автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.13, диссертация на тему:Разработка конструкции и технологии производства металлополимерных труб для сооружения нефтепромысловых трубопроводов

На правах рукописи Для служебного пользовапия Экз. № '/О

КАЛАЧКВ ИВАН ФЕДОРОВИЧ

РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНЫХ ТРУБ ДЛЯ СООРУЖЕНИЯ НЕФТЕПРОМЫСЛОВЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

Специальность 05.15.13. - Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации па соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа -1998

Работа выполнена в Хозрасчетном научно-производственном отделе "Защита нефтепромыслового оборудования от коррозии и поддержание пластового давления" (НПО "ЗНОК и ППД) Татарского научно-исследовательского и проектного института нефти АО "Татнефть"

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Загорский В. К. Официальные оппоненты : доктор технических наук, профессор,

Гумеров А.Г.

кандидат технических наук, доцент Мусгафин Ф.М. Ведущая организация : институт БашНИНИпефть

Защита состоится 1 октября 1998 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 063.09.02 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу:

450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета

Автореферат разослан 1 сентября 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор физ.-мат. наук, профессор у/^—-Р-Н. Бахгтин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Ежегодно по нефтепромысловым трубопроводам расли перекачиваются сотшг миллионов кубометров нефти и технологических вдкостей, содержащих в больших количествах коррозионно-активщ>1е мпоненты, такие как сероводород, двуокись углерода, ионы хлора и т.д. Из-за 1СОКОЙ агрессивности транспортируемых сред сроки службы трубопроводов в 4 раза ниже нормативных и составляют 2-6 лет. Нефтедобывающая юмышленность терпит значительные убытки, поскольку за более чем 50-тний период разработки нефтяных месторождений производилась югократная замена трубопроводов, выполнены тысячи капитальных ремонтов, держится большое количество ремонтно-восстановительных бригад по ддержапию объектов добычи нефти в работоспособном состоянии. Изливы фтепродуктов и нефтепромысловых сточных вод наносят непоправимый 1ерб окружающей среде, снижают темны разработки нефтяных сторождений.

На нефтяных месторождениях с высокой обводненностью продукции, гда защитные свойства нефти уже не сказываются, потери на ликвидацию рывов, преждевременную замену трубопроводов и других объектов числяются сотнями миллиардов рублей.

Таким образом, надежность и долговечность нефтепромысловых /бопроводных систем и объектов нефтегазодобычи во многих регионах стали шными проблемами, без скорейшего решения которых невозможна успешная шлуатация нефтяных месторождений.

Проблемами обеспечения работоспособного состояния магистральных /бопроводов и повышение их эксплуатационной надежности и безопасности имелись ведущие ученые ВНИИСПТнефти (г. Уфа): д.т.и. , проф. А.Г. черов, д.т.н. P.C. Зайнуллип, к.т.н. K.P. Низамов, к.т.н. P.C. Гумеров, к.т.н.

М.Х. Султанов и др. Ими были рассмотрены методы расчета прочности долговечности трубопроводов, оценка эффективности сварных усилительны элементов, проблемы переаттестации трубопроводов.

Цель работы. Исследования, разработка конструкции и технолога производства и строительства нефтепромысловых трубопроводов I мсталлополимерных труб, обеспечивающих высокую долговечность.

Основные задача исследований.

1. Анализ осложнений и их причин, возникающих при зксплуатавд нефтепромысловых трубопроводов.

2. Разработка требований к надежности и долговечное! нефтепромысловых трубопроводов.

3. Создание методики исследований конструктивных, технологических эксплуатационных характеристик металлопластмассовых, гибких труб и у соединений.

4. Исследование, разработка и выбор оптимальных параметре конструкций труб, соединений и технологии их производства.

5. Разработка технологии и технических средств строигельсп нефтепромысловых объектов с использованием металлопластмассовых и гибю труб.

Методы решеиия поставленных задач.

1. Лабораторные, стендовые и промысловые исследования труб новс конструкции и трубопроводов из них.

