Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние обеспечения надежности магистральных трубопроводов 16
1.1 Особенности эксплуатации и причины снижения надежности магистральных трубопроводов 16
1.2 Основные способы защиты магистральных трубопроводов
от наружной коррозии 23
1.2.1 Анализ эффективности применения изоляционных покрытий 23
1.2.2 Обоснование свойств изоляционных материалов для ремонта трубопроводов большого диаметра в условиях отрицательных температур 33
1.3 Выводы по разделу 40
2 Разработка изоляционных материалов и покрытия для выборочного ремонта трубопроводов большого диаметра 42
2.1 Разработка и исследование свойств грунтовки 42
2.2 Разработка и исследование свойств изоляционной ленты 46
2.3 Разработка, лабораторные и стендовые испытания конструкции покрытия 51
2.4 Выводы по разделу 56
3 Разработка методики расчета напряженно- деформированного состояния армированных изоляционных покрытий при эксплуатационных нагрузках с применением метода конечных элементов 58
3.1 Конструктивная схема покрытия и механические характеристики его элементов 58
3.2 Схемы взаимодействия изоляционных покрытий с грунтом в процессе строительства и эксплуатации 61
3.2.1 Давление собственного веса стабилизированного грунта при статичном положении трубопровода 62
3.2.2 Продольные перемещения трубопровода при изменении температуры и давления перекачиваемого продукта 63
3.2.3 Уплотнение грунта при засыпке траншеи и планировке растительного слоя грунта 65
3.2.4 Контактные напряжения от сопротивления грунта вертикальным подвижкам трубопровода 67
3.3 Анализ исследований силового воздействия грунта на изоляционные покрытия 68
3.4 Механические и математические модели элементов покрытия 69
3.5 Общая постановка задачи расчета напряженно-деформированного состояния изоляционного покрытия 73
3.5.1 Цель расчета, граничные и начальные условия на элементах 73 покрытия
3.5.2 Сущность метода конечных элементов и сетка конечных элементов при решении задач упругопластической
деформации при расчете многослойных покрытий 74
3.6 Примеры расчета контактных напряжений и деформаций при экстремальных нагружениях 87
3.7 Выводы по разделу 99
4 Разработка технологических основ метода выборочного ремонта изоляции трубопроводов большого диаметра с применением армированного рулонного изоляционного материала в условиях отрицательных температур 102
4.1 Определение основных параметров технологического процесса выборочного ремонта изоляции с применением покрытия «Армопластобит-трансгаз» 102
4.2 Разработка предложений по модернизации изоляционной машины и созданию ремонтной герметичной камеры 106
4.3 Выводы по разделу 115
Основные выводы и рекомендации 116
Библиографический список использованных источников
- Особенности эксплуатации и причины снижения надежности магистральных трубопроводов
- Разработка и исследование свойств грунтовки
- Конструктивная схема покрытия и механические характеристики его элементов
- Определение основных параметров технологического процесса выборочного ремонта изоляции с применением покрытия «Армопластобит-трансгаз»
Введение к работе
Актуальность темы
Значительная часть трубопроводов больших диаметров (1020-1420 мм) была построена в середине 70-х годов прошлого столетия при освоении нефтяных и газовых месторождений Западной Сибири и Средней Азии. Нормативный срок службы изоляционных покрытий этих трубопроводов практически исчерпан.
Для магистральных трубопроводов, проложенных в средней полосе России, имеется широкий спектр изоляционных материалов и технических средств для их нанесения при капитальном ремонте. Как показывает практика, наиболее надежными из применяемых в системе АК «Транснефть» изоляционных материалов являются комбинированные покрытия типа «Пласто-бит», где применены битумные мастики, защищенные от потери пластификаторов пленочными покрытиями.
Работы в этом направлении проводились видными учеными, такими как Березин В.Л., Ращепкин К.Е., Гумеров А.Г., Рамеев М.К., Гумеров Р.С., Азметов Х.А., Сагателян Р.Т., Серафимович В.Б.
В последние годы обострилась проблема надежности трубопроводов, проложенных в болотистой местности Западной Сибири, ремонт которых возможен только в зимнее время.
Применение существующего покрытия «Пластобит» для ремонта трубопроводов большого диаметра в условиях отрицательных температур сдерживается следующими его недостатками:
ограниченностью области применения покрытий этого типа диаметром трубопроводов (не более 820 мм);
низкой прочностью и высокой пластичностью слоя мастики, приводящими к его сползанию и образованию гофр;
- невозможностью эффективной механизации работ при малых их объемах и особенностями технологии, включающей необходимость разогрева битумной мастики в трассовых условиях.
Задача по совершенствованию комбинированных изоляционных покрытий с использованием армированных материалов, с целью их применения на трубопроводах диаметром до 1420 мм включительно, входит в ряд актуальных задач обеспечения надежности и работоспособности магистральных трубопроводов. Это обуславливает необходимость проведения научных исследований для всесторонней проработки методики подбора составных частей комбинированного покрытия и расчета его на прочность.
