Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ причин отказов и способов повышения долговечности промысловых трубопроводов, подверженных внутренней коррозии 16
1.1. Условия эксплуатации промысловых трубопроводов 16
1.2. Обеспечение долговечности и безопасной эксплуатации промысловых трубопроводов существующими способами 25
1.3. Коррозионное разрушение внутренней поверхности промысловых трубопроводов 43
Выводы по 1 главе 58
2. Критерии безопасности при выполнении профилактического поворота и последующей эксплуатации промысловых трубопроводов 60
2.1. Прочность и предельные состояния трубопровода с канавочным износом при его профилактическом повороте 62
2.1.1. Кручение трубопровода, подверженного канавочному износу 62
2.1.2. Несущая способность трубопровода с канавочным разрушением 67
2.1.3. Остаточная прочность трубопровода, подверженного канавочному износу 80
2.2. Эквивалентные напряжения в трубопроводе при повороте без остановки перекачки 94
2.3. Теоретические основы взаимодействия подземного трубопровода с грунтом при действии крутящего момента 98
2.4. Оптимизация технологических параметров при выполнении профилактического ремонта методом поворота 114
2.5. Влияние кривизны оси трубопровода на его кручение 122
2.6. Поперечное перемещение трубопровода при его повороте 130
2.7. Устойчивость трубопровода при профилактическом повороте 146
Выводы по 2 главе 156
3. Закономерности процесса взаимодействия трубопровода с грунтом при повороте трубы 158
3.1. Экспериментальное определение основных параметров, характеризующих процесс взаимодействия трубопровода с грунтом 158
3.2. Экспериментальное определение обобщенного коэффициента сопротивления грунта повороту трубы 166
3.2.1. Влияние глубины заложения и угла поворота трубы на величину коэффициента сопротивления грунта 174
3.2.2. Влияние веса подземного трубопровода на предельные касательные напряжения при повороте трубы 178
3.3. Экспериментальные исследования поворота трубопровода в реальных условиях 183
Выводы по 3 главе 194
4. Технология и технические средства профилактического поворота трубопроводов, подверженных канавочному износу 196
4.1. Технология выполнения профилактического поворота трубопровода 200
4.2. Порядок определения основных технологических параметров 207
4.3. Экономическая эффективность применения профилактического ремонта промысловых трубопроводов методом поворота 215
4.4. Технические средства для выполнения профилактического ремонта трубопровода методом поворота 221
4.4.1. Пневматическое захватное устройство 221
4.4.2. Механическое захватное устройство 225
4.4.3. Гидравлическое захватное устройство 230
4.4.4. Исследование работоспособности гидравлического захватного устройства 235
Выводы по 4 главе 242
5. Длительность безопасной эксплуатации промысловых трубопроводов, подверженных канавочному износу 243
5.1. Влияние условий эксплуатации промысловых трубопроводов на скорость внутренней коррозии 244
5.2. Прогнозирование скорости внутренней коррозии промысловых трубопроводов 248
5.3. Определение срока безопасной эксплуатации трубопроводов, подверженных канавочному износу 263
Выводы по 5 главе 270
Основные выводы 271
Список литературы 274
Приложения 286
- Обеспечение долговечности и безопасной эксплуатации промысловых трубопроводов существующими способами
- Эквивалентные напряжения в трубопроводе при повороте без остановки перекачки
- Экспериментальное определение обобщенного коэффициента сопротивления грунта повороту трубы
- Порядок определения основных технологических параметров
Введение к работе
Определяющим критерием обеспечения безопасной эксплуатации и повышения долговечности промысловых трубопроводов является их надежность - свойство объекта сохранять заданные функции в течение установленного ресурса.
Обеспечение безопасной эксплуатации трубопроводов во многом является проблемой повышения их надежности и долговечности и представляется сложной комплексной задачей, которая включает в себя решение технических, технологических, экономических и организационных аспектов. Несмотря на то, что этой проблеме посвящены многочисленные исследования отечественных и зарубежных авторов, в настоящее время она еще полностью не решена и многие вопросы остаются открытыми.
