Введение к работе
з
Актуальность проблемы. Развитие газовой промышленности в настоящее время и в ближайшей перспективе было и будет оставаться решающим фактором подъема экономики России. Следовательно работы по поддержанию требуемого уровня эксплуатационной надежности магистральных газопроводов, обеспечивающих энергетическое насыщение промышленного производства и аграрного сектора становятся все более актуальными.
Проблема эксплуатационной надежности особенно остро возникла в связи с длительностью эксплуатации трубопроводов. Новые магистрали практически не строятся из - за ограниченности материальных средств, а срок службы существующих газопроводов достигает нормативного значения (до 33 лет).
Поэтому для поддержания требуемого уровня надежности ремонтные работы являются единственно приемлемым решением.
По данным ОАО «Газпром» протяженность газопроводов составляет около 150 тыс.км; из них диаметром (1020 - 1420 мм) — 61,5%. Газопроводы со сроком службы от 10 до 30 лет составляют 85%, а на долю газопроводов, находящихся в эксплуатации более 30 лет, приходится 14%. Около 16 тыс.км трубопроводов нуждаются в замене изоляционного покрытия. Более 50% газопроводов эксплуатируются от 15 до 40 лет -срок, при котором пленочное изоляционное покрытие практически полностью теряет свои защитные свойства, что приводит к появлению активных коррозионных процессов. По причине потенциальной опасности более 21 тыс.км газопроводов ОАО «Газпром» эксплуатируется при пониженных давлениях. Ежегодный прирост газопроводов, эксплуатируемых в обводненных и заболоченных районах Крайнего Севера и Западной Сибири и потерявших устойчивое проектное
положение из-за низкого качества балластировочных работ в процессе строительства, составляет 40 - 60 км.
Кроме того, часть подводных переходов газопроводов эксплуатируется с отступлением от действующих норм и правил: переходы имеют значительные размывы, провисания и нарушения изоляционного покрытия, то есть требуются проведение срочного ремонта на этих участках.
Известно что, технология и организация ремонтных работ определяются характером отказа (повреждения), местом и площадью его распространения, инженерно-геологическими и климатическими условиями региона. Анализ существующих методов ремонта свидетельствует, что они связаны со значительными объемами подготовительных и земляных работ, трудоемки и дорогостоящи.
В связи с этим, в последние десятилетия интенсивно ведется поиск новых методов ремонта с применением более эффективных материалов. Так, за последние 8 лет в России наблюдается быстрый рост темпов не только строительства полиэтиленовых трубопроводов, но и разработаны качественно новые технологии с использованием высокопрочных и долговечных строительных материалов (в том числе армированных стекловолокном) для восстановления изношенных конструкций газопровода. Широкое внедрение полимерных материалов в практику строительства и ремонта газопроводов объясняется их следующими преимуществами (по сравнению со стальными): малая плотность материала (для полиэтилена типа ПЭ80 примерно в 8 раз ниже, чем для стали), пластичность (полиэтиленовые трубопроводы можно наматывать на барабан, и они легко вписываются в повороты трассы), гладкая поверхность (из-за низкого коэффициента шероховатости внутренней поверхности пропускная способность полиэтиленовых труб на 7 - 10% выше, чем у стальных), химическая инертность по отношению к
минеральным кислотам и щелочам (не требуют изоляции и электрохимической защиты) и т.п.
Кроме строительства новых низконапорных трубопроводов полиэтилен используется и в качестве материала при ремонтных работах: протяженность газопроводов восстановленных методом протяжки полиэтиленовых труб, составляет более 200 км. Сегодня доля полиэтиленовых газопроводов в отечественных распределительных сетях составляет всего 3%, в то время как в развитых западных странах она достигает 60 - 70%. Поэтому программой газификации России в 1996 -2000 годах, одобренной Постановлением Правительства РФ №.819 от 18 июня 1996 года, предусматривается строительство более 170 тыс.км газопроводов, в том числе 45,6 тыс.км из полиэтиленовых труб.
В связи с этим необходимо решить проблему оценки работоспособности и реального уровня конструктивной и эксплуатационной надежности газопроводных систем после производства ремонтно-восстановительных работ с использованием новых эффективных технологий и полимерных материалов с высокими физико-механическими показателями.
