Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

Создание и использование пластмассовых трубопроводов в нефтегазовой отрасли России

Специальности: 07.00.10 - «История науки и техники» 25.00.19 - «Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ»

Фаттахов М.М.

Уфа-2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет».

Научный консультант доктор технических наук, профессор

Шаммазов Айрат Мингазович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент

Джафаров Керим Исламович;

доктор технических наук, профессор

Буренин Владимир Алексеевич;

доктор технических наук

Сощенко Анатолий Евгеньевич.

Ведущая организация ГУП «Институт проблем транспорта энергоресурсов» (г. Уфа)

Актуальность темы. Большую роль в становлении нефтегазовой отрасли России сыграли возникновение и развитие системы трубопроводного транспорта продукции нефтяных, газовых и газоконденсатных месторождений. Опыт эксплуатации трубопроводной системы свидетельствует о снижении эффективности их эксплуатации из-за наличия внешней и внутренней коррозии. Для устранения этих негативных явлений наряду со специально используемыми методами борьбы с коррозией в металлических трубопроводах все более широкое распространение получает использование пластмассовых труб.

Пластмассовые трубопроводы используются при создании современных нефтепроводных напорных систем для транспортировки нефти, газа, многофазных многокомпонентных систем и нефтепродуктов, выкидных линий нефтяных скважин, сборных нефтяных коллекторов и различных трубопроводных систем инженерной инфраструктуры нефтегазовой отрасли, что обусловлено их стойкостью к воздействию агрессивных сред, большой долговечностью, удельной прочностью и высокой технологичностью.

В связи с необходимостью обеспечения высокой эксплуатационной надежности трубопроводной системы в нефтегазовой отрасли России исследование исторических этапов использования пластмассовых трубопроводов и разработка рекомендаций по усовершенствованию способов их практического применения являются крайне важными и актуальными задачами.

Цель диссертационной работы - исследование исторических этапов использования пластмассовых трубопроводов в нефтегазовой отрасли и разработка рекомендаций по повышению эффективности их практического применения. В соответствии с целью исследования были поставлены следующие задачи:

· анализ историко-технического состояния научных и практических исследований в области применения полимеров с начала XIX до середины XX вв.;

· исследование исторических этапов развития научных и практических основ использования пластмассовых трубопроводов в нефтегазовой отрасли России;

· изучение этапов применения и эксплуатации пластмассовых трубопроводов при транспортировании продуктов нефтяных и газовых месторождений и вклада научно-исследовательских организаций и промышленных предприятий нефтегазового комплекса России по созданию пластмассовых трубопроводных систем;

· проведение исторического анализа развития технологического оборудования строительства и реконструкции пластмассовых трубопроводов;

· исследование технологических параметров транспортирования нефти, газа и многофазных многокомпонентных потоков по пластмассовым трубопроводам и разработка методики их расчета при транспортировании газонефтяных смесей;

· исследование и прогнозирование химической стойкости пластмассовых трубопроводов при транспортировании продукции нефтегазовых месторождений;

· исследование влияния грата в сварных соединениях на гидродинамические характеристики пластмассовых трубопроводов;

· анализ способов технологии монтажа при строительстве и реконструкции пластмассовых трубопроводов и их совершенствование.

Научная новизна работы. В результате изучения литературных и архивных материалов впервые создана целостная историческая картина хронологии развития и промышленного производства синтетических полимеров.

Проанализированы особенности создания и развития трубопроводных транспортных коммуникаций при формировании систем жизнеобеспечения человеческого общества. Впервые исследованы исторические этапы развития научных и практических основ использования пластмассовых трубопроводов.

Впервые проведено комплексное историко-техническое исследование деятельности научно-исследовательских учреждений России в области разработки технологии транспорта углеводородного сырья по пластмассовым трубопроводам. Показан значительный вклад научно-исследовательских организаций и предприятий нефтегазового комплекса Республики Башкортостан в промышленное внедрение пластмассовых труб при добыче и транспортировке нефти и газа на нефтепромыслах республики.

Впервые проведен анализ становления способов строительства и создания технологического оборудования для траншейного и бестраншейного строительства, выявлены два основных исторических этапа их развития.

Разработаны новые классификации пластмассовых труб по конструктивным особенностям, используемым материалам и способам технологии сооружения.

Впервые осуществлено прогнозирование химической стойкости пластмассовых трубопроводов в условиях перекачки агрессивных сред. Установлен характерный минимум зависимости коэффициента химической стойкости материала трубы от диаметра пластмассового трубопровода и смещение этого минимума в сторону больших значений диаметра труб с ростом температуры.

Обоснована величина гидравлического сопротивления грата в сварных соединениях пластмассовых трубопроводов.

Проведено исследование изменения производительности реконструируемого трубопровода методом протаскивания в нем пластмассового трубопровода, выявлена зависимость величины изменения производительности от режима движения жидкостного потока (увеличение 35-40 % в области квадратичного трения).

Практическая значимость работы

Разработана информационная база данных по истории открытий искусственных полимеров и их промышленного применения, развития трубопроводного транспорта и научных исследований в области пластмассовых трубопроводов, используемых в нефтегазовой отрасли России.

Разработан новый способ ограничения высоты грата в сварных соединениях при контактной тепловой сварке встык пластмассовых труб, и предложена конструкция устройства для его осуществления.

Предложены новые технические решения при осуществлении бестраншейной технологии восстановления изношенных трубопроводов и создании технологического оборудования для их проведения.

Результаты диссертационного исследования используются при проектировании промысловых трубопроводных систем и разработке стандартов предприятий АНК «Башнефть», ГУП «Институт проблем транспорта энергоресурсов» (г. Уфа), АН РЦ НТО «Башпромбезопасность» (г. Уфа).