Одной из особенностей развития трубопроводного транспорта на современном этапе является уменьшение объемов строительства трубопроводов при одновременном росте объемов и сокращении сроков работ по ремонту и реконструкции трубопроводных сетей, связанных с коррозионным износом и старением трубопроводов.
Изучение условий эксплуатации промысловых трубопроводов и анализ существующих способов повышения их долговечности в условиях превалирующего воздействия внутренней коррозии показывает, что, несмотря на применение различных мероприятий, количество отказов промысловых трубопроводов из-за внутренней коррозии составляет по отрасли порядка 90 % от их общего количества. Свыше 70 % аварий приходится на специфическое разрушение в виде «канавочного» износа. Следует отметить, что большинство трубопроводов, подверженных интенсивному внутреннему износу, эксплуатируются без наружной изоляции и системы ЭХЗ. Частые порывы трубопроводов, вызванные
«канавочным» износом, требуют поиска новых технических решений, направленных на обеспечение их безопасной эксплуатации, повышение долговечности и стабильности функционирования. Поэтому проблема обеспечения безопасной эксплуатации и повышения долговечности промысловых трубопроводов, несомненно, остается актуальной и своевременной.
Обеспечение безопасной эксплуатации и повышение долговечности промысловых трубопроводов может быть достигнуто за счет улучшения качества проектирования и строительства трубопроводов, применения новых, более совершенных конструктивных и технологических решений, совершенствования технологий и приемов технического обслуживания и эксплуатации.
Одним из новых ресурсосберегающих методов обеспечения безопасной эксплуатации трубопроводов и повышения их долговечности является профилактический поворот трубопроводов на участках, подверженных «канавочному» разрушению, позволяющий увеличить срок их эксплуатации за счет обеспечения более равномерного износа внутренней поверхности стенки труб.
Цель работы. Разработать новый ресурсосберегающий метод обеспечения безопасной эксплуатации и долговечности промысловых трубопроводов, подверженных «канавочному» износу, за счет периодического выведения изношенного участка из зоны интенсивного контакта с гидроабразивной средой.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
1) выявить влияние формы и размеров «канавочного» износа на безопасность и несущую способность промысловых трубопроводов; определить критерии безопасности и предельные состояния трубопровода
с «канавочным» износом под действием нагрузок и воздействий, возникающих при повороте и последующей эксплуатации трубопровода;
2) разработать технологию безопасного поворота подземных и
наземных трубопроводов; установить безопасные для выполнения
поворота и последующей эксплуатации трубопровода параметры;
получить предельные параметры защемления трубопровода грунтом и
захватным устройством, изучив закономерности процесса взаимодействия
трубопровода с грунтом при повороте трубы, учитывая глубину
заложения и диаметр трубы;
3) выявить закономерность изменения угла поворота и внутренних
усилий по длине подземного трубопровода при кручении и установить
влияние основных факторов на процесс поворота с целью ограничения
деформаций, возникающих при выполнении поворота в пределах,
безопасных для эксплуатации трубопровода. Обосновать величину
максимально допустимого угла поворота трубопровода, крутящего
момента и определить оптимальные расстояния между захватными
устройствами;
получить условие безопасной передачи трубопроводу необходимого для поворота крутящего момента за счет сил трения, не повреждая поверхность трубы и не снижая его несущей способности; разработать технологические схемы и технические средства поворота трубопроводов с учетом схемы прокладки, параметров трубопровода и его остаточной прочности. Исследовать работоспособность гидравлического захватного устройства с целью определения рабочих характеристик и конструктивных параметров;
разработать методику определения срока безопасной эксплуатации промысловых трубопроводов, подверженных «канавочному» износу.
Методы решения поставленных задач. В работе в основном использован комплексный метод исследования, включающий аналитические решения и экспериментальное изучение как лабораторное на моделях, так и промысловые на трубопроводах.
Основные защищаемые положения
1. Метод обеспечения безопасной эксплуатации и долговечности
промысловых трубопроводов, подверженных «канавочному»
разрушению, основанный на принципе обеспечения равномерного износа
путем периодического поворота вокруг продольной оси трубы.
Теория безопасного выполнения поворота подземных и наземных трубопроводов. Критерии безопасности и предельные состояния трубопровода с «канавочным» износом под действием нагрузок и воздействий, возникающих при повороте и последующей эксплуатации трубопровода.
Закономерности изменения угла поворота и внутренних усилий по длине подземного трубопровода при кручении и влияние характеристик грунта и трубопровода на процесс поворота. Закономерности процесса взаимодействия подземного трубопровода с грунтом.
Условия безопасной передачи трубопроводу необходимого для поворота крутящего момента за счет сил трения, не повреждая поверхность трубы и не снижая его несущей способности. Технологические схемы и технические средства поворота трубопроводов. Конструктивные и рабочие характеристики захватных устройств, безопасные и оптимальные для поворота трубопровода.
5. Методика определения срока безопасной эксплуатации трубопроводов, подверженных «канавочному» износу. Соответствие теоретических и экспериментальных исследований.
Научная новизна. Разработан новый ресурсосберегающий метод обеспечения безопасной эксплуатации и долговечности промысловых трубопроводов, подверженных «канавочному» износу, базирующиеся на следующих новых результатах:
- на основе анализа существующих способов обеспечения безопасной эксплуатации промысловых трубопроводов, подверженных «канавочному» износу, установлено, что одним из эффективных способов обеспечения безопасной эксплуатации и долговечности является научно обоснованный поворот поврежденных трубопроводов на угол, обеспечивающий вывод образовавшейся канавки из зоны интенсивного износа. Показано, что периодический поворот трубопровода, по мере образования канавки, обеспечивает более равномерный износ внутренней поверхности стенки трубопровода, и установлено: чем более равномерный износ стенки трубы, тем безопаснее эксплуатация трубопровода, которая определяется остаточной толщиной стенки в области канавки и зависит от внутреннего давления;
доказана возможность безопасного для последующей эксплуатации выполнения поворота подземного и наземного трубопроводов. Установлено, что эквивалентные напряжения в стенке трубы от выполнения поворота увеличиваются на 5... 15 % на каждые 0.5 град/м относительного угла закручивания, и тем больше, чем меньше давление и толщина стенки трубопровода. Напряжения при этом не превышают предела упругости, а наибольшие остаточные деформации трубопровода по длине из-за сопротивления грунта не более 20 %. Безопасное выполнение поворота наземного трубопровода
обеспечивается ограничением поперечного перемещения меньше 1 % от длины поворачиваемого участка;
выполненные исследования показали, что угол поворота подземного трубопровода по длине при его кручении изменяется по параболе и передается от поворачиваемого сечения на расстояние до 300 м в зависимости от диаметра трубы, толщины его стенки, кривизны продольной оси и защемления грунтом. Обобщенный коэффициент сопротивления грунта кручению трубы и изменение предельных касательных напряжений по контакту труба-грунт зависят от характеристик грунта, глубины заложения, диаметра и угла поворота трубы;
установлена зависимость величины крутящего момента, передаваемого к сечению трубопровода, от коэффициента трения во фрикционных накладках захватного устройства, площади контакта, давления в его гидроцилиндре и поперечного усилия на его стреле. Условием безопасного выполнения поворота трубопровода является отношение крутящего момента на захватном устройстве к сопротивлению трубопровода кручению, которое должно быть больше единицы. При этом крутящий момент на захватном устройстве должен быть меньше предельного, определяемого из условия смятия и среза трубы;
изучением влияния различных параметров перекачиваемой жидкости на скорость «канавочного» износа выявлена ее зависимость от скорости потока и установлено: чем меньше скорость потока, тем больше скорость «канавочного» износа и достигает 1...2 мм/год при скорости потока меньше 0.5 м/с.
Практическая ценность. Разработки, выполненные по результатам теоретических и экспериментальных исследований, внедрены на предприятиях нефтяной промышленности в виде:
1) технологии поворота промысловых трубопроводов,
подверженных «канавочному» износу:
выполнен профилактический поворот промысловых трубопроводов диаметром 325 мм протяженностью 6676 м в НГДУ «Аксаковнефть» ОАО «НК «Башнефть»;
выполнен профилактический поворот промысловых трубопроводов диаметром 325 и 377 мм протяженностью 18500 м в НГДУ «Южносухокумское» ОАО «НК «Роснефть» - Дагнефть»;
выполнен профилактический поворот промыслового нефтепровода диаметром 219 мм протяженностью 850 м в НГДУ «Федоровскнефть»;
выполнен профилактический поворот промыслового нефтепровода диаметром 273 мм протяженностью 530 м в НГДУ «Лянторнефть» АО «Сургутнефтегаз»;
2) технических средств выполнения профилактического поворота:
изготовлены и внедрены гидравлические захватные устройства, универсальные для выполнения поворота трубопроводов диаметрами 219...426 мм в ОАО «АНК «Башнефть»;
изготовлены и внедрены механические захватные устройства для выполнения поворота трубопроводов диаметром 325 мм в ОАО «АНК «Башнефть»;
изготовлены и внедрены механические и пневматические захватные устройства для поворота трубопроводов диаметром 325 и 377 мм в ОАО «НК «Роснефть» - Дагнефть»;
изготовлены и внедрены механические самозахватывающие устройства для поворота трубопровода диаметром 219 мм в АО «Сургутнефтегаз»;
3) методик и нормативно-технической документации:
регламент на выполнение профилактического поворота промысловых трубопроводов, подверженных канавочному износу СТП 003-263-03 - внедрен в ОАО «АНК «Башнефть»;
инструкция по проектированию захватного устройства для выполнения профилактического поворота промысловых трубопроводов внедрена в ДООО «БашНИПИнефть» 27.01.03 г.;
рекомендации по определению основных технологических параметров по профилактическому ремонту трубопроводов, подверженных канавочной коррозии - введены впервые в АО «Сургутнефтегаз» 16.02.95 г.;
рекомендации на профилактический ремонт трубопроводов, подверженных канавочной коррозии — введены впервые в АО «Сургутнефтегаз» 10.04.95 г.;
- рекомендации по повышению долговечности крепи скважин при их
эксплуатации и ремонте - введены впервые в ЗАО «Геология» 01.01.02 г.
Апробация работы. Основные результаты исследований, выполненные в диссертационной работе, докладывались на различных конференциях и конгрессах:
на ежегодных научно-технических конференциях молодых ученых УГНТУ, начиная с 1989 года;
научно-технической конференции «Проблемы нефтегазового комплекса России», 1995 г.;
II республиканской научно-технической конференции «Техническая диагностика, промышленная и экологическая безопасность предприятий», 1996 г.;
межвузовской научной конференции «Нефть и газ», 1997 г.;
II, III, IV, V, VI, VII международных научно-технических конференциях «Проблемы строительного комплекса России», 1998, 1999, 2000,2001,2002,2003 гг.;
научно-технической конференции «Проблемы нефтегазового комплекса России», 1998 г.;
Конгрессе нефтегазопромышленников России «Роль ТЭК в жизнеобеспечении Российской Федерации», 1998 г.;
научно-технической конференции «Новоселовские чтения», 1998 г.;
49 научно-технической конференции посвященной 50-летию УГНТУ, 1998 г.;
научно-технической конференции, посвященной 50-летию УГНТУ и 70-летию Сахалинморнефтегаз, 1999г.;
научно-технической конференции, посвященной 70-летию РГУ НиГ «История вуза — важный фактор формирования патриотизма специалиста отрасли», 2000 г.;
III Конгрессе нефтегазопромышленников России «Проблемы нефти и газа», 2001 г.;
специализированной научно-технической конференции «Энергосберегающие технологии в Республике Башкортостан», 2001 г.;
специализированной научно-технической конференции «Коррозия металлов: диагностика, предупреждение, защита и ресурс», 2002 г.;
Всероссийской научно-технической конференции «Трубопроводный транспорт нефти и газа», посвященной 50-летию с начала подготовки специалистов трубопроводного транспорта в УНИ-УГНТУ, 2002 г.;
Международной научно-технической конференции «Трубопроводный транспорт сегодня и завтра», 2002 г.;
- учебно - научно-технической конференции «Коррозия металлов. Защита от коррозии в промышленности» в рамках специализированных
выставок: IV «Уралпромэкспо - 2003» и II «Станки и инструменты», 2003 г.;
- IV Конгрессе нефтегазопромышленников России «Наука и образование в нефтегазовом комплексе», 2003 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 97 печатных работ, в том числе 1 монография и 65 статей.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, приложений и содержит 328 страниц машинописного текста, 94 рисунка, 5 таблиц, список использованной литературы из 114 наименований.
1. АНАЛИЗ ПРИЧИН ОТКАЗОВ И СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ПРОМЫСЛОВЫХ ТРУБОПРОВОДОВ, ПОДВЕРЖЕННЫХ ВНУТРЕННЕЙ КОРРОЗИИ
Обеспечение долговечности и безопасной эксплуатации промысловых трубопроводов существующими способами
Безопасное функционирование промысловых трубопроводов при соблюдении заданных режимов эксплуатации обеспечивается в основном мероприятиями по борьбе с коррозионным износом труб и поддержанием их надежности на требуемом уровне. Применяемые в настоящее время различные способы обеспечения долговечности и безопасной эксплуатации промысловых трубопроводов, приводится на рис. 1.3. Коррозионный износ труб по нижней образующей является одной из наиболее часто встречающихся причин отказов промысловых трубопроводов. Гидродинамические режимы течения газожидкостных смесей (ГЖС) по трубопроводам обусловливают, как правило, характер их контакта с внутренней поверхностью трубопровода, а также специфику диффузионных процессов при коррозии. Считают [91], что при содержании в водонефтяной смеси менее 25,.. 35 % воды поверхность металла практически не смачивается. В то же время имеются данные о питтингообразовании и при 0,1%-м содержании воды. Показателем типа гидродинамического режима течения водонефтяных эмульсий является критерий Фруда Fr [101]. При Fr 0,2 происходит расслоение эмульсии, и коррозия протекает по нижней образующей трубопровода. Если Fr находится в пределах 0,5...2,25, образуется эмульсия типа нефть в воде (н/в), опасность коррозии остается по-прежнему высокой. При Fr 2,25 эмульсия имеет тип вода в нефти (в/н) и скорость коррозии резко уменьшается. Для систем нефтесбора, где в ГЖС наряду с нефтью и водой присутствует газ, применяют критерий Кутателадзе Кв. Контакт внутренней поверхности трубопровода с водной фазой в области нижней образующей, как правило, имеет место при Кв 3,75 (Fr l) и зависит от обводненности ГЖС р . Если р 0,3, водный В Є подслой существует при Fr 0,5. При Fr 0,5 наблюдается эмульгированный поток ГЖС типа в/н. В случае транспортировки обводненных нефтей (0,3 р 0,7) полное эмульгирование наступает о при Fe 2 (эмульсия типа в/н). При Fe 2 существуют, очевидно, плотной эмульсии типа н/в. Многообразие физико-химических свойств водо-нефтегазовых смесей и особенностей их транспортирования по трубопроводам обусловливает сложность расчета гидродинамических параметров течения. Существует не менее пяти методик, регламентирующих гидродинамические условия, при которых не происходит образование водных скоплений в нефтесборных коллекторах, вызывающих коррозию.
Предпринята попытка [92] выявить наиболее корректные из них на основе анализа статистических данных о коррозионном разрушении нефтепроводов Западной Сибири. Исследование причин образования водных скоплений в искривленных газожидкостных потоках позволило установить зависимость для определения критической скорости течения при допущении, что водонефтяная смесь представляет собой стабильную эмульсию где v, - кинематическая вязкость стабильной эмульсии; рг- расходное объемное газосодержание; /?, - плотность эмульсии; pe - плотность воды; G- поверхностное натяжение на границе нефть-вода. Из данной формулы следует; что 9кр снижается с ростом обводненности ГЖС, поскольку плотность однородной эмульсии всегда выше плотности нефти. В методике, предложенной Гипротюменнефтегазом, используют последнее выражение при условии образования пробковой структуры потока ГЖС. Последнюю количественно оценивают известной зависимостью где / - геометрический уклон трубы; X - коэффициент гидравлического сопротивления ГЖС. Однако питтингообразование на насосно-компрессорных трубах наблюдается, как правило, на тех участках, где имеет место устойчивый пробковый режим течения ГЖС. При скорости общей коррозии 0,25 мм/год скорость локальной достигает 2,5 мм/год. Модель, разработанная в СевкавНИПИнефти, позволяет оценивать устойчивость скопления воды на искривленном участке трубопровода большого диаметра. При невысоких газосодержании смеси (рг 0,73) и геометрическом уклоне трубопровода (/ 0,1) истинные скорости движения нефти и газа примерно равны, и условие выноса водных скоплений зависит только от уклона При / 0,1 параметр Fr увеличивается незначительно и остается на уровне 0,159. В интервале рг = 0,73...0,91 влияние уклона ослабевает, и устойчивость водных скоплений зависит главным образом от соотношений firlр„ (Рн- объемное расходное содержание нефти). Для достаточно протяженного трубопровода, имеющего участки с уклоном / 0,1, граничные условия существования водных скоплений, учитывающие обводненность нефти, имеют вид Следует отметить, что эти выражения справедливы для неустойчивых эмульсий типа в/н (n 0,5...0,7). Для предотвращения коррозии трубопроводов рекомендуют обеспечивать турбулентное течение ГЖС со скоростью не менее 0,65 м/с [89]. Предупредить внутреннюю коррозию частично возможно, если перевести коррозионно-активную среду вовнутрь потока нефти т.е. обеспечить эмульсионную структуру потока [ 2 ].
Эквивалентные напряжения в трубопроводе при повороте без остановки перекачки
Выполнение поворота трубопровода, поврежденного канавочным износом, вызывает сложное напряженное состояние стенки трубы в области канавки. Предельное состояние трубопровода при этом оценим эквивалентными напряжениями, возникающими в опасном сечении под действием внутреннего давления и крутящего момента. Напряженное состояние точки на поверхности трубы (рис. 2.9) определяется нормальными напряжениями ах, ау и касательными напряжениями т, Согласно третьей теории прочности (теория наибольших касательных напряжений) эквивалентные напряжения определяются по следующей формуле: Здесь касательные напряжения выразим через относительный угол поворота 0 и получим Используя подстановки и несложные преобразования, получим окончательную формулу для определения эквивалентных напряжений в изношенном трубопроводе при его повороте без остановки перекачки
Для анализа возникающих в трубопроводе эквивалентных напряжений построены их графические зависимости (рис. 2.10) от совместного воздействия внутреннего давления и относительного угла поворота при профилактическом повороте трубы диаметром 325 мм. Видно, при повороте трубы с внутренним давлением 2 МПа на 0.3 град/м, эквивалентные напряжения равны 140 МПа, а при внутреннем давлении 8 МПа поворот трубы на тот же угол вызывает в ее стенке 190 МПа. Полученные зависимости позволяют оценить безопасность поворота трубопровода без остановки перекачки жидкости. Изменение эквивалентных напряжений (рис. 2.11) в трубе под внутренним давлением, вызванное поворотом показывает, что доля напряжений от кручения тем больше, чем меньше внутреннее давление в трубопроводе. Однако суммарные эквивалентные напряжения при одинаковом угле поворота тем выше, чем больше внутреннее давление в трубопроводе. При расчетах эквивалентных напряжений в трубопроводе с несколькими канавками, если поворот выполняется не первый раз, необходимо вводить касательные напряжения, определенные с учетом износа поперечного сечения, т.е. Т = , где сок — удвоенная площадь, охватываемая средней линией изношенного сечения трубы. Отдельные вопросы взаимодействия трубопроводов с грунтами изложены в работах Аронова Р.И., Айнбиндера А.Б., Бородавкина П.П., Березина В.Л., Быкова Л.И., Виноградова СВ., Григоренко П.Н., Рафикова С.К., Ясина Э.М. и других. Экспериментальное изучение сопротивления грунта повороту труб проводилось рядом авторов, в том числе Молодецким В.А. и Хожметовым Г.Х., однако имеющиеся разработки не позволяют определять технологические параметры профилактического поворота. Рассмотрим прямолинейный полубесконечный подземный участок трубопровода, левый конец которого свободен и к нему приложен крутящий момент М0, а правый конец неподвижен (рис. 2.12). В качестве расчетной модели трубопровода используем стержень трубчатого сечения, взаимодействующий с грунтовой средой.
Экспериментальное определение обобщенного коэффициента сопротивления грунта повороту трубы
Используя уравнения статики и принятые выше обозначения, получим величину предельного давления: Показано, что тонкостенная труба, нагруженная моментами т, теряет устойчивость с образованием весьма длинных волн в продольном направлении. Отыскивая минимум этого выражения по а и подставляя Наименьшее значение ткр приобретает при т=2, когда круг в поперечном сечении переходит в эллипс. Тогда для стального трубопровода можно записать: Ограничение крутящего момента допустимым значением из условия устойчивости позволит исключить потерю устойчивости трубопровода во время выполнения его поворота. Эксперименты показывают, что потеря устойчивости имеет место, если защемление трубопровода грунтом больше чем допускаемый крутящий момент (рис. 2.35). В этом случае концентрация большого угла поворота на небольшой длине становится опасным, особенно на подземном участке.
Поэтому, одним из признаков успешного выполнения поворота на данном участке является поворот следующего (на расстоянии /т) сечения на расчетный угол под воздействием предыдущего захватного устройства. 1. Повышенный запас прочности промысловых трубопроводов, заложенный в процессе проектирования, позволяет осуществить поворот трубы на участках подверженных канавочному износу с целью вывода изношенных участков из зоны интенсивного взаимодействия с гидроабразивной средой. 2. Выполнение профилактического поворота подземного и наземного трубопроводов, подверженных канавочному износу, безопасно для их последующей эксплуатации. Наличие канавки шпоночного типа более опасно, чем канавка серповидной формы, т.к. возникают краевые изгибающие моменты и концентрации напряжений. 3. Невозвратные относительные деформации кручения подземного трубопровода за счет сопротивления грунта не превышают 20 %, что безопасно для последующей его эксплуатации. Безопасное выполнение поворота наземного трубопровода обеспечивается ограничением поперечного перемещения меньше 1 % от длины поворачиваемого участка. 4. При кручении трубопровода за пределами упругости, остаточные касательные напряжения составляют 1/3 от предела текучести. Напряжения и радиальные перемещения в сечении трубопровода под действием давления в захватном устройстве, с учетом концентрации напряжений в области канавки и краевого эффекта от действия фрикционных накладок, не превышают допускаемых величин: напряжения не более 150 МПа; наибольшие перемещения не превышают 1/200 от наружного диаметра трубопровода. 5. Изучение несущей способности трубопровода с канавочным износом под действием внутреннего давления показывает, что в зависимости от глубины канавки опасными могут быть как продольное сечение, проходящее по дну канавки, так и продольные сечения на границе канавки. 6. Исследование взаимодействия грунта с трубопроводом при его повороте, с учетом упругой и упруго-пластической стадии показали возможность безопасного выполнения поворота подземных трубопроводов диаметром до 426 мм без вскрытия, а при повороте надземного трубопровода необходимо учитывать возникающую деформацию продольно-поперечного изгиба. 7. Кривизна оси трубопровода и возможная начальная эллиптичность поперечного сечения, где установлено захватное устройство, являются определяющими параметрами, влияющими на потерю устойчивости трубопровода при повороте. Если реактивный момент сопротивления грунта повороту трубы больше критического крутящего момента, то будет иметь место потеря устойчивости и следует уменьшить расстояние между захватными устройствами до безопасного по условию устойчивости.
Порядок определения основных технологических параметров
Пояснительная записка в проекте производства работ включает следующие данные. 1. Общие данные о техническом состоянии трубопровода, состояние тела трубы, состояние изоляции; сведения об изменениях по трассе с привязкой к километражу и пикетажу, различные пересечения по трассе; наиболее благоприятное время года для производства работ. 2. Порядок выполнения поворота трубопровода по отдельным видам работ. 3. Основные технико-экономические показатели трубопровода и участка профилактического ремонта; объем ремонтных работ; сметная стоимость работ; общая трудоемкость работ в чел.-днях; средняя трудоемкость на 1 км поворачиваемого участка; сроки производства работ по плану (начало и окончание). 4. Мероприятия по охране труда, технике безопасности и пожарной безопасности. 5. Мероприятия по охране окружающей среды.
При ремонте трубопровода на небольших участках, проложенных в нормальных гидрогеологических условиях (с нормальным рельефом местности), разработка проектно-сметной документации может быть ограничена составлением графика производства работ на основании принятой технологической схемы. Вся документация на производство ремонтных работ составляется не позднее, чем за два месяца до начала основных работ, и передается для ознакомления с работами непосредственных исполнителей. После завершения подготовки приступают к производству основных видов работ: -вскрытие трубопровода в местах установки захватных устройств; - выполнение поворота всех сечений, указанных в проекте; - восстановление нарушенной изоляции; -засыпка участков трубопровода, вскрытых для установки захватных устройств. Для установки захватного устройства на трубопровод необходимо его вскрыть, с этой целью на определенном расчетами расстоянии друг от друга роют котлованы. Размеры котлована зависят от схемы расположения захватного устройства в исходной позиции: горизонтально — если поворот осуществляется трубоукладчиком и тяговое усилие направлено вверх; вертикально - если тяговое усилие на стрелу захватного устройства передается трактором или лебедкой через трос и направлено горизонтально. Кроме того, размеры канавки должны обеспечить безопасную работу рабочего при установке им захватного устройства на тело трубы.
Вскрышные работы проводятся экскаватором и вручную, выполняя соответствующие требования к этим видам работ. Вскрытый участок трубопровода необходимо очистить от изоляции, прежде чем установить захватное устройство, и затем восстановить изоляцию на этом участке после снятия захватного устройства. По мере вскрытия трубопровода в местах установки захватных устройств (ЗУ) следует их установка на поворачиваемых сечениях. В зависимости от количества поворотных механизмов и выбранной технологической схемы одновременно могут быть подготовлены к повороту 2, 3 и более сечений.
Как показано (см. рис. 4.3) на технологической схеме поворота трубопровода без разрезки, одновременно установлены поворотные механизмы на 3-х сечениях. Экскаватор переходит от одной позиции к другой и роет котлован. Поворот участка трубопровода, на котором установлены захватные устройства, осуществляют под наблюдением и руководством мастера, ответственного за выполнение профилактического ремонта. На каждой позиции находится монтажник - помощник машиниста, визуально наблюдающий за состоянием ЗУ и вскрытого участка трубопровода. Мастер по рации дает команду помощнику машиниста, а он в свою очередь машинисту (сигналом красного флажка) о предварительном натяжении тросов, соединяющих оголовок ЗУ с лебедкой трактора. Иногда, особенно для наземного трубопровода, расстояния между поворотными механизмами достигает до 350 м и очень важно иметь связь, поэтому у каждого монтажника должна быть рация, по которой он связывается с мастером. После предварительного натяжения монтажники докладывают мастеру о готовности к выполнению поворота. Убедившись в готовности всех поворотных механизмов, мастер дает команду о выполнении поворота на определенный заранее угол, с определенной скоростью. Синхронное выполнение имеет большое значение, т.к. при этом обеспечивается наименьшее напряженное состояние трубопровода. Если участок трубопровода поворачивается без разрезки, то после . выполнения поворота необходимо заякорить первое захватное устройство в повернутом положении, прежде чем освободить от троса поворотного устройства (ПУ). Это необходимо сделать для исключения обратного закручивания повернутого сечения за счет упругих напряжений в теле трубы. Экспериментальные исследования показывают, что если освободить ЗУ сразу после поворота, то угол возврата составляет до 25 %.
