Разработка технологий монтажа нефтепромысловых трубопроводов из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом

Митюшников, Владимир Александрович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Разработка технологий монтажа нефтепромысловых трубопроводов из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом
ВАК РФ 25.00.19, Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ

Автореферат диссертации по теме "Разработка технологий монтажа нефтепромысловых трубопроводов из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом"

УДК 622.692.4

На правах рукописи

005011025

Митюшников Владимир Александрович

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ МОНТАЖА НЕФТЕПРОМЫСЛОВЫХ ТРУБОПРОВОДОВ ИЗ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА С ШАРОВИДНЫМ ГРАФИТОМ

Специальность 25.00.19 - Строительство и эксплуатация

нефтегазопроводов, баз и хранилищ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 1 НАР 2СІ2

Уфа 2012

005011025

Работа выполнена в Государственном унитарном предприятии «Институт проблем транспорта энергоресурсов» (ГУП «ИПТЭР»)

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Гумеров Кабнр Мухаметовнч

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

Азметов Хасан Ахметзиевич

- кандидат технических наук, доцент Ращепкин Андрей Константинович

Ведущее предприятие - ГОУ ВПО «Южно-Уральский

государственный университет»

Защита диссертации состоится 29 февраля 2012 г. в 900 часов на заседании диссертационного совета Д 222.002.01 при ГУП «Институт проблем транспорта энергоресурсов» по адресу: 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУП «ИПТЭР». Автореферат разослан 27 января 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор -----Л.П. Худякова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Одной из нерешённых проблем при обустройстве нефтяных месторождений является защита от коррозии трубопроводных систем. Стальные нефтегазопромысловые трубопроводы из-за сильной коррозионной агрессивности продуктов скважин имеют небольшой ресурс. Один из вариантов решения данной проблемы связан с применением труб из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ВЧШГ), который по сравнению с нелегированными сталями обладает рядом положительных свойств:

• коррозионная стойкость труб из ВЧШГ в 4... 10 раз выше, стоимость ниже, прочность практически на том же уровне;

• хладостойкость труб из ВЧШГ сохраняется до температуры минус 80 °С, что важно для северных регионов;

• трубы из ВЧШГ практически не подвергаются старению, в том числе под воздействием сероводородсодержащих сред. Эта особенность делает их привлекательными на месторождениях с большим содержанием серы.

К недостаткам труб из ВЧШГ относятся следующие особенности:

• чугун, в том числе ВЧШГ, из-за высокого содержания углерода плохо поддаётся сварке, особенно в трассовых условиях;

• пластичность труб из чугуна ниже, чем у стальных труб;

• трубы из ВЧШГ изготавливаются методом центробежного литья и имеют весьма шероховатую поверхность.

Таким образом, для реализации всех положительных качеств труб из ВЧШГ необходимо оценить и снизить влияние отрицательных факторов.

Трубы из ВЧШГ нашли широкое применение в некоторых областях, в частности в водопроводных, канализационных, газопроводных сетях и системах теплоснабжения крупных городов мира. Широкое применение труб из ВЧШГ в нефтяной отрасли невозможно без соответствующей нормативной базы, учитывающей особенности отрасли и регламентирующей все вопросы на этапах производства труб, проектирования, строительства, испытаний и ввода в действие, эксплуатации и ремонта трубопроводов из ВЧШГ.

Предварительные консультации с техническими специалистами нефтедобывающих компаний показывают заинтересованность в применении новых материалов и технологий, в том числе труб из ВЧШГ.

Таким образом, обозначенные выше проблемы и анализ путей их решения позволили сформулировать цель и задачи исследований.

Цель работы - повышение ресурса нефтепромысловых трубопроводов внедрением труб из коррозионно-стойкого и высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.

Для решения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи:

1. Анализ эксплуатационных свойств труб из ВЧШГ в условиях эксплуатации нефтепромысловых трубопроводов;

2. Разработка эффективных методов соединения труб из ВЧШГ без применения сварки;

3. Исследования и стендовые испытания прочности и надёжности соединений труб из ВЧШГ; .

4. Испытания технологий монтажа и работоспособности трубопроводов из ВЧШГ в промысловых условиях;

5. Разработка нормативной базы монтажа трубопроводов из ВЧШГ.

Методы решения поставленных задач

Основой для решения данных задач явились работы отечественных и зарубежных ученых и специалистов: Агапчева В.И., Айдуганова В.М., Батлера Дж., Гумерова А.Г., Загорского В.К., Иоффе А.В., Лаптевой Т.И., Мин-ченкова А.В., Новикова С.В., Носова В.А., Пермякова Н.Г., Ращепкина А.К., Родомакина А.Н., Сираева А.Г., Чахеева С.Л., Чахеева А.Л. и других.

В работе использованы положения теорий упругости и прочности, экспериментальные и теоретические методы исследования: металлографические исследования на электронном микроскопе, стендовые испытания по специальным программам, испытания технологий монтажа и промысловые испытания работоспособности трубопроводов.

Научная новизна результатов работы

1. Разработана математическая модель напряженно-деформированного состояния соединения, полученного методом прямой прессовой посадки труб из ВЧШГ в стальную муфту. Определены допустимые размеры муфты и параметры посадки, обеспечивающие необходимую прочность соединения.

2. Решена задача о напряженном состоянии раструбно-замкового соединения типа «Ю», установлены основные закономерности. Полученные результаты и расчётная программа позволяют совершенствовать конфигурацию раструбной части труб.

3. Установлены закономерности формирования сил сцепления в соединении, полученном методом обжатия раструба трубы. Показано, что

роль механической составляющей деформаций сводится лишь к исключению зазора между трубой и обжимающим раструбом. Прочность соединения формируется за счёт остаточных радиальных , напряжений, имеющих термическое происхождение — нагрев при пластическом деформировании раструбной части. Положительный эффект также достигается за счёт предварительного нагрева раструбной части трубы перед обжатием.

4. Лабораторными и промысловыми исследованиями подтверждено, что скорость коррозии ВЧШГ в нефтепромысловых условиях в 4... 10 раз ниже, чем нелегированных сталей. При этом установлено, что сами трубы из ВЧШГ обладают значительно более высокой коррозионной стойкостью, чем малые образцы, вырезанные из металла трубы. Обогащённые графитом подповерхностные слои стенки труб толщиной 50... 100 мкм оказывают дополнительное защитное действие, аналогично изоляционному покрытию.

5. Экспериментально (методом циклических гидравлических и механических испытаний) определены допустимые области применения и допустимые параметры эксплуатации каждого из трёх основных видов соединений труб из ВЧШГ.

На защиту выносятся:

. - результаты исследования ВЧШГ в условиях эксплуатации нефтепро-

мысловых трубопроводов;

- механизм защитного действия ВЧШГ в коррозионных средах; •

- результаты испытаний трёх вышеуказанных видов соединений труб из ВЧШГ в стендовых и промысловых условиях;

- закономерности формирования напряженно-деформированного состояния и прочности соединений и технологические параметры, позволяющие контролировать их надёжность;

- технологии монтажа трубопроводов из ВЧШГ для эксплуатации на нефтяных месторождениях.

Практическая ценность и реализация результатов работы

1. Результаты исследований показали возможность получения равнопрочных соединений труб из ВЧШГ без использования сварки, что позволяет применять их при строительстве нефтепромысловых трубопроводов.

стальную муфту, соединение обжатием раструбной части одной из стыкуемых труб. В последних двух технологиях используется клей-герметик и достигаются высокие показатели по прочности и герметичности. Первая технология отличается простотой и рекомендуется для водоводов.

3. Установлено, что трубы из ВЧШГ обладают прочностью в 4...5 раз

больше, чем заявлено в технических условиях. Предложен заводу-изготовителю ряд рекомендаций по более полному использованию потенциальных возможностей труб из ВЧШГ. ■. . „ .

4. Результаты исследований использованы в «Инструкции по монтажу нефтегазопромысловых трубопроводов из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом неразъёмными соединениями: методом обжимки раструба, муфтовым соединением обжимкой и прессовой посадкой» и в проекте «Инструкции по проектированию, строительству, эксплуатации и ремонту промысловых нефтегазопроводов из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом». Предложенные технологии исключают сварку, высокопроизводительны и низкочувствительны к погодным условиям.

Апробация результатов работы

Основные положения и результаты работы докладывались на:

• Международных научно-практических конференциях «Проблемы и методы обеспечения надёжности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» (Уфа, 2010-2011 гг.);

• Всероссийских научно-практических конференциях «Энергоэффективность. Проблемы и решения» (Уфа, 2009-2010 гг.);

• Международных учебно-научно-практических конференциях «Трубопроводный транспорт» (У фа, 2008-2010 гг.);

• Международных научно-технических конференциях «Проблемы строительного комплекса России» (Уфа, 2010-2011 гг.).

Публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 17 научных трудах, в том числе в 3 ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендуемых ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, библиографического списка использованной литературы, включающего 105 наименований. Работа изложена на 132 страницах машинописного текста, содержит 42 рисунка, 32 таблицы.

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю Гумерову Кабиру Мухаметовичу и сотрудникам ГУП «ИПТЭР» РБ за обсуждение и критические замечания при разработке математического аппарата, лабораторных исследованиях и стендовых испытаниях; Чахееву Андрею Леонидовичу и производственному персоналу ООО «ПКФ Малый Сок» за содействие при стендовых и промысловых испытаниях и практическом внедрении результатов работы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цель и основные задачи, обозначены основные положения, выносимые на защиту, показаны научная новизна и практическая ценность результатов работы.

В первой главе рассматриваются особенности труб из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Как известно, железоуглеродистые сплавы, содержащие менее 2 % углерода, называют сталями, а более 2 % -чугунами. В зависимости от состояния углерода в чугуне различают чугуны белые, серые, ковкие, высокопрочные. В белых чугунах весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбида. В серых чугунах углерод находится, в основном, в свободном состоянии в форме пластинчатого графита. В высокопрочных чугунах углерод полностью или в значительной степени находится в свободном состоянии в форме шаровидного графита. Ковкие чугуны получаются путём отжига отливок из белого чугуна. В них углерод находится в свободном состоянии в виде хлопьевидного графита.

В микроструктуре чугуна различают металлическую основу и графитовые включения. Графит обладает низкими механическими свойствами, и его включения при оценке прочности чугуна можно считать как пустоты. Серый чугун характеризуется наиболее низким пределом прочности при растяжении, так как содержащиеся в них пластинчатые графитовые включения представляют собой трещиноподобные концентраторы напряжений, которые в наибольшей степени снижают прочность материала и конструкции. В чугуне с шаровидным графитом включения не имеют острых углов. Следовательно, в них значительно меньше концентрация напряжений. Это и обуславливает высокую прочность ВЧШГ.

Стальная основа может быть перлитной (0,8 % углерода находится в цементите, остальной углерод в графите), феррито-перлитной (количество углерода в виде цементита менее 0,8 %), ферритной (углерод находится

практически полностью в виде графита). ВЧШГ, применяемый для изготовления труб, имеет ферритную основу, поэтому по прочностным характеристикам мало уступает нелегированным сталям, а по пластическим свойствам приближается к ним (таблица 1).

Таблица 1 - Прочностные характеристики ВЧШГ и стали

Параметры ВЧШГ по ГОСТ 7293-85 Стали 10-20 поГОСТ 1050-88

Предел прочности при растяжении а„, МПа . > 420 330...410

Предел текучести сгт, МПа >300 205...245

Относительное удлинение 5, % > 10 25...31

Сфероидизующая обработка чугуна производится, в основном, в открытых ковшах магниевыми лигатурами. Затем отлитые трубы подвергаются ферритизирующему отжигу.

При изучении структуры металла труб из ВЧШГ была отмечена её неоднородность (рисунок 1). Металл на наружной поверхности труб сильно обогащён графитом. Объёмная доля графита в этой зоне достигает 60. ..80 %, толщина зоны составляет порядка 50. ..100 мкм.

Металл внутренней поверхности трубы также обогащён графитом. Но, в отличие от других участков, графитовые включения объединены в облакообразное состояние. Объёмная доля графита в этой зоне составляет также 60...80 %, толщина зоны порядка 100...200 мкм.

Таким образом, металл трубы фактически оказывается защищённым от коррозии поверхностными слоями, обогащёнными графитом. Этим объясняется один из интересных фактов, наблюдаемых на практике: коррозионная стойкость вырезанных образцов из труб из ВЧШГ небольших размеров намного ниже, чем самих труб из ВЧШГ, оказавшихся в тех же условиях.

Сравнительные испытания гравиметрическим и поляризационным методами показали, что чугун с шаровидным графитом обладает более высокой коррозионной стойкостью по сравнению со сталью как в кислородсодержащих, так и сероводородсодержащих средах. Введение в чугун 0,02...0,06% магния повышает коррозионную стойкость чугуна с шаровидным графитом в 20 раз по сравнению со сталью 45 и в 10 раз по сравнению с серым чугуном СЧ 21-40. Добавка 0,5 % алюминия повышает коррозионную стойкость чугуна в 5 раз по сравнению с серым чугуном и в 10 раз по сравнению со сталью 45.

Наружная поверхность, х100

Центральная часть, х100

Внутренняя поверхность, х 100

Рисунок 1 - Неоднородность металла труб из ВЧШГ по толщине стенки

В последние десятилетия наблюдается рост использования труб из ВЧШГ в различных отраслях промышленности, особенно за рубежом. Наиболее крупные производители труб из ВЧШГ: США, Япония, Франция, Германия, в последнее время и Китай. В России трубы из ВЧШГ до 1990 года не производились, в настоящее время выпускаются только Липецким металлургическим заводом «Свободный сокол».

Вторая глава посвящена изучению методов соединения труб из ВЧШГ. В данном случае сварка сильно усложняется из-за высокого содержания углерода. Технология сварки предусматривает предварительный подогрев труб и послесварочную высокотемпературную термообработку стыков. Даже после этого остаётся высокой вероятность появления дефектов.

Анализ показал, что при сооружении нефтепромысловых трубопроводов из ВЧШГ могут быть применены следующие виды соединений:

1) раструбно-замковое соединение «Ю»;

2) соединение методом прессовой посадки в стальную муфту;

3) соединение методом обжатия раструба.

Соединение «1и» - разъёмное (рисунок 2). Герметичность обеспечивается за счёт резиновой манжеты, замковый эффект - за счёт наплавленного валика и стопоров. Наплавленный валик на гладком конце трубы и стопоры, вдвигаемые после стыковки труб в выемку раструба и фиксируемые стопорной проволокой, обеспечивают прочность соединения независимо от наличия осевых напряжений. Резиновая манжета под действием рабочего давления прижимается к стенкам раструба и трубы, тем самым создаётся эффект самогерметизации соединения.

Рисунок 2 - Раструбно-замковое соединение «Ш»

Соединения «Ш» используются при сооружении трубопроводов систем водоснабжения и теплосетей. Они не являются жесткими и позволяют отклоняться соединённым трубам на угол Дф от 3 до 5 градусов в зависимости от диаметра труб при сохранении полной герметичности стыка. Это особенно важно при монтаже трубопроводов в пересечённой местности и на неустойчивых грунтах.

Соединение труб прессовой посадкой заключается в том, что в предварительно изготовленную муфту с двух сторон с натягом запрессовывают-

Стопор

Наплавленный валик

Г Раструбная

/ Манжета типа ВР С часть трубы

Гладкий конец трубы

■штжжл

\ ф і 1 Раб оч ее д авл ение і і {

ся концы стыкуемых труб. Предварительно на поверхности труб и муфты наносится полимеризующийся клей - герметик (рисунок 3).

Труба из ВЧШГ

Герметик Муфта стальная Внутреннее

защитное покрытие

Рисунок 3 - Соединение труб методом прессовой посадки

Муфта изготавливается из стали 10 или стали 20, как правило, из бесшовной трубы. Она обладает рельефной внутренней поверхностью, которая позволяет:

- точно фиксировать концы стыкуемых труб по центру муфты;

- обеспечить необходимый натяг;

- формировать полимерные герметизирующие кольца.

Размеры муфты подбираются из условия прочности соединения с учётом свойств материалов: ВЧШГ, стали, герметика.

Данный вид соединений является одним из наиболее перспективных при строительстве промысловых трубопроводов из ВЧШГ.

Соединение труб обжатием раструба заключается в том, что в предварительно подготовленный раструб трубы вставляется без натяга гладкий конец другой трубы (рисунок 4).

Гладкий конец трубы Раструбная часть трубы

/\ V \ \. • •' Ч л \\\- С// . / / У/У/1

с / 1

'І /

1 . \\ - ■- V \ \ \ \ \ \ •<- ч ЧЧ\ У'/.-/ / у ■ '1

/ г . • ^

Герметик /

Рисунок 4 - Схема соединения методом обжимки раструба

Предварительно на внутреннюю поверхность раструба и на наружную поверхность стыкуемого конца трубы наносится полимеризующийся клей-герметик. Затем раструб обжимается пластически обкаткой роликами или

протяжкой через фильеру. После этого все зазоры между поверхностями состыкованных труб исчезают, и в зоне стыка появляются остаточные контактные напряжения. Наличие герметика увеличивает сцепление между поверхностями соединения. Данный метод в какой-то мере является развитием клеемеханического или паяного соединения с коническими поверхностями. За счёт пластического обжатия раструба и наведения остаточных напряжений в данном случае достигается большее сцепление.

