автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Совершенствование технических средств для внутритрубного ремонта трубопроводов

На правах рукописи

БЕРДЫШЕВ ВАЛЕРИЙ ВИТАЛЬЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ ВНУТРИТРУБНОГО РЕМОНТА ТРУБОПРОВОДОВ

Специальность: 05.02.13—Машины, агрегаты и процессы

(нефтяной и газовой отрасли)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тюмень 2005

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет» и государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тюменская государственная сельскохозяйственная академия»

Научный руководитель - кандидат технических наук

Торопов Сергей Юрьевич Научный консультант - кандидат технических наук

Смолин Николай Иванович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Грачев Сергей Иванович

— кандидат технических наук

Мухаметкулов Анатолий Владимирович

Ведущая организация ООО «Сургутгазпром»

Защита диссертации состоится «0 1 » июля 2005 г. в 16.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.273.08 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет» (ТюмГНГУ) по адресу: 625000, г. Тюмень, ул. Мельникайте 72, Библиотека ТюмГНГУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТюмГНГУ.

Тюменское управление магистральных газопроводов, г. Тюмень

Автореферат разослан « 1 » июня 2005 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Т.Г. Пономарева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В последние годы, в связи с внедрением новых материалов и оборудования, изменились основные технологические схемы прокладки новых трубопроводов, особенно в области сооружения подводных переходов. Это привело к изменениям, как в структуре, так и в методах производства ремонтно-восстановительных работ. Сократилась область применения традиционных методов, стали активно разрабатываться новые перспективные методы восстановления работоспособности магистрального и промыслового трубопроводного транспорта.

Решение задач, поставленных перед ремонтными организациями, по поддержанию требуемого уровня надежности трубопроводов можно обеспечить только на основе применения современной технологии и организации производства, а также внедрения новых высокоэффективных технических средств.

В последние годы зарубежными и отечественными фирмами активно внедряются принципиально новые технологии восстановления изношенных коммуникаций. Существующие традиционные технологии связаны с большими объемами земляных и демонтажно-монтажных работ, что значительно увеличивает не только сроки их выполнения, но и стоимость. Разработка новых технологий и оборудования, позволяющих проводить ремонт без проведения вскрышных работ по всей длине ремонтируемого участка являются весьма актуальными. Анализ состояния трубопроводных систем показал, что ожидается рост потребности в локальных методах внутритрубного ремонта, основанных на современных технологиях и материалах.

Цель исследования.

Цель исследования состоит в создании новых технических средств для ремонта локальных дефектов трубопроводов с помощью внутритрубных ремонтных гильз.

Основные задачи исследования:

- получение экспериментальных геометрических форм внутритрубных ремонтных гильз. Обоснование и расчет их основных технологических параметров;

- определение положения ремонтного оборудования во внутренней полости трубопровода при различных схемах крепления направляющих штанг;

- обоснование условий и определение режимов получения сварных соединений с помощью внутренних закладных элементов;

- разработка основных конструктивных решений технических средств для ремонта трубопроводов внутритрубными гильзами.

Методы исследований.

При выполнении работы использовались экспериментальные и теоретические методы исследований, в частности, методы математического анализа, классические положения теории теплопереноса, методы теории планирования центральных композиционных планов с последующей обработкой полученной информации методами математической статистики, а также методы регрессионного анализа данных, осуществляемые с использованием программного комплекса Statistica.

Научная новизна.

1. Обоснованы и экспериментально подтверждены схемы нагрузки оболочки, при которых формируется гофрированная гильза, имеющая технологически необходимый внешний диаметр. Получено распределение напряжений по контуру оболочки, определены зоны упругих и пластических деформаций. Разработана методика расчета основных параметров внутритрубных ремонтных гильз.

2. Получены аналитические выражения для определения пороговых значений времени нагрева полиэтиленовых оболочек, в зависимости от их геометрических параметров и заданного теплового потока.

3. Экспериментально получены аналитические зависимости прочности соединения полиэтиленовых образцов (ПЭ-80) от режимов нагрева и конструкционных параметров закладных элементов.

4. Установлено, что при положении направляющих штанг по нижней образующей трубопровода существуют оптимальные соотношения диаметров полых штанг, при которых критическая длина потери устойчивости имеет выраженный максимум, слабо зависящий от диаметра ремонтируемой трубы.

Практическая ценность.

Результаты выполненных автором исследований позволяют проводить расчеты основных конструктивных и технологических параметров оборудования для внутритрубного ремонта. Разработаны практические рекомендации для строительных и ремонтных организаций по устранению локальных дефектов на основе применения внутритрубных гильз.

Апробация работы.

Основные положения работы были представлены на: научно-практической конференции «Проблемы эксплуатации транспортных систем в суровых условиях» в 2001г., на региональной конференции «Молодые ученые в решении проблем АПК» в 2003 г., региональной научно-практической конференции «Нефть и газ. Новые технологии в системах транспорта» в 2004г., расширенном заседании кафедры общетехнических дисциплин Тюменской государственной сельскохозяйственной академии в 2005г., на научно-техническом семинаре Тюменского государственного нефтегазового университета в 2005 г.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 10 работ.

Структура и обьем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, основных выводов, 3 приложений и списка использованной литературы, включающего 105 наименований. Работа изложена на 144 страницах, содержит 17 таблиц и 84 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы ее цель и основные задачи исследований, дана краткая характеристика работы. Отражена научная новизна полученных результатов и практическая значимость проведенных исследований.

