CC BY
73
ТРУБОПРОВОД УДК 622.692.4
Способ автономного дозирования химических реагентов в условиях отсутствия развитой инфраструктуры
А.В. Северюхин
инженер-конструктор1 ti [email protected]
A.Н. Блябляс
ведущий инженер2 [email protected]
B.Н. Григорьев
инженер2
•ООО «Ижевский крановый завод», Ижевск, Россия
2ЗАО «Ижевский нефтяной научный центр», Ижевск, Россия
Несмотря на постоянное развитие технологий, альтернативных способов защиты и химизации всех производственных процессов, внутренняя коррозия трубопроводов остается ключевой проблемой для управлений эксплуатации трубопроводов всех нефтедобывающих организаций. Авторами разработано автономное устройство для постоянной подачи требуемого объема концентрированного реагента в трубопровод, без привязки к инфраструктуре, дорогам и линиям электропередач. Основной сегмент рынка для разработанного устройства — районы с отсутствием развитой инфраструктуры, отсутствием линий электропередач и подъездных путей, а так же во время сезонного бездорожья.
материалы и методы
Средства автоматизированного проектирования ANSYS и ASPEN Hysys, гидравлический расчет устройства, расчет перепадов давлений и скорости подачи реагента из контейнера, испытательный стенд, лабораторные и полевые испытания по замеру скорости расхода химического реагента.
Ключевые слова
трубопроводный транспорт, коррозия, дозирование реагента, устройство подачи реагента
Введение
Адаптация к новым технологиям, внедрение устройств, усовершенствование методов работы в нефтяной и газовой промышленности происходит очень медленно,это связано с высокими требованиями как к самим устройствам, так и к технологическим процессам в данных видах промышленности. В связи с этим распространенные проблемы, в том числе преждевременный износ оборудования, могут решаться десятками лет, приводя к серьезным экологическим, материальным и временным потерям.
Согласно данным Минприроды России на 2018 год, число аварий на объектах транспортировки нефти ежегодно достигает порядка 25 тысяч инцидентов, в результате чего около 1,5 млн. тонн нефти поступает в окружающую среду. Для сравнения, это примерно в 2 раза больше, чем объем разлива нефти в Мексиканском заливе в 2010 году в результате аварии на платформе British Petroleum. Большая часть аварий, безусловно, связана с коррозионным износом. Несмотря на постоянное развитие технологий, альтернативных способов защиты и химизации всех производственных процессов, внутренняя коррозия трубопроводов остается ключевой проблемой для Управления эксплуатации трубопроводов всех нефтедобывающих организаций.
Авторами разработано автономное устройство для постоянной подачи требуемого объема концентрированного реагента в трубопровод, без привязки к инфраструктуре, дорогам и линиям электропередач. Устройство обеспечивает защиту трубопроводов за счет размещения в корпусе устройства быстросъемного контейнера с концентратом ингибитора коррозии или другого химического реагента. Клапан на корпусе устройства позволяет осуществлять обслуживание, интенсивность дозирования и периодическую смену контейнера без остановки трубопровода. Средствами автоматизированного проектирования ANSYS и ASPEN Hysys был выполнен гидравлический расчет устройства, рассчитаны перепады давлений и скорость подачи реагента из контейнера.
Рис. 1 — Структура осложненного фонда
скважин ОАО «Удмуртнефть» Fig. 1 — Structure of the complicated well stock of OJSC Udmurtneft
Для проверки работоспособности теории автором был сконструирован испытательный стенд, проведены лабораторные и полевые испытания по замеру скорости расхода химического реагента.
В июле-сентябре в ЗАО «Ижевский нефтяной научный центр» проведены лабораторные и полевые испытания. В июне 2018 года ОАО «Удмуртнефть» поддержало инициативу по проведению опытно-промысловых испытаний на внутриплощадочных трубопроводах установки подготовки нефти.
Конструкция устройства обеспечивает размещение в быстросъемном контейнере от 25 до 300 кг концентрированного реагента. Принимая во внимание действующие эффективные дозировки рабочих растворов — периодичность заправок разработанного дозатора может варьироваться от месяца до полу года, в зависимости от вида реагента, объема обрабатываемой жидкости и эффективной дозировки.