Материалы диссертационного исследования применены при разработке и внедрении на ЗАО «Нижнетагильский трубный завод» (г. Н. Тагил) технологии производства полимерных армированных труб, их соединений и соединительных деталей.

Результаты диссертационного исследования используются при подготовке студентов специальности 130501 «Проектирование, сооружение и эксплуатация газонефтепроводов и газохранилищ» (направление 130500 «Нефтегазовое дело») и специальности 270112 «Водоснабжение и водоотведение» (направление 270100 «Строительство»).

Практическое применение проведенных исследований отражено в 4 патентах Российской Федерации.

Апробация работы. Результаты работы представлены: на IV Международной научно-технической конференции «Казахстанский нефтегаз. Оборудование и сервисная индустрия нефтегазового комплекса. Химия-2003» (15-17 апреля 2003 г., г. Астана); III Российской конференции с международным участием «Трубопроводные системы: реконструкция, ремонт, строительство» (23-26 ноября 2004 г., г. Москва); Международном научно-техническом Российско-Германском семинаре «Трубопроводные системы инженерной инфраструктуры из полимерных материалов» (3 октября 2005 г., г. Уфа); IV Российской научно-технической конференции «Трубопроводные системы: строительство, эксплуатация, ремонт» (22-24 ноября 2005 г., г. Москва); XV ежегодном Международном конгрессе «Новые высокие технологии газовой, нефтяной промышленности, энергетики и связи» CITOG' 2005-Югра (6-10 сентября 2005 г., г. Ханты-Мансийск); научно-практической конференции «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» в рамках VI Конгресса нефтегазопромышленников России (25-28 мая 2005 г., г. Уфа); V Международной научно-технической конференции «Надежность и безопасность магистрального трубопроводного транспорта» (7-9 июня 2006 г., г. Новополоцк, Республика Беларусь); Международной научно-технической конференции при XIV Международной специализированной выставке «Газ. Нефть. Технологии-2006» (22-25 мая 2006 г., г. Уфа); VII Международной научной конференции «Современные проблемы истории естествознания в области химии, химической технологии и нефтяного дела» (21-23 ноября 2006 г., г. Уфа); VII Конгрессе нефтегазопромышленников России «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа» (22-25 мая 2007 г., г. Уфа); IX Международной научной конференции «Современные проблемы истории естествознания в области химии, химической технологии и нефтяного дела» (15-17 декабря 2008 г., г. Уфа).

Публикации. По теме диссертации имеется 93 публикации, в том числе 2 монографии и 35 статей.

Структура диссертации. Диссертация изложена на 368 страницах машинописного текста, включает 18 таблиц, 37 рисунков и состоит из введения, шести глав, выводов, приложений и списка литературы из 325 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Развитие научных и практических основ использования пластмассовых трубопроводов для обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа

Развитие производства полимерных материалов в середине ХХ в. привело к появлению пластмасс, которые стали использоваться в качестве исходного сырья для изготовления различных промышленных изделий и конструкций.

Химия полимеров формировалась в конце ХIХ-начале ХХ вв., когда ученые начали искать методы получения полимеров химическим путем. На начальном этапе синтетические вещества использовались вместо известных природных полимеров и материалов: древесины, каучука, шелка, слоновой кости и др. Дальнейшее развитие промышленности полимерных материалов привело к появлению пластмасс и эластомеров, многие из которых обладают специфическими свойствами.

Химия полимеров возникла в связи с созданием А.М. Бутлеровым в начале 1860-х гг. теории химического строения. С этого времени формируется сырьевая база производства для вновь синтезируемых полимеров и пластмасс, а потребности различных отраслей экономики развитых стран побудили развернуть массовое производство различных товаров на основе этих материалов.

Передовые научные исследования ученых Англии, Германии, США в конце XIX-начале XX вв. составили основу для развития соответствующих отраслей химической промышленности этих стран. Большой вклад в развитие химии полимеров внесли российские ученые. Одной из первых известных работ в этой области можно считать синтез термореактивной смолы - карболита, осуществленный в 1912 г. Г.С. Петровым, В.И. Лисевым и К.И. Тарасовым. Синтез этого вещества был проведен конденсацией фенола или крезолов с формальдегидом в присутствии катализатора - нефтяных сульфокислот. В 1914 г. было организовано производство карболита на заводе близ Орехово-Зуево, национализированном в начале 1919 г. и получившем название «Карболит». До 1922 г. это было единственное предприятие по производству пластмасс в России.

В 1921 г. началась разработка нового способа получения различных изделий из карболита - метода холодного прессования, внедренного в 1922 г. в производство. В 1926 г. был введен в эксплуатацию первый цех для производства карболитовых изделий методом горячего прессования. Это явилось начальным этапом производства широкого ассортимента изделий из термореактивных пластмасс в России. В этот период разрабатываются методы конструирования пресс-форм, создается российская школа конструирования, основателем которой является А.И. Кудаков.

В 1922 г. начались работы по получению целлулоида и фенолформальдегидных смол типа карболита на Охтинском пороховом заводе. В 1925 г. была завершена разработка технологии фенолформальдегидных смол. В этом же году было начато их производство. В 1926 г. на заводе был введен в эксплуатацию цех по получению целлулоида производительностью 150 т/г. В 1925 г. под Москвой был создан завод по производству белкового пластика галалита на основе казеина. Галалит применялся для изготовления различных изделий методом штамповки и механической обработки. Завод выпускал продукцию высокого качества и успешно проработал до конца 1970-х гг.

В последующие годы развитие пластмассового производства пошло по пути создания новых материалов и открытия производств для их изготовления.

Потребности производства в новых типах полимеров и материалов из них, необходимость освоения обширных инновационных проектов в области пластмасс потребовали значительного расширения масштабов научно-исследовательских работ. В период с начала 1930-х до конца 1970-х гг. были организованы ведущие научно-исследовательские учреждения в этой области.