В первой главе диссертации на основе обобщения научных публикаций отечественных и зарубежных авторов анализируются и систематизируются существующие методы ремонта подводных переходов магистральных трубопроводов, включая метод введения в ремонтируемый трубопровод пропитанных смолами гибких рукавов с последующей их вулканизацией, метод «разрушения», методы с применением внутритрубных ремонтных гильз, методы, основанные на нанесении различных видов химических покрытий на внутреннюю поверхность существующего трубопровода, метод тролайнинг и такие новые разрабатываемые методы как метод «труба в трубе». Выявлены достоинства и недостатки каждого из них. Показано приоритетное развитие внутритрубных методов, основанных на использовании современных материалов и технологий.

Предложена технология ремонта трубопроводов гофрированными ремонтными оболочками и их конструкция (рис. 1).

а). б).

Рис. 1. Применение гильз при внутритрубном ремонте трубопроводов.

а- для устранения одиночных дефектов, б- для соединения полиэтиленовых труб, 1-

металлическая гофрированная гильза (в рабочем положении), 2- ремонтируемый

трубопровод, 3- герметизирующий слой, 4- локальный дефект, 5- соединяемые полимерные

трубы

Показано, что применение такой технологии является актуальным для ремонта локальных дефектов трубопроводов на труднодоступных участках.

Гофрированные оболочки можно применять не только для устранения локальных дефектов, но и для соединения полимерных вставок внутри ремонтируемого стального трубопровода.

Отсутствие теоретически обоснованных и практически приемлемых методов расчета технологических параметров средств для ремонта магистральных трубопроводов гофрированными ремонтными гильзами определило цель и задачи исследований.

Во второй главе приведены результаты исследований, обосновывающие конструктивные решения внутритрубных ремонтных элементов.

Исходя из допусков на геометрические параметры применяемых труб и монтажно-технологические дефекты трубопроводов определена технологически обоснованная минимальная толщина гофрированной оболочки и толщина полимерного слоя.

Проведенные расчеты показали, что рассчитанная толщина полимерного слоя в сумме с толщиной гофрированной оболочки не превышает 2 % от диаметра трубопровода. Что соответствует условиям прохождения инспекционных снарядов и разделительных поршней по внутренней полости отремонтированного трубопровода.

Исследован гидравлический режим течения транспортируемой среды в зоне монтажа ремонтной гильзы. Установлено, что при максимально допустимой толщине ремонтной оболочки гидравлические потери для диаметров труб, применяемых в строительстве магистральных трубопроводов, являются незначительными. Поэтому снижение пропускной способности трубопровода после проведения ремонтно-восстановительных работ практически не изменится.

Исследована возможная геометрия гофрированных оболочек, определены наиболее технологичные формы. При гофрировании внутренних гильз возможно два различных подхода (рис. 2):

- гофрообразование с постоянной кривизной изгиба при двухстороннем фиксировании на ложементе (рис. 2,б);

деформация гильзы под действием внешних равномерно распределенных по образующим нагрузок (рис. 2, а).

В первом случае количество гофр может изменяться от 3 до бесконечности. Но максимальное число гофр ограничивается толщиной оболочки <5 и ее допустимой деформацией е, что предопределяет радиус кривизны гофры г, который найден по формуле

г = -

О)

200е '

где толщина стенки гофрированной оболочки, м;

-деформация наружных слоев стенки гофрированной оболочки, %. Отношение конечного радиуса окружности (равного радиусу

окружности расправленной оболочки) к радиусу окружности описывающей гофрированную оболочку, при увеличении числа гофр и одновременном

уменьшении их радиуса кривизны приводит к росту соотношения (рис. 3).

Л и

О 5 10 15 20 25 30 35 п

Рис. 3. Отношение Як/Ян в зависимости от числа гофр п

Из графика на рис. 3 видно, что увеличение числа гофр более 10 дает малый рост отношения Як/Ян Поэтому практически увеличение числа гофр более 10-12, с точки зрения увеличения конечного диаметра гофрированной оболочки после расправления, преимуществ не дает. Поэтому дальнейшее увеличение числа гофр не имеет смысла.

Для исследования второй схемы формообразования гильз в области упругой и пластической деформации был создан стенд плоского сечения трубопровода в котором оболочка деформировалась осесимметричными внешним нагрузкам. На первом этапе ставилась задача определения схемы нагрузки, при которой внешний радиус деформированной оболочки был бы меньше внутреннего радиуса ремонтируемой трубы. На основании проведенных экспериментов была выбрана схема с восьмью жииками, обеспечивающая выполнение данного условия.

На втором этапе фиксировался профиль деформируемой оболочки, форму которого аппроксимировали полиномиальными уравнениями.

По полученным уравнениям определялась кривизна в каждой точке деформируемой оболочки и значения соответствующих напряжений.

На основании проведенных расчетов определялись участки с упругой и пластической деформацией, что позволяло прогнозировать поведение ремонтной гильзы при снятии с нее нагрузок во время установки в рабочее положение и оценить остаточные деформации при разных схемах нагружения.

Таким образом, на стенде «плоская модель», проведено экспериментальное моделирование схем деформации оболочки. Получены формы гильз, позволяющие проводить доставку к месту установки и последующий их монтаж. Получены данные о геометрии и распределении напряжений по контуру гильз.

Третья глава посвящена вопросам соединения полимерных вставок, представляющих собой тонкостенные полиэтиленовые трубы, устанавливаемые внутри ремонтируемого трубопровода и соединяемые внутри него с помощью гофрированных оболочек.

