Применение композитных муфт при выполнении ремонта магистральных трубопроводов

ВВЕДЕНИЕ

Полимерные композитные материалы (ПКМ) для ответственных конструкционных и ремонтных целей, применяются в различных отраслях промышленности Германии с середины 30-х годов, в США — с начала 50-х, а в нашей стране, в нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности — с начала 60-х годов.

Исходя из ряда существенных преимуществ соединений металлов композитными материалами перед другими способами при массовых ремонтах, в начале 70-х годов была создана отечественная научно-обоснованная технология ремонта металлоконструкций, длительно работающих в углеводородных и водных средах.
По этой технологии, получившей название «холодная сварка», на нефтеперерабатывающих заводах ремонтировались аварийные участки подземных газопроводов, диаметром 100 мм с рабочим давлением до 20 кг/см2 , и нефтепроводы, диаметром до 200 мм. Устранялись крупные свищи и большие трещины на трубопроводах работающих под давлением более 16 кг/см2 . Ремонт трубопроводов, работающих под давлением 6–7 кг/см2 , производился без прекращения подачи жидкости или газа.
В международной практике эксплуатации систем трубопроводного транспорта разнообразного назначения важной задачей является восстановление герметичности и прочности дефектных участков труб, для того чтобы поддержать проектную производительность трубопроводов в течение продолжительного времени. Наиболее существенную значимость этот вопрос имеет для трубопроводов, которые транспортируют углеводороды - газ, нефть, конденсат. Это связано с тем, что данное углеводородное сырье имеет высокую стоимость, энергоемкость и при утечке продукта в окружающую среду из-за нарушения герметичности стенок труб значительный экологический ущерб.
Обширное применение внутритрубных и наружных средств приборной диагностики предоставляет возможность довольно точно установить характер и распределение дефектов стенки труб относительно протяженности трубопровода. Имеются способы оценки степени опасности дефектов и ранжирования их в зависимости от этой опасности. Учитывая меры опасности и факторы, которые оказывают большое внимание на скорость развития дефектов, назначаются отличные друг от друга методы ремонтных работ дефектных участков труб.
Практика ремонтных работ на дефектных участках трубопроводов формируется, основываясь на высокопрочные материалы для муфт - сталь и армированные полимеры. В настоящее время конструкции и методы установки стальных муфт достаточно проработаны, однако применение для ремонта дефектных участков армированных полимеров, например, стеклопластиков, находится на начальном этапе своего развития. Возможности широкого использования стеклопластиковых муфт при ремонте локальных дефектов трубопроводов определяются целым рядом высоких прочностных и конструкционно-технологических характеристик, а кроме того эксплуатационной надежностью и экологической безопасностью.
1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫХ МУФТ. 1.1 Общие сведения. Обычно в случае отсутствия специальных устройств, машинист экскаватора, для определения положения вскрываемого трубопровода в пространстве, передвигается по вешкам, предварительно устанавливаемые геодезистами, что также не всегда дает ясного и отчетливого представления нахождения границ вскрываемой траншеи.
Использование ГИС-технологий в строительстве и капитальном ремонте магистральных трубопроводов позволит решать широкий спектр задач, но на сегодняшний день, применение ГИС-технологий осложнено тем, что не у всех организаций занимающиеся строительством и капитальным ремонтом трубопроводов есть возможности для использования этих высокоточных технологий и устройств для их реализации. Многие организации пользуются услугами специальных подрядных организаций, у которых нередко есть свой спутник посредством которого они могут в любое время по координатам решить любую поставленную задачу.
На некоторых участках магистральных трубопроводов, бывает и так, что при эксплуатации, грунт находящиеся над верхней образующей трубы претерпевает уплотнение, в результате чего образуются провальные деформации грунта. В местах где произошли деформации грунта, машинисту экскаватора легко ориентироваться и вести вскрышные работы. Однако, такие ситуации бывают очень редко.
