Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Оценка надежности муфтовых соединений полиэтиленовых трубопроводов

ВАК РФ 25.00.19, Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ

Автореферат диссертации по теме "Оценка надежности муфтовых соединений полиэтиленовых трубопроводов"

На правах рукописи

савченко наталья юрьевна

оценка надежности муфтовых соединений полиэтиленовых трубопроводов

Специальность 25.00.19 - «Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ»

автореферат 2 8 НОЯ 2013

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тюмень - 2013

005540797

005540797

Рабата выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет»

Научный руководитель: Иванов Вадим Андреевич

доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ

Официальные оппоненты: Никифоров Владимир Николаевич

доктор технических наук, профессор, ООО «МЕГА-ГРУПП», генеральный директор

Сенцов Сергей Иванович

доктор технических наук, профессор, РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, г. Москва, профессор кафедры «Сооружение и ремонт газонефтепроводов и хранилищ"

Ведущая организация: Государственное унитарное предприятие

«Институт проблем транспорта энергоресурсов» РБ, г. Уфа

Защита диссертации состоится 24 декабря 2013 года в 1130 часов на заседании диссертационного совета Д 212.273.02 при Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу: 625039, г. Тюмень, ул. Мель-никайте, 72, библиотечно-издательский комплекс, кабинет № 46.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотечно-издательском комплексе Тюменского государственного нефтегазового университета по адресу: 625039, г. Тюмень, ул. Мельникайте, 72. (www.tsogu.ru)

Автореферат разослан «23» ноября 2013 года.

И.о. ученого секретаря диссертационного совета

Торопов Сергей Юрьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы работы

На поддержание промысловых трубопроводов в работоспособном состоянии эксплуатирующие организации затрачивают огромные средства. В рамках повышения надежности трубопроводов в последнее время все чаще стали применяться армированные полиэтиленовые трубы, соединение которых в нитку осуществляется при помощи муфт. Практика натурных наблюдений за эксплуатацией вновь проложенных участков из полиэтилена показывает, что инциденты с выходом нефти происходят преимущественно в результате порывов в местах муфтовых соединений. В итоге на устранение последствий отказов с разрывом околомуфтовой зоны трубы затрачиваются значительные экономические ресурсы, наносится непоправимый экологический ущерб природе. Несмотря на это, нормативная база в области эксплуатации полимерных труб с муфтовыми соединениями в настоящее время практически отсутствует. В существующей нормативно-технической документации не обозначены специальные условия эксплуатации муфтовых соединений армированных полиэтиленовых труб для объектов промысла нефти и газа. Не определена прочность данных соединений, открыт вопрос их надежности.

В связи с этим проблема надежности соединений полиэтиленовых армированных трубопроводов систем сбора и подготовки углеводородного сырья является актуальной.

Цель работы - разработка методики оценки конструктивной надежности муфтовых соединений полиэтиленовых трубопроводов.

Основные задачи:

1. Определение напряженно-деформированного состояния муфтовых соединений полиэтиленовых трубопроводов в системах сбора и подготовки углеводородного сырья.

2. Определение вероятностно-статистических значений напряжений, характеризующих достижение предельного состояния муфтовых соединений полиэтиленовых трубопроводов на основе результатов экспериментальных исследований.

3. Получение зависимости уровня надежности муфтовых соединений полиэтиленовых трубопроводов от эксплуатационных нагрузок и конструктивных параметров.

4. Разработка методики оценки надежности муфтовых соединений полиэтиленовых трубопроводов.

Объект исследований - соединение полиэтиленовых трубопроводов с помощью муфты в системах сбора и подготовки углеводородного сырья.

Предмет исследований - надежность муфтовых соединений полиэтиленовых трубопроводов в зависимости от эксплуатационных нагрузок и параметров конструкции.

Методы исследования

При решении поставленных задач использовались аналитические, численные и экспериментальные методы исследования: теория вероятностей, теория составных цилиндрических оболочек, метод конечных разностей, методы математической статистики.

Научная новизна результатов

1. Выявлена статистическая зависимость уровня надежности муфтовых соединений полиэтиленовых трубопроводов от эксплуатационных нагрузок и конструктивных параметров исследуемой конструкции.

2. Определены вероятностно-статистические значения основных прочностных параметров соединений полиэтиленовых труб электромуфтой на основе экспериментальных исследований.

3. Разработана методика оценки надежности муфтовых соединений полиэтиленовых трубопроводов с позиции теории вероятностей, учитывающая уровень напряженного состояния конструкции.

4. Выполнено численное исследование влияния типов соединений полиэтиленовых трубопроводов на уровень их надежности.

Положения, выносимые на защиту

1. Результаты анализа причин отказов промысловых трубопроводов.

2. Методика оценки надежности муфтовых соединений полиэтиленовых трубопроводов с позиции теории вероятностей.

3. Результаты экспериментальных исследований прочностных параметров муфтовых соединений полиэтиленовых труб.

4. Результаты оценки уровня надежности и коэффициента запаса муфтовых соединений полиэтиленовых трубопроводов.

