В качестве примера набрызговых оболочек можно привести цементно- песчаные покрытия (ЦПП), наносимые на внутреннюю плоскость санируемой труб. Сплошные покрытия - вводимые в ремонтируемый трубопровод и фиксируемые трубе разного рода оболочки, к примеру, новые полиэтиленовые трубы, эластичные полимерные рукава, затвердевающие на участке выполнения санации.

Образцом спиралевидных оболочек может выступать структура внутреннего защитного покрытия посредством навивки неширокой пластиковой ленты с особым штекерным разъемом в концах, в следствии чего изнутри ремонтируемого трубопровода возникает другой пластиковый трубопровод.

Точечные покрытия, это герметичные строительные материалы (смолы, вставки, бандажи и т.д.), предназначенные для ремонта единичных повреждений в трубопроводах, если нет необходимости в полном восстановлении всего трубопровода.

2.2.1 Цементно-песчаное покрытие (ЦПП)

Напыление ЦПП на внутреннюю плоскость ремонтируемого стального, либо чугунного трубопровода необходимо расценивать, как противокоррозионную изоляцию соприкасаемой с перекачиваемой средой поверхности.

Защитные характеристики цементного покрытия при взаимодействии с металлом знакомы уже 150 лет. В первой половине XIX века существовали рекомендации Французской Академии наук по использованию цемента для защиты стали от ржавчины. В США начиная с 1931 года нанесение цементного раствора на чугунные, либо стальные трубы, стало общепризнанной методикой. Первый навык использования ЦПП на Столичном трубопроводе применен в 1968 г., тогда была сделана санация части металлического трубопровода второго подъема диаметром 1,1 метра, протяженностью 110 м. Каждый 10-й год со дня запуска трубопровода в пользование, опыты по установлению качества ЦПП демонстрировали его устойчивость, свидетельствуя о надежности материала и верности принятого решения по санации ЦПП. В настоящее время не теряя своей актуальности, ЦПП, со временем все же начинают уступать новым полимерным покрытиям. Напыление ЦПП на внутренние плоскость трубопроводов может проводиться центрифугированием либо центробежным набрызгиванием с применением, либо без применения разглаживающих механизмов для металлических трубопроводов диаметрами 76-2020 миллиметров.

На рисунке 2.1 представлен набрызговый метод на больших диаметрах с использования разглаживающих устройств.

Рисунок 2.1 Набрызгивание и разглаживание цементно-песчаного покрытия

При ремонтных и восстановительных работах по напылению ЦПП в составе начальных материалов следует воспользоваться портландцементом марки М 500 и мелкозернистым кварцевым песком.

Самый тонкий слой защитного напыления формируется диаметрами и материалами труб, толщиной стен и практическим износом.

Нужная толщина предохранительного слоя получается быстротой продвижения метательной головки в трубе, при равной скорости подачи армоцементной смеси и быстроты вращения метательной головки.

Метод напыления является, самым эффективным при следующих дефектах: обрастании ржавчиной; стачивании стенок абразивами. Но, так же подобный метод совершенно неэффективен при открытых стыках и деформированных частях труб, сильнейшем износе абразивами, потому как не обеспечивает увеличения несущей способности трубопровода.

Внутренняя поверхность трубопровода, до напыления ЦПП, должна пройти очистку. На внутренней плоскости металлических труб разрешается слой коррозии не больше, чем 0,05 мм. Перекачиваемая среда из трубопровода должна быть удалена.

Эллипс труб не должен быть более 0,5% диаметра, а поражение ржавчиной не больше, чем 10% толщины трубы. Слой ЦПП для 13 металлических труб обязан отвечать техническим условиям, оговорённым с заказчиком.

Минимальные толщины слоя в зависимости от диаметра трубопровода представлены в таблице 2.1.

Таблица 2.1

Минимальные толщины защитного слоя с допусками

Наружный диаметр трубы, мм	Минимальная толщина слоя ЦПП, мм	Допуск слоя ЦПП, мм
1	2	3
76	4	+2
89	4	+2
102	4	+2
108	4	+2
114	4	+2
133	4	+2
159	5	+2
219	5	+2
273	5	+2
325	6	+2
377	6	+2
426	7	+2
530	7	+2
630	7	+2
720	7	+2
820	9	+2
920	10	+2
1020	11	+2
1220	12	+2
1420	12	+2

Указанные в таблице 2.1 допуски согласно толщине покрова, отвечают гладкой и прямой трубе, над сварными швами слой ЦПП сокращается (вплоть до 3 мм). На торцах труб возможно снижение толщины слоя до 50%, 14 и от концов - не более 50 мм. Толщины заводской ЦПП идентичны, санация данным покрытием обязана включать в себя: осуществление подготовительных работ, подготовку и изготовление ингредиентов смеси. Предварительные работы включают в себя следующие действия: рытье двух котлованов (начального и финишного) или применение колодцев с удалением гидрантов, фасонных деталей и установкой заглушек; подготовительные работы заканчиваются удалением воды из трубопровода. Размер технологических захватов определяется длинами типовых рабочих тросов и шлангов (подачи раствора и воздуха) и рабочими данными насоса для раствора, вне зависимости от диаметра трубы.

При непроходимых препятствиях для очистных снарядов и отделочных аппаратов (отвесные подъемы и спуски, углы поворота магистрали и прочие преграды) нужны вспомогательные вскрытия трубы. Это не зависит от положения колодцев в границах предварительно сделанной технологической захватки и замещение их заранее покрытыми элементами и фасонными частями. Набрызгивание ЦПП в малодоступных участках обязано изготавливаться ручным способом на месте либо в стационарных условиях с дальнейшей перекладкой труб.

Вероятны и прочие способы ликвидации преград, появляющиеся при ремонте трубопровода.

Обычная методика подготовки частей смеси включает в себя действия по просеиванию песка и цемента с использованием сита и загрузку в особые емкости, с закрывающимися створками. Портландцемент обязан соответствовать следующим условиям: не иметь комков и химических добавок, обладать консистенцией цементного теста не выше 27% и этап схватывания не менее 60 мин.

Не разрешается смешивание цемента различных партий и марок, кроме того, применение вяжущего с периодом хранения выше 60 суток со дня отправки производителям. Возможно присутствие в составе вяжущего сертифицированных мелкомолотых добавок (вплоть до 10% веса цемента) с целью улучшения физико-химических данных напыления.

