CC BY
175
--© М.Ю. Земенкова, Т.С. Лузина,
C.B. Маслаков, И.В. Сероштанов, В.Н. Никифоров, 2014
УДК 622.691.4
М.Ю. Земенкова, Т.С. Пузина, С.В. Маслаков, И.В. Сероштанов, B.H. Никифоров
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ПРОМЫСЛОВЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
Статья посвящена проводимым в ТюмГНГУ исследованиям по повышению надежности нефтепроводов современными методами. В статье рассмотрены основные аспекты вопроса повышения надежности трубопроводов с применением металлополимерных труб. На основании анализа опьпа эксплуатации и математического анализа параметров трубы проанализированы свойства и целесообразность применения новых современных материалов; в качестве примера рассмотрен вариант применения полимерно-армированных труб (ПАТ).
Ключевые понятия: магистральный нефтепровод, подземная прокладка трубопровода; надежность; полимерно-армированные трубопроводы (ПАТ).
Роль трубопроводного транспорта особенно возрастает при транспортировке на большие расстояния и в отдаленные районы. Трубопроводный транспорт в использовании более эффективен, чем автомобильный и железнодорожный вид транспорта, он позволяет уменьшить степень риска при транспортировке нефтяных сред.
Работа трубопроводов происходит в сложных условиях, так как они подвергаются различным нагрузкам - внутреннему давлению, осевым растягивающим или сжимающим напряжениям, давлению грунта засыпки и подвижных средств, перепадам температур[1, 2, 3 и др].
Проблема обеспечения надежности трубопроводных систем актуальна в связи с техногенным воздействием данных систем на окружающую среду, возросшим количеством аварий и отказов трубопроводного транспорта, приводящих к экономическим потерям и серьезным экологическим последствиям.
На сегодняшний день, наиболее используемым материалом трубопроводов в России является сталь. Основное преимущество стальных труб — высокая несущая способность, высокая прочность, очень низкий температурный коэффициент линейного расширения.
Однако, одной из основных проблем снижения надежности промысловых трубопроводов является коррозия, обусловленная агрессивностью транспортируемого продукта: достаточно высоким содержанием углекислого газа, сероводорода, обводненностью продукции, наличием механических примесей и блуждающих токов.
На основании анализа опыта эксплуатации и математического анализа параметров трубопроводов из новых материалов проводилась опенка целесообразности и возможных проблем их применения.
Исключить проблему коррозионного разрушения трубопроводов позволяет использование труб из полимерных материалов. Так, например, если паспортный срок службы стальных трубопроводов составляет около 30 лет, то для коррози-онностойких полимерно-армированных трубопроводов около 50 лет.
Полимерно-армированные трубы могут применяться в условиях высокой агрессивности транспортируемых сред (нефтегазоводяные смеси, сточные воды, техническая вода, кислотные и щелочные растворы и т.п.), при высокой коррозионной активности грунтов и наличии блуждающих токов, вызывающих интенсивное коррозионное разрушение как внутренней, так и внешней поверхности трубопроводов из углеродистой стали. Кроме химической стойкости к транспортируемым по трубам продуктам они обладают необходимыми физико-механическими свойствами.
В настоящее время на месторождениях России трубопроводы из полимерных материалов приобретают все большее распространение вследствие необходимости обеспечения уровня надежности, а также развития собственного производства. Известно, что полимерные трубопроводы уже используются успешно в Европе для строительства инженерных коммуникаций, водоводов, газопроводов. В России действует более 30 заводов, выпускающих полимерные трубопроводы.
Материал трубопровода из ПАТ обладает высокой стойкостью к воздействию электрохимической коррозии (в том числе вызванной блуждающими токами) и коррозионной стойкостью по всем видам грунтов и агрессивным средам (СН 550-82). На
сегодняшний день заводы в России выпускают различные виды ПАТ, и стоит отметить, что особой стойкостью обладают трубопроводы, армированные именно коррозионно-стойкой проволокой. В ином случае, при повреждении такого трубопровода, коррозионные процессы протекают с огромной скоростью и могут иметь опасные разрушительные последствия. Для коррозионно-стойкого трубопровода, как показывает опыт эксплуатации, не требуется применения дополнительных мер антикоррозионной ингибиторной защиты, а объемы ремонтных, ревизионных работ, диагностики могут быть максимально сокращены, что существенно снижает объем капитальных и эксплуатационных затрат.