Ремонт трубопроводов, проложенных в болотистой местности, характерной для Западной Сибири, возможен преимущественно в зимнее время, в период промерзания болот. Анализ статистики повреждаемости изоляции этих трубопроводов показывает, что в ряде случаев наиболее эффективным может быть выборочный ремонт участками протяженностью от нескольких метров до нескольких десятков метров без применения тяжелой техники. Разработка методов выборочного ремонта может основываться на применении армированных рулонных изоляционных материалов и предусматривать условия неполного промерзания болот.
Разработка метода выборочного ремонта магистральных трубопроводов большого диаметра с применением армированных изоляционных материалов в условиях отрицательных температур является важной и актуальной инженерной задачей.
Целью диссертационной работы является разработка метода выборочного ремонта трубопроводов большого диаметра в условиях отрицательных температур с применением армированных изоляционных покрытий рулонного типа.
Основные задачи работы
Провести анализ характеристик существующих изоляционных покрытий и материалов, исследовать возможность применения комбинированных изоляционных покрытий на битумной основе для трубопроводов большого диаметра при отрицательных температурах.
Разработать и исследовать компоненты и конструкцию армированного рулонного изоляционного покрытия на битумной основе для трубопроводов большого диаметра, эксплуатирующихся в условиях Западной Сибири.
Разработать методику расчета на прочность армированного изоляционного покрытия для трубопроводов большого диаметра при воздействии строительных и эксплуатационных нагрузок.
Разработать метод капитального ремонта трубопроводов, проложенных в болотистой местности, с заменой изоляции при отрицательных температурах.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Впервые предложена конструкция комбинированного изоляционного покрытия повышенной прочности для выборочного ремонта трубопроводов диаметром до 1420 мм включительно. На основе результатов проведенных лабораторных и стендовых испытаний научно обоснованы свойства изоляционных материалов, входящих в состав комбинированного покрытия, соответствующего ГОСТ Р 51164-98 [30].
Разработан метод расчета на прочность армированного изоляционного покрытия для трубопроводов большого диаметра при воздействии основных строительных и эксплуатационных факторов, получены зависимости по оценке деформаций и необходимой толщины покрытия рулонного типа для его нанесения при отрицательных температурах.
Предложены научно обоснованные технические решения по модернизации изоляционной машины и созданию ремонтной герметичной камеры.
s Апробация работы
Основные положения диссертации докладывались:
на семинаре Европейской комиссии «Новые технологии и материалы для строительства и ремонта трубопроводов» (г. Тюмень, 4-5 ноября 2003 г.);
на научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности объектов трубопроводного транспорта углеводородного сырья» (г. Уфа, 19 мая 2004 г.).
Практическая ценность и реализация результатов работы:
на основе результатов проведенных исследований разработаны материалы и конструкция рулонного армированного изоляционного покрытия «Армопластобит-трансгаз» для трубопроводов большого диаметра;
разработан метод выборочного ремонта трубопроводов большого диаметра с заменой изоляции в условиях отрицательных температур;
разработан метод расчета прочностных свойств комбинированного изоляционного покрытия.
Публикации
Основные положения диссертации опубликованы в 7 печатных работах.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, основных выводов и библиографического списка использованной литературы, включающего 105 наименований, содержит 127 страниц машинописного текста, 35 рисунков, 18 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и основные задачи исследований, показана научная новизна, изложены сведения по апробации и практической ценности работы.
В первом разделе выполнен анализ характеристик существующих изоляционных покрытий трубопроводов больших диаметров, проанализированы основные причины возникновения дефектов изоляции и их виды, а также способы их устранения.
Наибольший интерес представляют материалы, имеющие широкую сырьевую базу в России, и, в первую очередь, те, которые уже показали высокие эксплуатационные и технологические свойства при ремонте магистральных нефтепроводов. К ним относятся покрытия битумно-полимерного типа «Пластобит».
Опыт капитального ремонта магистральных нефтепроводов показал, что комбинированные изоляционные покрытия «Пластобит» и «Пластобит-40» (ТУ 39-1076-94) обеспечивают эффективную защиту трубопроводов. Конструкция покрытия состоит из грунтовки, мастики битумно-полимерной, ленты изоляционной и защитной обертки. В качестве грунтовки используются ГПБ-1, ГТ-831, ГТ-760 ИН или битумная. В качестве мастик применяются битумная изоляционная «Изобит», битумно-полимерная «Изобитен-Н», би-тумно-резиновая МБР. Используются полимерные изоляционные ленты, преимущественно поливинилхлоридные (ПВХ). Для обертки применяются оберточные материалы рулонного типа с прочностью не менее 0,5 МПа и толщиной в пределах 0,5-1,2 мм. Долговечность покрытий этого типа сопоставима с ресурсным сроком службы трубопровода.
Однако область применения покрытия «Пластобит» ограничена диаметром трубопровода 820 мм включительно.
Для капитального ремонта магистральных нефтепроводов большого диаметра «Дружба-1» (1020 мм) и «Дружба-И» (1220 мм) было разработано покрытие «Армопластобит», повышенные прочностные характеристики ко-
торого достигнуты за счет введения в конструкцию покрытия «Пластобит-40» армированного рулонного материала - нитепрошивной стеклосетки.
