Обеспечение безопасности трубопроводов нефтегазового комплекса совершенствованием конструкции и технологии монтажа комбинированных труб из термопластов

УДК 621.644

На правах рукописи

РАЩЕПКИН АНДРЕЙ КОНСТАНТИНОВИЧ

ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ТРУБОПРОВОДОВ

НЕФТЕГАЗОВОГО КОМПЛЕКСА СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕМ

КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ МОНТАЖА

КОМБИНИРОВАННЫХ ТРУБ ИЗ ТЕРМОПЛАСТОВ

Специальности: 25.00.19 – Строительство и эксплуатация

нефтегазопроводов, баз и хранилищ;

05.26.03 – Пожарная и промышленная

безопасность (нефтегазовый комплекс)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Уфа 2007

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

Научный руководитель	доктор технических наук, профессор
Научный консультант	доктор технических наук Гумеров Кабир Мухаметович
Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор Идрисов Роберт Хабибович кандидат технических наук Абдуллин Валерий Маратович
Ведущее предприятие	ГОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» (г. Челябинск»)

Защита состоится 25 декабря 2007 г. в 1130 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 ГУП «Институт проблем транспорта энергоресурсов».

Автореферат разослан 24 ноября 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук Л.П. Худякова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Россия занимает одно из ведущих мест в мире по протяженности действующих трубопроводов. Всего по России в настоящее время протяженность эксплуатируемых наружных трубопроводов составляет более 15 млн км, из них более 500 тыс. км – в нефтегазовой инфраструктуре. Однако по степени изношенности трубопроводов Россия занимает едва ли не первое место в мире. Более половины этих транспортных магистралей было сооружено 30…50 лет тому назад. Только на нефтепромысловых трубопроводах, эксплуатируемых в условиях сильного коррозионного воздействия агрессивных транспортируемых сред, ежегодно происходит
40…70 тыс. отказов и соответственно столько же разрытых котлованов и причиненного экологического ущерба. Физический износ нефтепромысловых трубопроводов уже превысил 60 %.

Проблемы безопасной эксплуатации трубопроводов нефтегазовой и инженерной инфраструктуры в последние годы приобретают все большую актуальность и значимость. В настоящее время 90 % всех аварий на трубопроводах происходит в результате коррозионных разрушений металла труб. Большим резервом повышения эксплуатационной надежности нефтепромысловых трубопроводных систем является применение труб, изготовленных из современных долговечных полимерных материалов, преимущества которых неоспоримы. Массовое применение таких труб позволит существенно увеличить срок службы трубопроводов, резко снизить эксплуатационные затраты, а также затраты на доставку и монтаж труб.

Полимерные трубы могут использоваться в трубопроводных системах различного назначения, но ограничивающими факторами являются их относительно низкая несущая способность и температурно-временная зависимость прочностных характеристик. В последние годы разработаны и уже находят применение трубы, изготовленные путем комбинирования различных конструкционных материалов (термопласты, стеклопластики, сталь). Такие комбинированные трубы сочетают в себе высокую химическую стойкость термопласта (полиэтилен, полипропилен) с высокой прочностью арматуры или внешней оболочки.

Работоспособность труб из термопластов не одинакова для различных транспортируемых сред. Полиэтилен, обладая высокой химической стойкостью к большинству веществ, изменяет свои физико-механические свойства под воздействием углеводородов. В связи с этим становится важным изучение механизма воздействия нефтесодержащих сред на внутреннюю полиэтиленовую оболочку комбинированных труб.

Прочностные показатели комбинированных труб на основе термопластов определяются как выбранной конструктивной схемой, так и физико-механическими характеристиками примененных материалов. В этой связи актуальной является задача оптимизации конструкции труб по прочностным показателям и выявления наиболее перспективных конструкционных материалов для их изготовления.

Успешное использование комбинированных труб в трубопроводных системах невозможно без создания равнопрочных с телом трубы соединительных узлов. В нефтегазовой отрасли к соединениям труб предъявляются наиболее жесткие требования. Нужны надежные, удобные в монтаже и при ремонте, соединения.

