Расчетно-экспериментальная оценка работоспособности стальных муфт для ремонта нефтегазопроводов

Попков, Андрей Сергеевич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Расчетно-экспериментальная оценка работоспособности стальных муфт для ремонта нефтегазопроводов
ВАК РФ 25.00.19, Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ

Автореферат диссертации по теме "Расчетно-экспериментальная оценка работоспособности стальных муфт для ремонта нефтегазопроводов"

На правах рукописи

/Р/4/г-

-»оаоо/7

ПОПКОВ АНДРЕЙ СЕРГЕЕВИЧ

РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА РАБОТОСПОСОБНОСТИ СТАЛЬНЫХ МУФТ ДЛЯ РЕМОНТА НЕФТЕГАЗОПРОВОДОВ

Специальность 25.00.19 - Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 ЗОКТ 2011

Ухта-2011 ¿А

(

4856877

Диссертация выполнена в филиале ООО «Газпром ВНИИГАЗ» в г. Ухта

Научный руководитель: кандидат технических наук

Юрий Викторович Александров

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Игорь Юрьевич Быков

кандидат технических наук Владислав Николаевич Лисин

Ведущая организация: ОАО «Северные магистральные неф-

тепроводы»

Защита состоится 22 октября 2011 г. в 10ш часов на заседании диссертационного совета Д 212.291.02 в Ухтинском государственном техническом университете по адресу: 169300, г. Ухта, Республика Коми, ул. Первомайская, 13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ухтинского государственного технического университета.

Автореферат размещен на интернет-сайте Ухтинского государственного технического университета www.ugtu.net в разделе «Диссертационный совет».

Автореферат разослан 20 сентября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук, профессор н м уляшева

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Надежность функционирования нефтегазопроводов тесно связана с работоспособностью труб и впрямую зависит от их несущей способности, которая в процессе длительной эксплуатации неуклонно снижается по причине развития дефектного состояния.

Кардинальным методом восстановления работоспособности нефтегазопроводов является вырезка дефектных участков с заменой их на новые трубы. Однако по мере роста числа дефектов объемы вырезки и замены труб достигают размеров, неприемлемых по материально-техническим затратам. В связи с этим, в мировой практике ремонта трубопроводов широкое развитие получили ремонтные технологии, не требующие вырезки дефектных участков, а в ряде случаев и остановки транспортировки продукта.

Среди таких технологий выделяются методы ремонта с применением полноохватных муфтовых конструкций, на которые возлагается задача остановки развития дефектов труб с повышением несущей способности дефектного участка до уровня, обеспечивающего дальнейшую надежную и безопасную эксплуатацию трубопровода.

Из множества решений по муфтовым технологиям достаточно широкое распространение получили методы ремонта с применением стальных оболочек, устанавливаемых на дефектные участки труб. Этому в значительной мере способствовали идентичность материалов муфты и трубы, хорошая свариваемость элементов муфты между собой и со стенкой трубопровода, долговечность муфтовых стальных конструкций в условиях эксплуатации.

Расчетно-экспериментальным исследованиям в области ремонта трубопроводов с применением муфт посвящены работы многих отечественных и зарубежных ученых и исследователей, среди которых: И.И. Велиюлин, JI.A. Гобарев, А.И. Его-ренков, Б.А. Клюк, A.C. Кузьбожев, А.Г. Мазель, С.С. Митрошин, Н.Г. Пермяков, А.Н. Платонов, К.Е. Ращепкин, C.B. Романцов, E.JI. Чеглаков, В.В. Харионовский, A.M. Шарыгин, В.М. Шарыгин, М.С. Якубовская, Кифнер Д., Мехыо В., Хок Брайн, Фоли Н., Шмидт Д., Келти П. и др.

Анализ известных работ показывал отсутствие методик оценки работоспособности стальных неприварных обжимных муфт установленных на слой твердеющего композита, объединяющих адекватные расчетные зависимости и результаты испытаний полномасштабных объектов типа «труба-муфта». Не решены вопросы оценки эффективности муфт по повышению ресурса дефектных труб при их циклическом нагружении.

Кроме этого, не достаточно исследовано влияние технологических элементов

монтажа муфт, в том числе использования слоя композита на силовую эффективность.

В связи с этим, экспериментально-расчетное обоснование повышения несущей способности и остаточного ресурса дефектных участков трубопроводов на базе применения известных и усовершенствованных конструктивно-технологических решений по их ремонту с помощью сварных стальных муфт является актуальной научно-практической задачей.

Цель работы: Обоснование работоспособности стальных неприварных муфт с использованием разработанных методов оценки их силовой эффективности и полномасштабных испытаний отремонтированных дефектных труб.

Задачи исследования:

1. Разработать методику расчета коэффициента усиления муфтовых конструкций в зависимости от наличия и свойств материала, заполняющего зазор между муфтой и трубой;

2. Провести расчетную и экспериментальную оценку влияния толщины стенки муфты на ее силовую эффективность при ремонте трубопровода с трещинопо-добным дефектом;

3. Разработать методику расчета прочностного ресурса отремонтированных муфтами труб с трещиноподобными дефектами при воздействии циклической нагрузки;

4. Провести полигонные, стендовые и лабораторные испытания конструкций стальных муфт для определения их работоспособности.

Научная новизна:

- Теоретически обосновано и опытно апробировано выражение для определения значения контактного давления между трубой и стальной обжимной неприварной муфтой с учетом параметров слоя заполнителя. Установлено, что толщина слоя заполнителя не влияет на коэффициент усиления муфты, если его модуль упругости более 400 МПа.

- Получено выражение для расчета остаточного ресурса труб с трещинами, отремонтированных обжимными муфтами, при воздействии циклической нагрузки. Установлено, что при равных значениях толщины стенки муфты и трубы (8), стальная обжимная неприварная муфта повышает остаточный ресурс трубы в 14,3 раза при начальной относительной глубине дефекта 0,4-8.

- Разработан критерий определения рациональной толщины стенки стальной обжимной неприварной муфты, основанный на равенстве кольцевых напряжений в дефектной и бездефектной зонах трубы с учетом контактного давления.

Защищаемые положения:

- Методы и результаты расчетных исследований коэффициента усиления муфт в зависимости от параметров трубы, муфты и свойств заполнителя.

- Расчетное обоснование толщины стенки муфты в зависимости от параметров дефекта.

- Методика расчета остаточного ресурса отремонтированных муфтами труб с трещинами в режиме циклического нагружения.

- Результаты оценки силовой эффективности неприварных усовершенствованных муфт, установленных на эпоксидный слой.

- Результаты стендовых и полигонных испытаний работоспособности приварных и неприварных стальных муфт.

Практическая значимость

Отдельные положения и рекомендации диссертационной работы были использованы при разработке трех нормативно-технических документов:

1. СТП 8828-167- 04 ООО «Севергазпром» (с 2008 г. ООО Газпром трансгаз Ухта, перераб. в 2011 г.) Ремонт дефектных участков газоконденсатопроводов диаметром 530-Я400 мм стальными сварными муфтами - Введ. 17.06.2004. - Ухта: ООО «Севергазпром» - 2004 г. - 34 с.

2. Рекомендации по оценке эффективности муфтовых технологий ремонта стресс-коррозионных дефектов магистральных газопроводов. Введ. 16.05.2006. - Ухта: ООО «Газпром трансгаз Ухта» - 2006. — 47 с.

3. Отраслевой стандарт СТО Газпром 2-2.3-522-2010 Инструкция по ремонту дефектных участков технологических трубопроводов газа компрессорной станции сварными стальными и стеклопластиковыми муфтами с резьбовой затяжкой. -Введ. 19.08.2011.-56 с.

В рекомендациях приведен разработанный метод оценки прочностного ресурса труб с глубокими стресс-коррозионными трещинами и усиливающего эффекта сварных муфт, повышающих ресурс дефектных труб. В стандарте организации ООО «Севергазпром» приведены конструктивные параметры и элементы технологии монтажа разработанных обжимных неприварных муфт, рекомендуемых к использованию на магистральных газопроводах ООО «Газпром трансгаз Ухта».

В отраслевом стандарте СТО Газпром приведен разработанный метод расчета коэффициента усиления сварных обжимных муфт, их конструктивные параметры и способы установки на технологические трубопроводы газа компрессорных станций.

Ожидаемый экономический эффект, от внедрения результатов диссертационной работы, при планируемом количестве ремонтов технологических трубопроводов газ КС муфтами в количестве 100 шт. составляет 12,9 млн. руб. в год, а за десятилет-

ний период - 89,69 млн. рублей с учетом дисконтирования денежных потоков.

