На правах рукописи

БЕРДЫШЕВ ВАЛЕРИЙ ВИТАЛЬЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ

ВНУТРИТРУБНОГО РЕМОНТА ТРУБОПРОВОДОВ

Специальность: 05.02.13 – Машины, агрегаты и процессы

(нефтяной и газовой отрасли)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тюмень 2005 2

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования государственный «Тюменский нефтегазовый университет» и государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования государственная «Тюменская сельскохозяйственная академия»

Научный руководитель кандидат технических наук – Торопов Сергей Юрьевич

Научный консультант кандидат технических наук – Смолин Николай Иванович

Официальные оппоненты – доктор технических наук, профессор Грачев Сергей Иванович кандидат технических наук – Мухаметкулов Анатолий Владимирович

Ведущая организация ООО «Сургутгазпром»

Тюменское управление магистральных газопроводов, г. Тюмень

Защита диссертации состоится « 01 » июля 2005 г. в 16.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.273.08 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет» (ТюмГНГУ) по адресу: 625000, г. Тюмень, ул. Мельникайте 72, Библиотека ТюмГНГУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТюмГНГУ.

Автореферат разослан « 1 » июня 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Т.Г. Пономарева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В последние годы, в связи с внедрением новых материалов и оборудования, изменились основные технологические схемы прокладки новых трубопроводов, особенно в области сооружения подводных переходов. Это привело к изменениям, как в структуре, так и в методах производства ремонтно-восстановительных работ. Сократилась область применения традиционных методов, стали активно разрабатываться новые перспективные методы восстановления работоспособности магистрального и промыслового трубопроводного транспорта.

Решение задач, поставленных перед ремонтными организациями, по поддержанию требуемого уровня надежности трубопроводов можно обеспечить только на основе применения современной технологии и организации производства, а также внедрения новых высокоэффективных технических средств.

В последние годы зарубежными и отечественными фирмами активно внедряются принципиально новые технологии восстановления изношенных коммуникаций. Существующие традиционные технологии связаны с большими объемами земляных и демонтажно-монтажных работ, что значительно увеличивает не только сроки их выполнения, но и стоимость.

Разработка новых технологий и оборудования, позволяющих проводить ремонт без проведения вскрышных работ по всей длине ремонтируемого участка являются весьма актуальными. Анализ состояния трубопроводных систем показал, что ожидается рост потребности в локальных методах внутритрубного ремонта, основанных на современных технологиях и материалах.

Цель исследования.

Цель исследования состоит в создании новых технических средств для ремонта локальных дефектов трубопроводов с помощью внутритрубных ремонтных гильз.

Основные задачи исследования:

- получение экспериментальных геометрических форм внутритрубных ремонтных гильз. Обоснование и расчет их основных технологических параметров;

- определение положения ремонтного оборудования во внутренней полости трубопровода при различных схемах крепления направляющих штанг;

- обоснование условий и определение режимов получения сварных соединений с помощью внутренних закладных элементов;

- разработка основных конструктивных решений технических средств для ремонта трубопроводов внутритрубными гильзами.

Методы исследований.

При выполнении работы использовались экспериментальные и теоретические методы исследований, в частности, методы математического анализа, классические положения теории теплопереноса, методы теории планирования центральных композиционных планов с последующей обработкой полученной информации методами математической статистики, а также методы регрессионного анализа данных, осуществляемые с использованием программного комплекса Statistica.

1. Обоснованы и экспериментально подтверждены схемы нагрузки оболочки, при которых формируется гофрированная гильза, имеющая технологически необходимый внешний диаметр. Получено распределение напряжений по контуру оболочки, определены зоны упругих и пластических деформаций. Разработана методика расчета основных параметров внутритрубных ремонтных гильз.

2. Получены аналитические выражения для определения пороговых значений времени нагрева полиэтиленовых оболочек, в зависимости от их геометрических параметров и заданного теплового потока.