Массовое применение труб из полимерных материалов сдерживается отсутствием методов и средств как входного контроля труб перед монтажом трубопроводов, так и мониторинга состояния трубопроводов в процессе эксплуатации: определения их местоположения, глубины залегания, мест утечек транспортируемой среды. Особенно это касается трубопроводов из комбинированных труб на основе термопластов, которые конструктивно более сложны, чем пластмассовые.

В целом, требуется комплексная проработка вопросов применения комбинированных труб на основе термопластов при строительстве трубопроводов в нефтегазовом комплексе.

Целью настоящей работы является повышение безопасности и срока эксплуатации трубопроводов нефтегазовой инфраструктуры путем совершенствования конструкции и технологии монтажа комбинированных труб на основе термопластов.

Основные задачи работы

1. Анализ влияния нефтесодержащих сред на внутреннюю полиэтиленовую оболочку комбинированных труб.
2. Сравнительный анализ материалов для изготовления комбинированных труб в нефтегазовой промышленности.
3. Исследование несущей способности комбинированных труб из термопластов.
4. Разработка клеесварного соединения стеклопластиковых комбинированных труб.
5. Разработка методов и технических средств дефектоскопии и диагностики трубопроводов из комбинированных труб.

Научная новизна

1. В результате моделирования напряженно-деформированного состояния металлопластовых и стеклопластиковых комбинированных труб определен механизм их разрушения и выявлены основные несущие конструктивные элементы.
2. Разработана методика выполнения неразъемного клеесварного соединения при монтаже трубопроводов из стеклопластиковых комбинированных труб.
3. Впервые разработан метод дефектоскопии металлопластовых труб для проведения контроля качества их изготовления.
4. Впервые разработан метод диагностического обследования подземного трубопровода из полимерных труб, который позволяет определять его местоположение в вертикальной и горизонтальной плоскостях, а также выявлять места утечек транспортируемой среды.

На защиту выносятся:

Практическая ценность работы

1. Проведенный анализ напряженно-деформированного состояния металлопластовых и стеклопластиковых комбинированных труб позволил дать рекомендации по рабочему давлению для различных типоразмеров труб и оптимальным параметрам их конструкции.
2. Проведенные исследования позволили разработать технологии производства, монтажа и эксплуатации комбинированных труб с использованием термопластов, которые легли в основу ряда руководящих документов для нефтегазовой отрасли.
3. Материалы диссертационного исследования используются в учебном процессе Уфимского государственного нефтяного технического университета при чтении лекций и проведении практических занятий по курсу «Пластмассовые трубопроводы».

Реализация результатов работы в промышленности

Результаты исследований легли в основу технологии производства полимерных армированных труб ПКТ, их соединений и соединительных деталей на ЗАО «Нижнетагильский трубный завод» по ТУ 3667-015-00147275-2002,
а также Инструкции по монтажу и эксплуатации трубопроводов из полимерных композиционных труб (РД 39-00147275-2002-11-22).

Апробация работы

Результаты разработок автора экспонировались на V и VI Международных специализированных выставках «Трубопроводный транспорт» (2006, 2007 гг., Москва), IV и V Международных выставках «Трубопроводные системы. Строительство, эксплуатация, ремонт» (2005, 2006 гг., Москва), XIII, XIV и XV Международных специализированных выставках «Газ. Нефть. Технологии» (2005–2007 гг., Уфа), VI Международной специализированной выставке «Сварка. Контроль. Реновация» (2006 г., Уфа), IX XI Международных специализированных выставках «Строительство. Камнеобработка. Коммунальное хозяйство» (2005–2007 гг., Уфа).