Применяемый для изготовления смеси песок, крупностью зерен обязан не превышать 1 мм; фракции с величиной зерна 0,315-0,63 мм обязаны создавать не менее 70% веса песка, а фракции величиной до 0,315 мм меньше 3%. В общей массе смели глинистых, илистых и пылевидных элементов должно быть менее 3%. Применяемая вода должна отвечать технологическим условиям и обладать температурой +10 ... +30°С, а подходящее отношение цемент -песок обязано находиться в пределах границы, согласно объема 1:1 до 1:1,2 и по весу от 1:1,115 до 1:1,338. Отношение воды и цемента должно быть 0,3-0,36.

Подготовленная к набрызгиванию на внутреннюю плоскость трубы, смесь цемента и песка представляет собой перемешанную и однородную субстанцию. До разбрызгивания в коллектор смесь должна обладать температурой +10 ... +25°С.

Нанесение ЦПП должно быть непрерывным и сглаженным (возможны борозды или гребни с глубиной до 1,0 мм при исполнениях условий, согласно толщине слоя).

Сразу по прошествии восстановления трубопровода, делается маркировка и оформление произведенных операций по ТУ, оговоренных с заказчиком. С целью однородного затвердевания цемента по всей протяженности трубопровода он герметизируется в районах захваток посредством заделки полиэтилена. До сдачи восстановленного трубопровода в пользование, выполняется его промывка и обеззараживание.

Основными плюсами методики ЦПП являются легкость работ и невысокая цена, составляющая примерно 30% цены постройки нового трубопровода. Через 3-5 суток после нанесения ЦПП трубопровод допускают к использованию, данный срок является довольно длительным, однако нанесенное ЦПП остается прочным в ходе длительного срока службы (50 лет).

2.2.2 Быстроотверждаемое покрытие Scothcot на основе двухкомпонентного полимера Сороn Hycot

Этот вид набрызгового покрытия принадлежит к новому типу полуструктурных предохранительных покрытий. Существует две модификации: для ситуаций с нарушением и сохранением рабочей способности трубопроводов с высокой стойкостью к износу абразивом. Покрытие производятся компанией E. Wood (Великобритания) с 2000 года.

Защитное покрытие набрызгивается на внутреннюю плоскость трубопровода особыми метательными головками и имеет множество различных особенностей, порядком отличающих его от ЦПП как при набрызгивании, так и в перспективе защиты трубопровода.

При восстановлении трубопровода, слой напыления составит за проход от 1 до 5 миллиметров; разрешается наличие воды на стенках. На стенках, покрытие твердеет в течение нескольких мин., а трубопровод способен функционировать через 1 час. Исследования выявили, что уже при толщине предохранительного напыления в 3 мм оно более действенно для удаления сквозных коррозионных дефектов размером до 5 мм; продольных и круговых трещин (для невыскоих давлений перекачиваемой среды).

В сравнении с полиэтиленовыми трубами, применяемыми при санации изношенных трубопроводов посредством протаскивания в них, покрытие Сороn

Hycot имеет большую стойкостью к усадке под действием на него хлора, что непременно существует в трубопроводной воде.

2.2.3 Сплошное покрытие. Метод «Чулка»

Суть способа - в протягивании в санируемый трубопровод эластичного полимерного рукава, сделанного из мягкого материала, насыщенного разными видами смол, с дальнейшей кристаллизацией пропитанного слоя.

Таким способом ремонтируются напорные и безнапорные трубопроводы из разных материалов: стали, чугуна, железобетона; диаметрами -- от 150, до 1400 мм.

В санации бестраншейным способом используются разные способы крепежа полимерных рукавов -- протаскивание с дальнейшим наполнением воздухом или водой, а кроме того, разные способы кристаллизации - действием светового излучения, нагревом водой либо подачей пара.

Главные плюсы технологии:

- снижение расходов в планировании и сооружении за счет применения функционирующей магистрали трубопровода;

- большой темп установки;

- наименьшее кол-во земляных работ;

- вероятность прокладки в зонах с изгибом, вплоть до 90°;

- наименьший объём строй. площадки;

- не нуждается в крупногабаритной строительной технике и оборудовании;

- наименьшее снижение внутреннего диаметра функционирующего трубопровода;

- повышение скорости потока среды из-за гладкой поверхности санирующего материала;

- большая коррозийная устойчивость;

- высокая стойкость к абразивному износу;

- расчетный период работы свыше 50 лет; 18

- лояльное отношение к экологии.

Самой многообещающей, согласно выводам специалистов, методика отверждения полимерного рукава с использованием ультра-фиолетового излучения. Эта технология даёт возможность отказаться от термических смол и уменьшить восприимчивость к воздействию внешних факторов. При использовании фотореактивных смол возрастает время хранения полимерных рукавов вплоть до полугода. Кроме-того новые технологии дали возможность осуществлять пропитку полимерных рукавов в условиях производства, ну а пропитка термическиими смолами проводится прямо на строительной площадке.

Рукав представляет собой многослойную эластичную оболочку, состоящую из трех слоев (рисунок 2.2)

Рисунок 2.2 Строение полимерного рукава

Для повышения скорости кристаллизации и улучшения свойств санирующих материалов, одновременно с введением УФ излучения, была изменена конструкция полимерного рукава. Иглопробивные стекломаты поменяли на стеклоткань, обладающую наиболее высокими прочностными характеристиками, это позволило существенно уменьшить толщину стенки рукава.

Важным итогом улучшения конструкции композитного рукава, это уменьшение веса из-за снижения размера стенки.

Рисунок 2.3 - Санация метод «Чулка»

Санация трубопровода начинается с телевизионного обследования самодвижущимся роботом с видеокамерой. Следующая процедура - очищение ремонтируемой трубы от различных загрязнений.

В основном используются механический и гидравлический способы. После прочистки производится повторный осмотр самодвижущимся роботом. После чего, пневматическим либо гидравлическим автоматом, рукав протягивают в ремонтируемый трубопровод (рисунок 2.3). Из-за избранного способа установки протягивание производится давлением водой или сжатым воздухом. После протягивания чулка в ремонтируемый участок трубопровода наступает процесс кристаллизации. В завершении проходит контрольное телевизионное обследование.