Опыт развития этой отрасли показал, что наиболее эффективными для решения инновационных задач явились научно-производственные объединения, в состав которых включались научно-исследовательские подразделения и промышленные заводы и комбинаты, позволяющие эффективно внедрять в производство актуальные научные разработки. Именно такой подход в реализации планов развития химии пластмассовых материалов был осуществлен в 1970-1980-е гг.

В 1969 г. в Ленинграде на базе НИИПП и его экспериментального завода было организовано первое в промышленности пластмасс Охтинское НПО «Пластполимер» с включением в его состав Охтинского химического комбината, Ленинградского филиала Гипропласта и филиалов в Новосибирске и Грозном.

Исключительную роль в создании полимерных материалов нового типа и высокоэффективных технологических процессов их производства сыграли выдающиеся ученые России Г.С. Петров, С.Н. Ушаков, К.А. Андрианов, А.А. Берлин, А.А. Ваншейдт, Г.В. Виноградов, Н.С. Ениколопов, С.Н. Журков, В.А. Карпин, В.В. Коршак, М.М. Котон, И.П. Лосев, А.Н. Праведников, Б.Н. Рутовский, Н.Н. Семенов, Г.Л. Слонимский, Н.М. Эмануэль и др.

Особая страница в истории производства пластмасс в России - годы Великой Отечественной войны (1941-1945 гг.). В начале войны заводы по производству пластмасс и изделий из них и научно-исследовательские организации, расположенные в Москве, Московской области и Ленинграде, были эвакуированы на Урал и в Сибирь, и там на их базе в 1941-1942 гг. был создан ряд предприятий, в частности Кемеровский завод, Новосибирский химический завод, Свердловский и Нижнетагильский заводы пластмасс, Челябинский завод органического стекла и Новосибирский камфорный завод. В 1944 г. был организован Тюменский завод пластмасс. За короткий срок на этих заводах был организован выпуск продукции для нужд фронта. В 1943 г. на базе МЭЗа и Ленинградского института пластмасс в Москве был организован Научно-исследовательский институт пластмасс (НИИПМ).

Конец 1960-х гг. ознаменовался резким ростом использования пластмассовых материалов в различных отраслях экономики России. За счет строительства и ввода новых мощностей, реконструкции и технического перевооружения действующих производств, внедрения современных научно-технических разработок производство синтетических смол и пластмасс в период с 1966 по 1970 гг. увеличилось более чем в 2 раза: с 803 тыс. т в 1965 г. до 1670 тыс. в 1970 г.

В целях повышения эффективности производства изделий из пластмасс в 1978 г. было создано специализированное объединение «Союзпластпереработка», включившее 35 промышленных предприятий, научно-производственных объединений, проектный институт и ряд других организаций, 85% из которых территориально были расположены в России.

Интенсивное развитие нефтегазовой отрасли России в этот исторический период также способствовало расширению промышленного производства конструкционных пластмасс, которые в свою очередь позволили повсеместно использовать трубы и различные детали из них для трубопроводов при сборе и транспортировании продукции нефтегазовых месторождений.

Развитие нефтегазовой инфраструктуры России на современном этапе характеризуется стремительным расширением сферы применения пластмассовых труб в трубопроводных системах этой отрасли. Пластмассовые трубопроводы обладают рядом достоинств: высокая химическая стойкость к нефтегазовым средам, высокие диэлектрические свойства, малая величина шероховатости внутренней поверхности труб, небольшая плотность пластмассового материала, высокая технологичность строительства трубопроводов, эластичность и т. д. К их недостаткам можно отнести относительно невысокую механическую прочность (по сравнению с металлическими трубами), пониженную термостойкость, большой коэффициент температурного расширения, значительную хрупкость при низких температурах, горючесть. В настоящее время созданы пластмассовые трубы, позволяющие существенно сократить отмеченные недостатки и сделать этот вид труб конкурентоспособными.

Исходным сырьем для пластмассовых труб является термопластичные и термореактивные полимерные соединения (термопласты и реактопласты).

Создание классификационных схем позволяет оценить состояние рассматриваемого вопроса на определенном историческом этапе, систематизировать накопленные знания, обосновать направление развития в рассматриваемой области. Как видно из рисунков 1 и 2, для труб из полимерных материалов имеется возможность изменения уровня одних эксплуатационных характеристик за счет других. Существенным признаком классификации пластмассовых труб является их конструктивная характеристика, поскольку именно это определяет прочность конструкции труб и возможность транспортирования по ним различных сред. Для каждого типа полимера и конструкции трубы существуют определенные границы по возможным напряжению и температуре эксплуатации, экономическим факторам, в пределах которых применение того или иного вида трубы наиболее выгодно. При игнорировании этих показателей преимущества труб из одних материалов перед другими теряются.

Количество труб, изготовленных из термопластов, к началу 1990-х гг. измерялось десятками тысяч километров. Наиболее широкое применение получили различные модификации полиэтилена, полипропилена и поливинилхлорид.

Из реактопластов наибольшее распространение при изготовлении труб для промысловых условий эксплуатации нашли стеклопластиковые трубы. Материал для труб создается в процессе изготовления, и свойства его в основном зависят от используемых компонентов, их массового соотношения, вида армирования, способа изготовления и ряда других факторов.