По материалам исследований разработано три устройства в соавторстве, защищенные патентами РФ, два из них касаются конструкции муфт для ремонта трубопроводов и один - устройства для измерения кривизны труб при ремонте.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: пятой Международной конференции «Обслуживание и ремонт газоконденсатопроводов», (г. Туапсе, 4-9 октября 2010 г.); научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников Ухтинского государственного технического университета (УГТУ), (г. Ухта, 2006, 2009, 2010 гг.); II научно-практической молодежной конференции: Новые технологии в газовой отрасли: опыт и преемственность», ООО «Газпром ВНИИГАЗ», (г. Москва, 6-7 октября 2010 г.); IV научно-практической конференции молодых специалистов ИТЦ ООО «Газпром трансгаз Ухта», (г. Ухта, 14-17 июня 2010 г.); Межрегиональном семинаре «Рассохинские чтения», УГТУ, (г. Ухта, 4-5 февраля 2010 г.); VI научно-практической конференции молодых специалистов и ученых филиала ООО «Газпром ВНИИГАЗ»-«Севернипигаз»: «Инновации в нефтегазовой отрасли -2009», (г. Ухта, 29 июня - 4 июля 2009 г.); восьмой Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблема газовой промышленности России «Новые технологии в газовой промышленности», РГУНиГ им. И.М. Губкина, (г. Москва, 6-9 октября 2009 г.); 3-ей Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трубопроводного транспорта Западной Сибири», ТГНУ, (г. Тюмень, 28 мая 2009 г.); X Международной молодежной научно-практической конференции «Севергеоэкотех-2009», УГТУ, Ухта, 18-20 марта 2009 г.; на семинаре-совещании «Повышение уровня надежности технической эксплуатации JI4 МГ и ГРС ООО «Газпром трансгаз Ухта», (г. Вологда, 15-19 ноября 2010 г.)

Публикации: по теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, из них -три в ведущих рецензируемых изданиях, включенных в перечень ВАК Минобрнауки РФ, 3 патента на полезные модели.

Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, содержит 150 страниц текста, 70 рисунков, 16 таблиц и список литературы из 102 наименований.

Содержание работы

Во введении охарактеризованы актуальность и значимость выбранной темы, степень ее разработанности, обозначено направление исследований.

В первой главе «Систематизация конструктивно-технологических решений по ремонту трубопроводов с применением полноохватных муфт» выполнен

анализ патентно-информационных источников по вопросам методов ремонта трубопроводов в отечественной и зарубежной практике с применением муфт различного типа. Предложена классификация муфтовых технологий трубопроводов, которая позволила систематизировать существующее многообразие конструкций и методов монтажа муфт (рисунок 1). Обзор показал, что наиболее часто применимыми на практике и наиболее привычными при установке для персонала, являются конструкции стальных муфт, что определило принцип выбора объектов для исследования.

а Ь с d е f g h

Рисунок 1 - Классификация конструктивно-технологических решений по ремонту трубопроводов с применением муфт

Для исследований в рамках данной диссертационной работе выбрано четыре группы устройств: с, е, g, h.

Во второй главе «Расчетные положения по определению усиливающего эффекта сварных муфт без учета дефектного состояния трубы» предложен подход по определению силовой эффективности муфты коэффициентом усиления кус независимо от параметров защищаемого дефекта по одной из формул, встречающихся в работах Велиюлина И.И., Шарыгина A.M.:

Кус <

р/(р-рО. (0

Сткц / окцч , (2)

Рпрм / Рпр , (3)

I. АЯр/АКм, (4)

где р, рк, рпрм, рпр - внутреннее давление среды в трубопроводе (р), контактное давление между муфтой и трубой (рк), предельное давление среды для трубы с установленной муфтой (Рпрм), предельное давление среды для трубы в этом же сечении без муфты (рпр), МПа; сткц , сткцм - кольцевые напряжения в трубе без муфты (сткц) и с муфтой (сткцм), МПа; АЯР - изменение радиуса трубы под давлением вдали от муфты, м; АЯМ - изменение радиуса трубы под давлением под муфтой, м.

Формулы (1) и (2) применяют для расчета кус, когда металл трубы и муфты деформируется в упругой стадии, формулу (3) при анализе предельного состояния конструкции «труба-муфта» (предел текучести металла или разрушение), а формулу (4) в процессе экспериментальных исследований при отсутствии тензометрии.

В результате решения задачи осесимметричного нагружения внутренним давлением среды цилиндрической оболочки (трубы), усиленной снаружи бандажом (муфтой) с учетом различных условий их взаимодействия по площади контакта (наличие воздушного зазора или промежуточного слоя, заполняющего зазор, с определенными свойствами при сжатии) получен ряд зависимостей, приведенных ниже.

При наличии радиального воздушного зазора Ак между трубой и муфтой напряжения сткцм определяют по формуле:

_ 2-Ак-Е р-Р„ 2• Ак• 8• Е

(1-ц2Рн 2(5 + 8.) (1 - Ц2 )(Он - 28)(8 + 8„)

(4)

где Е - модуль упругости трубной стали, МПа; ц - коэффициент Пуассона; Б„ - наружный диаметр трубы, мм; 8 - толщина стенки трубы, мм; 8„ - толщина стенки муфты, мм.

С целью учета деформационных свойств твердого заполнителя и повышенной относительной толщины стенки трубы и муфты, что характерно для труб категории В компрессорных станций (КС), используя решение задачи Ляме, получено выражение для контактного давления между слоем заполнителя и трубой.

Исходя из равенства радиальных перемещений на границах раздела сред конструкции «труба-заполнитель-муфта», получим следующие выражения:

2р + р,(цЯ,2 - ц - Я,2 -1)= ет[-2р21122 + р,(цД22 - цк + ^ + \)\, Л е[2р,+р2(цД22-ц,-К22-1)] = п[р2(1 + К:,2) + р2^Кз2-ц)] } , (5) где р - внутреннее давление среды, МПа; р(, р2 - контактные давления заполнителя

на трубу (рО и муфту (р2); Я|, Яг, Яз - относительные значения радиусов - наружного радиуса трубы к внутреннему (Я|); внутреннего радиуса муфты к наружному радиусу трубы (Ил); наружного радиуса муфты к внутреннему (Яз); е = Е/Ек; Ек - модуль упругости при сжатии заполнителя, МПа; т = (Я|2 - 1)/(К22 -1); п = (Яг3 - 1)/(Я33 -1); цк - коэффициент Пуассона заполнителя.

Вводя в систему уравнений (5) следующие обозначения:

A, =цЯ]2 -ц-Я12 -1; А2 = (1 „Я г - щ - Яг2 -1;

B, = цк Я22 - + Я22 +1; В2 =1 + Яз2 + ц(Я,2 -1), получим контактное давление на трубу р) = рк:

2-р(е-А2 -пВ2)

(А, -е-т-В,)(е-А2 -п-В2)-4т-е2 -Я2

(6)

Расчет по формуле (6) показывает, что контактное давление рк в широком диапазоне изменения модуля Ек от 100 до 10000 МПа и толщины прослойки 5К от 0,5 до 1,5 мм практически не изменяется для фиксированного значения 5М (рисунок 2). При низких значениях Ек контактное давление, во-первых, сильно зависит от толщины 8К, а во вторых, и это главное, резко снижается.

Рк, МПа

4,0

3,0

2,0

1,0

5К = 0,5; 1,0;1,5 мм

8К = 0,5 мм 8К= 1,0 мм 44 5К= 1,5 мм

5К = 0,5 мм 5К = 1,0 мм 5К = 1,5 мм

0 3 6 9 12 15 18 5„, мм

Рисунок 2 - Зависимость контактного давления рк от толщины муфты 5М для различных значений модуля упругости (Ек) и толщины (5К) заполнителя для трубы сечением Он= 1220 мм, 5 = 12,5 мм

Рассмотренные выше методы расчета силовой эффективности муфт не учитывают краевой эффект в окрестности торцевых сечений муфты, где реализуется нелинейная зависимость между контактным давлением на трубу и радиальными перемещениями трубы и муфты (рисунок 3). В этих местах силовой эффект муфты существенно снижен.

