ВВЕДЕНИЕ
Определяющим критерием обеспечения безопасной эксплуатации и повышения долговечности промысловых трубопроводов является их надежность - свойство объекта сохранять заданные функции в течение установленного ресурса.
Обеспечение безопасной эксплуатации трубопроводов во многом является проблемой повышения их надежности и долговечности и представляется сложной комплексной задачей, которая включает в себя решение технических, технологических, экономических и организационных аспектов. Несмотря на то, что этой проблеме посвящены многочисленные исследования отечественных и зарубежных авторов, в настоящее время она еще полностью не решена и многие вопросы остаются открытыми.
Одной из особенностей развития трубопроводного транспорта на современном этапе является уменьшение объемов строительства трубопроводов при одновременном росте объемов и сокращении сроков работ по ремонту и реконструкции трубопроводных сетей, связанных с коррозионным износом и старением трубопроводов.
Изучение условий эксплуатации промысловых трубопроводов и анализ существующих способов повышения их долговечности в условиях превалирующего воздействия внутренней коррозии показывает, что, несмотря на применение различных мероприятий, количество отказов промысловых трубопроводов из-за внутренней коррозии составляет по отрасли порядка 90 % от их общего количества. Свыше 70 % аварий приходится на специфическое разрушение в виде «канавочного» износа. Следует отметить, что большинство трубопроводов, подверженных интенсивному внутреннему износу, эксплуатируются без наружной изоляции и системы ЭХЗ. Частые порывы трубопроводов, вызванные
«канавочным» износом, требуют поиска новых технических решений, направленных на обеспечение их безопасной эксплуатации, повышение долговечности и стабильности функционирования. Поэтому проблема обеспечения безопасной эксплуатации и повышения долговечности промысловых трубопроводов, несомненно, остается актуальной и
своевременной.
Обеспечение безопасной эксплуатации и повышение долговечности промысловых трубопроводов может быть достигнуто за счет улучшения качества проектирования и строительства трубопроводов, применения новых, более совершенных конструктивных и технологических решений, совершенствования технологий и приемов технического обслуживания и эксплуатации.
Одним из новых ресурсосберегающих методов обеспечения безопасной эксплуатации трубопроводов и повышения их долговечности является профилактический поворот трубопроводов на участках, подверженных «канавочному» разрушению, позволяющий увеличить срок их эксплуатации за счет обеспечения более равномерного износа внутренней поверхности стенки труб.
Цель работы. Разработать новый ресурсосберегающий метод обеспечения безопасной эксплуатации и долговечности промысловых трубопроводов, подверженных «канавочному» износу, за счет периодического выведения изношенного участка из зоны интенсивного контакта с гидроабразивной средой.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
1) выявить влияние формы и размеров «канавочного» износа на безопасность и несущую способность промысловых трубопроводов; определить критерии безопасности и предельные состояния трубопровода
с «канавочным» износом под действием нагрузок и воздействий, возникающих при повороте и последующей эксплуатации трубопровода;
2) разработать технологию безопасного поворота подземных и наземных трубопроводов; установить безопасные для выполнения поворота и последующей эксплуатации трубопровода параметры; получить предельные параметры защемления трубопровода грунтом и захватным устройством, изучив закономерности процесса взаимодействия трубопровода с грунтом при повороте трубы, учитывая глубину заложения и диаметр трубы;
3) выявить закономерность изменения угла поворота и внутренних усилий по длине подземного трубопровода при кручении и установить влияние основных факторов на процесс поворота с целью ограничения деформаций, возникающих при выполнении поворота в пределах, безопасных для эксплуатации трубопровода. Обосновать величину максимально допустимого угла поворота трубопровода, крутящего момента и определить оптимальные расстояния между захватными устройствами;
4) получить условие безопасной передачи трубопроводу необходимого для поворота крутящего момента за счет сил трения, не повреждая поверхность трубы и не снижая его несущей способности; разработать технологические схемы и технические средства поворота трубопроводов с учетом схемы прокладки, параметров трубопровода и его остаточной прочности. Исследовать работоспособность гидравлического захватного устройства с целью определения рабочих характеристик и конструктивных параметров;
5) разработать методику определения срока безопасной эксплуатации промысловых трубопроводов, подверженных «канавочному» износу.
