Повышение эффективности технологии замены дефектного участка магистрального трубопровода

Краткое описание

Содержание
ВВЕДЕНИЕ 5

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИИ ЗАМЕНЫ ДЕФЕКТНОГО УЧАСТКА ТРУБ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ 8

1.1. Общие проблемы замены дефектного участка трубопровода 8

1.2. Центровка труб при замене дефектного участка трубопровода 12

1.3. Анализ перекрытия полости труб нефте-

и нефтепродуктопроводов 19

Выводы и обоснование области исследований 23

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ТРУБОПРОВОДА ПРИ ЗАМЕНЕ ДЕФЕКТНОГО УЧАСТКА 25

2.1. Усилия поддержки трубопровода при центровке

труб без их смещений 25

2.2. Исследование центровки труб с горизонтальным смещением трубопровода 33

2.3. Расчет усилий при центровке труб с подъемом трубопровода 38

2.4. Расчет усилия поддержки трубопровода при центровке

труб с опусканием сопрягаемого конца 50

2.5. Особенности центровки труб с горизонтальным

и вертикальным перемещениями трубопровода 56

2.5.1. Подъем вверх и горизонтальное перемещение трубопровода 56

2.5.2. Горизонтальное перемещение и опускание трубопровода вниз от уровня его пролегания 57

2.6. Исследование центровки труб при ограниченных длинах вскрытия трубопровода 58

3

2.6.1. Исследование центровки труб с подъемом трубопровода 59

2.6.2. Исследование центровки труб с опусканием сопрягаемого конца трубопровода 63

Выводы по главе 2 67

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ И ВЫБОР

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЦЕНТРОВКИ ТРУБ 68

3.1. Общие требования к технологии центровки труб 68

3.2. Центровка труб при отсутствии отклонений между

их продольными осями 70

3.2.1. Выбор рациональных параметров 70

3.2.2. Напряжения в трубопроводе при центровке без смещений труб 77

3.3. Центровка труб с перемещением трубопроводов

в горизонтальной плоскости 79

3.3.1. Рациональные параметры центровки труб 79

3.3.2. Расчет напряжений при центровке с горизонтальным перемещением трубопровода 82

3.4. Выбор технологических параметров при центровке

с подъемом трубопровода 86

3.4.1. Рациональные технологические параметры 86

3.4.2. Анализ напряжений изгиба при центровке с подъемом трубопровода 89

3.5. Центровка труб с опусканием сопрягаемого участка 97

3.5.1. Рациональные параметры центровки 97

3.5.2. Исследование напряженного состояния трубопровода

при центровке с опусканием сопрягаемого участка 102

3.6. Расчет напряжений в случае ограниченной длины вскрытия 104

3.6.1. Центровка с подъемом трубопровода 104

3.6.2. Центровка с опусканием трубопровода 106

4 3.7. Методика расчета и выбор технологических параметров

центровки труб при ремонте трубопроводов 106

Выводы по главе 3 118

ГЛАВА 4. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ

ПЕРЕКРЫТИЯ ПОЛОСТИ ТРУБОПРОВОДА 119

4.1. Технология и технические средства перекрытия

полости трубопровода 119

4.2. Метод повышения надежности перекрытия полости трубопровода 122

4.3. Выбор параметров перекрытия полости трубопровода 127 Выводы по главе 4 133

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 134

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 137
Введение

ВВЕДЕНИЕ

Основными требованиями, предъявляемыми к магистральным трубопроводам (МТ) являются высокая надежность, экологическая безопасность и эффективность эксплуатации. Эти показатели зависят от качества проектирования и строительства магистральных трубопроводов; высокоорганизованная и эффективная система технического обслуживания и ремонта позволяет поддерживать их на необходимом уровне.

Исследованиями В.Л. Березина, А.Г. Гумерова, П.П. Бородавкина, Э.М. Ясина, О.М. Иванцова, A.M. Шаммазова, Л.И. Быкова, Р.С. Гумерова, Р.С. Зайнуллина, К.М. Гумерова и других ученых созданы научные основы и эффективные пути обеспечения надежности трубопроводных систем при проектировании, строительстве и эксплуатации магистральных трубопроводов.