Область использования стеклопластиковых труб очень широка и зависит от свойств связующего полимера. Стеклопластиковые трубы обладают повышенной прочностью при растяжении, что позволяет выдерживать давление до 2,5 МПа. Основными достоинствами труб из реактопластов являются их высокая коррозионная стойкость, значительная прочность, низкие шероховатость, коэффициент линейного расширения, теплопроводность, способность сопротивляться действию блуждающих токов и отложений парафина, невысокая плотность, легкость монтажа, длительный срок эксплуатации, экологичность при строительстве и эксплуатации. Трубы диаметром до 500 мм нашли широкое применение на нефтепромыслах (обсадные и насосно-компрессорные трубы, трубы для транспортирования нефти, водогазонефтяных эмульсий, попутного газа), в системах транспорта пластовой воды и других агрессивных сред. Реактопласты используются также для футеровки труб, выполненных из других материалов с целью повышения их стойкости к агрессивным средам.

Разработанные в середине 1970-х гг. комбинированные пластмассовые трубы сочетают в себе свойства различных материалов: рабочие поверхности выполняются из химически стойкого материала (пластмассы), а силовые несущие элементы - из металла или волокнистых материалов. Основным преимуществом многослойных композитных труб является объединение достоинств пластмассовых труб в одном материале, имеющем хорошую прочность на разрыв в сочетании с гибкостью и коррозионной стойкостью. На строительном рынке они появились в начале 1980-х гг.

К началу 1990-х гг. широкое распространение получили металлопластмассовые трубы. Важной их особенностью является небольшой коэффициент теплового расширения. Это позволяет обходиться без компенсаторов, увеличивать расстояние между опорами при монтаже. Металлопластмассовые трубы и фитинги универсальны и могут использоваться в системах транспортировки различных жидкостей и газов. Высокая гибкость трубы и стабильность приданной ей формы позволяют свести к минимуму использования соединительных частей.

Уже в 1989 г. на нефтяных месторождениях Сибири, Удмуртии, Башкирии, Северного Кавказа и Западного Урала эксплуатировалось около 2500 км металлопластмассовых труб на выкидных линиях систем нефтесбора с рабочим давлением до 4 МПа.

Рисунок 1 - Классификация материалов, используемых при производстве пластмассовых труб



Рисунок 2 - Классификация труб с применением пластмасс при их изготовлении

Одной из разновидностей комбинированных труб, успешно внедренных в нефтегазовую инфраструктуру, являются бипластмассовые трубы, представляющие собой тонкостенные полиэтиленовые трубы, упрочненные наружной стеклопластиковой оболочкой. Высокие физико-механические свойства и химическая стойкость бипластмассовых труб позволяет широко применять их для строительства выкидных линий нефтегазовых скважин, сборных коллекторов, газопроводов, нефтепродуктопроводов.

В целом, в трубопроводном транспорте к 1990-м гг. сформировалась тенденция отказа от применения металлических труб в тех областях нефтегазовой инфраструктуры, где возможно эффективное использование пластмассовых труб.

Глава 2. Исторические аспекты развития исследований по изучению факторов, осложняющих применение и эксплуатацию трубопроводов из пластмассовых материалов

На начальном этапе использования труб из полимерных материалов производилась качественная оценка стойкости материалов в различных химических соединениях. В России в 1970-е и в начале 1980-х гг. появилось большое количество исследовательских работ по изучению сравнительной стойкости конструкционных полимеров к действию нефтепромысловых сред.

В начале 1980-х гг. в НИИТЭХИМ был разработан каталог, в котором обобщались результаты многолетних исследований различных организаций и предлагалось относительную коррозионную стойкость полимерных материалов оценивать по трехбалльной системе.

В этом каталоге приведены данные о химической стойкости труб из четырех наиболее распространенных в России и за рубежом термопластов: полиэтилена низкой плотности, полиэтилена высокой плотности, полипропилена и поливинилхлорида в более чем 800 агрессивных органических и неорганических средах.

Составители каталога химической стойкости труб из термопластов рекомендуют систематизированные данные рассматривать как ориентировочные, поскольку в источниках, данные которых легли в основу настоящего каталога, в большинстве случаев не освещены условия испытания (нагружение, время экспозиции, изменения в весе и объеме и т.д.). Окончательное заключение о пригодности и долговечности труб в контакте с газоводонефтяными смесями продукции скважин нефтяных и газовых месторождений может быть составлено на основе испытаний, проведенных в условиях, близких к эксплуатационным.

В 1982 г. ВНИИСТ и ВНИИСПТнефть были проведены научно-исследовательские работы по исследованию изменения свойств полимерных материалов в условиях нефтегазосбора и утилизации сточных вод. В соответствии с планом работ были детально исследованы вопросы воздействия нефти и нефтепродуктов на полиэтиленовые трубы и их сварные соединения, а также определялось изменение их работоспособности (ползучести, долговечности) в условиях транспортировки продукции скважин (нефти и минерализованной воды). Объектом исследований явились трубы из полиэтилена марок ПНД63С и ПВД160СЛ (ГОСТ 18599-83) и их сварные соединения. Исследовались диффузия нефти в полиэтилен марки ПНД63С и влияние ее на механические свойства материала труб и их сварные соединения, долговечность сварных соединений труб ПВД160СЛ при одноосном растяжении в различных средах (воздух, нефть, дизельное топливо), а также долговечность этих труб при гидростатическом нагружении нефтью. Процесс диффузии нефти в материал труб изучали сорбционно-весовым методом на кольцах, полученных из труб ПНД63С при различных температурах испытания (20-60 ^оС).

Изменение параметров, характеризующих механические свойства материала труб и их сварных соединений, оценивалось растяжением на образцах, равномерно насыщенных по толщине нефтью до определенной концентрации. Изучение долговечности сварных соединений труб из материала ПВД160СЛ проводили на стендах для длительных испытаний при температуре 20 ^оС. Испытуемыми средами явились воздух, нефть, дизельное топливо. Фиксировались величины нагрузки, время для разрушения и характер разрушения образцов. В результате этих испытаний получены кривые сорбции нефти в полиэтилен, качественная картина которых затем неоднократно подтверждалась другими испытаниями. В этих исследованиях было показано, что полиэтилен ограниченно набухает в нефти, при этом предельные концентрации нефти для рассмотренной марки полиэтилена в зависимости от температуры (20-60^оС) составляет (4,90-7,41 %).