3. Экспериментально получены аналитические зависимости прочности соединения полиэтиленовых образцов (ПЭ-80) от режимов нагрева и конструкционных параметров закладных элементов.

4. Установлено, что при положении направляющих штанг по нижней образующей трубопровода существуют оптимальные соотношения диаметров полых штанг, при которых критическая длина потери устойчивости имеет выраженный максимум, слабо зависящий от диаметра ремонтируемой трубы.

Практическая ценность.

Результаты выполненных автором исследований позволяют проводить расчеты основных конструктивных и технологических параметров оборудования для внутритрубного ремонта. Разработаны практические рекомендации для строительных и ремонтных организаций по устранению локальных дефектов на основе применения внутритрубных гильз.

Апробация работы.

Основные положения работы были представлены на: научнопрактической конференции «Проблемы эксплуатации транспортных систем в суровых условиях» в 2001г., на региональной конференции «Молодые ученые в решении проблем АПК» в 2003 г., региональной научно-практической конференции «Нефть и газ. Новые технологии в системах транспорта» в 2004г., расширенном заседании кафедры общетехнических дисциплин Тюменской государственной сельскохозяйственной академии в 2005г., на научнотехническом семинаре Тюменского государственного нефтегазового университета в 2005 г.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 10 работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из изложена на 144 страницах, содержит 17 таблиц и 84 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы ее цель и основные задачи исследований, дана краткая характеристика работы. Отражена научная новизна полученных результатов и практическая значимость проведенных исследований.

В первой главе диссертации на основе обобщения научных публикаций отечественных и зарубежных авторов анализируются и систематизируются трубопроводов, включая метод введения в ремонтируемый трубопровод пропитанных смолами гибких рукавов с последующей их вулканизацией, метод «разрушения», методы с применением внутритрубных ремонтных гильз, методы, основанные на нанесении различных видов химических покрытий на внутреннюю поверхность существующего трубопровода, метод тролайнинг и такие новые разрабатываемые методы как метод «труба в трубе». Выявлены достоинства и недостатки каждого из них. Показано приоритетное развитие материалов и технологий.

ремонтными оболочками и их конструкция (рис. 1).

Рис. 1. Применение гильз при внутритрубном ремонте трубопроводов.

а- для устранения одиночных дефектов, б- для соединения полиэтиленовых труб; 1металлическая гофрированная гильза рабочем положении); ремонтируемый трубы.

Показано, что применение такой технологии является актуальным для ремонта локальных дефектов трубопроводов на труднодоступных участках.

Гофрированные оболочки можно применять не только для устранения локальных дефектов, но и для соединения полимерных вставок внутри ремонтируемого стального трубопровода.

Отсутствие теоретически обоснованных и практически приемлемых методов расчета технологических параметров средств для ремонта магистральных трубопроводов гофрированными ремонтными гильзами определило цель и задачи исследований.

Во второй главе приведены результаты исследований, обосновывающие конструктивные решения внутритрубных ремонтных элементов.

Исходя из допусков на геометрические параметры применяемых труб и монтажно-технологические дефекты трубопроводов определена технологически обоснованная минимальная толщина гофрированной оболочки и толщина полимерного слоя.

Проведенные расчеты показали, что рассчитанная толщина полимерного слоя в сумме с толщиной гофрированной оболочки не превышает 2 % от диаметра трубопровода. Что соответствует условиям прохождения инспекционных снарядов и разделительных поршней по внутренней полости отремонтированного трубопровода.

Исследован гидравлический режим течения транспортируемой среды в зоне монтажа ремонтной гильзы. Установлено, что при максимально допустимой толщине ремонтной оболочки гидравлические потери для диаметров труб, применяемых в строительстве магистральных трубопроводов, являются незначительными. Поэтому снижение пропускной способности трубопровода после проведения ремонтно-восстановительных работ практически не изменится.