Рк

\Jf ^ ^ ^ 1 / ' 1

^ ,—J

3 ю

1 - положение стенки трубы до нагружения; 2 - то же под нагрузкой; 3 - муфта; 4 - слой композита; р - давление среды в трубопроводе; рк - контактное давление; Лм - радиус внутренней поверхности муфты; Ят - радиус внутренней поверхности трубы; ^ - окружное растягивающее усилие в трубе, Н; Ым - окружное растягивающее усилие в муфте; 5 - толщина стенки трубы; бм - толщина стенки муфты; хм - участки краевого эффекта; /„ - длина муфты Рисунок 3 - Расчетная схема взаимодействия муфты с участком трубопровод

Рассматривая осесимметричную задачу, получаем формулу усредненного значения контактного давления рк:

ки -У.Ср-Р«,)

/, 5 '

Кл+У,(1 + — ) — К-.. 0„

(7)

где к„ =l-[l + e"p'"(sinPiM-cosP£u)](2-|3-^u)"1 - безразмерный коэффициент учета

краевого эффекта муфты, м; (3 = 1,285- параметр оболочки, м"1; рост - остаточное давление среды при установке муфты, МПа; yi - коэффициент условий защемления концов трубы, равный значению: (1 - ц2) - для подземной прокладки и (1- 0,5ц) - для надземной прокладки; ka=E-8-5k/Ek-Rb2 - коэффициент влияния слоя заполнителя.

Зависимость контактного давления рк от модуля упругости полимерной прослойки Ек при следующих исходных данных: DH =1220мм, ô =12 мм, 1и = 0,6 м; Рост=0; Yi = 0,91 (при ц=0,3); 5/5м =1,0; р = 5,4 МПа; 5 =12 мм; R„ = 598 мм; Р= 5,1 м"1; Кр = 0,945; Е=2,06-105 МПа, показывает, что эффективность муфты, определяемая

давлением рк, существенно зависит от модуля упругости Ек в диапазоне от нуля до 100 МПа, а при Ек > 400 МПа давление рк возрастает незначительно и практически не зависит от толщины слоя заполнителя, например композита (рисунок 4).

рк, МПа

2,5

2,0

1,5 1,0

1 2

1 [/\ \ з 1 / / \ i // 1

/ / 1 11 1 / i I i

/ i i i

100

200 300 400 Ек, МПа

Рисунок 4 - Графики зависимости контактного давления рк от модуля упругости Ек слоя композита для различной его толщины5к: 1 мм (1), 2 мм (2), 4 мм (3)

В третьей главе «Расчетная оценка эффективности обжимной муфты с учетом формы дефектов стенки трубы» выполнен расчет рациональной толщины стенки муфты в зависимости от глубины дефекта и разработана методика расчета прочностного ресурса отремонтированных муфтами труб с трещиноподобными дефектами при воздействии циклической нагрузки.

Критерием выбора толщины муфты является равенство кольцевых напряжений при воздействии внутреннего давления на систему «труба-муфта» в неповрежденной трубе вдали от муфты с дефектом и дефектной стенке трубы по остаточной толщине (рисунок 5):

N..

P-R. _(P-PJR.

(8)

где Ы™ - усилие, действующее в трубе под муфтой в кольцевом направлении, Н; ¿0- единичная длина трубы, мм; - усилие, действующее в трубе вдали от муфты; 50СТ= (8 - 0 - остаточная толщина стенки трубы, мм; I - глубина дефекта, мм.

Используя выражение (7) для контактного давления рк, получим формулу для расчета рациональной толщины стенки муфты 8„, принимая кр = 1:

5.. >-

p-5-(l + 25/RM)

У, (Р ~ P«r)/(1 ■- 5„ / 5) - р(кл + у,)

(9)

1 2

7////Л)У>Т//ууГ>^>/> У////Я, 4

1- труба; 2 - муфта; 3 - слой композита; 4 -трещиноподобный дефект, заполненный композитом

Рисунок 5 - Расчетная схема трубы с дефектом, защищенным муфтой

Зависимость толщины муфты 5М от значений остаточной толщины трубы 50СТ при следующих исходных данных: Он = 1220 мм, 8 =12 мм, р = 5,4 МПа, рост = 0, У1 = 0,91 показывает (рисунок 6), что с ростом толщины 50СТ (со снижением глубины дефекта) оптимальная толщина 5М быстро убывает, причем с увеличением параметра кд (снижением модуля Ек) толщина 5М заметно возрастает с уменьшением остаточной толщины стенки трубы 50ст.

Важным фактором надежной эксплуатации магистральных нефтегазопроводов является достаточный прочностной ресурс труб, определяющий срок их службы. Самыми опасными дефектами, ограничивающими этот срок, являются длинные продольные трещины, главным образом, стресс-коррозионного типа. Развитие данных трещин до критической глубины, вызывающей разрушение трубы, можно связать с количеством циклов переменной нагрузки - внутреннего давления, а имея фактические данные в виде годичных диаграмм его изменения, можно определить остаточный срок эксплуатации трубы с трещиной.

Для анализа роста трещин от начальной глубины до заданной, в том числе критической, используется известная зависимость Парриса-Эрдогана:

Рисунок 6 - Зависимость оптимальной толщины муфты 5М от остаточной толщины стенки трубы для различных значений параметра кд: 0,035 (1); 0,1 (2); 0,3 (3)

где - скорость развития трещины по глубине, мм/цикл; Н, - количество циклов; £ШЦ

п, с - константы материала трубы, ДК - размах коэффициента интенсивности напряжений, Пал/мм ■

Интегрируя зависимость (10), с разделением переменных I и Н,, получим формулу для определения количества циклов Мцс, приводящих к критической глубине трещины от известной начальной глубины:

/Г |-0.5п_Г |-0.5п\ §1-0>

N =-—-——-=------(И)

" 2л'-(п-2)-(1 + 6-12)" с-Дст"'

где и = ^ / 5 - относительная начальная глубина трещины; 5 - толщина стенки трубы, мм; ^ - начальная глубина трещины (средневзвешенная), мм; и = ^ /5 = (1,23-рт -Др)/(1,23-рт - Др-М'1) - относительная критическая глубина трещины; Др - изменение внутреннего давления в цикле (при отнулевом цикле Др = р - для трубы; Др = р - рк - для трубы с муфтой), МПа; М = ^1 + (0,8-^дсф2)/(В„ -5)- коэффициент Фолиаса; Он - наружный диаметр трубопровода, мм; ¿юф- длина дефекта, мм; критическая глубина трещины, приводящая к разрушению стенки трубы одним циклом нагрузки, мм; Дст = Др(Он /25-1)- изменение кольцевых напряжений в цикле, МПа.

Для трубных сталей в режиме циклического нагружения при использовании размерностей [Н, мм] и константы п = 2,66 значение с =2-10"12. Для оценки усиливающего эффекта муфты также используется формула (11) с изменением двух параметров Да и

Графики зависимости логарифма числа циклов ^ Мц нагрузки в режиме 0+рраб от относительной глубины трещины I показывают «живучесть» труб диаметром 1220, 1420 мм с различной изначальной глубиной трещины и (рисунок 7).

^ =3,334

0,2

; ; 0,4 ; ; 0,6

1Н1'Н2 1НЗ Н4

Рисунок 7 - Зависимость логарифма числа циклов от относительной глубины 1 трещины без муфты (1, 2) и с муфтой (3,4) для труб диаметром 1420 мм (1, 3) и 1220 мм (2,4); г„| - и - значения начальной глубины дефек та, при которой ресурс трубы с трещиной составляет 30 лет; - ^ - критические

значения глубины трещин

Применение муфты существенно увеличивает число циклов. Так, при началь ной глубине и = 0,4 (1 = 6,6 мм) ресурс трубы диаметром 1420 мм с дефектом со ставляет 440 циклов. Сварная муфта увеличивает число циклов до значени 6270 циклов или в 14,3 раза.

Общий характер очертания ресурсных кривых указывает на рост эффективно сти муфт с возрастанием начальной глубины трещин.

В четвертой главе «Экспериментальное обоснование усиливающего эффек та стальных муфт на дефектных трубах» методами полигонных, лабораторных стендовых испытаний показана работоспособность сварных муфт, установленных н дефекты труб, вырезанных из действующих газопроводов диаметром 530-1420 м Испытания проводились в пять этапов.

На первом этапе были испытаны экспериментальные муфты трех типов, уст новленных на стресс-коррозионные дефекты трубы Он= 1420 мм, 5 =12 мм: тип А приварная с гарантированным зазором, заполненным маслом, тип Б - неприварна

бжимная с болтовой затяжкой и тип В - неприварная обжимная, состоящая из двух олумуфт, соединенных приварными пластинами. Несмотря на достаточно высокие начения кус (таблица 2) при давлении среды р=7,4 МПа муфты типа А, Б не нашли рактического применения ввиду сложности в изготовлении, а испытания муфты В ыли продолжены после упрощения конструкции - приварные пластины заменили варкой продольных кромок полумуфт встык. Цель испытаний на втором этапе -пределение кус с учетом элементов технологии монтажа муфты. На объекте испы-аний - трубе Он = 1220 мм, 8 = 12 мм были нанесены дефекты длиной Iде(|, = 1000 - 1050 мм, глубиной 1тах = 9,0 - 10,5 мм, шириной 3,5 мм, допускающие азрушение трубы под муфтой. Дефекты ремонтировались тремя муфтами В с разыми элементами технологии (В], В2, В3).

