Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Совершенствование технологии восстановления нефтегазопромысловых трубопроводов методом протяжки полимерного лайнера

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

Автореферат диссертации по теме "Совершенствование технологии восстановления нефтегазопромысловых трубопроводов методом протяжки полимерного лайнера"

УДК 622.692.4

На правах рукописи

Алявдин Дмитрий Вячеславович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ НЕФТЕГАЗОПРОМЫСЛОВЫХ ТРУБОПРОВОДОВ МЕТОДОМ ПРОТЯЖКИ ПОЛИМЕРНОГО ЛАЙНЕРА

Специальность 25.00.19 — Строительство и эксплуатация

нефтегазопроводов, баз и хранилищ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

о 4 СЕН т

005552191

Уфа-2014

005552191

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

Научный руководитель

Гумеров Кабир Мухаметович,

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: - Халимов Айрат Андалисович,

доктор технических наук, 1 Уфимский государственный нефтяной

технический университет, доцент кафедры «Технология нефтяного аппаратостроения»

— Алексеев Алексей Викторович,

кандидат технических наук, ООО «Газпром трансгаз Уфа», зам. начальника — гл. инженер Управления технологического транспорта и специальной техники ■

Ведущее предприятие

- ОАО «Институт «Нефтегазпроект»

Защита состоится 25 сентября 2014 г. в Ю00 часов на заседании диссертационного совета Д 222.002.01 при Государственном унитарном предприятии «Институт проблем транспорта энергоресурсов» по адресу: 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Государственного унитарного предприятия «Институт проблем транспорта энергоресурсов» www.ipter.ru.

Автореферат разослан 25 августа 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор - Худякова Лариса Петровна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Одна из основных проблем при эксплуатации нефтегазопромысловых трубопроводов связана с агрессивностью извлекаемых из скважины продуктов, что вызывает ускоренную коррозию внутренней поверхности труб и сильно сокращает их ресурс. Общее количество отказов из-за коррозии на промысловых трубопроводах составляет несколько десятков тысяч в год. Многие отказы сопровождаются выходом продукта и загрязнением окружающей среды, что, в свою очередь, приводит к экономическим потерям и требует выполнения соответствующих объёмов ремонтных работ. По разным оценкам в настоящее время коррозионный износ нефтегазопромысловых трубопроводов составляет до 60 %.

Другая проблема связана с зарастанием внутренней поверхности трубопроводов твердыми отложениями, что приводит к сужению поперечного сечения и увеличению энергетических потерь при транспортировке продуктов. Как показывает анализ результатов обследований, порядка 80 % трубопроводов имеют отложения, заметно снижающие их пропускную способность.

Отмеченные проблемы решают традиционными методами: путем нанесения на внутреннюю поверхность трубопроводов антикоррозионного покрытия; обработкой перекачиваемой жидкости ингибиторами коррозии; применением труб из коррозионно-стойких материалов; совершенствованием методов восстановления изношенных трубопроводов. Благодаря большим усилиям достигнуты определённые успехи в борьбе с внутренней коррозией, однако проблема не решена окончательно. Поэтому сохраняется необходимость в развитии всех направлений. В данной работе в качестве предмета исследований выбрано четвертое направление — совершенствование технологий восстановления трубопроводов, подверженных коррозионному износу.

При поиске новых методов ремонта заслуживают внимания бестраншейные технологии, которые практически полностью решают проблему ремонта труднодоступных участков, проложенных наклонно-направленным бурением, переходов через дороги и водные преграды. Во-вторых, эти технологии могут повысить производительность ремонта, одновременно снизив затраты.

Данные технологии уже широко используются в жилищно-коммунальных хозяйствах крупных городов, но в нефтегазовой отрасли их применение пока затруднено из-за ряда важных особенностей отрасли.

1. Трубопроводы нефтегазовой отрасли относятся к опасным производственным объектам. Поэтому внедрение новых технологий и материалов требует прохождения определённых процедур в соответствии с требованиями безопасности.

2. Материалы и технологии, внедряемые в нефтегазовую отрасль, подлежат специальному изучению с точки зрения их совместимости, стойкости и долговечности в нефте- и газосодержащих средах.

3. Условия эксплуатации нефтегазовых трубопроводов сильно отличаются от трубопроводов ЖКХ не только составами продуктов перекачки, но и высокими рабочими давлениями, а также частыми перепадами давления и температуры.

Эти особенности не являются препятствием к внедрению бестраншейных технологий в нефтегазовую отрасль. Требуется лишь проведение дополнительных исследований, возможна замена некоторых материалов на более подходящие в новых условиях.

