Введение к работе
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 нефтегазопромысловых 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 терморасширяемых 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 радиационно-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, А.В. Алексеева,
С.Г. Бажайкина, С.М. Берлянта, Д.А. Виноградова, А.Г. Гумерова, К.М. Гумерова, В.Г. Загребельного, Р.С. Зайнуллина, В.Л. Карпова, В.А. Кикеля, С.Б. Киченко, Н.Г. Пермякова, А.К. Ращепкина, В.С. Ромейко, А.Г. Сираева, М.М. Фаттахова, Э.Э. Финкеля, А.А. Шестакова и других.
Научная новизна результатов работы
1. Разработана математическая модель процесса облучения g-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. Установлены 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 теплофизических свойств оболочки и трубопровода.
4. Разработана математическая модель устойчивости полимерной оболочки 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 облучательной 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 терморасширяемого 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.