2. Метод математической статистики.

3. Физическое и математическое моделирование.

Осповныс защищаемые ноложепия.

¡.Методические основы оценки и выбора конструктивных параметре эксплуатационной надежности нефтепромысловых трубопроводов.

2. Исследования и оптимизация технологических параметров производства труб и соединений новой конструкции.

3. Исследования и оптимизация технологических параметров строительства и эксплуатации металлополимерных нефтепромысловых трубопроводов.

Научная новизна.

1. Разработана методика анализа осложнений, технологичности, конструктивной преемственности труб и соединений, обеспечившая оптимальную оценку и выбор параметров надежности и долговечности нефтепромысловых трубопроводах на всех стадиях производства и эксплуатации.

2. Создана научно-обоснованная технология производства металлопластмассовых труб. Исследованы и выбраны основные конструктивные, геометрические и технологические параметры футерования, герметизации, протекторной защиты, наружной изоляции, обеспечивающие заданный срок эксплуатации нефтепромысловых трубопроводов.

3. Разработана научно-обоснованная технология строительства, ремонта и эксплуатации нефтепромысловых трубопроводов из металлополимерных труб, включающая: разработку транспортных средств, оптимизацию режимов сварки полевого соединения, режимов эксплуатации обеспечивающих требуемую долговечность.

Практическая реализация.

1. По разработанной технологии производства металлополимерных труб (МПТ) построено 14 цехов для изготовления металлопластмассовых плетей с общей производительностью 2500 км в год. Общая протяженность эксплуатируемых новых магистралей составляет 8200 км.

2. По разработанной технологии производства коррозионностойких гибких труб (КГТ) построен цех производительностью до 300 км в год.

3. Автором, под его руководством и при непосредственном участии созданы и внедрены в производство проекты и технология производства труб, технология строительства МПТ, КГТ и соответствующее оборудование.

4. Разработана нормативно-техническая документация производства и эксплуатации новых трубопроводов.

5. Экономический эффект от внедрения металлополимерных труб за 19861997 г.г. составил более 1.4 триллиона рублей (в ценах 1997 г.). Из них доля автора составляет 10 %.

6. Результаты научных исследований и их практическая реализация позволяют рекомендовать увеличение масштабов и расширение области применения труб новой конструкции в различных отраслях народного хозяйства.

Апробация работы.

Основное содержание работы докладывалось на отраслевых совещаниях по проблемам разработки и эксплуатации нефтяных месторождений (г. Москва, г. Альметьевск), на ученых советах ТатНИПИнефть и НПО "ЗНОК и ППД", на технических советах АО "Татнефть", а также на международных, всероссийских и республиканских научно-технических конференциях.

Результаты исследований легли в основу РД "Технология футерования стальных труб полиэтиленом" и "Восстановление трубопроводов полиэтиленовыми трубами".

Публикации. По результатам представленных в работе исследований лично автором, а также в соавторстве с другими исследователями опубликовано 35 работ, в том числе: статей - 2, тезисов докладов - 1, авторских свидетельств и патентов - 22, руководящих документов, ТУ, инструкций -10.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и выводов, содержит б страниц машинописного текста, 24 рисунка, 15 таблиц, 93 блиографические ссылки, 3 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определены цель и направление исследований, эанализированы основные факторы, влияющие на снижение надежности и тговечности нефтепромысловых трубопроводных систем, показана дальность проблемы и дана общая характеристика работы.

Первая глава посвящена анализу причин снижения долговечности |)тепромысловых трубопроводов и способов их повышения, анализу этического состояния эксплуатационного фонда трубопроводов в системе [Д и нефтесбора в АО "Татнефть" за последнее десятилетие.

В настоящее время существует несколько методов защиты |>тепромысловых трубопроводов от коррозш!, среди них такие как -ибирование, электрохимическая защита, эмалирование, остеклование и тие. Проведенный анализ этих методов показал, что наиболее юпективным направлением может стать создание трубопроводов из ■аллополимерных труб специальной конструкции, которые сочетали бы в себе ;окую прочность и коррозиогаюстойкость.