Данная технология подачи химических реагентов может быть успешно реализована не только в нефтяной, газовой или угольной промышленности, а также в бытовых условиях, работе жилищно-коммунального хозяйства, системах водоснабжения и других
Рис. 2 — Последствия коррозионных разрушений Fig. 2 — Consequences of corrosion damage
коммуникациях. Основной сегмент рынка для разработанного устройства — районы с отсутствием развитой инфраструктуры, отсутствием линий электропередач и подъездных путей, а также во время сезонного бездорожья.
Актуальность работы
Ежегодно нефтегазодобывающие организации несут многомиллионные убытки, связанные с предотвращением коррозионного износа и ликвидацией порывов на трубопроводном транспорте. Одним из ключевых отказов трубопроводного транспорта является внутренняя коррозия, кроме того, этот осложняющий фактор является основным в структуре осложненного фонда добывающих скважин всех «зрелых» нефтедобывающих компаний, таких как ОАО «Удмуртнефть» (рис. 1).
Цель работы: повышение эффективности защиты трубопроводного транспорта от внутренней коррозии.
Задачи работы:
• анализ существующих методов и средств защиты оборудования от коррозии;
• разработка автономного устройства для дозированной подачи реагента в трубопровод;
• проведение прочностных, гидравлических расчетов, описание математической модели;
• создание лабораторного образца и проведение испытаний;
• проведение опытно-промысловых испытаний на производственных объектах.
На сегодняшний день существует множество технологий и технических устройств, способных замедлить или предотвратить коррозионный износ.
К основным методам относят:
• периодическая или постоянная закачка химических реагентов;
• электрохимические методы;
• применение защитных покрытий и материалов, стойких к коррозии.
Безусловно, каждая из технологий обладает своими достоинствами и недостатками. Тем не менее, разнообразие технологий не позволяет в полной мере уйти от порывов на некоторых участках трубопроводов (рис. 2) [1]. Это вызвано отсутствием развитой инфраструктуры, отсутствием линий электропередач для подключения дозировочных устройств, отсутствием подъездных путей в осенне-весенний и паводковый период.
1 — контейнер с концентрированным реагентом
2 — переходник диаметров
3 — запорная арматура
4 — магистраль с вертикальным отводом
Возникновение идеи
При конструировании автономного устройства для дозированной подачи реагента необходимо проанализировать рынок технологий защиты нефтепромыслового оборудования и выделить положительные и отрицательные стороны (таб. 1).
Объединение преимуществ устройства дозирования реагента и погружного сква-жинного контейнера - главная цель при создании нового устройства для защиты нефтепромыслового оборудования.
Описание устройства
Устройство для дозированной подачи реагента (рис. 3) состоит из следующих основных элементов: тройник трубный фланцевый с турбулизатором потока жидкости, задвижка трубная шиберная, корпус для размещения контейнера с концентрированным реагентом, контейнер для размещения химического реагента, верхняя крышка из прозрачного оргстекла для контроля наличия реагента (рис. 4), съемная дозирующая сетка для изменения объема подачи реагента (рис. 5).
Устройство работает следующим
1 — container with concentrated reagent
2 — diameter adapter
3 — stop valves
4 — highway with a vertical outlet
образом: в контейнер со съемной крышкой осуществляется загрузка концентрата химического реагента в твердом, гелеобраз-ном или гранулированном виде. Контейнер устанавливается в корпус устройства через резиновую прокладку при помощи болтового соединения. Съемная перфорированная металлическая сетка на дне контейнера обеспечивает постоянное дозирование и подачу растворенного реагента в поток поступающей жидкости. Различные диаметры отверстий в съемных перфорационных сетках обеспечивают различную интенсивность вымывания и подачу химии различных агрегатных состояний. В зависимости от условий эксплуатации и периодичности обслуживания устройства допускается монтаж съемных контейнеров с различными объемами концентрата. Кроме того, регулирование интенсивности циркулирующей среды и вымыв реагента может осуществляться клапанным устройством или запорной арматурой.
Запорная арматура обеспечивает быструю герметизацию устройства при замене контейнера или заправке реагентом, без остановки основной линии трубопровода.
