Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ существующих методов ремонта магистральных трубопроводов 15
1.1. Обзор, видов ремонтных работ на линейной части магистральных трубопроводов и существующей технологии капитального ремонта 15
1.2.Обзор материалов, применяемых для изоляции и ремонта подземных трубопроводов 22
1.3.Обоснование и перспективы использования новых композиций для выборочного ремонта изоляции трубопроводов 28
ІАЗадачи исследования 35
2. Исследование физико-механических свойств композиций для выборочного ремонта трубопровода 37
2.1.Разработка основных технических требований к композициям для выборочного ремонта изоляции трубопровода. 37
2.2. Предварительный подбор состава композиции для выборочного ремонта изоляции трубопровода 40
2.3.Описание установки для ремонта подземного трубопровода напылением композиции на место повреждения изоляционного покрытия в трассовых условиях 44
2.4.Исследование физико-механических свойств разрабатываемых композиций 46
2.5.Экспериментальное определение влияния наполнителей на физико-механические свойства полученных покрытий. Определение оптимального состава композиции для выборочного ремонта изоляции трубопровода 53
2.б.Выводы по разделу 73
З. Исследование механических свойств, напряженного состояния изоляционного покрытия на основе композиции «крит» 75
3.1.Механические напряжения в изоляционных покрытиях трубопроводов 75
3.2. 0пределение напряжений сжатия в изоляционном покрытии опорной части трубопровода 79
3.3.Определение напряжений сдвига в изоляционном покрытии верхней половины трубопровода 82
3.4.Определение напряжений растяжения в изоляционном покрытии верхней половины трубопровода 85
3.5. Определение кольцевых напряжений в изоляционных покрытиях трубопроводов 88
З.б.Определение допустимых напряжений растяжения в
изоляционном покрытии на основе композиции «КРИТ» 91
3.7.Моделирование напряженно-деформированного состояния изоляционного покрытия трубопроводов на основе композиции холодного отвердения «КРИТ» 96
3.8.Анализ напряженно-деформированного состояния при воздействии грунта на изоляционное покрытие при засыпке участка трубопровода 105
3.9.Выводы по разделу 108
4. Разработка и внедрение технологии выборочного ремонта изоляционных покрытий трубопровода композицией холодного отвердения 109
4.1. Основные положения технологии выборочного ремонта изоляционных покрытий трубопровода нанесением композиции холодного отвердения на места повреждения изоляции 109
4.2.Разработка технологии выборочного ремонта изоляционных покрытий нанесением композиции с применением вскрытия трубопровода и с использованием существующих технологий 111
4.3 .Нанесение композиций холодного отвердения на конструкции
4.3.1.Нанесение композиции холодного отвердения на поверхности конструкций
4.3.2.Нанесение изоляционных материалов с помощью форсунок
4.4.Отработка технологии выборочного ремонта изоляционных покрытий напылением композиции холодного отвердения на действующих трубопроводах 138
4.5.Выводы по разделу 141
Основные выводы , 142
Список использованных источников
- Обзор, видов ремонтных работ на линейной части магистральных трубопроводов и существующей технологии капитального ремонта
- Предварительный подбор состава композиции для выборочного ремонта изоляции трубопровода
- 0пределение напряжений сжатия в изоляционном покрытии опорной части трубопровода
- Основные положения технологии выборочного ремонта изоляционных покрытий трубопровода нанесением композиции холодного отвердения на места повреждения изоляции
Введение к работе
Надежное функционирование системы магистрального трубопроводного транспорта нефти, нефтепродуктов и газа является важнейшим фактором роста экономического потенциала. России [92, 105, 13-9,151].
Российские трубопроводные системы наиболее активно развивались в 1960-1980-е годы. В настоящее время 35% трубопроводов эксплуатируются более 20 лет, что требует повышенного внимания к их эксплуатационной надежности.'
Эффективность и надежность таких магистральных трубопроводов можно поддержать на должном уровне при своевременном и качественном проведении профилактического и капитального ремонта линейной части трубопроводов.