Установлено, что прочность соединения с помощью гофрированных оболочек зависит не только от режимов нагрева, но и от первоначального расстояния с между полимерными вставками перед процессом сварки (рис. 4)

Рис. 4 Сварка полимерных вставок с помощью гофрированных элементов. 1-ремонтируемый трубопровод; 2- закладной элемент (гофрированная оболочка после распрямления), 3-свариваемые полиэтиленовые образцы.

В ходе экспериментальных исследований за критерий прочности было принято разрывное усилие, зарегистрированное при испытании образцов на растяжение. Образцы сваривались на специально изготовленной для этих целей установке. Для планирования эксперимента и обработки полученных данных,

использовался программный комплекс Statisticа. На основе регрессионного анализа результатов рототабельного плана получено уравнение регрессии в натуральных значениях факторов

где Т- температура поверхности нагревателя, при которой получены испытываемые образцы, °С; с- расстояние между полимерными образцами перед процессом сварки, мм; максимальное разрывное усилие, зарегистрированное при испытании образцов на растяжение, кН.

На основе уравнения (2) даны практические рекомендации по определению оптимальных режимов и условий получения прочных соединений, с помощью закладных элементов.

Для экспресс-расчетов требуемого времени разогрева полимерного слоя, наносимого на наружную поверхность гофрированной оболочки, решена задача распространения тепла в двухслойной стенке, даны рекомендации дпя практического определения пороговых значений времени нагрева при различной тепловой мощности источников тепла. В частности, получена упрощенная формула для расчета минимально допустимого времени разогрева гофрированной оболочки с полиэтиленовым слоем

тт„=7,81+1,63-^-0,004-^ + 0,4-£2-0,0006-<?-4 + 5,2-1(Г7У,

где - минимальное время нагрева, с;

толщина полиэтиленовой стенки, мм; плотность теплового потока, Формула (3) применима для <5=1 -5-5 мм и q=2500+5000 Вт/м2.

Таким образом, экспериментальные исследования позволили получить аналитические зависимости прочностных свойств соединения полиэтиленовых оболочек от конструкционных параметров закладных элементов и режимов их нагрева.

В четвертой главе разработаны общие конструктивные решения оборудования для ремонта трубопроводов внутритрубными ремонтными гильзами. В частности, доставку ремонтных гильз предлагается осуществлять с помощью оборудования, использующего узлы установок наклонно-направленного бурения. При этом возникает необходимость определения положения ремонтной вставки по отношению к дефекту трубопровода и оценка возможного смещения гильзы вследствие потери устойчивости штанги установки. Расчет потери устойчивости штанг проводился для разных схем их крепления к ремонтному блоку, а именно с центральным креплением, и креплением к нижней части ремонтного блока. В работе получены зависимости по определению положения ремонтного оборудования по отношению к дефекту трубопровода. Это позволяет оценить возможное смещение при потере устойчивости штанги для различных конструктивных схем. Установлено, что при креплении к нижней части ремонтного блока штанга имеет большую устойчивость.

Найдена зависимость для определения критической длины, при которой штанга, лежащая на нижней образующей ремонтируемого трубопровода теряет устойчивость

где Ьу - длина, при которой штанга теряет устойчивость, м; А - коэффициент трения штанги о внутреннюю поверхность

ремонтируемого трубопровода; Е - модуль упругости материала штанги, Па; J— момент инерции сечения, м4;

й - внутренний диаметр ремонтируемого трубопровода, м;

- внешний диаметр штанги, м; от - масса единицы длины штанги, кг;

Т0 - сила сопротивления движению ремонтного блока и вставки, Н.

2EJ Г0'

(4)

Выявлено, что имеются оптимальные соотношения диаметров полых штанг (наружного и внутреннего) при которых ее критическая длина имеет выраженный максимум, слабо зависящий от диаметра трубы, внутри которой направляющая штанга теряет устойчивость (табл.1).

Таблица 1

Критическая длина штанг

<3, мм О = 700 мм 0= 1000 мм О =1400 мм

Ьи, ,м Г ТтакН Ькр ,м Тго,кН ЬкоМ Тда ,кН

1 2 3 4 5 6 7

к = 0,18

50 820 51,5 667 42,1 551 35,1

60 856 43,4 695 35,6 573 29,7

70 890 32,6 719 26,7 591 22,2

80 898 18,3 718 15,0 582 12,4

85 835 9,7 650 7,9 510 6,6

к = 0,14

50 1063 51,5 865 42,1 716 35,1

60 1111 43,4 903 35,6 747 29,7

70 1159 32,6 940 26,7 775 22,2

80 1182 18,3 950 15,0 776 12,4

85 1127 9,7 889 7,9 710 6,6

к = 0,10

50 1500 51,5 1223 42,1 1014 35,1

60 1570 43,4 1279 35,6 1060 29,7

70 1642 32,6 1336 26,7 1105 22,2

80 1692 18,3 1368 15,0 1124 12,4

85 1652 9,7 1319 7,9 1068 6,6

Разработано программное обеспечение, проведен расчет и даны рекомендации по определению оптимальных конструктивных параметров штанг.

Перемещение оборудования в полости трубы приводит к измененинию угловой ориентации ремонтного блока за счет кручения штанги, вызванного смещением центра тяжести силового блока. Так как при ремонте требуется точная установка гильзы, в работе получены зависимости по определению угловой координаты силового блока от его конструктивного исполнения и параметров направляющих штанг (рис.5).

