Одной из важнейших проблем при эксплуатации стальных нефтегазо-промысловых трубопроводов является их малый срок эксплуатации, обусловленный коррозионной агрессивностью перекачиваемых продуктов. В последнее время эту проблему решают тем, что для сооружения промысловых трубопроводов используют трубы, обладающие повышенной стойкостью в коррозионно-активных средах: пластмассовые, металлопластовые, стеклопластаковые, а также стальные трубы с внутренним защитным покрытием, чугунные из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Применяют также технологии восстановления стальных трубопроводов методами футеровки полиэтиленом, санирования гибким рукавом. Во всех перечисленных случаях существует проблема надёжного соединения труб, плетей, отдельных участков трубопроводов.
Если при монтаже стальных трубопроводов с защитным покрытием применить сварку, то под действием высоких сварочных температур защитное покрытие разрушается и выгорает. При этом сварной стык остается без защиты, что сводит на нет весь положительный эффект от применения таких труб. Сварочную технологию трудно применить и к чугунным трубам из-за высокого содержания углерода. Применение специальных технологий сварки и сварочных материалов (предварительный подогрев до высоких температур, защитный газ, специальные электроды) делают неэффективным использование труб из высокопрочного чугуна.
Существуют способы монтажа трубопроводов, основанные на механических методах без применения сварки: фланцевые, замковые, муфтовые, раструбные, с применением специальных уплотняющих манжет, прокладок, герметиков. Применительно к промысловым нефтегазопроводам каждый из этих методов имеет определённые недостатки, связанные с недостаточной герметичностью при высоких рабочих давлениях, стоимостью и трудоёмкостью, сложностью обслуживания при эксплуатации. Однако, как показал тщательный анализ их особенностей, некоторые из известных методов являются перспективными. К таким методам относятся, в частности, так называемые обжимные методы.
Так, наиболее удачное решение, использующее втулку и обжимную муфту, более 10 лет применялся для прокладки трубопроводов из труб, футерованных полиэтиленом. Для этого была создана специальная техника, которая обеспечивала производительность прокладки на порядок большую по сравнению с технологией сварки. Однако, как показала практика эксплуатации этих трубопроводов, в течение относительно короткого времени в футерованных трубах образовывались продольные гофры. Затем эти гофры росли и перекрывали сечение трубопровода, приводили к повышению сопротивления потоку, закупоривали трубопровод, вызывали разгерметизацию стальной трубы. Долгое время природу и причины такого гофрообразования не связывали со стыками, поэтому данную технологию монтажа трубопроводов продолжали применять на других промыслах и участках.
Экспертиза аналогичных ситуаций, выполненная в ГУП «ИПТЭР» РБ в 2009 году, показала, что причина этого явления в том, что технология монтажа с применением обжимных муфт не гарантирует герметичность межтрубного пространства между стальной трубой и полиэтиленовой футеровкой. Герметичность самого трубопровода, проверяемая методом гидроили пневмоиспытаний смонтированного участка трубопровода, не является показателем герметичности самой футеровки. Все известные методы неразру-шающего контроля стыков также не позволяют обнаруживать негерметичность футеровки.
Специальными исследованиями установлено, что герметичность футеровки зависит от множества факторов, некоторые из которых случайны. Так появилась необходимость совершенствовать технологию монтажа трубопроводов с использованием обжимных муфт, по возможности предложить более эффективные решения. Необходимо было также научно обоснованно определить допустимые области применения данной технологии, найти допустимые параметры эксплуатации таких трубопроводов. Для решения этой проблемы требовалось выполнить полномасштабные исследования, включая теоретические и экспериментальные.
Таким образом, анализ путей решения данной проблемы позволил сформулировать цель и задачи исследований.
Цель работы — совершенствование технологии монтажа нефтегазо-промысловых трубопроводов без применения сварки.
Основные задачи:
1. Разработка математической модели соединения труб методом обжима, установление основных закономерностей формирования прочности.
2. Совершенствование технологии соединения стальных и чугунных труб без применения сварки.
3. Комплексные испытания обжимных соединений стальных труб с защитным полимерным покрытием и чугунных труб из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.
4. Определение допустимых параметров эксплуатации и ресурса трубопроводов, смонтированного по обжимной технологии.
5. Разработка нормативной базы монтажа трубопроводов на основе обжимных технологий.
Основой для решения данных задач явились работы отечественных и зарубежных ученых и специалистов: В. М. Айдуганова, Дж. Батлера, Г. Л. Гребеньковой, К. М. Гумерова, Т. И. Лаптевой, Н. А. Махутова, Е. М. Морозова, С. В. Новикова, Н. Г. Пермякова, А. К. Ращепкина, А. Г. Сираева, А.А. Су-хорукова, С. Л. Чахеева, А. Л. Чахеева и других. В работе широко использованы теоретические и численные методы решения задач о напряжённом состоянии элементов соединения, положения теории прочности, испытания специальных образцов. Также использован практический опыт работы трубопроводов и результаты анализа некоторых аварийных ситуаций.
В процессе решения поставленных задач получены следующие результаты, представляющие научную новизну.
1. Разработана математическая модель процесса обжатия трубы и элементов соединения, позволяющая исследовать закономерности формирования полей смещений, деформаций и напряжений как в процессе обжатия, так и в состоянии после обжатия.
2. Установлено, что прочность и ресурс обжимного соединения формируются за счёт остаточных радиальных напряжений, которые складываются из двух частей: механической и термической. Механическая составляющая имеет всегда положительный знак (растяжение), поэтому не играет существенной роли в формировании сил сцепления между деталями соединения. Термическая составляющая остаточных напряжений имеет отрицательный знак (сжатие), поэтому играет положительную роль в формировании прочности обжимного соединения.
3. Исследованы и определены пути повышения сил сцепления между контактирующими поверхностями элементов соединения: повышение коэффициента трения за счёт увеличения шероховатости, использование замкового эффекта за счёт пазов на муфте и втулке, использование клеящего состава, предварительный подогрев муфты перед обжатием.
4. Экспериментально (методом циклических гидравлических и механических испытаний) определена роль каждого из предложенных конструктивно-технологических решений, определены допустимые рабочие давления для стальных и чугунных трубопроводов с обжимными соединениями.
5. Установлено, что равнопрочность обжимных соединений достижима при следующих оптимальных условиях: имеются пазы глубиной 1,5. .2,0 мм, образующие замковый эффекттолщина стенки обжимающей муфты составляет 1,2. 1,5 толщины стенки трубыдлина обжимающей муфты не менее двух диаметров трубы.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
1. Результаты исследований показали принципиальную возможность получения равнопрочных соединений труб без использования сварки, что важно для широкого внедрения труб с внутренним защитным покрытием при строительстве нефтегазопромысловых трубопроводов.
2. Исключение сварки из технологии монтажа трубопроводов позволяет сохранить защитные свойства покрытия на стыках, что практически решает проблему повышения ресурса промысловых трубопроводов, построенных из стальных труб с полимерным защитным покрытием.
3. Обжимная технология монтажа промысловых трубопроводов позволяет использовать чугунные трубы из высокопрочного чугуна, которые удачно сочетают в себе высокие прочность и коррозионную стойкость.
4. Разработана и допущена к практическому применению нормативная база монтажа нефтегазопромысловых трубопроводов на основе обжимных технологий. Данные технологии обладают рядом преимуществ по сравнению со сварочными технологиями: высокая производительность, высокий уровень механизации, низкая чувствительность к погодным условиям.
На защиту выносятся:
— математическая модель, позволяющая исследовать закономерности формирования полей напряжений и деформаций в процессе обжима труб и элементов соединения;
— результаты исследования полей напряжений в обжимных соединениях труб, закономерности формирования остаточных напряжений, ответственных за прочность и ресурс трубопровода;
— программа испытаний обжимных соединений и методика, позволяющая по результатам блочно-циклических испытаний определять допустимые рабочие давления и ресурс трубопроводов, построенных по обжимной технологии;
— результаты гидравлических и механических циклических испытаний обжимных соединений труб, выводы, сделанные по результатам испытаний;
— технология монтажа трубопроводов без применения сварки.
Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю Гумерову Кабиру Мухаметовичу и сотрудникам ГУП «ИПТЭР» РБ за обсуждение и критические замечания при разработке математического аппарата, а также Чахееву Андрею Леонидовичу и производственному персоналу ООО «ПКФ Малый Сок» за содействие при испытаниях образцов и практическом внедрении результатов работы.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.
1. Разработана математическая модель процесса обжатия трубы и элементов соединения, которая позволяет исследовать закономерности формирования полей смещений, деформаций и напряжений как в процессе обжатия, так и в состоянии после обжатия, определять способы получения равнопрочных обжимных соединений из стальных труб с внутренним полимерным защитным покрытием и чугунных труб из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.
2. Установлено, что прочность и ресурс обжимного соединения создаётся за счёт остаточных радиальных напряжений, которые складываются из двух частей: механической и термической. Механическая составляющая имеет всегда положительный знак (растяжение), поэтому не играет существенной роли в формировании сил сцепления между деталями соединения. Термическая составляющая остаточных напряжений имеет отрицательный знак (сжатие), поэтому играет положительную роль в реализации прочности обжимного соединения.
3. Разработана научно обоснованная программа блочно-циклических гидравлических и механических испытаний обжимных соединений, позволяющая контролировать и регулировать в процессе испытаний соотношение продольных и окружных напряжений в соединении. Разработана методика оценки допустимых рабочих давлений и ресурса трубопроводов с обжимными соединениями по результатам испытаний.
4. Исследованы и определены дополнительные пути повышения прочности обжимного соединения: повышение коэффициента трения контактирующих поверхностей за счёт увеличения шероховатости, создание замкового эффекта за счёт пазов на муфте и втулке, использование клеящего состава, предварительный подогрев муфты перед обжатием,.
5. Экспериментально (методом испытаний) определена роль каждого из предложенных конструктивно-технологических решений, определены допустимые рабочие давления для стальных и чугунных трубопроводов с обжимными соединениями. Установлено, что равнопрочность достигается при следующих оптимальных условиях: имеются пазы на поверхности втулки и муфты глубиной 1,5.2,0 мм, образующие замковый эффекттолщина стенки обжимающей муфты составляет 1,2. 1,5 толщины стенки трубыдлина обжимающей муфты не менее двух диаметров трубы.
6. Разработана и допущена к применению нормативная база монтажа нефтегазопромысловых трубопроводов на основе обжимных технологий. Данные технологии обладают рядом преимуществ по сравнению со сварочными технологиями: высокая производительность, высокий уровень механизации, низкая чувствительность к погодным условиям.
7. Обжимная технология монтажа промысловых трубопроводов позволяет использовать чугунные трубы из высокопрочного чугуна, которые удачно сочетают в себе высокие прочность и коррозионную стойкость.
Исключение сварки из технологии монтажа позволяет сохранить защитные свойства покрытий на стыках, что практически решает проблему повышения ресурса промысловых трубопроводов, построенных из стальных труб с полимерным защитным покрытием.