В настоящее время известен целый ряд бестраншейных технологий, которые предполагают введение в трубопровод защитного рукава (оболочки) из полимерного или композиционного материала с необходимыми свойствами. Эти технологии отличаются друг от друга свойствами защитной оболочки и способами введения и закрепления внутри трубопровода. Как показывает анализ, все они имеют как недостатки, так и положительные свойства применительно к нефтегазовым трубопроводам. Поэтому можно развивать любую из этих технологий, постепенно улучшая как свойства самой оболочки, так и способы введения и фиксации в трубопроводе. Кроме того, остаются вопросы по технологии эксплуатации трубопроводов, восстановленных методом введения защитной оболочки.

Анализ обозначенных выше проблем и возможных путей их решения позволил сформулировать цель и задачи исследований в рамках настоящей диссертационной работы.

Цель работы - повышение эффективности восстановления нефтега-зопромысловых трубопроводов по бестраншейной технологии.

Для решения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи:

1. Анализ бестраншейных технологий восстановления трубопроводов применительно к нефтегазовой отрасли;

2. Разработка технологии изготовления оболочек из терморасширяе-мых радиационно-модифицированных полимеров;

3. Разработка математических моделей протяжки и формирования полимерного оболочки с учётом её размеров, конфигурации и свойств материалов;

4. Исследование работоспособности трубопровода с внутренней полимерной оболочкой в условиях эксплуатации нефтегазопроводов;

5. Обоснование технологических параметров восстановления и эксплуатации трубопроводов с внутренней защитной оболочкой из радиацион-но-модифицированного полимера.

Методы решения поставленных задач

При разработке основных положений диссертационной работы использовались аналитические и численные методы исследования напряженного состояния и теплового поля при протяжке и установке оболочек, стендовые испытания технологии восстановления с применением новых материалов.

В работе использован опыт бестраншейных технологий ремонта трубопроводов коммунальных хозяйств, исследования свойств радиационно-модифицированных полимеров, данные о характерных отказах на трубопроводах с внутренней полимерной оболочкой.

Основой для решения данных задач явились работы отечественных и зарубежных ученых и специалистов: В.И. Агапчева, A.B. Алексеева, С.Г. Бажайкина, С.М. Берлянта, Д.А. Виноградова, А.Г. Гумерова, K.M. Гу-мерова, В.Г. Загребельного, P.C. Зайнуллина, B.JI. Карпова, В.А. Кикеля, С.Б. Киченко, Н.Г. Пермякова, А.К. Ращепкина, B.C. Ромейко, А.Г. Сираева, М.М. Фаттахова, Э.Э. Финкеля, A.A. Шестакова и других.

Научная новизна результатов работы

1. Разработана математическая модель процесса облучения у-лучами при радиационном модифицировании полимерного рукава применительно к ремонту нефтегазовых трубопроводов. Установлены закономерности влияния конструктивных особенностей облучательной установки на радиационную безопасность технологии.

2. Разработана математическая модель протяжки полимерного лайнера (рукава) в трубопровод с учётом его конфигурации и размеров. Установ-

лены закономерности формирования напряженного состояния лайнера в процессе протяжки.

3. Разработана математическая модель процесса тепловой обработки полимерного лайнера, введенного в трубопровод. Установлены закономерности развития температурного поля в зависимости от размеров и теплофи-зических свойств оболочки и трубопровода.

4. Разработана математическая модель устойчивости полимерной оболочкй в процессе эксплуатации восстановленного трубопровода. Установлены условия потери устойчивости оболочки с учётом её газопроницаемости.

На защиту выносятся:

1. Математические модели, позволяющие рассчитать:

- безопасные режимы радиационной обработки оболочки в облучатель-ной установке;

- допустимую длину лайнера с учётом размеров и конфигурации восстанавливаемого трубопровода;

- необходимые параметры тепловой оболочки после введения в трубопровод;

- устойчивость оболочки при эксплуатации восстановленного трубопровода.

2. Закономерности, обнаруженные при разработке математических моделей.

3. Бестраншейная технология восстановления нефтегазопроводов с использованием радиационно-модифицированного полимера.

Практическая ценность и реализация результатов работы

1. Разработана технология изготовления рукава (оболочки) из тер-морасширяемого радиационно-модифицированного полимера, позволяющего формировать внутреннюю защитную оболочку нефтегазовых трубопроводов.

2. Определена допустимая длина участка трубопровода, которая может быть восстановлена за один проход лайнера, в зависимости от диаметра трубопровода и конфигурации участка с учётом его кривизны. Установлены методы увеличения длины восстанавливаемого участка за один проход.

3. Предложенная модель позволяет определить необходимые режимы теплообработки лайнера в зависимости от размеров оболочки и трубопровода, теплофизических свойств материалов и среды.

4. Разработанная модель позволяет обосновать технологические режимы эксплуатации восстановленных трубопроводов с учётом возможной потери устойчивости при появлении газов в межтрубном пространстве, назначить операции по периодической дегазации этого пространства.

Результаты исследований использованы при разработке нормативно-технических документов, регламентирующих операции изготовления защитных оболочек и восстановление нефтегазопромысловых трубопроводов по бестраншейной технологии.