В настоящее время магистральные трубопроводы имеют битумные, полимерные и комбинированные покрытия, нанесенные в трассовых условиях, а также заводскую и базовую изоляцию.' Трубопроводы с полимерными и битумными покрытиями трассового нанесения, имеющие срок эксплуатации более 15 лет, отнесены к участкам повышенного риска.
Срок службы защитных покрытий трубопроводов из полимерных и битумных материалов, находящихся в грунтовой среде, составляет около 15-20 лет, по истечении которого требуется их ремонт. Полная замена труб с нанесением изоляции в 5-6 раз дороже, чем своевременная замена изоляции на этом участке [69, 70].
В системе ремонта и обслуживания трубопроводов выборочный ремонт дефектных участков изоляции, как более дешевый и экономичный вид капитального ремонта, приобретает в настоящее время важное значение.
Метод выборочного ремонта по сравнению с широко применявшейся ранее полной переизоляцией имеет ряд существенных преимуществ [27, 45, 69], а именно:
- сокращение продолжительности работ;
-уменьшение объема земляных работ и воздействия на почвенно-растительный покров и рельеф местности;
-возможность дальнейшего использования материала старой изоляции,
находящейся в удовлетворительном состоянии; -
-общее снижение материалоемкости и удельных энергозатрат;
-возможность выполнения ремонтных работ без остановки перекачки.
Учитывая общее ухудшение состояния магистральных трубопроводов по мере увеличения продолжительности эксплуатации,' необходимости оптимального, экономного расходования финансовых ресурсов на поддержание системы магистральных трубопроводов в работоспособном состоянии, была сформулирована цель настоящей диссертационной работы - разработка технологии выборочного ремонта подземных металлических трубопроводов путем восстановления защитных свойств изоляционных покрытий нанесением композиций холодного отвердения на места повреждения изоляции.
Для решения поставленной цели в диссертационной работе были решены следующие основные задачи исследования:
Обзор, видов ремонтных работ на линейной части магистральных трубопроводов и существующей технологии капитального ремонта
Исследованиями в области технологии и организации производства капитального ремонта магистральных трубопроводов, в том числе ремонта изоляционных покрытий, успешно занимались известные отечественные ученые: Л. А. Бабин, В.Л. Березин, Б.И. Борисов, В.И. Воронин, А.Г. Гумеров, К. Е. Ращепкин, Л. Г. Телегин, A.M. Мухаметшин, Р.А. Алиев, И.С. Овчинников, К.В, Черняев, И.И. Велиюлин, A.M. Зиневич, Н.П. Глазов, В.В. Притула, С.К. Рафиков, Ф.М. Мустафин, а также зарубежные И. Кордер, Х.М. Смите и др. [15, 16,20,21,27,29,30,38,39,40,41,55,67,69,88,97, 102... 104, 108, 122, 123, 129, 147,152... 158].
Ремонт линейной части магистральных трубопроводов по объему и характеру выполняемых работ подразделяется на следующие основные виды: аварийный, текущий, средний и капитальный [16, 17, 27, 28, 81, 137]. На практике часто текущий и средний ремонт объединяют в одно целое, так как их объемы и характер работ схожи. При капитальном ремонте магистральных трубопроводов, ремонту в основном подлежат участки с некачественным изоляционным покрытием.
Технологический набор работ, как при новом строительстве, так и при капитальном ремонте магистральных трубопроводов примерно одинаков [28]. Однако, капитальный ремонт гораздо сложнее, чем новое строительство, и имеет ряд существенных особенностей в технике, технологии и организации производства работ. Основное содержание этих особенностей заключается в следующем: -в технике и технологии - специфичность подготовительных работ, заключающаяся в определении положения трубопровода, определении наличия и месторасположения повреждений в изоляционном покрытии; наличии комплекса демонтажных работ, предшествующих -выполнению всех остальных ремонтных операций; -наличие, специфичных операций при ремонте, стенки трубы, усилении стыков, частичной или полной замене трубы, секции или плети на отдельных участках трубопровода; сложность и трудоемкость производства вскрышных работ, где требуется высокая квалификация машиниста для предотвращения повреждения стенки трубы ковшом (или ротором) экскаватора, а также значительная доля ручного труда; сложность и трудоемкость предварительной очистки трубопровода от старой изоляции и продуктов коррозии; существенное конструктивное отличие специальных ремонтных машин от тех же машин, применяемых при строительстве [36]; -в организации проведения работ эти особенности заключаются в следующем: операции по вскрытию, подъему, очистке от старой изоляции, сварочно-восстановительные, изоляционно-укладочные работы и работы по засыпке трубопровода не могут быть совмещены в специализированном потоке, но должны выполнятся в строгой технологической последовательности линейными потоками [16, 27].