Работы по капитальному ремонту изоляции нефтепроводов «Дружба-1» и «Дружба-И» с применением покрытия «Армопластобит» проводятся ремонтно-строительными колоннами с использованием гусеничной техники и со средней производительностью 70 км в год.
Для трубопроводов, пролегающих в болотистой местности Западной Сибири, ремонт изоляции в большинстве случаев возможен только в зимних условиях при замерзании болот. Но и тогда применение тяжелой техники ограничено. Локальный характер дефектов трубопроводов делает целесообразным выборочный ремонт, когда длина ремонтируемого участка находится в пределах от нескольких метров до нескольких десятков метров.
Анализ основных причин возникновения дефектов изоляционных покрытий трубопроводов Западной Сибири показал, что локальные дефекты возникают из-за применения некачественных либо несоответствующих изоляционных материалов, некачественного нанесения грунтовки на трубопровод, нарушения технологии изоляционно-укладочных работ и засыпки трубопровода, механических воздействий грунта при эксплуатации, физико-химического воздействия грунта, приводящего к вымыванию пластификаторов из изоляционных лент, нарушения температурного режима эксплуатации трубопроводов, низкого качества электрохимзащиты, несоблюдения режимов нанесения изоляционных покрытий в зимних условиях, смерзания изоляционного покрытия трубопровода с водонасыщенным грунтом.
Исходя из этого, к изоляционным покрытиям трубопроводов больших диаметров, проложенных в болотистой местности Западной Сибири, предъявляются повышенные требования, которым не отвечает ни один отечественный или зарубежный аналог, поэтому должны быть проведены специальные исследования композиций компонентов изоляционного покрытия применительно к конкретным условиям эксплуатации трубопроводов, наличию сырьевой базы, технологичности процесса нанесения при отрицательных темпе-
11 ратурах. Эти условия определяют требования к свойствам материалов, результаты исследований которых приведены в разделе 2.
Второй раздел посвящен подбору и исследованию свойств компонентов армированного изоляционного покрытия на битумной основе.
Под руководством автора разработана конструкция нового изоляционного покрытия «Армопластобит-трансгаз», включающего грунтовку «Стрим-пласт-грунт», изоляционную ленту битумно-полимерную армированную «Армопластобит-рулон», заіщггаую обертку «Терма» или защитную обертку «Полилен». Лента «Армопластобит-рулон» представляет собой уже сформированную композицию на основе ПВХ-ленты, битумно-полимерной мастики, армирующего материала. Толщина ленты «Армопластобит-рулон» составляет 3,5 мм, а общая толщина покрытия «Армопластобит-трансгаз» не менее 4,2 мм.
В результате проведенных лабораторных и стендовых испытаний грунтовки «Стримпласт-грунт» установлено, что ее вязкость составляет 15-20 сек. Это позволяет использовать ее при отрицательных температурах воздуха (до минус 40 С). Грунтовка обеспечивает укрывистость на уровне 70 %, сплошность грунтовочного слоя без дефектов. Относительное удлинение при отрыве составляет не менее 250 % при положительной температуре и не менее 200 % при отрицательной (не ниже минус 20 С), температура хрупкости составляет минус 40 С, водопоглощение не превышает 0,5 %, площадь катодного отслаивания (при использовании ленты «Армопластобит-рулон») составляет в среднем 2 см2. Грунтовка «Стримпласт-грунт» рекомендована к использованию в конструкциях покрытий №№ 11, 12 и 18 по ГОСТ Р 51164-98 (покрытия усиленного типа).
В результате проведенных лабораторных и стендовых испытаний защитных и изоляционных свойств материала «Армопластобит-рулон» установлено, что температура хрупкости мастичного битумно-полимерного слоя (на основе мастики «Изобит») составляет минус 20 С. Гибкость материала «Армопластобит-рулон» сохраняется в температурном интервале от плюс 40 до минус 20 С. По характеристикам водопо-
глощения, площади катодного отслаивания материал соответствует требованиям ГОСТ Р 51164-98. Определены прочностные характеристики покрытия «Армопластобит-рулон»: прочность при ударе в интервале температур от плюс 40 до минус 40 С составляет около 4,0 Дж; относительное удлинение при отрицательной температуре (минус 20 С) составляет 100 %, что обусловлено характеристиками армирующего материала. Прочность при разрыве при температуре плюс 20 С составляет 8,0 МПа, что позволяет рекомендовать использование материала для трубопроводов диаметром 1420 мм. Переходное сопротивление 109 Ом-м2, при напряжении 5 кВ/мм электрический пробой отсутствует. Материал «Армопластобит-рулон» рекомендуется к использованию в конструкциях покрытий усиленного типа №№ 11, 12 по ГОСТ Р 51164-98.