Апробация результатов работы

Основные положения и результаты работы докладывались на:

• Международной научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надёжности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» (Уфа, 2013 г.);

• XII Всероссийской научно-практической конференции «Энергоэффективность. Проблемы и решения» (Уфа, 2013 г.);

• Международной учебно-научно-практической конференции «Трубопроводный транспорт - 2013» (Уфа, 2013 г.).

Публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 14 научных трудах, в том числе 4 в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, получены 3 патента.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, библиографического списка использованной литературы, включающего 116 наименований, трех приложений. Работа изложена на 152 страницах машинописного текста, содержит 44 рисунка, 8 таблиц.

Автор выражает искреннюю благодарность: коллективу ГУП «ИПТЭР» за методическую помощь и критические замечания при разработке математического аппарата; коллективу ООО «Озерский завод энергоустановок» за помощь в постановке экспериментов и проверке математических моделей.

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 выполнен анализ известных вариантов бестраншейного ремонта трубопроводов. Установлено, что наиболее эффективные методы защиты построены на принципе санации — нанесения внутреннего защитного покрытия. Наиболее перспективна санация методом введения в трубопровод и фиксации полимерных гибких оболочек или пластмассовых труб. Далее технологии санации различаются свойствами оболочек, способами введения и фиксации внутри трубопровода. Из них применительно к нефтегазопроводам представляют интерес следующие.

1) Технология «труба в трубе» - протаскивание в трубопровод плети из пластмассовых труб с меньшим диаметром. Наличие зазора облегчает процесс протягивания, но не обеспечивает достаточной прочности трубопровода и надёжности защиты.

2) То же, с протяжкой полиэтиленовой плети большего диаметра, чем внутренний диаметр стального трубопровода. Перед вводом диаметр плети временно уменьшается за счёт протяжки через калибровочное устройство с локальным нагреванием. После ввода в трубопровод плеть восстанавливается в диаметре за счёт релаксации и плотно прилегает к стенке стального трубопровода.

3) Технология «и-лайнер», при которой тонкостенная полимерная оболочка предварительно складывается так, что сечение принимает С-образную или и-образную форму и оборачивается лентой. Благодаря уменьшенному диаметру такая плеть легко вводится в восстанавливаемый трубопровод. После ввода в полимерную оболочку подается давление до такого уровня, пока не разорвётся лента, оболочка не примет круглое сечение и не приляжет плотно к существующей трубе.

4) «Чулочная технология» — введение в ремонтируемый трубопровод синтетического гибкого чулка. После введения в чулок под некоторым давлением подается горячая вода или воздух, что обеспечивает полимеризацию и образование прочного защитного слоя. Возможна полимеризация под действием ультрафиолетового облучения.

5). Технология «Феникс», которая предусматривает введение гибкого рукава, обработанного внутри клеящим составом. При введении в стальной трубопровод рукав выворачивается наизнанку под давлением воды или воздуха, прилипает клеящей стороной к внутренней поверхности стальной трубы и полимеризуется при нагревании.

Все технологии предусматривают предварительную подготовку как ремонтируемого стального трубопровода (очистка), так и вводимой оболоч-

ки. В тех областях, где они использовались (водоводы, канализационные трубы), эти технологии позволяют снизить капитальные затраты в среднем на 30...50 % в сравнении с традиционными траншейными технологиями.

В качестве прототипа для совершенствования выберем технологию «и-лайнер», который будем развивать в следующих направлениях:

1. Повышение качества материала оболочки с тем, чтобы она была максимально гибкой при проводке в трубопровод и максимально прочной при эксплуатации трубопровода.

2. Обеспечение технологии необходимыми расчётными методами, которые позволили бы обосновать выбор технологических параметров:

- допустимой протяженности оболочки в зависимости от диаметров и кривизны восстанавливаемого трубопровода (это позволит снизить объемы земляных работ);

- режимы тепловой обработки введённой оболочки в зависимости от теплофизических свойств оболочки, трубопровода, окружающей среды;

- устойчивость оболочки против нарушения формы сечения при возможном накоплении газов в межтрубном пространстве.

Обеспечить высокую адгезию оболочки внутри протяженного трубопровода практически нет возможности, как и нет возможности её контролировать в процессе выполнения работ. Поэтому отсутствие адгезии решено компенсировать остаточными напряжениями сжатия между оболочкой и стальной трубой.

Вторая глава посвящена технологии изготовления рукава из термо-расширяемого радиационно-модифицированного полимера. При разработке новой технологии использованы следующие известные факты и идеи.

1). При радиационной обработке полимеров некоторые длинные молекулы разбиваются и «нарастают» радикальными элементами. Одновременно происходит соединение молекул этими радикалами. В результате вместо одномерных молекул появляется сетчатая структура, что придает полимеру новые свойства. Он становится более прочным, износостойким, и, самое главное, получает «эффект памяти».

