CC BY
33
36 ОБОРУДОВАНИЕ 14 (34) июнь 2007 г. ЭКСПОЗИЦИЯ
РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ АВАРИЙНОСТИ В НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ: СНИЖЕНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКИХ ЗАТРАТ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ РИСКОВ
ПРОБЛЕМАТИКА
Значительная часть трубопроводов устарела физически, ибо служит от 15 до 35 лет. Общий износ коммуникаций и оборудования составляет 65-70%. В такой ситуации вероятность разрывов трубопроводов от действия волновых и вибрационных процессов многократно возрастает.
ПРИЧИНЫ АВАРИЙ
Согласно официальной статистике и эксплуатационному опыту, причинами разрыва трубопроводов являются:
• 60% случаев - гидроудары, перепады давления и вибрации;
• 25% - коррозионные процессы;
• 15% - природные явления и форс-мажорные обстоятельства.
ЭКОНОМИЧЕСКИЕ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ
При транспортировке нефти от промыслов до товарных парков причиной возникновения волновых и вибрационных процессов является неустановившийся режим течения нефти в результате включения и отключения дополнительных насосных агрегатов, переключения с одного насосного агрегата на другой, изменения вязкости перекачиваемой нефти, аварийных отключений насосных агрегатов, ошибок обслуживающего персонала и т.п. При этом возникают существенные колебания давления и гидроудары, длительное воздействие которых приводит к возникновению усталостных и коррозионно-усталостных трещин в местах концентрации напряжений (сварные швы, заводские дефекты, задиры и царапины и т.д.), а по мере их развития - и к разрывам
трубопроводов. Вследствие значительной протяженности и большой инерционности потока, разрыву в любом месте линейной части трубопровода сопутствуют большие утечки нефти и загрязнение территорий на значительных площадях.
Одним из современных средств гашения волновых и вибрационных процессов в трубопроводных системах являются стабилизаторы давления. Принцип и опыт работы описан в №2 (21) февраль 2007 г нашего журнала.
Исследования, проведенные в двух НГДУ объединения «Татнефть», показали, что даже при штатных режимах включения и отключения одного дополнительного насоса на ДНС (дожимные насосные станции) в трубопроводе возникают интенсивные волновые процессы, сопровождающиеся гидроударами и провалами давления с высокими градиентами (до 0,6 МПа/с), длительностью до 5 с и амплитудой до 1,2 МПа, которые постепенно затухают в течение 60 с. Это вызывает знакопеременные напряжения в стенке трубопровода и значительное увеличение скорости коррозионных процессов (до 10 и более раз).
Установка стабилизаторов в трубопроводы, в непосредственной близости от источников возмущения потока - насосов ДНС, позволяет не только уменьшить амплитуды волн давления (до 5 и более раз), их градиенты (в 2-3 раза) и длительность переходных процессов (в 4-5 раз), но и скорость коррозии, а следовательно, уменьшить количество аварий с разрывами трубопроводов (на 70% и более), существенно продлить срок службы труб в 2 и более раз.
В системах поддержания пластового давления (ППД) стабилизаторы давления осуществляют защиту кустовых насосных станций (КНС), работающих одновременно
и обеспечивающих необходимое рабочее давление в системе закачки послесепа-рационной воды в пласт. КНС оснащается многоступенчатыми центробежными насосами высокого давления, либо поршневыми насосами. Как в первом, так и во втором случае в процессе их эксплуатации неизбежно возникают интенсивные волновые и вибрационные процессы, приводящие к многочисленным порывам трубопроводов и обширным разливам высокоагрессивных послесепарационных вод.
Внутрипромысловые трубопроводы для сбора водонефтегазовой смеси от скважин, транспортировки ее до установок предварительного сброса воды (УПС), а затем до установок подготовки нефти (УПН) имеют достаточно большую протяженность, которая в одном НГДУ может достигать 2-3 тыс. км, а количество порывов на них - до 400-800 в год.
При этом неизбежно происходят потери нефти, среднестатистический уровень которых оценивается в 0,15-0,2 т/сут. на один порыв. Кроме того, в окружающую среду попадают высокоагрессивные смеси, нанося ей значительный ущерб.