Учитывая актуальность проблемы обеспечения высокого уровня эксплуатационной надежности газотранспортных систем и решающую роль ремонтных работ, цель диссертационной работы заключается в разработке научных основ и методов безподъемного ремонта коррозионно поврежденных газопроводов внутритрубными комплексами с использованием полимерных материалов.
В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решались следующие задачи:
1. Экспериментальное исследование процессов коррозионного износа и старения газопровода, выявление зависимости влияние скорости коррозии от радиуса изгиба и разработка методики
б прогноза коррозионного износа наружной поверхности газопровода.
-
Экспериментальные исследования прочности клеевого соединения в восстановленной бинарной конструкции газопровода.
-
Разработка методики расчета несущей способности и долговечности двухтрубной конструкции газопровода при действии эксплуатационной нагрузки в зависимости от коррозионной активности грунта и продолжительности его эксплуатации.
-
Разработка методики оценки уровня надежности и определение коэффициента запаса восстановленных конструкций газопровода на основе использования современных технологий ремонта с использованием полимеров.
-
Разработка методики расчета эксплуатационной надежности газовых сетей с учетом возможных отказов основных элементов газопровода и запорной арматуры.
-
Разработка методов и устройства для безподъемного ремонта газопровода с применением полимерных материалов, соответствующих современному уровню производства ремонтных работ.
-
Определение области применения предложенных методов ремонта и экономическая оценка эффективности их внедрения.
Методы и достоверность исследований
Результаты, основные выводы и рекомендации, приведенные в диссертационной работе, базируются на основных положениях системного анализа, материаловедения и химии, теорий упругости, пластичности и надежности. В работе использованы современные методы исследований:
экспериментальные с привлечением современного оборудования и измерительной аппаратуры;
теоретические - с использованием аналитического аппарата теорий упругости и пластичности, математических методов моделирования и планирования экспериментов; полевые - с привлечением современной электронной аппаратуры, тензометрических приборов и статического зондирования грунта. Достоверность результатов исследования подтверждается значительным числом экспериментов (более 60), высокой сходимостью результатов натурных наблюдений, с практикой эксплуатации коррозионно поврежденных газопроводов, отремонтированных полимерными вставками.
Выполненные о настоящей работе исследования связаны с научно-техническими целевыми программами Минвуза РСФСР «Нефть и газ Западной Сибири» на 1981-1990 (приказы Минвуза РСФСР от 15.10.81 № 559 и от 10.10.86 № 641), с директивными документами: программой «Надежность и безопасность трубопроводного транспорта Западной Сибири», принятой АК «Транснефть» в 1993 г.; Энергетической стратегей России, принятой Правительством России в 1994 году; программой «Высоконадежный трубопроводный транспорт», утвержденной в 1993 г. правительствами России и Украины; Федеральным законом № П6-ФЗ «О промышленной безопасности опасных производственных объектов», принятым Государственной Думой 20.07.1997; грантом научно-технического Совета ТюмГНГУ за 1997г.
Научная новизна:
-выполненные автором исследования формируют новые познания в механизме взаимодействия упрочненных (в том числе армированных) полимерных материалов и стенки - оболочки трубопровода.
-теоретически обоснован новый прогрессивный метод безподъемного внутритрубного ремонта трубопровода.
-исследованы закономерности формирования клеевых композиций и прочности конструкции на границе «полимер-сталь»;
-установлены функциональные зависимости скорости коррозии стальных труб от коррозионной активности фунта, радиуса изгиба и срока эксплуатации газопровода, а также между толщиной полиэтиленового покрытия, наружным диаметром и рабочим давлением газопровода.
-предложена модель расчета совместной работы двухслойной оболочки, позволяющая определить конструктивные параметры отремонтированного газопровода.
Практическая ценность работы
Предложенные автором модели старения стали и «почвенной» коррозии позволяют прогнозировать долговечность эксплуатируемых газопроводов. Такой прогноз коррелируется с данными внутритрубной диагностики.
Результаты исследований доказали принципиальную возможность использования армированных полимерных материалов для ремонта газопроводов высокого давления (до 10 МПа). При этом автором рекомендованы методы снижения уровня усадочных напряжений в клеевых соединениях между сталями труб и материалами полимерных вставок.