Анализ технического состояния трубопроводных систем в АО "Татнефть" [твердил, что в последние годы (1990-1996) за счет внедрения аллополимерных труб достигнуто значительное уменьшение (в 7,4 раза) ичества осложнений на водоводах по закачке сточных вод в системе ППД, в зремя как в системе нефтесбора количество отказов трубопроводов остается : на высоком уровне.

Разработана принципиально новая структура, обеспечивающая повышсни надежности нефтепромыслового трубопроводного транспорта, что позволил заведомо контролировать исполнение основных параметров, влияющих н надежность нефтепромысловых трубопроводов на любом этапе их создания строительства

Во второй главе сформулированы основные требования к конструкци труб и их соединениям в трубопроводы, применительно к системе ППД выкидным линиям нефтесбора

Созданная автором методика определения комплексного показател технологичности конструкции соединений позволяет на стадии проектировали оценить приоритет одного соединения над другим.

Под оценкой технологичности конструкции соединений, снабжении, внутренними оболочками, подразумевается комплекс показателей сопоставлени данной трубы и ее соединения со свойствами базового соединения, принятог для сравнения результатов в форме, приемлемой для дальнейшег усовершенствования конструкции.

Комплексная оценка технологичности складывается из следующи показателей: безотказности, коррозионностойкости, материалоемкосп трудоемкости, преемственности, новизны, применяемости стандартных изделш! повторяемости материалов, механизации сборочных процессов и т./ Коэффициенты весомости каждого показателя были определены мстодо? экспертной оценки.

Автором были произведены расчеты комплексного ноказагел технологичности для соединений мсталлополимерных труб. Выбранные п результатам этих расчетов соединения рекомендованы для строительств нефтепромысловых трубопроводов.

Ila рис.1 представлена разработанная конструкция КГТ н ее соединение, а а рис.2 - конструкция МПТ с соединением сваркой.

В третьей главе приведены основные результаты исследований по утерованию трубных плетей полиэтиленом; закреплению и герметизации онцов оболочки; расчеты по определению конструктивных и технологических араметров коррозионностойких гибких труб.

Технологический процесс футерования стальной трубы основан на глаксации высокоэластичиой деформации сжатия, создаваемой в элиэтиленовой оболочке нри обжатии в волочильной фильере специальной инструкции, при протяжке оболочки с помощью тянущего устройства, аходясь в стальной трубе, полиэтиленовая оболочка расширяется за счет >ратной деформации и ее диаметр должен стать равным внутреннему диамечру -альной трубы, а длина при этом должна сократиться на значение вытяжки. На IC.3 приведены результаты исследовашгй остаточного удлинения Ш1Этиленовой оболочки в зависимости от ее длины и диаметра фильеры.

При исследовании влияния разницы (натяга) между диаметрами стальной полиэтиленовой оболочек на величину зазора использовались стальные трубы 114 х 9 мм, сваренные в плети. Для футерования использовались »лиэтилеповьте оболочки различных диаметров. По полученным результатам 1бран оптимальный диаметр полиэтиленовой оболочки 98 мм, при котором в юцессе футерования и термообработки получается наименьший зазор.

С целью определения оптимального диаметра фильеры были футерованы плети с различными внутренними диаметрами фильер. По зультатам экспериментов была выбрана обжимающая фильера с внутрешпш [аметром 88 мм, обеспечивший наименьшее остаточное удлинение лиэтиленовой оболочки.

Коррозионностойкая гибкая труба

5 8

зкстризионная полиэтиленовая изоляция пербая оплетко из лавсановой ниши вторая оплетка из лавсановой нити полиэтиленовая тр1|5а

1 - ниппель, 2 - муфта, 3 - уплотнение, армирующий слой, 5 - полиэтилена&ая труба, 6 - наружная изоляция, 7 - сБарной шоб, 8 - экструзионная полиэтиленовая изоляция.