При производстве капитального ремонта магистральных трубопроводов выполняются следующие основные технологические работы: подготовительные; погруз очно-разгрузочные; транспортные; земляные; подъемно-очистные; сварочно-восстановительные; изоляционно-укладочные и контроль качества работ [27, 77, 135].
При производстве ремонтных работ на бровке траншеи (для магистральных газопроводов) используются очистные машины с разъемными ротором для установки в любом месте трубопровода.
Технология подготовительных работ при выборочном ремонте магистральных трубопроводов заключается в следующем: шурфовании и определении положения трубопровода трассоискателями; определение наличия и месторасположение повреждений в изоляционном покрытии специальными искателями повреждения. Результаты измерений глубины заложения трубопровода наносятся на вешки, забиваемые строго по оси трубопровода через каждые 25 или 50м. При обнаружении повреждения в изоляционном покрытии трубопровода, места дефектов отмечаются вешками.
Затем бульдозерами производится планировка полосы ремонтируемого трубопровода. . - . . При земляных работах производится организация поточного выполнения всех работ и максимальное совмещение их с подъемно-очистными и изоляционно-укладочными работами. Тип землеройных машин для вскрытия трубопроводов зависит от его диаметра, местных топографических и грунтовых условий [22, 66, 75, 100]. Когда нет необходимости восстанавливать стенку трубы, подъемно-очистные работы при капитальном ремонте трубопроводов выполняются механизированным линейным комплексным потоком совместно с изоляционно-укладочными работами.
При частичной замене участков трубопровода или восстановлении стенок трубы, подъемно-очистные работы включают в себя: подъем вскрытого участка трубопровода; насадку очистной машины; очистку трубопровода от старой изоляции; визуальный осмотр и укладку трубопровода на лежки. Для подъема трубопровода используются отечественные и зарубежные трубоукладчики различной грузоподъемности.
Разработана также серия разъемных очистных машин для различных диаметров трубопроводов, но проблема качественной очистки трубопроводов и надежности очистных машин существуют и на сегодняшний день [27].
При выполнении сварочно-восстановительных работ первоначально производится отбраковка и вырезка труб, секций и плетей, сильно поврежденных коррозией и не подлежащих ремонту. На большие дефекты в стенке трубы или на группу дефектов навариваются заплаты (магистральные газопроводы), а малые дефекты завариваются ручной дуговой сваркой. Для укрепления сварных стыков и стенки трубы при традиционной технологии привариваются хомуты (магистральные газопроводы).
Предварительный подбор состава композиции для выборочного ремонта изоляции трубопровода
При ремонте изоляции наиболее удобным в работе являются композиции холодного отвердения. При разработке состава ставилось условие - композиции должны быть приготовлены- из доступных компонентов. Исходя из этого положения, в качестве основного компонента композиции холодного отвердения был выбран нефтяной битум различных марок, характеризующиеся различной температурой размягчения. Битумы водо- и газонепроницаемы, хорошо противостоят атмосферной и химической коррозии, поэтому они давно применяются в качестве противокоррозионных покрытий с применением добавок, наполнителей (мастики разных типов), обеспечивают одновременно теплоизоляцию и хорошую защиту от коррозии, при этом битумные покрытия сравнительно дешевы [63, 78, 103, 130, 138].
Для лабораторных испытаний на основе высоко и низкоплавких битумов было приготовлено несколько образцов композиций холодного отвердения (для холодного ремонта изоляционного покрытия трубопровода). Характеристика основного твердого компонента композиций приведена в табл. 2.1.