В качестве примера, проведены исследования участка подземного нефтепровода от кустовой площадки до точки врезки, который запроектирован в соответствии с указаниями СНиП 2.05.06-85* и имеет рабочее давление 4,0 МПа. Рассматриваемый объект относится к северному (IV) климатическому району, подрайону 1Д согласно карте климатического районирования для строительства Российской Федерации, а также характеризуется сейсмичностью в 5-6 баллов в соответствии с указаниями СНиП 11-7-81*. Стоит заметить, что вследствие компенсаторной функции и способности к быстрой релаксации материала, ПАТ могут быть рекомендованы в районах с нестабильными грунтовыми основаниями. В качестве исходных материалов трубопровода в таких условиях рассмотрено несколько вариантов материалов труб, в частности стальные и полимерно-армированные.
Рис. 1. Конструкция полимерно-армированной трубы: а — компьютерная модель; б — поперечный разрез трубы
Согласно паспортным характеристикам, полимерно-армированные трубопроводы (в отличие от неармированных с рабочем давлением до 1МПа) применяются при строительстве нефтепроводов при рабочем давлении до 4,0 МПа и температуре транспортируемой среды не выше плюс плюс 60 °С и не ниже минус 30 °С при температуре наружного воздуха (наиболее холодной пятидневки) минус 40 °С.
Авторами проанализированы технологические и физико-химические свойства полимерно-армированных труб и определен характер их влияния на показания надежности трубопроводов.
Так, например, результаты сравнительных испытаний абразивной стойкости стальных и полиэтиленовых труб и отводов с различными радиусами изгибов трубопроводов показывают преимущества по механическим свойствам к применяемым в настоящее время во внутрипромысловых системах стальным трубопроводам.
Известным в мировой практике «дармштадском» [3,5] методом испытаний на износ, где в испытываемый отрезок трубы длиной 1 м помещается гидроабразивная смесь: вода - 55 % объема, кварцевый песок (максимальная твердость по шкале Мооса) с размером частиц до 30 мм (45 % объема), образец качается с частотой 21,6 циклов/мин, определяется утоньшение стенки образца и его износостойкость.
На рис. 2 представлен сравнительный анализ износа труб из различных материалов.
Как видно из графика, в качестве материала для изготовления трубопроводов полиэтилен высокой плотности значительно превосходит по износостойкости другие испытанные материалы: керамику, бетон, сталь трубных марок.
На рис. 2 представлены результаты испытаний, проводимые гидроабразивными средами с 7 % и 14 % содержанием кварцевого песка при средней скорости потока 7 м/с. Из графика отмечается повышенная стойкость к абразивному износу, которая значительно увеличивает срок службы полимерно-армированной трубы по сравнению со стальными трубами. Таким образом, назначенный срок эксплуатации ПАТ с учетом коррозионной стойкости кратно выше, чем у металлических труб.
о о
Рис. 2. Величина износа труб (в мм) в зависимости от числа циклов
2 4 6 X 10 12 14 16 18 Время до потери герметичности, I
Рис. 3. Сравнительная стойкость труб и отводов из стали и полиэтилена высокой плотности
Анализ гидравлических условий показывает, что вследствие низкой шероховатости внутренней поверхности трубы, которая не снижается со временем, пропускная способность ПАТ на 10-15 % выше, чем у металлической трубы, при прочих равных условиях, что позволяет использовать ПАТ меньшего диаметра.
Особенности теплофизических свойств, к примеру, низкая теплопроводность, по сравнению с металлическими трубами, позволяет уменьшить, а в отдельных случаях и исключить слой теплоизоляции (теплоотдача в трубопроводах ПАТ в 12-14 раз меньше, чем в стальных).
Стоит отметить, что при высоких температурах, приближенных к 120 °С и нарушении термодинамических условий эксплуатации, ПАТ обладает весьма низкой надежностью и велика вероятность механических разрушений. В практике известны аварии в системах теплоснабжения при высоких температурах, однако для внутрипромыслового транспорта нефтепродуктов с более низким диапазоном рабочих температур, данная проблема не является актуальной.
Авторами проанализированы различные механические характеристики трубопровода, имеющие существенное значение при проектировании и эксплуатации промысловых трубопроводов (например, на рис. 4). Из рис. 4 видно, что напряжения, возникающие в трубопроводе из ПАТ, могут иметь относительно невысокие значения, при том, что эквивалентные допускаемые напряжения многократно (6-8 раз) превышают проектные. Кроме того, механические свойства материала трубы способствуют устойчивой работе при подвижке грунтов и др. изгибающих воздействий.
Оценка технологических особенностей материала показывает, что высокая пластичность способствует компенсационным свойствам и уменьшению напряженного состояния при движении грунтового основания. При этом наличие пластических деформаций требует тщательных расчетов напряженно-деформированного состояний конструкции трубопровода. Ввиду сложности конструкции материала трубопровода, несмотря на наличие методик расчета напряжений, стоит отметить сложность и многофакторность моделей для расчета показателей надежности таких трубопроводов.