40 -30 -

20

10

0 -0

Рис. 5 Угол закручивания штанги в зависимости от длины штанги при разных начальных положениях центра тяжести силового блока

Создана рабочая модель силового блока, деформирующего оболочку в месте монтажа, позволяющая экспериментально определять усилия, развиваемые рабочими органами при радиальной деформации торцевых частей полиэтиленовых труб при их сварке закладными элементами.

Проведена оценка рабочих характеристик силового блока. Получены данные по неравномерности усилий при использовании схемы с раздельным приводом гидроцилиндров для различного числа жимков.

Таким образом, получены результаты, позволяющие провести расчеты основных характеристик внутритрубного оборудования и оценить его технологические возможности.

Основные выводы по диссертации

1. Экспериментальным путем получены данные о геометрии деформируемых оболочек, смоделированы технологически рациональные формы гофрированных гильз. Проведен расчет напряжений по контуру оболочек, определены зоны упругих и пластических деформаций.

2. Получены аналитические зависимости для определения положения ремонтного оборудования с учетом потери устойчивости направляющих штанг.

Установлено, что при положении штанг на нижней образующей ремонтируемой трубы, критическая длина имеет максимум, определяемый соотношением диаметров полых штанг и коэффициентом трения. Показано, что критическая длина слабо зависит от диаметра трубопровода,

3. По результатам проведенных экспериментов получены зависимости прочности соединения полиэтиленовых образцов (ПЭ-80) от режимов нагрева и конструкционных параметров закладных элементов. Разработаны практические рекомендации по определению оптимальных режимов и условий образования сварных соединений. Получены аналитические выражения для определения пороговых значений времени нагрева полиэтиленовых оболочек, в зависимости от их геометрических параметров и заданного теплового потока.

4. Разработаны общие конструктивные решения технических средств для

ремонта трубопроводов внутренними гильзами. Создана рабочая модель

силового блока. Определены необходимые усилия для заданной величины

деформации внутренних гильз, в том числе с учетом краевого эффекта.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Бердышев В.В. Нетрадиционные методы ремонта трубопроводов / В.В. Бердышев, Б.Г. Котляр - Актуальные вопросы в АПК. Сб.науч. трудов.-Тюмень: ТюмГСХА, 2001. - С.204-206.

2. Салтанов Д.В. Расчет сил трения при движении в пространственно искривленных трубопроводах / Д.В. Салтанов, СЮ. Торопов, В.В. Бердышев, Е.В. Сапожников // Проблемы эксплуатации транспортных систем в суровых условиях. Тезисы докладов. Тюмень: ТюмГНГУ, 2001. - С.87-93.

3. Бердышев В.В. Использование бестраншейных методов ремонта для восстановления трубопроводных систем / В.В. Бердышев, Б.Г. Котляр, СЮ. Торопов // Молодые ученые в решении проблем АПК. Тезисы докладов. Тюмень: ТюмГСХА, 2003 .-С 218-200.

4. Торопов СЮ. Исследование прочности соединений полиэтиленовых образцов, с закладными металлическими элементами / СЮ. Торопов, В.В. Бердышев // Вопросы состояния и перспективы развития нефтегазовых

объектов Западной Сибири. Сб. науч. трудов. -Тюмень: ТюмГНГУ, 2003. -С.106-111

5. Бердышев В.В. Нестационарный нагрев двухслойного цилиндра / В.В. Бердышев, А.И. Горковенко, С.Ю. Торопов // Аграрная наука на современном этапе. Сб.науч. трудов.-Тюмень: ТюмГСХА, 2004. - С. 254-258.

6. Невмержицкий И.А. Температурно-временная зависимость прочности полимерных материалов / В.В. Бердышев, А.А. Кошелев, В.И. Свидерский // Сборник научных трудов молодых ученых. Сб.науч. трудов. -Тюмень: ТюмГСХА, 2004. - С.45-49.

7. Торопов С.Ю., Конвективный теплообмен в конструкциях типа «труба в трубе» / СЮ. Торопов, В.В. Бердышев // Нефть и газ. Новые технологии в системах транспорта. Тезисы докладов. Ч.2.-Тюмень: ТюмГНГУ, 2004.-С87-90.

8. Торопов СЮ. О длине зоны влияния краевого эффекта цилиндрической осесимметрично нагруженной оболочки / СЮ. Торопов, В.В. Бердышев, Н.В. Николаев // Нефть и газ. Новые технологии в системах транспорта. Тезисы докладов. Ч.2.-Тюмень: ТюмГНГУ, 2004.-С.90-94.

9. Торопов СЮ. Расчет смещения ремонтного элемента при потере устойчивости штанги / СЮ. Торопов, СМ. Дорофеев, В.В. Бердышев // Нефть и газ. Новые технологии в системах транспорта. Тезисы докладов. 4.1.-Тюмень: ТюмГНГУ, 2004.- С.64-68.

10. Торопов СЮ. К вопросу применения закладных металлических элементов при соединении пластмассовых труб / СЮ. Торопов, Т.Г. Пономарева, В.В. Бердышев // Известия ВУЗов. Нефть и газ. -Тюмень:

ТюмНГУ, 2005, №1.-С. 67-70.

* tm' J

* ieinSbTtiä J

Подписано в печать 31 05 2005 г. Тираж 100 экз Печать трафаретная 'Заказ 2091 Отпечатано в печатном цехе «Ризограф» Тюменского Аграрного Академического Союза 625003, г Тюмень, ул Республики, 7

Введение.

Глава 1. Обзор методов ремонта подводных переходов.

1.1 Методы ремонта подводных переходов с заменой трубы.

1.2 Ремонт подводных переходов внутритрубными методами.