Основные положения и результаты исследований автора докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на научно-практических конференциях «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа», проводившихся в рамках VI и VII конгрессов нефтегазопромышленников России (2005, 2007 гг., Уфа), IV и V Международных топливно-энергетических и газонефтехимических конгрессах (2005, 2006 гг., Москва), Международном научно-техническом российско-германском семинаре (2005 г., Уфа), VII Международной научной конференции «Современные проблемы истории естествознания в области химии, химической технологии и нефтяного дела»
(2006 г., Уфа), I и II Международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы технических, естественных и гуманитарных наук» (2005, 2006 гг., Уфа), VIII XI Международных научно-технических конференциях «Проблемы строительного комплекса России» (2004-2007 гг., Уфа).

Разработки, выполненные при участии автора, отмечены дипломами и медалями на IX, X и XI Международных научно-технических конференциях «Проблемы строительного комплекса России» (2005-2007 гг., Уфа).

Публикации

По теме диссертации опубликованы 15 печатных работ.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка использованной литературы, включающего 105 наименований, и 6 приложений. Она содержит
140 страниц машинописного текста, 24 рисунка и 15 таблиц.

Автор выражает искреннюю благодарность безвременно ушедшему научному руководителю Агапчеву Владимиру Ивановичу, научному консультанту Гумерову Кабиру Мухаметовичу и многим другим сотрудникам
ГУП «ИПТЭР» за помощь в выполнении и оформлении диссертационной работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и основные задачи работы, показаны её научная новизна и практическая значимость.

В первой главе рассмотрено текущее состояние нефтегазопромысловых трубопроводов, выполненных из комбинированных труб на основе термопластов. Проведен сравнительный анализ достоинств и недостатков труб, изготовленных из различных материалов и по разным конструкционным схемам. Указаны наиболее предпочтительные области применения тех или иных видов труб.

С начала второй половины прошлого столетия широкое распространение получили трубы из термопластов: полиэтилена, полипропилена и поливинилхлорида для сооружения низконапорных трубопроводов (до 1,0 MПa). Комплекс положительных свойств и высокая технологичность монтажа трубопроводов обеспечили массовое применение полиэтиленовых труб на нефтегазопромыслах. Факторами, ограничивающими широкое применение коррозионнo-стойких полиэтиленовых труб на нефтепромыслах, являются их относительно низкая несущая способность (при 20 °С рабочее давление
1,0 МПа, при 30 °С 0,63 МПа, при 40 °С 0,4 МПа, при 50 °С 0,25 МПа) и большая материалоемкость (толщина стенки трубы составляет около 9 % от их диаметра).

Учитывая, что основными областями применения коррозионно-стой­ких труб на нефтегазопромыслах являются системы сбора продукции скважин и утилизации сточных вод, возникла необходимость разработ­ки новых типов труб на рабочее давление не менее 4 МПа и равнопрочных с телом трубы
соединений.

В этом направлении перспективной является разработка новых конструк­ций труб с использованием комбинаций в них различных материалов, в которых рабочие поверхности выполнены из химически стойкого материала (термопла­ста), а силовые несущие элементы из металла или композитных материалов. В результате был создан новый класс труб комбинированные трубы.

На основании литературно-патентной проработки можно классифицировать комбинированные трубы по различным признакам: структуре материала и конструкции трубы, способу и условиям изготовления.

На сегодняшний день отечественной промышленностью освоено массовое производство труб стеклопластиковых комбини­рованных (ТСК), металлопластовых труб (МПТ) и длинномерных гибких полимерно-металлических труб (ГПМТ).

Трубы ТСК выпускаются различными предприятиями более 10 лет. У этих труб стенка состоит из двух функциональных оболочек. В качестве герметизирующей оболочки используются тонкостенные трубы из термопласта, а силовые оболочки формируются намоткой на наружную поверхность термопласта стеклопластиковой оболочки с обеспечением адгезионной связи между оболочками. Эти трубы являются бипластмассовыми, но в процессе производства получили название «трубы стеклопластиковые комбиниро-ванные». В процессе монтажа полиэтиленовые оболочки соединяемых труб свариваются встык, а стеклопластиковые оболочки соединяются клеемеханической муфтой. Основными достоинствами таких труб являются равнопрочное с телом труб соединение и абсолютная герметичность всего трубопровода.

