Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние промысловых трубопроводов в условиях Западной Сибири 7
1.1. Продукция месторождений Западной Сибири 7
1.2. Анализ состояния промысловых трубопроводов 11
1.2.1. Оценка долговечности и работоспособности трубопроводов 11
1.2.2. Анализ причин возникновения отказов на промысловых трубопроводах 16
Выводы по главе 22
Глава 2. Анализ методов обеспечения безотказной работы промысловых трубопроводов 23
2.1. Повышение надежности работы трубопроводов методами технического обслуживания и ремонта 24
2.2. Анализ использования изоляционных покрытий для защиты трубопроводов от внутренней коррозии 30
2.3. Использование биметаллических трубопроводов с плакировкой из коррозионно-стойкого сплава 36
2.4. Использование стеклопластиковых труб 38
2.5. Использование полиэтиленовых труб 45
Выводы по главе 57
Глава 3. Разработка мероприятий по повышению надежности промысловых трубопроводов 58
3.1. Разработка методики определения оптимальных параметров двухтрубной конструкции 58
3.2. Экспериментальные исследования 78
. 3.2.1. Описание экспериментальной установки 79
Выводы по главе 84
Глава 4. Разработка технологии монтажа двухтрубной полиэтиленовой конструкции 85
4.1. Проталкивание трубопровода 85
4.2. Разработка технологии монтажа внутреннего трубопровода с помощью энергии сжатого воздуха 88
4.3. Исследование динамики движения внутреннего трубопровода двухтрубной полиэтиленовой конструкции 91
4.4. Расчет воздушной подушки для поддержания полиэтиленовой трубы-вставки при ремонте трубопровода 95
4.5. Особенности создания воздушной подушки в длинной цилиндрической трубе 100
Выводы по главе 104
Основные выводы по работе 105
Список литературы
- Продукция месторождений Западной Сибири
- Повышение надежности работы трубопроводов методами технического обслуживания и ремонта
- Разработка методики определения оптимальных параметров двухтрубной конструкции
- Разработка технологии монтажа внутреннего трубопровода с помощью энергии сжатого воздуха
Введение к работе
Актуальность темы. Поступающая из нефтяных и газовых скважин продукция представляет собой смесь, в которой присутствуют: пластовая вода, попутный газ, твердые частицы механических примесей. Соответственно по промысловым трубопроводам перекачиваются жидкости, которые содержат в больших количествах коррозионно-активные компоненты: сероводород; двуокись углерода; ионы хлора и др. В результате чего сроки службы промысловых трубопроводов значительно ниже нормативных и уменьшаются на месторождениях Западной Сибири до 1,5 — 3 лет.
Следовательно, предприятиям отрасли для поддержания плановых объемов добычи и безаварийной перекачки добываемых продуктов необходимо применение в трубопроводах материалов, не подверженных коррозионному разрушению, и поддержанию надежной работы промысловых трубопроводов. Одним из таких материалов является полиэтилен низкого давления (ПЭНД) высокой плотности (ПЭВП). Трубы, изготовленные из ПЭНД, обладают рядом положительных свойств, таких как: высокая пластичность, низкая жесткость, химическая стойкость к различным средам, долговечность и др. Однако полиэтиленовые трубы имеют относительно невысокую несущую способность.
В связи с этим разработка конструктивных решений и технологий строительства, повышающих по давлению несущую способность таких трубопроводов, является актуальной задачей.
Состояние изученности вопросов темы. Вопросами повышения надежности промысловых трубопроводов занимались многие ученые, такие как: И.Г. Абдуллин, Д.Е. Бугай, А.Г. Гареев, Н.А. Гафаров, М.Д. Гетманский, А.Я. Гольдфарб, А.Г. Гумеров, В.А. Иванов, В.М. Кушнаренко, Ф.Н. Маричев, Э.П. Мингалев, А.В. Мостовой, Ф.М. Мустафин, В.В. Новоселов, В.М. Рябов, Л.С. Саакиян, И.М. Сабиневская, И.А. Соболева, А.Т. Фаритов, А.Г. Хуршудов и другие, на результатах работ которых основывался автор в своих исследованиях.