1.3 Методы локального ремонта трубопроводов.

1.4 Применение гофрированных оболочек для ремонта трубопроводов.

Выводы по главе.

Глава 2. Обоснование конструктивных решений и расчет основных параметров внутритрубных ремонтных элементов.

2.1. Обоснование максимальной толщины стенки гильзы.

2.2. Гидравлические потери при местном ремонте трубопроводов.

2.3 Разработка методики расчета основных конструкционных параметров ремонтных гильз.

2.3.1 Обоснование геометрических параметров.

2.3.2 Определение межтрубного зазора для ремонтных гильз.

2.3.3 Исследование деформации оболочки на «плоской модели сечения».^

Выводы по главе.

Глава 3. Герметизация стыков ремонтных оболочек внутритрубными гильзами.

3.1 Технологические основы внутритрубной сварки.

3.2 Физико-химические основы сварки полимерных материалов.

3.4 Расчёт пороговых значений времени нагрева полиэтиленовых оболочек.

3.5 Экспериментальное исследование режимов сварки закладными элементами.

3.5.1. Методика экспериментальных исследований.

3.5.2 Выбор критериев оптимизации и анализ влияющих факторов.

3.5.3 Проверка воспроизводимости опытов.

3.5.4 Проверка гипотезы нормального распределения.

3.5.5 Планирование эксперимента и анализ данных.

Выводы по главе.

Глава 4. Разработка конструктивных решений и расчет основных параметров оборудования для ремонта трубопроводов внутренними гильзами.

4.1 Состав ремонтного комплекса.

4.2 Определение положения ремонтного оборудования во внутренней полости трубопровода.

4.2.1 Расчет смещения ремонтного элемента при потере устойчивости штанги с центральным креплением.

4.2.2. Расчет устойчивости штанг при креплении по нижней образующей трубы.

4.3 Угловая ориентация ремонтного блока.

4.4 Основы расчета силового блока ВРУ.

4.5 Испытание рабочей модели силового блока.

4.5.1. Устройство рабочей модели силового блока.

4.5.2. Анализ работы модели силового блока по результатам деформации контрольных образцов.

4.6 Влияние краевого эффекта на деформацию ВРУ.

Выводы по главе.

Актуальность проблемы.

В последние годы, в связи с внедрением новых материалов и оборудования, существенно изменились основные конструктивные и технологические схемы прокладки новых магистралей, особенно в области сооружения подводных переходов. Это привело, соответственно, к аналогичным изменениям, как в структуре, так и в методах производства ремонтно-восстановительных работ. Сократилась область применения традиционных методов. Стали активно разрабатываться новые перспективные методы восстановления работоспособности магистрального и промыслового трубопроводного транспорта.

Решение задач, поставленных перед ремонтными организациями, по поддержанию требуемого уровня надежности трубопроводов возможно только на основе применения современной технологии и организации производства и внедрения высокоэффективных технических средств.

В последние годы зарубежными и отечественными фирмами активно внедряются принципиально новые технологии восстановления изношенных коммуникаций без проведения вскрышных работ по всей длине ремонтируемого участка, так как существующие традиционные технологии предусматривают проведение больших объемов земляных и демонтажно-монтажных работ, что значительно увеличивает сроки их выполнения и стоимость. Анализ тенденций развития методов ремонта показал, что ожидается рост потребности в локальных методах ремонта трубопроводов, основанных на новых технологиях и материалах.

Даная работа посвящена исследованиям, связанным с разработкой прогрессивных методов и оборудования в области внутритрубного ремонта.

Цель исследования.

Цель исследования состоит в создании новых технических средств для ремонта локальных дефектов трубопроводов с помощью внутритрубных ремонтных гильз.

Основные задачи исследования:

- получение экспериментальных геометрических форм внутритрубных ремонтных гильз. Обоснование и расчет их основных технологических параметров;

- определение положения ремонтного оборудования во внутренней полости трубопровода при различных схемах крепления направляющих штанг;

- обоснование условий и определение режимов получения сварных соединений с помощью внутренних закладных элементов;

- разработка основных конструктивных решений технических средств для ремонта трубопроводов внутритрубными гильзами.

Методы исследований.

При выполнении работы использовались экспериментальные и теоретические методы исследований, в частности, методы математического анализа, классические положения теории теплопереноса, методы теории планирования центральных композиционных планов с последующей обработкой полученной информации методами математической статистики, а также методы регрессионного анализа данных, осуществляемые с использованием программного комплекса Statistica.

Научная новизна.

1. Обоснованы и экспериментально подтверждены схемы нагрузки оболочки, при которых формируется гофрированная гильза, имеющая технологически необходимый внешний диаметр. Получено распределение напряжений по контуру оболочки, определены зоны упругих и пластических деформаций. Разработана методика расчета основных параметров внутритрубных ремонтных гильз.

2. Получены аналитические выражения для определения пороговых значений времени нагрева полиэтиленовых оболочек, в зависимости от их геометрических параметров и заданного теплового потока.

3. Экспериментально получены аналитические зависимости прочности соединения полиэтиленовых образцов (ПЭ-80) от режимов нагрева и конструкционных параметров закладных элементов.

4. Установлено, что при положении направляющих штанг по нижней образующей трубопровода существуют оптимальные соотношения диаметров полых штанг, при которых критическая длина потери устойчивости имеет выраженный максимум, слабо зависящий от диаметра ремонтируемой трубы.

Практическая ценность.