При исследовании процесса сорбции нефти в полиэтилен была установлена возможность применения к его описанию закона Фика. Кратковременные испытания на растяжение образцов сварных соединений и материала труб с различной концентрацией нефти в полиэтилене показали, что прочность и модуль упругости материала уменьшается с увеличением концентрации, а относительное удлинение возрастает. Детально было исследовано изменение относительной деформации полиэтиленовых (ПНД) образцов (марки 203-01 ГОСТ 16338-85) от концентрации нефти и дизельного топлива (ГОСТ 305-82). Установлено, что в течение шести лет наружный диаметр патрубка вследствие ползучести при действии внутреннего давления 0,4 МПа при нагружении водой увеличился на 2,8%, а при нагружении нефтью на 7,5%, т.е. ползучесть полиэтиленовых труб при действии нефти оказалась в 2,6 раза выше, чем при действии воды.

В 1967 г. Д.Ф. Каганом была использована для аналитического описания экспериментальных данных логарифмическая модель ползучести. Было показано, что эта модель удовлетворительно описывает экспериментальные данные с погрешностью не более 5-7 %.

Исследования Д.Ф. Кагана позволяют сделать вывод о том, что при проектировании полиэтиленовых трубопроводов помимо расчета на долговечность необходимо производить проверочный расчет на предельную деформацию ползучести на весь нормативный период эксплуатации трубопровода. Эта деформация (относительное увеличение наружного диаметра труб) не должна превышать 3%.

При исследовании стойкости конструкционных полимеров к действию нефти особенно важным является изучение их воздействия в местах сварных соединений труб. Работы, проведенные в ВНИИСТ в 1984 г., позволили оценить влияние нефти на сварные соединения путем анализа изменений кратковременной прочности при растяжении, стойкости к растрескиванию под напряжением в растворах поверхностно-активных веществ, а также долговечности при испытании внутренним гидростатическим давлением сварных патрубков. Были рассмотрены все возможные комбинации сварных соединений труб, которые являются наиболее характерными для практики строительства, эксплуатации и ремонта трубопроводов, транспортирующих нефтесодержащие среды. Все образцы разрушались в околошовной зоне, прочность соединений находилась на уровне прочности основного материала труб.

Было установлено, что повышение стойкости сварных соединений к растрескиванию при воздействии нефти происходит по следующим причинам:

· из-за пластификации поверхностного слоя трубы снижается концентрация напряжений в дефектах поверхности;

· пластификация материала приводит к сдвигу его релаксационного спектра в сторону уменьшения времени релаксации, что способствует снижению сварочных напряжений;

· набухание материала приводит к перераспределению напряжений по толщине стенки трубы в сторону их снижения в наиболее дефектных поверхностных слоях.

Гидростатические испытания показали, что при насыщении полиэтиленовых труб нефтью долговечность сварных соединений не уступает долговечности основного материала трубы.

В конце 1960-х и начале 1970-х гг. начались комплексные исследования по использованию стеклопластиковых и полиэтиленовых труб в системе промыслового сбора продукции скважин в производственном объединении «Башнефть» и УфНИИ (позднее во ВНИИСПТнефть). Эти исследования проводились Л.Г. Колпаковым, А.Н. Гоником, Н.Г. Пермяковым, В.Я. Мироновым, Ю.Г. Рождественским, Д.В. Золотовым и др. Было установлено, что при работе стеклопластиковых труб в средах с температурой выше 82 ^оС в них возникают довольно высокие термические напряжения за счет большой разницы коэффициентов линейного расширения стеклонаполнителя и связующего. Величина этих напряжений зависит от соотношения стекловолокна и смолы.

Дальнейшие исследования, проведенные Н.Г. Пермяковым, А.Н. Тынным, Ю.В. Моисеевым и др., показали, что воздействие сред нефтепромыслов необходимо рассматривать как воздействие многокомпонентной смеси, состоящей из различных составляющих, которые сами по себе и в комплексе оказывают существенное влияние на свойства полимеров трубопроводов.

Оценка стойкости полиэтилена к углеводородному газу была проведена в цикле работ В.С. Логинова, Г.К. Кайгородова и других исследователей с 1969 по 1991 гг. Опыт эксплуатации газопроводов из полиэтиленовых труб показал высокую стойкость материала к природному газу и меньшую устойчивость к сжиженной и газообразной пропан-бутановой смеси. Было установлено, что от воздействия паровой фазы этих газов материал набухает, а при длительном нахождении в жидкой фазе теряет часть массы. Это особенно касается полиэтилена низкой плотности. Было также отмечено, что воздействие активных сред проявляется в большей степени на полиэтиленовые конструкции, находящиеся в напряженном состоянии.