Схема соединения металло-полимерных труб электродугобой сборкой

1) сборка с разбелкой кромок 30°, ¡) сборка с разделкой кромок 20°

- труба стальная, 2 - оболочка полиэтиленовая,

- Ьтулка протекторная, I* - наконечник.

- центратор-раЗиатор, 6 - наружная изоляция

За&исимость остаточного удлинения полиэтиленовой оболочки от блины плети стальных труб

<

0.857

0.563

0.236

I плети

1 - при диаметре фильеры 92 мм

2 - при диаметре фильеры 90 мм

3 - при Зиаметре фильеры 88 мм

Для исследований по определению герметичности закрепления концов олиэтиленовой оболочки между стенкой стальной плети и наконечтппсами были сполъзованы футерованные трубы, изготовленные по старой технологии, где мело место наличие зазора до 3-4 мм между полиэтиленовой оболочкой и галыюй трубой, и трубы, изготовленные по новой технологии.

В межтрубном пространстве при наличии зазора между трубами 1блюдалось повышение давления, что свидетельствовало о плохой рметичности соединений. В трубах, футерованных полиэтиленом по новой ;хиологии, появление избыточного давления в межтрубном пространстве не 1блюдалось, что свидетельствует о хорошей герметичности соединения новой шструкции.

Проводились испытания влияния резкого сброса давления внутри трубы I состояние полиэтиленовой оболочки и на герметичность закрепления концов, арушение целостности полиэтиленовой оболочки и герметичности закрепления : концов не наблюдалось.

Основным условием использования стальных труб, футерованных шиэтиленом, для транспортирования агрессивных нефтепромысловых сточных |д является создание не только прочного и герметичного, но и ррозионпостойкого соединения применительно к условиям нефтяных районов ггарии.

Исследования степени электрохимической защиты сварных соединений от ррозии проводились на образцах гравиметрическим методом, где на бораторной установке имитировали движение транспортируемой жидкости. 1 натурных соединениях труб были установлены протекторные втулки (рис.2) сплава алюминия и чистого мапшя.

Проведенные исследования показывают, что защитный эффект о: применения протекторов достигает более 90%, при такой степени защить отсутствует язвенная коррозия.

Наиболее высокий защитный эффект у протектора из магния, но вместе с тем он обладает очень высокой собственной скоростью растворения и с этот! точки зрения он менее эффективен, чем протекторные сплавы из алюминия. Эта сплавы имеют наибольшую токоотдачу при достаточно высоком коэффициенте полезного использования и обладают электродным потенциалом, достаточным для обеспечения требуемого защитного потенциала на стали. Вышеназванные свойства и относительная не дефицитность алюминия дают основшше считать алюминиевые протекторные сплавы, такие как АП-3 и АЦ5Мг5К, наиболее подходящими для защиты сталей, если отсутствуют какие-либо специальные ограничения.

На основании технологических параметров, полученных в процессе исследовшшй, разработана типовая технологическая схема производства металлопластмассовых плетей и изготовлено технологическое оборудование.

Коррозионностойкис гибкие трубы (КГТ), в отличие от цельнометаллических (стальных) труб, не способны воспршпшать и передавать часть действующих на нефтепромысловый трубопровод внешних усилий и воздействий. Это означает, что практически можно не рассматривать влияние изгибающих, сжимающих усилий и крутящих моментов на напряженно-деформированное состояние стенки КГТ и их соединительной концевой арматуры. При этом условии, основным видом статического нагружения для нефтепромыслового трубопровода из КГТ будет являться растяжение и воздействие от внутреннего и внешнего давления перекачиваемой технологической жидкости и окружающей среды.

Целью экспериментальных исследований являлась проверка и уточнение ряда конструктивных и технологических показателей гибких труб.

Наиболее стабильной характеристикой КГТ является величина разрушающего давления, которая была определена расчетным путем и подтверждена практически. Экспериментально величина разрушающего давления измерялась по специально разработанной методике на лабораторном стенде при условии нагружения КГТ внутренним гидравлическим давлением и осевым растягивающем усилием от внутретшего давления. Соответствие величины рабочего давления условиям эксплуатации зависит от выбора коэффициента запаса прочности.