Рис. 3 — Устройство подачи реагента Fig. 3 — Reagent dispenser
Устройство дозирования реагента (УДР)
Возможность заправки, длительное дозирование, широкий выбор нефтепромысловой химии
Зависимость от инфраструктуры, частое обслуживание, трудоемкий монтаж
Погружной скважинный контейнер
Преимущества
Стабильное насыщение пластовой жидкости нефтепромысловой химией, минимальное влияние человеческого фактора, независимость от инфраструктуры
Недостатки
Невозможность своевременной заправки (только при подъеме оборудования), узкая область применения, невозможность ремонта контейнера
Трубы с защитными покрытиями
Высокая степень защиты трубопроводов от коррозии
Высокая стоимость, небольшой рынок производителей, подверженность к механическим повреждениям
Протекторная ано-дно-катодная защита
Высокая степень защиты трубопроводов от коррозии
Зависимость от инфраструктуры, малый радиус действия защиты
Таб. 1 — Анализ рынка технологий защиты нефтепромыслового оборудования Tab. 1 — Analysis of the market of technologies for the protection of oilfield equipment
1 — прижимное кольцо
2 — прозрачное оргстекло
3 — уплотнительное кольцо
4 — корпус контейнера
5 — фланец
6 — уплотнительное
кольцо сетки
7 — съемная дозирующая
сетка
1 — clamping ring
2 — clear plexiglass
3 — a sealing ring
4 — container body
5 — flange
6 — mesh sealing ring
7 — removable metering grid
Рис. 4 — Общий вид дозирующего устройства Fig. 4 — General view of the metering device
1, 2, 3, 4 — съемные дозирующие сетки с разной пропускной способностью 1, 2, 3, 4 — removable metering grids with different throughput
Рис. 5 — Дозирующие сетки Fig. 5 — Dosing grids
Проведение расчетов с помощью систем интенсивности обогащения проходящей жид-
автоматизированного проектирования кости реагентом (рис. 6); гидравлический
После разработки модели устройства расчет внутренней части устройства и постро-
и определения необходимых параметров ение точек потери давления н разных участ-
были проведены расчеты с использованием ках (рис. 7). Для получения более полной
САПР. В комплекс расчетов входили: моде- картины была проведена симуляция работы
лирование направлений потока жидкости, устройства (рис. 8)
проходящей через контейнер и определение В результате проведенных расчетов и
Рис. 6 — Направление потока жидкости в устройстве и уровень обогащения проходящей
жидкости
Fig. 6 — The direction of fluid flow in the device and the level of enrichment of the flowing fluid
моделирований подтвердилась полная работоспособность устройства, а также выявлены алгоритмы, позволяющие подбирать сечение дозирующей сетки и ее пропускную способность для различных условий и требований.
Проведение лабораторных испытаний
Для проверки работоспособности устройства был спроектирован и собран испытательный стенд (рис. 10). Одной из задач лабораторного исследования был контроль постоянного и регулируемого выноса химического реагента из устройства. Принцип работы стенда основан на изменении электропроводности среды в результате постепенной ее минерализации.
Стенд представляет собой замкнутый трубопроводный контур, внутри которого дистиллированная вода — среда — диэлектрик, при помощи центробежного насоса циркулирует через буферную емкость. На одной из линий контура установлено разработанное дозирующее устройство. В качестве концентрированного химического реагента перфорированный контейнер был заполнен хлористым натрием (пищевой солью), который должен вымываться из дозатора с течением времени.
1 — Центробежный насос циркуляционный
2 — Дозирующее устройство
3 — Прибор «TDS-метр»
4 — Термометр, манометр
5 — Буферная емкость
1 — Centrifugal circulating pump
2 — Dosing device
3 — Device "TDS-meter"
4 — Thermometer, pressure gauge
5 — Buffer capacity
Рис. 7 — Расчет давления и завершённости
потока жидкости Fig. 7 — Calculation of pressure and completion of fluid flow
Рис. 8 — Симуляция работы устройства дозирования Fig. 8 — Simulation of the dosing device
Рис. 9 — Принципиальная схема работы
лабораторной установки Fig. 9 — Schematic diagram of the laboratory setup
Рис. 10 — Сборка испытательного стенда Fig.10 — Build a test bench
Рис. 11— Прототип устройства дозирования реагента Fig. 11 — Prototype reagent dosing device
Для точной оценки равномерности дозирования химического реагента, в трубопровод был установлен прибор «TDS-метр», измеряющий в режиме реального времени электропроводность среды. Электропроводность напрямую зависит от минерализации и температуры. Термометр, установленный в контуре контролировал постоянство температурного режима. Благодаря оперативному мониторингу этих данных можно судить о равномерности дозирования реагента и работоспособности технологии в целом.
Лабораторные испытания проводились в лаборатории ЗАО «Ижевский нефтяной научный центр» на протяжении 30 суток. Основные вызовы, решаемые в рамках проведения лабораторных испытаний:
1. Возможность регулирования и поддержания установленной дозировки;
2. Возможность постоянного дозирования реагента (с погрешностью до 10%).