Цель и задачи исследований. Целью исследований является разработка конструкции и технологии монтажа специальных устройств для повышения долговечности трубопровода.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
разработать методику расчета определения оптимальных параметров двухтрубной конструкции;
разработать конструкцию и технические решения по монтажу комбинированных секций с использованием энергии сжатого воздуха;
исследовать характер устойчивого движения монтируемого трубопровода внутри трубы-оболочки;
получить расчетные характеристики геометрических параметров двухтрубной конструкции;
разработать технологию монтажа полиэтиленовых вставок большого диаметра для ремонта стальных дефектных трубопроводов.
Методика исследования. Поставленные задачи решались путем проведения теоретических и экспериментальных исследований.
Теоретические и практические исследования базируются на теорию упругости и пластичности.
Экспериментальные исследования проводились на базе «Научно исследовательского института безотходных технологий нефтегазового комплекса» (НИИ БТНГК) при Тюменском государственном нефтегазовом университете. Использовалось сертифицированное оборудование, технологические схемы соответствовали требованиям нормативных документов.
Научная новизна. На основании выполненных исследований получены следующие результаты:
разработана комбинированная двухтрубная конструкция, повышающая прочность промыслового трубопровода;
разработана пневмо- технология монтажа рабочего (внутреннего) трубопровода в трассовых условиях;
определен режим движения рабочего трубопровода при монтаже с использованием энергии сжатого воздуха;
определены рабочие параметры двухтрубной конструкции при начальном избыточном давлении в межтрубном пространстве;
разработана технология монтажа рабочего полиэтиленового трубопровода на воздушной подушке.
Практическая ценность. Результаты проведенных исследований апробированы в ООО «Сургутподводтрубопроводстрой» и рекомендуются для включения в лекционные курсы студентов по специальности: «Проектирование, сооружение и эксплуатация газонефтепроводов, баз и хранилищ».
Апробация работы и публикации. Основные положения диссертационной работы были представлены на научно-практическом семинаре «Транспортный комплекс-2002» в 2002г., на научно - техническом семинаре ТюмГНГУ (Тюмень, 2003г.), научно-практической конференции «Нефть и газ. Новые технологии в системах транспорта» в 2004 г., расширенном заседании кафедры «СиРНГО» в 2003г. и 2004г. По результатам исследований опубликовано 6 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, выводов и 2 приложений. Работа изложена на 123 страницах и содержит 20 таблиц, 42 рисунка и список литературы из 101 наименования.
Продукция месторождений Западной Сибири
Повышение надежности промысловых трубопроводов может осуществляться посредством системы технического обслуживания и ремонта. Целью которой является поддержание их в работоспособном состоянии.
На сегодняшний день различают два основных направления в технологии ремонта промысловых трубопроводов: - традиционные; - на основе использования методов внутритрубного ремонта трубопроводов. К традиционным относятся следующие виды ремонта:
Первый способ ремонта - замена участка, подлежащего ремонту, новым — связан с невозможностью остановки перекачки добываемого продукта на длительный срок. В этом случае параллельно действующему трубопроводу (в 3...4 м от него) сооружается новый участок той же длины из труб того же диаметра.
После монтажа, продувки и испытания вновь сооруженного участка трубопровода на прочность и герметичность заменяемый участок вырезается и на его место производится врезка сооруженного участка. Вырезанный участок вскрывается, извлекается из траншеи, освобождается от изоляции, для удобства перевозки разрезается на секции и ремонтируется.
Главное преимущество этого способа заключается в том, что трубопровод выводится из эксплуатации только на время врезки в него вновь сооруженного участка, что при надлежащей подготовке и организации работ требует от 8 ч-18 ч, в зависимости от диаметра трубопровода и других условий.
Второй способ ремонта - в траншее. При ремонте участка большой протяженности работы по нанесению изоляции и укладке можно производить поточным методом, то есть все виды работ, начиная с земляных и кончая укладкой трубопровода на дно траншей и засыпкой, могут производиться одновременно, следуя одна за другой.
Участок трубопровода, подлежащий ремонту, вырезается и полностью освобождается от перекачиваемого продукта. Очистная машина производит первичную очистку трубопровода с освобождением его от старой изоляции. Трубопровод осматривается, производится ремонт стенки труб, затем следует вторая очистная машина, поддерживаемая на трубопроводе трубоукладчиком. Она очищает трубопровод от ржавчины и грязи и наносит грунтовку. Следом идет изоляционная машина, затем трубопровод укладывается на дно траншеи и засыпается.