Также приведены расчеты по определению допустимой глубины заложения и усилия дорнирования коррозиошгостойких гибких труб.

В четвертой главе работы рассмотрены отличительные особенности строительства нефтепромысловых трубопроводов из труб новой конструкции.

При перевозке мегаллопластмассовых плетей обычными плетевозами наблюдается повреждение наружной изоляции и провисание труб малого диаметра. Поэтому автором совместно с АО "Уралавтоприцеп" было разработано и изготовлено транспортное средство для перевозки трубных плетей, позволяющее при общей длине труб 34 м вписываться в радиусы поворот транспортных дорог, укладывать трубы в траншеи с помощью манипулятора и траверсы, складываться при движении без труб до 16 м и др.

Коррозионностойкие гибкие трубы доставляются на место строительство нефтепромысловых трубопроводов на барабане, который устанавливается на ;нециальной тележке. Уровень допускаемых напряжений в гибких трубах позволяет наматывать их на барабан с минимальным диаметром 2 м.

Схема расположения термопар и распределение температуры 6 околошобной зоне при соединении труб сборкой

а) наконечник из стали 20 с Втулкой из протекторного металла и углом фаски псЗ сборку 20°. 5) наконечник из стали 20 с Ьтулксй из протекторного металла и углом фаски под сборку 30°,

б) наконечник из стали 12Х18Н10Т с бтулкой из протекторного металла и углом фаски под сборку 20°

1 - труба стальная, 2 - оболочка полиэтиленовая. 3 - Втулка из протекторного металла, 4 - наконечник

^определение температуры В процессе электродугобой сборки

Труба (сталь 20) Наконечник П2Х18Н10Т) П/эга. (ПНП 102-14 или 153-14)

Расстояние от сБарки.мм 100 150 200 250 300 350

1 Услобные 1 обозначения | 2 3 4 5 6

Рис.5 ■

Соединение стальных плетей труб, футерованных полиэтилено! производится с помощью электродуговой сварки в стык (см. рис.2). ГТр разработке технологии был предложен режим сварки многослойна конструкций, включающий в себя вид подготовки кромок, тип шва, род и сиг тока, тип электродов, скорость сварки, последовательность наложения швов.

Для установления безопасной зоны, где полиэтиленовая оболочка I разрушится под действием тепла, выделяющегося в процессе электродуговс сварки, были проведены исследования по определению характера распределен! температуры в околошовной зоне сварного шва (см. рис.4). Проведеннь эксперименты показали, что при выбранных конструкциях соединений г произойдет разрушения полиэтиленовой оболочки под действием тепла с процесса электродуговой сварки. Распределение температуры в элементе соединения показано на рис.5.

При сооружении нефтепромысловых трубопроводов из труб ново конструкции противокоррозио!шая защита поверхности сварных стыков л эффективности должна быть не ниже основного покрытия трубопровода.

Для изоляции стыков с полимерным наружным покрытие предпочтительным способом является изоляция стыков двухслойно термоусадочной лентой. Эта лента имеет низкую скорость отслаивания пр катодной поляризации металла под нагрузкой. Благодаря этому, она г отслаивается в воде при поляризации металла в обычных условиях.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Выполненные автором диссертационной работы теоретические экспериментальные исследования, посвященные актуальной проблем повышения надежности нефтепромысловых трубопроводов, позволили сделат следующие основные выводы и сформулировать рекомендации п использованию результатов этих исследований.

1. Разработана методика сбора и анализа осложнений нефтепромысловых рубопроводов, подтверждающая высокую эффективность применения ехиологических методов защиты стальных трубопроводов (ингибиторная и лектрохимическая защита и т.д.), что наряду с пассивными методами защиты покрытия внутренние и наружные) обеспечивает высокую долговечность.

2. Создана, внедрена и проверена научно-обоснованная конструкция и ехнология производства металлополимерных нефтепромысловых рубопроводов из Них, обеспечивающая резкое снижение количества юложнений (до 7 раз) в системе поддержания пластового давления.