В результате проведенных лабораторных и стендовых испытаний оберточной термоусаживающейся ленты «Терма-40» на соответствие ее показателей требованиям ТУ 2245-002-44271562-00 и ГОСТ Р 51164-98 определены прочностные характеристики. Прочность при разрыве составляет в среднем 17,2 МПа, относительное удлинение - 300 %. Прочность при ударе в интервале температур от плюс 40 до минус 40 С составляет более 10,0 Дж, водо-насыщение - 0,5 % (в пределах нормы). Переходное сопротивление составля-ет 10 Ом-м , электрический пробой при напряжении 5 кВ/мм отсутствует. В целом лента «Терма-40» по ТУ 2245-002-44271562-00 соответствует требованиям ГОСТ Р 51164-98 к конструкциям покрытий №№ 8, 11, 12, 13, 14, 18 и может быть использована в качестве обертки в покрытии «Армопластобит-трансгаз».
Лабораторные и стендовые испытания покрытия «Армопластобит-трансгаз» показали, что прочность при ударе в интервале температур от плюс 40 до минус 40 С составляет 5,0 Дж, площадь катодного отслаивания не пре-вышает 4-5 см при температуре плюс 40 С, переходное сопротивление состав-
ляет 109-1010Ом м2, при напряжении 5 кВ/мм электрический пробой отсутствует.
В третьем разделе приведена методика расчета на прочность армированного изоляционного покрытия «Армопластобит» для трубопроводов диаметром до 1420 мм включительно.
Учитывая сложность конструкции покрытия и разнообразие механических и физических свойств элементов покрытия, решены следующие задачи:
определен уровень контактных напряжений для оценки прочности элементов покрытия при заданных схемах нагружения;
выявлены сечения элементов покрытия, где происходят значительные деформации, и оценен уровень этих деформаций при тех же схемах нагружения.
При обтекании трубопровода грунтом в процессе вертикального перемещения трубопровода максимальная интенсивность напряжений по границе трубы и изоляционного покрытия достигает 0,46 МПа в точках, удаленных на 450-490 мм от верхней образующей. Максимальные значения горизонтальных составляющих нормальных напряжений (ах) составляют около 0,2 МПа примерно в тех же точках.
Расчет продольных перемещений показал неравномерность распределения перемещений по круговому сечению из-за значительных различий механических характеристик грунтов в основании траншеи и засыпки. Максимальные нормальные напряжения - 0,3 МПа - имели место по контакту трубы с дном траншеи из-за внецентренного растяжения принятого к расчету отрезка трубопровода. Продольные перемещения не превысили 1 мм по нижней образующей трубы.
Расчеты напряженно-деформированного состояния покрытия с введением механической модели вязкопластического тела Максвелла-Сен-Венана показали возможность значительных (до 50-60 мм) суммарных перемещений наружных слоев покрытия и достижения интенсивности напряжений в 0,3-0,5 МПа в слое изоляционной мастики.
В четвертом разделе изложены основные результаты по разработке и внедрению метода выборочного ремонта трубопроводов большого диаметра в условиях отрицательных температур с применением армированных рулонных изоляционных материалов.
Использование покрытия «Армопластобит-трансгаз» требует частичной модернизации изоляционной машины.
После проведения анализа конструкций ряда существующих изоляционных машин установлено, что базой модернизированной изоляционной машины может быть конструкция «МИ» ОАО «Курганмашзавод». В составе машины предложено разработать узел смотки антиадгезивного слоя в процессе нанесения изоляции и узел подогрева. Нанесение изоляции «Армопластобит-трансгаз» будет производиться по предварительно подготовленной и загрунтованной этой же изоляционной машиной поверхности трубопровода. Изоляционная машина, кроме того, одновременно должна производить прикатку поверхности нанесенной ленты роликами, которые автоматически устанавливаются на необходимый угол в зависимости от выбранной скорости хода и режима работы машины.
Для проведения ремонтных работ при неполном промерзании болот разработана и внедрена конструкция ремонтной герметичной камеры.
Камера включает корпус, состоящий из двух половин-«челюстей», образующих при смыкании герметичную полость. Для увеличения жесткости камеры «челюсти» оребрены. Правая и левая «челюсти» представляют собой сварную металлическую конструкцию, они соединены между собой шарнирами. На оси шарниров навешаны направляющие, верхние концы которых крепятся к подвеске из двутавровой балки, к которой, в свою очередь, приварены оседержатели шарниров гидроцилиндров и ушки для строповки камеры.
Разъем камеры оснащен режущими кромками, заходящими одна за другую и плотно поджимающими резинотканевую пластину, прикрепленную к одной из «челюстей» по краю. Торцевые стенки камеры оснащены узлами
герметизации в виде двух металлических полуколец с собственно герметизатором - маслобензостойкой резиной. Резина крепится к полукольцам болтами при помощи стальных пластин. Полукольца соединены болтовым соединением с полупатрубками, приваренными к торцевому разъему стенок.
Если глубина заложения трубопровода (до верхней образующей) больше 1,0 м, применяется приставка. Она устанавливается по верхнему периметру корпуса и закрепляется болтами.
Для балластировки камеры от выталкивающей силы, возникающей при откачке болотной массы из камеры, применяются грузы, представляющие собой разборные металлические емкости квадратного сечения. Во время работы грузы заполняются откачиваемой из камеры водой. Грузы транспортируются в разобранном виде, сборка производится на месте.