Методы решения поставленных задач. В работе в основном использован комплексный метод исследования, включающий аналитические решения и экспериментальное изучение как лабораторное на моделях, так и промысловые на трубопроводах.
Основные защищаемые положения
1. Метод обеспечения безопасной эксплуатации и долговечности промысловых трубопроводов, подверженных «канавочному» разрушению, основанный на принципе обеспечения равномерного износа путем периодического поворота вокруг продольной оси трубы.
2. Теория безопасного выполнения поворота подземных и наземных трубопроводов. Критерии безопасности и предельные состояния трубопровода с «канавочным» износом под действием нагрузок и воздействий, возникающих при повороте и последующей эксплуатации трубопровода.
3. Закономерности изменения угла поворота и внутренних усилий по длине подземного трубопровода при кручении и влияние характеристик грунта и трубопровода на процесс поворота. Закономерности процесса взаимодействия подземного трубопровода с грунтом.
4. Условия безопасной передачи трубопроводу необходимого для поворота крутящего момента за счет сил трения, не повреждая поверхность трубы и не снижая его несущей способности. Технологические схемы и технические средства поворота трубопроводов. Конструктивные и рабочие характеристики захватных устройств, безопасные и оптимальные для поворота трубопровода.
10
5. Методика определения срока безопасной эксплуатации трубопроводов, подверженных «канавочному» износу. Соответствие теоретических и экспериментальных исследований.
Научная новизна. Разработан новый ресурсосберегающий метод обеспечения безопасной эксплуатации и долговечности промысловых трубопроводов, подверженных «канавочному» износу, базирующиеся на следующих новых результатах:
- на основе анализа существующих способов обеспечения безопасной эксплуатации промысловых трубопроводов, подверженных «канавочному» износу, установлено, что одним из эффективных способов обеспечения безопасной эксплуатации и долговечности является научно обоснованный поворот поврежденных трубопроводов на угол, обеспечивающий вывод образовавшейся канавки из зоны интенсивного износа. Показано, что периодический поворот трубопровода, по мере образования канавки, обеспечивает более равномерный износ внутренней поверхности стенки трубопровода, и установлено: чем более равномерный износ стенки трубы, тем безопаснее эксплуатация трубопровода, которая определяется остаточной толщиной стенки в области канавки и зависит от внутреннего давления;
доказана возможность безопасного для последующей эксплуатации выполнения поворота подземного и наземного трубопроводов. Установлено, что эквивалентные напряжения в стенке трубы от выполнения поворота увеличиваются на 5... 15 % на каждые 0.5 град/м относительного угла закручивания, и тем больше, чем меньше давление и толщина стенки трубопровода. Напряжения при этом не превышают предела упругости, а наибольшие остаточные деформации трубопровода по длине из-за сопротивления грунта не более 20 %. Безопасное выполнение поворота наземного трубопровода
11
обеспечивается ограничением поперечного перемещения меньше 1 % от длины поворачиваемого участка;
- выполненные исследования показали, что угол поворота подземного трубопровода по длине при его кручении изменяется по
. параболе и передается от поворачиваемого сечения на расстояние до 300
м в зависимости от диаметра трубы, толщины его стенки, кривизны продольной оси и защемления грунтом. Обобщенный коэффициент сопротивления грунта кручению трубы и изменение предельных касательных напряжений по контакту труба-грунт зависят от характеристик грунта, глубины заложения, диаметра и угла поворота трубы;
установлена зависимость величины крутящего момента, передаваемого к сечению трубопровода, от коэффициента трения во фрикционных накладках захватного устройства, площади контакта,
Ч» давления в его гидроцилиндре и поперечного усилия на его стреле.
Условием безопасного выполнения поворота трубопровода является отношение крутящего момента на захватном устройстве к сопротивлению трубопровода кручению, которое должно быть больше единицы. При этом крутящий момент на захватном устройстве должен быть меньше предельного, определяемого из условия смятия и среза трубы;
- изучением влияния различных параметров перекачиваемой жидкости на скорость «канавочного» износа выявлена ее зависимость от скорости потока и установлено: чем меньше скорость потока, тем больше скорость «канавочного» износа и достигает 1...2 мм/год при скорости
* потока меньше 0.5 м/с.
Практическая ценность. Разработки, выполненные по результатам теоретических и экспериментальных исследований, внедрены на предприятиях нефтяной промышленности в виде:
12
1) технологии поворота промысловых трубопроводов, подверженных «канавочному» износу:
- выполнен профилактический поворот промысловых трубопроводов диаметром 325 мм протяженностью 6676 м в НГДУ «Аксаковнефть» ОАО «НК «Башнефть»;
- выполнен профилактический поворот промысловых трубопроводов диаметром 325 и 377 мм протяженностью 18500 м в НГДУ «Южносухокумское» ОАО «НК «Роснефть» - Дагнефть»;
- выполнен профилактический поворот промыслового нефтепровода диаметром 219 мм протяженностью 850 м в НГДУ «Федоровскнефть»;
- выполнен профилактический поворот промыслового нефтепровода диаметром 273 мм протяженностью 530 м в НГДУ «Лянторнефть» АО «Сургутнефтегаз»;
2) технических средств выполнения профилактического поворота:
f» - изготовлены и внедрены гидравлические захватные устройства,
универсальные для выполнения поворота трубопроводов диаметрами 219...426 мм в ОАО «АНК «Башнефть»;
- изготовлены и внедрены механические захватные устройства для выполнения поворота трубопроводов диаметром 325 мм в ОАО «АНК «Башнефть»;
- изготовлены и внедрены механические и пневматические захватные устройства для поворота трубопроводов диаметром 325 и 377 мм в ОАО «НК «Роснефть» - Дагнефть»;
- изготовлены и внедрены механические самозахватывающие % устройства для поворота трубопровода диаметром 219 мм в АО
«Сургутнефтегаз»;
3) методик и нормативно-технической документации:
13
регламент на выполнение профилактического поворота промысловых трубопроводов, подверженных канавочному износу СТП 003-263-03 — внедрен в ОАО «АНК «Башнефть»;
- инструкция по проектированию захватного устройства для выполнения профилактического поворота промысловых трубопроводов внедрена в ДООО «БашНИПИнефть» 27.01.03 г.;
- рекомендации по определению основных технологических параметров по профилактическому ремонту трубопроводов, подверженных канавочной коррозии - введены впервые в АО «Сургутнефтегаз» 16.02.95 г.;
- рекомендации на профилактический ремонт трубопроводов, подверженных канавочной коррозии - введены впервые в АО «Сургутнефтегаз» 10.04.95 г.;
- рекомендации по повышению долговечности крепи скважин при их эксплуатации и ремонте - введены впервые в ЗАО «Геология» 01.01.02 г.
f
Апробация работы. Основные результаты исследований, выполненные в диссертационной работе, докладывались на различных конференциях и конгрессах:
- на ежегодных научно-технических конференциях молодых ученых УГНТУ, начиная с 1989 года;
- научно-технической конференции «Проблемы нефтегазового комплекса России», 1995 г.;
- II республиканской научно-технической конференции Т «Техническая диагностика, промышленная и экологическая безопасность
предприятий», 1996 г.;
- межвузовской научной конференции «Нефть и газ», 1997 г.;
14
- II, III, IV, V, VI, VII международных научно-технических конференциях «Проблемы строительного комплекса России», 1998, 1999, 2000,2001,2002,2003 гг.;
- научно-технической конференции «Проблемы нефтегазового комплекса России», 1998 г.;
- Конгрессе нефтегазопромышленников России «Роль ТЭК в жизнеобеспечении Российской Федерации», 1998 г.;
- научно-технической конференции «Новоселовские чтения», 1998 г.;
- 49 научно-технической конференции посвященной 50-летию УГНТУ, 1998 г.;
- научно-технической конференции, посвященной 50-летию УГНТУ и 70-летию Сахалинморнефтегаз, 1999г.;
- научно-технической конференции, посвященной 70-летию РГУ НиГ «История вуза — важный фактор формирования патриотизма
^ специалиста отрасли», 2000 г.;
- III Конгрессе нефтегазопромышленников России «Проблемы нефти и газа», 2001 г.;
- специализированной научно-технической конференции «Энергосберегающие технологии в Республике Башкортостан», 2001 г.;
- специализированной научно-технической конференции «Коррозия металлов: диагностика, предупреждение, защита и ресурс», 2002 г.;
- Всероссийской научно-технической конференции «Трубопроводный транспорт нефти и газа», посвященной 50-летию с начала подготовки специалистов трубопроводного транспорта в УНИ-
# УГНТУ, 2002 г.;
- Международной научно-технической конференции «Трубопроводный транспорт сегодня и завтра», 2002 г.;
- учебно - научно-технической конференции «Коррозия металлов. Защита от коррозии в промышленности» в рамках специализированных
15
выставок: IV «Уралпромэкспо - 2003» и II «Станки и инструменты», 2003 г.;
- IV Конгрессе нефтегазопромышленников России «Наука и образование в нефтегазовом комплексе», 2003 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 97 печатных работ, в том числе 1 монография и 65 статей.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, приложений и содержит 328 страниц машинописного текста, 94 рисунка, 5 таблиц, список использованной литературы из 114 наименований.
16
1. АНАЛИЗ ПРИЧИН ОТКАЗОВ И СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ПРОМЫСЛОВЫХ ТРУБОПРОВОДОВ, ПОДВЕРЖЕННЫХ ВНУТРЕННЕЙ КОРРОЗИИ
1.1. Условия эксплуатации промысловых трубопроводов
Разработка нефтяных месторождений в большинстве нефтегазодобывающих районов ведется многие десятилетия. С начала освоения этих месторождений техника и технология добычи нефти и газа, строительства объектов претерпели существенные изменения. Однако, техническое и конструктивное оснащение многих трубопроводов не соответствует современным требованиям, в том числе и экологическим. Из-за прорывов нефтепроводов и водоводов происходят разливы больших объёмов нефти и высокоминерализованной пластовой воды. Низкая надёжность промысловых трубопроводных систем по сбору продукции нефтяных скважин, внутри- и межпромысловому транспорту нефти обусловлена условиями их строительства и эксплуатации.
Кроме коррозии наружной поверхности
трубопроводы подвергаются интенсивной внутренней коррозии, скорость которой часто в десятки раз превышает скорость коррозии их наружной поверхности и зависит от концентрации и состава минеральных солей, содержащихся в пластовой воде, добываемой и транспортируемой вместе с нефтью до установок подготовки нефти [44].
Скорость коррозии резко возрастает, если продукция содержит сероводород или углекислый газ и особенно в дополнение к ним ещё и кислород.
17
Срок службы трубопроводов в особо тяжёлых условиях (наличие в продукции сероводорода, углекислого газа, кислорода, пластовой воды высокой минерализации) при отсутствии специальных мер по защите их от коррозии исчисляется всего несколькими месяцами.
Неблагоприятные природно- климатические условия, в которых эксплуатируются трубопроводы, активное воздействие коррозионно-агрессивных компонентов, содержащихся в продукции скважин, низкое качество строительства трубопроводов, нарушение правил их эксплуатации являются причинами их отказов, снижения надежности и преждевременного выхода из строя. Например, причины отказов промысловых трубопроводов выглядят следующим образом: 91 % - внутренняя коррозия; 3.9 % - наружная коррозия; 2.8 % - строительные дефекты; 0.8 % -нарушение правил эксплуатации; 1.5 % - прочие [44].
Анализ статистической информации свидетельствует о том, что несмотря на принимаемые меры, уровень аварийности трубопроводов систем сбора нефти остается высоким. Амортизационный срок службы этих трубопроводов не достигает нормативного срока.
Приведем на примере месторождений «Махачкала-Тарки» и «Димитровское» ОАО «Роснефть-Дагнефть» более подробный анализ условий эксплуатации промысловых трубопроводов для транспортировки нефти и газа.
«Димитровское» газоконденсатно-нефтяное месторождение добывает в год более 6000 млн. м3 газа и составляет 98 % добычи природного газа по ОАО «Роснефть-Дагнефть» и обеспечивает около 40 % потребности республики Дагестан. |