Как показали исследования, проведенные во ВНИИСТ, ВНИИСПТнефть, ПО «Башнефть» и др., при формировании окончательного заключения о стойкости и долговечности пластмассовых труб в контакте с интересующей средой необходимо провести анализ конкретных условий и всех факторов, влияющих на химическую стойкость пластмасс. В качестве количественной характеристики для определения расчетного сопротивления материала труб или рабочего давления в этих исследованиях предлагается использовать коэффициент химической стойкости материала трубопровода. При транспортировании нефти, представляющей собой смесь ароматических и алифатических веществ, по пластмассовым трубопроводам коэффициент химической стойкости следует принимать 0,7 (при температуре нефти 60 °С и напряжении в стенке труб 5 МПа) и 0,95 (при температуре 60 °С и напряжении в стенке труб 3 МПа). При температуре 20 °С и напряжении материала труб 4,5 и 2,8 МПа долговечность рекомендуется принять равной 23 годам. В ряде исследований показано, что долговечность полиэтиленовых труб при транспорте нефти зависит от условий эксплуатации трубопровода и толщины стенки используемых труб. В силу небольшого числа входных параметров для определения коэффициента химической стойкости воспользоваться приведенными значениями этого коэффициента по предложенным моделям крайне сложно. На рисунке 3 показана полученная в работе зависимость параметров коэффициента химической стойкости от изменения диаметра труб, позволяющая количественно оценит влияние различных факторов на эксплуатационные характеристики материала пластмассовых труб.

В работе установлено, что зависимость коэффициента химической стойкости от диаметра трубопровода имеет характерный минимум. Объясняется это тем, что данный параметр снижается с возрастанием давления в трубопроводной системе, однако с ростом диаметра возрастает также толщина стенок труб, что ведет к некоторому росту коэффициента химической стойкости материала труб. Расчеты также показали, что с ростом температуры значение этого коэффициента снижается и минимум смещается в сторону больших значений диаметра труб.

С 1965 г. изучались токсикологические характеристики наиболее распространенных в России термопластов, знания о которых особенно важны в процессе сварки труб.

Опыт эксплуатации промысловых систем сбора нефти и газа показал, что отложения из асфальтосмолистых веществ и парафина на внутренней поверхности труб являются одним из значимых факторов, снижающих эффективность применения и эксплуатации трубопроводных систем из полимерных материалов.

Рисунок 3 - Зависимость коэффициента химической стойкости

Материал труб - полиэтилен низкого давления. (Д = 0.62•10^-3 м²/г,

А = 1,49•10⁶ год, в₁ = - 6,4, в₂ = 1,3; в = 0,447, С? = 4,9%, К₂ = 150 МПа,

К₃= 0,353, К₄ =0,045). Д, А, в₁, в₂, , С?, К_2, К₃ , К₄ - параметры модели диффузии нефти в ПНД. Кривые: 1 - при температуре 20 °С; 2 - 40 °С; 3 - 60 °С

КХ от диаметра труб Дтр.

Одним из первых в отечественной науке влияние качества обработки внутренней поверхности труб на интенсивность их запарафинирования было определено в 1955 г. П.П. Галонским, который показал, что неровная поверхность, наличие шероховатости и оспин коррозии способствуют большей интенсивности отложений парафина.

В.П. Тронов исследовал свойства более 50 материалов различной природы и выявил, что энергетическое состояние поверхности играет исключительно важную роль в процессе ее парафинизации при контакте с нефтью.

В качестве косвенных показателей полярности поверхности им рассматривались диэлектрическая проницаемость и угол смачивания на границе раздела «твердое тело - вода - воздух». Было установлено, что с увеличением полярности (гидрофильности) поверхностей интенсивность запарафинирования образцов падает.

Испытания позволили сделать заключение о том, что внутренняя поверхность из пластмассы гидрофобна, неполярна и имеет принципиально почти одинаковое с молекулами парафина строение и поэтому является наилучшим объектом для образования зародыша, а затем и роста кристаллов парафина. Это и ведет к интенсивному процессу парафинизации пластмассовых труб.

В 60-70-е гг. XIX века был исследован механизм парафинизации пластмассовых труб в зависимости от состава высокомолекулярных отложений. Изучение этих отложений по содержанию асфальтенов, смол и парафина показало, что увеличение количества отложений и их уплотнение происходит, как правило, только за счет увеличения содержания в последних парафиновых углеводородов.

Приведенный выше исторический анализ научных исследований позволяет сделать вывод о том, что до начала 1990-х гг. в России практически были получены все основные результаты по изучению влияния нефтегазовых сред на материалы пластмассовых труб, используемых в те годы в промышленном производстве.

Глава 3. Исторические аспекты формирования научных основ методологии расчета напряженно-деформированного состояния пластмассовых трубопроводов

В настоящее время новые конструкционные пластмассы нашли применение при изготовлении силовых элементов строительных конструкций, емкостей и резервуаров, напорных трубопроводов и арматуры, рабочих колес центробежных насосов и т.д. Полимерные материалы применяются также в качестве защитных покрытий, клеев и герметиков, изоляционных элементов.

На первом этапе применение вышеназванных конструкционных материалов обосновывалось эмпирическими методами, что объяснялось недостаточными данными о прочностных и деформационных свойствах различных классов полимерных материалов, отсутствием практических рекомендаций по расчету и выбору основных параметров конструкций из полимерных материалов. В связи с расширением области применения возникла необходимость расчета этих конструкций на прочность. Это обусловило необходимость накопления знаний о физико-механических свойствах и механизме разрушения пластмасс, разработки критериев их работоспособности, развития методов конструирований и расчета конструкций из этих материалов.

Как показал опыт создания полимерных конструкционных материалов, при оценке их прочностных свойств необходимо проводить длительные испытания на ползучесть (рост деформации во времени при постоянной нагрузке) и на релаксацию напряжений (уменьшению напряжений во времени при постоянной деформации).

Важнейшей характеристикой прочностных свойств этих материалов является долговечность, отражающая особый характер процесса их разрушения. В инженерной практике были введены понятия кратковременной и длительной прочности. Кратковременная прочность или разрывное напряжение обычно определяется на разрывных машинах при заданных режимах скорости нагружения. Длительная прочность обычно определяется при нагружении статическими или переменными нагрузками, меньшими по сравнению с разрывным напряжением. Кратковременная и длительная прочность полимеров значительно ниже теоретической прочности материала с идеальной структурой. Результаты эксплуатационных и теоретических исследований долговечности, проведенные в период с конца 1960-х до конца 1970-х гг., показали, что длительная прочность полимеров является фундаментальной характеристикой в выяснении природы и механизма разрушения этих материалов, а также для инженерной оценки и прогнозирования долговечности деталей и конструкций из пластмасс.