Помимо битумной основы, в композиции холодного отвердения в качестве модификаторов вводили следующие продукты: -нефтеполимерная смола (НПС) с температурой размягчения по КиШ 82 С, являющийся полупродуктом производства олифы на АО «НУНПЗ»; -асфальт деасфальтизации нефтяных остатков бутаном и бензином (АДНОББ), который получают на АО «НУНПЗ» и имеет температуру размягчения по КиШ 155-165 С; -маслорастворимый ингибитор коррозии ИКБ-2-2 по ТУ 38-101786-79, защищающий от коррозии поверхность металлических труб; -наполнитель- отход каталитического крекинга АО «УНПЗ».
Композиции для ремонта изоляции получали смешением названных компонентов с растворителями. В качестве растворителей использовали продукты в основном ароматического характера, являющиеся хорошим растворителем для нефтяных битумов: толуол, ксилол, а также обычно используемый в лакокрасочной промышленности уайт- спирт.
На основании проведенного анализа основных технологических операций ремонта изоляционных покрытий подземных металлических трубопроводов при составлении рецептуры композиций для ремонта трубопроводов в качестве основного отборочного показателя качества была задана условная вязкость при 20 С по вискозиметру ВЗ-4 по ГОСТ 8420- 74 не выше 200 с. Кроме того, при нанесении на металлическую поверхность композиция должна терять липкость через 30-60 мин. и набирать определенную твердость (высыхать) в течение 24 часов.
Характеристики вариантов и компонентный состав композиций для выборочного ремонта изоляции трубопроводов приведены в табл. 2.2. Композиция 10 содержала асфальтит деасфалътизации нефтяных остатков бутаном и бензином, нефтеполимерную смолу, ингибитор коррозии и в качестве растворителя - толуол, Первые испытания показали, что вследствие быстрой испаряемости толуола при покрытии трубы данной композицией происходит небольшое вспучивание, кроме того композиция имеет низкую . вязкость -из-за высокого содержания растворителя. Поэтому следующая . композиция 10К содержала меньшое количество растворителя, а в качестве растворителя использовалась смесь уайт - спирта по ГОСТ 3134 с ксилолом." В композициях 10 в качестве основного компонента был выбран асфальтит. Асфальтит получают как побочный продукт в процессе повторной очистки асфальтита деасфальтизата растворителем - бутант - пентановой фракцией. При этом растворимые в бутан - пентановой фракции углеводородные компоненты уходят с верха реактора в колонну для отгонки растворителя, а нерастворимые компоненты, называемые асфальтом, уходят с низа реактора. Асфальтит представляет собой твердый хрупкий продукт с температурой размягчения в пределах 100-130 С. Этот процесс осуществляется в опытно-промышленном масштабе.
Испытания показали, что наиболее пригодными являются композиции на основе образцов 10К и ПК, которые характеризуются лучшими значениями параметров переходного сопротивления и адгезией к стальной поверхности. Однако исследования в плане подбора новых компонентов были продолжены в связи с тем, что спецбитум по ГОСТ 21822-87 пользуется большим спросом, а его производство находиться на значительном расстоянии от Башкортостана. В лабораторных условиях был приготовлен битум, аналогичный спецбитуму по ГОСТ 21822-87 на базе сырья АО «НУНПЗ», перерабатывающего западносибирские и башкирские нефти. Качество битума приведено в таблице 2.1.
Композиция на основе приготовленного битума под условным названием 12К имела вязкость условную по ВЗ-4- 114 с, время высыхания - в пределах 30-60 мин. Данная композиция прошла предварительные испытания с положительным результатом. После испытания композиций в полевых условиях, были приготовлены и- испытаны .композиции с условным наименованием "КРИТ", для . нескольких модификаций которой были проведены контрольные испытания -на отрезке трубы и на горизонтальных. пластинах (см. таблицы 2.6, 2.7).