Производство ремонта таким способом возможно на сухих участках трассы. Если имеется возможность остановки трубопровода на все время производства ремонтных работ, то этот способ можно считать наиболее рациональным.
Третий способ ремонта - участок трубопровода, подлежащий ремонту, вырезается из трубопровода по обоим концам. Далее траншея вскрывается до нижней образующей трубопровода. Освобожденный от грунта участок трубопровода поднимается на поверхность земли и укладывается на лежки, на расстоянии 2...3 м от бровки траншеи.
После очистки, ремонта труб, вторичной очистки, нанесения изоляции участок трубопровода опускается в траншею, производится врезка в трубопровод.
Это способ применим для участков небольшой протяженности при высоком уровне грунтовых вод, не позволяющем производить работы в траншее. Четвертый способ ремонта — в траншее между перемычками с попутной проверкой наличия утечек продукта и ликвидацией их. Возможности применения машин и механизмов в данном случае весьма ограничены, поэтому этот способ является весьма трудоемким и редко используемым.
Рассмотренные способы ремонта трубопроводов являются основными и в зависимости от количества механизмов и условий работы могут несколько видоизменяться [59].
В последнее время наряду с традиционными методами ремонта увеличивается доля внутритрубного ремонта.
Западный рынок внутритрубного ремонта и восстановления подземных коммуникаций насыщен большим количеством компаний. К числу наиболее известных компаний относятся Insituform Technologies, InLiner USA, Miller Pipiline Corp., Phillips Driscopipe, Trenchless Infrastructure Technologies Inc. (TITI) и связанные с ней Hydroscope Inc. и Cook Construction Company Inc., Ulrali-ner, Link-Pipe, Pipelining Products, PIM Corp., CSR Pipeline Systems, Lamson and Sessions Co., Plexco, Danby of North America, Sure Grip Pipe Co., Conduit Technologies Corp. и др.
За рубежом специалисты условно делят подлежащие ремонту трубопроводы на две группы по размерам поперечного сечения: 1. 600 мм и менее; 2. Более 600 мм. Первая группа составляет 80 % объема рынка. Причем процесс обновления существующих трубопроводов распределялся в 1997 году в соотношении 30:70 между перекладкой и ремонтом, а в 2000 г. это соотношение еще больше изменилось в пользу ремонта и составило 10:90.
Повышение надежности работы трубопроводов методами технического обслуживания и ремонта
В качестве повышения уровня несущей способности полиэтиленового трубопровода, в работе рассматривается двухтрубная конструкция, в предпосылке, что наружная труба частично воспринимает также кольцевые нагрузки от внутреннего давления, перекачиваемого продукта. Существующие в настоящее время двухтрубные конструкции по такому принципу не работают, поэтому рабочее давление испытывает внутренняя (рабочая) труба, а наружная нагрузок от перекачиваемой среды не несет, являясь своего рода кожухом.
Принцип работы предлагаемой конструкции основан на частичной компенсации внутреннего давления, от перекачиваемой среды за счет повышения давления в герметичном межтрубном пространстве, возникающего за счет кольцевой деформации и последующего увеличения диаметра внутренней трубы и, как следствие, уменьшения герметичного межтрубного объема и передачи рабочего давления на стенки наружной трубы.
В общем виде рабочая схема предлагаемой конструкции представлена на рисунке 3.1. При наличии рабочего давления Pi внутренняя труба радиусом п деформируется и приобретает радиус г2.
Очевидно, что ограничение в увеличении диаметра трубы от рабочего давления будет зависеть от уменьшения объема межтрубного пространства и увеличения давления Р2 в нем и, как следствие передача его на наружную трубу радиусом R, вследствие увеличения диамтера под действием кольцевых нагрузок, внутренней трубы. Рассматривая поперечное сечение трубы целесообразно говорить о решении плоской задачи теории упругости [84]. Так как труба является телом, ограниченным поверхностью кругового цилиндра и радиально рас ходящимися плоскостями, плоскую задачу теории упругости удобно рассматривать в полярной системе координат. Рассмотрим деформации и перемещения бесконечно малого элемента трубы abed, рисунок 3.2.