Исследована возможная геометрия гофрированных оболочек, определены наиболее технологичные формы. При гофрировании внутренних гильз возможно два различных подхода (рис. 2):

- гофрообразование с постоянной кривизной изгиба при двухстороннем фиксировании на ложементе (рис. 2,б);

распределенных по образующим нагрузок (рис. 2, а).

В первом случае количество гофр может изменяться от 3 до бесконечности. Но максимальное число гофр ограничивается толщиной оболочки и ее допустимой деформацией, что предопределяет радиус кривизны гофры r, который найден по формуле где – толщина стенки гофрированной оболочки, м;

– деформация наружных слоев стенки гофрированной оболочки, %.

Отношение конечного радиуса окружности Rк (равного радиусу окружности расправленной оболочки) к радиусу окружности Rн, описывающей гофрированную оболочку, при увеличении числа гофр и одновременном уменьшении их радиуса кривизны приводит к росту соотношения (рис. 3).

Из графика на рис. 3 видно, что увеличение числа гофр более 10 дает малый рост отношения Rк/Rн. Поэтому практически увеличение числа гофр более 10-12, с точки зрения увеличения конечного диаметра гофрированной оболочки после расправления, преимуществ не дает. Поэтому дальнейшее увеличение числа гофр не имеет смысла.

Для исследования второй схемы формообразования гильз в области упругой и пластической деформации был создан стенд плоского сечения трубопровода в котором оболочка деформировалась осесимметричными внешним нагрузкам. На первом этапе ставилась задача определения схемы нагрузки, при которой внешний радиус деформированной оболочки был бы проведенных экспериментов была выбрана схема с восьмью жимками, обеспечивающая выполнение данного условия.

На втором этапе фиксировался профиль деформируемой оболочки, форму которого аппроксимировали полиномиальными уравнениями.

По полученным уравнениям определялась кривизна в каждой точке деформируемой оболочки и значения соответствующих напряжений.

На основании проведенных расчетов определялись участки с упругой и пластической деформацией, что позволяло прогнозировать поведение ремонтной гильзы при снятии с нее нагрузок во время установки в рабочее положение и оценить остаточные деформации при разных схемах нагружения.

экспериментальное моделирование схем деформации оболочки. Получены формы гильз, позволяющие проводить доставку к месту установки и последующий их монтаж. Получены данные о геометрии и распределении напряжений по контуру гильз.

Третья глава посвящена вопросам соединения полимерных вставок, представляющих собой тонкостенные полиэтиленовые трубы, устанавливаемые внутри ремонтируемого трубопровода и соединяемые внутри него с помощью гофрированных оболочек.

Установлено, что прочность соединения с помощью гофрированных оболочек зависит не только от режимов нагрева, но и от первоначального расстояния с между полимерными вставками перед процессом сварки (рис. 4) Рис. 4 Сварка полимерных вставок с помощью гофрированных элементов.

1-ремонтируемый трубопровод; 2- закладной элемент (гофрированная оболочка после распрямления); 3-свариваемые полиэтиленовые образцы.

В ходе экспериментальных исследований за критерий прочности было принято разрывное усилие, зарегистрированное при испытании образцов на растяжение. Образцы сваривались на специально изготовленной для этих целей установке. Для планирования эксперимента и обработки полученных данных, использовался программный комплекс Statistica. На основе регрессионного анализа результатов рототабельного плана получено уравнение регрессии в натуральных значениях факторов где Т- температура поверхности нагревателя, при которой получены испытываемые образцы, С;

с- расстояние между полимерными образцами перед процессом сварки, мм;

F- максимальное разрывное усилие, зарегистрированное при испытании образцов на растяжение, кН.

соединений, с помощью закладных элементов.

Для экспресс-расчетов требуемого времени разогрева полимерного слоя, наносимого на наружную поверхность гофрированной оболочки, решена задача распространения тепла в двухслойной стенке, даны рекомендации для практического определения пороговых значений времени нагрева при различной тепловой мощности источников тепла. В частности, получена упрощенная формула для расчета минимально допустимого времени разогрева гофрированной оболочки с полиэтиленовым слоем где min – минимальное время нагрева, с;

– толщина полиэтиленовой стенки, мм;

q- плотность теплового потока, Вт/м2.