аблица 2 - Коэффициенты усиления стальных муфт

Тип муфты

Метод установки

Промежуточный слой между муфтой и трубой_

Коэффициент усиления

Расчет Эксперимент

Приварка

Трансформаторное масло под давлением 0,3 МПа

1,68

1,47-1,79

Болтовая затяжка

Эпоксидный компаунд

1,34-2,04

1,61

Накладка полумуфт с приваркой пластин

Эпоксидный компаунд

1,42

1,39

Муфта В| устанавливалась без приварки к трубе, без слоя композита, путем днократного прижатия полумуфт двумя гидравлическими цепными зажимами с по-ледующей сваркой полумуфт. Муфта В2 устанавливалась также без композита, но утем прижатия нижней полумуфты за счет использования сварочных прихваток и юшагового изгиба полумуфты по поверхности трубы. Муфта В3 устанавливалась на поксидный клей при однократном прижатии и сварки кромок полумуфт. Результаты спытаний на предельную нагрузку доказали преимущество силовой эффективности уфты Вз (таблица 3).

аблица 3 - Коэффициент усиления кус муфт Вь В2, В3

Муфта

Разрушающее давление, МПа

Экспериментальное с _муфтой

Без муфты

Коэффициент кус усиления при разрушающем давлении

Место очага разрушения трубы

5,25

4,41

1,19

под муфтой

в2

5,87

3,11

1,89

под муфтой

Вз

>9,9

3,70

>2,68

вне муфты

Расчетные значения разрушающего давления для нее составили разртт = 6,44 МПа с использованием формулы (1), рразртах = 14,53 МПа - с использованием формулы кус тах = (5м+5 ост У иост-

Основным недостатком муфт типа В являются повышенные затраты времени, связанные с подгонкой и подготовкой свариваемых продольных кромок полумуфт в процессе их монтажа в сложных трассовых условиях, поэтому были созданы усо-

вершенствованные конструктивные решения по сварным обжимным муфтам, исключающие операции подгонки и подготовки кромок полумуфт при их монтаже (рисунок 8).

Тип Г

Тип Е

6 ......А...... 2 1 "" /

/ 1 ы \ \

3 5 7 3 1

1 - труба; 2 - верхняя полумуфта; 3 - нижняя полумуфта; 4 - сварной шов;

5 - первоначальное положение нижней полумуфты; 6 - дефект на трубе;

7 - выступ-впадина I

Рисунок 8 - Конструктивные схемы усовершенствованных муфт:

со скошенными кромками (тип Г), с наклонными кромками (тип Д), с П - образными выступами и впадинами (тип Е)

В представленных трех конструкциях (Г, Д, Е) неизбежный разброс длины ок-1 ружности ремонтируемой трубы компенсируется за счет пологого утонения кромки верхней полумуфты 2, в пределах которого отогнутая кромка нижней полумуфты 31 приваривается к верхней швом 4 (муфта Г) или за счет выполнения продольных стыкуемых кромок полумуфт 2, 3 под углом а к оси трубы, позволяющим за счет их| взаимного перемещения регулировать зазор между кромками под сварку (муфта Д), или за счет выполнения торцевых участков стыкуемых полумуфт 2, 3 в виде взаимо действующих выступов и впадин 7, свариваемых швами окружного направления (муфта Е). Конструкции защищены патентами РФ.

С целью проверки работоспособности усовершенствованных муфт типа Г, Е на

третьем этапе были проведены лабораторные испытания, для чего была изготов

лена модель трубного образца сечением D„ = 150 мм, 8 =1,7 мм, длиной I— 600 mn (рисунок 9). Размеры муфт - длина 1Ы = 60 мм, толщина стенки 5„ = 1,9 мм. Об: муфты выполнены идентичными: в одном разъеме полумуфты соединялись сварког" по схеме муфты Г, в противоположном - по схеме муфты Е, отличие состоит в наличие или отсутствии композитного промежуточного слоя (металлополимеи «Монолит +»).

Дефект под муфтами - канавка вдоль образующей трубы длиной t ф = 50 мм. глубиной t=0,5S, шириной 0,5 мм. Перед сваркой полумуфты обжимали инвентар ным обжимным устройством, создающим усредненное контактное давление

1- ручной гидропресс; 2 — подводящая линия; 3 - стойка; 4 — труба; 5 - пробка; 6 - манометр; 7 - рамка; 8 - индикатор часового типа Рисунок 9 - Конструкция стенда для испытания муфт

I,0 - 2,5 МПа. Силовой эффект определяли по формуле кус = АИр /Д11м, где АЯр и Д11м - радиальные перемещения трубы вдали от муфты (ДЯР) и в середине длины муфты ДИ-м). Давление в модели поднимали до р = 6,5 МПа.

В результате получили кус > 1,66 (без композита), кус = 1,56 (с композитом). Волее эффективной оказалась муфта без композита за счет более интенсивного об-катия при установке давлением рк=2,5 МПа. Однако, муфта с композитом обеспечила более равномерное обжатие трубы.

На четвертом этапе испытывали муфту Г на многоцикловую и предельную нагрузку совместно со штатной приварной обжимной муфтой П2-2 одинаковой тол-пциной 5М=12 мм на трубе Бн = 530 мм, 5=12 мм с двумя продольными дефектами, каждый длиной по 200 мм, усредненной глубиной I = 0,55-И),575, перекрытыми муф-ой Г, установленной на композит и муфтой П2-2 с приваркой к трубе без композита.

Режим нагружения (давление) в цикле р=0^7,4+0 МПа, количество -

II,8 тыс. циклов при перегрузочных испытаниях (ртах=18,3 МПа). Результаты определения кольцевых напряжений в муфтах и соответствующие значения кус приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Значения кольцевых напряжений в муфтах (ам) и коэффициенты 'силения КуС с ростом числа циклов до 11779 шт. при давлении в цикле 0-7,4 МПа

Муфта 1 цикл 5100 циклов 7000 циклов 9150 циклов 11779 циклов

ам, МПа к ус МПа к ус ам> МПа к ус ом, МПа к ус <тм, МПа к ус

с композитом, неприварная 66 1,68 66 1,68 68 1,71 68 1,71 74 1,83

П2-2, приварная без композита 43 1,36 40 1,32 43 1,36 43 1,36 48 1,42

Циклическое и последующее предельное нагружения не нарушили целостность и герметичность объекта испытаний, что послужило дополнительным основа-' нием для возможного применения данных муфт на трубопроводах газа компрессор-1 ных станций, поэтому пятый этап (стендовые испытания), провели на объекте' смонтированном из элементов обвязки центробежных нагнетателей сечением DH=720 мм, 5 = 20 мм, проработавших более 30 лет (рисунок 10). Материал элементов обвязки - сталь 20.

Рисунок 10 - Объект испытаний с установленными сварными муфтами

Продольные дефекты длиной 220 мм и усредненной глубиной 1 = 7,7 мм отре монтировали муфтами типа Г, Д с толщиной стенки 5М = 0,55 = 10 мм, установленными на металлополимер «Монолит+». Нагружали объект циклической нагрузкой режиме 0-ь7,4-Ю МПа в количестве 15 тыс. циклов, а затем предельной нагрузкой Ртах =16,5 МПа, создававшей в трубе вне влияния муфт напряжения, равные пределу текучести стали 09Г2С (ат > 280 МПа). Методом электрической тензометрии определяли деформации трубы и муфт.

Обе муфты обеспечили одинаковое значение кус =1,5, если брать усредненный показатель деформаций муфт по окружности. Но тензодатчики, расположенные щ участке муфт, непосредственно над дефектом, показали повышенные значения де формаций стенки муфт по сравнению с другими участками по окружности. Расчет показал, что кус тах = 1,69. Таким образом, в области дефекта трубы деформации муфты перераспределяются, при этом металл муфты над дефектом нагружается в боль] шей степени, чем дает расчет без учета данного фактора.

В целом, муфты обеспечили надежную защиту дефектных участков трубы ш процессе воздействия циклической и предельной нагрузок.