Вместе с тем отечественный и мировой опыт эксплуатации МТ показывает, что, несмотря на значительные достижения в области проектирования, строительства и эксплуатации МТ, полностью исключить отказы не удается. По разным причинам происходят повреждения МТ, остановки перекачки продукта, его выход из трубопровода через повреждения и загрязнение окружающей среды. Для ликвидации аварий организации, эксплуатирующие МТ, создают аварийно-восстановительную службу (ABC). Аварийно-восстановительная служба обязана в кратчайшие сроки ликвидировать аварию, свети к минимуму влияние разлитого продукта на окружающую среду, полностью восстановить работоспособность трубопровода.

В связи с этим остается весьма актуальной проблемой повышение эффективности работ по восстановлению дефектных и поврежденных участков трубопроводов. Восстановление поврежденных участков трубопроводов, в зависимости от размеров повреждений, производится с

6

заменой дефектного участка, без замены путем усиления различными способами ослабленного дефектами участка. Наиболее опасные дефекты ремонтируются с заменой участка трубопровода. Данный способ позволяет восстанавливать несущую способность участка трубопровода до проектного уровня, хотя связан со значительными затратами средств и времени. Существенная доля этих затрат вызвана сложностью выполнения сварочно-монтажных работ при замене дефектного участка трубопровода, низкой эффективностью выполнения некоторых технологических операций.

Цель работы - повышение эффективности работ по замене дефектного участка магистрального трубопровода.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи исследования:

- анализ технологии замены дефектного участка трубопровода;

- оценка прилагаемых усилий для центровки труб и напряженно-деформированного состояния трубопроводов при их центровке;

- разработка рациональных технологических схем центровки трубопровода при замене дефектного участка;

- усовершенствование технологии перекрытия полости трубопровода, повышающей безопасность проведения сварочных работ.

В работе используются надежные и широко апробированные методы и принципы теории упругости, математической статистики. Разработанные методы оценки усилий напряженно-деформированного состояния трубопровода и усовершенствование технологии перекрытия базируются на современных достижениях в области капитального ремонта, многолетний производственный опыт, подтверждающих обоснованность предложенных методов и усовершенствований. При решении поставленных задач автором получены научно обоснованные, имеющие новизну и практическую ценность результаты.

Разработан метод оценки усилий и напряженно-деформированного

7

состояния трубопровода при замене дефектного участка основанный на учете пространственного положения центрируемых труб и выявлены закономерности изменения усилий и напряжений в трубопроводе от величины несоосности центрируемых труб, их геометрических характеристик, направлений перемещения труб при центровке, свойств грунта, окружающего прилегающие к ремонтируемому участку трубопровод.

Разработаны технологические схемы центровки труб при замене дефектного участка трубопровода, позволяющие существенно сократить время на центровку труб, обоснованно подобрать количество и тип грузоподъемных механизмов и рационально размещать их на ремонтируемом участке.

Предложена усовершенствованная технология перекрытия полости трубопровода, обеспечивающая исключение попадания углеводородных газов из прилегающих участков за герметизирующимися тампонами в зону сварки до конца завершения огневых работ.

Разработанные автором методы повышения эффективности работ по замене дефектного участка трубопровода позволяют решать важную народнохозяйственную проблему - поддерживать стабильное функционирование магистральных трубопроводов.

На защиту выносятся метод расчета усилий и напряжений и рациональные технологические схемы выполнения работ при замене дефектного участка трубопровода.

Основное содержание работы опубликовано в 10 научных трудах.

8

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИИ ЗАМЕНЫ ДЕФЕКТНОГО УЧАСТКА ТРУБ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

1.1. Общие проблемы замены дефектного участка трубопровода

Техническое обслуживание и ремонт трубопроводов - трудоемкие процессы и требуют больших затрат. В связи с увеличением срока эксплуатации магистральных нефте- и газопроводов объем работ по их обслуживанию и ремонту возрастает [17, 31, 34, 35, 36, 38, 50, 51, 78, 87]. Поэтому важнейшей задачей становится совершенствование технологии и технического обслуживания и ремонтных работ [13, 20, 86, 89].

В технологии капитального и аварийного ремонта магистральных нефтепроводов операции подъема и поддержания труб, как по объему, так и по значимости занимают одно из важных мест [12,14,60,61].

При подъеме трубопроводов возникают напряжения изгиба в стенке трубопровода. Эти напряжения тем больше, чем меньше используемое количество трубоукладчиков и больше масса трубопровода, и высота его подъема [18]. В связи с этим, по возможности, используются большое количество грузоподъемных механизмов. Потребная грузоподъемность трубоукладчиков определяется массой поднимаемого участка трубопровода и высотой подъема.