Формула (3) применима для =15 мм и q=25005000 Вт/м2.

Таким образом, экспериментальные исследования позволили получить аналитические зависимости прочностных свойств соединения полиэтиленовых оболочек от конструкционных параметров закладных элементов и режимов их нагрева.

В четвертой главе разработаны общие конструктивные решения оборудования для ремонта трубопроводов внутритрубными ремонтными гильзами. В частности, доставку ремонтных гильз предлагается осуществлять с помощью оборудования, использующего узлы установок наклоннонаправленного бурения. При этом возникает необходимость определения положения ремонтной вставки по отношению к дефекту трубопровода и оценка возможного смещения гильзы вследствие потери устойчивости штанги установки. Расчет потери устойчивости штанг проводился для разных схем их крепления к ремонтному блоку, а именно с центральным креплением, и креплением к нижней части ремонтного блока. В работе получены зависимости по определению положения ремонтного оборудования по отношению к дефекту трубопровода. Это позволяет оценить возможное смещение при потере устойчивости штанги для различных конструктивных схем. Установлено, что при креплении к нижней части ремонтного блока штанга имеет большую устойчивость.

Найдена зависимость для определения критической длины, при которой штанга, лежащая на нижней образующей ремонтируемого трубопровода теряет устойчивость где Lкр – длина, при которой штанга теряет устойчивость, м;

k – коэффициент трения штанги о внутреннюю поверхность ремонтируемого трубопровода;

E – модуль упругости материала штанги, Па;

J – момент инерции сечения, м4;

D – внутренний диаметр ремонтируемого трубопровода, м;

de – внешний диаметр штанги, м;

m – масса единицы длины штанги, кг;

Т0 – сила сопротивления движению ремонтного блока и вставки, Н.

Выявлено, что имеются оптимальные соотношения диаметров полых штанг (наружного и внутреннего) при которых ее критическая длина имеет выраженный максимум, слабо зависящий от диаметра трубы, внутри которой направляющая штанга теряет устойчивость (табл.1).

di мм рекомендации по определению оптимальных конструктивных параметров штанг.

Перемещение оборудования в полости трубы приводит к измененинию угловой ориентации ремонтного блока за счет кручения штанги, вызванного смещением центра тяжести силового блока. Так как при ремонте требуется точная установка гильзы, в работе получены зависимости по определению угловой координаты силового блока от его конструктивного исполнения и параметров направляющих штанг (рис.5).

Рис. 5 Угол закручивания штанги в зависимости от длины штанги при разных начальных положениях центра тяжести силового блока Создана рабочая модель силового блока, деформирующего оболочку в месте монтажа, позволяющая экспериментально определять усилия, развиваемые рабочими органами при радиальной деформации торцевых частей полиэтиленовых труб при их сварке закладными элементами.

Проведена оценка рабочих характеристик силового блока. Получены данные по неравномерности усилий при использовании схемы с раздельным приводом гидроцилиндров для различного числа жимков.

Таким образом, получены результаты, позволяющие провести расчеты основных характеристик внутритрубного оборудования и оценить его технологические возможности.

Основные выводы по диссертации деформируемых оболочек, смоделированы технологически рациональные формы гофрированных гильз. Проведен расчет напряжений по контуру оболочек, определены зоны упругих и пластических деформаций.

2. Получены аналитические зависимости для определения положения ремонтного оборудования с учетом потери устойчивости направляющих штанг.

Установлено, что при положении штанг на нижней образующей ремонтируемой трубы, критическая длина имеет максимум, определяемый соотношением диаметров полых штанг и коэффициентом трения. Показано, что критическая длина слабо зависит от диаметра трубопровода.

3. По результатам проведенных экспериментов получены зависимости прочности соединения полиэтиленовых образцов (ПЭ-80) от режимов нагрева и конструкционных параметров закладных элементов. Разработаны практические рекомендации по определению оптимальных режимов и условий образования сварных соединений. Получены аналитические выражения для определения пороговых значений времени нагрева полиэтиленовых оболочек, в зависимости от их геометрических параметров и заданного теплового потока.

4. Разработаны общие конструктивные решения технических средств для ремонта трубопроводов внутренними гильзами. Создана рабочая модель силового блока. Определены необходимые усилия для заданной величины деформации внутренних гильз, в том числе с учетом краевого эффекта.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Бердышев В.В. Нетрадиционные методы ремонта трубопроводов / В.В.

Бердышев, Б.Г. Котляр - Актуальные вопросы в АПК. Сб.науч. трудов.– Тюмень: ТюмГСХА, 2001. - С.204-206.

Салтанов Д.В. Расчет сил трения при движении в пространственно искривленных трубопроводах / Д.В. Салтанов, С.Ю. Торопов, В.В. Бердышев, Е.В. Сапожников // Проблемы эксплуатации транспортных систем в суровых условиях. Тезисы докладов. Тюмень: ТюмГНГУ, 2001. - С.87-93.

Бердышев В.В. Использование бестраншейных методов ремонта для восстановления трубопроводных систем / В.В. Бердышев, Б.Г. Котляр, С.Ю.

Торопов // Молодые ученые в решении проблем АПК. Тезисы докладов.

Тюмень: ТюмГСХА, 2003.-С. 218-200.

Торопов С.Ю. Исследование прочности соединений полиэтиленовых образцов, с закладными металлическими элементами / С.Ю. Торопов, В.В.

Бердышев // Вопросы состояния и перспективы развития нефтегазовых объектов Западной Сибири. Сб. науч. трудов. –Тюмень: ТюмГНГУ, 2003. С.106- Бердышев В.В. Нестационарный нагрев двухслойного цилиндра / В.В.

Бердышев, А.И. Горковенко, С.Ю. Торопов // Аграрная наука на современном этапе. Сб.науч. трудов.–Тюмень: ТюмГСХА, 2004. - С. 254-258.

Невмержицкий И.А. Температурно-временная зависимость прочности полимерных материалов / В.В. Бердышев, А.А. Кошелев, В.И. Свидерский // Сборник научных трудов молодых ученых. Сб.науч. трудов. -Тюмень:

ТюмГСХА, 2004. - С.45-49.

Торопов С.Ю., Конвективный теплообмен в конструкциях типа «труба в трубе» / С.Ю. Торопов, В.В. Бердышев // Нефть и газ. Новые технологии в системах транспорта. Тезисы докладов. Ч.2.-Тюмень: ТюмГНГУ, 2004.-С.87-90.

Торопов С.Ю. О длине зоны влияния краевого эффекта цилиндрической осесимметрично нагруженной оболочки / С.Ю. Торопов, В.В. Бердышев, Н.В.

Николаев // Нефть и газ. Новые технологии в системах транспорта. Тезисы докладов. Ч.2.-Тюмень: ТюмГНГУ, 2004.-С.90-94.

Торопов С.Ю. Расчет смещения ремонтного элемента при потере устойчивости штанги / С.Ю. Торопов, С.М. Дорофеев, В.В. Бердышев // Нефть и газ. Новые технологии в системах транспорта. Тезисы докладов. Ч.1.-Тюмень:

ТюмГНГУ, 2004.- С.64-68.

Торопов С.Ю. К вопросу применения закладных металлических 10.

элементов при соединении пластмассовых труб / С.Ю. Торопов, Т.Г.

Пономарева, В.В. Бердышев // Известия ВУЗов. Нефть и газ. –Тюмень:

ТюмНГУ, 2005, №1.-С. 67-70.

Тюменского Аграрного Академического Союза