Окружная деформация в происходит по двум причинам: вследствие перехода дуги ad = rdO на окружность большего радиуса r2 = rx + и (рисунок 3.2, а), в результате длина дуги становится равной axdx =(r, +u)dO, а относительное удлинение определится из соотношения:
Положим на первом этапе решения X =7 =Z =0 и pxv = p}rv = р„, что соответствует со=0, то есть упругому материалу. Найдем решение и(1), v(1), w(1), удовлетворяющее дифференциальным уравнениям и граничным условиям. По этому решению можно вычислить i(x,y,z), Gi(x,y,z) и Wj(x,y,z). Зная со, найдем выраженияX ,Y ,Z и Pxv,p yy, /С которые на втором этапе решения можно рассматривать как дополнительные нагрузки в уравнениях (3.29). Рассматриваемый метод решения иногда называют методом дополнительных нагрузок.
Решая повторно задачу теории упругости с новыми объемными силами (Х+Х ), (Y+Y ), (Z+Z ) и поверхностными нагрузками (р„ + p xv),(Pyv + Р }у), (p.r + p .v), находим второе приближение и(2), v(2), w(2), которое в дальнейшем используется для вычисления новых значений X , Y , Z и p xv, p yv, p\v и т.д.
Применительно к конструкции в предлагаемой работе внешнее давление рассматривается как давление в межтрубном пространстве, которое может быть изначально избыточным, т.е. больше атмосферного. Тогда увеличение давления в межтрубном пространстве будет непосредственно зависеть от сокращения объема этого пространства, вследствие расширения внутреннего трубопровода.
Для определения давления в межтрубном пространстве целесообразно использовать уравнение равновесного состояния Клапейрона-Менделеева: допущением в данном случае является постоянство температуры.
Таким образом, определение прочностных характеристик предлагаемой двухтрубной конструкции проводилось в следующей последовательности: Для частного случая, при j = где D - внутренний диаметр внешней трубы; d- наружный диаметр внутренней трубы; Ар - шаг изменения давления во внутренней трубе
Для получения результатов методом последовательных итераций в случае при у = 2 - {р{ 1,6 МПа)
По разработанной методике были проведены серии расчетов и определено одиннадцать конструктивных размеров двухтрубной конструкции, обеспечивающей повышение надежности в эксплуатации промысловых трубопроводов. Конструктивные характеристики полиэтиленовой двухтрубной конструкции представлены в таблице 3.1.
Исследование является экспериментом, если входные переменные изменяются исследователем в точно учитываемых условиях, позволяя управлять ходом опытов и воссоздавать их результаты каждый раз при повторении с точностью до случайных ошибок.
Планирование и анализ эксперимента представляет собой важную ветвь статистических методов, разработанную для решения разнообразных задач, возникающих перед исследователями.
Под планированием эксперимента понимается процедура выбора числа опытов и условий их проведения, необходимых для решения поставленной задачи с требуемой точностью.
В работе проведен однофакторный эксперимент второго уровня с входными переменными давления во внутренней трубе и получены выходные переменные влияния давления в межтрубном пространстве на несущую способность внутреннего трубопровода.
Испытательный стенд включает в себя 2 образцовых манометра с относительной погрешностью 0,005 МПа. Требуемая точность измерения для данного эксперимента принята с отклонением 0,005 от абсолютного значения, т. е. значения, не превышающего погрешности одного прибора. Так как эксперимент однофакторный, то планирование его заключается в определении соотношения относительных ошибок одного измерения и конечного результата.
Разработка методики определения оптимальных параметров двухтрубной конструкции
В этой главе приведена разработанная технология монтажа рабочего трубопровода в наружную оболочку.
В настоящее время возможно применение нескольких вариантов монтажа внутренней оболочки при использовании предлагаемой двухтрубной конструкции: - протяжка внутренней трубы с помощью троса; - протяжка внутренней трубы с помощью штанг установки наклонно-направленного бурения; - проталкивание внутренней трубы в наружную трубу с помощью домкратов; - монтаж рабочей трубы с использованием энергии сжатого воздуха.
В работе рассмотрены два последних предлагаемых способа монтажа, в которых отсутствуют внешние воздействующие факторы, которые могут нарушить внутреннюю поверхность трубопровода большего диаметра. Проталкивание трубопровода Вопросы проталкивания трубопровода подробно изучались в работе [44].