Результаты выполненных автором исследований позволяют проводить расчеты основных конструктивных и технологических параметров оборудования для внутритрубного ремонта. Разработаны практические рекомендации для строительных и ремонтных организаций по устранению локальных дефектов на основе применения внутритрубных гильз.

Апробация работы.

Основные положения работы были представлены на: научно-практической конференции «Проблемы эксплуатации транспортных систем в суровых условиях» в 2001г., на региональной конференции «Молодые ученые в решении проблем АПК» в 2003 г., региональной научно-практической конференции «Нефть и газ. Новые технологии в системах транспорта» в 2004г., расширенном заседании кафедры общетехнических дисциплин Тюменской государственной сельскохозяйственной академии в 2005г., на научно-техническом семинаре Тюменского государственного нефтегазового университета в 2005 г.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 10 работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, основных выводов, 3 приложений и списка использованной литературы, включающего 105 наименований. Работа изложена на 144 страницах, содержит 17 таблиц и 84 рисунка.

Основные выводы по диссертации

1. Экспериментальным путем получены данные о геометрии деформируемых оболочек, смоделированы технологически рациональные формы гофрированных гильз. Проведен расчет напряжений по контуру оболочек, определены зоны упругих и пластических деформаций.

2. Получены аналитические зависимости для определения положения ремонтного оборудования с учетом потери устойчивости направляющих штанг. Установлено, что при положении штанг на нижней образующей ремонтируемой трубы, критическая длина имеет максимум, определяемый соотношением диаметров полых штанг и коэффициентом трения. Показано, что критическая длина слабо зависит от диаметра трубопровода.

3. По результатам проведенных экспериментов получены зависимости прочности соединения полиэтиленовых образцов (ПЭ-80) от режимов нагрева и конструкционных параметров закладных элементов. Разработаны практические рекомендации по определению оптимальных режимов и условий образования сварных соединений. Получены аналитические выражения для определения пороговых значений времени нагрева полиэтиленовых оболочек, в зависимости от их геометрических параметров и заданного теплового потока.

4. Разработаны общие конструктивные решения технических средств для ремонта трубопроводов внутренними гильзами. Создана рабочая модель силового блока. Определены необходимые усилия для заданной величины деформации внутренних гильз, в том числе с учетом краевого эффекта.

136

1. Адлер Ю.П. Предпланирование эксперимента. —М.: Знание, 1978. -72 с.

2. Алабовский А.Н и др. Теплотехника. -Киев: Висща шк., 1986. -254с.

3. Бартенев Г.М. Прочность и разрушение полимеров. -М.: Химия, 1984-279с.

4. Бахмат Г.В. и др. Термодинамика и теплопередача. Курс лекций. -Тюмень: ТюмГНГУ, -2000.-91с.

5. Беляев Н.М. Сопротивление материалов. М.: ФМ, 1962. - 654 с.

6. Бердышев В.В., А.И. Горковенко, Торопов С.Ю. Нестационарный нагрев двухслойного цилиндра\\ Аграрная наука на современном этапе. Сб.научн. тр.-Тюмень: ТюмГСХА, 2004, с. 254-258.

7. Бердышев В.В., Котляр Б.Г. Нетрадиционные методы ремонта трубопроводов. В сб. науч. тр.: Актуальные вопросы в АПК. -Тюмень: ТГСХА, 2001 С.204-206.

8. Бердышев В.В., Котляр Б.Г., Торопов С.Ю. Использование бестраншейных методов ремонта для восстановления трубопроводных систем. —Материалы конференции молодых ученых, ч.2: Молодые ученые в решении проблем АПК.-Тюмень: Ризограф, 2003.-С.218-200.

9. Березин В. JL, Бобрицкий Н. В., Бородавкин П. П. и др. Сооружение и ремонт газонефтепроводов. М.: Недра, 1972. - 322 с.

10. Ю.Березин B.JL, Ментюков В.П. Земляные работы при сооружении магистральных трубопроводов. М.: МИНХ и ГП, 1975. - 346 с.11 .Бобылев A.M., Бобылев А.А. Бестраншейная замена изношенных трубопроводов полиэтиленовыми трубами // РОБТ. 1997, № 5. С. 17-21.

11. Бобылев JI.M., Бобылев A.JI. Оборудование для бестраншейной прокладки коммуникаций // РОБТ. 1996. № 1.

12. Бородавкин П.П. Подземные магистральные трубопроводы (проектирование и строительство).-М.: Недра, 1982.-384с.

13. Бородавкин П.П., Березин B.JI. Сооружение магистральных трубопроводов. М.: Недра, 1987. - 312 с.

14. Бородавкин П.П., Таран В.Д. Трубопроводы в сложных условиях. М.: Недра, 1969. - 196 с.

15. Бродский В.З. Многофакторные регулярные планы. -М.: Изд-во Моск. ун-та, 1972.-217 с.

16. Вейник А.И. Приближенный расчет процессов теплопроводности. -М.: Госэнергоиздат, 1959.-184с.

17. Веселовский Р.А. Регулирование адгезионной прочности полимеров. — Киев: Наук. Думка, 1988 174с.

18. Возиянов В.И., Гнилорыбов Н.А. Обновление старых трубопроводов с помощью протяжки полиэтиленовых труб бестраншейным способом //РОБТ№ 1, 1998 С. 19-20.

19. Волков С.С. Сварка и склеивание полимерных материалов: Учебн. Пособие для вузов. М.: Химия, 2001 376 с.

20. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. -М.: АПП «Джангар», 2001.-864 с.

21. Глухов Е.Е. Основные понятия о конструкционных и технологических свойствах пластмасс. -М.: Химия, 1970.-123с.