Ограничивают использование данного метода следующие требования: потребность в остаточной прочности санируемого трубопровода, высокие требования к внутренней стенке ремонтируемого трубопровода, риск частичного приклеивания, либо неполного прилегания полимерного чулка к санируемому трубопроводу в разных участках.

2.2.4 Протаскивание нового трубопровода в поврежденный старый (с его разрушением и без разрушения)

Основным достоинством этого способа является возможность реставрации разрушенных трубопроводов посредством протяжки нового, к примеру, полиэтиленового низкого давления (ПНД), в участке прежнего. Протяжка новой трубы в старый наиболее выгодно в случае, если нужна полная замена старого трубопровода с увеличением диаметра сети. В отечественной и зарубежной практике применяется метод протяжки новой трубы в старый трубопровод с его разрушением.

Рисунок 2.4 Протаскивание нового трубопровода в поврежденный старый с его разрушением

После разрушения ветхих трубопроводов их заменяют новыми из различных материалов, большего диаметра, чем старые. Бестраншейный способ замены труб посредством разрушения и протягивания новых обладает неоспоримыми преимуществом по сравнению с другими: увеличение диаметра трубы даёт более высокую пропускную способность; может применяться труба из полимерных материалов, которая выдерживает большие нагрузки в течении 50-100 лет.

Помимо этого, способ допускает использование в неустойчивых грунтах. Протаскивание нового трубопровода с одновременным разрушением ветхого осуществляется с помощью пневмоударных машин либо пневмопробойников, оборудованных разрушающими гильзами с ножами. Движение производится с помощью компрессора. Взламывающий нож разрушает прежнюю трубу и уплотняет осколки в грунт. Расширитель формирует больший профиль для новой трубы, которая протягивается в готовое пространство во время разрушения.В последние годы в России на ряде объектов использовалась технология замены ветхих неметаллических трубопроводов после их разрушения полиэтиленовыми с помощью раскатчиков. Данная технология предусматривает использование специального рабочего органа - раскатчика с силовым приводом. Раскатчик устанавливается в рабочий котлован при помощи крана или вручную. После обеспечении соосности раскатчика и разрушаемого трубопровода осуществляется ввёртывание раскатчика в трубопровод и вдавливание обломков разрушенной трубы в стенки образуемой скважины. При этом грунт вытесняется в радиальном направлении и вокруг скважины образуется уплотнённая зона грунта. Практика показывает, что поверхностный слой грунта толщиной 10-15 мм в стенках скважины настолько спрессован, что его прочность сопоставима с прочностью бетонной трубы той же толщины. После выхода рабочего органа в приёмный котлован и его отсоединения к концу приводных штанг подсоединяют полиэтиленовую трубу (целыми или отдельными секциями), которую затягивают в образовавшуюся скважину обратным ходом штанг.

В последние годы на ряде отечественных и зарубежных объектов реновации проводились работы по разрушению стальных трубопроводов. Для этого использовался разрушающий наконечник, действующий как консервный нож и разрезающий трубопровод на две половины. Средняя скорость передвижения установки с разрушающим наконечником составляет порядка 60 м/ч. Некоторое снижение скорости наблюдается лишь при прохождении наконечника через резьбовые соединения труб.

Бестраншейная замена старых трубопроводов на новые может производиться и без их разрушения. Восстановление участка ветхой трубопроводной сети без разрушения с помощью полимерных труб. В данном случае используется новый полимерный трубопровод, сматываемый с бобины (бухты, барабана) и протягиваемый с помощью пневмолебёдки и троса через футляр и колодец в ветхий участок трубопроводной сети. Учитывая предрасположенность полиэтиленовых труб к порезам случайными твердыми включениями в канале при протягивании, для снижения до минимума возможности повреждения наружной поверхности трубопровода применяют: нанесение в заводских условиях утолщенной внешней оболочки, чтобы возможные повреждения затронули только ее; использование полиэтиленовых труб со стойкой к механическим повреждениям наружной полипропиленовой оболочкой.

2.2.5 Точечные (местные) покрытия

Uhrig GmbH (Германия). С 1962 года опытный производитель техники для санации трубопроводов и каналов. Уникальные ремонтные муфты "Quick-Lock" и система ремонта стыков Quist - визитные карточки Uhrig.

Quick-Lock - уникальная запатентованная бестраншейная технология восстановления и ремонта поврежденных трубопроводов и соединения труб из различных материалов, независимо от их горизонтального или вертикального направления. Благодаря высокой коррозийной и теплостойкости, Quick-Lock систему можно применять, как в промышленности, так и во многих др. направлениях.

Quick-Lock является эластичной системой, восстанавливающей частичные внутренние разрушения трубных каналов. Эта система была разработана 15 лет назад компанией «UHRIG Техника каналов GmbH». Сегодня эта система совмещена с интеллектуальной робототехникой, что сделало ее работу более эффективной. Высокая степень эффективности при восстановлении каналов (рисунок 2.5).

Особое внимание при разработке системы Quick-Lock было уделено максимальному исключению каких-либо ошибок при её применении, за счет предварительной диагностики реставрируемого трубопровода при помощи компьютерной техники и видеокамеры.

Рисунок 2.5 Применение точечных покрытий

На практике муфтовая система Quick-Lock была применена более 50 000 раз и официально одобрена немецким институтом строительной техники, с её применением для всех видов труб с номинальным диаметром 150-800 мм. К применяемым материалам Quick-Lock относятся: высококачественная нержавеющая сталь V4A и эластичная резина EPDM - оказались на протяжении десятилетий самыми эффективно-пригодными в строительстве, восстановлении трубопроводов и очистительных сооружений.

В состав системы Quick-Lock входит муфта из нержавеющей стали круглой формы, к которой сверху плотно прилегает бесшовная эластичная резина EPDM. В середину муфты встроены два передаточных механизма, которые внедряют ее в канал и затем расширяют внутри и не допускают обратного сжатия. Механизм блокируется, и обратное сворачивание становится невозможным.

Устанавливает муфты Quick-Lock внутри канала транспортный упаковщик Packer. На него посредством компрессорного агрегата подается сжатый воздух, и муфта из нержавеющей стали расширяется до диаметра, необходимого для перекрытия канала. В заданной позиции муфта устанавливается с помощью видеокамеры и использования автоматических устройств.