При разработке методики определения необходимых усилий для проталкивания ремонтного трубопровода определенной длины, диаметра и толщины стенки использовался статический критерий оценки критических значений внешних нагрузок.
Суть статического критерия заключается в следующем. Исследуемой системе (проталкиваемый трубопровод внутри наружного трубопровода) задается отклоненная форма равновесия, совпадающая по характеру перемещений с ожидаемой новОй формой равновесного состояния системы после потери устойчивости системы, и определяются значения рассматриваемых внешних нагрузок, способных удержать систему в новой форме равновесного положения [44]. Основной составляющей от усилия, необходимого для проталкивания трубопровода, является сила трения, возникающая под действием собственного веса проталкиваемого трубопровода.
При равномерном движении проталкиваемого трубопровода усилие F можно оценить как: F=f-q-L (4.1) где/- коэффициент трения; q - равномерная распределенная нагрузка; L - длина проталкиваемого трубопровода.
Очевидно, что при какой-то длине проталкиваемого участка возникнет критическая сила трения, при воздействии которой проталкиваемый трубопровод потеряет устойчивость, как стержень.
В этом случае появится сила сопротивления проталкиванию F? 5 которая равна силе трения при движении участка трубопровода с длиной, равной LKp. Рис. 4.2 Расчетная схема для определения возникновения потери устойчивости и появления первой полуволны D - внутренний диаметр наружного трубопровода; Ькр - критическая длина проталкивания участка трубопровода, при движении которого возникает сила трения вызывающая появление первой полуволны; F"p - сила трения участка трубопровода, при действии которой образуется первая полуволна. Установлено, что при проталкивании в определенный момент возникнет критическая сила трения, при воздействии которой монтируемая труба потеряет устойчивость как стержень.
При этом появится сила сопротивления проталкиванию F , которая равна силе трения при движении участка трубопровода с длиной, равной Ькр. Критическая сила определяется по формуле: FJ F,mp =18,6= (4.2) где Е - модуль упругости материала трубы; J — момент инерции сечения трубопровода.
Согласно [39] модуль упругости проталкиваемого полиэтиленового трубопровода в зависимости от температуры может изменяться в широких пределах. Значения модуля упругости при изгибе полиэтилена низкого давления, из которого изготовлена разрабатываемая двухтрубная конструкция, представлены в таблице 4.1.
Разработка технологии монтажа внутреннего трубопровода с помощью энергии сжатого воздуха
Для того, чтобы говорить об использовании предлагаемого метода монтажа двухтрубной конструкции необходимо рассмотреть силы, действующие на внутренний трубопровод, исследовать движение трубопровода внутри наружного.
Данный способ монтажа предлагается использовать при строительстве промысловых трубопроводов, поэтому исследование ограничивалось только прямолинейным участком. Для исследования характера движения трубопровода рассмотрим элемент трубы dS.
Распределение сил при движении рабочего трубопровода L - длина запасованной части рабочего трубопровода; U — перемещение рабочего трубопровода; тяг — сила тяги; FTp — сила трения; G — сила тяжести рабочего трубопровода; R - сила реакции
Сила тяги определяется согласно выражения: F =s-P=— -Р (4.3) где S - площадь поперечного сечения межтрубного зазора, м ; Dm - внутренний диаметр наружной трубы, м; d - наружный диаметр внутренней трубы, м; Р - избыточное давление в межтрубном пространстве, Па= Н м Кроме силы тяг на трубопровод действует сила тяжести G, сила реакции R и сила трения Кулона FTp, которые выражаются следующим образом: G = m-g = y-L-g (4.4) R = m-g = yL-g (4.5) Fmp=k-R = k-yL-g (4.6) где m - масса участка монтируемого трубопровода длиной L, кг; к - коэффициент трения скольжения; у - масса единицы длины монтируемого трубо КГ r М провода; —; g - ускорение свободного падения, —г. м с
Предположим, что рассматриваемый элемент движется с положительным ускорением а . Тогда на основании принципа Даламбера [42] можно записать: F -F -F = 0 тяг тр им /л I-J\ Fm -k-r-L-S-a-yL = 0 Отсюда находим ускорение монтируемого трубопровода: a = --k-g (4.8) y-L
Т.к. длина участка монтируемого трубопровода, находящаяся в наружном трубопроводе, предлагаемым методом постоянно меняется, то точке А соответствует 0, а В соответствует U, поэтому можно принять L=U.