22. Гольдман А.Я. Объемное деформирование пластмасс. —Л.: Машиностроение, 1984.-232с.

23. Гордов А.Н. Основы температурных измерений. -М.: Энергоатомиздат, 1992.-303с.

24. ГОСТ 10704-91 Трубы стальные электросварные прямошовные. Сортамент. 29 с.

25. ГОСТ 10706-76 Трубы стальные электросварные прямошовные. Технические требования. 23 с.

26. ГОСТ 12.4.011-75 Средства индивидуальной защиты. 25 с.

27. ГОСТ 18599-83 Трубы напорные из полиэтилена. Технические условия. -21 с.

28. ГОСТ 20295-85 Трубы стальные сварные для магистральных газонефтепроводов. Технические условия. 24 с.

29. Громов А. В., Калинин А. А. Строительство магистральных трубопроводов. Киев: Будывельник, 1975. 223 с.

30. Демин B.C. Теория и практика эксперимента: Учебное пособие. Тула: 1987.-74С.

31. Джонсон Н., Лион Ф, Статистика и планирование эксперимента в технике и науке: Методы обработки данных/ Пер. с англ. Под ред. Э.К. Лецкого. -М.: Мир, 1980. 610 с.

32. Дульнев Г.Н. и др. Применение ЭВМ для решения задач теплообмена.-М.: Высш. шк., 1990.-206с.

33. Дьяконов В. MATLAB: учебный курс. -СПб: Питер, 2001. -560 с.

34. Дьяконов В., Круглов В. MATLAB. Анализ, идентификация и моделирование систем. Специальный справочник. -СПб.: Питер, 2002. -448 с.

35. Дятлов ВА., Михайлов В.М., Яковлев Е.И. Оборудование, эксплуатация и ремонт магистральных газопроводов. -М.: Недра, 1990. -221с.37.3абела К.А. Ликвидация аварий и ремонт подводных трубопроводов. -М.: Недра, 1986-152с.

36. Ицкович Г.М., Минин Л.С., Винокуров А.И. Руководство к решению задач по сопротивлению материалов. М.: Высш. школа, 1999. - 210 с.

37. Каган Д.Ф. Исследование свойств и расчет полиэтиленовых труб, применяемых в водоснабжении. -М.: Стройиздат, 1964.-223с.

38. Каган Д.Ф. Трубопроводы из пластмасс. -М.: Химия, 1980.-296с.

39. Каган Д.Ф. Трубопроводы из твердого поливинилхлорида. —М.: Химия, 1964.-271с.

40. Каган Д.Ф., Кантор А.А. Длительная прочность полиэтиленовых труб. -М.: ЦНИИТЭСтром, 1965.-72с.

41. Кармазинов Ф. Санирование канализационных сетей в Санкт-Петербурге и переключение прямых выпусков // РОБТ № 1 (9), 1998.

42. Каталог машин для строительства трубопроводов. М.: Недра, 1971. -51 с.

43. Климовский Е. М. Очистка полости и испытание магистральных и промысловых трубопроводов. М.: Недра, 1972. - 298 с.

44. Кордер И. Ремонт действующих трубопроводов. // Нефть, газ и нефтехимия за рубежом, 1991, №7.

45. Кошкин В.К. и др. Нестационарный теплообмен. -М.: Машиностроение, 1973.-327с.

46. Кудряшев Л.И. Меньших H.JI. Приближенные решения нелинейных задач теплопроводности.-М.: Машиностроение, 1979.-232с.

47. Кулаков М.В., Макаров Б.И. Измерение температуры поверхности твердых тел. -М.: Энергия, 1979. -96с.

48. Кутателадзе С.С., Бориславский В.М. Справочник по теплопередаче. JI.-M.: Госэнергоиздат, 1958. -414с.

49. Лебедев Г.А. и др. Напыление. Сварка. Склеивание. —Л.: Химия, 1973. -103с.

50. Левин С. И. Подводные трубопроводы. М.: Недра, 1970. - 391 с.

51. Левитин Ю.И. Бестраншейный ремонт местных повреждений подземных трубопроводов. РОБТ. 1997. №8. С.37-39.

52. Леонов В.А. Математическая обработка экспериментальных данных. -М.: МАИ, 1975.-104с.

53. Логинов B.C. и др. Пластмассовые газопроводы. -М.: Недра, 1970. -245с.

54. Лыков А.В. Тепломассообмен: Справочник. -М.: Энергия, 1978. —479с.

55. Мельников С.В. и др. Планирование эксперимента в исследованиях сельскохозяйственных процессов / С.В. Мельников, В.Р. Алешкин, П.М. Рощин. -JI.: Колос. Ленингр. отд-ние, 1980. -168с.

56. Нарисава, Икуо. Прочность полимерных материалов. —М.: Химия, 1987-397с.

57. Невмержицкий И.А., Бердышев В.В., Кошелев А., Свидерский В.И. Температурно-временная зависимость прочности полимерных материалов\\Сборник научных трудов молодых ученых.-Тюмень: ТюмГСХА, 2004.С.45-49.

58. Немец Я.К. и др. Прочность пластмасс. -М.: Химия, Машиностроение, 1970.-355с.

59. Повстугар В.И. и др. Строение и свойства поверхности полимерных материалов.-М.: Химия, 1988 -188с.69.ФМ, 1960.-486 с.

60. Попов В.М. Теплообмен в зоне контакта разъемных и неразъемных соединений.-М.: Энергия, 1971.-216с.