0пределение напряжений сжатия в изоляционном покрытии опорной части трубопровода
Под действием вертикальной сжимающей силы в изоляционном покрытии возникают нормальные напряжения сжатия и касательные напряжения сдвига. Согласно [40, 41] нормальные напряжения сжатия и касательные напряжения сдвига на поверхности опирання определяются, считая поверхность трубопровода наклонной плоскостью с переменным углом наклона (3 (рис. 3.3), по формулам: c,v = —-cos (3 ; (З.І) G T = -т-cosД -sin/? , (3.2) где р -угол между вертикальным диаметром и радиусом, проведенным к точке, в которой определяются напряжения; ее I- горизонтальная проекция дуги опирання (/ = ) sin—); а -угол опирання трубопровода на грунт (а = а arctgb G). Параметры а и b для различных условий опирання приведены в табл. 2 [44].
Очевидно, что наибольшую опасность в нижней половине трубопровода будут представлять касательные напряжения, действующие по слою наименьшего сопротивления (т.е. между трубопроводом и изоляционным покрытием). Определим касательные напряжения возникающие в изоляционном покрытии и сравним их с экспериментальными данными по величине адгезии для покрытия на основе композиции КРИТ . Максимальные касательные напряжения в изоляционных покрытиях опорной части трубопровода будут наблюдаться при /?=45. Значения максимальных касательных напряжений в изоляционных покрытиях опорной части трубопровода, вычисленных для различных случаев эксплуатации газо- и нефтепроводов с учетом веса транспортируемого продукта приведены в табл. 3.1. При сравнении значений максимальных касательных напряжений в изоляционных покрытиях опорной... части трубопровода для различных случаев эксплуатации со-значением адгезии для покрытия на основе «КРИТ 4,5С-2И-ЗН-4А» 0,25...0,26 МПа см. п. 2.4), сделан вывод: сдвиговых усилий в опорной части трубопровода на границе трубопровод - изоляционное покрытие происходить не будет.. Определение напряжений сдвига в изоляционном покрытии верхней половины трубопровода
Рассмотрим, распределение ..напряжений. . в верхней половине трубопровода (рис. 3.3). Вертикальное давление грунта, в произвольно расположенной на верхней полуокружности трубопровода точке А, координата которой определена радиусом ОА, проведённым под углом р к вертикальному диаметру, равно Нл у,. Давление грунта над точкой А определяется по формуле (30) [40].
При обследовании действующих трубопроводов неоднократно замечено разрушение защитной обертки в окрестностях точки, характеризуемой углом р = 35...45. Одной из возможных причин такого разрушения является осадка грунтовой засыпки в боковых пазухах траншеи. При этом грунт как бы сползает по поверхности трубы, а так как он связан с изоляционным покрытием силами трения, то в покрытии возникают напряжения растяжения, а в адгезионном слое - касательные напряжения сдвига.
Очевидно, что грунт не может «сползать» с горизонтальной поверхности при небольших углах наклона р. Минимальное значение р, при котором происходит сползание грунта с наклонной поверхности или, что то же, с боковой поверхности трубопровода, будем считать характеристикой границы разлома грунта. Границей разлома грунта называется условная горизонтальная линия на боковой поверхности трубы, ниже которой грунт может «сползать» с поверхности трубы. Вполне обоснованным представляется предположение, что места разрыва защитной обертки соответствуют положению границы разлома. Из условия статического равновесия тела на наклонной плоскости следует, что положение границы соответствует значению; Учитывая, что точка приложения максимальных касательных напряжений весьма близка к р=45 при D=0,72.... 1,42м и Но= Г...3м касательные напряжения определяются По формуле (5 1) [40]: Максимальные касательные напряжения в верхней половине трубопровода приведены в табл. 3.2.
Предельные касательные напряжения [36, 39, 95, 96] зависят от вида, состояния грунта и глубины-заложения труб в грунте. Предельные касательные напряжения, определяемые по закону Прандтля - Кулона для усредненного давления фунта на поверхность изоляции найдем по формуле:
При сравнении значений максимальных касательных напряжений в изоляционных покрытиях верхней половины трубопровода для различных случаев эксплуатации и значения предельных касательных напряжений полученных согласно [35, 37, 85] со значением адгезии для покрытия на основе «КРИТ 4,502И-ЗН-4А» (0,25...0,26 МПа см. п. 2.4), сделан вывод: сдвиговых усилий на верхней половине трубопровода на границе трубопровод — изоляционное покрытие происходить не будет.