Лабораторные испытания проводились в 3 этапа.
На первом этапе циркуляция жидкости осуществлялась с закрытой задвижкой, без возможности подачи реагента. TDS - метр не зафиксировал увеличения минерализации
среды. На втором этапе отслеживалась возможность устройства в течении 3-5 дней регулировать и держать на заданном уровне подачу дозируемого реагента. Лабораторные испытания показали, что колебания дозировок при регулировании не превышают 6%. Третий этап предполагал максимальную подачу реагента и контроль за постоянством дозирования. Результаты лабораторных испытаний приведены в таб. 2 и на рис. 8.
Учитывая, что устройство дозирует концентрированные формы реагентов, максимальная подача способна работать на довольно большие объемы обрабатываемой среды. Оптимизация конструкции контейнера и варианты дозирования могут быть выделены в отдельную задачу и не рассматривались в рамках настоящей статьи.
На рис. 8 представлен прототип устройства дозирования концентрата реагента в магистраль. Был собран опытный образец с смотровыми окнами для контроля вымывания реагента. В качестве прототипа дозирующих сеток были собраны сетки с разными рабочими сечениями, для разных условий и возможности контроля скорости вымывания реагента.
День Степень Мине- Расход
открытия ре- рали- реагента,
гулирующей зация, г/сут
арматуры, % г/л
0% 10% so% 4S"/o 64% 7»% 80*/. 90"/. m%
Степень открытия регулирующей арматуры
300 ~—Мин*рагиици«. г/л
1 2 3 4 5 6 7 S S 10 LI 12 13 14 15 16 17 IB 19 20 21 22 23 24 25 27 29 23 30
1 0 0 0
2 10 21 21
3 10 45 24
4 10 68 23
5 30 97 29
6 30 129 32
7 30 160 31
8 45 210 50
9 45 255 45
10 45 302 47
11 60 400 98
12 60 512 112
13 60 620 108
14 70 750 130
15 70 900 150
16 70 1075 175
17 70 1300 225
18 70 1465 165
19 80 1720 255
20 80 1900 180
21 80 2129 229
22 80 2325 196
23 80 2530 205
24 90 2840 310
25 90 3125 295
26 90 3475 312
27 90 3800 325
28 100 4250 450
29 100 4700 450
30 100 5250 550
Рис. 12 — График изменения дозировки НПХР в зависимости от степени открытия регулирующей арматуры Fig. 12— Schedule of changes in the dosage of the reagent, depending on the degree of opening
of the control valve
Таб. 2 — Полученные данные во время лабораторных испытаний Tab. 2 — The data obtained during laboratory tests
Из графика проведения лабораторных испытаний видно, как меняется скорость насыщения жидкости солями и расход реагента в зависимости от открытости регулирующей задвижки. Устройством предусмотрено дозирование нефтепромыслового реагента в широких диапазонах по уровню расхода, что делает возможным подачу таких реагентов как ингибиторы коррозии, ингибиторы па-рафиноотложений, солеотложений, а также подачу деэмульгаторов.
Итоги
Авторами разработано устройство для дозированной подачи реагента в трубопроводные системы. Подана заявка на получение патента. Лабораторные испытания показали положительные результаты по отслеживаемым параметрам: вынос реагента осуществлялся равномерно и стабильно, при этом была предусмотрена возможность более точного дозирования за счет регулирующей арматуры. Проведение опытно - промысловых испытаний разработанного устройства
запланировано в 2019 году на объектах ОАО «Удмуртнефть». Проект так же был поддержан многими производителями химических реагентов.
Выводы
Данная технология подачи химических реагентов может быть успешно реализована не только в нефтяной, газовой или угольной промышленности, а также в бытовых условиях, работе жилищно-коммунального хозяйства, системах водоснабжения и других коммуникациях. Основной сегмент рынка для разработанного устройства - районы с отсутствием развитой инфраструктуры, отсутствием линий электропередач и подъездных путей, а также во время сезонного бездорожья.
Литература
1. Блябляс А.Н., Ильин А.В. Модернизация технических средств защиты промысловых трубопроводов от внутренней коррозии // Химическая физика и мезоскопия, 2016,
Т. 18. №3. С. 405-411.