При ремонтных работах участки трубопровода с недопустимыми дефектами вырезают, на их место врезают новые «катушки». Выбор труб для новых «катушек» проводится в соответствии с [15, 28, 73]. Работы по замене дефектного участка очень ответственны и трудоемки, особенно при смещении осей трубопроводов после вырезки дефектного участка [7]. Совмещение осей катушки и трубопровода производят обычно трубоукладчиками. На криволинейных участках и при ремонте трубопроводов больших диаметров необходимое суммарное усилие для центровки достигает сотен тонн. Направление данного усилия может

9

быть любое. Из-за конструктивных особенностей трубоукладчиков создание ими необходимого усилия в любом направлении в области центровки труб весьма затруднено [11]. Поэтому при врезке катушки на трубопроводах больших диаметров одновременно используют десятки трубоукладчиков. Несмотря на это, данная работа занимает много времени, а качество ее выполнения часто не отвечает нормативным условиям.

Ремонт поврежденного участка трубопровода путем его замены производят при наличии [5,45, 46, 47, 68, 69, 70, 72]:

- трещины длиной 50 мм и более в сварном шве или основном металле трубы;

- разрыва кольцевого (монтажного) шва;

- разрыва продольного (заводского) шва и металла трубы;

- вмятины глубиной, превышающей 3,5 % диаметра трубы;

- царапины глубиной более 30 % толщины стенки и длиной 50 мм и более.

В зависимости от принятой технологии ведения работ, замена участка трубы может осуществляться с остановкой перекачки нефти по трубопроводу на весь период восстановительных работ, при этом аварийный участок может полностью или частично освобождаться от нефти, и с прокладкой обводной (байпасной) линии, требующей остановки перекачки лишь на период ее монтажа и подсоединения.

Технология замены поврежденного участка с остановкой перекачки широко применяется при ремонте отечественных нефтепроводов. По этой технологии после остановки перекачки обнаруженный аварийный участок перекрывают от остальной трассы двумя линейными задвижками.

Замена участка может производиться в плановом порядке после обнаружения дефекта или после аварии. Рассмотрим порядок организации работ в случае аварии. Порядок организации работ для

10

случая аварий путем замены поврежденного участка нефтепровода без прокладки обводной линии следующий:

- определяют место аварии;

- вскрывают участок с одновременной откачкой вытекающей нефти;

- вырезают безогневым методом окна в трубопроводе и производят откачку нефти из трубы;

- перекрывают внутреннюю полость трубопровода и вырезают дефектный участок;

- размечают новую катушку;

- производят центровку и вварку новой катушки;

- осуществляют контроль качества сварных швов;

- изолируют отремонтированный участок и засыпают грунтом. Сущность способа замены поврежденного участка с прокладкой

обводной линии состоит в том, что в аварийном порядке производят перекрытие поврежденного участка трубопровода, врезку и прокладку обводной линии для возобновления перекачки. Основные же восстановительные работы по замене участка трубы выполняются в обычном ритме, что способствует повышению качества монтажно-сварочных работ.

Вопросы ремонта подземных трубопроводов освещены в работах [19,62,63,71,84].

При замене поврежденного участка наиболее ответственными являются работы по вырезке дефектного участка трубопровода и вварке новой «катушки». Эти работы должны выполняться с соблюдением определенных требований.

Длина вырезанного дефектного участка трубопровода должна быть больше длины самого дефекта не менее чем на 100 мм с каждой стороны.

Способ вырезки дефектного участка трубопровода должен назначаться в зависимости от конкретных условий, наличия