Применяемые материалы - высококачественная сталь V4A (1.4404) и EPDM резина, которые на протяжении десятилетий успешно применяются в строительстве трубопроводов и разных коммунальных проектах.

Характеристика материалов:

1. EPDM резина:

2. Этилен- пропилен- диеновый каучук (EPDM)

3. Твердость по Шору 30, прочность растяжки 750% Рисунок №16 Установленная муфта

4. Хорошая устойчивость к старению

5. Устойчивость к воздействию воды, разбавленных кислот и щелочей при температуре до 120°C

6. Ограниченная устойчивость к ароматическим и хлорированным углеводородам (маслам, смазкам, топливных жидкостей)

7. V4A нержавеющая сталь (1.4404):

8. Низкоуглеродистая проводимость 1.4571 с улучшенным качеством антикоррозийной защиты

9. Высокая прочность

2.3 Сравнительные показатели методов бестраншейного восстановления

При выборе варианта обеспечения надежности трубопроводов в условиях эксплуатации важную роль играют как технические, так и экономические факторы. Экономическая целесообразность эксплуатации трубопровода определяется окончанием экономического срока службы, за пределами которого расходы на эксплуатацию участка трубопровода превышают возможные расходы на его реновацию (перекладку или санацию), а уровень надежности не соответствует требуемому или принятому за норматив.

Техническая целесообразность эксплуатации участка трубопровода в его существующем состоянии определяется окончанием технического срока службы, при котором его техническое состояние, прочностные и гидравлические параметры и показатели качества транспортируемой среды являются недостаточными и не соответствуют требуемым или принятым нормам.

Таблица 2.1

Сравнительные показатели методов бестраншейного восстановления трубопроводов

Технологические, технические и эксплуатационные показатели	Нанесение цементно-песчаных покрытий	Протаскивание нового твёрдого трубопровода в старый пневмопробойником	Протаскивание гибкой предварительно сжатой полимерной трубы	Протаскивание гибкой сложенной (U- образной) полимерной трубы
1	2	3	4	5
Диапазон диаметров, мм	80--2200	100--1600	80--300	100-800
Максимальная протяжённость ремонтного участка, м	180	150	200	600
Виды повреждений (дефектов),	Мелкие трещины, коррозия, износ	Любые повреждения	Любые повреждения	Средние трещины и сколы, неплотности соединений
Технологические, технические и эксплуатационные показатели	Нанесение цементно- песчаных покрытий	Протаскивание нового твёрдого трубопровода в старый пневмопробойником	Протаскивани е гибкой предварительно сжатой полимерной трубы	Протаскивание гибкой сложенной (U-образной) полимерной трубы
Материал ремонтного покрытия	Цементно-песчаная смесь	Полипропилен, поливинилхлорид, полиэтилен	Полиэтилен	Полиэтилен высокого давления, полипропилен
Термостойкость, °С	Без ограничений	45	50	50
Требования к подготовке внутренней поверхности трубопровода	Очистка скребками	Не требуется	Очистка водой под давлением, контроль дисками	Очистка водой под давлением, контроль дисками
Продолжительность технологического цикла при ремонте участка длиной 100 м, рабочих смен	3-5	1	1	1
Срок службы ремонтного покрытия, лет прогноз реальность	30 Более 20	50-100 Более 50	50 Более 30	50 Более 10
Потери диаметра трубопровода после ремонта, %	5-10	Нет	3-5	10-15

Предлагаемые на строительном рынке методы восстановления трубопроводов достаточно разнообразны. Инженерные коммуникации - особая сфера, которая требует более тщательной проработки при принятии решения. При малейшей ошибке решение вопроса в денежном выражении вырастает в несколько раз. Поэтому перед принятием решения необходимо провести диагностику трассы и на основе обследований выбрать метод восстановления трубопровода.

В случае, если трасса не подлежит ремонту, принимается решение ее замены. Отечественные и зарубежные производители предлагают обширный перечень оборудования для разрушения старых трубопроводов из любого материала с одновременной заменой их на полиэтиленовые трубы большего сечения. Подобное оборудование позволяет решить сразу несколько задач: избежать перекладки трубопровода, увеличить пропускную способность.

Несомненно, бестраншейные методы ремонта и замены коммуникаций значительно выгодней, чем проектирование и строительство новых коммуникаций.

3. Stress-strain state analysis of double-layer pipeline

3.1 Stress-strain state calculation of corroded pipeline

According to Popodko [21] different types of flow inducted corrosion can be allocated: circle-shaped, oval-shaped and dowel-shaped. Profiles of these types are shown in pictures 3.1 - 3.3 consequently.

Shape of corrosion cracks influences stress-strain distribution.

For further calculations it was decided to carry out modeling of damaged section with different types of damages to provide an evaluation of its stress-strain state for each case. The purpose of calculations at the first stage is to get clearer picture of the damaging processes increasing. Projection and modeling is carried out using software product ANSYS: Workbench.

Picture 3.1 - Sickle-shaped corrosion

Picture 3.2 - Oval-shaped corrosion

Picture 3.3 - Dowel-shaped corrosion

3.1.1 Projecting of the damaged pipeline model

An abstract section of the corroded pipeline was considered. Main parameters of it were:

- internal pressure P = 4 MPa;

- grade of steel 13ХФА (Russian)

- internal diameter D_in = 300 mm;

- wall thickness t = 12 mm;

- length of considering section L = 2000 mm (2 m).

Geometry of defects depends on case of the type of corrosion (depth, width, shape).

Considering recommendations of Popodko, [21] plot geometry for three types of corrosion as it is shown on pictures 3.1 - 3.3.

Pictures 3.4 - 3.6 represent the process of plotting of geometry for dowel-shaped, sickle-shaped and oval-shaped corrosion consequently. For geometry creating built CAD-system of ANSYS is used.

Picture 3.4 - Geometry of dowel-shaped corrosion

Picture 3.5 - Geometry of sickle-shaped corrosion

Picture 3.6 - Geometry of oval-shaped corrosion

Solid bodies were obtained using operation “extrude”. At the same time with corrosion defect drawing internal covering was also modeled and suppressed for postponing until next stage of calculations.

3.1.2 Finite element method

Finite element method was created in the middle of the last century for solving of tasks of industrial mechanics and the theory of elasticity. Later it was started to research by mathematicians to check its convergence and clarity. To date, this method is used in many engineering fields from electrical engineering to mechanical engineering.