Практическая значимость результатов

Разработанная методика оценки надежности муфтовых соединений полиэтиленовых трубопроводов может быть использована в проектных и научно-исследовательских организациях при проектировании промысловых трубопроводов.

Разработано прикладное программное обеспечение для оценки уровня надежности и коэффициента запаса муфтовых соединений полиэтиленовых трубопроводов при их эксплуатации.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались в рамках II Международной научно-технической конференции «Новые информационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании», г. Тюмень, 2006 г., Международной научно-технической конференции «Геотехнические и эксплуатационные проблемы нефтегазовой отрасли», г. Тюмень, 2007 г., Международной научно-практической конференции «Проблемы функционирования систем транспорта», г. Тюмень, 2010 г., Всероссийской научно-технической конференции «Транспортные и транспортно-технологические системы», г. Тюмень, 2011 г., Международной научно-технической конфе-

ренции «Актуальные проблемы трубопроводного транспорта Западной Сибири», г. Тюмень, 2013 г.

Публикации

Основное содержание работы отражено в 9 опубликованных работах, в их числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы; изложена на 117 страницах машинописного текста, содержит 36 иллюстраций, 26 таблиц; библиографический список включает 87 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы цель, задачи исследования, раскрыты научная новизна и практическая значимость.

В первой главе проведен анализ причин отказов нефтепромысловых трубопроводов. Установлено, что 77 % отказов является следствием коррозионных повреждений. Из общего числа отказов на долю систем нефтесбора приходится 50-55 %, на долю коммуникаций поддержания пластового давления - 30-35 %. В 42 % случаях трубы не выдерживают пятилетней эксплуатации, а 17 % служат менее двух лет. Ежегодно в России заменяется 7-8 тыс. км нефтепромысловых сетей, расходуется 400-500 тыс. тонн стали.

Более половины отказов промысловых трубопроводов происходит из-за коррозии материала труб (рис. 1).

Данная проблема решается применением труб из полиэтилена, так как они обладают рядом преимуществ по сравнению со стальными трубами.

Проведенный анализ исследований В.И. Агапчева, Г.М. Бартенева, С.А. Горелова, C.JI. Голофаста, А.Г. Гумерова, Ю.Д. Земенкова, П.И. Зубова, В.А. Иванова, О.М. Иванцова, Н.К. Кайгородова, В.Н. Никифорова, В.В. Новосёлова, А.Р. Ржаницына, В.Н. Сызранцева и др., посвященных спе-

цифике использования полиэтиленовых трубопроводов и оценке прочностной надежности систем трубопроводного транспорта, показывает целесообразность их широкого применения в нефтегазовой отрасли.

6 % з %

□ Воздействие коррозионных процессов

□ Разрушение соединений

□ Нарушение правил охраны промысловых трубопроводов

П Наличие заводского дефекта

Рис. 1. Причины отказов промысловых трубопроводов России

Исследования и анализ напряженно-деформированного состояния полиэтиленовых трубопроводов показывают возможность возникновения отказов промысловых трубопроводов с выходом (утечкой) транспортируемого продукта.

Основной причиной возникновения отказов является разрушение полиэтиленовых трубопроводов в местах их соединений. На (рис. 2) представлен анализ данных об отказах на полиэтиленовых трубопроводах в России.

□ Разрушение по стыку

■ Повреждение землеройной техникой

□ Разрушение по телу трубы

□ Нарушение герметичности соединений полиэтилен-сталь

■ Другие причины

Рис. 2. Причины разрушения полиэтиленовых трубопроводов

Результаты статистической обработки данных об отказах позволили сделать вывод, что надежность работы полиэтиленовых трубопроводов в околомуфтовой зоне несколько ниже, чем на других участках трубы. От правильного выбора муфты, в качестве соединения полиэтиленовых трубопроводов, зависит прочность, надежность и долговечность работы трубопровода при его эксплуатации.

В связи с этим вопрос оценки надежности работы соединений полиэтиленовых промысловых трубопроводов является актуальным.

На основе проведенного автором анализа сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе рассмотрена методика оценки надежности соединений полиэтиленовых трубопроводов с позиции теории вероятностей. В качестве критерия отказа принято достижение предельного состояния, которое приводит к разрушению трубопроводов. За меру надежности принято ненаступление возможного предельного состояния при заданных условиях эксплуатации соединения полиэтиленовых трубопроводов.

Надежность работы конструкции оценивалась по условию

¿/=с7,-е72 >о, о)

—> -+

где и - функция надежности; £/, - факторы, определяющие несущую способность соединений полиэтиленового трубопровода, которые зависят от фи—>

зико-механических свойств материала; иг — факторы условий работы соединений трубопровода, характеризующие воздействие нагрузок.

и,

и г

^расч » ^"экспл

где сгт, <трасч - предел текучести и предел прочности материала, определяемые экспериментально на конструкции муфтового соединения полиэтилене-

вого трубопровода (МПа); &расч - величины напряжений, обоснованные расчетом (МПа); О~окспл - напряжения, возникающие в конструкции муфтового соединения полиэтиленового трубопровода при нагрузках, соответствующих условиям эксплуатации (МПа).