11

ЗАМЕНА ДЕФЕКТНОГО УЧАСТКА МАГИСТРАЛЬНОГО ТРУБОПРОВОДА

ВСКРЫТИЕ ДЕФЕКТНОГО УЧАСТКА МАГИСТРАЛЬНОГО ТРУБОПРОВОДА

I

ОТКАЧКА НЕФТИ ИЛИ НЕФТЕПРОДУКТА ИЗ РЕМОНТИРУЕМОГО УЧАСТКА ТРУБОПРОВОДА

I

ВЫРЕЗКА ДЕФЕКТНОГО УЧАСТКА ТРУБОПРОВОДА

I

ПЕРЕКРЫТИЕ ПОЛОСТИ ТРУБОПРОВОДА

I

РАЗМЕТКА НОВОЙ КАТУШКИ

1

ЦЕНТРОВКА ВВАРИВАЕМЫХ ТРУБ

ВВАРКА НОВОЙ КАТУШКИ, КОНТРОЛЬ

КАЧЕСТВА СВАРНЫХ ШВОВ И НАНЕСЕНИЕ

АНТИКОРРОЗИОННОГО ПОКРЫТИЯ

ЗАСЫПКА ТРУБОПРОВОДА МИНЕРАЛЬНЫМ

ГРУНТОМ, НАНЕСЕНИЕ ПЛОДОРОДНОГО СЛОЯ

ПОЧВЫ, РЕКУЛЬТИВАЦИЯ ЗЕМЛИ

Рисунок 1.1- Структура основных технологических операций замены дефектного участка магистрального трубопровода

12

соответствующих технических средств и применением технологии АВР. Могут быть использованы:

- холодная резка (с помощью специальных машинок для резки труб во взрывобезопасном исполнении типа МРТ, «Фаин»);

- газовая резка (резка пламенем от сгорания пропанокислородной смеси);

- резка с применением энергии взрыва.

Все работы по ремонту выполняются в соответствии с требованиями соответствующих нормативных документов [29, 30, 39-^-43, 53, 56, 57].

Для выполнения работ, отдельных технологических операций созданы специальные технические средства [48, 57, 59, 65, 74, 79].

На рисунок 1.1 представлена структура основных технологических операций замены дефектного участка магистрального трубопровода [6].

Из всего комплекса работ по замене дефектного участка, как показал анализ, являются наиболее трудоемкой - центровка труб [32, 33]. Из-за отсутствия специально разработанных рациональных технологических схем, расстановки трубоукладчиков для всех возможных случаев работа по центровке ведется долго и часто методом проб по размещению и количеству трубоукладчиков.

Весьма ответственным в части обеспечения безопасности является перекрытие полости двух прилегающих участков трубопроводов, т.к. перекачиваемые продукты (нефть, нефтепродукты) пожаро- и взрывоопасны.

Рассмотрим центровку труб и перекрытие полости трубопроводов более конкретно.

1.2. Центровка труб при замене дефектного участка трубопровода

Центровка — это технологическая операция, в результате которой

13 две сопрягаемые трубы становятся соосными.

Плоскости торцовых поверхностей стыкуемых трубопроводов должны быть перпендикулярны осям этих трубопроводов и параллельны друг другу. Указанное требование достигается путем вскрытия и освобождения трубопроводов от фунта с последующим их перемещением с целью достижения единой продольной оси стыкуемых трубопроводов [44, 54].

Перемещение участков трубопроводов для достижения их соосности осуществляется трубоукладчиками с применением «мягких» полотенец. При большей величине несоосности вскрываются и передвигаются оба стыкуемых участка трубопровода.

Определение соосности и излома оси ремонтируемых концов трубопровода производится в соответствии с рисунком 1.2.

При центровке прямых труб должны совпасть их оси. При центровке криволинейных труб I и II (рисунок 1.3) должны совпасть касательные (ВА и АС) к осям в точке А. Эта точка является местом пересечения осей труб с плоскостью П проходящей посредине стыка. Таким образом, должны совместиться точки пересечения обеих осей со срединной плоскостью зазора S.

Сборочные, в том числе центровочные, операции однотипны и многократно повторяются. Однотипность операций дает возможность разрабатывать наиболее рациональные методы их выполнения и создавать удобные, быстро действующие, надежные механизмы и приспособления.

Перед центровкой определяют на трубах исходные линии или поверхности, называемые технологическими базами. Поскольку оси труб - линии воображаемые, они не могут являться технологическими базами.

Технологическими базами могут быть следующие поверхности и линии: наружная цилиндрическая поверхность (НЦ), внутренняя цилиндрическая поверхность (ВЦ), торцовая плоскость кромок (ТП) и

14

Рисунок 1.2- Схема замера соосности труб (а) и излома (б)

В

П

Рисунок 1.3 - Схема центровки криволинейных труб

15 образующие линии цилиндра (ОЛ).

При величине несоосности концов трубопровода до 2 мм и отсутствии излома оси трубопровода, производятся дальнейшие работы по центровке "катушки". При величине несоосности концов трубопровода более 2 мм и наличии излома оси трубопровода, конец (концы) трубопровода дополнительно вскрывается экскаватором.

Грузоподъемными механизмами перемещается конец (концы) трубопровода до устранения несоосности концов и излома оси трубопровода.