Extreme work conditions of modern constructions elements, their difficult shape and large size make it hard to accomplish real experiment, especially in case of considering destructive loads.

While carrying out endurance calculations, it is necessary to create strength reliability models of constructions elements. The important part of these calculations is the stage of stress-strain state. Analytic and numeric method are used for these computations. Finite element analysis (FEM) is the numeric method. Using this method allows to take into account irregular form of object (construction). It should be also mentioned that level of clarity depends on degree of idealization.

The main idea of FEM is that any continuous variable (temperature, pressure, etc.) can be approximated by model consisted of elements (parts). In each element continuous variable is approximated by piecewise continuous function which is built using values of investigating continuous variable in finite amount of points of the considering element. In general, continuous variable is not known beforehand, and it is needed to find values of it in internal points of the area. It is easy to project discrete model if take an assumption that numeric values of this variable are known in some points of area. After that, common case can be considered.

The mechanical and mathematical basis of the software package ANSYS (ANSYS Inc.) is finite element method (FEM). FEM is the most common and universal method of the stress-strain state analysis

3.1.3 Creating of the finite element model

Credibility of FEM computations depends on many factors including amount of finite elements. Selection of finite elements for modeling was taken using references [46, 47] and recommendations of specialists in sphere of FEM.

Two groups of finite elements were considered: linear and parabolic shape. Difference between them is the amount of nodes: parabolic elements has optional nodes on their edges. It provides better accuracy. Therefore, it was decided to use parabolic elements. Shape of elements is represented on the picture 3.7.

Picture 3.7 - Different types of finite elements: a) linear element of the first order; b) parabolic element of the first order; c) linear element of the second order; d) parabolic element of the first order

According the theory of elasticity two states of solid bodies are allocated: plain stress and plain strain. Taking into account recommendations of Burkov [46] it was decided that the task of stress-strain state analysis of the damaged pipeline is plain strain task.

One of the most important stages of FEM is plotting of the finite elements mesh: dividing whole model into small pieces (finite elements) which are connected between each other in nodes. Taking into account mentioned information mesh was plotted. Picture 5 represents obtained mesh.

Picture 3.8 - Generated mesh

Another stage of finite element analysis is the creating of boundary conditions. For providing the analysis section of pipe with length 2 m was fixed by two edges. Also internal pressure 4 MPa was applied. Picture of fixed model with internal pressure is represented below.

Picture 3.9 - Fixed section of the pipeline with internal pressure



3.1.4 Providing the experiment of the damaged pipeline

Using geometry shown in pictures 3.4 - 3.6 modeling was provided. During the experiment some parameters of defects were changed to get results of the stress-strain state changing. The goal of the research was to get picture of stress distribution in area of defects. Table of controlled parameters is represented below:

Table 3.1

Controlled parameters

Форма канавки	Серповидная	Овальная	Шпоночная
Геометрия
tк, mm	bк, mm	bк, mm	bк, mm
4; 4,5; 5; 6; 7; 8	50; 75; 100	20; 30	20

where t_g, is depth of the corrosion defect;

b_g is width of the corrosion defect (“groove”)

During the experiment depth of the defect was varied for different width and shapes of it. The main goal was to find areas of the highest rate of equivalent stress according to Von Mises. Comparison with yield point of steel was carried out for the purpose of the evaluation of extreme defect depth.

The example of calculations is shown on picture 3.10.

Picture 3.10 - Results of computations

This picture shows stress distribution in area of defect and the maximum occurred stress. The maximum occurred stress (325 MPa) is less than steel yield point (370 MPa) for grade of steel 13ХФА. Results are obtained for oval-shaped corrosion with depth 5 mm. Despite the fact that stresses less than yield point of steel, it is getting close to critical value, and failure can occurred in nearly future.

The same method was used for each type of the corrosion defect. Results are collected in table 3.2.

Table 3.2

Maximum equivalent stress (MPa) for different shapes of corrosion defects under the internal pressure p = 4 MPa

Форма канавки	Серповидная	Овальная	Шпоночная
Геометрия	bк, mm	bк, mm	bк, mm
tк, mm	50	75	100	20	30	20
4	424,02	399,51	348,51	-	-	-
4,5	363,01	356,47	307,4	433,09	394,7	-
5	325,59	317,18	273,6	363,69	356,36	428,91
6	255,82	248,88	215,74	268,08	263,03	346,83
7	198,35	193,27	176,14	214,7	210,15	273,46
8	150,66	148,98	137,57	169,52	163,13	236,81

3.1.5 Results analysis

Using obtained data (table 3.2) graphics of dependences were plotted for sickle- shaped, oval-shaped and dowel-shaped consequently.

Oval-shaped corrosion defect

On the picture 3.11 dependence maximum equivalent strength from depth of corrosion defect is shown. Results were collected for oval-shaped defect with different width: 50, 75 and 100 mm. The graph illustrates that the maximum stress value rises with the defect depth increasing.

санация ручейковый коррозия нефтепровод



Picture 3.11 - Dependence of maximum equivalent stress from the groove depth

Picture 3.12 demonstrates dependence of maximum equivalent stress from width of the defect

According to the graph it can be noticed that with width increasing values of stress diminishes.

Picture 3.12 - The dependence of maximum equivalent stress from defect width

Oval-shaped defect

Same graphs were obtained for the oval-shaped corrosion defect. In this case two values of width were used: 30 and 20 mm. Results are shown on the picture 3.13.

Picture 3.13 - Dependence of maximum equivalent stress from the groove depth

Plot demonstrates that the corroded pipeline is close to its extreme limit state when depth of the defect equals 5 mm. Maximum equivalent stress increases much faster than in sickle-shaped corrosion defect and achieved its limit state in less values of depth. The dependence of maximum equivalent stress from the defect width is shown on picture 3.14.

Picture 3.14 - Dependence of maximum equivalent stress from the groove depth

According to this it can be concluded that also depth of the corrosion defect strongly influences to the stress distribution.

Dowel-shaped defect

According to Popodko [21] in this case of the corrosion defect its width has influence to its maximum equivalent stress because of its shape. Taking into account this information dependence of stress from the defect depth was plotted for the one case. Width was equaled to 20 mm. The results of plotting are shown on the picture below.