Полученное уравнение является нелинейным дифференциальным уравнением второго порядка. Так как тяг, изменяется в зависимости от U и t, данное уравнение не решаемо аналитически.
Решение полученного уравнения выполнялось численным методом, методом последовательных итераций, с помощью ЭВМ, согласно алгоритму представленному на рисунке
Алгоритм вычисления параметров монтажа рабочего трубопровода В результате проведенных расчетов определена максимальная длина монтируемого участка и время монтажа рабочего трубопровода определенной длины. Изменение скорости движения трубопровода во времени, на примере монтажа рабочего трубопровода диаметром 160 мм в наружный трубопровод диаметром 225 мм длиной 45 м при постоянной подаче воздуха в межтрубное пространство равной 1,5 м3/мин, представлено на рисунке 4.8. v (м/с)-]
Скачкообразный характер движения рабочего трубопровода объясняется тем, что при перемещении трубопровода объем межтрубного пространства увеличивается, а сила Т уменьшается, следовательно, скорость падает. Затем, при постоянной подаче воздуха, создается давление необходимое для страгивания монтируемого трубопровода, длина и масса которого увеличиваются внутри оболочки, следовательно, возрастает сила трения. Поэтому минимальная сила обеспечивающая движение возрастает, что объясняет снижение максимальной скорости рабочего трубопровода.
Результаты вычислений представлены в приложении 2 в виде таблиц. 4.4. Расчет воздушной подушки для поддержания полиэтиленовой трубы-вставки при ремонте трубопровода
Полиэтиленовая труба-вставка, используемая для ремонта изношенных промысловых трубопроводов, может иметь форму поперечного сечения отличную от правильного круга с условием, что периметры сечения вставки и трубопровода должны быть равными.
Для протяжки полиэтиленовой трубы-вставки внутри изношенной стальной автором разработана принципиальная схема создания воздушной подушки по которой полиэтиленовый «скользит» внутри стального трубопровода. На рисунке 4.9 приведена расчетная схема поперечного сечения трубопровода-вставки в положении транспортирования её на воздушной подушке (ВП). Рис. 4.9. Расчетная схема поперечного сечения трубопровода с ремонтной вставкой С - верхняя полость; В - нижняя полость; Д - внутренний диаметр дефектного трубопровода; 5 - толщина полиэтиленовой вставки; h - боковой зазор Границей раздела полостей условно является горизонтальный диаметр дефектного трубопровода.
Условием поддержания вставки во взвешенном состоянии в дефектном трубопроводе будет перепад давления АРВП между нижней В и верхней С полостями: &PBn=PB-Pc=pxg{S-) (4.11) где: g - ускорение свободного падения, -г-; Д - внутренний диаметр реет монтируемого трубопровода, м; 8 - толщина стенки вставки, м; р — плотность материала вставки, кг/м3.
Из приведенного условия видно, что давление ВП зависит от толщины стенки вставки, массовой плотности материала вставки и внутреннего диаметра ремонтируемого трубопровода. Так как для ремонта трубопровода рассматривается вставка, изготовленная из полиэтилена низкого давления, плотность материала вставки можно принять 990 кг/м3, тогда ЬРт =кт{д- ) = ЪШв{8- ), (4.12) где кт - коэффициент, учитывающий физические свойства материала ре Па монтнои вставки, —. м
Оценочные формулы (4.11), (4.12) получены в первом приближении и соответствуют статической постановке задачи нахождения вставки во взвешенном состоянии без учета движения нагнетаемого воздуха в межтрубном пространстве.
Для определения расхода воздуха и других рабочих параметров необходимо было задаться величиной зазора истечения при перетекании воздуха из полости В в полость С, затем рассчитать числа Рейнольдса, коэффициенты гидравлического трения и т.д., чтобы иметь возможность переходить к конкретным численным расчетам. На основании этого в расчетах принималась ремонтируемая труба диаметром 0,8 м, толщина стенки вставки равная 10 мм.