2. Ефимченко С.И., Прыгаев А.К. Расчет и конструирование оборудования нефтяных и газовых промыслов. М.: Нефть и газ, 2006. 734 с.
3. Протасов В.Н., Кривенков СВ., Блохина М.Г., Левин Ю.А. Определение показателей надежности нефтепромыслового оборудования. М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2004. 58 с.
4. Гуревич Д.Ф. Трубопроводная арматура: справочное пособие. М.: URSS, 2008. 366 с.
5. Мустафин Ф.М., Быков Л.И., Гумеров А.Г. и др. Промысловые трубопроводы и оборудование. М.: Недра, 2004. 664 с.
6. Ланчаков Г.А., Зорин Е.Е., Пашков Ю.И., Степаненко А.И. Работоспособность трубопроводов. Часть 2. Сопротивляемость разрушению. М.: Недра-Бизнесцентр, 2001. 350 с.
7. Коннова Г.В. Оборудование транспорта и хранения нефти и газа. Ростов-на-Дону: Феникс, 2006. 128 с.
ENGLISH
PIPELINE
A method of autonomous dosing of chemicals in the absence of developed infrastructure
UDC 622.692.4
Authors:
Aleksandr V. Severiukhin — engineer-designer1; [email protected] Aleksandr N. Blyablyas — principal engineer2; [email protected] Vitali N. Grigorev — engineer2; [email protected]
1LLC «Izhevsk crane plant» Izhevsk, Russian Federation
2JSC «Izhevsk Oil Research Center», Izhevsk, Russian Federation
Abstract
Despite the constant development of technologies, alternative methods of protection and chemicalization of all production processes, internal corrosion of pipelines remains a key problem for the management of pipeline operation of all oil-producing organizations. The authors developed an Autonomous device for constant supply of the required volume of concentrated reagent in the pipeline, without reference to infrastructure, roads and power lines. The main market segment for the developed device-areas with lack of infrastructure, lack of power lines and access roads, as well as during seasonal off-road.
Materials and methods
By means of computer-aided design ANSYS and ASPEN Hysys was performed hydraulic calculation of the device, calculated pressure drops and the rate of supply of the reagent from the container. To check the performance of the theory of the authors was designed test stand, conducted laboratory and field tests to measure the rate of flow of the chemical reagent.
Keywords
pipelines, corrosion, dosing of the reagent, feeder reagent
Results
Laboratory tests have shown positive results on the monitored parameters: the removal of the reagent was carried out evenly and stably, with the possibility of more accurate dosing due to the control valves.
Conclusions
This technology of chemical reagents supply can be successfully implemented not only in the oil, gas or coal industry, as well as in domestic conditions, the work of housing and communal services, water supply systems and other communications.
References
1. Blyablyas A.N., Il'in A.V. Modernizatsiya tekhnicheskikh sredstvzashchity promyslovykh truboprovodov ot vnutrenney korrozii [Modernization of technical means of protection of field pipelines from internal corrosion]. Khimicheskaya fizika
i mezoskopiya, 2016, V. 18, issue 3, pp. 405-411.
2. Efimchenko S.I., Prygaev A.K. Raschet i konstruirovanie oborudovaniya neftyanykh i gazovykh promyslov [Calculation and design of oil and gas field equipment].
Moscow: Neft' igaz, 2006, 734 p.
3. Protasov V.N., Krivenkov SV., Blokhina M.G., Levin Yu.A. Opredelenie pokazateley nadezhnosti neftepromyslovogo oborudovaniya [The determination of the reliability of oilfield equipment]. M.: Gubkin Russian State University of Oil and Gas, 2004, 58 p.
4. Gurevich D.F. Truboprovodnaya armatura: spravochnoe posobie [Pipeline valve]. Moscow: URSS, 2008, 366 p.
5. Mustafin F.M., Bykov L.I., Gumerov A.G. and oth. Promyslovye truboprovody
i oborudovanie [Field pipelines and equipment]. Moscow: Nedra, 2004. 664 p.
6. Lanchakov G.A., Zorin E.E., Pashkov Yu.I., Stepanenko A.I. Rabotosposobnost' truboprovodov. Chast' 2. Soprotivlyaemost' razrusheniyu [The efficiency of the pipelines]. Moscow: Nedra-Biznestsentr, 2001, 350 p.
7. Konnova G.V. Oborudovanie transporta i khraneniya nefti igaza [Oil and gas transportation and storage equipment]. Rostov-na-Donu: Feniks, 2006, 128 p.
