Исследование динамики движения ремонтных секций в подводных переходах трубопроводов

Актуальность проблемы. На сегодняшний день трубопроводный транспорт остается одним из наиболее развитых видов транспорта жидких и газообразных углеводородов. Трубопроводная сеть России является сложной протяженной системой, безопасная эксплуатация которой зависит от множества факторов, основным из которых является своевременное и качественное проведение текущих ремонтов. Магистральный трубопровод, на всем протяжении, пересекает множество естественных и искусственных препятствий, которые являются экологически опасными. Следовательно своевременное и качественное проведение ремонтно-восстановительных работ подводных переходов одна из главных задач обеспечения надежной их работы.

Существующие традиционные технологии предусматривают проведения больших объемов земляных и демонтажно-монтажных работ, что значительно увеличивает сроки выполнения и их стоимость. Технико-экономические показатели проведения ремонтов подводных переходов, ещё более ухудшаются в зимний период особенно в условиях Западной Сибири.

В последние годы зарубежными и отечественными фирмами разрабатываются принципиально новые технологии восстановления изношенных коммуникаций без вскрышных работ по всей длине ремонтируемого подводного перехода. При этом использование высокопрочных и долговечных строительных материалов, позволяет увеличить срок эксплуатации восстановленной конструкции до 50 лет.

Оснащение трубопровода вставками является одним из наиболее перспективных методов внутритрубного ремонта. В качестве ремонтных элементов могут использоваться стальные или полиэтиленовые вставки которые при последовательном наращивании не имеют ограничений по длине ремонтируемого участка.

Известен ряд способов внутритрубного капитального ремонта, использующих современные технические решения по дистанционному соединению полиэтиленовых труб. При этом обеспечивается их герметичное соединение в зоне дефектного участка, значительно удаленного от места вскрышных работ и камер пуска — приема средств очистки и диагностики.

Даная работа посвящена исследованию процесса транспортировки вставок к месту монтажа и определению основных параметров внутритруб-ных ремонтных элементов.

Цель и задачи исследований. Совершенствование методов внутри-трубного ремонта подводных переходов магистральных и промысловых газонефтепроводов и водоводов на основе исследования процесса транспортировки длинномерных внутритрубных ремонтных вставок к месту монтажа.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

— провести сравнительный анализ существующих методов ремонта подводных переходов магистральных и промысловых газонефтепроводов и водоводов;

— разработать и исследовать динамическую модель транспортировки ремонтных вставок к месту их монтажа, получить расчетные зависимости, с учетом геометрических параметров и конструкционных свойств материала вставки;

— получить аналитические зависимости и разработать программное обеспечение на основе упрощенных моделей, позволяющих вести расчеты и управление параметрами движения в реальном масштабе времени;

— обосновать модели профилей подводных переходов, основанных на аппроксимации рядом аналитических функций. Провести анализ движения ремонтной вставки.

— разработать конструкцию длинномерной полиэтиленовой ремонтной вставки. Получить аналитические зависимости для расчета ее конструктивных и технологических параметров.

Объектами исследования являлись разработка методов ремонта подводных переходов магистральных и промысловых газонефтепроводов и водоводов.

Научная новизна. На основании выполненных исследований получены следующие результаты:

1. Впервые разработана и исследована динамическая модель длинномерной внутритрубной вставки, с учетом ее основных геометрических параметров и физико-механических свойств материала. Получены точное и приближенное решения уравнения движения. Предложен эффективный метод численного решения уравнений, позволяющий проводить расчеты в реальном масштабе времени, с целью управления движением вставки на ремонтируемом подводном переходе.

2. Впервые выявлены закономерности движения длинномерных внут-ритрубных вставок, движущихся внутри трубопровода по профилю переменной кривизны. Показано, что движение на участках аппроксимированных монотонными функциями имеет неравномерный скачкообразный характер, что особенно проявляется на восходящих участках подводного перехода.

3. Разработана методика моделирования реальных профилей подводных переходов с помощью ряда аналитических функций. Дана оценка степени сходимости результатов расчетов скорости и положения вставки в зависимости от кривизны участка и общей длины перехода.

Практическая ценность. Результаты проведенных автором исследований явились основой создания новой методики определения основных параметров движения длинномерных внутритрубных ремонтных элементов и соответствующего программного обеспечения, позволяющего проводить расчеты в реальном масштабе времени, с целью управления их движением при транспортировке к месту монтажа. Получены аналитические зависимости и даны практические рекомендации для определения основных геометрических параметров ремонтных элементов.

Апробация работы и публикации. Основные положения работы были представлены на: научно-практической конференции «Проблемы эксплуатации транспортных систем в суровых условиях» в 2001 г., научно-практическом семинаре «Транспортный комплекс-2002» в 2002 г., расширенном заседании кафедра «СиРНГО» в 2003 г., научно-техническом совете Института Транспорта в 2003 г.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 6 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов и 5 приложений. Работа изложена на 141 странице и содержит 2 таблицы, 44 рисунка и список литературы из 59 наименований.

Основные выводы по работе:

1. Впервые разработана и исследована динамическая модель, описывающая движение длинномерной внутритрубной ремонтной вставки по профилю переменной кривизны с учетом конструктивных свойств и геометрических параметров системы. Получены уравнения движения и их решения методом конечных разностей с помощью разработанных автором программ.

2. Проведенные исследования показали, что скорость движения ремонтной вставки, даже на участках подводных переходов аппроксимируемых монотонными функциями, имеет ярко выраженный неравномерный характер. Количество экстремумов и характер изменения функции скорости особенно нестабильны на восходящем участке подводного перехода.

3. Получены приближенные уравнения движения внутритрубной ремонтной вставки. Показано, что в отличие от уравнений, описывающих динамику движения материальной точки, влияние геометрических характеристик вставки учитываются в данных уравнениях в неявном виде через силовые факторы. Предложен эффективный метод численного решения приближенных уравнений, позволяющий проводить расчеты в реальном масштабе времени, с целью управления движением вставки на ремонтируемом участке подводного перехода.

4. Предложена и обоснована методика моделирования реальных профилей подводных переходов с помощью ряда аналитических функций, позволяющих получать решения динамических уравнений движения ремонтных вставок, в том числе и в режиме управления.

5. Показано, что наибольшее расхождение численных значений скорости движения ремонтных вставок при расчетах подводных переходов, моделируемых различными аналитическими функциями, наблюдается на восходящих участках переходов. На нисходящих и горизонтальных участках отклонения не значительны и практически не зависят от выбора аппроксимирующей функции.

6. Предложены конструктивные решения и обоснованы основные характеристики внутритрубных ремонтных элементов. Получены аналитические зависимости для расчета их технологических и конструктивных параметров.