разрядов; —перед грозой участковые провода отсоединять от магистральных, концы участковых проводов разводить в стороны и тщательно изолировать; — не располагать провода электровзрывных сетей б л и ж е 200 м от электрических, станций, подстанций, высоковольтных линий, электрифицированных железных дорог и мощных радиостанций; —приводные ручки (ключи) от подрывных машинок, а также источники тока (подрывные машинки, батареи и т. п.) содержать под охраной и выдавать подрывникам лишь непосредственно перед взрывом по распоряжению руководителя работ (старшего); —перед подключением омметра к сети для проверки последней предварительно убедиться в его исправности; —проверку электровзрывных сетей омметром производить только после удаления всех людей от мест расположения зарядов; —концы магистральных проводов на станции держать изолированными с подвязанными к ним бирками, обозначающими, от какой группы зарядов идут те или иные провода; —перед производством взрыва, после отвода всех подрывников на безопасное расстояние или в укрытие, подавать команду (сигнал) «Приготовиться»; по этой команде на подрывной станции освобождаются от изоляции и присоединяются к подрывной машинке (источнику тока) концы магистральных проводов; подрывная машинка заряжается (заводится); —после проверки выполнения предыдущей команды подавать команду (сигнал) «Огонь», по которой нажатием кнопки «Взрыв» по (поворотом ключа, замыканием контакта) производится включение подрывной машинки (источника тока) в электровзрывную сеть; —при производстве групповых взрывов электрическим способом проверку результатов взрыва производить од ному человеку: —при отказе отключить концы магистральных проводов от подрывной машинки (источника тока), изолировать их и развести в стороны, сдать под охрану ручку (ключ) от машинки и после этого выяснить причины отказа; подходить к отказавшим зарядам разрешается не р а н е е чем через 5 минут; —при производстве работ с электродетонаторами замедленного действия к отказавшим зарядам можно подходить не ранее чем через 15 минут с момента, когда по расчету должен был бы произойти взрыв. магистральные провода подводить к группам зарядов с необходимой слабиной во избежание выдергивания электродетонаторов при подсоединении участковых проводов; —при засыпке колодцев (шурфов) сначала бросать мягкий грунт на стенку колодца, наиболее удал енную от заряда, до тех пор, пока заряд не покроется естественно сползающим грунтом на 20—30 см; лишь после этого производить утрамбовку грунта и дальнейшую засыпку колодца по всему сечению; при большой глубине колодцев начальная засыпка зарядов мягким грунтом производится при помощи воротов, журавлей и т. п.; —места уложенных в грунт и засыпанных зарядов отмечать на местности какими-либо знаками, значение которых должно быть известно всему личному составу, участвующему в подрывных работах; —учитывать, что при сильном ветре дальность разлета комьев грунта в направлении ветра увеличивается;