Picture 3.15 - Dependence of maximum equivalent stress from the groove depth

In can be claimed that dowel-shaped corrosion defect has the highest value of stress, and also it has the greatest rate of stress increase. Corroded pipeline approaches its extreme limit state with value of depth 6 mm.

According to this it can be stated that this type of the corrosion defect is the most dangerous. Obtained data is correlated with other researches [21, 9].

Stress distribution pictures

For the purpose of the analysis, it is important to get picture of the stress distribution in corroded pipeline with different types of defects.

Stress distribution for sickle-shaped, oval-shaped and dowel-shaped defects is represented on pictures 3.16-3.18 consequently.



Picture 3.16 - Stress distribution of the corroded pipeline with the sickle-shaped defect

Picture 3.17 - Stress distribution of the corroded pipeline with the oval-shaped defect

It can be seen from pictures that different types of corrosion defects have different stress distribution depending on the shape of the defect. Thus, sickle-shaped defect (picture 3.16) has wider area with the highest rate of equivalent stress, but at the same time values of stress considerably lower than in oval-shaped case (picture 3.17), although they have similar distribution. In case of dowel-shaped corrosion we see the highest values of stress appearing in two areas close to edges of it.

3.2 Stress-strain state calculation of the corroded pipeline with the protective layer

The goal of the next stage of calculations is to evaluate stress-strain state for two- layer construction.

3.2.1 Amending the model concerning inner polymer covering

For plotting models with internal covering few transformations were taken:

- adding another body with the same shape simulating protective covering (picture 3.19);

- creating contacts between covering and pipe (were created using automatic function);

- changing the shape of the covering for simulation of another case (picture 3.20);

Picture 3.19 - Corroded pipeline with protective layer

Picture 3.20 - Corroded pipeline with protective layer without full contact

After made modifications experiment was carried out. In this part of work behavior two-layer construction for three mentioned shapes of defects were considered.



3.2.2 Experiment providing for damaged pipeline with inner protective covering

3.2.3 Results analysis

First of all, influence for stress distribution was evaluated. For that purpose oval-shaped defect with 20 mm width was considered. Three experiments were conducted:

- stress-strain analysis of the corroded pipeline without covering for different depth of defects;

- stress-strain analysis of the corroded pipeline with covering Scotchkote 169B for different depth of defects; covering thickness was equaled to 3 mm;

- stress-strain analysis of the corroded pipeline with covering CIPP for different depth of defects;

Results of experiments are represented on the picture 3.21.

Picture 3.21 - Stress-strain analysis for three cases

This plot illustrates stress distribution in the damaged pipeline in comparison to two other cases: with covering Scotchkote 169HB and CIPP. Based on obtained picture of the stress distribution it can be concluded that presence of covering decrease maximum stress appearing in the pipeline. Thus, internal protective covering increase reliability of the pipeline.

Based on obtained information and previous researches it was decided to choose CIPP for following calculations. Graphs of the maximum equivalent stress distributions were plotted. Results are represented on the pictures 3.22 - 3.24.

Picture 3.22 - Stress-strain distribution for sickle-shaped defect with (red) and without (blue) covering

Plot indicates that for the sickle-shaped defect protective layer has small influence to maximum stress distribution.

Picture 3.23 - Stress-strain distribution for oval-shaped defect with (red) and without (blue) covering

Plot indicates that for the oval-shaped defect protective layer has higher influence to maximum stress distribution than for sickle-shaped case.

Picture 3.24 - Stress-strain distribution for dowel-shaped defect with (red) and without (blue) covering

Plot indicates that for dowel-shaped defect protective layer has the highest influence to maximum stress distribution.

During the next experiment sickness of covering and its influence to maximum stress distribution was evaluated. Pipeline with the sickle-shaped defect were considered. Width of the defect was 50 mm. Dependences were obtained for three remain wall thickness (t_k) of the defect: 4,5 mm, 6 mm, 8 mm.

Results are shown on the picture 3.24.

Picture 3.25 - Dependence of the stress-strain distribution for sickle-shaped defect from covering thickness

According to the results it can be concluded that covering thickness has higher influence in case of lower values of wall thickness (higher value of the defect depth).

3.2.4 Retirement wall thickness calculation

To check used methods validity, it was decided to calculate retirement wall thickness according to [2]. Using formula:

When

where ??ot6. - retirement wall thickness

?? - internal pipeline pressure

??_h - external diameter of pipeline

??, ??, ??₃, ??₂ - coefficients according to RD

??^h - normal resistance that equals to yield point

??^h - normal resistance against breaking

After calculations it was obtained that retirement wall thickness value was 5 mm. Obtained results are correlated with provided experiments. It proves used methods for stress-strain state calculations.



4. Порядок проведения работ

4.1 Порядок проведения работ

4.1.1 Состав работ

При проведении санации гибким полимерным рукавом выполняются следующие действия:

- очистка трубопровода, промывка и телеметрия ремонтируемого участка;

- пропитка и введение рукава внутрь трубы;

- проведение мероприятий по отверждению рукава;

- охлаждение рукава;

- обрезка выпусков по краям рукава.

4.1.2 Проведение работ

В данной работе рассматривается метод выворачивания полимерного рукава.

Работы производятся в следующем порядке.

Над стартовым колодцем производится установка вышки с инверсионным кольцом. Рядом с вышкой располагают конвейер так, чтобы его раскладывающаяся часть заканчивалась над центром инверсионного кольца. Вместо конвейера может использоваться кран.

Заранее подготовленный по длине рукав заполняется определенным количеством смолы (при пропитке на стройплощадке). Конец рукава прикрепляют к ленте, с помощью которой он втягивается в реверсивную емкость мобильной установки. При его протаскивании рукав проходит между валиков, которые обеспечивают его пропитку.

Далее рукав наматывается на барабан реверсивной емкости, затем его конец прикрепляется к специальной головке, которая располагается на вышке. Потом рукав вручную выворачивается в трубу на глубину около метраметра, подводится шланг с водой.

Подается вода. За счет давления воды происходит выворачивание рукава. Постепенно рукав вводится внутрь ремонтируемого трубопровода. Осуществляется его плотное прижатие к стенкам трубопровода.

Скорость введения рукава регулируется давлением столба воды и скоростью работы крана, который подает рукав на вышку. По прохождении концом рукава вышки к нему присоединяются шланги для прогрева и стопорная лента, контролирующая скорость подачи рукава.