При осуществлении вскрытия траншей, для визуальной ориентировки машиниста экскаватора, а также определения мест стоянок экскаваторов, можно наносить на поверхность земли разметку [5].
По данным [6], одной из причин снижения надежности при эксплуатации магистрального трубопровода, является некачественное выполнение строительно-монтажных работ (СМР). Например, при вскрытии ЛЧМТ, в случае если машинист экскаватора не знает точного расположения трубы и глубину заложения, возникает опасность повреждения стенки трубы ковшом. В таких случаях участок поврежденной трубы заменяют, что приводит к дополнительным затратам, чем и объясняется актуальность предлагаемой разработки.
1.2 Оборудование магистральных нефтепроводов
Под капитальным ремонтом понимается комплекс организационнотехнических мероприятий, который включает в себя работы, в результате которых не изменяются основные проектные показатели трубопровода (проектное рабочее давление, производительность и вид транспортируемого продукта), связанные с восстановлением отдельных частей, узлов, деталей, конструкций, инженерно-технического оборудования или их заменой в связи с физическим износом или разрушением на более долговечные и экономичные, улучшающие их эксплуатационные показатели, а также восстановлением проектных, технических и эксплуатационных характеристик объектов транспорта газа, а также проектным, экспертным, сопроводительным и надзорным обеспечением этих работ, содержанием площадей отвода земли объектов.
При капитальном ремонте трубопроводов производятся следующие виды работ:
– замена отдельных участков трубопроводов;
– замена газовых колодцев;
– замена изоляции на отдельных участках трубопроводов;
– восстановление стенки трубы трубопровода, врезка катушек;
– установка усилительных муфт;
– замена вводов трубопроводов;
– демонтаж, установка дополнительных или замена коверов конденсатосборников, гидрозатворов;
– вынос участков подземных трубопроводов на опоры и фасады зданий;
– замена изоляции и футляров вводов и выходов подземных трубопроводов из земли;
– замена опор надземных трубопроводов.
Капитальный ремонт линейной части магистральных трубопроводов производится следующими методами: I метод – ремонт трубопровода методом сплошной переизоляции. Может осуществляться в траншее (рисунок 1) или с подъемом на берму траншеи (рисунок 2 );
Рисунок 1 - Принципиальная технологическая схема капитального ремонта трубопровода в траншее: 1 - бульдозер; 2 - вскрышной экскаватор; 3 - подкапывающая машина; 4 - трубопровод; 5 - трубоукладчик; 6 - машина предварительной очистки; 7 - электростанция; 8 - пост отбраковки труб; 9 - сварочный пост; 10 - лаборатория контроля качества сварных соединений; 11 - инвентарные опоры; 12 - машина окончательной очистки; 13 - оборудование подогрева трубопровода; 14 - грунтовочная машина; 15 - изоляционная машина; 16 - лаборатория контроля качества изоляционного покрытия; 17 - машина для подсыпки и подбивки грунта под трубопровод; 18 - экскаватор засыпки
Рисунок 2 - Принципиальная технологическая схема капитального ремонта трубопровода на берме траншеи: 1 - бульдозер; 2 - вскрышной экскаватор; 3 - трубопровод; 4 - трубоукладчик; 5 - электростанция; 6 - машина предварительной очистки; 7 - пост отбраковки труб; 8 - сварочный пост; 9 - лаборатория контроля качества сварных соединений; 10 - инвентарные опоры; 11 - машина окончательной очистки; 12 - оборудование подогрева трубопровода; 13 -грунтовочная машина; 14 - изоляционная машина; 15 - лаборатория контроля качества изоляционного покрытия; 16 - экскаватор засыпки
II метод – замена участка трубопровода на участок из новых труб с демонтажем старого;
III метод – выборочный ремонт локальных участков трубопровода по данным диагностики.
Ремонт трубопровода по I методу осуществляется в следующей технологической последовательности:
– уточнение оси трубопровода;
– снятие плодородного слоя почвы, перемещение его во временный отвал и планировка трассы в зоне действия ремонтно-строительного потока;
– вскрытие трубопровода;
– удаление старой изоляции с поверхности участка трубопровода;
– отбраковка труб - определение мест расположения, типа и параметров дефектов труб и сварных соединений и при необходимости их ремонт или замена;
– подготовка поверхности участка трубопровода перед нанесением нового изоляционного покрытия;
– нанесение грунтовки;
– нанесение нового изоляционного покрытия;
– укладка трубопровода на дно траншеи, балластировка трубопровода (при необходимости);
– засыпка отремонтированного трубопровода;
– восстановление средств ЭХЗ (КИП, анодные заземления и т.д.) и знаков закрепления трассы;
– техническая рекультивация плодородного слоя почвы.
Однако опыт капитального ремонта трубопроводов показал, что в современных условиях особое место при выборе технологии ремонта должна занимать минимизация дополнительных напряжений, возникающих в процессе производства работ. При капитальном ремонте магистральных трубопроводов применялся в основном ремонт с заменой трубы, а около 30% - по технологической схеме ремонта трубопроводов с подъемом и укладкой на берме траншеи (с заменой изоляции).
Это было связано с тем, что при отсутствии специальных технических средств для ремонта трубопроводов с разъемными рабочими органами на трассе в основном применялись общие строительные, очистные и изоляционные машины и ремонтные работы производились с подъемом и укладкой трубопровода на берме траншеи. Следствием этого являлось ослабление сварных стыков, образование гофр и поломка труб, и при сдаче отремонтированного участка трубопровода в эксплуатацию до 50% стыков требовали дополнительного просвечивания и ремонта.
Учитывая эти особенности и требования к ремонту трубопроводов в современных условиях, наиболее передовой технологией, на наш взгляд, является ремонт трубопроводов в траншее с сохранением его пространственного положения.
Метод переизоляции позволяет устранить все выявленные дефекты по результатам внутритрубной диагностики, однако для его реализации необходимо выводить участок магистрального трубопровода между линейными кранами в ремонт на достаточно длительный период.
Технология производства работ по II методу аналогична технологии строительства нового трубопровода.
Работы при параллельной прокладке участка осуществляются в два этапа:
– на первом этапе прокладывается новый участок трубопровода параллельно действующему;
– на втором этапе новый участок подключается к действующему газопроводу.
Суть этого вида ремонта заключается в том, что заменяемый участок трубопровода подлежит демонтажу, включая очистку, отбраковку разрезку и складирование. Данный участок заменяют бездефектной трубой.
Вырезка дефекта применяется в следующих случаях:
– недопустимое сужение проходного сечения трубопровода;
– невозможность отремонтировать трубопровод другими, менее радикальными методами (протяжѐнная трещина, глубокая вмятина с трещиной или коррозией, чрезмерная длина дефектного участка).
Недостатком выборочного ремонта магистрального трубопровода является то, что, устраняя опасные дефекты, на определенный срок мы оставляем менее опасные, которые, в конечном счете, необходимо ликвидировать в связи с их продолжающимся ростом. При этом повторно возникают затраты на восстановление вдоль трассовых проездов и монтажных площадок.
Из всего этого можно сделать вывод: перечисленные методы капитального ремонта имеют как плюсы, так и минусы. В свою очередь, несмотря на недостатки, на наш взгляд, для ремонта локальных дефектов трубопровода рационально использовать выборочный капитальный ремонт.
Однако решение о назначении вида выборочного ремонта должно быть обосновано газотранспортным предприятием на базе соответствующих технико-экономических расчетов для каждого конкретного участка трубопровода, на котором планируется выполнение ремонтно-восстановительных работ.
2 ОБОСНОВАНИЕ ПРИНЯТОГО РЕШЕНИЯ. 2.1 Патентно-информационный обзор. Композитная муфта — это современное технологичное средство для ремонта трубопроводов и соединительных деталей трубопроводов (СДТ) с геометрией любой сложности (отводы, переходы, тройники, крестовины и т.п.). Существует несколько типов ремонтных конструкций, традиционно называемых «композитными муфтами». Следует различать конструкции с болтовыми соединениями (РСМ, КСМ, УКМТ и т.д.) от адгезионных муфт, образующих единое целое со стенкой трубопровода (ИНТРА КРМ, Порсил-РЭМ, Технопласт).
Существует несколько типов последних, отличающихся полимерного связующего, равно как и многими другими основными эксплуатационными характеристиками. Расчет обеих композитных ремонтных конструкций производится по стандартам ISO 24817 и ASME PCC-2, регламентирующихразмеры муфт (толщина и осевая длина) в зависимости от типа дефекта, параметров трубопровода и перекачиваемой среды (температура, давление, число циклов и т.п., а также предполагаемого/ желаемого срока эксплуатации данного трубопровода. Нанесение возможно как на прямые участки, так и на геометрически сложные (отводы, тройники, крестовины и т.п.), при этом не требуется использование специального оборудования, а сам процесс намотки ткани можно осуществлять силами двух человек (на малых диаметрах даже одного).
Таким образом, даже масштабные ремонтно-восстановительные работы не потребуют привлечения большого количества рабочего персонала. Процедура нанесения материала несложна и не требует специальной квалификации (в отличие от сварки), однако для успешного применения необходимы теоретическое и практическое обучение, а также, дальнейший супервайзинг проводимых работ. Супервайзинг — комплекс мероприятий по обеспечению качества ремонтных работ, является прогрессивной формой организации, управления капитального ремонта и строительства технологического оборудования и трубопроводов. Цель этих мероприятий обеспечить качество работ для сведения к минимуму риска возникновения утечки на фланцевых соединениях и деталях трубопроводов, возникновения остановок оборудования в межремонтный период, исключение возможности аварии во время эксплуатации, увеличение срока службы и межремонтного цикла оборудования.
Независимый контроль супервайзинговой компанией позволяет максимально снизить коррупционные риски, экономические риски, повысить квалификацию персонала. Технология герметизации утечек композитными муфтами успешно применяется и остается обязательной составляющей при внеплановом ремонте на таких предприятиях как RoyalDutchShell (Голландлия), ВР (Великобритания), «ЛУКОЙЛ Оверсиз» (заводы в Европе), AGIP (Италия) и др. Преимущества использования этой технологии значительны, как в рамках одного отдельно взятого предприятия, так и в рамках промышленности в целом.
При ее использовании: сокращается количество простоев, которые влекут колоссальные издержки, сохраняется целостность систем и установок предприятий, увеличивается срок эксплуатации основных фондов, достигается значительная экономия материалов, вырабатываемых продуктов наибольшую выгоду от использования композитных муфт можно получить, применяя их в превентивном порядке, не допуская развития дефекта на проблемном участке до сквозного.
Таким образом, исключается сама возможность появления утечки и необходимость ликвидировать ее, что, в свою очередь, снижает риск простоя оборудования и повышает эффективность и безопасность производства. Наконец к весомым преимуществам можно отнести и ее промышленную и экологическую безопасность. Во время работы предприятия, на котором имеются не ликвидированные протечки, уровень шума значительно возрастает, превышая допустимые нормы. После проведения работ по герметизации протечки уровень шума снижается до нормативных показателей. Кроме этого, следует отметить и снижение выбросов вредных веществ в окружающую среду на предприятиях нефтехимии, которого также можно достичь путем применения данной технологии.
2.2 Обоснование принятого технического решения. Также необходимо учитывать конкуренцию ремонта композитными материалами с другими видами ремонта. В данном случае нужно отметить специфику ремонта композитными материалами – их применение основано на необходимости быстро и с минимальными затратами устранить утечку или восстановить несущую способность трубопровода без остановки. При этом, если остановка все же предусматривается, то актуальность данного метода падает, так как в этом случае применяются более тяжелые и дорогие методы ремонта. Из данной схемы видно, что и стальные и композитные муфты могут использоваться для одних и тех же целей. При этом композитные материалы могут использоваться, в том числе и со стальными муфтами. Методы ремонта с композитными материалами являются методами постоянного ремонта (обычно гарантия на такие работы от 20 лет). Как правило, композитные материалы используются в тех случаях, когда нужен оперативный ремонт без остановки трубопровода и огневых работ.
ККМ Конус-Композит предназначены:
а). для ремонта несквозных коррозионных (участки неравномерной и местной коррозии, питтинги, язвы), стресс-коррозионных, механических (царапины, забоины, вмятины, задиры), металлургических (плены, закаты, несплошности) дефектов на трубопроводах подземного, наземного, надземного и подводного исполнения диаметром от 57 до 720 мм с максимальным внутренним рабочим давлением не выше 10 МПа, эксплуатируемых при температуре от минус 60ºС до плюс 180ºС;
б). для усиления металла на участках трубопроводов, перечисленных в подпункте «а», с дефектами, устраненными ранее при помощи ремонтов, например, с помощью наварки заплат, забивки чёпиков и другими способами с образованием на поверхности трубы недопустимых инсталляций, требующих устранения методами ремонта, относящимся к постоянным и капитальным (в данном случае монтаж ККМ Конус-Композит может быть использован, как альтернатива замене катушки);
в). для усиления металла в зоне кольцевых сварных швов трубопроводов, перечисленных в подпункте «а», в том числе на стадии их строительства;
г). для ремонта дефектов неметаллических трубопроводов.
Способ ремонта дефектов трубопроводов с применением ККМ Конус-Композит позволяет обеспечить:- восстановление несущей способности секции с дефектами до уровня бездефектной трубы;- герметичность отремонтированного участка на весь оставшийся срок эксплуатации трубопровода.
Монтаж ККМ Конус-Композит относится к постоянным и капитальным методам ремонта трубопроводов.
Срок эксплуатации ККМ Конус-Композит - 30 лет.
Материалы полимерные композитные ремонтные «РЭМ-сталь» и «РЭМ-алюминий» (далее по тексту - композитные материалы или компаунды) представляют собой металлонаполненные двухкомпонентные материалы на эпоксидной основе. Основной наполнитель для «РЭМ-сталь» - нержавеющая сталь, для «РЭМ-алюминий» - алюминий.
Назначение композитных материалов – проведение ремонтных работ в цеховых и полевых условиях по устранению дефектов различного происхождения на объектах нефтяной и газовой промышленности, машиностроения, технологического оборудования и в городском хозяйстве.
Технологический процесс нанесения приготовленных материалов осуществляется по следующей схеме:
- подготовка поверхности ремонтируемых деталей;
- приготовление композитного материала;
- нанесение материала на ремонтируемую поверхность;
- отверждение композитного материала.
Металлические поверхности, предназначенные для ремонта, подвергают струйной обработке до степени 2 по ГОСТ 9.402 или St 3 по стандарту ISO 8501-1. с шероховатостью поверхности по ГОСТ 25142 Rz 30-100 мкм.  
В  случаях,  когда  затруднено  использование  струйной  обработки, допускается   обработка  поверхностей   шлифовальными   шкурками или ручным электроинструментом.
До начала процесса нанесения поверхность металла изделий не должна иметь масляных, жировых и других загрязнений. При наличии на поверхности изделия визуально определяемой влаги производится ее нагрев газовыми горелками или обдув теплым, сухим, очищенным воздухом.Поверхность детали или узла после пескоструйной обработки перед нанесением ремонтных материалов должна быть обезжирена.
Композитные материалы приготавливают смешиванием необходимого количества компонента А и компонента Б непосредственно перед употреблением.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Безаварийная работа и удлинение срока службы магистральных трубопроводов в основном зависят от своевременно и качественно проведенного капитального ремонта. В последние годы объем капитального ремонта линейной части магистральных трубопроводов значительно увеличился.