В пятой главе «Реализация результатов и экономическая эффективность работы» представлена оценка практической значимости и экономической целесо образности выполненных исследований. Практическая ценность заключается в соз

анных в соавторстве патентах на полезные модели, по конструкциям муфт для ре-онта трубопровода (два патента), устройству для измерения радиуса кривизны ци-индрической поверхности крупногабаритных деталей, а также трех нормативно-ехнических документов, разработанных с учетом результатов расчето-кспериментальных исследований диссертационной работы. В содержание СТО Газ-ром 2-2.3-522-2010 вошли расчетные зависимости главы 2, конструктивные схемы уфт и элементы технологии ремонта из главы 4. В рекомендациях по оценке эф. ективности муфтовых технологий ремонта стресс-коррозионных дефектов магист-альных газопроводов приведены методы расчета остаточного ресурса труб с тре-инами из третьей главы диссертации. В стандарте ООО «Севергазпром» приведены онструктивные параметры и элементы технологии монтажа обжимных сварных уфт с применением композита из главы 4 диссертации.

Ожидаемый экономический эффект, от внедрения результатов диссертацион-ой работы, при планируемом количестве ремонтов технологических трубопроводов аз КС ООО «Газпром трансгаз Ухта» муфтами в количестве 100 шт. составляет 2,9 млн. руб. в год, а за десятилетний период - 89,69 млн. рублей с учетом дискон-ирования денежных потоков.

Основные выводы:

1. Предложена классификация существующих муфтовых конструкций для ре-онта трубопроводов. Определены пути совершенствования и развития методов ценки эффективности стальных обжимных муфт.

2. Предложен и обоснован критерий силовой эффективности муфты - коэффи-иент усиления, рассчитываемый с использованием новых полученных зависимо-тей, учитывающих контактное давление и свойства заполнителя.

3. Предложена методика расчета рациональной толщины стенки муфты для беспечения несущей способности дефектного участка трубы на уровне бездефект-ого. Получена зависимость остаточного ресурса отремонтированных труб с трещи-ами от начальной глубины дефекта, подтверждаемая результатами испытаний рагмента трубопровода.

5. По результатам полигонных и стендовых испытаний доказана высокая рабо-оспособность неприварных обжимных муфт с использованием эпоксидного запол-ителя. Установлено, что заполнитель увеличивает коэффициент усиления по раз-ушающему давлению более чем в 2 раза.

6. Материалы исследования вошли составной частью в три ведомственных ормативно-технических документа ООО «Газпром трансгаз Ухта» и ОАО «Газ-ром», направленных на повышение эффективности ремонта трубопроводов сталь-ыми обжимными муфтами. Ожидаемый экономический эффект, при планируемом

ежегодном количестве ремонтов технологических трубопроводов газа КС муфтами количестве 100 шт. составляет 12,9 млн. руб. в год.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Александров Ю.В. Опытно-расчетная апробация ремонта магистраль ных газопроводов стальными сварными муфтами / Ю.В. Александров A.M. Шарыгин, A.C. Понков // Газовая промышленность. - 2009. - № 12. С. 44-47.

2. Александров Ю.В. Анализ силового взаимодействия стальных муфто вых конструкций с ремонтируемым участком трубопровода / Ю.В. Александ ров, В.М. Шарыгин, A.C. Попков // Газовая промышленность. - 2010. - № 12. С. 54-57.

3. Александров Ю.В. Повышение надежности и экологической безопасно сти эксплуатации газопроводов путем совершенствования ремонтных техиоло гий / Ю.В. Александров, В.М. Шарыгин, A.C. Попков // Защита окружающе среды в нефтегазовом комплексе. - 2011. - №1. - С. 24-27.

4. Попков A.C. Развитие муфтовых технологий ремонта газопроводов / X ме ждународная молодежная конференция «Севергеоэкотех-2009»: материалы конфе ренции (18-20 марта 2009 г., Ухта): в 4 ч.; ч. 4. - Ухта: УГТУ, 2009. - С. 189-193.

5. Попков A.C. Особенности монтажа и расчета конструктивных параметро новых сварных муфт для ремонта трубопроводов / Эффективность освоения запасо углеводородов: Науч.-техн. сб. в 4 ч. Ч.З. Надежность и ресурс объектов транспорт газа / Филиал ООО «Газпром ВНИИГАЗ» в г. Ухта. - Ухта, 2010. - С. 118 -130.

6. Попков A.C. Эффективность ремонта трубопроводов при использовани модернизированных конструкций сварных муфт / Тезисы докладов IV научно практической конференции молодых специалистов ИТЦ ООО «Газпром трансг Ухта».-Ухта: 2010.-С.15.

7. Попков A.C. Муфтовые технологии ремонта - перспективный способ вое становления работоспособности трубопроводов /Сборник тезисов докладов VI науч но-практической конференции молодых специалистов и ученых филиала ООО «Газ пром ВНИИГАЗ» -«Севернипигаз» «Инновации в нефтегазовой отрасли - 2009», Ух та (29 июня - 4 июля 2009 г.). - Ухта: филиал ООО «Газпром ВНИИГАЗ» «Севернипигаз», 2009. - С.53.

8. Попков A.C. Оценка эффективности ремонта трубопроводов при использо вании модернизированных конструкций сварных муфт/ «Новые технологии в газо вой отрасли: опыт и преемственность». - тезисы докладов II научно-практическо

олодежной конференции (6-7 октября 2010 г.) - М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2010. — .47.

9. Попков A.C. Мировые и отечественные тенденции развития муфтовых тех-ологий ремонта трубопроводов / A.C. Попков, В.М. Шарыгин // Аналитик. - 2009. -б. научн.-техн. обзоров. - М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2010. - С. 27-66.

Ю.Бирилло И.Н. Расчетная оценка напряженно-деформированного состояния истемы «труба-муфта» / И.Н. Бирилло, Ю.В. Александров, A.C. Попков // Наука в ефтяной и газовой промышленности. - 2010. - №4. - С. 2-6.

11. Попков A.C. Расчетная оценка силовой эффективности ремонта дефектных частков газопроводов стальными сварными муфтами / A.C. Попков, В.М. Шарыгин / Сборник научных трудов: Материалы 3-й международной научно-технической онференции «Актуальные проблемы трубопроводного транспорта Западной Сиби-и (28 мая 2009 г.) под общей ред. профессора, д.т.н Земенкова Ю.Д. - Тюмень: (Экспресс» 2009. - С. 86-88.

12.Попков A.C. Оценка влияния деформационных свойств металлополимерно-о связующего на эффективность ремонта трубопроводов сварными стальными муф-ами / A.C. Попков, В.М. Шарыгин // Сборник научных трудов: материалы научно-ехнической конференции (13-15 апреля 2010 г.) в 3 ч., ч. II / под ред. Н.Д. Цхадая . -хта: УГТУ, 2010.-С. 8-13.

13.Шарыгин A.M. К вопросу об экспериментальной оценке ресурса труб газо-роводов / A.M. Шарыгин, A.C. Попков, И.А. Базарова // «Рассохинские чтения», -атериалы межрегионального семинара (4-5 февраля 2010 г.) /под. ред. Н.Д. Цхадая. Ухта: УГТУ, 2010. - С. 174 -177.

14.Пат. на полезную модель № 85212 RU, МПК F 16 L 55/18. Муфта для ре-онта трубопровода / A.C. Попков, Р.В. Агиней, В.М. Шарыгин, А.И. Филиппов,

О.В. Александров, В.М. Непогожев. - №2009111629/22; Заявл 30.03.2009; Опубл. 7.07.2009.-Бюлл. №21.

15.Пат. на полезную № 60174 RU, МПК F16L 55/18. Муфта для ремонта тру-опровода / В.М. Шарыгин, A.C. Попков, А.И. Филиппов и др. - №2006128883/22; аявл. 08.08.2006; Опубл. 10.01.2007. -Бюл. №1.

16.Пат. на полезную модель № 95096 RU, МПК G 01 В 5/213. Устройство для змерения радиуса кривизны цилиндрической поверхности крупногабаритных дета-ей /A.C. Попков, Р.В. Агиней, В.М. Шарыгин. - № 2010112881/22; Заявл. 2.04.2010; Опубл. 10.06.2010.-Бюлл.№16.

Подписано к печати 19.09.2011 г.

Заказ № 3581 Объем 1,5 п.л. Формат бумаги А5 Тираж 120 экз.

Отпечатано в филиале ООО «Газпром ВНИИГАЗ» в г. Ухта По адресу 169300, г. Ухта, ул. Севастопольская, 1а, тел. 751685

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Попков, Андрей Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ.

1 СИСТЕМАТИЗАЦИЯ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО РЕМОНТУ ТРУБОПРОВОДОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПОЛНООХВАТНЫХ МУФТ.

1.1 Классификация муфтовых технологий.

1.2 Полимерные муфты, устанавливаемые на твердеющий композит.

1.2.1 Муфты типа Clock-Spring и другие композитные муфты без металлических элементов.

1.2.2 Монолитные муфты с металлическими узлами затяжки.

1.3 Конструкции и технологии установки стальных муфт на трубопровод без приварки к трубе.

1.3.1 Обжимные муфты с установкой на трубопровод без промежуточного материала.

1.3.2 Обжимные стяжные муфты с эластичной прокладкой.

1.3.3 Обжимные муфты, устанавливаемые с композитом, предварительно нанесенным на трубопровод и внутренние поверхности муфт.

1.3.4 Муфты, устанавливаемые с гарантированным зазором, заполненным упрочняющим составом.19"

1.4 Стальные муфты, привариваемые к трубопроводу.

1.4.1 Обжимные приварные муфты.

1.4.2 Муфты, установленные с гарантированным зазором, заполненным после установки упрочняющим составом или антикоррозионной жидкостью.

1.5 Выбор объекта исследований.

Выводы по главе:.

2 РАСЧЕТНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ УСИЛИВАЮЩЕГО ЭФФЕКТА СВАРНЫХ СТАЛЬНЫХ МУФТ БЕЗ УЧЕТА ДЕФЕКТНОГО СОСТОЯНИЯ ТРУБЫ.

2.1 Общие положения.

2.2 Обжимная муфта, установленная на трубу без промежуточного слоя с радиальным зазором.

2.3 Муфта, установленнаяна трубу с гарантированным зазором, заполненным жидким или твердеющим веществом.

2.4 Обжимная муфта, устанавливаемая на трубу с предварительным нанесением тонкого слоя твердеющего композита в кольцевое пространство.

2.5 Расчет контактного давления между обжимной муфтой и трубой при наличии композитной прослойки с учетом краевого эффекта.

Выводы по главе.

3 РАСЧЕТНАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ОБЖИМНОЙ МУФТЫ С УЧЕТОМ ФОРМЫ ДЕФЕКТОВ СТЕНКИ ТРУБ.

3.1 Общие положения.

3.2 Расчет оптимальной толщины обжимной муфты, установленной на слой композита, в зависимости от глубины дефекта.

3.3 Расчет коэффициентов концентрации напряжений в дефектных зонах труб.

3.4 Расчет изменения коэффициентов концентрации напряжений в дефекте при установленной стальной муфте.

3.5 Оценка эффективности стальных муфт по повышению прочностного ресурса трубопровода с длинными трещинами.

Выводы по главе.74'

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ УСИЛИВАЮЩЕГО ЭФФЕКТА СТАЛЬНЫХ МУФТ НА ДЕФЕКТНЫХ ТРУБАХ.

4.1 Определение влияния слоя композита и технологии монтажа неприварных обжимных муфт на их силовой эффект.

4.2 Разработка и испытание новых конструктивно-технологических решений по сварным обжимным муфтам.

4.2.1 Муфта со скошенными кромками.

4.2.2 Муфта с наклонными кромками.

4.2.3' Муфта с П-образными выступами и впадинами.

4.3 Сравнительные испытания сварных муфт на многоцикловую нагрузку.

4.4 Лабораторные испытания стальных неприварных муфт.

4.5 Оценка работоспособности обжимных неприварных муфт, установленных на фрагмент трубопровода газа компрессорной станции.

Выводы по главе.

5 РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫ.

5.1 Создание патентов и нормативных документов.

5.2 Расчет ожидаемой экономической эффективности работы.

Выводы по главе.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Расчетно-экспериментальная оценка работоспособности стальных муфт для ремонта нефтегазопроводов"

Надежность функционирования нефтегазопроводов тесно связана с работоспособностью труб и впрямую зависит от их несущей способности, которая в процессе длительной эксплуатации неуклонно снижается по причине развития дефектного состояния.

Среди таких технологий' выделяются методы ремонта с применением полноохватных муфтовых конструкций, на которые возлагается задача остановки развития дефектов труб с повышением несущей способности дефектного участка до уровня, обеспечивающего дальнейшую надежную и безопасную эксплуатацию трубопровода.

Из множества решений по муфтовым технологиям достаточно широкое распространение получили методы ремонта с применением стальных оболочек, устанавливаемых на дефектные участки труб. Этому в значительной мере способствовали идентичность материалов муфты и трубы, хорошая свариваемость элементов муфты между собой и со стенкой-трубопровода, долговечность муфтовых стальных конструкций в условиях эксплуатации.

Расчетно-экспериментальным исследованиям в области ремонта трубопроводов с применением муфт посвящены работы многих отечественных и зарубежных ученых и исследователей, среди которых: И.И. Велиюлин, JI.A. Го-барев, А.И. Егоренков, Б.А. Клюк, A.C. Кузьбожев, А.Г. Мазель, С.С. Митрошин, Н.Г. Пермяков, А.Н. Платонов, К.Е. Ращепкин, C.B. Романцов, E.JI. Чег-лаков, В.В. Харионовский, A.M. Шарыгин, В.М. Шарыгин, М.С. Якубовская, Кифнер Д., Мехью В., Хок Брайн, Фоли Н., Шмидт Д., Келти П. и др.

Анализ известных работ показывал отсутствие методик оценки работоспособности стальных неприварных обжимных муфт установленных на слой твердеющего композита, объединяющих адекватные расчетные зависимости- и результаты испытаний полномасштабных объектов типа «труба-муфта». Не-решены вопросы оценки эффективности муфт по повышению ресурса дефектных труб при их циклическом нагружении.

Кроме этого, не достаточно исследовано влияние технологических элементов монтажа муфт, в том*числе использования слоя композита на силовую? эффективность.

В связи с этим, экспериментально-расчетное обоснование повышения несущей способности И'остаточного-ресурса дефектных участков трубопроводов на базе применения известных и усовершенствованных конструктивно-технологических решений по их ремонту с помощью сварных стальных муфт является актуальнойнаучно-практической задачей.

Цель диссертационной работы:

Обоснование работоспособности стальных неприварных муфт с использованием разработанных методов оценки их силовой эффективности И" полномасштабных испытаний отремонтированных дефектных труб.

Задачи исследования:

1. Разработать методику расчета коэффициента усиления муфтовых конструкций В' зависимости от наличия и свойств материала, заполняющего зазор между муфтой и трубой;

2. Провести расчетную и экспериментальную оценку влияния толщины стенки муфты на ее силовую эффективность при ремонте трубопровода с трещиноподобным дефектом;

Научная новизна

- Теоретически-обосновано и опытно апробировано выражение для определения значения контактного давления- между трубой и> стальной обжимной неприварной муфтой^ с учетом параметров слоя заполнителя. Установлено, что толщина слоя заполнителя не влияет на коэффициент усиления муфты, если его модуль упругости более 400 МПа.

- Получено выражение для расчета остаточного ресурса труб с трещинами, отремонтированных* обжимными муфтами, при воздействии циклической нагрузки. Установлено, что при равных значениях толщины стенки муфты и трубы (5), стальная обжимная неприварная муфта повышает остаточный ресурс трубы в 14,3 раза при начальной относительной-глубине дефекта 0;4-5.

Защищаемые положения

- Расчетное обоснование толщины стенки муфты в зависимости от параметров дефекта.

- Результаты стендовых и полигонных испытаний работоспособности приварных и неприварных стальных муфт.

Практическая значимость

1. СТП 8828-167- 04ЮОО «Севергазпром» (с 2008 г. ООО Газпром.транс-газ Ухта, перераб. 2011 г.) Ремонт дефектных участков газоконденсатопроводов' диаметром 5304-1400 мм стальными сварными муфтами - Введ. 17.06.2004. — Ухта: ООО «Севергазпром» - 2004 г. — 34 с.

2. Рекомендации по оценке эффективности муфтовых технологий ремонта стресс-коррозионных дефектов' магистральных газопроводов:. Введ. 16.05.2006. - Ухта: ООО «Газпром трансгаз Ухта» - 2006. — 47 с.

3. Отраслевой стандарт СТО Газпром 2-2.3-522-2010 Инструкция по ремонту дефектных участков г технологических трубопроводов газа компрессорной станции сварными стальными и стеклопластиковыми муфтами с резьбовой затяжкой. — Введ. 19.08.2011. — 56 с.

В рекомендациях приведен разработанный метод оценки прочностного ресурса труб с глубокими" стресс-коррозионными трещинами и усиливающего эффекта сварных муфт, повышающих ресурс дефектных труб. В стандарте организации

ООО «Севергазпром» приведены конструктивные параметры и элементы, технологии монтажа разработанных обжимных неприварных муфт, рекомендуемых к использованию-на магистральных газопроводах ООО «Газпром трансгаз Ухта».