Количество прогревочных шлангов от 1 до 4. После выхода рукава из трубы в финишном колодце в рукав прекращают подавать воду, останавливают и фиксируют стопорную ленту. Выворачивание прекращается.

Стоит учитывать тот факт, что ждина рукава должна превышать длину санируемого участка:

- запас выхода рукава;

- запас обеспечения герметичности;

- запас на высоту водяного столба;

- при наличии поворотов в трубе на каждый поворот длина рукава увеличивается на 1 м;

- запас на глубину залегания трубопровода.

Полимеризация рукава после протягивания осуществляется подачей горячей воды температурой около 80⁰C. Процесс производится за счет циркуляции горячей воды.

4.2 Перечень используемого оборудования

Перечень оборудования необходимого для проведения работ представлен в таблице 4.1



Таблица 4.1

Оборудование для проведения работ



5. Результаты исследования

В результате проведенной работы была рассмотрена нормативно- техническая документация в области промысловых трубопроводов; проведен обзор литературы и анализ методов борьбы с внутренней коррозией

Было проведено исследование причин возникновения ручейковой коррозии на месторождениях. По итогам анализа были сделаны выводы о механо-электрохимическом характере протекания процесса, что согласуется с результатами исследований по данной проблеме, которые были проанализированы в первой части работы.

Была выполнена оценка методов борьбы с внутренней коррозией нефтепроводов с учетом условий эксплуатации месторождения. По итогам оценки было рекомендовано в качестве наиболее эффективного метода для борьбы с внутренней коррозией трубопроводов использовать технологию санации.

В расчетно-экспериментальной части работы был проведен расчет отбраковочной толщины стенки трубопровода диаметром 325 мм для давления 6,3 Мпа. Отбраковочная толщина составила: ??ot6. = 5 мм. Затем была проведена оценка НДС корродированного трубопровода для разных случаев, максимальные эквивалентные напряжения превысили пердел текучести стали 13ХФА при достижении остаточной толщины стенки 5 мм, что показало правомерность применяемой модели для оценки НДС корродированного трубопровода. Используя проверенную модель, было проведено численное моделирование методом конечных элементов (МКЭ) для корродированного трубопровода с покрытием на разных видах дефектов по типу ручейковой коррозии. Наблюдалось снижение напряжений, что позволяет сделать вывод о повышении надежности конструкции после введения полимерного рукава.

Также в рамках эксперимента проведенного в коллаборации со специалистами ООО «Норд Империал» был осуществлен анализ воздействия перекачиваемой среды на полиэтиленовый образец аналогичный материалу применяемого покрытия. По результатам экспертизы были сделаны выводы о высокой коррозионной стойкости материала.

В итоговой части работы была произведена оценка экономической эффективности от применения покрытия. Расчет проводился для возможной аварийной ситуации, сопровождаемой остановкой куста на одни сутки. Результаты расчета показали, что потенциальные потери могут достигать высоких значений (порядка 113 млн. руб.), что свидетельствует о целесообразности трат на создание надежной коррозионно-стойкой конструкции путем введения полимерного внутреннего покрытия.



6. Финансовый менеджмент и ресурсосбережение

6.1 SWOT-анализ

SWOT-анализ применяется для стратегического планирования, он позволяет провести оценку проекта, выявив его слабые и сильные стороны. Анализ проводился для оценки эффективности санации как метода защиты от коррозии промысловых трубопроводов. В таблице 6.1 представлены результаты анализа по данному методу.

Таблица 6.1

Матрица SWOT

Внутренняя среда	Сильные стороны	Слабые стороны
	Повышение надежности трубопроводов. Продление срока эксплуатации трубопроводов	Сложность проведения работ. Более высокая стоимость в сравнении с традиционными методами ремонта
	Возможности	Угрозы
	Широкий диапазон изменения параметров технологии Возможность подбора требуемых параметров технологии с учетом опыта применения	Риски связанные с некачественным проведением работ, сводящие на нет эффект применения
Внешняя среда	Повсеместное внедрение, разработка рекомендаций в соответствии с различными условиями с учетом практики	Недостаточное нормативно-технического обеспечения технологии в нефтегазовой отрасли

6.2 Проведение оценки готовности проекта к коммерциализации

Проект должен быть оценен с точки зрения готовности к коммерциализации.

Также проводится определение уровня собственных знаний.

В таблице 6.2 приведены показатели степени проработки проекта.