Камера снабжена стойками из труб. Забитые в грунт стойки придают камере устойчивое положение на трубопроводе.
Камера изготавливается в комплекте с насосной станцией для привода гидроцилиндров камеры. Рабочее давление в гидросистеме не более 10 МПа.
Разработанные материалы и технические средства показали высокие технологические и эксплуатационные свойства.
Особенности эксплуатации и причины снижения надежности магистральных трубопроводов
В настоящее время магистральные трубопроводы являются основным средством для транспортировки энергоносителей.
Основным конструкционным материалом, используемым для изготовления трубопроводов, является сталь, которая обладает хорошими конструкционными свойствами, но низкой коррозионной устойчивостью, особенно в условиях подземной прокладки [55, 72, 92].
Разнообразие природно-климатических условий эксплуатации трубопроводов, а также высокие механические и тепловые нагрузки предъявляют повышенные требования как к материалам труб, так и к изоляционным покрытиям. Причем, механические свойства металла труб и защитные свойства изоляционных покрытий должны оставаться стабильными в течение всего срока эксплуатации трубопроводов, который, как показывает практика, превышает 50 лет и в перспективе может достигнуть 100 лет. Если металлы еще могут прослужить такой срок при соответствующих качествах диагностики и защиты от коррозии, то изоляционные материалы трубопроводов, построенных из труб без заводской изоляции (таких подавляющее большинство), теряют свои защитные качества в течение сроков, не превышающих 20 лет. Поэтому в настоящее время длительность эксплуатации трубопроводов главным образом ограничивается свойствами изоляции [4, 7, 19, 57, 64, 68, 75, 77, 81].
Анализ эксплуатационных характеристик наиболее широко используемых антикоррозионных покрытий показывает, что они не обладают в полной мере теми свойствами, которые необходимы для защиты трубопроводов от почвенной коррозии [18, 56, 66]. Таким образом, несмотря на большую гамму применяемых защитных покрытий, по-прежнему актуальной является проблема разработки новых, более эффективных изоляционных покрытий для трубопроводов подземной прокладки [24, 34, 36, 53, 76, 82]. Более того, проблема создания качественных защитных покрытий является ключевой для дальнейшего развития всего трубопроводного транспорта страны.
Главным требованием, предъявляемым к защитным покрытиям, является надежность защиты трубопроводов от коррозии в течение всего срока их эксплуатации [17, 25]. Для обеспечения этого качества покрытие должно обладать комплексом следующих основных свойств: - высокой адгезией к стальной поверхности; - химической стабильностью при воздействии воды, почвы, углеводородов, атмосферных газов; - высокой эластичностью и механической прочностью; - высокими диэлектрическими свойствами; - широким температурным диапазоном сохранения требуемых физико-механических свойств; - безопасностью для человека и природы; - технологичностью производства и применения; - низкой стоимостью. Эти свойства дополняются следующими требованиями: - сопротивление к катодному разрушению и блуждающим токам; - низкая влагонабухаемость; - высокое сопротивление осмосу и электроосмосу; - биологическая стабильность; - стойкость к солнечной радиации; - химическая стойкость по отношению к коррозионным агентам: кислороду, водным растворам солей, кислот и оснований; - возможность противостоять стресс-коррозии трубопроводов; - устойчивость защитных свойств при локальных механических по вреждениях изоляции; - стабильность свойств в течение длительного времени; - широкий температурный диапазон нахождения в высокоэластичном состоянии (высокая температура размягчения и низкая температура хрупкости); - способность растворять продукты коррозии; - практически приемлемое требование к чистоте поверхности металла перед нанесением; - возможность нанесения на действующие трубопроводы в полевых условиях; - возможность нанесения машинами и вручную; - недефицитность исходных материалов (сырья).
Общая протяженность магистральных нефтепроводов в России составляет около 50 тыс. км. Наиболее характерны диаметры 720-1220 мм. Изоляция нефтепроводов, в основном, битумная и пленочная. Средний возраст магистральных нефтепроводов составляет 30 лет, но в то же время имеются трубопроводы, которые находятся в эксплуатации более 50 лет. Средняя аварийность за последние годы составляет 0,18 аварий на 1000 км в год.
Общая протяженность магистральных газопроводов составляет более 150 тыс. км. Из них 30 % эксплуатируется более 20 лет, 14 % - более 30 лет. Средний возраст газопроводов составляет 22 года [14, 58, 63]. Наиболее характерные диаметры 1020-1420 мм. Изоляция магистральных газопроводов пленочная. В последние годы при строительстве новых газопроводов применяются трубы с заводской изоляцией. Средняя аварийность составляет 0,24 аварии на 1000 км в год.
Около 40 % всех магистральных газонефтепроводов (по протяженности) отработало 20 лет и более. Изоляция этих трубопроводов практически исчерпала свой эксплуатационный ресурс. Аналогичные проблемы возникают и при эксплуатации магистральных нефтегазопроводов за рубежом [91, 94, 101, 103, 105]. Поэтому для обеспечения надежности требуется постоянно увеличивать объемы и качество комплексного диагностирования и ремонта трубопроводов.