Апробация работы

Результаты работы докладывались на следующих конференциях и семинарах:

- Пятой Международной конференции «Обслуживание и ремонт газокон-денсатопроводов», (г. Туапсе, 4-9 октября 2010 г.);

- Научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников Ухтинского государственного технического университета (УГТУ), (г. Ухта, 2006, 2009, 2010 гг.);

- II научно-практической молодежной конференции: Новые технологии в газовой отрасли: опыт и преемственность», ООО «Газпром ВНИИГАЗ», (г. Москва, 6 — 7 октября 2010 г.);

- IV научно-практической конференции молодых специалистов ИТЦ ООО «Газпром трансгаз Ухта», (г. Ухта, 14-17 июня 2010 г.);

- Межрегиональном семинаре «Рассохинские чтения», УГТУ, (г. Ухта, 4-5 февраля 2010 г.);

- VI научно-практической конференции молодых специалистов и ученых филиала ООО «Газпром ВНИИГАЗ»-«Севернипигаз»: «Инновации в нефтегазовой отрасли -2009», (г. Ухта, 29 июня - 4 июля 2009 г.);

- Восьмой Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблема газовой промышленности России «Новые технологии в газовой промышленности», РГУНиГ им. И.М. Губкина, (г. Москва, 6-9 октября 2009 г.);

- 3-ей Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трубопроводного транспорта Западной Сибири», ТГНУ, (г. Тюмень, 28 мая 2009 г.);

- X Международной молодежной научно-практической конференции «Се-вергеоэкотех-2009», УГТУ, Ухта, 18-20 марта 2009 г.;

- На семинаре-совещании «Повышение уровня надежности технической эксплуатации ЛЧ МГ и ГРС ООО «Газпром трансгаз Ухта», (г. Вологда, 15-19 ноября 2010 г.)

Публикации

По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, из них - три в ведущих рецензируемых изданиях, включенных в перечень ВАК Минобрнауки РФ, 3 патента на полезные модели.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, содержит 150 страниц текста, 70 рисунков, 18 таблиц и список литературы из 102 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ", Попков, Андрей Сергеевич

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Предложена классификация существующих муфтовых конструкций для ремонта трубопроводов. Определены пути совершенствования и развития методов оценки эффективности стальных обжимных муфт.

2. Предложен и обоснован критерий,силовой эффективности муфты — коэффициент усиления, рассчитываемый с использованием новых полученных зависимостей, учитывающих контактное давление и свойства заполнителя.

3. Предложена методика расчета рациональной толщины стенки муфты для обеспечения несущей способности дефектного участка1 трубы на уровне бездефектного. Получена зависимость остаточного ресурса отремонтированных труб с трещинами от начальной глубины дефекта, подтверждаемая результатами испытаний фрагмента трубопровода.

5. По результатам полигонных и стендовых испытаний доказана высокая работоспособность неприварных обжимных муфт с использованием эпоксидного заполнителя. Установлено, что заполнитель увеличивает коэффициент усиления по разрушающему давлению более чем в 2 раза.

6. Материалы исследования вошли составной частью в три ведомственных нормативно-технических документа ООО «Газпром трансгаз Ухта» и ОАО «Газпром», направленных на повышение эффективности ремонта трубопроводов стальными обжимными муфтами. Ожидаемый экономический эффект, при планируемом ежегодном количестве ремонтов технологических трубопроводов газа КС муфтами в количестве 100 шт. составляет 12,9 млн. руб. в год.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Попков, Андрей Сергеевич, Ухта

1. Пат. 4700752 США, МКИ2 F 16 L009/14. Способ предотвращения распространения трещин по трубопроводу / Заявл. 23.12.85; Опубл. 20.10.87.

2. Пат. 2108514 RU, МПК F 16 L 55/18. Способ ремонта трубы / Н.С.Фоли (US), Д. Шмидт (US), Н. Блок (US), П. Келти (US). №95108322/06; Заявл. 24.08.93; Опубл. 10.04.98. -Бюлл. №10.

3. Пат. 2156398 RU, МПК F 16 L58/16, 57/00. Многослойная защита местных трещинообразных и коррозионных дефектов' стенок трубопровода. /А.И. Егоренков, В.В. Рыжиков, JI.M. Кришнев. №99114366/06; Заявл. 30.06.99; Опубл. 20:09.2000. - Бюлл. №26.

4. Заявка №2613000 Франция; МКИ2 F16 L59/10. Ремонтный хомут / Заявл. 23.03.87; Опубл. 30.09188.

5. Пермяков Н.Г., Ращепкин К.Е., Лупин В.А. Бандажирование магистральных трубопроводов / Серия «Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов». М.: ВНИИОЭНГ. 1979.

6. Пат. 3496963 США, МКИ2 F 16 L55/16. Надувной ремонтный зажим / Заявл. 30.07.68; Опубл. 24.02.70.

7. Заявка № 2287079 Великобритания, МКИ2 F 16 L55/168. Способ ремонта трубопровода / Заявл. 20.02.95; Опубл. 06.09.95.

8. Новые технологии и технические средства / Трубопроводный транспорт нефти. 1994. - №6.

9. Пат. 2219423 RU, МПК F16L 55/175. Полимерная муфта для ремонта* труб с локальными* коррозионными дефектами и способ ее установки / Ю.М. Шарыгин, Ю.А. Теплинскищ И.В. Максютин и др. № 2001120673/06; заявл. 23.07.2001; Опубл. 20.12.2003. - Бюл. № 35.

10. Пат. 2224169 RU, МПК F16L 55/175. Способ ремонта трубопровода и муфта для его осуществления / В.М. Шарыгин, Ю.А. Теплинский, А .Я. Яковлев и др. №2002112542/06; заявл. 13.05.2002; Опубл. 20.02.2004. - Бюл. № 35.

11. Пат. на полезную 60174 RU, МИК F16L 55/18. Муфта для ремонта трубопровода / В.М. Шарыгин, A.C. Попков; А.И. Филиппов и др. -№2006128883/22; Заявл. 08.08.2006; Опубл. 10.01.2007. -Бюл. №1

12. Мировые и отечественные тенденции развития муфтовых технологий ремонта трубопроводов / Попков A.C., Шарыгин В.М. // Аналитик. — 2009. — Сб. научш-техн. обзоров. М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2010. — с. 27-66.

13. Пат. 4709728 США, МКИ2 F 16 К011/18. Зажим для ремонта трубы и способ установки-зажима на трубе / Заявл 06.08.86; Опубл. 01.12.87.

14. СТО Газпром 2-2.3-137-2007. Инструкция по технологиям сварки при строительстве и ремонте промысловых и магистральных газопроводов. Часть II. -Введ. 14.12.2007. 178 с.

15. Пат. 2137012 RU, МПК F16 L21/06 Трубная муфта /В.И. Ларин. -№9111163/06; Заявл. 11.06.98; Опубл. 10.09.99.-Бюлл. №25.

16. Пат. 4705078 США, МКИ2 F16 L055/16. Ремонтный хомут для трубопровода / Заявл. 20.09.85; Опубл. 10.11.87.

17. Пат. 4606377 США, МКИ2 F16 L055/16. Ремонтный хомут для трубопровода / Заявл. 30.10.84; Опубл. 19.08.86.

18. Заявка №2191837 Великобритания, МКИ F 16 L55/18 Хомут для устранения утечек в трубопроводе / Заявл. 20.05.87; Опубл. 23.12.87.

19. Пат. 4391300 США-, МКИ- F 16 L055/16. Хомут для устранения утечек в трубопроводе /Заявл. 02.09.80; Опубл. 05.07.83.27Mocquart J. Le controle intratube des pipelines: défauts geometriques // Petrole et techn. 1984. - №310. - Pp 31-32.

20. ТУ 4834-028-04046341-07. Муфты композитные для ремонта ' дейст- • вующих трубопроводов. Введ. 07.02.2007. - Утв. ген. директор ОАО «Белебе-евский механический завод» Р.Ю. Хасанов. 02.02.2007. — 13 с.

21. Заявка №2210134 Великобритания, МКИ2 F16 L55/1. Способ ремонта трубопровода / Заявл. 21.09.87; Опубл. 01.06.89.

22. Современные методы ремонта трубопроводов / Н.Х. Халлыев и др. — Обзорная информация. — Серия «Транспорт и подземное хранение газа». — М.: ИРЦ «Газпром» 1997.