Как правило, в каждом НГДУ, несмотря на широкое применение средств противокоррозионной защиты (ингибирование, внутреннее покрытие трубопроводов), ежегодно ремонтируется и заменяется до 10% всех внутрипромысловых трубопроводов, а удельная аварийность остается практически неизменной (0,15-0,2 порыва на 1 км в год).
Всё это свидетельствует о том, что основной причиной аварий являются пульсации давления, гидроудары и вибрации трубопроводов, возникающие при работе нагнетательных установок центробежного и поршневого типа.
Широкое использование стабилизаторов давления на внутрипромысловых трубопроводах позволяет существенно уменьшить динамические нагрузки на них, значительно снизить аварийность и потери нефти, увеличить срок службы труб.
Защита скважинных насосов: при добыче нефти, в зависимости от производительности скважин, используются погружные электрические центробежные насосы (ЭЦН) и поршневые штанговые гидронасосы «качалки». Погружные насосы являются сильными возбудителями колебаний давления. Так при включении и выключении ЭЦН возникают гидроудары значительной величины, а при прорыве газа из пласта они могут в 2-3 раза превышать рабочее давление. Интенсивные динамические нагрузки, вызванные гидроударами и вибрацией из-за дисбаланса ротора и консольного крепления агрегата приводят к разрушению насосно-компрессорных труб (НКТ) и «полёту» насоса. В одном НГДУ происходит в среднем
ЭКСПОЗИЦИЯ 14 (34) июнь 2007 г.
ОБОРУДОВАНИЕ 37
от 20 до 30 «полётов» насосов в год. В результате предприятия несут значительные экономические потери, наносится ущерб окружающей среде вследствие утечек водо-нефтегазовой смеси из разбираемых НКТ, а большинство скважин со сложным профилем становятся непригодными для дальнейшего использования.
Разработанные образцы стабилизаторов давления для погружных ЭЦН позволяют до 5 раз уменьшить динамические нагрузки на НКТ, а следовательно, и количество их разрывов с «полётом» насоса.
При бурении скважин технология раз-буривания требует непрерывной закачки в скважину бурового раствора, в состав которого входят различные реагенты - каустическая сода, унищелочной реагент, нефть, барит и др. Буровая установка оснащается мощными насосами высокого давления, как правило, поршневыми, являющимися генераторами интенсивных волновых и вибрационных процессов. Анализ экспериментальных исследований амплитудно-частотных характеристик волновых процессов в системе закачки бурового раствора с насосами УВН-600А, проводившихся в Бухарском управлении буровых работ, показывает, что при рабочем давлении около 5,0 МПа в системе наблюдаются пульсации давления на частоте 18 Гц (насосная частота) с амплитудой до 2,0 МПа. С ростом рабочего давления пропорционально возрастает амплитуда вынужденных колебаний. В результате этого трубопроводы подвергаются сильным знакопеременным нагрузкам, что приводит к вибрации, раскрытию фланцевых соединений трубопроводов, отрыву гибкого шланга в узлах крепления, разрушению породы и обсадных труб, выходу из строя трубобуров и нарушению резьбовых соединений насо-сно-компрессорных труб в результате изгиб-ных колебаний.
Последствиями таких аварий являются травмы обслуживающего персонала, выход из строя трубобура, загрязнения окружающей среды, поверхностных и подземных вод компонентами бурового раствора.
После тяжёлых аварий некоторые скважины оказываются непригодными для дальнейших работ.
Испытания опытных образцов стабилизаторов давления для насосов подачи бурового раствора показали, что пульсации
давления и вибрации трубопроводов могут быть уменьшены в 3-5 раз с соответствующим уменьшением негативных последствий воздействия динамических нагрузок на элементы системы.
Системы автоматики и контроля давления и расхода в трубопроводных системах: импульсные трубы (ИТ), используемые для установки приборов систем автоматики управления и контроля, являются возбудителями волновых процессов на частотах, близких к собственным частотам колебаний среды в ИТ и на кратных им частотах,
искажая тем самым показания регистрирующей аппаратуры. При этом возможны ситуации ложного срабатывания технологических защит, выход из строя контрольно-измерительных приборов (КИП), искажение показаний приборов учёта расхода среды. Для борьбы с этими негативными явлениями разработана серия микростабилизаторов давления, устанавливаемых либо непосредственно перед КИП, либо в любой другой точке по трассе прокладки ИТ, которые позволяют исключить ошибки в показаниях приборов и возможность их поломки.