Таблица 6.2

Оценка степени готовности научного проекта к коммерциализации

№ п/п	Наименование	Степень проработанности научного проекта	Уровень имеющихся знаний у разработчика
1	Определение имеющегося научно-технического задела	4	4
2	Определение перспективных направлений коммерциализации научно-технического задела	5	4
3	Определение отрасли и технологии (товары, услуги) для предложения на рынке	5	3
4	Определение товарной формы научно- технического задела для представления на рынок	5	3
5	Определены авторы и осуществлена охрана их прав	4	3
6	Проведение оценки стоимости интеллектуальной собственности	4	4
7	Проведение маркетинговых исследований рынков сбыта	Страница:  1   2   3  дипломная работа "Исследование эффективности применения санации как метода защиты от коррозии" скачать Подобные документы Влажная атмосферная коррозия металлов Классификация, особенности и механизм возникновения влажной атмосферной коррозии. Конденсация влаги на поверхности корродирующего металла. Влажность воздуха как один из главных факторов образования коррозии. Методы защиты от влажной атмосферной коррозии. реферат [1,1 M], добавлен 21.02.2013 Химическое сопротивление материалов и защита от коррозии Рассмотрение механизма протекторной защиты от коррозии, ее преимуществ и недостатков. Построение схемы протекторной защиты. Определение параметров катодной защиты трубопровода, покрытого асфальтобитумной изоляцией с армированием из стекловолокна. контрольная работа [235,4 K], добавлен 11.02.2016 Способы защиты древесины от коррозии Конструктивная защита от коррозии деревянных конструкций. Этапы нанесения поверхностной защиты, применяемые материалы. Средства, защищающие древесину от биологического воздействия, гниения, поражений насекомыми и возгорания. Выбор антисептика для защиты. реферат [50,7 K], добавлен 19.12.2012 Применение ингибиторов коррозии для защиты трубопроводов Особенности геологического строения и коллекторские свойства пластов Ромашкинского нефтяного месторождения. Анализ методов борьбы с коррозией трубопроводов, а также мероприятия по охране недр и окружающей среды, применяемые в НГДУ "Лениногорскнефть". дипломная работа [3,6 M], добавлен 26.06.2010 Качественный метод исследования с применением индикаторов. Весовой метод измерения скорости коррозии металлов Качественные и количественные методы исследования коррозии металлов и ее оценки. Определение характера и интенсивности коррозионного процесса с помощью качественного метода с применением индикаторов. Измерение скорости коррозии металла весовым методом. лабораторная работа [18,1 K], добавлен 12.01.2010 Коррозия металлов Сущность и основные причины появления коррозии металла, физическое обоснование и этапы протекания. Ее разновидности и отличительные свойства: химическая, электрохимическая. Способы защиты от коррозии, используемые технологии и материалы, ингибиторы. презентация [734,6 K], добавлен 09.04.2015 Выбор конструкционных материалов и средств защиты от коррозии химического оборудования Виды коррозии, ее электрохимический и химический механизмы. Технологическая схема, конструктивные особенности, условия эксплуатации и характеристика возможных коррозионных процессов в аппаратах: циклон, распылительный абсорбер и рукавный фильтр. контрольная работа [185,7 K], добавлен 26.10.2011 Атмосферная коррозия Понятие, классификация и механизм атмосферной коррозии металлов. Описание основ процесса конденсации влаги на поверхности металла. Особенности и факторы влажной атмосферной коррозии металлов. Изучение основных методов защиты от влажной коррозии. контрольная работа [422,9 K], добавлен 21.04.2015 Борьба с осложнениями при эксплуатации скважин – коррозия глубинно-насосного оборудования Факторы, оказывающие негативное воздействие на состояние погружных металлических конструкций. Электрохимический метод предотвращения коррозии глубинно-насосного оборудования. Защита от коррозии с помощью ингибирования. Применение станций катодной защиты. курсовая работа [969,5 K], добавлен 11.09.2014 Метод анализа видов и последствий потенциальных дефектов Основные понятия и принципы метода анализа видов и последствий потенциальных дефектов (FMEA). Суть методологии, процедуры и условий эффективного применения метода FMEA, его видов, анализ потенциальных отказов. Виды, цели и этапы проведения FMEA. курсовая работа [593,1 K], добавлен 28.10.2013 Методы защиты нефтегазового оборудования от коррозии Защита от коррозии нефтегазового оборудования и сооружений методами газотермического напыления. Характеристики изолирующего и защитного покрытия. Технико-экономические достоинства конструкционных материалов. Коррозия технологического оборудования. реферат [28,2 K], добавлен 28.02.2013 Электрохимические методы защиты газопромыслового оборудования Коррозия металлических сооружений причиняет огромный ущерб всем отраслям народного хозяйства. Особенно велики потери в результате коррозии нефте- и газопромыслового оборудования. Основные положения теории коррозии. Принципы создания коррозионных сплавов. контрольная работа [438,6 K], добавлен 25.08.2010 Цветные металлы: классификация, области применения. Металлические проводниковые и полупроводниковые материалы Классификация цветных металлов, особенности применения и обработки. Эффективные методы защиты цветного металла от атмосферной коррозии. Алюминий и алюминиевые сплавы. Металлические проводниковые и полупроводниковые материалы, магнитные материалы. курсовая работа [491,9 K], добавлен 09.02.2011 Газоснабжение района города Определение годового потребления газа районом города в соответствии с нормами потребления и численностью населения. Расчет газовой сети низкого давления, количества оборудования и изоляции. Обзор способа прокладки газопроводов, метода защиты от коррозии. методичка [664,9 K], добавлен 06.03.2012 Проект мобильной установки по нанесению покрытий на внутреннюю поверхность резервуаров Способы защиты резервуаров от коррозии, виды покрытий, применяемых в них. Типы распыляющих устройств. Расчет исследуемого устройства, его главные параметры и оценка практической эффективности. Выбор и обоснование необходимых средств автоматизации. дипломная работа [1,1 M], добавлен 12.05.2014 Защита нефтепромысловых трубопроводов от коррозии Анализ причин коррозии трубопроводов, происходящей как снаружи под воздействием почвенного электролита, так и внутри, вследствие примесей влаги, сероводорода и солей, содержащихся в транспортируемом углеводородном сырье. Способы электрохимической защиты. курсовая работа [4,7 M], добавлен 21.06.2010 Коррозия цементного камня и способы защиты Физическая, химическая, электрохимическая и биологическая коррозии. Коррозия выщелачивания, магнезиальная, углекислотная, сульфатная, сероводородная. Эксплуатационно-профилактическая, конструктивная, строительно-технологическая защита бетона от коррозии. реферат [16,2 K], добавлен 26.10.2009 Анализ пассивных методов защиты от коррозии магистральных нефтегазопроводов Общее понятие о коррозии. Виды и технологии нанесения изоляционных покрытий труб в заводских и трассовых условиях и их характеристики. Производственная и экологическая безопасность при выполнении работ по переизоляции участка магистрального нефтепровода. дипломная работа [2,0 M], добавлен 26.12.2013 Использование магнитных аппаратов для защиты от коррозии нефтепромыслового оборудования Формула расчета защитного эффекта. Состав исследуемых вод. Контроль скорости коррозии. Влияние магнитного поля на эффективность омагничивания воды. Анализ результатов лабораторного изучения влияния магнитной обработки воды на ее коррозионную активность. статья [100,8 K], добавлен 19.01.2013 Изоляционное оборудование и технология изоляции Методы защиты металлических труб трубопровода от коррозии. Изоляционные покрытия, битумные мастики. Покрытия на основе эпоксидной порошковой краски и напыленного полиэтилена. Виды электрохимической защиты. Конструкция и действие машины для покрытий. курсовая работа [770,8 K], добавлен 03.04.2014 Другие документы, подобные "Исследование эффективности применения санации как метода защиты от коррозии" главная рубрики по алфавиту вернуться в начало страницы вернуться к началу текста вернуться к подобным работам Рубрики По алфавиту Закачать файл Заказать работу весь список подобных работ скачать работу можно здесь сколько стоит заказать работу? Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д. PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах. Рекомендуем скачать работу. © 2000 — 2023, ООО «Олбест» Все права защищены