Разработка технологии и технических средств ремонта трубопроводов малого диаметра с применением гибких металлических рукавов

Актуальность проблемы. Начало нового тысячелетия характеризуется устойчивым ростом больших и малых городов, развитием предприятий базовых отраслей промышленности, строительства, транспорта и телекоммуникаций, что приводит к необходимости строительства новых подземных коммуникаций различного назначения. С другой стороны, по протяженности действующих трубопроводов Российская Федерация занимает одно из первых мест в мире, при этом более половины из них проложены 20−50 лет тому назад, т. е. требуют реконструкции и обновления.

В связи с этим очевидно, что в настоящее время существует и в ближайшие десятилетия сохранится высокий потенциал роста капиталовложений в строительство, реконструкцию и ремонт подземных коммуникаций самого широкого назначения.

Модернизация и реконструкция действующих и строительство новых трубопроводов зачастую проходят на территориях городов, действующих промышленных предприятиях, в трудных геологических и географических условиях, при действии ряда технических, технологических и экологических ограничений. При этом их трассы пересекают реки, болота, овраги, лесные массивы, автомобильные и железные дороги, другие трубопроводы, территории действующих предприятий. Очевидно, что производство ремонтных работ традиционными методами в этих условиях либо сильно затруднено, либо зачастую невозможно. Эти и целый ряд других факторов естественного и искусственного происхождения обуславливают особую актуальность ускоренного внедрения новых технологий и техники ремонта трубопроводов, ремонт и реконструкцию подземных коммуникаций в нестандартных и зачастую экстремальных условиях. Применяемые методы ремонта с использованием традиционных технологий, например по типу «труба в трубе», относятся к относительно дешевым и быстрым бестраншейным технологиям, предполагают использование металлических труб в качестве ремонтных и из-за их большой изгибной жесткости ремонт возможен только в случаях, когда изношенный участок трубопровода является практически прямолинейным, а также имеется пространство для образования шахтных стволов необходимой длины для ввода ремонтных труб. В силу отмеченных ограничений ремонт с применением металлических труб выполняется преимущественно на трубопроводах большого диаметра. В свою очередь, с увеличением длины ремонтируемого участка трубопровода, даже если он имеет небольшую кривизну, растет усилие, необходимое для протягивания ремонтных труб. Применение пластмассовых, в частности, полиэтиленовых труб, для ремонта известным способом расширяет его возможности, Однако возникают проблемы, связанные с потерей прочности как на истирание при протягивании в ремонтируемый трубопровод, так и прочности в процессе эксплуатации.

Сетевые распределительные газопроводы во многих случаях работают ещё в более тяжелых условиях, чем магистральные, что объясняется следующими причинами:

1. Повышенная коррозия из-за больших блуждающих токов вблизи жилых домов, предприятий, строительных объектов, рельсового транспорта, а также других коммуникаций.

2. Большие температурные деформации вследствие больших температурных перепадов из-за наличия вблизи трассы газопровода различных объектов и сооружений, в том числе и теплотрасс.

3. Повышенные динамические нагрузки из-за прохождения газопровода под железнодорожными и трамвайными путями, под автомобильными дорогами и др.

В условиях дефицита финансовых и материальных ресурсов решение задач обеспечения высокой надежности и безопасности эксплуатации системы трубопроводного транспорта может быть достигнуто не только за счет мероприятий, предотвращающих коррозионный и механический износ трубопроводов, но и за счёт разработки новых методов ремонта, отвечающих следующим требованиям. Технологии ремонта должны быть простыми, универсальными и обеспечивать массовый ремонт трубопроводов с повреждениями различного вида. Ремонт должен быть выборочным и желательно без остановки эксплуатации трубопровода на длительный срок. Важно, чтобы используемые при ремонте материалы и оборудование были отечественного производства. Ремонт должен быть экологически безопасным и проводиться в самые сжатые сроки.

В последнее время встали вопросы разработки методов экстренного восстановления трубопроводов, в частности, распределительных газопроводов, так как при повреждении газопроводов создаются экстремальные ситуации, к которым относятся опасность взрыва, остановка непрерывных производств, а также замораживание отопительных систем жилых и производственных помещений, особенно в зимнее время.

Наибольшие трудности возникают при необходимости экстренного ремонта труднодоступных участков промысловых нефтепроводов и газопроводов, к которым относятся участки, пролегающие по руслам рек, под полотном железнодорожных путей и автомагистралей, а также участки, пересекающиеся или близко расположенные с тепловыми сетями, силовыми электрическими кабелями и другими коммуникациями.

Учитывая изложенное, весьма актуальной задачей становится необходимость совершенствования существующих и создания новых технологий ремонта трубопроводов применительно к сильно искривлённым и протяжённым участкам трубопровода.

Целью диссертационной работы является разработка методов обнаружения мест утечек в трубопроводах и технологии аварийного ремонта с применением гибких металлических рукавов (ГМР) с целью обеспечения безопасности эксплуатации трубопроводных систем.

Для достижения этой цели в работе были поставлены и решены следующие основные задачи:

— провести анализ современного состояния различных трубопроводных систем и аварийного ремонта элементов;

— разработать метод оперативного и эффективного обнаружения мест утечек в трубопроводных системах;

— разработать математическую модель гибких металлических рукавов, применяемых при ремонте методом «труба в трубе»;

— провести необходимые экспериментальные исследования, подтверждающие возможность использования гибких металлических рукавов для ремонта трубопроводов предложенным методом;

— разработать способ, устройства и технологию монтажа гибкой металлической трубы (ГМТ) внутрь аварийного трубопровода.

Научная новизна работы.

1. Предложен и научно обоснован метод оперативного и точного обнаружения места утечки продукта из трубопроводов с использованием принципа встречных потоков.

2. Базируясь на результатах теоретических и экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния гибких металлических рукавов, научно обоснована достаточная их прочность и жесткость при монтаже на аварийном (ремонтируемом) участке трубопровода.

3. Впервые предложена конструкция и выполнен синтез элементов гибкой металлической трубы (патент РФ № 37 404).

4. Предложен способ, разработаны технология ремонта и необходимые устройства для обеспечения монтажа гибкой металлической трубы внутрь аварийного трубопровода.

Методы исследования.

Анализ современных способов ремонта трубопроводов и разработка нового способа оперативного восстановления их поврежденных участков выполнены на основе изучения литературно-патентных источников за последние 20 лет.

При разработке математической модели для обеспечения прочности гибких металлических труб использованы современные подходы теории упругости, теоретической механики и сопротивления материалов.

Напряженно-деформированное состояние гибких металлических рукавов определялось путем лабораторно-стендовых испытаний.

Натурные испытания и внедрение разработанных устройств и технологии проведены на объектах предприятия «Ишимбайгаз».

Достоверность результатов обеспечивается обширным статистическим анализом, обоснованностью используемых теоретических зависимостей, принятых допущений и ограничений, применением известных математических методов, проведением достаточного количества экспериментов при различных изгибах опытного участка трубопровода в вертикальной плоскости. Кроме этого, достоверность результатов подтверждена качественным и количественным согласованиями результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, полученными автором на разработанных экспериментальных стендах с использованием современной измерительной аппаратуры.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Предложены и экспериментально обоснованы методы определения мест утечек в трубопроводной системе, позволяющие производить оперативное восстановление (ремонт) поврежденных участков трубопроводов различного назначения по методу «труба в трубе».

Разработаны, изготовлены, испытаны и внедрены новые конструкции гибких металлических труб с необходимыми устройствами и технологии их монтажа внутри поврежденного участка аварийного трубопровода для его разгрузки от механических напряжений.

Рассчитаны и экспериментально обоснованы предельные осевые нагрузки на гибкие металлические трубы при их протягивании. Разработан параметрический ряд новых типоразмеров ГМТ для ремонта трубопроводов по методу «труба в трубе». Определены предельные диаметры ГМТ при протягивании их через отводы стандартных типоразмеров.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на заседании технического совета филиала «Ишимбайгаз» ОАО «Газ-Сервис», Ишимбай, 2004 г.- НТС филиала «Уфагаз» ОАО «Газ-Сервис», Уфа, 2004 г.- на расширенном заседании кафедры «Основы конструирования механизмов и машин» Уфимского государственного авиационного технического университета, Уфа, 2005 г.- на научно-практической конференции «Энергоэффективность. Проблемы и решения» в рамках V Российского энергетического форума, Уфа, 2005 г.

На защиту выносятся разработанные методы обнаружения утечек и расчета на прочность гибких металлических рукавов при их протаскивании внутри аварийного трубопроводасоответствующие устройства для реализации разработанной технологии ремонтарезультаты теоретических и экспериментальных исследований, лабораторно-стендовых и промышленных испытаний по обоснованию и внедрению предложенных автором технических решений.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных трудов, включая 5 патентов на изобретения и 1 патент на полезную модель.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, библиографического списка использованной литературы из 90 наименований. Она содержит 124 страниц машинописного текста, 35 рисунков, 28 таблиц.

Основные выводы и рекомендации по работе.

1. Технология бестраншейного ремонта с использованием технологии ГМР обеспечивает возможность санации подземных коммуникаций в экстремальных условиях:

— под реками, озерами, оврагами, лесными массивами, сельскохозяйственными объектами;

— в специфических грунтах (скальные породы, и пр.);

— в охранных зонах высоковольтных воздушных линий электропередач, магистральных газо-, нефте-, продуктопроводах;

— в условиях плотной жилищной застройки городов при прохождении трассы под автомагистралями, трамвайными путями, скверами и парками;

— под действующими железными и автомобильными дорогами, взлетно-посадочными полосами аэропортов;

— на территории промышленных предприятий, включая ввод коммуникаций в производственные корпуса в условиях действующего производства.

2. Обеспечивает сокращение сроков и объема организационных — технических согласований перед началом ремонтных работ в связи с отсутствием необходимости остановки всех видов наземного транспорта, перекрытия автомобильных и железных дорог.

3. Значительное сокращение количества привлекаемой для ремонта трубопроводов тяжелой техники и рабочей силы.

4. Значительное уменьшение риска аварийных ситуаций и, как следствие, гарантия длительной сохранности трубопроводов в рабочем состоянии.

5. Уменьшение сметной стоимости ремонта трубопроводов за счет значительного сокращения сроков производства ремонтных работ, затрат на привлечение дополнительной рабочей силы и тяжелой землеройной техники.

6. Отсутствие затрат на восстановление поврежденных участков автомобильных и железных дорог, зеленых насаждений и предметов городской инфраструктуры.

7. Сокращение эксплуатационных расходов на контроль и ремонт трубопроводов в процессе эксплуатации.

8. Сохранение природного ландшафта и экологического баланса в местах проведения работ, исключение техногенного воздействия на флору и фауну, размыва берегов и донных отложений водоемов.

9. Отсутствие ущерба сельхозугодиям и лесным насаждениям.

10. Минимизация негативного влияния на условия проживания людей в зоне проведения работ.

11. Изъятие ГМР из ремонтируемой трубы при благоприятных условиях, ремонт трубы любым другим способом и использование ГМР повторно при других аварийных ситуациях.