В третьей главе приведены результаты исследований работоспособности соединений труб из ВЧШГ. При этом использованы расчётные методы и стендовые испытания плетей с данными видами соединений.

Соединения «М». Расчёт напряженного состояния выполнен методом конечных элементов. На рисунке 5 показаны полученные расчётным путём напряжения вдоль наружной образующей раструбной части трубы при следующих исходных данных: диаметр трубы наружный 112 мм; толщина стенки 6 мм; внутреннее давление 1,0 МПа. Анализ результатов показал следующее.

1). В раструбной части трубы напряженное состояние осложнено двумя факторами: сложной формой раструба и одновременным воздействием внутреннего давления продукта и контактным взаимодействием отдельных элементов соединения: стопора и манжеты. .

2). Напряжение в районе стыка складывается из двух компонент:

• растягивающих напряжений, характерных для трубопроводов, находящихся под давлением продукта;

• изгибающих напряжений, вызванных контактным воздействием, стопоров и манжеты на стенку раструба.

В рассмотренном примере нормальные напряжения (осевые и окружные) находятся в диапазоне - 50...22 МПа; эквивалентные напряжения достигают 70 МПа. Учитывая, что в данном примере взято рабочее давление

1,0 МПа, можно сделать вывод, что локальные растягивающие напряжения могут превысить рабочее давление в 22 раза, сжимающие напряжения - в 50 раз. С увеличением рабочего давления при равных других условиях пропорционально будут расти и напряжения. Следовательно, в трубопроводе, построенном из труб диаметром 112 мм, при рабочем давлении 10 МПа можем получить в отдельных точках соединений растягивающие напряжения порядка 220 МПа, сжимающие напряжения - 500 МПа. Если бы труба была стальная со сварными стыками, то окружное напряжение в стенке трубы в тех же условиях составило бы всего 41,7 МПа.

Рисунок 5 - Распределение напряжений в зоне соединении типа «Ю»;

дистанция отсчитывается от торца раструба (окончание)

Таким образом, за счёт сложной конфигурации соединения «Ю» возникает такое неравномерное поле напряжений, которое характеризуется двумя коэффициентами концентрации напряжений: по нормальным растягивающим напряжениям 220/41,7 = 5,3; по нормальным сжимающим напряжениям 500/41,7 = 12,0.

Были проведены три вида испытаний соединений «Ю»: статические испытания внутренним давлением; испытания внутренним давлением + изгибом (рисунок 6); циклические испытания внутренним давлением и поперечным изгибом. Первые два испытания проведены в ООО «ЧугунСпец-Строй» (г. Липецк), третье - в ООО «ПКФ «Малый Сок» (г. Бугульма).

Испытания внутренним давлением проводили на образцах из труб с условным диаметром 100. В результате испытаний два из трёх образцов выдержали 20 МПа без разрушения й нарушения герметичности. На третьем образце при давлении 19,0 МПа произошёл скол раструба, после чего давление упало до 5,0 МПа и стабилизировалось на этом уровне с сохранением герметичности соединения (рисунок 7, А).

Таким образом, соединение «Ю» показало высокие прочностные свойства и сохранило герметичность при давлениях, более чем в два раза превышающих допустимое рабочее давление (7,5 МПа).

Испытания на внутреннее давление + изгиб проводили на двухтрубных плетях с условным диаметром Он 100, полной длиной 12 м по схеме, показанной на рисунке 6. При испытаниях плеть заполнили водой и подняли давление до 1,6 МПа. Затем подвешенные грузы весом по 5 кН передвигали от края к центру с шагом по 0,5 м, увеличивая тем самым изгибающий момент на соединении. В результате испытаний первая плеть согнулась пластически при Ь = 3,00 м, вторая и третья плети - при Ь = 2,75 м. Во всех случаях герметичность стыка не нарушилась. На рисунке 7, Б показана одна из плетей после испытаний.

Циклические испытания внутренним давлением и поперечным изгибом проводили на двухтрубых плетях с условным диаметром Бм 300. Программа испытаний включала заполнение водой и циклические изменения давления со ступенчатым ростом верхнего уровня до 6,0 МПа. Циклический изгиб создавали многократным поднятием заполненной плети за середину и опусканием на опоры, расположенные на концах плети. Создавали разные сочетания давления и изгибающего момента. Испытания дали следующие результаты:

1) прочность соединения обеспечивается на всех этапах испытаний;

2) абсолютной герметичностью при циклических изменениях внутреннего давления данное соединение не обладает; в моменты полного сброса давления на стыке появляются капли; при появлении давления герметичность восстанавливается;

3) соединение обладает податливостью при изгибах в рамках заявленных 3...5 градусов, при этом герметичность сохраняется;

4) при испытаниях соединение не получило никаких повреждений;

5) соединение типа «Ш» может быть использовано при монтаже водоводов на нефтегазовых месторождениях.

Соединения прессовой посадкой. При прессовой посадке труб из ВЧШГ в стальную муфту наводятся напряжения, которые затем остаются в качестве остаточных напряжений. Они создают сцепление между наружной поверхностью стыкуемых труб и внутренней поверхностью муфты, и, тем самым, формируют прочность соединения в целом. Наличие герметика увеличивает сцепление и обеспечивает герметичность стыка.

Задачу о напряженно-деформированном состоянии соединения решали с помощью расчётной модели, показанной на рисунке 8.

Рисунок 8 - Расчётная модель для определения

контактных напряжений при прессовой посадке

Используя методы теории упругости для осесимметричного случая, получили следующий результат для контактного давления Рконт = Рм = Рт между трубой и муфтой после прессовой посадки:

А (1)

Р =

КОНТ

См/Ем+Ст/Ет

Здесь приняты обозначения: Д = 0,50т - 0,5БМ - 5М; Бт и 5Х. - диаметр и толщина стенки трубы из ВЧШГ; Ет и — модуль упругости и коэффициент Пуассона трубы; Бм и 5М - диаметр и толщина стенки стальной муфты; Ем и цм - модуль упругости и коэффициент Пуассона муфты;

ь;

„2

Ьт -ат

„2

(1-цт)Ьт + (1 + Цт);

; bT=0,5DT; aT=bT-8T;

С =-

U2 Л2

0-^мК+(1+цм)—

~ 0>5DM; ам — Ьм 6М.

Переход в пластическое состояние трубы и/или муфты определяется моментом, когда интенсивность напряжений достигает предела текучести. Отсюда получаем оценочное значение максимального контактного давления между муфтой и трубой после прессовой посадки: .

max(PK0HT)=min-

тек (т)

i_2 _ 2

k2 , „2 Ьт + сЦ у

■'тек(м) '

bM-ak,

bl+al

2 \

(3)

Здесь атек (т) и отек (м) - пределы текучести металлов трубы и муфты.

Условие достижения равнопрочности соединения, полученного методом прямой прессовой посадки, предполагает, что стык не должен разрушаться раньше самой трубы. Отсюда получили выражения для длины муфты и натяга А при прессовой посадке:

L >2-

jb(t)

•5Т

U2 „2

b- — а_

' (См / Ем +СТ/ЕТ). (4)

Р -к ’ тск(т) .2 2

гконт ^ DT *г ат

Например, для случая, когда диаметр наружный DT = 222 мм; толщина стенки бт= 8 мм; диаметр муфты наружный D„ = 238 мм; толщина стенки 5М= 8 мм; модули упругости Ег = Ем = 2-105 МПа; ц = 0,3; предел прочности чугуна и стали ств = 300 МПа, равнопрочность соединения обеспечивается при А > 0,345 мм; РК0(ГГ = 22,37 МПа; LM > 214,6 мм.

Испытания данного вида соединений проводили по программе, предусматривающей циклические изменения внутреннего давления и изгибающего момента, аналогично циклическим испытаниям соединения «RJ».

Для усиления изгибающего момента на концах плетей подвешивали грузы. Подбирая грузы, могли регулировать окружные и продольные напряжения в стенке трубопровода в широких пределах.

Испытания проводили на трубах 0114x9 мм. Длина труб 512 см и 570 см; длина плети 10,82 м; длина муфты 300 мм; наружный диаметр муфты 133 мм; толщина стенки муфты 9 мм. Увеличение диаметра муфты после посадки труб 2 мм. Режим нагружения ступенчато-циклический.