3. Оптимизированы основные конструктивные, технологические и еометрические параметры процесса футерования труб, найдены усилия дотаскивания, параметры фильер, величины остаточных деформаций и елаксации полиэтиленовой оболочки.

4. Осуществлен выбор материала протектора для защиты зоны сварки и ащемления полиэтиленовой оболочки, обеспечивающей долговечность стыка оизмеримую с долговечностью труб.

5. Создана научно-обоснованная технология строительства трубопроводов з труб новой конструкции, исследованы и оптимизированы режимы сварки и емпературные поля, найдены размеры герметизирующих втулок, редотвращающие тепловое разрушение полиэтиленовой оболочки, отработаны екомсидации для наружной изоляции стыков в полевых условиях.

Осповпое содержание диссертации опубликовано в 35 работах, в том исле:

. Калачев И.Ф. и др. Опыт эксплуатации коррозиошгостойких гибких труб. "Проблемы эффективности охраны окружающей среды на нефтепромыслах Татарии". Тезисы научно-технической конференции. - Альметьевск, 1988 г. . Калачев И.Ф. и др. {Восстановление трубопроводов полиэтиленовыми трубами. - "Нефтяное хозяйство", № 6, 1990 г.

3. Калачев И.Ф. и др. Технология футерования стальных труб полиэтиленом. Экспресс-информация. Серия "Нефтепромысловое дело", № 5, 1992 г.

4. Калачев И.Ф. и др. Способ соединения металлических труб с внутренш термопластичной оболочкой. A.c. № 1492154, Б.И., № 27, 1989.

5. Калачев И.Ф. и др. Способ сборки узла заделки концов рукава. A.c. J 1629676, Б.И. № 7, 1991.

6. Калачев И.Ф. и др. Способ изготовления рукава. A.c. № 1665155, Б.И. № 2 1991.

7. Калачев И.Ф. и др. Способ сборки узла заделки конца рукава. Патент РФ ] 1702058, Б.И. № 48, 1991.

8. Калачев И.Ф. и др. Способ сварки стальных труб. Патент РФ № 1745466, Б.1 № 25, 1992.

9. Калачев И.Ф. и др. Способ изготовления трубопроводов из отдельных тру< Патент РФ № 1763129, Б.И. № 35, 1992.

Ю.Калачев И.Ф. и др. Устройство для футерования металлических тру

пластмассовыми оболочками. Патент РФ № 1775311, Б.И. № 42, 1992. 11 .Калачев И.Ф. и др. Способ нанесения облицовки на внутреннюю поверхност трубы. Патент РФ № 1813967, Б.И. № 17, 1993.

12.Калачев И.Ф. и др. Способ соединения металлических труб с внутренне термопластичной облицовкой. Патент РФ № 2023930, Б.И. № 22, 1994.

13.Калачев И.Ф. и др. Способ соединения металлических труб , снабжении внутренней термопластичной облицовкой. Патент РФ № 2037721, Б.И. № 1'

1995.

14.Калачев И.Ф. и др. Способ неразъемного соединения труб с внутренне] облицовкой. Патент РФ № 2037722, Б.И. № 17, 1995.

15.Калачев И.Ф. и др. Способ соединения охватываемой и охватывающе! деталей. Патент РФ № 2057981, Б.И. № 10, 1996.

16.Калачев И.Ф. и др. Способ пайки труб. Патент РФ № 2063312, Б.И. № 19

1996.

17.Калачев И.Ф. и др. Способ нанесения покрытия на металлическую трубу Патент РФ № 2072472, Б.И. № 3, 1997.

18.Калачев И.Ф. и др. Способ футерования металлической трубы пластично} оболочкой. Патент РФ № 2091231, Б.И. № 27, 1997.

Лицензия ЛР№ 030678 от 22.01.96 Подписано к печати 30.06.98. Формат бумаги 60 х 84 1/16 Бумага ксероксная. Печать по методу ризографии. Тираж 100 экз. Зак.56.