Оптимальное планирование и рациональное использование материальных и технических ресурсов ремонтно-строительного производства отрасли приобретают важное значение. Успешное выполнение большого объема работ по капитальному ремонту магистральных трубопроводов невозможно без внедрения наиболее целесообразной технологии и совершенной организации работ, обеспечивающих их высокие темпы.
Очень важен выбор наиболее эффективной технологической схемы производства ремонтных работ с учетом понимания рисков и выгод каждой технологии. На данный момент ремонт стеклопластиковой муфтой соревнуются с перспективными и традиционными методами ремонта, использующими сварку.
Однако использование данной технологии обладают преимуществом в вопросах безопасности и экономической эффективности. Но в то же время каждое принятое решение должно быть технически правильном и экономически обоснованным. Ремонт стеклопластиковой муфтой не всегда является единственно верным решением, однако является достойной альтернативой, которая может быть эффективна в большинстве случаев.
Преимущества ремонта трубопровода композитными материалами:
• возможность проведения на оборудовании в режиме работы;
• низкие временные затраты;
• увеличение срока службы всего оборудования;
• прочнее и легче стали;
• коррозионная стойкость и износостойкость;
• возможность применения на изогнутых участках, тройниках, отводах, а также участках с трудным доступом (например, где расстояние от стены до трубы минимально).
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ: Донг Ван Хоанг, Дадыдова А.Е., Эффективность машин для подготовительных работ при строительстве нефтепроводов// Труды XVII Международного симпозиума имени академика М.А. Усова студентов и молодых ученых, посвященного 150-летию со дня рождения академика В.А. Обручаева и 130- летию академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» – 2013. С. 388-390
Абрамян С. Г., Ахмедов А. М. Технологическая схема замены изоляции при реконструкции и капитальном ремонте магистральных трубопроводов с применением ГИС-технологий // Вестник Волгогр. гос. архит.-строит. ун-та. Сер.: Стр-во и архит. 2013. №. 30(49). С. 342—345.
Корсей С.Г., Дьякова Н.Б. Транспортировка и хранение ГИСтехнологии в трубопроводном транспорте // NEFTEGAZ.RU. 2006. URL: neftegaz.ru/ science/view/208.
Dong W.T., Zhong Y.X., Сui S., Wang Y., GIS technology and application on oil-gas piprline construction // International Conference on Info-Tech and InfoNet (ICII 2001) – 2001.рp. A249-A253
Ахмедов А.М., Разработка технико-технологических решений для вскрытия траншеи при строительстве магистрального трубопровода// Сборник статей международного научного e-симпозиума «Техника и технологии XXI века» – 2016. С. 76-80
Гостин И. А., Вирясов А.Н., Семенова М.А. Анализ аварийных ситуаций на линейной части магистральных трубопроводов // Инженерный Вестник Дона, 2013, №2 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2013/1618.
Олейник П.П., Условия обеспечения комплексного производства земляных работ // Научное обозрение. – 2016. № 14. – С. 239-243.
Бердюгин И.А., Ватин Н.И., Югов А.М. и др. Технологичность строительных процессов при разработке траншей с использованием систем автоматического управления // Строительство уникальных зданий и сооружений. – 2016.- №9(48). – С.26–33.
Ширшиков А.С., Павлова И.Ф., Чульмяков И.Ф. Применение систем глобального позиционирования при управлении дорожным движением // Инженерный вестник Дона, 2016, №4 URL: ivdon.ru/uploads/article/pdf/IVD_117_Shirshikov.pdf_bf442600ef.pdf.
Defina John, Maitin Izak, Gray Arnold L. New Jersey Uses GIS To Collect Site Remediation Data. April-June 1998. ArcUser. URL: esri.com/news/ arcuser/arcuser 4.98/newjersey.html. Дата обращения: 24.12.2016.