Разработка и исследование свойств грунтовки
Грунтовка является основным компонентом, обеспечивающим прочную связь между металлической поверхностью трубопровода и защитным изоляционным покрытием. В условиях отрицательных температур нанесение горячего битумного покрытия типа «Пластобит» на поверхность трубопровода осложняется существенным перепадом температур мастики (160-180 С) и поверхности трубы. Если свойства грунтовки не позволяют обеспечить адге-зионно-когезионный характер взаимодействия компонентов, то за короткий промежуток времени мастичный слой охлаждается, и прочное сцепление с металлом не обеспечивается.
Как правило, используемые грунтовки представляют собой смесь би-тумно-полимерной изоляционной мастики в органическом растворителе с клеевыми химическими соединениями на основе изобутиленов, бутилкаучу-ка, поливинилацетатов.
Совместно с АО «Стрим» нами разработана и испытана грунтовка «Стримпласт-грунт» на битумной основе с добавкой СБС-полимеров, растворителя, пластификатора, минерального наполнителя и адгезива. Проведены лабораторные испытания характеристик праймера «Стримпласт-грунт» в сравнении с лучшими образцами отечественных грунтовок заводского приготовления, рекомендованных к применению ОАО «Институт ВНИИСТ» для АК «Транснефть» [26]. Определения выполнены в соответствии с ГОСТ Р 51164-98. В таблице 12 приведены результаты испытаний защитных и адгезионных свойств грунтовок.
Как можно видеть из данных таблицы 12 адгезия праймера «Стримпласт-грунт» в 4 раза превышает значения показателей грунтовок «Транскор», «Битэп», «Биом-2». Температура хрупкости в среднем ниже на 15-20 С, соответственно показатели удлинения при отрицательной температуре выше в 2-4 раза. Существенно лучше показатель площади катодного отслаивания. В силу важности показателя вязкости для возможности применения грунтовок в зимних условиях были проведены сравнительные испытания вязкости праймеров при отрицательных температурах. Результаты испытаний приведены на рисунке 5.
Применение высокоэффективных и долговечных покрытий магистральных трубопроводов типа «Пластобит», состоящих из последовательных слоев грунтовки, битумно-полимерной мастики и полимерной оберточной ленты, имеет ряд ограничений как по механическим свойствам покрытия, так и по температурно-технологическим режимам нанесения.
Наибольшую значимость для изоляции трубопроводов представляют материалы, имеющие широкую сырьевую базу. К таким материалам относятся полиэтилен, поливинилхлорид и различные битумы [18,41].
Битумы представляют собой коллоидные системы, в которых дисперсионной средой являются масла и смолы, а дисперсной фазой - насыщенные высокополициклические соединения - асфальтены. Поэтому битумы в присутствии воды и поверхностно-активных веществ образуют непрочные водно-битумные дисперсные системы - битумные эмульсии. Температурные условия, окислители, адсорбирующие вещества также сильно изменяют свойства битумов как изоляционного материала в худшую сторону. Между тем, известно, что в природных локализованных условиях естественные битумы сохраняются без разрушения неограниченное время. Объемы промышленной добычи этих битумов весьма малы. Широко используются битумы, являющиеся продуктом переработки нефти, и их качество как изоляционного материала зависит от глубины переработки нефти. Рост глубины переработки нефти ведет к ухудшению качества битумов из-за уменьшения в них масляных фракций. Тем не менее, битумы, являясь доступным и недорогим материалом, обладают достаточными свойствами как защитное покрытие: пластичностью, технологичностью, а также совместимостью с различными наполнителями, позволяющими изменять исходные свойства битумов в нужном направлении [46, 50, 67].
Благодаря достаточной сырьевой базе и стойкости к воздействию влаги, кислот и оснований, неизбежно присутствующих в грунтовых водах, широкое применение в трубопроводном транспорте в качестве изоляционного материала нашли полиэтилен и поливинилхлорид, наносимые в виде липких лент или методом напыления или экструдирования. Эта группа материалов обладает рядом положительных свойств, которые позволили им в последние десятилетия войти в число наиболее применяемых изоляционных материалов, наносимых в базовых (заводских) или полевых условиях. В то же время практика эксплуатации выявила недостатки. В процессе эксплуатации полиэтилен под влиянием механических воздействий и сравнительно невысоких температур подвергается усадке с появлением внутренних напряжений и трещин. Как неполярный материал, полиэтилен обладает весьма низкими адгезионными свойствами. Полиэтилен в процессе эксплуатации становится весьма проницаемым для коррозионно-активных реагентов, что проявляется, как правило, в появлении в однослойных покрытиях через 3-4 года сплошной коррозии, подпленочной коррозии, что особенно выражено в конструкциях покрытий из липких полиэтиленовых изоляционных лент. У полиэтилена под действием кислорода резко ухудшаются физико-механические свойства. Для уменьшения коррозии в полиэтилен вводят различные наполнители из класса антиоксидантов. К этой же группе из полиолефинов можно отнести и полипропилен [21, 69, 70, 102].