Впервые предложен метод прочностного расчета бинарной конструкции («полимер-сталь») с различными по форме и глубине коррозионными дефектами трубы. В результате синтеза основных алгоритмов и программ по тематике диссертации на основе использования стандартного программного обеспечения Mathcad-7 в среде Windows получены электронные эпюры напряженно-деформированного состояния восстановленной конструкции магистрального газопровода. Предложены новые методы устройства, технологии и организация безподъемного внутритрубного ремонта коррозионно изношенного газопровода с применением полимерных материалов.
Апробация работы. Отдельные разделы и результаты исследования докладывались на международных конференциях на Мальте (1997г.), в Германии г. Мюнхен (1997г.), в г. Тюмени (1998 - 99гг.), а также на многочисленных всероссийских, региональных и отраслевых научно-практических конференциях и семинарах в гг. Москва, Екатеринбург, Челябинск, Нижневартовск, Хабаровск и др.
Предложенный метод и устройство безподъемного внутритрубного ремонта прошли экспертизу в головном институте ОАО «Газпром» -ВНИИГАЗе и получили положительную оценку. Приоритет и научная новизна разработки признаны Российской Федерацией (патент № 97116175/06 (017147) от 29.09.97г.) и на международном уровне (патент международный № PCT/RUS/00044 от 18.02.98г.).
Личный вклад соискателя в решение проблемы. Представленная работа базируется на результатах многолетних исследований под руководством и при непосредственном участии автора. Лично автором определена проблема исследования, ее цель и задачи, намечены пути их решения, сформулированы задачи теоретических и экспериментальных исследований, сделан анализ их результатов, получены выводы и рекомендации.
Работа выполнялась на кафедре «Сооружение и ремонт нефтегазовых объектов» ТюмГНГУ. Экспериментальные исследования коррозионных процессов выполнены в научно-исследовательской лаборатории кафедры «Металловедение и термическая обработка металлов» ТюмГНГУ. Прочность и несущая способность трубопроводов исследовались в лаборатории завода «Сибгазаппарат» ОАО «Запсибгазпром». Эксперименты по определению уровней усадочных напряжений клеевых соединений выполнены в лаборатории кафедры «Сооружение трубопроводов» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина. Полевые наблюдения пространственного и планового положений трубопровода, обработка результатов внутритрубной диагностики и исследования коррозионной
активности грунта выполнялись в научном центре «Геотехника в нефтегазовом строительстве» ТюмГНГУ и ООО «Сургутгазпром».
Автор выражает глубокую признательность за помощь в выполнении, компоновке и оформлении работы Заслуженному деятелю науки РФ, проф., д.т.н. Иванову В.А., Заслуженному деятелю науки и техники РФ, проф., д.т.н. Кушниру С.Я., проф., д.т.н. Шутову В.Е., сотрудникам кафедры «Сооружение и ремонт нефтегазовых объектов» ТюмГНГУ, сотрудникам кафедры «Металловедение и термическая обработка металлов» ТюмГНГУ, работникам научной лаборатории завода «Снбгазаппарат» ОАО «Запсибгазпром».
На защиту выносятся:
Результаты комплексных экспериментальных исследований
коррозионных процессов трубных сталей и факторов, определяющих
скорость коррозии и долговечность газопроводов.
Закономерности формирования клеевых композиций и прочности конструкции трубопровода на границе "полимер-сталь".
Модель и методика расчета совместной работы двухслойной оболочки, позволяющие определить конструктивные параметры отремонтированного газопровода.
- Технология, организация работ и конструкция устройства
безподъемного ремонта внутритрубным комплексом коррозионно
поврежденного трубопровода полимерными материалами.
Публикации. Материалы диссертации изложены в 34 печатных
работах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, основных выводов, списка литературы и Приложений. Она содержит 287 страниц, включая 42 таблицы, 88 иллюстраций, список-литературы из і 61 наименования и 5 приложений. Первая глава отражает состояние проблемы и основные пути ее решения, во второй, третьей, четвертой, пятой и шестой главах приведены результаты комплексных
экспериментальных исследований и методов расчетов. В седьмой главе -сущность новых методов ремонта газопроводов, технология, организация ремонтных работ и конструкция устройства безподъемного внутритрубного ремонта.