Диапазоны рабочего давления разработанных микростабилизаторов:
от 0 до 1,6 МПа, от 1,6 МПа до 4 МПа, от 4МПа до 6,4 МПа, от 6,4 МПа до 10МПа, от 10МПа до 16 МПа. Для газовых сред рабочие давления не ограничены.
Принципиально новым высокоэффективным энергонезависимым техническим средством гашения колебаний давления, вибрации и гидроударов являются стабилизаторы давления (СД).
В основе работы СД лежит российская конверсионная технология волновой стабилизации потока, которая по своему уровню, назначению и научно-техническому потенциалу, сохраняя приоритет российской науки, значительно превосходит по диапазону
гасимых частот, эффективности и быстродействию все известные мировые аналоги.
Технология стабилизации давления позволяет снизить гидроудары и вибрации, являющиеся основными причинами аварий трубопроводов, в 5-10 раз при полном отсутствии потери транспортируемой среды. Помимо этого внедрение СД в несколько раз увеличивает коррозионно-усталостную долговечность трубы, что продлевает срок службы даже изношенных трубопроводов
в 1,5-2 раза. СД позволяют снизить общую аварийностьтрубопроводов и оборудования на 85%, а также уменьшить финансовые потери, связанные с ликвидацией последствий аварий. По сравнению с техническими средствами подобного назначения стабилизаторы давления обладают следующими преимуществами: мгновенное быстродействие (0,005 сек); энергонезависимость, легкость монтажа и эксплуатации (СД монтируются путем врезки в трубопровод, не требуют обслуживания в процессе эксплуатации); отсутствие регулирующих механизмов управления, отсутствие потерь рабочей среды. При этом СД одинаково эффективны как в аварийном, так и в штатном и переходном режимах работы гидросистем.
Стабилизаторы давления предназначены для использования в трубопроводных системах диаметром от 10 до 1200 мм и рабочим давлением до 25 МПа с жидкими или многофазными средами. Для газовых систем ограничений по рабочему давлению нет. Установка устройства в действующий трубопровод обеспечивает гашение до безопасного уровня амплитуд колебаний давления и связанных с ними вибрационных процессов. При этом полностью устраняются аварийные ситуации, связанные с разрывами трубопроводов, вызванных гидроударами, по причинам внезапного обесточивания трубопроводного оборудования, ошибками персонала, отказами трубопроводной арматуры, управляющего оборудования и т.д.
Системы противоаварийной защиты трубопроводов и оборудования - стабилизаторы давления - работают по принципу легких человека. Их действие основано на диссипативном и упругодемпфирующем воздействии на перекачиваемую среду и равномерном распределении давления по всей длине участка трубопровода.
Использование стабилизаторов давления позволяет обеспечить безаварийную эксплуатацию трубопровода и уменьшить скорость коррозионных процессов в трубопроводной системе. По предварительным оценкам экспертов и ученых, ресурс действующего трубопровода может быть еще увеличен на 10-15 лет.
У практиков, эксплуатирующих трубопроводные системы, могут появиться сомнения, что такой эффект достижим. Здесь можно лишь сослаться на практический опыт, результат и эффективность использования новых технологий в системе нефтедобычи, например, когда для поддержания пластового давления (ППД) производится закачка в пласт послесепа-рационных вод.
Для гашения вынужденных колебаний давления в системе закачки ППД объединения «ТАТНЕФТЬ» были применены специально разработанные стабилизаторы давления СД-15-70 - для линии нагнетания и СД-2-150 - для линии всасывания (на рабочие давления до 15 МПа и 2 МПа соответственно). Это позволило уменьшить амплитуду пульсаций и вибраций в трубопроводах гидросистемы ППД с поршневыми насосами в 8 раз и обеспечить непрерывную безаварийную работу всей системы.
Принципиально новым высокоэффективным энергонезависимым техническим средством гашения колебаний давления, вибрации и гидроударов являются стабилизаторы давления (СД).
Системы противоаварийной защиты трубопроводов и оборудования - стабилизаторы давления - работают по принципу легких человека. Их действие основано на дидоипативном и упругодемпфирующем воздействии на перекачиваемую среду и равномерном распределении давления по всей длине участка трубопровода.