Учитывая случайный характер 11] и и2, их разность (1) является количественным показателем надежности конструкции соединения полиэтиленового трубопровода и зависит от соотношения числовых характеристик и и2 как функций случайных переменных.

Величина коэффициента запаса или коэффициента надежности при эксплуатации трубопровода, исходя из вероятностного подхода понятия надежности, определялась по формуле

к = ти%1тщ, (2)

где т^ и тиг - математические ожидания показателей С/, и С/2 как случайных величин.

Расчетный уровень надежности соединения полиэтиленового трубопровода определялся по соотношению

Я = 0,5-[1 + Ф(г)], (3)

где Ф(г) - интеграл вероятности, который зависит от полученного закона распределения случайных величин.

Для разрабатываемой методики необходима количественная оценка несущей способности участка полиэтиленового трубопровода с муфтовым соединением и знание закона распределения величин напряженного состояния при эксплуатации трубопроводов. Сопоставление этих факторов дает возможность оценить надежность соединений трубопроводов из полимерных материалов.

Для определения функции надежности факторы, определяющие несущую способность соединений полиэтиленового трубопровода (ЕЛ), исследо-

вались с помощью методов статистики, используя для обработки результаты экспериментальных исследований. Таким образом определялись прочностные характеристики соединений полиэтиленовых труб.

Для определения фактора {1Л) необходимо знание расчетных напряжений, возникающих на участке трубопровода с муфтовым соединением. В качестве примера рассмотрено соединение трубопроводов с помощью электромуфты (рис. 3).

Рис. 3. Схема электромуфты с нагревательными элементами: 1 - электромуфта; 2 - армирование муфты; 3 - электроспираль муфты; 4 - экс-трузионный шов стыка труб; 5 - клемма электроподвода; 6, 7 - соединяемые армированные трубы; -длина электроспирали; Ьг - ширина шва; - внутренний диаметр труб.

Уровень напряженного состояния вычислялся через результирующие (эквивалентные) напряжения. Последние определялись величинами широтных (окружных) и продольных (меридиональных) напряжений, возникающих на участке полиэтиленового трубопровода с муфтовым соединением.

Широтные напряжения рассчитывались от воздействия внутреннего давления. Продольные напряжения получены с помощью математической

модели двухслойной составной цилиндрической оболочки. Модель представлена в форме дифференциальных уравнений осесимметричного деформирования с учетом краевых условий.

Система уравнений равновесия с учетом конечной жесткости соединения по поверхности полиэтиленовой трубы и соединительной муфты была представлена в виде:

dxds = 0:

+ тxdxds ■ а —

Q{x)dxds = 0;

dN(x2)ds + q(x2)dxds - rxdxds = 0; (4)

dxds • b-Q^)dxds = О,

где Л^., (Ух, М'х — погонные нормальные, поперечные силы и изгибающие моменты в 1 — ом слое; - составляющие внешней нагрузки,

распределенной по срединной поверхности каждого / - го слоя; тх -сдвигающие напряжения в шве.

После ряда преобразований системы уравнений равновесия (4) была получена система дифференциальных уравнений, решение которой осуществлялось методом конечных разностей. Достоверность обосновывалась на частных задачах, т. е. задача изгиба конструкции упрощалась до степени возможности применения аналитического решения.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований соединений полиэтиленовых трубопроводов от действия внутреннего давления.

Экспериментальные исследования для определения вероятностно-статистических значений прочностных параметров соединений армированных труб (С^) проводились на базе ОАО «Газпром» (Филиал Отраслевой институт «Омскгазтехнология», г. Омск).

Были проведены испытания соединений полиэтиленовых труб на действие внутреннего давления от 0 МПа до Р,ф (до разрыва). Испытания проводились при температуре 20 - 25 °С.

Параметры и характеристики испытываемых образцов: длина образца 1350 мм; диаметр наружный -138 мм; диаметр внутренний - 107 мм, длина муфты - 200 мм. Испытательная жидкость - вода; скорость роста давления не более 1 МПа/мин.

В табл. 1 представлена выборка результатов экспериментальных исследований по определению прочностных характеристик муфтовых соединений полиэтиленовых трубопроводов.

После обработки результатов экспериментальных исследований были получены среднестатистические значения напряжений, при которых происходит разрушение муфтовых соединений полиэтиленовых трубопроводов (табл. 2).

Таблица 1

Выборка результатов экспериментальных исследований

Показатели Элементы выборки

и„ и,2 и» и,4 и,5 и,6 и17 и»

Внутреннее давление Р, МПа 4 5,2 6,7 7,5 8,4 9,3 10,2 12

Напряжение ст, МПа 13 17 22 24 27 30 33 39

Количество разрушенных образцов, п 1 3 12 19 30 25 8 2

Вероятность, р 0,01 0,03 0,12 0,19 0,30 0,25 0,08 0,02

Таблица 2

Среднестатистические результаты испытаний соединений армированных

труб

Номинальный наружный диаметр трубы (1, мм 140

Номинальная толщина стенки трубы 81, мм 16,5

Разрушающее давление (Р^) при 20 иС, МПа 8,4

Напряжение , МПа 27,3

Параметры £/, (см. формулу 1), определяющие несущую способность соединений полиэтиленового трубопровода, вычислялись на основе результатов эксперимента. Для оценки соответствия обрабатываемых чисел нормальному распределению использовался критерий Пирсона.