Для решения задач определения прочности конструкции из пластмасс необходимо иметь соотношение, связывающее напряжения, деформации и время, которое можно получить на основе рассмотрения механических моделей, состоящих из упругих и вязких элементов.

Анализ зависимостей, полученных в конце 1970-х гг. на основе реологических моделей, позволяет сделать вывод о том, что они пригодны лишь для качественного описания процесса ползучести. Попытки связать их с процессом ползучести реального материала приводят к такому усложнению математических зависимостей, которое делает их практически непригодными для использования в конкретных расчетах элементов конструкций.

Большинство полимерных материалов обнаруживают в диапазоне рабочих напряжений нелинейную связь между напряжениями и деформациями. Это заставило искать такие нелинейные соотношения, которые давали бы достаточно хорошую аппроксимацию кривых ползучести пластмасс и были бы пригодны для решения конкретных задач. Для этой цели наиболее подходящими оказались уравнения технических теорий ползучести.

Расчеты на прочность в большинстве случаев производят исходя из допущений о том, что пластмасса является однородной, монолитной (сплошной) средой. При одноосном растяжении условия прочности описываются таким образом (И. Я. Альшиц, Г. М. Бартенев, В. А. Белый, Б. Н. Благов и др.):

;

при ;

при ,

где у_max - напряжение в опасной точке детали;

[у] - допускаемое напряжение;

[п] - коэффициент запаса прочности;

у_пред - предельное напряжение при одноосном растяжении или сжатии;

у_х.р. - напряжение хрупкого разрушения пластмассы;

у_р. - разрывное напряжение;

Т_хр - температура хрупкости;

Т_с - температура стеклования.

Расчет на прочность деталей из пластмасс проводят в следующем порядке: рассчитываются нагрузки, действующие на детали и определяют температурные условия ее работы; задают долговечность детали, класс точности, степень ответственности; методами сопротивления материалов находят напряжения в опасных сечениях детали; определяют главные напряжения у₁, у₂, и у₃ в опасной точке сечения и по ним рассчитывают эквивалентное напряжение у_экв.

Далее проверяется условие прочности.

Расчет на прочность анизотропных пластмасс и деталей из пластмасс, армированных металлической арматурой, несравненно сложнее расчета на прочность изотропных пластмасс.

При расчете на прочность особенно важным является коррекция допускаемого напряжения при проектировании труб и деталей из пластмасс. С этой целью при определении запаса прочности довольно широко применяют метод поправочных коэффициентов, учитывающий влияние различных факторов на прочность и деформативность детали (И. Я. Альшиц, Г. М. Бартенев и др.).

Как следует из данных практики проектирования и конструирования деталей из пластмасс, коэффициент запаса прочности при постоянной нагрузке и отсутствии концентрации напряжений может изменяться в широком диапазоне (1,5-3), а при наличии концентраторов напряжения значение может увеличиваться до 6.

При циклических нагрузках под действием напряжений происходят необратимые изменения структуры, обычно уменьшающие прочность и долговечность из-за объемных физико-механических процессов в материале. Экспериментально доказано, что модуль упругости полимеров с ростом числа циклов снижается даже при неизменной температуре, так как внутри полимера происходят необратимые процессы.

Анализируя экспериментальные данные, целесообразно в качестве основного критерия использовать коэффициент усталости.

Результаты усталостных испытаний могут быть использованы для расчета конструкций только в тех случаях, когда способ нагружения и геометрия образцов приближаются к режимам нагружения деталей в условиях эксплуатации.

Материал трубы выбирают в зависимости от его химической стойкости, температуры транспортируемой среды, вида прокладки и т.д. В зависимости от расчетного расхода выбирают диаметр трубы, требуемый напор, насосное оборудование. Номинальный наружный диаметр выбирается на основе ГОСТ 29324-92 (ISO 16 1/1 -78) «Трубы из термопластов для транспортирования жидкостей. Номинальные наружные диаметры и номинальные давления. Метрическая серия». Этим же стандартом обоснованы номинальные давления.

Толщину стенки трубы определяют исходя из расчетных нагрузок и воздействий. Допускаемое напряжение определяется из кривых длительной прочности. При этом для заданного срока службы трубопровода по этим кривым находится разрушающее напряжение с учетом коэффициента запаса прочности.

Максимальное рабочее давление рассчитывается по формуле (В. Е. Бухин):

,

где у₅₀ - напряжение, полученное путем экстраполяции на срок службы 50 лет при температуре 20 °С данных испытаний труб и соединительных деталей на стойкость к внутреннему гидростатическому давлению транспортируемой жидкости;

С₁ - коэффициент запаса прочности, назначаемых в строительных нормах и правилах в зависимости от условий прокладки и эксплуатации.

После определения диаметра, толщины трубы и рабочего давления выбранные трубы проверяют с учетом конструкции и назначения трубопровода: по продольной устойчивости, прогибу горизонтальных участков, устойчивости кривой формы и т.д. По результатам проверочных расчетов выбирают конструктивное решение системы трубопроводов.

При расчете на прочность труб из реактопластов считается, что их материал проявляет анизотропные свойства. Стенка трубопровода находится в условиях плоского напряженного состояния. Существуют различные теории прочности стеклопластиков. К стеклопластикам могут быть применимы условия пластичности Мизеса-Хилла, Фишера, Захарова, Марина, Малмейтсера и др. Наиболее универсальным является инвариантный критерий Гольденблата-Копнова. Однако он сложен в инженерной практике и требует много констант. На основе критерия Норриса получены следующие уравнения (А. С. Обухов, А. В. Сладков и др.):

пластмассовый трубопровод нефтегазовый

где - действующие напряжения соответственно в осевом, кольцевом и касательном направлениях;

- соответствующие характеристики прочности.