61. Поршаков Б.П. и др. Термодинамика и теплопередача (в технологических процессах нефтяной и газовой промышленности). — М.: Недра, 1987.-352с.

62. Поршаков Б.П. и др. Термодинамика и теплопередача. —М.: Недра, 1987.-352с.

63. Потемкин В.Г. Система инженерных и научных расчетов MATLAB 5.x: -В 2-х т. Том 1.-М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 1999-366 с.

64. Потемкин В.Г. Система инженерных и научных расчетов MATLAB 5.x: -В 2-х т. Том 2. -М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 1999-304 с.

65. Привалко В.П. и др. Основы теплофизики и реофизики полимерных материалов. -Киев: Наукова думка, 1991 .-231с.

66. Применение полиэтиленовых труб для внутрипромысловых трубопроводов. -М.: Недра, 1968. -33с.

67. Прочность и разрушение полимерных пленок и волокон/ Б.Цой, Э.М. Карташов, В.В. Шевелев. -М.: Химия, 1999. —496 с.

68. Роботы для трубопроводов // РОБТ 1998, №5. С. 29-31

69. Ромейко B.C. и др. Проектирование, строительство и эксплуатация трубопроводов из полимерных материалов. -М.: Стройиздат, 1985. -304с.

70. Ростиашвили В.Г. и др. Стеклование полимеров. -Л.: Химия, 1987.-189с.

71. Роузен Б. Разрушение твердых полимеров. —М.: Химия, 1971.-527с.

72. Салтанов Д.В., Торопов С.Ю., Бердышев В.В., Сапожников Е.В. Расчет сил трения при движении в пространственно искривленных трубопроводах. -Материалы междунар. науч.-практич. конф. -Тюмень: ТюмГНГУ, 2001 С.87-93.

73. Сварка пластмасс. -М.: Стройиздат, 1987.-128с.

74. Сварка полимерных материалов. Справочник. Зайцев К.И. др. -М Машиностроение, 1988-3 09с.

75. Смольский Б.Н. и др. Нестационарный теплообмен. -Минск, Наука и техника, 1974.-157с.

76. СНиП 2.05.06-85 Магистральные трубопроводы. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1985.-38 с.

77. СНиП 3.01.03-84 Геодезические работы в строительстве. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1984. - 32 с.

78. СНиП Ш-42-80 Правила производства и приемки работ. Магистральные трубопроводы. М.: Стройиздат, 1981. - 40 с.

79. СНиП III-4-80 Техника безопасности в строительстве. М.: ВНИИСТ, 1980.-38 с.

80. Стасенко И.В. Расчет трубопроводов на ползучесть. —М.: Машиностроение, 1986.-225с.

81. СТН-51-4-92 ГГК «Газпром» Строительство подводных переходов трубопроводов бестраншейным способом. М.: ВНИИСТ, 1993. - 63 с.

82. Строительство подводных переходов газопроводов способом направленного бурения. Ведомственные нормы. ОАО «Газпром». М.: ВНИИСТ, 1998.-48 с.

83. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент: Справочник. — М.: Энергоатомиздат, 1982.-510с.

84. Технологии ремонта и замены напорных трубопроводов // РОБТ № 1 (9), 1998. С. 23-29.

85. Торопов С.Ю., Бердышев В.В. Исследование прочности соединений полиэтиленовых образцов, с закладными металлическими элементами\\Вопросы состояния и перспективы развития нефтегазовых объектов Западной Сибири: Сб. науч. тр. -Тюмень: ТюмГНГУ, 2003.-152с.

86. Торопов С.Ю., Бердышев В.В. Конвективный теплообмен в конструкциях типа «труба в трубе» // Нефть и газ. Новые технологии в системах транспорта: Материалы научно-практической конференции. Ч.2.-Тюмень: ТюмГНГУ, 2004.-С.87-90.

87. Торопов С.Ю., Дорофеев С.М., Бердышев В.В. Расчет смещения ремонтного элемента при потере устойчивости штанги. // Нефть и газ. Новые технологии в системах транспорта: Материалы научно-практической конференции. 4.1.-Тюмень: ТюмГНГУ, 2004.- С.64-68.

88. Торопов С.Ю., Пономарева Т.Г., Бердышев В.В. К вопросу применения закладных металлических элементов при соединении пластмассовых труб // Известия высших учебных заведений: серия «Нефть и газ», вып. 1.-Тюмень, 2005г.-С.

89. Торопов С.Ю., Торопов B.C. Особенности прокладки полиэтиленовых труб под водными преградами. Сборник научных трудов «Проблемы эксплуатации и ремонта промысловых и магистральных трубопроводов». Тюмень: ТюмГНГУ, 1999. - С. 26-27.

90. Фихтенгольц Г.М. Математика для инженеров. М.: ГТТИ, 1933. -498 с.

91. Хаплыев Н.Х., Абасов Т.Н., Селиверстов В.Г., Парфенов А.И., Куприна Н.Д. Современные методы ремонта трубопроводов. Обз. Иформ. -Сер. Транспорт и подземное хранение газа. -М.: ИРЦ Газпром, 1997.-44с.

92. Шатайкин В. А., Варенберг А.Н. Центраторы для сборки магистральных трубопроводов: Научно-технический обзор. -М.: Информнефтегазстрой, 1980. -56с.

93. Шестопал А.Н. и др. Справочник по сварке и склеиванию пластмасс. -Киев: Тэхника, 1990.-198с.

94. Ялышко Г.Ф. Сварка и монтаж трубопроводов из полимерных материалов. -М.: Стройиздат, 1990.—221с.