Разрушение соединения произошло при подъёме с нагрузкой: давление 20,0 МПа, грузы на концах по 0,5 кН. При этом гладкий конец трубы вышел из муфты; элементы соединения и трубы не получили повреждений. В момент разрушения в стенке труб в районе стыка окружное напряжение было 106,6 МПа, продольное напряжение - 144,5 МПа.

Таким образом, методом прессовой посадки в муфту достигается прочность на уровне 90 % от предела текучести материала трубы. Равно-прочность не достигается из-за неравномерного распределения напряжений в зоне соединения. Трубопровод из ВЧШГ, сооруженный по данной методике, может эксплуатироваться при рабочих давлениях до 10,0 МПа, но не более допустимого рабочего давления самих труб.

Соединения обжатием раструба. Данная задача была решена А.Н. Родомакиным применительно к стальным трубопроводам с внутренним защитным покрытием из полимерных материалов, где применялось обжатие муфты. Обжатия чугунного раструба и стальной муфты происходят по одинаковым законам. Поэтому результаты, полученные А.Н. Родомакиным, можно распространить на данную задачу и переформулировать выводы.

1. За счёт механического обжатия раструба невозможно получить сжимающие остаточные напряжения, способные вызвать силы трения, необходимые для получения прочного соединения.

2. При пластическом деформировании раструба совершается работа, которая переходит в тепловую энергию и приводит к моментальному повышению температуры раструба. Затем, при остывании раструба после обжатия, его размеры стремятся сократиться и появляются сжимающие радиальные напряжения. Они приводят к появлению сил трения (сцепления), которые и формируют прочность соединения.

Расчёты показали, что при нагреве на 1 ° появляется контактное давление между обжатым раструбом и трубой порядка 0,25...0,50 МПа в зависимости от размеров трубы. Если раструб специально нагреть перед обжатием, то контактное давление можно увеличить практически до любого уровня.

Циклические испытания соединения типа «обжатие раструба» провели по той же методике, что и в предыдущем случае. Для этого подготовили две составные трубы, состоящие из стальной и чугунной катушек. Соединение стальной и чугунной катушек выполнили с помощью стальной обжимной муфты с втулкой. Затем две составные трубы соединили друг с другом чугунными концами. При этом гладкий конец одной из труб вдет в раструбный конец другой трубы, затем раструбная часть обжата. Итак, плеть содержала три соединения, полученные обжатием. Диаметр 114 мм; толщина стенки чугунных труб 9 мм; общая длина плети 436 + 440 = 876 см.

Разрушение произошло в момент подъёма плети под давлением

20,0 МПа и с грузами на концах по 1,5 кН. Разрушение произошло по соединению стальной трубы с чугунной. При этом стальная труба вышла из муфты; элементы плети не получили повреждений. Этот результат показал, что соединение типа «обжатие раструба» оказалось более прочным, чем все другие соединения плети. В стенке труб достигнуты напряжения: окружное

- 106,7 МПа, продольное-170,6 МПа. .

Поскольку исследуемое соединение осталось целым, разрушенная плеть была восстановлена и испытания продолжены. Повторное разрушение плети наступило при давлении 23,5 МПа. При этом гладкий конец чугунной трубы вышел из раструба. Ни один элемент по отдельности не получил повреждений. До момента разрушения герметичность соединения сохранялась. В момент разрушения (давление 23,5 МПа, подъёма нет) в стенке труб были напряжения: окружное 125,3 МПа, продольное 48,7 МПа.

Таким образом, по результатам испытаний трёх видов соединений сделаны следующие выводы.

1. Соединения типа «Ш» обеспечивают прочность трубопровода при рабочих давлениях до 4,0 МПа, но абсолютную герметичность не гарантируют. При спаде давления до нуля стык может пропускать порядка 10.. .50 мл жидкости, что допустимо, например, для водоводов.

2. Соединения типа «прессовая посадка» и «обжатие раструба» обеспечивают прочность и герметичность трубопроводов при рабочих давлениях до 10,0 МПа, но не выше допустимых рабочих давлений для самих труб.

. В четвёртой главе приведены результаты промысловых испытаний труб из ВЧШГ и их соединений в условиях нефтяных месторождений. Первые исследования были проведены на промыслах Нефтяной компании «Башнефть» в период освоения производства труб из ВЧШГ (1983 г.). По результатам исследований был разработан руководящий документ «Техно-

логия монтажа трубопроводов из высокопрочных чугунных труб диаметром 100 мм в условиях нефтегазопромыслов». Технология предусматривала клеевые соединения, которые обеспечивали прочность до 10 МПа.

Затем начиная с 1990 года были построены опытные участки трубопроводов из ВЧШГ на различных нефтяных месторождениях, в том числе:

- в НГДУ «Арланнефть» и «Южарланнефть» - 11 участков общей протяженностью более 10 км;

- в трёх НГДУ ОАО «Самаранефтегаз» - более 10 участков общей протяженностью около 3 км, до настоящего времени в работе;

- в объединении ТНК (г. Нижневартовск) построен участок 1,3 км, который находится в эксплуатации до настоящего времени.

Использованы разные типы соединений: клеевые, резьбовые, конусные, муфтовые, фланцевые, обжимные. Из всех опытных участков вырезаны катушки для изучения коррозионного состояния труб, химического состава, механических свойств, хладоломкости, микроструктуры металла. Например, исследования образцов металла труб из ВЧШГ после эксплуатации более 10 лет в составе трубопроводов ОАО «Самаранефтегаз» показали следующие результаты.

Микроструктура металла ферритная с графитовыми включениями шаровидной формы. Включения графита правильной формы, равномерно распределены по поверхности микрошлифа. Размер включений графита ~ 20 мкм. Наблюдается наличие ледебуритной эвтектики, которая характеризуется повышенной твердостью и хрупкостью (рисунок 9). Поверхность излома представляет собой множественные углубления, в которых располагаются включения графита. Зарождение трещин начинается вблизи графитовых включений, долом происходит по вязкой ферритной составляющей (рисунок 10).

Ледебурит

Феррит

Рисунок 9 - Микроструктура металла трубы из ВЧШГ

Ударная вязкость образцов низка по сравнению со сталями. Образцы без надреза искривились при испытании на ударный изгиб, что свидетельствует о наличии пластичности. Температура испытаний и вид надреза не оказывают существенного влияния на характер изломов. Трубы из ВЧШГ сохранили все свои служебные свойства.

200 мкм

Рисунок 10 - Фрактографический излом ударных образцов из ВЧШГ

Результаты всех промысловых испытаний подтверждают преимущества труб из ВЧШГ по сравнению со стальными. Основные из них:

- коррозионная стойкость труб из ВЧШГ в 5... 10 раз выше, чем стальных;

- хладоломкость проявляется при температуре минус 80 °С, что значительно ниже, чем для стальных трубопроводов;

- механические свойства труб из ВЧШГ практически не изменяются и не подвергаются старению, обезуглероживанию, охрупчиванию и т.д.

Все эти преимущества позволяют существенно повысить долговечность промысловых трубопроводов.

В пятой главе перечислены проблемы, которые необходимо решить, чтобы начать широкое применение труб из ВЧШГ в нефтегазовой отрасли.

Приводятся сведения о производстве труб из ВЧШГ, о технических условиях, о некоторых направлениях совершенствования.

Для того чтобы начать проектирование, строительство и эксплуатацию трубопроводов из ВЧШГ, необходимы соответствующие нормы и пра-

вила. Такие нормы и правила есть для стальных, пластмассовых, стеклопластиковых труб, но нет для чугунных. Поэтому разработка такого документа является актуальной задачей.

Учитывая это, разработан проект «Инструкции по проектированию, строительству, эксплуатации и ремонту промысловых нефтегазопроводов из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом». В основу проекта легли результаты исследований, выполненные в рамках данной работы.

В главе изложены некоторые важные положения проекта документа, включая требования к материалам, трубам, соединительным деталям, комплектующим изделиям, технологии монтажа для каждого из трёх типов соединений, методы контроля, особенности эксплуатации и ремонта трубопроводов из ВЧШГ. Также приводятся методы производственной аттестации персонала, допущенного к монтажу трубопроводов из ВЧТТГГ.

Основные выводы

1. Промысловые испытания, выполненные в разных регионах страны и на разных нефтяных месторождениях, подтверждают высокую коррозионную стойкость труб из ВЧШГ. В процессе длительной эксплуатации металл труб из ВЧШГ сохраняет все свои свойства: химический состав и структуру, механические свойства и хладостойкость в пределах до минус 60 °С.

2. Анализ микроструктуры металла труб из ВЧШГ и их коррозионной стойкости показал, что пересыщенные графитом подповерхностные слои металла играют роль защитного покрытия и значительно замедляют коррозию. Технология получения труб из ВЧШГ методом центробежного литья, приводящая к получению такой структуры металла, благоприятно влияет на их служебные свойства труб в коррозионных средах.