Рис. 4. Результаты расчета диапазона кольцевых напряжений на примере нефтепровода диаметром 89-160 мм
Исследования показали, что при качественном проектировании и достоверных расчетах использование полимерно-армированных трубопроводов может способствовать повышению надежности системы в целом. Технологичность и низкая трудоемкость сварки, низкий удельный вес по сравнению с металлическими трубами свидетельствует технико-экономической эффективности применяемой технологии.
В ТюмГНГУ разрабатывается комплекс математических зависимостей для расчета показателей надежности различных объектов нефтегазопроводов [6-10]. В качестве примера проведен учет влияния свойств материала трубопровода на показатели надежности трубопровода.
Коэффициенты «комплекса 2» являются относительными показателями, характеризующими степень влияния фактора, свойства материала (технологии) на надежность трубопровода в целом, т.е.
где N1 — параметр, способствующий повышению надежности трубопровода из нового материала; N0 — параметр, способствующий повышению надежности трубопровода из применяемого материала (в данном случае, стали).
Таблица 1
Относительные показатели влияния свойств материала на показатели надежности трубопровода («комплекс Z»)
Наименование показателя Обозначение Значение
Коэффициент увеличения общего ресурса 21 1,5
Коэффициент механической стойкости 22 2,0
Коэффициент коррозионной стойкости 2з >>1
Коэффициент абразивной стойкости 24 2,5
Коэффициент увеличения производительности 25 1,1
Коэффициент компенсаторной эффективности 2б 1,1
Величина 21 интерпретируется следующим образом: если 21е[0;1), то применение материала (или технологии) не целесообразно и рассматриваемое свойство материала (технологии) способствует снижению надежности объекта; если 21 >1 - применение материала целесообразно и его свойства будут способствовать повышению надежности объекта.
Каждый из показателей рассчитывается по индивидуально разработанной методике для конкретного участка трубопровода. Полученные зависимости позволяют оценить целесообразность применения инновационной технологии для повышения надежности объекта.
Так, например, для исследуемого участка каждый из рассчитанного комплекса показателей (табл. 1) превышает 1, что свидетельствует о технической целесообразности применения ПАТ для строительства внутрипромыслового трубопровода.
Таким образом, на основании результатов известных испытаний, опыта эксплуатации полимерно-армированных трубопроводов, результатов проведенных расчетов, можно сделать вывод о том, что данная технология может быть успешно применена для строительства внутрипромысловых трубопроводов, а свойства материала трубы ПАТ могут способствовать повышению показателей надежности, в частности безотказности, долговечности и сохраняемости.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Агапчев В.И., Виноградов Д.А., Абдуллин В.М. Трубопроводные системы из композиционных материалов в нефтегазовом строительстве // Изв.Вузов. Нефть и газ. 2003.
2. Инструкция по проектированию, строительству и ремонту трубопроводов давлением до 4,0 МПа из полиэтиленовых армированных труб (ПАТ) производства ЗАО «ПОЛИМАК».
3. Земенкова М.Ю. Мониторинг надежности нефтегазового объекта с применением методов системного анализа/ Земенкова М.Ю., Сероштанов И.В., Курушина В.А., Торопов С.Ю., Земенков Ю.Д.// Территория нефте-газ, 2013, №10. - С.80-86
4. J.B.Goddard. Abrasion resistance of piping systems. ADC Technical notes. 2.116.Nov., 1994.
5. Ращепкин А.К. Сравнительный анализ композиционных материалов для изготовления труб нефтяной и химической промышленности // Нефтегазовое дело. - Уфа: УГНТУ, 2004.
6. Земенков Ю.Д., Курушина В.А., Вылегжанина А.О., Барменкова В.В., Хайруллина Н.Г. Современный менеджмент и инновационная научно-техническая политика: Монография / Ю.Д. Земенков, В.А. Курушина, А.О. Вылегжанина и др. - Saint-Louis, МО: Publishing House «Science and Innovation Center», 2013. - 80 с.
7. Сбор и подготовка нефти и газа: Учебник для студентов высших учебных заведений направления «Нефтегазовое дело» /Земенков Ю.Д. — Москва, 2009.
8. К разработке матричной математической модели оценки состояния природно-технической системы. Гульков А.Н., Никитина А.В., Щека О.О. //Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2011. Т. 13. № 1-6. С. 1326-1329.
9. Низкотемпературный трубопроводный транспорт попутного газа совместно с нефтью. Гульков А.Н., Лапшин В. Д., Лебедев А.Ю., Никитина А.В., Васянович Ю.А.//Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2013. № S3. - С. 36-45.