Выставленные торцы ремонтируемого трубопровода, при проведении дальнейших операций, должны оставаться неподвижными. Неподвижность концов трубопровода обеспечивается фиксированием положения стрелы трубоукладчика или засыпкой пазух трубопровода грунтом.

При невозможности центровки трубопровода с требуемой точностью, ремонт данного участка нефтепровода производится монтажом гнутых отводов. Величина угла гнутого отвода должна быть определена проведением геодезической съемки данного участка трубопровода.

Производится обрезка участков ремонтируемого трубопровода, деформированных взрывом или имеющих неровную кромку после отрезных машин, газовой резкой. Длина вырезаемой части трубопровода, после резки взрывом, должна составлять 40...50 мм.

Разметка линии реза производится мелом или тальком с применением мягких шаблонов либо других специальных приспособлений.

До обрезки концов труб производится ультразвуковой контроль (УЗК) участков, шириной 50 мм, прилегающих к торцам трубопровода по всему периметру на отсутствие расслоений. Расслоения, выявленные УЗК, удаляются обрезкой кольца от торца трубопровода.

16

Подготовка и подгонка ремонтных "катушек" производится в следующей последовательности:

- производится разметка выбранной "катушки" на трубе, длина которой должна соответствовать длине ремонтного участка с учетом припуска на механическую обработку после газовой резки величиной 2 мм. Длина ремонтной «катушки», готовой к установке, должна быть меньше длины ремонтного участка на 2...3 мм;

- производится обрезка ремонтной «катушки» и обработка кромок «катушки» согласно технологической карте на сборку и сварку.

Неперпендикулярность обработанных торцов «катушки» относительно образующей трубы не должна превышать 2 мм.

При изготовлении «катушки» выполняются пробные установки катушки на ремонтируемый участок трубопровода.

Установка на ремонтируемый участок трубопровода и сборка «катушки» с трубопроводом производится с применением двух наружных центраторов.

В случае, когда концы ремонтируемого трубопровода и соединительных элементов имеют овальность, для сборки рекомендуется применять центраторы специальной конструкции.

Зазор между свариваемыми кромками трубопровода и «катушки» устанавливается равномерно в обоих стыках за счет поворота катушки и перемещения ее вдоль оси трубопровода. Зазор фиксируется прижимными винтами центраторов.

При сборке «катушек» с ремонтируемым трубопроводом смещение продольных швов стыкуемых труб должно быть не менее 100 мм. Продольные швы «катушек» располагаются в верхней части трубопровода. Минимальное расстояние от поперечных сварных швов ремонтируемого трубопровода до сварных швов приварки «катушки» (соединительной детали) должно быть не менее наружного диаметра трубопровода.

17

При сборке стыков труб с одинаковой нормативной толщиной стенки должны соблюдаться требования:

- внутреннее смещение кромок бесшовных труб не должно превышать 2 мм. Допускаются местные внутренние смещения кромок труб, не превышающие 3 мм по длине окружности не более 100 мм;

- смещение кромок электросварных труб с толщиной стенки 10 мм и более не должно превышать 20 % от нормативной толщины стенки, но не более 3 мм. Для труб с толщиной стенки до 10 мм допускается смещение кромок до 40 % от нормативной толщины стенки, но не более 2 мм.

Соединение на трассе разнотолщинных труб одного и того же диаметра или труб с деталями (тройниками, переходниками, днищами, отводами) допускается, если - разность толщин стыкуемых труб (максимальная из которых 12 мм и менее) - не превышает 2,5 мм; если разность толщин стенок стыкуемых труб (максимальная из которых более 12 мм) - не превышает 3 мм.

При разности толщин 61/82 до 1,5 (п. 4.5 СНиП Ш-42-80*) допускается выполнять непосредственную сборку и сварку труб или труб с деталями трубопроводов при специальной разделке кромок с большей толщиной стенки трубы или детали трубопровода.

Сборка и сварка захлесточных стыков должны выполняться по специально разработанным технологическим картам. Для выполнения захлеста оба соединяемых конца трубопровода должны иметь припуск на подгонку и механическую обработку.

При устранении технологического разрыва на участке трубопровода выполнением захлеста применяются следующие схемы:

схема «а» - концы трубопровода свободны (не засыпаны землей), находятся в траншее и могут перемещаться;

схема «б» - один конец трубопровода защемлен, а другой имеет свободное перемещение.

Список литературы