3. Исследованы и рекомендованы к практическому использованию в нефтепромысловых условиях три наиболее эффективные технологии монтажа трубопроводов из ВЧШГ: раструбно-замковое соединение «Ю» с использованием герметизирующей резиновой манжеты, прямая прессовая посадка в стальную муфту, соединение обжатием раструбной части одной из стыкуемых труб.

4. Статическими и циклическими испытаниями в режиме «давление + изгиб» установлено, что:

• соединения «Ю» обеспечивают прочность трубопровода при рабочих давлениях до 4,0 МПа, но абсолютную герметичность не гарантируют.

При спаде давления до нуля стык может пропускать 10. ..50 мг жидкости, что допустимо, например, для водоводов;

• соединения типа «прессовая посадка» и «обжатие раструба» обеспечивают прочность и герметичность трубопроводов при рабочих давлениях до 10,0 МПа, но не выше допустимых рабочих давлений для самих труб.

5. Разработана математическая модель напряженно-деформированного состояния соединения, полученного методом прямой прессовой посадки труб из ВЧП1Г в стальную муфту. Определены допустимые размеры муфты и параметры посадки, обеспечивающие необходимую прочность соединения.

6. Решена задача о напряженном состоянии раструбно-замкового соединения типа «Ш», установлены основные закономерности. Полученные результаты и расчётная программа позволяют совершенствовать конфигурацию раструбной части труб.

7. Установлены закономерности формирования сил сцепления в соединении, полученном методом обжатия раструба трубы. Показано, что роль механической составляющей деформаций сводится лишь к исключению зазора между трубой и обжимающим раструбом. Прочность соединения формируется за счёт остаточных радиальных напряжений, имеющих термическое происхождение - нагрев при пластическом деформировании раструбной части. Положительный эффект также достигается за счёт предварительного нагрева раструбной части трубы перед обжатием.

8. Результаты исследований использованы в «Инструкции по монтажу нефтегазопромысловых трубопроводов из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом неразъёмными соединениями: методом обжимки раструба, муфтовым соединением обжимкой и прессовой посадкой» и в проекте «Инструкции по проектированию, строительству, эксплуатации и ремонту промысловых нефтегазопроводов из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом». Предложенные технологии исключают сварку, высокопроизводительны и низкочувствительны к погодным условиям.

Основные результаты работы опубликованы в следующих научных трудах:

Ведущие рецензируемые научные журналы

1. Гумеров А.Г., Бажайкин С.Г., Сираев А.Г., Митюшников В.А. О причинах выхода из строя трубопроводов, построенных из футерованных

полиэтиленом стальных труб // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. - 2009. - Вып. 3 (77). - С. 42-48.

2. Сунагатов М.Ф., Родомакин А.Н., Митюшников В.А. О надёжности трубопроводов, футерованных полиэтиленом // НТЖ «Нефтепромысловое дело»/ВНИИОЭНГ. -2010.-Вып. 2.-С. 38-41.

3. Митюшников В.А., Сунагатов М.Ф., Шафиков P.P. Оценка возможности получения равнопрочного соединения труб методом обжатия И НТЖ «Территория нефтегаз». - 2011. - № 10. - С. 56-61.

Прочие печатные издания

4. Родомакин А.Н., Митюшников В.А. К оценке остаточных напряжений при соединении труб обжимом // Трубопроводный транспорт - 2008. Матер. IV Междунар. учебн.-научн.-практ. конф. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2008.-С. 94-96.

5. Митюшников В.А., Сираев А.Г., Гумеров А.К. Причины выхода из строя трубопровода с полиэтиленовой футеровкой // Энергоэффективность. Проблемы и решения. Матер. Девятой Всеросс. научн.-практ. конф. 21 октября 2009 г. - Уфа, 2009. - С. 96-97.

6. Митюшников В.А., Шуланбаева Л. Т. Локальное тепловое воздействие на трубопровод с полиэтиленовой футеровкой // Энергоэффективность. Проблемы и решения. Матер. Девятой Всеросс. научн.-практ. конф. 21 октября 2009 г. - Уфа, 2009. - С. 100-101.

7. Митюшников В.А. О работоспособности трубопроводов с полиэтиленовой футеровкой // Трубопроводный транспорт - 2009. Матер. V Междунар. учебн.-научн.-практ. конф. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2009. - С. 190-191.

8. Митюшников В.А., Родомакин А.Н. Последствия локального теплового воздействия на трубопровод с полиэтиленовой футеровкой // Трубопроводный транспорт - 2009. Матер. V Междунар. учебн.-научн.-практ. конф. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2009. - С. 191-192.

9. Зайнуллин А.Ф., Митюшников В.А. Строительство трубопроводов без применения сварки // Проблемы строительного комплекса России. Матер. XIV Междунар. научн.-техн. конф. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2010. - Т. 2. -С. 33-35.

10. Митюшников В.А., Родомакин А.Н., Сарбаев P.P. Проблемы увеличения ресурса нефтегазопромысловых трубопроводов // Проблемы и методы обеспечения надёжности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. Проблемы и методы рационального использования

нефтяного попутного газа. Матер, научн.-практ. конф. 26 мая 2010 г. - Уфа,

2010.-С. 102-103. .

11. Митюшников В.А., Чахеев А.Л. Соединение труб методом прямой прессовой посадки в муфту // Проблемы и методы обеспечения надёжности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. Проблемы и методы рационального использования нефтяного попутного газа. Матер, научн.-практ. конф. 26 мая 2010 г. - Уфа, 2010. - С. 191-192.

12. Митюшников В.А. Коэффициент несущей способности отводов трубопроводов // Энергоэффективность. Проблемы и решения. Матер. Десятой Всеросс. научн.-практ. конф. 20 октября 2010 г. - Уфа, 2010. - С. 161-163.

13. Фролов А.В., Митюшников В.А., Зубаилов Г.И. Расчёт напряжений в стенке отводов трубопроводов // Энергоэффективность. Проблемы и решения. Матер. Десятой Всеросс. научн.-практ. конф. 20 октября 2010 г. -Уфа, 2010.-С. 166-167.

14. Митюшников В.А. Расчёт коэффициента несущей способности отводов // Трубопроводный транспорт - 2010. Матер. VI Междунар. учебн.-научн.-практ. конф. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2010. - С. 78-80.

15. Сунагатов М.Ф., Митюшников В.А., Гумеров К.М. Ещё раз о требованиях к изоляционным материалам // Проблемы строительного комплекса России. Матер. XV Междунар. научн.-техн. конф. - Уфа: Изд-во УГНТУ,

2011.-Т. 2.-С. 32-33.

16. Митюшников В.А. Технология монтажа высоконапорных чугунных трубопроводов // Проблемы строительного комплекса России. Матер. XV Междунар. научн.-техн. конф - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2011. - Т. 2. - С. 34-35.

17. Митюшников В.А. Монтаж трубопровода из чугунных труб // Проблемы и методы обеспечения надёжности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. Матер. Междунар. научн.-практ. конф. 25 мая 2011 г.-Уфа, 2011.-С. 213-214.

Фонд содействия развитию научных исследований. Подписано к печати 18.01.2012 г. Бумага писчая.

Заказ № 20. Тираж 100 экз.

Ротапринт ГУП «ИПТЭР» РБ. 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Митюшников, Владимир Александрович

Введение.

1 ОСОБЕННОСТИ ТРУБ ИЗ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА С ШАРОВИДНЫМ ГРАФИТОМ, ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ В НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ.

1.1 Особенности высокопрочного чугуна с шаровидным графитом

1.2 Микроструктура металла труб из ВЧШГ.

1.3 Физико-механические свойства материала труб из ВЧШГ

1.4 Исследования коррозионной стойкости металла труб из

ВЧШГ.

1.5 Чугун в трубном производстве и трубопроводном транспорте 27 Выводы по разделу

2 СОЕДИНЕНИЯ ЧУГУННЫХ ТРУБ.

2.1 Механические соединения труб.

2.2 Клеевые и клеемеханические соединения труб.

2.3 Раструбно-замковое соединение типа "RJ".

2.4 Соединение труб типа "прямая прессовая посадка".

2.5 Соединения типа "обжимка раструба".

Выводы по разделу 2.

3 ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ СОЕДИНЕНИЙ ТРУБ ИЗ ВЧШГ.

3.1 Раструбно-замковые соединения "RJ".

3.1.1 Расчёт напряженного состояния соединений "RJ".

3.1. Испытания соединений "RJ".

3.2 Соединение методом прямой прессовой посадки (1111).