10. Kurushina V., Zemenkov Y. Innovative cyclical development of the Russian pipeline system // Energy Production and Management in the 21st Century, Vol.2, WIT Press, Southampton, Boston, 2014. — Pp. 881-888. EES
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Земенкова Мария Юрьевна — кандидат технических наук, доцент, Пузина Татьяна Сергеевна — магистрант,
Никифоров Владимир Николаевич — доктор технических наук, профессор, Тюменский государственный нефтегазовый университет,
Маслаков Сергей Владимирович — заместитель генерального директора по производству, ООО «Газпром добыча Ноябрьск»,
Сероштанов Иван Владимирович — аспирант ТюмГНГУ, инженер ООО «Газпром трансгаз Югорск».
SETTLEMENT MODEL AND ALGORITHM OF DEFINITION OF A RESIDUAL RESOURCE OF THE PIPE DUCT IN THE CONDITIONS OF PERIODIC CHANGES OF TENSION AND CORROSION
Zemenkova M. Y., Candidate of Technical Sciences, associate Professor, Puzina T.S., Post-graduate,
Nikiforov V.N., Ddoctor of Technical Sciences, Professor, Tyumen state oil and gas University,
Maslakov S.V., Deputy General Director for production, Gazprom dobycha Noyabrsk,
Seroshtanov I.V., Post-graduate Student TSOGU, engineer of OOO "Gazprom transgaz
Yugorsk.
Article is devoted to researches conducted in TYUMGNGU on increase of reliability of oil pipelines by modern methods. In article the main aspects of a question of increase of reliability of pipe ducts with application of metalpolymeric tubes are considered. On the basis of the analysis of operating experience and the mathematical analysis of parameters of a tube properties and expediency of application of new modern materials are analysed; as an example the option of application of the polymeric reinforced tubes (PRT) is considered.
Key concepts: main oil pipeline, underground layer pad of the pipe duct; reliability; polymeric reinforced pipe ducts (PRPD).
REFERENCES
1. Agapchev V.I., Vinogradov D.A., Abdullin V.M. Truboprovodnye sistemy iz kom-pozicionnyh materialov v neftegazovom stroitel'stve (The pipeline system of composite materials in the oil and gas construction) // Izv.Vuzov. Neft' i gaz. 2003.
2. Instrukcija po proektirovaniju, stroitel'stvu i remontu trubopro-vodov davleniem do 4,0 MPa iz polijetilenovyh armirovannyh trub (PAT) proizvodstva ZAO «POLIMAK».
3. Zemenkova M.Ju. Monitoring nadezhnosti neftegazovogo ob#ekta s primeneniem metodov sistemnogo analiza (Monitoring the reliability of oil and gas systems with use of methods of system analysis)/ Zemenkova M.Ju., Seroshtanov I.V., Kurushina V.A., Toropov S.Ju., Zemenkov Ju.D.// Territorija nefte-gaz, 2013, No 10, pp.80-86
4. J.B.Goddard. Abrasion resistance of piping systems. ADC Technical notes. 2.116.Nov., 1994.
5. Rashhepkin A.K. Sravnitel'nyj analiz kompozicionnyh materialov dlja izgotovlenija trub neftjanoj i himicheskoj promyshlennosti // Neftegazovoe delo (Comparative analysis of composite materials for the manufacture of pipes of the oil and chemical industry // Oil and gas business). Ufa: UGNTU, 2004.
6. Zemenkov Ju.D., Kurushina V.A., Vylegzhanina A.O., Barmenkova V.V., Hajrul-lina N.G. Sovremennyj menedzhment i innovacionnaja nauchno-tehnicheskaja politika: Monografija (Modern management and innovative scientific and technical policy) / Ju.D. Zemenkov, V.A. Kurushina, A.O. Vylegzhanina i dr. - Saint-Louis, MO: Publishing House «Science and Innovation Center», 2013, 80 p.
7. Sbor i podgotovka nefti i gaza: Uchebnik dlja studentov vysshih uchebnyh zave-denij napravlenija «Neftegazovoe delo» /Zemenkov Ju.D. Moscow, 2009.
8. K razrabotke matrichnoj matematicheskoj modeli ocenki sostojanija prirodno-tehnicheskoj sistemy. Gul'kov A.N., Nikitina A.V., Shheka O.O. //Izvestija Samarskogo nauchnogo centra Rossijskoj akademii nauk. 2011, Vol. 13. No 1-6, pp. 1326-1329.
9. Nizkotemperaturnyj truboprovodnyj transport poputnogo gaza so-vmestno s neft'ju. Gul'kov A.N., Lapshin V.D., Lebedev A.Ju., Nikitina A.V., Vasjanovich Ju.A.//Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten' (nauchno-tehnicheskij zhurnal). 2013. No. S3. pp. 36-45.
10. Kurushina V., Zemenkov Y. Innovative cyclical development of the Rus-sian pipeline system // Energy Production and Management in the 21st Century, Vol.2, WIT Press, Southampton, Boston, 2014, pp. 881-888.
