Композитные материалы для ремонта трубопроводов

Ремонт трубопроводов полимерными композитными материалами

Ремонт трубопроводов полимерными композитными материалами

Полимерные композитные материалы (ПКМ) для ответственных конструкционных и ремонтных целей применяются в различных отраслях промышленнсти Германии с середины 30-х годов, в США — с начала 50-х, а в нашей стране в нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности — с начала 60-х годов.
Исходя из ряда существенных преимуществ соединений металлов композитными материалами перед другими способами при массовых ремонтах, в начале 70-х годов была создана отечественная научно-обоснованная технология ремонта металлоконструкций длительно работающих в углеводородных и водных средах.

П о этой технологии, получившей название «холодная сварка», на нефтеперерабатывающих заводах ремонтировались аварийные участки подземных газопроводов диаметром 100 мм с рабочим давлением до 20 кг/см2 и нефтепроводы диаметром до 200 мм. Устранялись крупные свищи и большие трещины на трубопроводах работающих под давлением более 16 кг/см2. Ремонт трубопроводов, работающих под давлением 6-7 кг/см2 производился без прекращения подачи жидкости или газа. На нефтяных промыслах в Татарии был восстановлен большой парк резервуаров объемом 2000 и 5000 куб.м. Восстанавливалась герметичность запорной арматуры.

Однако, полимерные композитные материалы и ремонтные конструкции на их основе, специально аттестованные для применения в нефтяной и газовой отраслях, в то время в промышленном масштабе не выпускались.

В связи с этим специалистами ООО «Газнадзор» ОАО «ГАЗПРОМ» были организованы исследования ряда полимерных композитных м атериалов отечественных и ведущих мировых производителей. Материалы и ремонтные конструкции на их основе испытаны в лабораторных и полигонных условиях. Отремонтировано более 200 шаровых кранов без вырезки на «гитаре» компрессорных станций и в условиях мастерских 000 «Сургутгазпром». В 000 «Самаратрансгаз» проведен ремонт дефектного участка магистрального газопровода Уренгой-Помары-Ужгород диаметром 1420 мм с рабочим давлением 75 атм. без остановки его работы. Были проведены ремонтные работы на газопроводах в Пермтрансгаз, Уралтрансгаз, Мострансгаз, Таттрансгаз, Севергазпром и др.

В ходе работы совместно с ведущими отечественными институтами и организациями разработаны ремонтные металлополимерные композитные материалы и конструкционные композитные адгезивы специально для ремонтов в газовой и нефтяной промышленности, которые по физико-механическим характеристикам не уступают лучшим зарубежным аналогам. Материалы сертифицированы и организовано их промышленное производство.

С учетом особенностей газовой и нефтяной отраслей, совместно с ВНИИСТ и рядом специализированных НИИ проведены экспериментальные исследования и полигонные испытания прочности ремонтных конструкций с применением полимерных композитов. Выявлен гарантийный срок их эксплуатации не менее 10 лет, а при применении определенных методов ремонта — до 20 и более лет.

Подготовлены специалисты по применению технологии «холодной сварки» с использованием полимерных композитных материалов.

На основании результатов исследований и опытно-промышленных ремонтов, а также отечественного и зарубежного опыта были разработаны руководящие документы (РД) по применению специально выбранных марок композитных материалов для ремонтных работ на объектах нефтяной и газовой промышленности, а также по оценке несущей способности трубопроводов диаметром 530 — 1420 мм, отремонтированных ПКМ. Эти документы утверждены руководством ОАО «ГАЗПРОМ», согласованы Госгортехнадзором РФ и являются нормативно-техническими документами, дающими право использовать указанные композитные материалы и ремонтные конструкции на их основе для ремонта магистральных, промысловых и технологических газо — и нефтепроводов, газового и нефтяного оборудования, резервуаров, машин и механизмов.

Технология ремонта дефектов трубопроводов типа коррозионной потери металла до определенной остаточной толщины стенки трубы с применением композитных материалов основана на локальном нанесении композита на площадь дефекта с последующим армированием, что позволяет достигнуть высоких экономических показателей, существенно с низить временные затраты на проведение ремонта, исключает применение сварочных работ. На сегодняшний день данная технология является самой прогрессивной, оперативной, высокоэкономичной и экологически чистой.

Ремонт дефектных участков трубопроводов полимерными композитными материалами (ПКМ) с применением ремонтных конструкций на их основе позволяет восстановить несущую способность отремонтированного трубопровода до бездефектного уровня на все время гарантийной эксплуатации.

Применение технологии «холодной сварки» для ремонта магистральных, промысловых и технологических трубопроводов не исключает традиционную технологию ремонта с вырезкой дефекта, но в состоянии свести ее применение к технически и экономически обоснованным минимальным случаям. При этом метод ремонта сплошной заваркой коррозионных дефектов, создающий дополнительные нежелательные напряжения, исключается полностью.

Таким образом, применение нетрадиционных технологий как повышает эффективность аварийного и капитального ремонтов, так и позволяет увеличить объем выборочного ремонта всех видов опасных дефектов, выявленных в результате внутритрубной диагностики. Ремонт производится без остановки эксплуатации газо- и нефтепроводов.

Для восстановления насосов различных типов, в том числе рабочих колес центробежных насосов, двигателей внутреннего сгорания и другого оборудования могут применяться композитные материалы, рекомендованные для ремонта трубопроводов.

Методика ремонта трубопровода с применением полимерных композитных материалов

По данным внутритрубной диагностики строится карта дефектов, на основании которой, пользуясь «Дополнением к РД 39-1.10-013-2000 (оценка несущей способности трубопроводов диаметром 530 — 1420 мм, отремонтированных с применением композитных материалов)», производится классификация дефектов и рассчитывается необходимое количество полимерных композитных материалов для проведения ремонта (например количество слоев ленты).

Трубопровод в месте проведения ремонта (дефектной части) очищается от старой изоляции механическим методом, пескоструится или очищается химическим методом, а так же обезжиривается. После чего дефект заполняется ремонтной пастой и выравнивается. Следующим этапом накладывается расчетное количество витков стеклопластиковой ленты с нанесением клея между ее слоями. Конструкция на время отвержения адгезива фиксируется хомутами. После отвержения поверх ремонтной конструкции наносится антикоррозионная изоляция или термоусадочная муфта. Все ремонты актируются.

В случае проведения экстренного ремонта трубопровода, когда нет возможности произвести расчеты, предлагается использовать стандартный комплект, состоящий из 8-слойной ленты рулонированного стеклопластика на определенный диаметр трубы, включающий расчетное количество пасты и клея, а так же вспомогательные материалы. Дело в том, что при установке 8-слойной конструкции на дефект (при любом размере дефекта, подлежащего ремонту) данный участок гарантированно приобретет прочность восстанавливающую несущую способность трубопровода.

Сформированная ремонтная конструкция

Рис.1. 1- Тело трубы; 2 — Предварительно проработанный и заполненный ремонтным металлополимерным материалом локальный дефект на теле трубы; 3 — Сформированная ремонтная конструкция из n-ого количества витков стеклополимерной композитной ленты.

Ремонтная конструкция формируется из стандартного ремонтного комплекта ГАРС, которая состоит из:

ремонтного металлополимерного материала — пасты, предназначенного для восстановления потери металла и геометрии стенки трубы, подлежащей ремонту, с целью перераспределения концентрации напряжений и препятствия дальнейшему росту дефектов;

армирующей стеклополимерной композитной ленты из гибкого анизотропного рулонированного стеклопластика, имеющего вторичную матричную память;

композитного конструкционного адгезива — клея, предназначенного для соединения слоев ленты при формировании ремонтной конструкции;

набора вспомогательных приспособлений для установки конструкции.

Дефекты подлежащие ремонту

Ремонту подлежат следующие виды дефектов (ВСН 39-1.10-001-99):

Общая коррозия (потеря металла);

Задиры, царапины, сколы;

Вмятины глубиной до 5% диаметра трубы;

Дефекты кольцевых сварных стыков — смещение кромок до 30% толщины стенки трубы, утяжины до 20% толщины стенки трубы на длине до 1/12 периметра трубы.

Продукция

Для проведения ремонтов на магистральных газо- нефтепроводах выпускаются ремонтные комплекты ГАРС.

Стандартный набор состоит из:

Расчетного количества полимерной ленты для формирования ремонтной муфты;

Расчетного количества ремонтной пасты для заполнения дефекта;

Расчетного количества клея для склеивания витков полимерной ленты;

Необходимого вспомогательного набора материалов для формирования ремонтной муфты.

Весь комплект упаковывается в одну коробку. Выпускаются комплекты для всех типоразмеров труб, начиная от 159 мм до 1400 мм. Ширина ленты может варьироваться от 100 до 800 мм.

Типовое обозначение комплекта:

Ремонтный комплект ГАРС 1420х300

1420 — диаметр ремонтируемой трубы;

300 — ширина полимерной ленты.

Для натяжения ленты, после формирования ремонтной муфты на трубе предлагаются к поставке специальные натяжители.

Все материалы сертифицированы, имеют разрешение Гостехнадзора РФ и Республики Казахстан.

Изолировочное оборудование

Машины изолировочные ручные (серия «МИРТ»)

Машина изолировочная ручная трубная («МИРТ») предназначена для нанесения полимерных лент типа «Полилен», термоусаживающихся лент типа «Терма», мастично-битумных лент типа «ЛИАМ» и оберток на наружную поверхность магистральных трубопроводов при их переизоляции и выборочном ремонте изоляции в трассовых условиях. Изолировочные работы с помощью этих устройств производятся бригадой в составе четырех человек. Техническая характеристика серии устройств приведена в таблице.

У стройство представляет собой кольцевую разъёмную конструкцию, состоящую из двух частей (рам). Рамы соединяются между собой шарнирами и замком и имеют дугообразные ручки, равномерно расположенные по окружности. На рамах закреплены три пары обрезиненных роликов, которые являются одновременно опорными и прикаточными. Пары роликов подпружинены и размещены по окружности под углом 120?. Две пары роликов закреплены непосредственно на раме, а остальные два ролика закреплены на рычагах, имеющих общий вал и подпружинены. Каждый ролик развёрнут (с возможностью регулировки) на угол, обеспечивающий спиральное перемещение установки по трубе с шагом

200 мм и нахлест лент не менее 30 мм.
Устройство имеет узлы крепления рулонов изолирующей и оберточной лент, обеспечивающие разворот рулонов относительно оси трубы и их подтормаживание, а также узел сматывания разделительной ленты.
Разработка защищена свидетельством на полезную модель № 1703 «Устройство для нанесения полимерного покрытия на трубы большого диаметра». Разработчик: ООО «Уралтрансгаз».
Условное обозначение машины изолировочной ручной трубной для трубопровода с условным наружным диаметром 1400 мм: «МИРТ-1400».

1 рулон ЛИАМ: вес 50 кг. длина в рулоне 60 м. толщина мастичного слоя 1,5 мм.

1 рулон лента ДРЛ-Л:

0,8 — вес 40 кг. длина в рулоне 160 м.

1,2 — вес 43 кг. длина — 140 м.

При намотке ленты ДРЛ-Л или любой другой ленты на мастике Асмол, из-за увеличения диаметра на 6 мм, возрастает расход обертки на:

5,2 % на трубу диаметром 114 мм;

2,7 % на трубу диаметром 219 мм;

1,4 % на трубу диаметром 426 мм;

0,8 % на трубу диаметром 720 мм;

0,4 % на трубу диаметром 1220 мм.

1 рулон ЛИАМ: вес 50 кг. длина в рулоне 60 м. толщина мастичного слоя 1,5 мм.

1 рулон лента ДРЛ-Л:

0,8 — вес 40 кг. длина в рулоне 160 м.

1,2 — вес 43 кг. длина — 140 м.

Техническая характеристика серии устройств «МИРТ»

Источник

Композитные материалы для ремонта трубопроводов

Разветвленная сеть магистральных трубопроводов РФ представляет собой сложную инженерно-техническую систему, состоящую из большого количества элементов и подверженную влиянию большого количества контролируемых и неконтролируемых факторов. Надежность нефтегазотранспортной сети в целом во многом зависит от показателей надежности линейной части магистрального трубопровода [6]. Несмотря на комплекс защитных мероприятий, выполняемых в процессе производства и прокладки, трубопровод подвержен коррозионному разрушению [1]. Кроме этого, трубопровод может испытывать значительные напряжения, возникающие при нарушении технологии строительства и ремонта [8], которые приводят к возникновению таких дефектов, как вмятины и гофры [5]. Дефекты геометрии трубы совместно с дефектами изоляционного покрытия ускоряют процесс коррозии трубопровода. Основной задачей в процессе эксплуатации магистральных трубопроводов, помимо обеспечения требуемой производительности, является обеспечение надежности линейной части магистрального трубопровода (МТ) с целью предотвращения утечек продукта перекачки при авариях, которые приводят к загрязнению окружающей среды и большим материальным затратам. По данным АК «Транснефть» на 1000 км нефтепроводов приходится 4–5 аварий в год. Причем вероятность возникновения аварий от внешних воздействий коррозии достигает 90 %. Аварии на трубопроводе ведут к остановке перекачки, из-за этого транспортирующие компании несут колоссальные убытки по устранению последствий аварий и невыполнению сроков поставок перекачиваемой продукции [4]. Поэтому существует необходимость устранения обнаруженных критических деформаций трубопровода в кратчайшие сроки с минимальным срывом транспортировки.

Проанализировав многолетний российский и зарубежный опыт ремонта трубопроводного транспорта, можно выделить следующие преимущества и недостатки применяемых методов ремонта:

• Вырезка дефектного участка. Недостатки: остановка перекачки продукта или применение дорогостоящих технологий ремонта без остановки перекачки; освобождение ремонтируемого участка от продукта перекачки, что требует больших материальных затрат; производство сварочных (огневых) работ и, как следствие, дополнительные температурные напряжения в стенке трубы. Достоинства: полное восстановление работоспособности участка трубопровода.
• Ремонт с помощью отечественных стальных муфт. Достоинства: ремонт без остановки перекачки; меньшая стоимость ремонта в сравнении с вырезкой дефектного участка. Недостатки: необходимость применения сварки на поверхности трубопровода; отсутствие универсальной конструкции муфты применяемой для любых классов дефектов; отсутствие возможности ремонта трещин; вероятность недостаточного контакта муфты с дефектным трубопроводом и, как следствие, возникновение коррозионных процессов на отремонтированном участке.
• Ремонт с помощью композитно-муфтовой технологии. Достоинства: ремонт без остановки перекачки; ремонт трещин длиной до радиуса трубы и глубиной до 70 % от толщины стенки, расслоений, вмятин и гофр; ремонт дефектов во всех сварочных швах; ремонт дефектов типа «потеря металла» коррозионного или механического происхождения протяженностью до 18 м и глубиной до 90 % от толщины стенки. Недостатки: обязательная дробеструйная, а зачастую и пескоструйная обработка поверхности трубы и внутренней поверхности муфты; повышенная трудоемкость ремонта в зимних условиях из-за необходимости обеспечения температуры застывания композитного состава; необходимость снижения давления на время установления муфты на 10–15 % от рабочего и поддержание на постоянном уровне на протяжении 24 часов; необходимость специального насосного оборудования для закачивания композита; для фиксации манжеты требуется большой объем композитного материала.
• Ремонт с использованием композитной манжеты «Clock SPRING». Достоинства: армирующая лента имеет вторичную матричную память, которая исключает все нестабильности и вариабельность. Недостатки: ремонт дефектов с плоскими очертаниями; дефекты длиной до 18 сантиметров; применение для небольших диаметров.

Композитные материалы произвели революцию во многих отраслях промышленности [2] и стали популярными благодаря высокой стойкости к механическим нагрузкам при небольшом весе [3]. Но при жестком закреплении краёв полумуфт, в местах их крепления на трубопроводе, при малоциклических деформациях возникают дополнительные напряжения, из-за чего возникает угроза деформации на этом участке трубопровода.

Авторами статьи предложен метод ремонта трубопровода с применением волокнистых композитных материалов, технология которого не предполагает остановки перекачки, проведение огневых работ и не ограничивается в протяженности ремонтируемого участка трубопровода. Предлагается использовать алюмо-боро-силикатное стекловолокно E-glass. Этот вид стекла нашел широчайшее применение в промышленности. Толщина нити всего около 10 мкм, но при этом обладает высокой прочностью. В такой форме стекловолокно демонстрирует неожиданные свойства: упруго деформируется без хрупкого разрушения под действием нагрузок. Оксид бора придает этому стеклу свойства тугоплавкости, стойкости к резким температурным скачкам из-за низкого коэффициента теплового расширения и стойкости к агрессивным средам, в том числе к щелочам и некоторым кислотам. Плотность стекловолокна в 3 раза ниже плотности стали, но при этом предел прочности выше предела прочности стали в 2 раза. Другие виды стекловолокна, которые могут быть использованы в качестве материала: S-glass, R-glass, M-glass, A-glass и т.д.

Предлагается, уменьшив давление в трубопроводе, на предварительно зачищенную поверхность дефектного трубопровода наносить способом намотки стекловолокно E-glass в два слоя. Перед нанесением стекловолокно проходит через емкость, наполненную пропиточным компаундом для скрепления волокон между собой и для адгезии с трубопроводом. Наматываются волокна при заданных величинах угла скрещивания витков и силы натяжения. В результате работы по нанесению стекловолокна формируется армирующая паковка, полностью восстанавливающая прочность поврежденного участка трубопровода, увеличивающая жесткость и создающая слой, препятствующий развитию наружной коррозии.

Для подтверждения адекватности идеи были проведены расчеты НДС трубопровода диаметром 1220 мм при действительной эксплуатационной коррозии по НТД (РД, СНиП и т.д.). По расчетной классификации трубопровод представляет собой бесконечную трубчатую балку, имеющую зоны упругого защемления по краям.

Авторами статьи предложена и реализована расчетная схема: модель трубопровода с коррозионным дефектом, учитывающая воздействие гидростатической нагрузки от транспортируемого продукта, а также равномерно распределенную нагрузку от веса обвалования на оболочечную конструкцию трубопровода. И модель отремонтированного трубопровода с помощью волокнистых композитных материалов, а именно намоткой стекловолокна E-glass на дефектный участок. Расчетная схема участка трубопровода представлена на рис. 1.

С использованием программного комплекса ANSYS была создана конечно-элементная модель участка трубопровода согласно предложенной расчетной схеме.

Геометрическая модель участка трубопровода была построена в модуле DesignModeller, где были учтены все действительные размеры трубы, дефекта, а также использованной защитной изоляции.

После построения геометрической модели участка трубопровода выполнялось разбиение модели на конечно-элементную сетку. Размеры элементов (стороны элементарного примитива – квадрата или треугольника) варьировались в пределах от 10 до 100 мм. Были использованы различные типы конечных элементов: SOLID186 (изоляция), SOLID187 (металлическая оболочка трубопровода), CONTA174, TARGE170 (для решения контактной задачи), SURF154, COMBIN14 (приложение нагрузок).

Граничные условия исходят из постановки, заключающейся в том, что трубопровод расположен под защитным обвалованием с действующей распределенной нагрузкой 13927 Па. Трубопровод имеет песчано-глинистое основание с прочностными свойствами, заданными коэффициентом постели k = 2 МН/м3.

Модель трубопровода учитывает свойства стали 09Г2С с пределом текучести σ_т = 325 МПа.

Для стекловолокна E-Glass были приняты следующие характеристики, которые учтены в модели. Характеристики приведены в табл. 1.

Рис. 1. Расчетная схема участка трубопровода

Источник