3.2.1 Расчёт напряженного состояния соединений "1111".

3.2.2 Испытания соединений прямой прессовой посадкой "1111"

3.3 Соединение типа "обжимки раструба".

3.3.1 Расчёт напряженного состояния в соединении типа "обжимка раструба".

3.3.2 Испытания соединения типа "обжимка раструба".

Выводы по разделу 3.

4 ПРОМЫСЛОВЫЕ ИСПЫТАНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ ВЧШГ

4.1 Промысловые испытания в период разработки технологии монтажа трубопроводов из ВЧШГ на основе клеевых соединений

4.2 Опыт применения трубопроводов из ВЧШГ на нефтяных месторождениях

4.3 Исследования металла труб из ВЧШГ и элементов соединений при промысловых испытаниях.

4.3.1 Исследование качества труб из ВЧШГ, отработавших 11 лет в месторождениях НК "Башнефть".

4.3.2 Свойства металла труб ВЧШГ и соединительных элементов трубопровода Чуракаевского месторождения ООО "Лукойл-Пермь"

4.3.3 Исследование свойств труб из ВЧШГ, находившихся в эксплуатации на месторожденияхОАО "Самаранефтегаз".

4.3.4 Исследование соединения ВЧШГ типа прессовой посадки после эксплуатации в "РН-Юганскнефтегаз".

4.4 Влияние структурной неоднородности на коррозионную стойкость труб из ВЧШГ.

Выводы по разделу 4.

5 ПРОБЛЕМЫ ШИРОКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТРУБ ВЧШГ

НА НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ.

5.1 Производство труб из ВЧШГ.

5.2 Нормативное обеспечение труб из ВЧШГ в нефтегазовой отрасли

Выводы по разделу 5.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка технологий монтажа нефтепромысловых трубопроводов из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом"

Одной из нерешённых важных проблем при обустройстве нефтяных месторождений является защита от коррозии трубопроводных систем. Стальные нефтегазопромысловые трубопроводы из-за сильной коррозионной агрессивности продуктов скважин имеют небольшой ресурс. Увеличения ресурса трубопроводов можно добиться разными путями, один из которых связан с применением труб, обладающих повышенной стойкостью в коррозион-но-активных средах: пластмассовых, металлопластовых, стеклопластиковых, а также стальных труб с внутренним защитным покрытием. Каждый из них имеет свои положительные и отрицательные особенности. Практически во всех случаях повышение ресурса приводит либо к снижению прочности, либо к повышению стоимости. Поэтому поиск более эффективных решений до сих пор остается актуальной задачей.

Один из вариантов решения данной задачи связан с применением труб из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ВЧШГ). Такие трубы обладают рядом положительных качеств. По сравнению с трубами из нелегированных сталей коррозионная стойкость труб из ВЧШГ в 4. 10 раз выше, стоимость ниже, прочность практически на том же уровне. Такое благоприятное сочетание свойств способствовало тому, что в последние 20 лет производство труб из ВЧШГ в мире стабильно растёт. Трубы из ВЧШГ нашли широкое применение в некоторых жизненно важных отраслях, в частности, в водопроводных, канализационных, газопроводных сетях и системах теплоснабжения крупных городов мира. В связи с этим продолжаются исследования свойств и совершенствование структуры металла труб и соединительных элементов. Так, выяснилось, что трубы из ВЧШГ в наибольшей степени отвечают экологическим требованиям, что особенно важно для водоснабжения. Также было установлено, что трубы из ВЧШГ обладают высокой хладостой-костью, что очень важно для северных регионов. Трубы из ВЧШГ практически не подвергаются старению, в том числе под воздействием сероводородсодержащих сред. Эта особенность могла быть востребована при обустройстве месторождений с большим содержанием серы.

Таким образом, трубы из ВЧШГ обладают множеством положительных свойств, но для их реализации в нефтяных месторождениях требуется решить ряд научных, технических и организационных задач с учётом ряда факторов.

Чугун, в том числе ВЧШГ, из-за высокого содержания углерода плохо поддаётся сварке, особенно в трассовых условиях. На заводе сварку чугуна выполняют специальными никельсодержащими электродами в защитном газе; свариваемые детали предварительно нагревают, а после сварки подвергают длительной термообработке. Даже после этого не исключаются дефекты сварки, и не гарантируется герметичность швов. Поэтому, монтаж трубопроводов из чугунных труб предпочтительно выполнять методами, исключающими сварку. Но при этом методы соединения труб должны отвечать высоким требованиям прочности и герметичности.

Пластичность труб из чугуна ниже, чем у стальных труб.

Чугунные трубы изготавливаются методом центробежного литья и имеют весьма шероховатую поверхность. На внутреннюю и наружную поверхности труб могут быть нанесены полимерные или другие покрытия. Качество поверхности труб при монтаже и эксплуатации трубопроводов может играть как положительную, так и отрицательную роль в зависимости от методов соединения труб.

В процессе эксплуатации трубопроводов могут образоваться смоляни-сто-парафинистые отложения. Обычно такие отложения удаляются методом пропарки трубопровода острым паром с помощью паро-передвижной установки. Однако при пропарке чугунных трубопроводов, в соединениях которых использован клей, температура пара и время пропарки должны быть ограничены.

Отдельного рассмотрения требуют вопросы ремонта дефектных участков смонтированных трубопроводов из ВЧШГ.

По мере накопления практического опыта могут также появиться новые вопросы, требующие решения.

Таким образом, для реализации всех положительных качеств труб из ВЧТНГ, необходимо оценить и снизить влияние отрицательных факторов.

Широкое применение труб из ВЧТНГ в нефтяной отрасли невозможно без соответствующей нормативной базы, учитывающей особенности отрасли, и регламентирующей все вопросы на этапах производства труб, проектирования, строительства, испытаний и ввода в действие, эксплуатации и ремонта трубопроводов из ВЧШГ.

Для решения данных проблем и задач необходимо в первую очередь проанализировать накопленный опыт в других отраслях, провести дополнительные исследования с учётом требований нефтяной отрасли, выполнить необходимые испытания. Здесь особенно полезен опыт соединения стальных труб с защитными покрытиями и футеровкой с применением обжимных технологий.

Предварительное общение с техническими специалистами нефтедобывающих компаний показывает заинтересованность в применении новых материалов и технологий, в том числе труб из ВЧШГ. В то же время в их сознании крепко утвердилось мнение, что металлические трубы обязательно должны быть соединены сваркой; что сварка - самый надёжный способ соединения труб. Это отразилось также в некоторых рекомендациях Ростехнад-зора по отношению к трубам, имеющим металлическую основу (стальным трубам с полиэтиленовой футеровкой и трубам из ВЧШГ). Поэтому разрабатываемые способы соединения труб без применения сварки, технологии монтажа в трассовых условиях, результаты испытаний соединений и трубопроводов на прочность и герметичность должны быть убедительными.

Обозначенные выше проблемы и анализ путей их решения позволил сформулировать цель и задачи исследований.

Цель работы — повышение ресурса нефтепромысловых трубопроводов внедрением труб из коррозионно-стойкого и высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.

Основные задачи:

1. Анализ эксплуатационных свойств труб из ВЧШГ в условиях эксплуатации нефтепромысловых трубопроводов;

2. Разработка эффективных методов соединения труб из ВЧШГ без применения сварки;

3. Исследования и стендовые испытания прочности и надёжности соединений труб из ВЧШГ;

4. Испытания технологий монтажа и работоспособности трубопроводов из ВЧШГ и промысловых условиях;

5. Разработка нормативной базы монтажа трубопроводов из ВЧШГ.

Основой для решения данных задач явились работы отечественных и зарубежных ученых и специалистов: Агапчева В.И., Айдуганова В.М., Батле-ра Дж., Гумерова K.M., Загорского В.К., Иоффе A.B., Лаптевой Т.И., Мин-ченкова A.B., Новикова С.В., Носова В.А., Пермякова Н.Г., Ращепкина А.К., Родомакина А.Н., Сираева А.Г., Чахеева C.JL, Чахеева A.J1. и других.

В работе широко использованы экспериментальные и теоретические методы исследования, металлографические исследование на электронном микроскопе, положения теорий упругости и прочности, стендовые испытания по специальным программам, испытания технологий монтажа и промысловые испытания работоспособности трубопроводов.

В процессе решения поставленных задач получены следующие результаты, представляющие научную новизну:

2. Решена задача о напряженном состоянии раструбно-замкового соединения типа "RJ", установлены основные закономерности. Полученные результаты и расчётная программа позволяют совершенствовать конфигурацию раструбной части труб.

