Расчетно-экспериментальная оценка работоспособности стальных муфт для ремонта нефтегазопроводов

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

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

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

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

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

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

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

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

Цель диссертационной работы:

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

Задачи исследования:

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

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

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

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

Научная новизна.

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

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

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

Защищаемые положения.

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

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

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

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

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

Практическая значимость.

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

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

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

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

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

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

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

Ожидаемый экономический эффект, от внедрения результатов диссертационной работы, при планируемом количестве ремонтов технологических трубопроводов газ КС муфтами в количестве 100 шт. составляет 12,9 млн руб. в год, а за десятилетний период — 89,69 млн. рублей с учетом дисконтирования денежных потоков.

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

Апробация работы.

Результаты работы докладывались на следующих конференциях и семинарах:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Публикации.

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

Структура и объем работы.

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

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

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

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

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

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

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