В результате обработки результатов экспериментальных исследований фактор III принимается равным 27,3 МПа.

Для определения фактора 1/2 были использованы статистические данные изменения величины внутреннего давления при эксплуатации промысловых трубопроводов.

Для определения вероятностно-статистических значений параметров соединений армированных полиэтиленовых труб (С/2) были использованы показатели давления при эксплуатации промысловых трубопроводов на месторождениях Западной Сибири. В табл. 3 представлена выборка результатов замеров перепадов давления по определению эксплуатационных параметров соединений полиэтиленовых труб.

Среднестатистические значения напряжений, которые испытывает участок трубопровода с муфтовым соединением при эксплуатации, представлены в табл. 4.

Таблица 3

Выборка результатов перепадов давлений при эксплуатации трубопроводов

Показатели Элементы выборки

и2. и22 и23 и24 и25 и26 и 27 и28

Внутреннее давление Р, МПа 3,5 3,8 4,1 4,3 4,7 4,9 5,2 5,5

Напряжение сг, МПа 11,4 12,3 13,1 14 15,2 15,7 16,9 17,8

Количество замеров, п 3 10 18 26 19 13 8 3

Вероятность, р 0,03 0,1 0,18 0,26 0,19 0,13 0,08 0,03

Таблица 4

Среднестатистические результаты наблюдений соединений армированных труб при эксплуатации

Номинальный наружный диаметр трубы <1, мм 140

Номинальная толщина стенки трубы 8Х, мм 16,5

Давление при эксплуатации Р, МПа 4,5

Напряжение при эксплуатации ажст, МПа 14,5

В результате проведенных исследований по разработанной методике фактор и2 = (<Узкспл) при эксплуатации принимается равным 14,5 МПа.

В четвертой главе выполнен расчет оценки надежности соединений полиэтиленовых трубопроводов.

Для оценки надежности работы данных типов муфтовых соединений была определена величина эквивалентных напряжений согласно IV теории прочности

°"э« = 4+ ^т -^т, (5)

где О", - широтное напряжение, МПа, сгт - продольное напряжение, МПа.

Продольные напряжения определены на основе решения дифференциальных уравнений. Кольцевые напряжения определялись от действия внутреннего давления.

Результаты расчетов представлены для двух вариантов исполнения соединения полиэтиленового трубопровода. Рассмотрены соединения полиэтиленовых трубопроводов электромуфтой (рис. 3) и с помощью стальной муфты.

Примеры распределения эквивалентных напряжений по длине участка полиэтиленового трубопровода в зоне их соединения (электромуфта, стальная муфта) представлены на (рис. 4) и (рис. 5).

сг, МПа

16 -...............;........гГГ^ТГГ^..,..................|.....................................|.....................СГ^ГГГг^......i..............-

^Р=5,0 МПа

14 - -

12-................ .......j............-

j МПа

10-

—т ; 1.....f Ы±~

^Р=2,5 МПа

6 - . . ... i_ 'jzzizi,—I^^^^+^^^^^^r^0'6 мПа

300 350 400 450 500 550 600 650 700 L, мм

Рис. 4. Изменение эквивалентного напряжения в полиэтиленовом трубопроводе по длине соединения электромуфтой при различных давлениях

! I I ( I ! i

^Р=5,0 МПа

—•—i

МПа

-4-=—I J-Г^^........i.....

[ ! ! i I ^Р=2,5 МПа

I С —1—

J

" ......." ^Р=0,6 МПа

300 350 400 450 500 550 600 650 700 L

20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0

400 500 600 700 800 900 1000 L мм

Рис. 5. Изменение эквивалентного напряжения в полиэтиленовом трубопроводе по длине соединения стальной муфтой при различных давлениях

Оценка надежности соединений полиэтиленовых промысловых трубопроводов проводилась при следующих параметрах: модуль упругости труб из армированного полиэтилена - ЗОЮ МПа; диаметры труб - d = 140мм; рабочее давление Р 3,5 — 5,5 МПа. Математическое ожидание фактора U¡ составило mffl= 27,3 МПа, фактора U2 - ти2 = 15,2 МПа (расчетные напряжения по разработанной математической модели), фактора U¡ -ти2= 14,5 МПа (напряжения при эксплуатации без учета изгиба).

После проведения расчетов получена плотность распределения вероятностей напряжений без учета и с учетом изгибных напряжений, а так же напряжений, полученных на основе результатов экспериментальных исследований соединения полиэтиленового трубопровода с помощью электромуфты. Плотность распределения вероятностей представлена на (рис. 6).

Па)

0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05

Ю 15 20 25 30 35 40 а, МПа

Рис. 6. Плотность распределения вероятностей напряжений ^Сэксил) - (1) при эксплуатации соединений промысловых трубопроводов (¿=140 мм; Р=4,5 МПа); страсч) - (2) расчетных характеристик соединений промысловых трубопроводов (Р=4,5 МПа); Г( онр) - (3) прочностных характеристик (Р=8,4 МПа)

Для определения функции надежности в качестве фактора 11/ (рис. 6, кривая 3) использованы результаты экспериментальных исследований прочностных параметров муфтовых соединений (третий раздел). В качестве фактора и2 ( арас ) для оценки надежности рассмотрены два варианта.

В первом варианте (рис. 6, кривая 1) расчеты напряженного состояния проводились, учитывая окружные напряжения. Во втором - значения напряжений при эксплуатации рассчитывались с учетом окружных напряжений

(С, ) и напряжений от изгиба (сгт ) по разработанной математической модели (4) (рис. 6, кривая 2).

Для соединений полиэтиленовых трубопроводов электромуфтой диаметром ¿/=140 мм, с учетом напряжений от изгиба, коэффициент запаса составляет к=1,79, расчетный уровень надежности Н=0,965. Без учета краевого эффекта, связанного с установкой муфты, соответственно был получен к=1,88, уровень надежности Н=0,977.

При исследовании соединений полиэтиленовых трубопроводов стальной муфтой расчеты показали, что в этом случае напряжения от изгиба увеличиваются в сравнении с использованием в качестве соединения электромуфты.

Разработанная методика позволяет оценить уровень надежности различных муфтовых соединений промысловых трубопроводов из полиэтилена при их различных эксплуатационных параметрах.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1.На основе экспериментальных исследований получены вероятностно-статистические значения прочностных характеристик, определяющие достижение предельного состояния муфтовых соединений полиэтиленовых трубопроводов.

2. Разработана методика, позволяющая оценить уровень надежности соединений полиэтиленовых армированных трубопроводов. Для соединения труб с помощью электромуфты установлено, что коэффициент запаса составляет к=1,79, расчетный уровень надежности Н=0,965. При использовании для соединения стальной муфты, коэффициент запаса уменьшается на 7 %. Последняя величина зависит от параметров исследуемой конструкции.

3. По результатам анализа напряженного состояния двух вариантов муфтового соединения армированных полиэтиленовых трубопроводов установлено, что для трубопроводов высокого давления следует использовать соединение участков трубопровода электромуфтой, для трубопроводов низкого давления целесообразно применение стальной муфты.

4. Использование разработанной методики позволяет оценить уровень надежности полиэтиленовых трубопроводов с муфтовым соединением и совершенствовать нормативно-техническую базу при проектировании промысловых полиэтиленовых трубопроводов.

основные публикации по теме диссертации

в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Савченко Н.Ю. Оценка надежности соединений полиэтиленовых трубопроводов / Иванов В.А., Савченко Н.Ю. // Известия вузов. Нефть и газ.- 2011. - № 2. - С. 57-61.

2. Савченко Н.Ю. Надежность муфтовых соединений полиэтиленовых трубопроводов // Известия вузов. Нефть и газ. - 2013. - № 5. - С. 77-82.

В других изданиях:

3. Якубовская Н.Ю. Обеспечение надежности полиэтиленовых трубопроводов при плужном способе бестраншейной прокладки / Иванова Е.Ю., Якубовская Н.Ю. // Новые информационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании: Материалы ii Международной научно-технической конференции. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2006. - С. 19 - 22.

4. Якубовская Н.Ю. Напряженно-деформированное состояние армированных полиэтиленовых труб при футеровке промысловых трубопроводов / Якубовская Н.Ю., Зыкина Е.А. // Геотехнические и эксплуатационные проблемы нефтегазовой отрасли: материалы Международной научно-технической конференции. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2007.- С. 153 - 157.

5. Савченко Н.Ю. Повышение надежности соединений полиэтиленовых трубопроводов. // Мегапаскаль: сборник научных трудов,- Тюмень: А-принт, 2009 -№3.- С. 14-15.

6. Савченко Н.Ю. Расчет напряжений муфтовых соединений полиэтиленовых трубопроводов // Проблемы функционирования систем транспорта: материалы Международной научно-практической конференции. - Тюмень: ТюмГН-ГУ, 2010.-С. 291-293.

7. Савченко Н.Ю. Определение напряженного состояния соединений полиэтиленовых трубопроводов / Савченко Н.Ю., Нурин Э.Х. // Проблемы функционирования систем транспорта: материалы Международной научно-практической конференции. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2010. - С. 294 - 296.

8. Савченко Н.Ю. Надежность соединений полиэтиленовых трубопроводов при эксплуатации Н Транспортные и транспортно-технологические системы: материалы Всероссийской научно-технической конференции. — Тюмень: ТюмГНГУ, 2011. - С. 236 - 241.

9. Савченко Н.Ю. Оценка надежности муфтовых соединений полиэтиленовых трубопроводов / Якубовская C.B., Савченко Н.Ю. // «Oil & Gas Journal Russia». - 2011. - №4. - C.86-89.

Подписано в печать 21.11.2013. Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 1,0.

Тираж 100 экз. Заказ № 1967.

Библиотечно-издательский комплекс Федерального государственного бюджетного образовательного Учреждения высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет». 625000, Тюмень, ул. Володарского, 38.

Типография библиотечно-издательского комплекса. 625039, Тюмень, ул. Киевская, 52.

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Савченко, Наталья Юрьевна, Тюмень

04201 455739

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

САВЧЕНКО Наталья Юрьевна

ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ МУФТОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПОЛИЭТИЛЕНОВЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

25.00.19 - «Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ Иванов В.А.

Содержание

Введение.....................................................................................4

1. Проблемы надежности соединений полиэтиленовых трубопроводов.............................................................................8

1.1 Использование труб из полимерных материалов..............................12

^Опыт применения полиэтиленовых трубопроводов..........................15

1.3 Строительство и эксплуатации полиэтиленовых армированных трубопроводов.............................................................................19

1.4 Типы соединений участков полиэтиленовых трубопроводов...............24

2. Методика расчета конструктивной надежности муфтовых соединений полиэтиленовых трубопроводов систем сбора углеводородного

сырья.........................................................................................27

2.1 Методика оценки надежности муфтовых соединений полиэтиленовых трубопроводов с позиции теории......................................................27

2.2 Математическая модель расчета муфтовых соединений полиэтиленовых трубопроводов..............................................................................33

2.3 Методика решения системы дифференциальных уравнений с использованием метода конечных разностей в расчете прочности муфтового соединения..................................................................................47

2.4 Обоснование достоверности численных результатов метода конечных разностей в расчете муфтового соединения трубопровода.......................55

3. Экспериментальные исследования прочностных и эксплуатационных характеристик напряженного состояния муфтовых соединений

полиэтиленовых трубопроводов.....................................................60

3.1. Планирование экспериментальных исследований...........................60

3.2 Обработка результатов экспериментальных исследований муфтовых соединений полиэтиленовых труб...................................................63

3.3 Исследование эксплуатационных параметров работы трубопровода.....69

4. Оценка уровня надежности и коэффициента запаса соединений полиэтиленовых трубопроводов.......................................................75

4.1 Расчет соединения полиэтиленовых трубопроводов электромуфтой......75

4.2 Расчет соединения полиэтиленовых трубопроводов стальной муфтой.....83

4.3. Определение расчетного напряжения соединений полиэтиленовых

трубопроводов..............................................................................89

Результаты и выводы......................................................................95

Список использованной литературы..................................................96

Приложение 1..............................................................................103

Приложение 2..............................................................................108

Приложение 3..............................................................................113

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы работы.

На поддержание промысловых трубопроводов в работоспособном состоянии эксплуатирующие организации затрачивают огромные средства. В рамках повышения надежности этих трубопроводов в последнее время все чаще стали применяться армированные полиэтиленовые трубы, соединение которых в нитку осуществляется при помощи муфт. Практика натурных наблюдений за эксплуатацией вновь проложенных участков из полиэтилена показывает, что инциденты с выходом нефти происходят преимущественно в результате порывов в местах муфтовых соединений. В итоге на устранение последствий инцидентов с разрывом околомуфтовой зоны трубы затрачиваются значительные экономические ресурсы, наносится непоправимый экологический ущерб природе. Несмотря на это, нормативная база в области эксплуатации полимерных труб с муфтовыми соединениями в настоящее время практически отсутствует. В существующей нормативно-технической документации не обозначены специальные условия эксплуатации муфтовых соединений армированных полиэтиленовых труб для объектов промысла нефти и газа. Не определена прочность данных соединений, открыт вопрос их надежности.

В связи с этим проблема надежности соединений полиэтиленовых армированных трубопроводов систем сбора и подготовки углеводородного сырья является актуальной.

Цель работы - разработка методики оценки конструктивной надежности муфтовых соединений полиэтиленовых трубопроводов.

Основные задачи:

1. Определение напряженно-деформированного состояния муфтовых соединений полиэтиленовых трубопроводов в системах сбора и подготовки углеводородного сырья.

2. Определение вероятностно-статистических значений напряжений, характеризующих достижение предельного состояния муфтовых соединений

полиэтиленовых трубопроводов на основе результатов экспериментальных исследований.

3. Получение зависимости уровня надежности муфтовых соединений полиэтиленовых трубопроводов от эксплуатационных нагрузок и конструктивных параметров.

4. Разработка методики оценки надежности муфтовых соединений полиэтиленовых трубопроводов.

Объект исследований - соединение полиэтиленовых трубопроводов с помощью муфты в системах сбора и подготовки углеводородного сырья.

Предмет исследований - надежность муфтовых соединений полиэтиленовых трубопроводов в зависимости от эксплуатационных нагрузок и параметров конструкции.

Методы исследования

При решении поставленных задач использовались аналитические, численные и экспериментальные методы исследования: теория вероятностей, теория составных цилиндрических оболочек, метод конечных разностей, методы математической статистики.

Научная новизна результатов

1. Выявлена статистическая зависимость уровня надежности муфтовых соединений полиэтиленовых трубопроводов от эксплуатационных нагрузок и конструктивных параметров исследуемой конструкции.

2. Определены вероятностно-статистические значения основных прочностных параметров соединений полиэтиленовых труб электромуфтой на основе экспериментальных исследований.

3. Разработана методика оценки надежности муфтовых соединений полиэтиленовых трубопроводов с позиции теории вероятностей, учитывающая уровень напряженного состояния конструкции.

4. Выполнено численное исследование влияния типов соединений полиэтиленовых трубопроводов на уровень их надежности.

Положения, выносимые на защиту

1. Результаты анализа причин отказов промысловых трубопроводов.

2. Методика оценки надежности муфтовых соединений полиэтиленовых трубопроводов с позиции теории вероятностей.

3. Результаты экспериментальных исследований прочностных параметров муфтовых соединений полиэтиленовых труб.

4. Результаты оценки уровня надежности и коэффициента запаса муфтовых соединений полиэтиленовых трубопроводов .

Практическая значимость результатов

Разработанная методика оценки надежности муфтовых соединений полиэтиленовых трубопроводов может быть использована в проектных и научно-исследовательских организациях при проектировании промысловых трубопроводов.

Разработано прикладное программное обеспечение для оценки уровня надежности и коэффициента запаса муфтовых соединений полиэтиленовых трубопроводов при их эксплуатации.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались в рамках II Международной научно-технической конференции «Новые информационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании», г. Тюмень, 2006 г., Международной научно-технической конференции «Геотехнические и эксплуатационные проблемы нефтегазовой отрасли», г. Тюмень, 2007 г., Международной научно-практической конференции «Проблемы функционирования систем транспорта», г. Тюмень, 2010 г., Всероссийской научно-технической конференции «Транспортные и транспортно-технологические системы», г. Тюмень, 2011 г., Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трубопроводного транспорта Западной Сибири», г. Тюмень, 2013 г.

Публикации

Основное содержание работы отражено в 9 опубликованных работах, в

их числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы, изложена на 117 страницах машинописного текста, содержит 36 иллюстраций, 26 таблиц; библиографический список включает 87 наименований.

1. ПРОБЛЕМЫ НАДЕЖНОСТИ СОЕДИНЕНИЙ ПОЛИЭТИЛЕНОВЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

Общеизвестно, что деятельность нефтегазового комплекса неизбежно в той или иной степени приводит к техногенному воздействию на окружающую среду. Степень этого воздействия, как и экономический ущерб, наносимый предприятиям, во многом зависят от надежности трубопроводов. Трубопроводы являются сложными, капиталоемкими, ответственными сооружениями повышенной опасности, отказ которых приводит к тяжелым экологическим и экономическим последствиям. Поэтому для обеспечения требуемой надежности трубопроводного транспорта необходимо предпринимать все возможные меры его бесперебойной работы (на стадиях проектирования, строительства, эксплуатации, реконструкции).

Одним из основных направлений исследования в области конструкторско-технологической надежности трубопроводов является проблема прогнозирования их надежности.

Основной из причин снижения надежности стальных трубопроводов [18] является местная внутренняя коррозия. Коррозия обусловлена высокой обводненностью нефти, достаточно высоким содержанием углекислого газа, наличием механических примесей.

Трубопроводы из углеродистой стали, применяемые в системах сбора и подготовки углеводородного сырья, достаточно подвержены влиянию коррозии. Исходя из этого, возникает необходимость в проведении ремонта уже через пять-шесть лет эксплуатации. Отдельные участки трубопорвода необходимо заменять уже через 2 года на промыслах.

По данным Всероссийского научно-исследовательского института по строительству и эксплуатации трубопроводов, объектов ТЭК, на промыслах происходит до 40-70 тысяч отказов трубопроводов.

В 77% отказов промысловых трубопроводов разрушение происходит из-за коррозии материала труб (рис. 1.1).

6 % 3 %

77%

Ш Воздействие коррозионных процессов ■ Разрушение соединений □ Нарушение правил охраны промысловых

Рис. 1.1. Причины отказов и аварий промысловых трубопроводов

Данную проблему решают применением труб из полиэтилена, так как они обладают рядом преимуществ по сравнению со стальными трубами.

Проведенный анализ исследований В.И. Агапчева, Г.М. Бартенева, С.А. Горелова, С.Л. Голофаста, А.Г. Гумерова, Ю.Д. Земенкова, П.И. Зубова, В.А. Иванова, О.М. Иванцова, Н.К. Кайгородова, В.Н. Никифорова, В.В. Новоселова, А.Р. Ржаницына, В.Н. Сызранцева и др., посвященных специфике использования полиэтиленовых трубопроводов и оценке прочностной надежности систем трубопроводного транспорта, показывают целесообразность их широкого применения на объектах трубопроводного транспорта.

Полиэтиленовые трубы нашли применение на нефтяных промыслах для строительства технологических трубопроводов, в основном, систем подготовки нефти, газа, воды. Полиэтилен является дешевым, химически стойким к кислотам, щелочам, сероводороду, углекислому, природному и нефтяному газам, минеральным маслам и нефти, к большинству нефтепродуктов [70], что и сделало его привлекательным для использования

в промысловых трубопроводах. Для изготовления труб используется полиэтилен высокой плотности (ПЭВП) типа ПЭ80 с пределом минимальной длительной прочности МЯ8=80 МПа или ПЭ100 (МК8=100 МПа). Температура эксплуатации до +60°С.

Такими являются полиэтиленовые трубы, армированные арамидными или полиэфирными (полиэтилентерефталат) нитями. Эти трубы производятся ЗАО «Сибгазаппарат» (г. Тюмень) и ООО «Технология композитов» (Пермь).

Процесс производства труб непрерывный и состоит последовательно

из:

- экструзии внутреннего полиэтиленового слоя,

- активации наружной поверхности оболочки;

- намотки армирующих элементов (средний слой);

- экструзии наружного полиэтиленового слоя.

ЗАО «Сибгазаппарат» (г. Тюмень) производит намотку армирующих лент, которые предварительно изготавливаются на специальной технологической линии.

Одним из основных требований к трубам является прочность их соединений.

Исследования и анализ напряженно-деформированного состояния полиэтиленовых трубопроводов показывают возможность возникновения отказов промысловых трубопроводов с выходом (утечкой) транспортируемого продукта.

Основной причиной возникновения отказов является разрушение полиэтиленовых трубопроводов в местах их соединений. На рис. 1.2 представлен анализ данных об отказах на полиэтиленовых трубопроводах в России [17].

Ш Разрушение по стыку

■ Повреждение землеройной техникой

□ Разрушение по телу трубы

□ Нарушение герметичности соединений полиэтилен-сталь

■ Другие причины

Рис. 1.2. Причины разрушения полиэтиленовых трубопроводов

Статистика причин разрушений полиэтиленовых трубопроводов показывает, что основной причиной возникновения отказов является разрушение в местах их соединений (рис. 1.3).

1.1. Использование труб из полимерных материалов

Анализ и сравнение различных внутренних изоляционных покрытий и конструкций из полимерных материалов был проведен при проектировании плана реконструкции Самотлорского месторождения. Тогда и был получен положительный опыт применения полимерных материалов для повышения надежности трубопроводов для сборки и транспортировки углеводородного сырья [20].

Одним из прогрессивных направлений в области повышения надежности газонефтепроводных коммуникаций путем, прежде всего, повышения их коррозионной стойкости является применение труб и деталей из пластмасс: полиэтилена, полипропилена, поливинилхлорида и других термопластов [19] .

Различают трубы ПНП, ПСП и ПВП (низкой, средней и высокой плотности соответственно), которые выпускаются по ГОСТ 18599-2001 [2]. Длина труб может быть от пяти до 24 метров в отрезках и от 50 до 20 метров в бухтах. Также от 250 до 2500 метров на катушках.

Трубы изготавливаются из полиэтилена низкого давления ПНД (полиэтилена высокой плотности ПВП), из полиэтилена высокого давления ПВД (полиэтилена низкой плотности ПНП) [20].

Композитные трубы появились на строительном рынке с 80-х годов. Такие трубы имеют ряд преимуществ для систем водоснабжения и отопления. Объединение достоинств пластмассовых и металлических труб в одном материале дает достаточно высокую прочность, при этом проявляют гибкость и стойкость к коррозии.

На заводах ЗАО "Армотекс", НПО "Пластик", ООО "Технология композитов", ЗАО "Омскводпром" и других производятся композитные трубы. Так же трубы поступают и от импортных производителей.

Металлополимерные трубы должны выдерживать испытания согласно 180 10508:1995 на внутреннее давление 1 МПа, а также 5000 циклов при попеременной выдержке 15 мин 20±2°С и 15 мин при 95±2 °С [19].

С целью повышения прочности труб из полимеров применяют армирование. Для изготовления в качестве основы применяют эпоксидные и феноловые смолы, полиэфиры и т.д. В последние годы широкое распространение получили сложные винилэфирные смолы, устойчивые против коррозии в различных средах.

С 60-ых годов получили распространение пластмассы, армированные стекловолокном. В настоящее время с помощью них изготавливают трубы нефтяного сортамента для работ на промысле. Армирование позволило в 20100 раз повысить прочность термопластика в направлении волокон. Армированные трубы устойчивы против воздействия различных агрессивных сред при повышении температуры до 20-100°С. По устойчивости против коррозии с пластмассовыми армированными трубами можно сравнить только нержавеющую сталь. Прочность материала определяется в основном прочностью волокон, а смола выполняет роль прежде всего как коррозийно-стойкий материал и связующее вещество.

Армированные пластики применяют в основном для труб, эксплуатируемых в условиях приложения внутреннего гидростатического давления, которое создаёт растягивающие напряжения в кольцевом направлении. Кроме того, возникают осевые напряжения, равные '/4 кольцевых, поэтому наилучшее расположение волокон такое, при котором напряжения в них минимальны; волокна, перпендикулярные и параллельные оси трубы, располагаются в отношении 2:1. Если волокна наматывают спирально, то под углом 55° к оси трубы [37].

Армированные полиэтиленовые трубы состоят из нескольких слоев. Это - полиэтиленовый внутренний слой, внешний полиэтиленовый слов и средние армирующие слои.

Для внутреннего и наружного слоев используется полиэтилен средней плотности ПЭ-80. Дл