3. Установлены закономерности формирования сил сцепления в соединении, полученном методом обжатия раструба трубы. Показано, что роль механической составляющей деформаций сводится лишь к исключению зазора между трубой и обжимающим раструбом. Прочность соединения формируются за счёт остаточных радиальных напряжений, имеющих термическое происхождение - нагрев при пластическом деформировании раструбной части. Положительный эффект также достигается за счёт предварительного нагрева раструбной части трубы перед обжатием.

4. Лабораторными и промысловыми и исследованиями подтверждено, что скорость коррозии ВЧШГ в нефтепромысловых условиях в 4. 10 раз ниже, чем нелегированных сталей. При этом установлено, что сами трубы из ВЧШГ обладают значительно более высокой коррозионной стойкостью, чем малые образцы, вырезанные из металла трубы. Обогащённые графитом подповерхностные слои стенки труб толщиной 50. 100 мкм оказывают дополнительное защитное действие, аналогично изоляционному покрытию.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

2. Исследованы и рекомендованы к практическому использованию в нефтепромысловых условиях три наиболее эффективные технологии монтажа трубопроводов из ВЧШГ: раструбно-замковое соединение с использованием герметизирующей резиновой манжеты, прямая прессовая посадка в стальную муфту, соединение обжатием раструбной части одной из стыкуемых труб. В последних двух технологиях используется клей-герметик и достигаются высокие показатели по прочности и герметичности. Первая технология отличается простотой и рекомендуется для водоводов.

3. Установлено, что трубы из ВЧШГ обладают прочностью в 4.5 раз больше, чем заявлено в технических условиях. Предложен заводу-изготовлению ряд рекомендаций по более полному использованию потенциальных возможностей труб из ВЧШГ.

4. Результаты исследований использованы в "Инструкции по монтажу нефтегазопромысловых трубопроводов из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом неразъёмными соединениями: методом обжимки раструба, муфтовым соединением обжимкой и прессовой посадкой" и в проекте "Инструкции по проектированию, строительству, эксплуатации и ремонту промысловых нефтегазопроводов из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом". Предложенные технологии исключают сварку, высокопроизводительны и низкочувствительны к погодным условиям.

На защиту выносятся:

- результаты исследования ВЧШГ в условиях эксплуатации нефтепромысловых трубопроводов;

- механизм защитного действия ВЧШГ в коррозионных средах;

- результаты испытаний трёх вышеуказанных видов соединений труб из ВЧШГ в стендовых и промысловых условиях;

- закономерности формирования напряженно-деформированного состояния и прочности соединений, технологические параметры, позволяющие контролировать их надёжность;

- технологии монтажа трубопроводов из ВЧШГ для эксплуатации на нефтяных месторождениях.

Заключение Диссертация по теме "Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ", Митюшников, Владимир Александрович

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

4. Статическими и циклическими испытаниями в режиме «давление + изгиб» установлено, что:

• соединения «Ш» обеспечивают прочность трубопровода при рабочих давлениях до 4,0 МПа, но абсолютную герметичность не гарантируют. При спаде давления до нуля стык может пропускать 10. .50 мг жидкости, что допустимо, например, для водоводов;

5. Разработана математическая модель напряженно-деформирован-ного состояния соединения, полученного методом прямой прессовой посадки труб из ВЧШГ в стальную муфту. Определены допустимые размеры муфты и параметры посадки, обеспечивающие необходимую прочность соединения.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Митюшников, Владимир Александрович, Уфа

1. Айдуганов В.М., Волкова Л.И., Лаптева Т.И. Опыт строительства и эксплуатации трубопроводов из металлопластмассовых труб / Нефтегазовое дело (электронный ресурс), 2006. Режим доступа: http: www.ogbus.ru / transport.shtml. Ajduganovl .pdf - 21.02.06.

2. Безухов Н.И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести. -М.: Высшая школа, 1968. 512 с.

3. Безухов Н.И., Лужин О.В. Приложения методов теории упругости и пластичности к решению инженерных задач. М.: Высшая школа, 1974.-200 с.

4. Биргер И.А., Мавлютов P.P. Сопротивление материалов. М.: Наука. Гл. ред. физ. мат. лит., 1980. - 560 с.

5. Бородавкин П.П., Синюков A.M. Прочность магистральных нефтепроводов. М.: Недра, 1984. - 245 с.

6. ВСН 006-89. Строительство магистральных и промысловых трубопроводов. Сварка.

7. ВСН 011-88. Строительство магистральных и промысловых трубопроводов. Очистка полости и испытание.

8. ВСН 51-2-85. Проектирование промысловых стальных трубопроводов.

9. ВНТП 3-85. Нормы технологического проектирования объектов сбора, транспорта, подготовки нефти, газа и воды нефтяных месторождений.

10. Гиршович Н.Г., Косников Г.А. Свойства, технологии получения и области применения чугуна с вермикулярным графитом. ЛДНТП: Серия "Прогрессивное формообразование, металловедение и термообработка". 1981.-20 с.

11. ГОСТ 7293-85. Чугун с шаровидным графитом для отливок.

12. Гуляев А.П. Металловедение. М.: Оборонгиз, 1963. - 464 с.

13. Гумеров А.Г., Гумеров P.C., Гумеров K.M. Методы оценки ресурса элементов линейной части магистральных нефтепроводов // Нефтяное хозяйство. 1992. - № 8. - С. 36-37.

14. Гумеров А.Г., Гумеров P.C., Гумеров K.M. Безопасность длительно эксплуатируемых магистральных нефтепроводов. М.: Недра, 2003. -310с.

15. Гумеров А.Г., Зайнуллин P.C., Гумеров P.C. Влияние режимов испытаний на работоспособность нефтепроводов // Транспорт и хранение нефти. Обзорная информация. Вып. 7. -М.: ВНИИОЭНГ, 1988. 45 с.

16. Гумеров А.К. Оценка концентраторов напряжений на обжимных ремонтных муфтах // Проблемы и методы обеспечения надёжности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа. Матер, научн.-практ. конф. 21 мая 2008 г. Уфа, 2008. - С. 103-105.

17. Добронравов В.В., Никитин H.H., Дворников A.JI. Курс теоретической механики. М.: Высшая школа, 1974. - 527 с.

18. Зайнуллин P.C., Абдуллин P.C., Гумерова Г.Р. Расчеты долговечности сосудов и трубопроводов. Уфа: МНТЦ «БЭСТС», 2000. - 93 с.

19. Зайнуллин P.C., Гумеров А.Г., Морозов Е.М. и др. Гидравлические испытания действующих нефтепроводов. М.: Недра, 1990. - 156 с.

20. Захарченко Э.В.Отливки из чугуна с шаровидным вермикулярным графитом. Киев: Наукова Думка, 1986, - 194 с.

21. Инструкция по строительству, эксплуатации и ремонту трубопроводовс силикатно-эмалевым покрытием. М.: АО "ВНИИСТ", 2001.

22. Коваленко А.Д. Основы термоупругости. Киев: Наукова Думка, 1970. -308 с.

23. Левченко Ю.Н. Экономическая целесообразность производства труб из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом: Сборник научных трудов. ИПЛ АН УССР Киев, 1982. - 87 с.

24. Левченко Ю.Н., Лыков Н.П. Производство литых труб из чугуна с шаровидным графитом за рубежом. УкрНИИТИ, 1971.

25. Лернер Ю.С. и др. Некоторые тенденции в производстве отливов из чугуна с шаровидным графитом за рубежом / Литейное производство. -1985.-№12.-С. 6-8.

26. Малинин H.H. Прикладная теория пластичности и ползучести. Учебник для студентов вузов. М.: Машиностроение. 1975. - 400 с.

27. Махутов H.A., Бурак М.И., Гаденин М.М. и др. Механика малоциклового разрушения. М.: Наука, 1986. - 264 с.

28. Методика оценки статической прочности и циклической долговечности магистральных нефтепроводов. М.:Миннефтегазпром, Уфа: ВНИ-ИСПТнефть, 1990. - 89 с.

29. Митюшников В.А. Коэффициент несущей способности отводов трубопроводов // Энергоэффективность. Проблемы и решения. Матер. Десятой Всероссийской научн.-практ. конф. 20 окт. 2010 г. Уфа, 2010. - С. 161-163.

30. Митюшников В.А. О работоспособности трубопроводов с полиэтиленовой футеровкой // Трубопроводный транспорт 2009: материалы V Международной учебно-научно-практической конференции / редкол.: A.M. Шаммазов и др. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2009. - С. 190-191.

31. Митюшников В.А. Расчёт коэффициента несущей способности отводов // Трубопроводный транспорт 2010: материалы VI Международной учебно-научно-практической конференции /редкол.: A.M. Шамма-зов и др. Уфа: Изд-во УГНТУ, 2010. - С. 78-80.

32. Митюшников В.А. Технология монтажа высоконапорных чугунных трубопроводов // Проблемы строительного комплекса России: матер. XV Между нар. Научн.-техн. конф. -Т2. -Уфа: УГНТУ, 2011. -С 34-35.

33. Митюшников В.А., Сираев А.Г., Гумеров А.К. Причины выхода из строя трубопровода с полиэтиленовой футеровкой // Энергоэффективность. Проблемы и решения. Матер, научн.-практ. конф. 20-23 окт. 2009 г. -Уфа, 2009. С. 96-97.

34. Митюшников В.А., Сунагатов М.Ф., Шафиков P.P. Оценка возможности получения равнопрочного соединения труб методом обжатия // НТЖ «Территория нефтегаз» 2011, №10, с. 56-61.

35. Митюшников В.А., Шуланбаева J1.T. Локальное тепловое воздействие на трубопровод с полиэтиленовой футеровкой // Энергоэффективность. Проблемы и решения. Матер, научн.-практ. конф. 20-23 окт. 2009 г. Уфа, 2009. - С. 100-101.

36. Надежность, техническое обслуживание и ремонт нефтепроводов. Сб. научных трудов. Уфа: ВНИИСПТнефть, 1985. - 104 с.

37. Новиков C.B. Использование изделий с антикоррозионным полимерным покрытием в системах нефтегазосбора // Территория нефтегаз.2006. -№ 11.-с. 18-20.

38. Новиков C.B. Некоторые аспекты развития производства деталей труб с антикоррозионным полимерным покрытием // Территория нефтегаз.2007. № 2. - с. 30-32.

39. Новиков C.B., Родомакин А.Н., Гумеров K.M. Проблемы защиты сварных стыков трубопроводов с внутренним покрытием и способы их решения // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. 2009. - Вып. 1 (75). - С. 62-67.

40. Отчёт по теме: Исследование и разработка технологии производства труб из высокопрочного чугуна. Липецк, ЛипПИ, 1986.

41. Отчёт о научно-исследовательской работе "Разработка технологии монтажа трубопроводов из высокопрочного чугунных туб диаметром 100 мм в условиях нефтегазопромыслов. Миннефтепром, ВНИИСПТнефть, 1988.

42. Оценка остаточного ресурса трубопроводов и их конструктивных элементов по параметрам переиспытаний. Методические рекомендации. Под редакцией профессора P.C. Зайнуллина. Уфа: МНТЦ «БЭСТС», 2000. - 12 с.

43. Патент 2016338 РФ, кл. F16L 13/14. Способ неразъёмного соединения металлических труб. / В.М. Айдуганов, А.Э. Бус, И.З. Зарипов, B.C. Паршин, Л.В. Юнышев, О.В. Рабинзон, A.B. Удалов // Патенты РФ на изобретения, №13, 15.07.1994.

44. Патент РФ на полезную модель № 78283, кл. F16L 13/02. Соединение концов металлических труб, футерованных полиэтиленом под сварку / С.Л. Чахеев, А.Л. Чахеев, А.Н. Родомакин // Патенты РФ на полезные модели, №32, 20.11.2008.

45. Патент РФ на полезную модель № 81548, кл. F16L 13/11. Равнопроход-ное соединение труб с полимерным внутренним покрытием методом обжимки труб / С.Л. Чахеев, А.Л. Чахеев, А.Н. Родомакин // Патенты

46. РФ на полезные модели, № 8, 20.03.2009.

47. ПБ 08-624-03. Правила безопасности в нефтяной и газовой промышленности.

48. Пискунов Н.С. Дифференциальное и интегральное исчисления для втузов. М.: Издательство физико-математической литературы, 1951. - 748 с.

49. Протасов В. Н. Эффективность применения противокоррозионных покрытий нефтегазопромыслового оборудования // Обзорная информация. Сер. "Коррозия и защита в нефтегазовой промышленности". М.: ВНИИОЭНГ, 1984. - Вып. 2 (39). - С. 46-49.

50. РД 39-3-611-81. Методика оценки коррозионной агрессивности нефтепромысловых сред и защитного действия ингибиторов коррозии при помощи коррозиметров.

51. РД 09-102-95. Методические указания по определению остаточного ресурса потенциально опасных объектов, поднадзорных Госгортехнадзо-ру России.

52. РД 39-132-94. Правила по эксплуатации, ревизии, ремонту и отбраковке нефтепромысловых трубопроводов.

53. Родомакин А.Н. Надёжность муфтовых соединений труб // Энергоэффективность. Проблемы и решения. Матер, научн.-практ. конф. 20-23 окт. 2009 г. Уфа, 2009. - С. 98-99.

54. Родомакин А.Н. Совершенствование технологий монтажа нефтепромысловых трубопроводов без применения сварки. Автореферак к.т.н., Уфа, ГУП "ИПТЭР", 2010.

55. Родомакин А.Н., ГумеровК.М. Оценка остаточных напряжений муфтового стыкового соединения труб // Энергоэффективность. Проблемы и решения. Матер, научн.-практ. конф. 23 окт. 2008 г. Уфа, 2008. - С. 125-126.

56. Родомакин А.Н., Митюшников В.А. К оценке остаточных напряжений при соединении труб обжимом // Трубопроводный транспорт 2008: Матер. IV Международной учебно-научно-практической конф. - Уфа: УГНТУ, 2008. - С. 94-96.

57. Родомакин А.Н., Чахеев A.JI. Соединения труб из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом // Энергоэффективность. Проблемы и решения. Матер, научн.-практ. конф. 20-23 окт. 2009 г. Уфа, 2009. -С. 102-103.

58. Родомакин А.Н., Чахеев A.JL, Гумеров K.M. Испытания соединений труб с полимерными покрытиями в условиях сложных непостоянных нагрузок // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. 2008. - Вып. 4 (74). - С. 75-81.

59. Руководство по монтажу железобетонных, чугунных, асбестоцемент-ных трубопроводов. Всес. Научно-исслед. ин-т водоснабжения, канализации, гидротехнических сооружений и инженерной гидрогеологии Госстроя СССР. -М.: Стройиздат, 1979.

60. Руководящий документ. Инструкция по монтажу трубопроводов из труб с защитным покрытием неразъёмным муфтовым соединением. -Бугульма: ПКФ "Малый Сок", 2006.

61. Руководящий документ. Инструкция по монтажу трубопроводов из труб с защитным покрытием неразъёмным муфтовым соединением методом прямой прессовой посадки. Бугульма: ПКФ "Малый Сок", 2009.

62. Руководящий документ. Инструкция по монтажу нефтегазопромысловых трубопроводов из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом неразъёмными соединениями обжимкой и прессовой посадкой. Бугульма: ПКФ "Малый Сок", 2009.

63. Рябчиков И.В., Дубровин Э.В. Состояние и перспектива производства и применения комплексных сплавов с редко- и щулочноземельными металлами. М.: Институт Черметинформ, 1980. - 35 с.

64. СНиП 2.05.06-85*. Магистральные трубопроводы.

65. СНиП Ш-42-80*. Магистральные трубопроводы. Правила производства и приемки работ.

66. СП 40-108-2006. Свод правил по проектированию и монтажу водопроводных и канализационных сетей с применением высоко-прочных труб из чугуна с шаровидным графитом.

67. СП 34-116-97. Инструкция по проектированию, строительству и реконструкции промысловых нефтегазопроводов.

68. Сунагатов М.Ф., Митюшников В.А., Гумеров K.M. Ещё раз о требованиях к изоляционным материалам // Проблемы строительного комплекса России: матер. XV Междунар. Научн.-техн. конф. —Т2. -Уфа: УГНТУ, 2011. -С 32-33.

69. Сунагатов М.Ф., Родомакин А.Н., Митюшников В.А. О надёжности трубопроводов, футерованных полиэтиленом // НТЖ «Нефтепромысловое дело» /ВНИИОЭНГ- 2010. -Вып. 2. С. 38-41.

70. Сухоруков А. Новый способ соединения труб. Можно и без сварки: использование механических соединений при строительстве трубопроводов // Строительство трубопроводов. 1996. - № 1. - С.8-11.

71. Технология монтажа трубопроводов из высокопрочных чугунных труб диаметром 100 мм в условиях нефтегазопромыслов. ВНИИСПТ-нефть, Миннефтепром, 1989.82.85,86,87,88

Информация о работе

Митюшников, Владимир Александрович
кандидата технических наук
Уфа, 2012
ВАК 25.00.19

Диссертация

Разработка технологий монтажа нефтепромысловых трубопроводов из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы