диссертация. Разработка методов расчёта внутритрубных элементов для локального ремонта подводных переходов трубопроводов
 Скачать 4.08 Mb.
|
|
3.2. Анализ технологических схем ремонта внутренними гильзами Суть ремонтных работ состоит в дистанционной установке в месте дефекта трубопровода внутренних ремонтных гильз, использующих для собственной деформации механические силовые элементы или эффект памяти формы. Объектами ремонта являются: - труднодоступные участки болот с подземной укладкой трубопровода и балластировкой железобетонными пригрузами. Подъём таких участков на дневную поверхность грунта для производства ремонтных работ в летний период практически невозможен; - подводные переходы трубопроводов, включая прилежащие затопляемые пойменные участки; - участки трубопроводов недоступные по тем или иным причинам для ремонта существующим технологическим оборудованием или в данный период времени. Оборудование позволяет вести ремонтные работы как на опорожненном трубопроводе, так и с вытеснением продукта перекачки из зоны дефекта. Для предварительной подготовки внутренней поверхности трубопровода используются поршни ОП диаметром 159-1420 мм, предназначенные для: глубокой очистки полости трубопровода от строительного мусора, ржавчины, окалины, парафина и прочих мягких и твердых отложений до металлического блеска. Данная технология очистки учитывает практический опыт проведения работ на длительно не очищенных нефтепроводах в ОАО «Роснефть-Ставропольнефтегаз», ОАО «АНК «Башнефть», ОАО «Белкамнефть», ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМНЕФТЬ», ОАО «Варьеганнефтеаз» и др. Ниже приводятся этапы предремонтной подготовки внутренней поверхности трубы промыслового трубопровода: 1 этап -монтаж временных камер запуска и приема очистных устройств; 2 этап - очистка внутренней поверхности нефтепровода от АСПО с помощью поролоновых (пенополиуретановых) очистных устройств ОУ-Пор и сопровождение их движения по нефтепроводу с помощью акустических приборов «Сенсор»; 3 этап - по результатам предыдущего пропуска очистка с помощью очистных устройств повышенной проходимости ОУ-ПП и сопровождение с помощью приборов «Сенсор»; 4 этап - по результатам предыдущего пропуска очистка с помощью очистных скребко-калибров ОКП с конусными резиновыми манжетами, совмещенных с сигнализатором местонахождения и сопровождение с помощью приборов «Сенсор»; 5 этап - по результатам предыдущего пропуска ОКП-М заменить одну конусную манжету ОКП-М на прямую манжету и вновь запустить ОКП-М и сопровождение приборами «Сенсор»;. 6 этап - по результатам предыдущего пропуска ОКП-М заменить 2-ю конусную манжету на прямую манжету и вновь запустить ОКП-М и сопровождение приборами «Сенсор»; 7 этап - по результатам предыдущего пропуска ОКП-М заменить третью конусную манжету ОКП на прямую манжету и вновь запустить ОКП-М и сопровождение приборами «Сенсор»; 8 этап - по результатам предыдущего пропуска ОКП-М запустить очистное устройство ОУ-П или снова запустить ОКП-М с прямыми резиновыми манжетами и сопровождение приборами «Сенсор» Технологическая последовательность ремонтных работ по установке гильзы (на примере подводного перехода) следующая (рис. 3.1): а) Перекрытие задвижек на дефектном участке трубопровода. Обустройство ремонтного котлована (7) и амбара для приёмки продукта перекачки (8). Врезка вантузов для впуска воздуха (9) и откачки продукта из внутренней полости трубы (10). Откачка продукта из полости трубопровода ниже уровня плогцадки монтажа ремонтного оборудования. б) Вырезка катушки и монтаж направляющего лотка (11). Монтаж площадочного технологического оборудования. в) Запасовка ремонтного блока (3) с гильзой (4) в полость трубопровода. г) Подвижка ремонтного блока в зону дефекта (12) (возможно с вытеснением продукта перекачки). д) Установка гильзы в рабочее положение: • подача в рабочую зону ремонтного блока перегретого пара от парогенератора (5) и срабатывание ремонтной гильзы из СПФ с перекрытием зоны дефекта - для схемы с использованием СПФ. • снятие внешних деформирующих связей - для упругих гильз. • деформация гофрированной гильзы до внутреннего диаметра ремонтируемого трубопровода - для пластических гильз. е) Отвод ремонтного блока из зоны дефекта. Демонтаж технологического оборудования. Ликвидация технологического захлеста. В соответствии с принятой технологией можно выделить следующие элементарные технологические операции: -предварительная деформация ремонтной гильзы (упругая, пластическая, СПФ); -перемещение ремонтной гильзы в область дефекта; - установка гильзы;   Рис. 3.1 Технологическая схема ремонта 1-установка наклонно-направленного бурения, 2-направляющие штанги, 3-ремонтный блок, 4-ремонтная гильза, 5-парогенератор, 6-компрессор, 7- ремонтный котлован, 8- амбар, 9-вантузы, 10-продукт перекачки, 11-лоток, 12-зона дефекта -очистка внутренней поверхности трубопровода от отложений парафина и других загрязнений; -перемещение грунтовой пробки; -вытеснение продуктов перекачки из зоны ремонта (в случае применения технологии без раскачки трубопровода); -подача нагретого воздуха или воды в рабочую полость ремонтной установки (для гильз из СПФ); - снятие внешних деформирующих связей (для упругих гильз). - деформация гофрированной оболочки в цилиндрическую (для пластически деформируемых гильз). Для выполнения перечисленных операций определён следующий состав ремонтного оборудования: а) силовой блок, общий для всех типов гильз и имеющий в своём составе: • энергетическую силовую установку; • систему подачи ремонтного оборудования с гильзой в зону дефекта; • насосное оборудование для создания давления в силовых деформирующих элементах; б) выносной ремонтный блок, имеющий индивидуальную конструкцию для каждого типа ремонтных гильз (упругих, пластических, СПФ); в) блок вспомогательного оборудования, включающий системы: • создания избыточного давления в ремонтной полости рабочего блока; • подогрева теплоносителя; • подачи теплоносителя в зону гильзы из материала СПФ. 3.3. Разработка методов расчёта положения внутритрубного ремонтного оборудования При разработке внутритрубного ремонтного комплекса в качестве базового силового блока, выполняющего функции перемещения и установки ремонтной гильзы в область дефекта, использовано широко применяемое в трубопроводном строительстве и ремонте оборудование для наклоннонаправленного бурения. Существующий типоразмерный ряд позволяет подобрать стандартную буровую установку с соответствующими показателями как по силовому блоку (тяговое усилие гидроцилиндров), так и по геометрическим характеристикам (диаметр и длина направляющих штанг, максимальная длина вылета). Важнейшим параметром является мощность силового агрегата. Ее значение колеблется в пределах от 22 до 350 л.с. для малых и средних установок и до 1500 л.с. для крупных установок. Мощность силового агрегата определяет максимальное усилие прямого/обратного хода. Это усилие изменяется в пределах от 10 до 400 кН для малых и средних установок и до 7000 кН для крупных установок. Длина вылета штанг достигает 2 км. Кроме того, направляющие штанги установок ННБ полые, в технологии с гильзами из СПФ они служат для подачи теплоносителя в рабочую зону рабочего блока, а при использовании упругих и пластических гильз - для подачи рабочей жидкости в силовые деформирующие элементы. При использовании рабочей схемы с перемещением ремонтного оборудования с помощью жесткой связи возникает необходимость определения положения ремонтной вставки по отношению к дефекту трубопровода и оценка возможного смещения гильзы вследствие потери устойчивости штанги установки НЕШ. Определение смещения необходимо как для точной установки ремонтного элемента внутри трубопровода, так и для обоснования длины гильзы [7,108,125,129,130,133]. При протаскивании штанги внутри трубопровода на неё действует сила трения самой штанги и ремонтной вставки. Сила трения, действуюш;ая на единицу длины штанги  (3.1)где f - коэффициент трения, m - масса единицы длины штанги, g - ускорение свободного падения. Сила трения, действующая на вставку,  (3.2)где М - масса вставки. В сечении «X» штанги (рис. 3.2) при равномерном движении будет действовать сила  (3.3)где L - длина вставки  Рис. 3.2. Положение штанги и ВРУ относительно дефекта при отсутствии потери устойчивости штанги При центральном креплении штанги и достаточно большой длине L она потеряет устойчивость и её первоначальная прямолинейная форма сменяется на криволинейную. При этом координата «X» вставки будет равна L* < L (рис. 3.3). Поскольку определение положения ремонтной вставки осуществляется по длине штанги, то её истинное положение будет определено с ошибкой, равной разности абсолютной длины штанги и координатой вставки при потере устойчивости.  Рис. 3.3. Положение штанги и ВРУ относительно дефекта после потери устойчивости штанги В случае приложения сжимающей нагрузки в конце штанги и допущении об отсутствии сил трения штанги о внутреннюю поверхность трубы форма изогнутой оси описывается уравнением  (3.4)где А - амплитуда изгиба,  (3.5)В - внутренний диаметр трубопровода,  - наружный диаметр штанги, n - число полуволн. При действии распределённой нагрузки (3.1) форма изогнутой оси не будет синусоидальной. Приближенно определим её следующим образом. Максимальная величина силы F будет при х=0.  (3.6)По формуле Эйлера определим критическую длину l1*, считая, что сила приложена только к концу штанги.  (3.7)где Е - модуль упругости штанги, l - момент инерции сечения. Будем считать, что это длина первой полуволны. В точке х = l1*сила Р равна  (3.8)Критическая длина, соответствующая этой силе.  (3.9) - длина второй полуволны. Продолжаем процесс до тех пор, пока будет выполняться условие (3.10)  (3.10)Найдем длины всех полуволн  и их количество n. Для этого найдем длину дуги одной полуволны. Если бы нагрузка была приложена только в точках на границах полуволн, то каждая полуволна была бы синусоидой (3.11)Тогда длина дуги этой полуволны   (3.12)Этот интеграл может быть выражен через эллиптические функции или найден с помощью численного интегрирования. Но так как  (3.13)то для приближенной оценки можно заменить синусоиду дугой окружности. Погреп1ность такой замены, как показывают расчёты, не превышает 5% для самой короткой полуволны. Необходимо отметить, что помимо веса штанги на стенку трубопровода действует сила, обусловленная дополнительным давлением от потери устойчивости штанги. Величина этой силы зависит от длины полуволны и будет тем больше, чем меньше длина полуволны, поэтому максимальная сила давления будет в первой полуволне. Добавочная сила трения от этой силы составляет, как показывают оценочные расчеты не более 10 % от величины силы Р. Эта оценка значительно завышена, т.к. добавочная сила взята максимальной (по значению в первой полуволне) и постоянной по всей длине трубы, тогда как в действительности она изменяется от максимального значения в начале трубы до 0 в конце трубы. Определим радиус дуги окружности (рис. 3.4)  Рис. 3.4 Определение радиуса дуги окружности  (3.14)По теореме Пифагора находим  (3.15)Отсюда  (3.16)Длина дуги окружности  (3.17)Складывая все длины получим длину штанги L (укорочение штанги за счет осевого сжатия составляет около 0,05%): (3.18)Расстояние L* получим, складывая все : (3.19)Отношение (3.20) показывает, во сколько раз уменьшается расстояние L* по отношению к длине штанги L.  (3.20)При расчетах получено, что для трубопровода диаметром 720 мм и штанги с наружным и внутренним диаметром равным, соответственно, 70 мм и 50 мм, смепдение ремонтного элемента при первоначальной длине штанги 1000 м составило 2,2 метра. При этом число полуволн равно 88, а минимальная и максимальная их длина, соответственно, 7,68 м и 41,6 м. Полученные зависимости позволяют устанавливать внутритрубные ремонтные элементы с учётом изменения длины штанг и обосновать необходимую длину гильз при использовании различных типов оборудования ННБ. Наряду с центральным положением крепления штанги она может крепиться по нижней образующей и перемещаться по «дну» ремонтируемого трубопровода (рис. 3.5).  Рис. 3.5. Положение штанги по сечению трубопровода При проталкивании ремонтной вставки на штангу со стороны блока действует сжимающая осевая сила То, приложенная в конце штанги и зависящая от суммарной массы - блок плюс вставка, от коэффициента трения и ряда других параметров [125]. Трение самой штанги создает также и распределенную вдоль нее осевую нагрузку. Суммарная осевая сила в сечении х штанги  (3.21)где к - коэффициент трения, m - масса единицы длины штанги, g - ускорение свободного падения, L - длина штанги. То - сила сопротивления движению ремонтного блока и вставки. Распределение силы Т(х) по длине штанги показано на рис. 3.6.  Рис. 3.6. Распределение силы Т(х) по длине штанги Максимальное значение силы будет при х=0, обозначим его Т. Если сила трения, действующая на штангу, невелика по сравнению с То, то действием распределенной нагрузки можно пренебречь и считать, что штанга сжата силами Т, приложенными к ее концам. Рассмотрим прямой стержень (штангу) круглого поперечного сечения, расположенный вдоль нижней образующей трубы диаметром D=2R (рис. 3.5), сжатый осевой силой Т. Будем считать, что при поперечном перемещении стержня он не теряет контакта с внутренней поверхностью трубы. Определим величину сжимающей силы Т, при которой направляющие штанги установки потеряют устойчивость. Уравнение устойчивости стержня может быть записано в виде  (3.22)где Н = ЕJ - изгибная жесткость стержня, Е - модуль упругости материала, J- момент инерции сечения стержня,  - внешний и внутренний диаметры стержня, q - распределенная поперечная нагрузка. Причем (3.23)Если стержень лежит на горизонтальной плоскости, то изгиб при потере устойчивости будет происходить в этой же плоскости, т.к. сила веса препятствует отрыву стержня от плоскости, для ее преодоления требуется совершить дополнительную работу. Поэтому изгиб в горизонтальной плоскости энергетически более выгоден. Если же стержень расположен в трубе, как показано на рис. 3.5, то при смещении стержня вправо или влево он будет приподниматься вверх по стенке трубы и на него будет действовать скатывающая сила q. Определим величину этой силы, действующую на единицу длины стержня:  (3.24)При небольшом отклонении стержня от первоначального положения длина дуги ОО1 мало отличается от отрезка ОО1 и приближенно можно считать, что  (3.25)где - длина отрезка 001, (перемещение стержня). Из этого выражения  (3.26)При небольшом отклонении стержня угол  также мал, поэтому (3.27)Подставляем это выражение в (3.24), получим  (3.28)или  (3.29)При отклонении стержня в любую сторону эта сила стремится вернуть его в положение равновесия, т.е. в сторону, противоположную w, поэтому выражение для q должно быть записано со знаком минус  (3.30)C учетом этого выражения уравнение устойчивости стержня (3.22) примет вид  (3.31)Полученное уравнение полностью совпадает с уравнением устойчивости балки на упругом основании и с уравнением устойчивости круговой цилиндрической оболочки при осевом сжатии. В [70] дано решение уравнения (3.31) применительно к балке на упругом основании. В данной работе проводится анализ решения для сформулированной выше задачи. Можно показать, что при граничных условиях вида w(0)=w(1)=0, w``(0)= w``(1)=0 (3.32) собственные функции задачи (3.31-3.31) имеют вид  (3.33)Подставляем это выражение в (4.31), получим  (3.34)где  — критическая сила, соответствующая n-ой собственной функции. Отсюда находим  n=1,2,….. (3.35)Критической силе  , соответствует минимальное по n значение . Его можно найти путем перебора значений n. Найденное таким образом значение n и будет являться точным решением задачи (3.31-3.32).Но можно поступить и следующим образом. Будем считать, что n изменяется непрерывно и исследуем на экстремум функцию   (3.36)Находим n:  (3.37)Можно легко убедиться, что при найденном значении n функция Т(n) имеет именно минимум. Полученное значение n может оказаться не целым, а функции (3.33) являются собственными функциями только при целом n. Поэтому найденное значение надо округлить до целого значения в меньшую и в большую стороны. Получим [n] и [n]+1 ([n]- целая часть n). Меньшее из значений Тn([n]) или Тn([n] +1) обозначим Ткр, это и будет точным значением критической силы. Если же найденное значение п из (3.37) подставить в (3.35), то получим величину, которую обозначим Т∞:  (3.38)или с учетом сделанных выше обозначений  (3.39)В работе [70] показано, что  является критической силой для бесконечно длинного стержня.Качественный график зависимости Ткр от l показан на рис. 3.7 сплошной толстой линией. Значение является минимальным значением для всех кривых Тn(l) при различных n. При возрастании l от 0 до l1 критическая сила убывает от ∞ до T∞ а затем, скорее всего, должна оставаться постоянной и равной T∞. Для сравнения толстой пунктирной линией дана зависимость от l критической силы для свободного стрежня, определенная по формуле Эйлера. Рис. 3.7 График зависимости Ткр от l Полученный результат показывает, что если трение штанги отсутствует, то ремонтную вставку можно протолкнуть на любое расстояние при условии, что сила сопротивления движению самой вставки Т0 меньше Ткр. Однако в действительности трение штанги о внутреннюю поверхность трубопровода не равно нулю и сила Т с увеличением длины L увеличивается. Оценим длину стержня L, при которой сила Т=Т(0) достигнет критического значения. Для этого приравниваем выражения (3.21) при х=0 и (3.39) и находим Lкр:  (3.40)Видимо это значение Lкр является сильно заниженным, т.к. получено при условии, что сжимающая сила постоянна и равна Тмах, тогда как в действительности она равна Тмах только в одной точке (рис. 3.6). В выражении (3.40) J и m зависят от  и  - внешнего и внутреннего диаметров штанги, значит и Lкр зависит от этих параметров. Поскольку полученное выражение является приближенным, то нет смысла подробно исследовать зависимость Lкр от d. В табл. 3.1 приведены результаты расчетов Lкр для трех различных диаметров трубопровода D=700, D=1000 и D=1400 мм при различных и k. Остальные параметры приняты следующими: =90, материал штанги - сталь; плотность ρ=7800 кг/м3; m=πρ(de2- di2)/4; Е=2,06*105 МПа; F0=k*M*g, М=1000 кг - масса ремонтной вставки.Результаты расчетов Lкр Таблица 3.1
Из представленных результатов видно, что критическая длина штанги существенно зависит от диаметра трубопровода. При увеличении диаметра в два раза, от 700 мм до 1400 мм, она уменьшается примерно в 1,5 раза. Критическая длина сильно зависит от коэффициента трения, его желательно уменьшать всеми возможными способами. Имеется оптимальное соотношение диаметров de и di , при котором Lкр имеет максимальное значение, причем это соотношение слабо зависит от диаметра трубопровода. Для стальной штанги с внешним диаметром 90 мм оптимальный внутренний диаметр лежит между 80 и 85 мм. Для сравнения критическая длина свободного шарнирно опертого стержня такого же поперечного сечения при сжимающей силе  , определенной по формуле Эйлера составляет всего 11,7 м. Это значит, что при использовании центрирующих колец их нужно ставить в начале примерно через 6 метров. Если же стержень лежит в трубе, то такой нагрузке соответствует критическая длина, равная примерно 1650 метрам для трубопровода диаметром 700 мм (табл. 3.1). Таким образом, при проектировании установок, перемещающих ремонтные блоки внутри трубы, положение направляющих штанг - вдоль нижней образующей ремонтируемого трубопровода, - является оптимальным с точки зрения потери их устойчивости. Другим важным фактором, существенно влияющим на критическую длину штанг, является коэффициент трения, уменьшение которого практически пропорционально увеличивает значение критической длины. При проектировании и изготовлении ВРУ сложно достичь того, чтобы центр масс устройства находился на оси самого устройства. Поэтому при подаче внутритрубных устройств с помощью штанг возможен поворот устройства за счет кручения самой штанги [7]. При этом угол закручивания f зависит от общей длины штанг L, крутящего момента Мкр, геометрических характеристик сечения штанги Jр и свойств материала штанги G, и может быть найден по известной формуле  (3.41)где  - крутящий момент, обусловленный действием силы тяжести, приложенной в точке центр масс, и удаленной от оси устройства на расстояние R; G- модуль упругости при кручении, МПа, Jр - момент инерции сечения.Так как для проталкивания аппарата используются полые штанги, применяемые в горизонтально-направленном бурении, то Jр определим по формуле  (3.42) Рис. 3.8. Расчетная схема Расчет проведен при следующих данных: R=0.5 м, m=100 кг, D1=0.1 м, d=0.07 м, g=9.81 м/с^ fo=l0 150, 300, 600, 900, 1200, 1500, L=10..2000 м. На отдельно изображенном сечении А-А (рис. 3.8) видно, что крутящий момент Мкр зависит от угла наклона от вертикали:  (3.43)где  - угол между вертикалью и линией, соединяющей центр масс ВРУ с осью трубопровода, когда L=0. Таким образом, выражение (3.41) с учетом (3.42, 3.43) примет вид  (3.44)На основе зависимости 3.44 получены графики (рис. 3.9), на которых можно проследить, как изменяется сумма углов и  в зависимости от длины штанг при разных углах . Обозначим  . Рис. 3.9. Отклонение от вертикали центра тяжести ВРУ в зависимости от длины штанг при разных начальных положениях центра тяжести ВРУ Из рис. 3.9 видно, что при больших длинах штанг угол f асимптотически приближается к 1800. Т.е. с увеличением длины штанг центр масс ВРУ будет стремиться к нижней образующей трубопровода. Полученные зависимости показывают угловое положение ВРУ внутри ремонтируемого трубопровода, что позволяет правильно ориентировать ВРУ при запуске его через врезку в трубопровод и тем самым обеспечить гарантированное качество ремонта. Особенно это важно при монтаже разрывных изолирующих гильз, разрыв которых должен быть ориентирован по верхней образующей трубопровода.  Рис. 3.10 Угол закручивания штанги D1=42 мм, d=18 мм  Рис. 3.11 Зависимость угла закручивания штанг от начального положения центра тяжести ВРУ при различных длинах штанг D1=42 мм, d=18 мм. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||