Предполагается, что критерий прочности сохраняется в условиях длительного сопротивления материала.

При конструировании новых видов пластмассовых труб, состоящих из нескольких слоев разных пластмасс или пластмассы и металлической сетки, необходимо было решить и задачу разработки модели прочностного расчета таких конструкций, адекватной условиям эксплуатации и функционирования таких труб. К началу XXI в. были созданы инженерные расчетные модели, позволяющие определить основные параметры безопасной эксплуатации бипластмассовых и металлопластмассовых труб (М. И. Гориловский, А. С. Обухов и др.). Ими разработан расчет многослойной тонкостенной трубы, имеющей между слоями связи и работающей под действием давления и температуры.

Для трубопроводов из полимерных материалов требуемый уровень длительной прочности определяется и рассчитывается с учетом временного фактора воздействия напряжений, возникающих от внутреннего давления. Существует стандартизированный в мировой практике метод определения рабочего давления по прочностным показателям материала трубопровода (MRS), геометрическим размерам труб и температуре эксплуатации. В этом случае временная зависимость прочности описывается уравнением (М. И. Гориловский и др.):

,

где t - время эксплуатации (срок службы);

у - напряжение;

Т - температура;

А, В, С, Д - коэффициенты, определяющие прочность материала.

К середине 1980-х г. в результате проведенных исследований и анализа накопленного опыта эксплуатации пластмассовых трубопроводов были сформулированы особенности их расчета на прочность и устойчивость, которые должны включать анализ условия устойчивости круглой формы поперечного сечения и условия предельно допустимой величины овализации поперечного сечения трубы. Расчет пластмассовых трубопроводов на прочность и несущую способность проводится с учетом силового, деформационного и сейсмического воздействия. Расчет должен производиться по расчетным нагрузкам (В. Ю. Каргин, В. Е. Бухин и др.).

Таким образом, начиная с середины 1960-х гг. на основе классических моделей расчета на прочность металлических конструкций, к 1980-м гг. были созданы основные расчетные методики по определению прочности и устойчивости трубных пластмассовых конструкций с учетом особенностей материалов для основных видов конструкций труб. На современном этапе развития пластмассовых трубных конструкций и пластмассовых покрытий назрела необходимость детальной систематизации знаний в области сопротивления пластмассовых материалов.

Глава 4. Анализ исследований по разработке гидравлического расчета при проектировании трубопроводов из пластмассовых труб

В связи с широким использованием пластмассовых трубопроводов для систем сбора и транспорта нефти, газа и нефтепродуктов возникла необходимость исследования вопроса их гидравлического расчета. В основу расчета гидродинамических параметров пластмассовых трубопроводов положены классические модели движения жидкости, газа и многофазных потоков по металлическим трубопроводам. Важной особенностью пластмассовых трубопроводов является их относительно невысокая шероховатость, которая существенно зависит от технологии их изготовления. На внутренней поверхности труб имеются волнистость и отдельные макронеровности, которые также влияют на гидравлическое сопротивление.

К концу ХХ в. практически была завершена систематизация моделей гидравлического расчета пластмассовых трубопроводов, которая наиболее полно представлена в трудах специалистов ВНИИВОДГЕО, ЛИИЖТ и ГипроНИИгаз и др.

Как показали расчеты гидродинамических параметров трубопроводов, проведенные в данной работе, после протаскивания пластмассовых труб происходит снижение расхода из-за уменьшения внутреннего диаметра. Причем с ростом величины отношения (где d₀, d - внутренний диаметр металлического и пластмассового трубопровода соответственно) отношение (где Q₀, Q - расход металлического и пластмассового трубопровода соответственно) увеличивается. В зоне ламинарного течения жидкости снижение расхода на 20-25 % выше, чем в переходной зоне. Расчеты показывают, что для ламинарной зоны ~ , а для переходной зоны ~ . Однако в зоне гидравлического трения в квадратичной области, где отношение ~ , (_0, , - коэффициент гидравлического сопротивления металлического и пластмассового трубопровода соответственно) наличие невысокой шероховатости пластмассовых труб по сравнению с металлическими приводит к увеличению расхода трубопроводной системы (рисунок 4).

Существенное изменение расхода перекачиваемой жидкости, рассмотренное в интервале реального измерения отношения в трубопроводных системах, предполагает проведение детального обоснования изменения гидравлических параметров с течением времени в процессе эксплуатации трубопроводов.

1 - зона квадратичной области; 2 - переходная зона; 3 - ламинарная зона

Рисунок 4 - Зависимость от параметра для различных режимов течений

Известно, что при стыковой контактной сварке пластмассовых труб на внутренней и наружной поверхностях стыка образуется грат. При этом высота и ширина грата возрастают с увеличением толщины стенки трубы.

Изучение влияния конструктивных и технологических факторов на работоспособность сварных соединений полиэтиленовых трубопроводов и опыт эксплуатации таких трубопроводов показывают, что грат практически не повышает прочность сварного соединения, а в отдельных случаях даже способствует возникновению в нем трещин. При этом внутренний грат снижает эксплуатационные характеристики трубопровода, уменьшает его пропускную способность за счет увеличения местного сопротивления и является очагом различных отложений. Отрицательное влияние внутреннего грата можно снизить, уменьшая его размеры или ликвидируя его. Грат с достаточной степенью приближения можно считать местным сопротивлением диафрагменного типа, в котором изменение параметров перекачиваемого жидкостного потока не существенно.

...