Основные положения технологии выборочного ремонта изоляционных покрытий трубопровода нанесением композиции холодного отвердения на места повреждения изоляции
Предлагаемая технология выборочного ремонта разработана на основании лабораторных и натурных исследований физико-механических и технологических свойств композиций для выборочного ремонта изоляции трубопровода нанесением на места повреждения изоляции. Реализация всех преимуществ, которые дает технология ремонта изоляционных покрытий нанесением композиции, может быть достигнута только при условии качественного проведения ремонтных работ, соблюдения технологии и умелой организации работ.
При разработке технологии и организации ремонта изоляционных покрытий трубопровода нанесением композиции на место повреждения изоляции необходимо учитывать следующие особенности и ограничения: -ремонт осуществляется нанесением композиции на место повреждения изоляции. Предусматривается очистка места повреждения от старой изоляции, зачистка металла трубы, нанесение слоя грунтовки, слоев композиции и стеклоткани и нанесение слоя защитной обертки;
-ремонт нанесением композиции холодного отвердения на место повреждения изоляции значительно повышает переходное электросопротивление трубопровода на всем участке ремонта в целом достигает значений, удовлетворяющих требованиям нормативных документов для покрытий нормального типа, уменьшается водопоглощение и влажность, замедляется процесс коррозии трубной стали; -защитная обертка (ПВХ или слой композиция в смеси с песком ) защищает отремонтированное покрытие от механических повреждений при засыпке, вредного действия окружающей среды и замедляет процесс старения покрытия; _ -ремонт нанесением композиции на место повреждения не производится, если адгезия и ударная прочность старого изоляционного покрытия, в месте прилегания к повреждению в изоляции не удовлетворяет требованиям нормативных документов. Наружная поверхность трубы в месте повреждения должна быть очищена от ржавчины, грязи и т.п. механическим способом или металлическими щетками и иметь серый цвет с проблесками металла; -работы по ремонту изоляции предпочтительней выполнять в теплое время года при температуре не ниже +8С.
При разработке технологии выборочного ремонта изоляционных покрытий методом напыления в качестве средства для защитных свойств изоляции могут применяться композиции, разработанные на кафедре «Сооружение и ремонт газонефтепроводов и газонефтехранилищ» Уфимского государственного нефтяного технического университета совместно с ИПНХП АН РБ. Определен наилучший компонентный состав композиции для восстановления защитных свойств изоляционных покрытий, удовлетворяющих требованиям нормативных документов (см. п.2.5).
Транспортировку композиции к месту работ производят автомобильным транспортом. Отпуск и прием производится партиями. Качество поступающей композиции контролируют отбором проб в соответствии с ГОСТ 2517-80. Требования к композициям для выборочного ремонта изоляции приведены в п. 2.1, При производстве ремонта изоляции трубопровода нанесением композиции на место повреждения выполняются основные технологические работы: организационные; обследование состояние изоляции; погрузочно-разгрузочные; транспортные; земляные; очистные; изоляционные работы; контроль качества работ.
При ремонте изоляционных покрытий нанесением композиции при различных технологиях организационные работы и обследование состояния изоляции будут одними и теми же. Обследование состояния изоляционных покрытий осуществляют на основании нормативных документов [87, 115]. с использованием рекомендаций [62]. Контроль состояния изоляционного покрытия осуществляется прибором «ПКИ-95 на всем протяжении трубопровода. Места вскрытия (шурфования) определяют исходя из задания-на обследование, в местах выявленных повреждений в изоляции. При обследовании изоляции определяется адгезия, ударная прочность и переходное сопротивление. Результаты измерений заносятся в акт, который заверяется руководителем линейно-производственного управления, на участке которого производилось обследование. Ремонту изоляции должна предшествовать четкая разработка мероприятий организационной подготовки, которая осуществляется на основании материалов предварительного обследования участка трубопровода [16].
В период организационной подготовки должны быть заранее согласованы сроки и объем поставок композиционного материала. Для осуществления технического надзора за качеством ремонта, приемки выполняемых работ и оформления документации назначается лицо из числа работников служб, несущих ответственность за безаварийную эксплуатацию трубопровода.