2). В настоящее время при строительстве и ремонте трубопроводов широко используются термоусаживаемые изоляционные ленты. Если такой лентой обмотать участок трубы и затем нагреть, то лента сокращается и плотно обжимает трубу. Новая идея состоит в том, чтобы придать полимерной трубе (оболочке) обратное свойство — расширяться при нагревании. Тогда ею можно будет плотно обжимать внутреннюю поверхность трубы.

3). Следующая идея состоит в том, чтобы создать сжимающие напряжения между оболочкой и стенкой трубы и, тем самым, компенсировать отсутствие адгезии. Сжимающие напряжения будут затруднять проникновение агрессивных веществ и газов в межтрубное пространство.

Данные идеи реализованы в разработанной технологии, которая включает следующие этапы:

1. Получение высоконаполненной радиационно-сшиваемой композиции на основе полиолефинов и добавок. Эта операция выполняется на промышленном грануляторе.

2. На экструзионной линии получают полимерную трубную заготовку с заданными диаметром, толщиной стенки и цветом из полученной высоко-наполненной полимерной композиции.

3. Полученный рукав подвергают радиационной модификации на об-лучательной установке с заданными параметрами по поглощенной дозе и мощности источника.

4. Радиационно-модифицированный полимерный рукав подвергается циклу термомеханической деформации (растяжение, сжатие, скручивание) по заданной программе.

5. На заключительном этапе производится упаковка продукции.

Испытание полученных образцов показало наличие требуемых

свойств (рисунок 1).

Рисунок 1 — Рукав из радиационно-модифицированного полимера до и после нагрева внутри трубы

Исследования показали, что новый материал более прочен и износостоек по сравнению с тем же материалом без радиационной обработки. Эти свойства позволяют снизить толщину оболочки, добиться большей длины рукава за счёт снижения диаметра.

Новый рукав при вводе имеет значительно меньшее сечение и большую гибкость, что позволяет проводить его через кривые участки.

Как правило, на отечественных трубопроводах внутренний диаметр испытывает значительный разброс даже в пределах одного типоразмера. Кроме того, на участках, где производились ремонтные работы с заменой труб, внутренний радиус также может оказаться другим. Такие зоны могут стать препятствием при вводе полиэтиленовых труб, но не являются помехой при вводе гибкого рукава.

Данным способом можно изготавливать оболочки любых форм и размеров, что позволяет расширить область применения данной технологии, ремонтировать не только стальные, но и чугунные, керамические, железобетонные и другие трубопроводы.

Данные положительные свойства полимера получаются за счёт управляемого изменения структуры материала. Изменение состоит в том, что, во-первых, молекулы полимера сшиваются при радиационной обработке. Во-вторых, при термомеханической обработке материал «запоминает» исходное состояние. При последующем нагреве без приложения внешних сил оболочка стремится вернуться в исходные размеры. В итоге рукав, расширяясь, плотно прилегает к внутренней поверхности трубы, повторяя его контуры, и обеспечивает необходимую защиту.

Технология зафиксирована в патентах РФ № 2368502 и № 2385228. Разработана установка радиационного модифицирования полимерных труб (рисунок 2), основным преимуществом которой является возможность обработки протяженных изделий типа труб.

1 - ёмкость, заполняемый водой;

2 - загрузочные устройства, заполняемая трубами и специальным газом; 3 - облучаемые изделия (трубы); в центре - облучатель (источник у-квантов)

Рисунок 2 - Схема облучательной установки (сечение)

Загрузочные устройства имеют возможность синхронно вращаться вокруг своих осей, что обеспечивает равномерную обработку изделий.

Выполнены расчёты всех размеров установки и мощности источника, исходя из требований производительности обработки изделий и защиты персонала от облучения.

В третьей главе выполнено исследование напряженного состояния полимерного рукава (лайнера) в процессе проводки в трубопровод. Данная работа необходима для исключения повреждения лайнера в процессе протяжки (образование трещин и разрыв внутри трубопровода). Повреждения возможны, если будет допущено перенапряжение из-за того, что не учтены важные особенности, например соотношение протяженности и кривизна участка, механические свойства лайнера, трение. Наиболее эффективным методом данного исследования является математическое моделирование.

Полиэтиленовый лайнер

+ + I

•*— >

N с

Рисунок 3 — Схема протяжки лайнера в стальной трубопровод и взаимосвязь действующих сил

В участок стального трубопровода с внутренним диаметром с1 вводится полиэтиленовый лайнер с помощью троса (рисунок 3). Тяговое усилие N должно обеспечивать прохождение лайнера через все повороты на участке АВ, в то же время не должно привести к разрыву лайнера. Одна из составляющих силы N складывается из сил трения между внутренней поверхностью стального трубопровода и наружной поверхностью полиэтиленового лайнера. Поэтому в расчётах используется коэффициент трения к.

Сила N зависит также от сопротивляемости лайнера изгибам, поэтому задаются также параметры, определяющие его жесткость при изгибе. Она будет зависеть от конфигурации участка трубопровода АВ, которую определим с помощью функции \Утр = 1"(г).

Состояние лайнера описывается дифференциальным уравнением продольно-поперечного изгиба

Стальной трубопровод

Тяговое усилие

N

где Е„, 1л, \¥л - соответственно модуль упругости полимера, момент инерции поперечного сечения и отклонение от прямой лайнера; N. я - продольная и поперечная силы в сечении ъ. Поперечная сила складывается из реакции трубы и веса лайнера = цтр (г) - .

Продольная сила N(2) и реакция трубы ЦтрСг) взаимосвязаны следующим образом: сГЫ = к-|я фП-ёг. Отсюда следует требование

где ЫА — сила, приложенная к лайнеру в начале участка АВ (она может быть обусловлена технологией обжатия лайнера перед вводом); Ыв - сила, приложенная к лайнеру на выходе из участка АВ. Эти силы не должны вызывать опасных напряжений.

Таким образом, для определения силы и напряжений в каждом

сечении лайнера необходимо совместно решить уравнения (1) и (2) как систему. Решение целесообразно строить численно, используя методы конечных разностей, итераций и последовательных приближений. Разработаны соответствующие алгоритм и расчётные программы, которые позволяют получать решения при любых конфигурациях трубопроводов и исходных данных.

На рисунке 4 приведено решение при следующих исходных данных: диаметр и толщина стенки лайнера 149 и 7 мм соответственно; плотность материала 955 кг/м3; модуль упругости 1300 МПа; коэффициент трения 1,0. Конфигурация стального трубопровода содержит синусоидальный участок длиной 100 м и перепадом высот 10 м. Протяжка осуществляется в направлении от А к В. В начальном сечении ЫА =100 Н.

Решение показало, что в данном случае сила протяжки достигает 14,45 кН, напряжение достигает 5,5 МПа. Причём максимальных значений силы и напряжения достигают на разных сечениях (с учётом изгиба).

Анализируя решения множества частных примеров, пришли к выводу, что возможность проводки лайнера в заданный участок трубопровода определяется некоторой интегральной характеристикой,

в

(2)

А

которая играет роль допустимой общей кривизны участка. Этот параметр можно использовать в качестве специальной характеристики лайнера, играющей роль паспортной или сертификатной, которая бы указала, на каких трубопроводах можно использовать этот лайнер, при какой интегральной кривизне участка.

а,

м

Рисунок 4

- Распределение поперечных и продольных сил (я, >1) и напряжений на верхней и нижней образующих лайнера (ст1з 02) при протяжке в трубопровод

В четвертой главе рассматривается задача о распределении температуры при термообработке введенного в трубопровод полимерного лайнера с целью восстановления его исходных размеров с учётом «эффекта памяти». Решение данной задачи необходимо для обоснования режимов термообработки, чтобы обеспечить плотный контакт оболочки с внутренней поверхностью трубопровода, не допуская при этом снижения механических свойств оболочки, нарушения формы и излишних потерь энергии.

Аналитическое решение основано на схеме, показанной на рисунке 5. При этом считается, что теплопередача осуществляется двумя путями: конвекцией вместе с нагретым теплоносителем вдоль рукава и процессом теплопроводности через стенку рукава и поверхность трубы. Поэтому процесс теплопередачи возможно разделить на два одномерных этапа: распространение тепла в осевом и радиальном направлениях.

-Труба

;_ /////////////////

'////у/,-//////,

стальная Рукав

полимерный

Рисунок 5 - Рукав в стальной трубе в начальный момент

В аналитическом решении рассматриваются два различных варианта в зависимости от скорости теплообмена теплоносителя и оболочки.

В первом варианте предполагается, что полимерный рукав при нагреве до определенной критической температуры очень быстро (практически мгновенно) увеличивается в диаметре до внутренней поверхности трубы. При этом время восстановления каждого участка рукава складывается из времени, за которое теплоноситель доходит до этого участка, и времени, за которое прогревается стенка рукава на всю толщину до необходимой температуры. Если учесть, что скорость конвективного переноса тепла намного выше скорости прогрева стенки рукава, можно считать, что рукав начинает прогреваться по всей длине через время 1:, = Ь/V, где Ь - длина рукава; V -скорость потока теплоносителя.

Во втором варианте предполагается, что время прогрева полимерного рукава на всю толщину сопоставимо со временем продвижения теплоносителя, поэтому рукав при нагреве увеличивается в диаметре постепенно и равномерно.