Уже более 15 лет на нефтяных месторождениях Западной Сибири, Удмуртии, Башкирии, Северного Кавказа и Западного Урала эксплуатируются металлопластовые трубы, или, другими словами, полимерные армированные трубы. Они изготавливаются методом экструзии из полиэтилена низкого давления с одновременным армированием стальным сварным каркасом из проволоки с последующим привариванием пластмассовых законцовок под сварное, резьбовое, муфтовое или фланцевое соединение труб. МПТ не в полной мере отвечают требованиям, предъявляемым к ответственным трубопроводам, по причине несовершенства соединительных узлов «труба законцовка», т.е. эти соединительные узлы могут иметь скрытый дефект в виде канала, по которому транспортируемая среда из полости труб проникает до арматуры, что приводит к ее коррозии и снижению несущей способности труб.

ГПМТ представляют собой полиэтиленовую тонкостенную трубу, упрочненную навивкой на нее металлической проволоки, ленты или металлокорда, поверх которых формируется защитное полимерное покрытие. Трубопроводы из ГПМТ удобны в монтаже, но при высоких пульсирующих давлениях подвержены изменениям глубины залегания вплоть до выхода на поверхность траншеи.

Результаты проведенных гидростатических и гидроциклических испытаний разных видов комбинированных труб на гидравлическом стенде показали, что все вышеуказанные трубы могут быть рекомендованы для монтажа нефтепромысловых трубопроводов на рабочие давления до 4 МПа. По
результатам испытаний установлено, что прогнозируемый срок эксплуатации таких труб с клеесварными и сварными соединениями составляет не менее
35 лет.

Наиболее перспективными для нефтегазовой инфраструктуры являются трубы ТСК, обеспечивающие высокую надежность трубопроводов.

Широкому применению комбинированных труб при строительстве и восстановлении нефтегазопроводов препятствует недостаточная изученность вопросов длительной работоспособности таких труб в тяжелых условиях эксплуатации: высокие рабочие давления, агрессивная транспортируемая среда, сложные климатические условия монтажа и эксплуатации. Другим сдерживающим фактором является недостаток технических средств и методов контроля качества изготовления комбинированных труб и мониторинга состояния эксплуатируемых трубопроводов из полимерных материалов.

Вторая глава посвящена исследованию работоспособности комбинированных труб на основе термопластов.

Одним из определяющих условий работоспособности труб на основе термопластов яв­ляется степень воздействия транспортируемой среды на материал труб. Поли­этилен, обладая высокой химической стойкостью к большинству веществ, изменяет свои свойства под воздействием углеводородов, сопровождающимся процессом набухания. В связи с этим рассмотрено влияние основных углеводородных групп нефтей, неполярных соединений и поверхностно-активных веществ на свойства полиэтилена.

Воздействие нефти на полиэтиленовую оболочку трубы обусловлено ее способностью диффундировать в полимер по молекулярно-мембранному механизму, что проявляется в виде изменения свойств полиэтилена в результате пластифицирующего действия среды, изменения напряженного состояния трубопровода в результате неравномерного набухания и анизотропии механических свойств материала по толщине стенки трубы. Проведено исследование процесса проникновения агрессивных сред (нефть Тюменского месторождения и дизельное топливо по ГОСТ 305-82) в образцы из ПНД 203-01 ГОСТ 16338-85 сорбционно-весовым методом при различных температурах. По результатам измерений построены зависимости относительной деформации образцов от средней концентрации диффузанта в образце
(рисунок 1).

нефть при 20 °С; дизельное топливо при 20 °С;

нефть при 3...5 °С; дизельное топливо при 3...5 °С

Рисунок 1 – Зависимость деформации образцов от концентрации

диффузанта

Степень набухания , определенная по тангенсу угла наклона графика этой зависимости к оси концентрации, составляет 0,323 для нефти и 0,124 для дизельного топлива. Степень набухания в нефти превышает степень набухания в дизельном топливе в 2,6 раза и для каждой среды практически не зависит от исследуемого интервала температур.