Результаты анализа свойств изоляционных материалов и обследования состояния защитных покрытий из них позволяют сделать выводы о необходимости повышения эксплуатационных качеств материалов [55, 75, 89, 90, 95].
Покрытия, состоящие из мономатериалов, как показывают результаты обследований, не отвечают требованиям, предъявляемым к покрытиям для магистральных нефтепроводов, рассчитанным на весьма длительный срок эксплуатации, различные условия нанесения и эксплуатации. Материалы требуют усовершенствования, направленного на повышение эксплуатационных качеств. Эту задачу можно успешно решать применением комбинированных покрытий, состоящих из двух и более компонентов. Для расширения номенклатуры материалов на основе модифицированных битумно-полимерных мастик, используемых для изоляции при выборочном ремонте трубопроводов, разрабатываются рулонные битумно-полимерные материалы.
Улучшение прочностных и эксплуатационных характеристик покрытий типа «Пластобит», в том числе и для трубопроводов диаметрами 1020-1220 мм, достигается за счет введения в конструкцию покрытия армирующих элементов в виде нитепрошивной сетки. В ГУЛ «ИПТЭР» разработана технология нанесения в базовых условиях армированного изоляционного покрытия «Армопластобит» [22].
Конструктивная схема покрытия и механические характеристики его элементов
Покрытие «Армопластобит» представляет собой многослойную конструкцию из композитного материала (рисунок 7).
Для последующего построения расчетных моделей покрытия необходимо задаться реальными значениями физических, механических и теплоде-формационных характеристик элементов покрытия. Для примера рассмотрим следующую композицию (таблица 15).
В силу разной физической природы этих элементов, различий в технологии получения и нормативных базах сведение механических характеристик к эквивалентному и сопоставимому виду представляет собой достаточно трудную задачу.
С учетом вышесказанного при задании свойств элементов покрытия для расчетов напряженно-деформированного состояния поставлены следующие условия: - физические, механические и деформационные характеристики приведены для температуры плюс 25 С; - механические характеристики битумно-полимерной мастики «Изо-бит» приняты равными механическим характеристикам битумно-полимерной мастики «Изобитэп» по данным испытаний ОАО «Институт ВНИИСТ»; - механические характеристики каучуко-битумной клеевой грунтовки ГПБ-1 приняты по каучуку; - недостающие характеристики пленок ПВХ приняты по данным для винилпласта.
Механические характеристики элементов покрытия и стали трубы приведены в таблице 15. Сопоставление свойств показывает, что при температуре плюс 25 С прочность пленки на растяжение в десятки раз превышает прочность битумной мастики, а модуль общей деформации у пленки несоизмеримо больше. Поэтому наиболее слабым местом обычного покрытия «Пластобит» является низкое сопротивление сдвигу слоя мастики. В покрытии «Армопластобит» этот недостаток устраняется введением в слой мастики армирующей стеклосетки, обладающей высокими значениями модуля общей деформации и прочности на растяжение. За счет волоконного строения нитей стеклосетки обеспечивается идеальное сцепление сетки с битумной масти кой, что позволяет получить армированный стеклосеткои слой мастики, т.е. композитный материал с достаточно высокими эквивалентными механическими характеристиками сечения (приведенными характеристиками).
Основными деформационными и прочностными показателями композитного слоя являются: - прочность на растяжение армирующей стеклосетки, Rs, МПа; - прочность на растяжение битумной мастики, Rbt, МПа; - модуль общей деформации стеклосетки, Es, МПа; - модуль общей деформации битумной мастики, Es, МПа; - приведенный модуль общей деформации композитного слоя (битум со стеклосеткои), ЕрГ, МПа; - сопротивление сдвигу по поверхности контакта мастики с грунтовкой и адгезионным слоем пленки, определяемое адгезией, - та, МПа.
Приведенный модуль общей деформации композитного слоя (битум со стеклосеткои) в соответствии с принципом независимости действия сил определяется по формуле
Среди факторов, приводящих к ухудшению защитных свойств изоляционных покрытий, важное место занимают силовые взаимодействия изоля ционного покрытия, нанесенного на стенку трубы построенного, засыпанного грунтом и введенного в эксплуатацию подземного трубопровода.
Изоляционное покрытие подземного трубопровода с момента нанесения на трубу испытывает следующие воздействия: - давление собственного веса грунта при нахождении трубопровода в статическом равновесии; - действие сдвигающих напряжений при продольных подвижках трубопровода из-за изменения температуры и давления; - действие нормальных и касательных контактных напряжений при уплотнении грунта весом землеройных машин в процессе засыпки траншеи и планировки растительного слоя грунта; - действие нормальных и касательных контактных напряжений, возникающих в слоях покрытия от сопротивления грунта поперечным перемещениям трубопровода на криволинейных участках; - старение структуры материала покрытия. Соответствующие расчетные схемы взаимодействия труб с грунтами приведены на рисунках 8, 9,10.
Через какое-то время после засыпки трубопровода и ввода его в эксплуатацию осадка грунта стабилизируется, и структура грунта частично восстанавливается. Силовое воздействие грунта на поверхность изоляционного покрытия определяется давлением собственного веса грунта, исходя из модели линейно-деформируемого пространства (рисунок 8) в соответствии с [13]:
В зависимости от величины силы S, характеристик защемляющего действия грунта и циклического характера изменения продольной силы S, влияющей на характеристики сопротивления грунта продольным перемещениям трубопровода по границе контакта изоляционного покрытия с грунтом, возникают касательные напряжения, максимальные (предельные) значения которых определяются законом Прандтля-Кулона, а действие максимальных касательных напряжений имеет место в пределах участка трубопровода, протяженность которого определяется в соответствии с [13, 52, 73, 80]:
Определение основных параметров технологического процесса выборочного ремонта изоляции с применением покрытия «Армопластобит-трансгаз»
В ходе подготовительных работ участки трубопроводов, требующие капитального ремонта, определяются по результатам комплексного обследования состояния трубопроводов и определения эффективности противокоррозионной защиты [35, 84].
Обследование состояния изоляционных покрытий магистральных трубопроводов на основе битумно-полимерных мастик показывает, что наиболее часто встречающимися видами дефектов являются охрупчивание, растрескивание, отслаивание, а также образование гофр на боковых поверхностях, изменение толщины битумно-мастичного слоя по образующей трубы и механические повреждения. Дефекты обусловлены как химической деструкцией компонентов покрытий, так и физико-механическими процессами старения изоляции. Катодная защита поверхности трубы обеспечивает до определенного предела надежное функционирование магистрального трубопровода и при наличии дефектов изоляции, однако формирование макропар дифференциальной аэрации может существенно увеличить вероятность возникновения локальных коррозионных повреждений [85,40].
Предотвращение химической деструкции покрытий достигается введением в битумные мастики полимерных и ингибирующих добавок, а также подбором полимерных оберточных лент, одновременно предотвращающих десорбцию летучих компонентов покрытия и препятствующих встречной диффузии деполяризатора. Предотвращение физико-механических деструк-ционных процессов достигается улучшением механических характеристик конструкции покрытия, в частности, за счет армирования мастичного слоя изоляции [36, 39].
Сложность капитального ремонта трубопроводов, проложенных в болотистой местности и эксплуатирующихся в жестких природно-климатических условиях Западной Сибири, обусловлена труднодоступно-стью участков трубопроводов для осмотра, обследования и ремонта. Большинство участков доступно для проведения ремонтных работ преимущественно в зимнее время. Для успешной реализации методов капитального ремонта необходимы изоляционные материалы и композиции, пригодные для нанесения их в условиях отрицательных температурах, разработка технологических процессов выборочного ремонта изоляции в зимнее время, создание специальных средств малой механизации, модернизация существующих изоляционных машин [5, 6, 9, 20,48, 62].
В зависимости от условий эксплуатации трубопровода возможно нанесение покрытия «Армопластобит-трансгаз» по схеме «2+1» или «1+1». В первом случае последовательность нанесения составляющих покрытия следующая: праймер «Стримпласт-грунт», лента изоляционная битумно-полимерная армированная «Армопластобит-рулон» (два слоя), обертка «По-лилен». Для обеспечения требований к покрытиям усиленного типа по ГОСТ Р 51164-98 (конструкции №№ 11 и 12) и прочностных требований к покрытиям трубопроводов диаметром до 1420 мм включительно толщина изоляционной ленты должна составлять около 3,0-3,5 мм, что, в принципе, соответствует технологическим возможностям производства битумно-полимерной армированной ленты. Вместе с тем, для обеспечения эффективного адгезионного взаимодействия в системе «лента-лента» или «лента внахлест» может понадобиться дополнительное нанесение грунтовки на первый слой ленты. Это обстоятельство, а также определенные температурные ограничения применения полиэтиленовых материалов (склонность к растрескиванию при отрицательных температурах, низкое химическое сродство к битумным компонентам) обосновали наши рекомендации по опытно-промышленным испытаниям конструкции покрытия по схеме «1+1». Данная конструкция включает праймер «Стримпласт-грунт», ленту изоляционную битумно-полимерную армированную «Армопластобит-рулон» (один слой), оберточную термоуса-живающуюся ленту «Терма-40». Толщина ленты «Армопластобит-рулон» при этом должна составлять 4,0-4,5 мм, что обеспечивается возможностями производства и соответствует требованиям технических условий. Следует также отметить, что использование в конструкции покрытия термоусажи-вающейся оберточной ленты значительно улучшает защитные и эксплуатационные свойства изоляции.
Покрытие «Армопластобит-трансгаз» формируется непосредственно на поверхности изолируемого трубопровода последовательным нанесением компонентов покрытия: грунтовки, ленты битумно-полимерной армированной, защитной обертки (таблица 18). Процесс нанесения покрытия включает в себя три основные последовательные технологические операции: очистку поверхности трубы, нанесение изоляции, проверку качества изоляционного покрытия. Высокое качество изоляции обеспечивается точным выполнением технологических операций и применением необходимого оборудования для изготовления и нанесения изоляционных материалов.