Получено следующее решение для температурного поля:

T(t,x) = T0 + + 0,5-(Ттн — T0)-

erfc

г л

х-vt

2-JXtlcp

+ exp| x | • erfcl

x +vt

t7

cp

(4)

где x, t - координата и время; Ттн и Т0 - начальные температуры теплоносителя и оболочки; р, с, X - плотность, теплоёмкость и теплопроводность материала оболочки; v - скорость потока теплоносителя; erf(z) - интеграл вероятности; erfc(z) = 1 - erf (z).

Решение (4) упрощённое, когда все теплофизические характеристики материалов постоянные, и не учитывается теплообмен за пределами оболочки (со стальной трубой и окружающей средой). Поэтому разработана численная модель, которая основана на методе конечных элементов с нерегулярной сеткой (рисунок 6) и позволяет решать задачи теплообмена с произвольным сочетанием исходных параметров, с учётом теплообмена между всеми компонентами: теплоносителем, оболочкой, средой между оболочкой и трубой, самой трубой, внешним изоляционным покрытием и окружающим грунтом.

Стенка оболочки

Полость оболочки -(теплоноситель)

— о (=> о-

Дх

14.

Г Л

б)

j+2

W j

й 3~2

q5

47

q8

Ax

чб

-In

Рисунок 6 - Фрагменты конечно-элементной сетки

и схемы теплообмена между элементами

а) внутри оболочки; б) в остальных зонах (в стенках

оболочки и трубы, в межтрубном пространстве, в грунте)

Задача сводится к тому, чтобы определить температуру в каждом элементе в любой заданный момент времени I исходя из закона сохранения энергии, а также начальных и граничных условий. Для этого разработаны соответствующие математический аппарат, алгоритмы и программы.

В качестве примеров на рисунках 7 и 8 показаны полученные численным решением тепловые поля при продувке полимерного рукава теплоносителем с начальной температурой 100 °С.

Т,град

Рисунок 7 — Динамика температурного поля в трубопроводе

с полимерной оболочкой при продувке теплоносителя (теплообмен с трубой отсутствует)

Т,град

о 20 40 60 80 100

1 - теплоноситель; 2 - внутренняя поверхность полимерной оболочки; 3 - наружная поверхность оболочки; 4 - температура трубы (металла); температура грунта не превышает 0,2 °С; время прогрева 50 мин; теплообмен со средой учитывается

Рисунок 8 - Температурное состояние трубопровода с полимерной оболочкой в процессе тепловой обработки

В пятой главе рассматривается работоспособность восстановленного трубопровода с точки зрения устойчивости формы полимерной оболочки.

Как показал анализ ряда отказов, произошедших на санированных трубопроводах, один из механизмов связан с образованием продольного внутреннего гофра, который в дальнейшем приводит к полному нарушению формы оболочки и закупориванию сечения (рисунок 9).

Рисунок 9 - Вид полиэтиленовой футеровки после выемки из демонтированных труб после отказа

Установлено, что причиной гофрообразования является накопление газов в межтрубном пространстве, которые в моменты сброса давления в трубе выдавливают оболочку. Затем при подъёме давления форма оболочки не всегда восстанавливается. Как показали специальные экспериментальные исследования, причин накопления газов может быть несколько: газопроницаемость полимерной оболочки, негерметичность на стыках между смежными участками, локальные перегревы трубы в процессе работ.

В настоящем разделе методом математического моделирования изучены условия, при которых теряется устойчивость формы оболочки. При этом использована расчётная схема, показанная на рисунке 10. Согласно принципу Лагранжа, устойчивому состоянию соответствует минимум функции Ь, где Ь = Э - А , А - работа газов при выдавливании оболочки; Э - энергия упругих деформаций оболочки. Следовательно, оболочка стремится деформиро-

ваться в том направлении, где функция Ь уменьшается. Исходя из этого, раз работаны соответствующие алгоритм и расчётные программы.

у

А ¿¿^ ЧВ

// Р\ О V/ / ^ -\ \

)

/

ж /

щ,

б)

Е

ю,оз

Рисунок 10 - Расчётная схема задачи об устойчивости оболочки

Ь

+1,2 Дж

"ст Э, А -

■1-150кПа

а =45°

Ь - —

сГ^—---

150 кПа

11, мм

-1,2 Дж

9 12

Рисунок 11 - Деформации 8, напряжения ст, энергия деформации Э, работа избыточного давления А, функция Лагранжа Ь в зависимости от местного прогиба Ь оболочки (диаметр Б = 325 мм; толщина стенки оболочки 1: = 5 мм; модуль упругости Е = 2,0 МПа; остаточное напряжение в оболочке о0 = -50 кПа; избыточное давление за оболочкой Ар = 1,4 кПа )

В качестве примера на рисунке 11 показаны графики соответствующих характеристик оболочки при увеличении высоты (прогиба) гофра Ь. Из анализа графика ЦЬ) видно, что в области Ь<6мм оболочка стремится вернуться в исходное состояние Ь 0, а в области Ь > 6 мм стремится увеличить прогиб, что приводит к необратимой потере формы.

В таблице 1 даны некоторые результаты по определению давления потери устойчивости при различных сочетаниях исходных параметров. Данные показывают, что устойчивость оболочки прямо пропорциональна толщине стенки г и обратно пропорциональна диаметру Б. Зависимость от модуля упругости материала оболочки практически отсутствует. Существует весьма сильная зависимость от остаточных напряжений, оставшихся после установки оболочки в трубопровод. Если остаточных напряжений нет (нет и адгезии), то любое положительное давления Др приводит к отходу оболочки от стенки трубы (появляется межтрубный зазор). Но для потери устойчивости требуется некоторое дополнительное увеличение давления.

Таблица 1 - Давление потери устойчивости Аршах

в зависимости от исходных параметров оболочки

Б, мм 1, мм Е, МПа о0, кПа Лртах,кПа

325 5 2,0 -100 3,03

325 5 2,0 -50 1,53

325 5 2,0 -10 0,46

325 5 2,0 0 0,27

325 5 2,0 - 100 3,03

325 5 5,0 - 100 3,08

325 5 10,0 - 100 3,47

325 5 20,0 - 100 4,68

325 1 2,0 -50 0,30

325 2 2,0 -50 0,61

325 5 2,0 -50 1,53

325 10 2,0 -50 3,06

100 5 2,0 -50 4,98

200 5 2,0 -50 2,49

300 5 2,0 -50 1,66

400 5 2,0 -50 1,24

500 5 2,0 -50 0,99

Таким образом, разработанная модель позволяет прогнозировать условия потери продольной устойчивости защитной внутренней оболочки, и, тем самым, определять необходимые технологические операции, предотвращающие выход из строя восстановленных трубопроводов.

Основные выводы

1. Разработана технология изготовления терморасширяемого рукава на базе радиационного модифицирования полимерных композиций. Положительные эффекты получены за счёт сшивания полимерных молекул, придающего материалу «эффект памяти». Новый рукав обладает рядом положительных качеств: более высокой прочностью и износостойкостью, что позволяет устанавливать меньшее сечение и тем самым повышать гибкость. Эти свойства в комплексе позволяют увеличить протяженность участка ремонта за одну проводку и повысить прочность и долговечность восстановленного трубопровода.

2. Разработана установка для радиационного модифицирования рукавов. Выполнен расчёт безопасных параметров установки, что позволяет снизить уровень радиации в зоне обслуживания установки. Новые технические и технологические решения отражены в патентах РФ № 2368502 и № 2385228.

3. Разработана новая математическая модель проводки полимерного лайнера (рукава) в стальной трубопровод с учётом геометрических особенностей восстанавливаемого участка и его конфигурации. Установлены основные закономерности распределения сил и напряжений в лайнере при проводке. Показано, что все зависимости имеют нелинейный характер. При этом наиболее значимыми параметрами являются: коэффициент трения, кривизна участка, гибкость лайнера. На основе разработанной модели предложен алгоритм выбора безопасных технологических параметров при проводке. Предложен новый параметр лайнера - допустимая интегральная кривизна, который целесообразно отражать в паспорте (или сертификате) при изготовлении лайнера.

4. Разработаны аналитические и численные методы оценки технологических параметров термообработки полимерной оболочки (лайнер) в трубопроводе после её проводки. Разработаны алгоритм и расчётная программа решения тепловой задачи с учётом многообразия исходных параметров и факторов, а также теплового взаимодействия теплоносителя, оболочки, трубопровода и окружающего грунта. Установлены основные закономерности,

позволяющие обосновать технологические параметры термообработки и тем самым обеспечить качество работ.

5. Разработана математическая модель потери продольной устойчивости внутренней полимерной оболочки футерованных трубопроводов с учетом появления избыточного давления в межтрубном пространстве. Модель позволяет прогнозировать условия потери продольной устойчивости, тем самым определять необходимые технологические операции, предотвращающие выход из строя трубопроводов с внутренней полимерной оболочкой.

6. Комплекс результатов исследований позволяет совершенствовать технологии изготовления полимерных защитных рукавов, ремонта трубопроводов бестраншейным методом, эксплуатации восстановленных трубопроводов с внутренней защитной оболочкой.

Основные результаты работы опубликованы в следующих научных трудах:

Ведущие рецензируемые научные журналы

1. Алявдин, Д. В. Разработка технологии восстановления терморас-ширяемого полимерного модифицированного рукава в трубопроводных системах различного назначения [Текст] / Д. В. Алявдин, А. А. Шестаков, О. В. Стоянов // Вестник Казанского технического университета. - 2013. -№7. -С. 132-136.

2. Алявдин, Д. В. Моделирование работоспособности внутренней полимерной оболочки в трубопроводах [Текст] / В. Д. Алявдин, К. М. Гумеров // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. - Уфа, 2013. - Вып. 3 (93). - С. 73-78.

3. Алявдин, Д. В. Физико-математическая модель восстановления терморасширяемого полимерного модифицированного рукава в трубопроводе [Текст] / В. Д. Алявдин, А. А. Шестаков // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов / ИПТЭР. - Уфа, 2013. - Вып. 4 (94). -С. 105-110.

4. Гумеров, А. К. Расчёт протяжки полимерного лайнера в стальной трубопровод [Текст] / А. К. Гумеров, В. Д. Алявдин, Д. А. Абдульманов // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов / ИПТЭР.-Уфа, 2014.-Вып. 1 (95).-С. 44-51.

Патенты

5. Пат. 2368502 Российская Федерация, МПК В 29 С 63/34, Б 16 Ь 55/165. Способ создания износостойкого полимерного покрытия на внутренней поверхности трубы [Текст] / Алявдин Д. В.; патентообладатели: Алявдин Дмитрий Вячеславович, Общество с ограниченной ответственностью «Релайн» (ООО «Релайн»), - 2007145976/12; заявл. 10.12.2007; опубл.

27.09.2009, Бюл. № 27.

6. Пат. 2385228 Российская Федерация, МПК В 29 С 63/34, Б 16 Ь 55/165. Способ изготовления терморасширяемого рукава из термопластичного полимера (варианты) [Текст] / Алявдин Д. В.; патентообладатель: Алявдин Дмитрий Вячеславович. - 2008106316/12, заявл. 18.02.2008; опубл.

27.03.2010. Бюл. №9.

7. Пат. полезную модель 78283 Российская Федерация, МПК Б 16 Ь 13/02. Соединение концов металлических труб, футерованных полиэтиленом под сварку [Текст] / Чахеев С. Л., Чахеев А. Л., Родомакин А. Н.; патентообладатель: Общество с ограниченной ответственностью «Производственно-коммерческая фирма «Малый Сок». - 2008100745/22, заявл. 09.01.2008; опубл. 20.11.2008, Бюл. № 32.

Прочие печатные гадания

8. Алявдин, Д. В. Бестраншейное восстановление трубопроводов методом санации с использованием терморасширяемого полимерного рукава [Текст] / Д. В. Алявдин // Проблемы и методы обеспечения надёжности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа: матер. Междунар. научн.-практ. конф. 22 мая 2013 г. - Уфа: Изд-во ИПТЭР, 2013. - С. 264-266.

9. Алявдин, Д. В. Терморасширяемый рукав из сложно-модифицированного полимера для ремонта трубопроводов [Текст] / Д. В. Алявдин // Проблемы и методы обеспечения надёжности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа: матер. Междунар. научн.-практ. конф. 22 мая 2013 г. - Уфа: Изд-во ИПТЭР, 2013. -С. 267-268.

10. Алявдин, Д. В. Оценка устойчивости полимерной оболочки в трубопроводе [Текст] / Д. В. Алявдин, А. С. Глазков // Трубопроводный транс-

порт - 2013: матер. IX Междунар. учебн.-научн.-практ. конф. / УГНТУ. -Уфа, 2013.-С. 188-189.

11. Алявдин, Д. В. Технологический расчёт восстановления полимерного модифицированного рукава в трубопроводе [Текст] / Д. В. Алявдин, А. А. Шестаков // Трубопроводный транспорт - 2013: матер. IX Междунар. учебн.-научн.-практ. конф. / УГНТУ. - Уфа, 2013. - С. 190-193.

12. Алявдин, Д. В. Расчёт технологических параметров восстановления полимерного модифицированного рукава в трубопроводе [Текст] / Д. В. Алявдин, А. А. Шестаков // Энергоэффективность. Проблемы и решения: матер. XIII Всеросс. научн.-практ. конф. 23 октября 2013 г. - Уфа: Изд-во ИПТЭР, 2013. - С. 206-208.

13. Алявдин, Д. В. Устойчивость внутренней полимерной оболочки в трубопроводе [Текст] / Д. В. Алявдин // Энергоэффективность. Проблемы и решения: матер. XIII Всеросс. научн.-практ. конф. 23 октября 2013 г. — Уфа: Изд-во ИПТЭР, 2013. - С. 286-288.

14. Алявдин, Д. В. Разработка установки радиационного модифицирования изделий из полиолефинов [Текст] / Д. В. Алявдин, А.Р. Клестов // Актуальные инновационные исследования: наука и практика: электронное научное издание. — http: // www.Actualresearch.ru/nn/2012_4/Article/science/ alyavdin 20124.htm.

Фонд содействия развитию научных исследований. Подписано к печати 03.07.2014 г. Формат 60 х 90 1/16. Усл. печ. л. 0,94. Бумага писчая. Тираж 100 экз. Заказ № 126. Ротапринт ГУП «ИПТЭР». 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.