23. Хок Брайн. Ремонт трубопроводов с помощью патрубка, заполняемого эпоксидной смолой / Нефтегазовые технологии. — 1997. №6. — с. 25-29.

24. РД 153-39.4-067-00: Методы.ремонта дефектных участков действующих магистральных нефтепроводов / ОАО АК «Транснефть». — 2001. — 45 с.

25. Обеспечение эксплуатационной надежности газопроводов Севергаз-прома / Яковлев А.Я., Колотовский А.Н., Шарыгин В.М. // Газовая промышленность. -1997. №9:

26. Работоспособность сварных муфт для ремонта дефектов трубопроводов / А.Г. Мазель, JI.A. Гобарев и др. // Строительство трубопроводов: 1996: — №1. с. 16-22.

27. Сварные муфты для ремонта трубопроводов / А.Г. Мазель, JLA. Гоба-рев, К.М-. Нагорнов, А.И. Рыбаков // Газовая промышленность. 1996. — №9-10. с.55-57.

28. Перспективный метод ремонта трубопроводов / A.A. Ермаков, Б.А. Клюк, В.Г. Поляков, A.C. Диденко // Газовая промышленность. 1989. - №3. с.45-47.

29. Ремонт дефектов труб с использованием бандажа A.A. Ермаков, Б.А. Клюк, В.Г. Поляков, М.М. Окромчедлов // Газовая промышленность. — 1989. — №8. с.58-61.

30. СТО Газпром 2-2.3-425-20 Ю. Инструкция по технологиям сварки при строительстве и ремонте промысловых и магистральных газопроводов. Часть IV. Введ. 07.10.2010. - 102 с.

31. Пат. 2134373 RU, МПК F 16 L 55/10, 55/18.Способ ремонта трубопровода, деформированного-изгибом /В.М: Шарыгин, В.Н. Иконников, М.А. Кудрявцев, А.Н. Колотовский. № 97118053/06; Заявл. 30.10.97 Опубл. 10.08.99. -Бюлл. №22.

32. Методы восстановления несущей способности линейной частик магистральных газопроводов: Научно-техн. обзор / ВНИИОЭНГ. Серия «Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов». — 1986.-13(82).

33. ТУ 4834-029-04046341-07. Муфты приварные для' ремонта действующих трубопроводов: Введ. 07.02.2007. — Утв., ген. директор ОАО «Белебеев-скию механический завод»>Р.Ю. Хасанов-02.02.2007. - 16 с.

34. Шарыгин А.М: Защитные конструкции для дефектосодержащих участков магистральных газопроводов/науч.-техн. обзор Сер. «Транспорт и. подземное хранение газа». — М.: ООО ИРЦ Газпром», 2001, 68 с.

35. Велиюлинг И.И. Совершенствование методов; ремонта газопроводов. — М: Нефть и газ, 1997, 224 с.

36. Никольс Р. Конструирование и технология изготовления сосудов давления: Пер с англ. Mi: Машиностроение, 1975 г. - 464 с.

37. Кифнер Д:Ф:, Мсхыо В:А. испытания'для обоснования техники ремонта трубопроводов муфтами. // Oil and Gas Journal, август 28, 1989.

38. Даффи А., Эйбер., Макси У. О поведении дефектов в сосудах давления //Новые методы оценки сопротивления материалов хрупкому разрушению. — М.: Мир, 1972, С. 301-322.

39. Купершляк-Юзефович Г.М. Расчет разрушающего давления в газопроводах, подверженных коррозионному растрескиванию под напряжением./ Г.М. Купершляк-Юзефович, Ю.Г. Разумов // Строительство трубопроводов. — 1996.-№6. С. 17-18.

40. Шарыгин А.М. Дефекты в магистральных газопроводах/ Науч.-техн. обзор. Сер. «Транспорт и подземное хранение газа» - М.: «ИРЦ Газпом», 2000. -50 с.

41. Расчет прочности криволинейных трубопроводов с эрозионными дефектами // Е.В. Дедиков, Г.С. Клишин, В.Е. Селезнев и др. /Газовая промышленность, 1999, №2. С. 31-33.

42. Рекомендации по оценке эффективности муфтовых технологий ремонта стресс-коррозионных дефектов магистральных газопроводов / Утв. главным инженером ООО «Севергазпром» А.Я. Яковлевм 16.05.2006 г. — Ухта, 2006. -47 с.

43. Зотов А.С. Наплавка стресс-коррозионных трещин на магистральных трубопроводах // Ремонт, восстановление, модернизация. 2006, №1. - С7-10.

44. Руководство по проведению ресурсных испытаний труб, отремонтированных с применением муфтовых и сварочных технологий. М.: ОАО «Газпром», ООО «ВНИИГАЗ», Утв. 30.11.2005.

45. Мороз JI.C. Механика и физика деформаций и разрушений материалов. JL: машиностроение. — 1984. - 224 с.

46. Разработка методов повышения ресурса длительно эксплуатируемых нефтепроводов / Обзор ВНИИОЭНГа. Серия «Транспорт и хранение нефти». — М.: 1991.-84 с.

47. Теплинский Ю.А. Актуальные вопросы эксплуатации магистралных газопроводов. СП.: Инфо-да, 2004. - С. 334-341.

48. Типовая методикам проведения испытаний полимерных композитных материалов; рекомендуемых для; ремонта;.дефектов; газопроводов;. — MI: ОАО? «Газпром»; ООО «ВНИГАЗ». Утв: 15.06.2001? г. 14 с.

49. Пат. 2285192 RU, МПК F 16 L 55/18. Способ ремонта трубопровода и сварная муфта для его. осуществления / В:Н. Воронин, С.В. Романцов,

50. B.М. Шарыгин, A.M. Шарыгин. №2004135952; Заявл 08:12:2004; Опубл. 10.10.2006. - Бюлл. №28.

51. Пат. на полезную модель №77013: RU, МПК F 16 L 55/18. Муфта для ремонта трубопровода / В.М. Шарыгин, Ю.В. Александров, А.И. Филиппов,

52. C.В. Романцов. №2008117073; Заявл 29.04.2008; Опубл. 10.10.2008. - Бюлл. №28.

53. Пат. на полезную модель №85212 RU,, МПК F 16 Е 55/18. Муфта для ремонта трубопровода / A.C. Попков, Р.В. Агиней, В.М. Шарыгин, А.И. Филиппов, Ю.В. Александров, В.М. Непогожев. №2009111629/22; Заявл 30:0312009; Опубл: 27.07.2009 • —Бюлл. №21г.

54. Попков A.C. Развитие муфтовых технологий ремонта газопроводов /X международная молодежная; конференция «Севергеоэкотех-2009»: материалы конференции (18-20 марта 2009 г., Ухта): в 4 ч.; ч. 4. Ухта: УГТУ, 2009. -444 с.

55. Александров Ю.В., Шарыгин В.М., Попков A.C. Повышение надежности и экологической безопасности эксплуатации газопроводов путем совершенствования ремонтных технологий / Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. 2011. №1. - С. 24-27.

56. Шарыгин, А.М., Попков , A.C., Базарова И.А. К вопросу об экспериментальной оценке ресурса труб» газопроводов / «Рассохинские чтения», -материалы, межрегионального* семинара (4-5 февраля 2010 г.) /под. ред. Н.Д. Цхадая. Ухта: 2010, - 223 с. С. 174 -177.

57. Временная инструкция по отбраковке и ремонту технологических трубопроводов газа компрессорных станций. Введ. 30.04.2008. - М.: ОАО «Газпром», ООО «ВНИИГАЗ» - 2008. - 44 с.

58. Попков A.C. Эффективность ремонта трубопроводов при использовании модернизированных конструкций сварных муфт / Тезисы докладов IV научно-практической конференции молодых специалистов ИТЦ ООО «Газпром трансгаз Ухта». Ухта: 2010. - С. 15.

59. СТП 8828-167- 04 ООО «Севергазпром» (перераб. в 2011 г.) Ремонт дефектных участков газоконденсатопроводов диаметром 530ч-1400 мм стальными сварными муфтами Введ. 17.06.2004. — Ухта: ООО «Севергазпром» -2004 г. - 34 с.

60. СТО Газпром 2-2.3-522-2010 Инструкция по ремонту дефектных участков технологических трубопроводов газа компрессорной станции сварными стальными и стеклопластиковыми муфтами с резьбовой затяжкой. Введ. 19.08.2011.-56 с.

Информация о работе

Попков, Андрей Сергеевич
кандидата технических наук
Ухта, 2011
ВАК 25.00.19

Диссертация

Расчетно-экспериментальная оценка работоспособности стальных муфт для ремонта нефтегазопроводов - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы