Разработка установки для гидродинамической очистки внутренних поверхностей емкостей от отложений при капитальном ремонте оборудования нефтепромыслов

Актуальность проблемы.

Интенсификация деятельности нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей отраслей экономики приводит к тому, что существующие технологии ликвидации углеводородных (нефтяных) загрязнений уже не обеспечивают требуемых объемов, темпов и степени очистки природных, промышленных и хозяйственных объектов от нефтяных загрязнений, оказываются малоэффективными и высоко затратными и не соответствуют современным экологическим требованиям. При этом от трех до семи процентов добытого, перевезенного и сохраненного нефтепродукта теряется безвозвратно в загрязнениях и отходах.

Современная экологическая обстановка диктует необходимость внедрения на нефтедобывающих и нефтеперерабатывающих предприятиях современных технологий, обеспечивающих безотходность процесса ликвидации нефтяных загрязнений (при условии низкой стоимости работ по очистке объектов), быстром освоении их промышленного производства и безопасной эксплуатации.

Одной из проблем при добыче, хранении и транспорте нефти и нефтепродуктов является процесс ликвидации отложений твердых осадков неорганических веществ, асфальтосмолопарафинов (АСП) и минеральных солей на внутренних поверхностях оборудования, наземных коммуникациях систем сбора и подготовки нефти.

Накопление отложений существенно осложняет добычу нефти, подготовку её к транспортировке и хранению, приводит к выходу из строя дорогостоящего оборудования, трудоемким ремонтным работам, а в итоге — к значительным потерям нефти и нефтепродуктов, увеличению себестоимости производства, ухудшению технико-экономических показателей нефтегазопе-рерабатывающих предприятий.

Из-за недостатка в настоящее время эффективных способов и устройств качественной очистки внутренних поверхностей оборудования емкостей от отложений с различным составом, и оборудования, реализующего данные технологии, достаточно эффективно, происходит большое накопление неиспользуемого или малоиспользуемого парка емкостей как на промыслах, так и в других областях.

На основании вышеизложенных аргументов весьма актуальным представляется проведение разработки эффективной технологии качественной и высокопроизводительной очистки внутренней поверхности емкостей от отложений, основанной на использовании стандартного оборудования.

Цель работы.

Увеличение ресурса работы нефтепромыслового оборудования и сокращение потерь углеводородного сырья методами гидродинамической очистки внутренних поверхностей от комплексных трудноудаляемых отложений. Разработка способа и устройства для гидродинамической очистки нефтепромыслового оборудования от отложений солей, комплексных отложений (пес-чано-солевых, с продуктами коррозии металла и органическими соединениями нефти) — разработка устройств, реализующих гидродинамическую технологию очистки внутренних поверхностей емкостей от отложений.

Основные задачи исследования.

Для достижения поставленной цели в ходе выполнения исследований необходимо решить следующие задачи:

— исследовать причины, механизм, кинетику образования отложений на поверхности нефтепромыслового оборудования для хранения нефти;

— проанализировать существующие методы предупреждения образования и технологий удаления отложений солей с внутренней поверхности емкостей;

— исследовать параметры динамического воздействия высоконапорных открытых гидравлических струй и определить параметры прочности на одноосное сжатие сложных асфальтосмолопарафиновых отложений, сформировавшихся на внутренней поверхности емкостей;

— исследовать гидродинамическую способность открытых гидравлических струй при различных параметрах истечения из сопловых насадок;

— провести экспериментальное определение оптимальных параметров воздействия струйных потоков, и разработать устройства и приспособления, способствующие реализации процесса гидродинамической очистки поверхностей от отложений;

— разработать технологию гидродинамической очистки внутренних поверхностей нефтепромыслового оборудования от отложений;

— разработать рекомендации по проведению мероприятий по утилизации шламов с учетом вопросов техники безопасности, экологической безопасности.

Методы исследования.

Для достижения поставленной цели использованы: метод гидродинамической очистки, который заключается в механическом разрушении отложений и одновременном их удалении из зоны очистки струями воды высокого давления, подаваемыми в рабочую зону через специальные приспособлениясопловые насадки, методы системного анализа незатопленных струй.

Научная новизна результатов исследования.

1. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена зависимость параметров воздействия струйных потоков при очистке трудноудаляе-мых отложений солей с внутренней поверхности емкостей.

2. Разработан и научно обоснован принципиально новый подход к анализу технологических зависимостей от конструкции сопловых насадок гидромониторов.

3. Определены закономерности влияния конструктивных, технических и технологических параметров на эффективность очистки внутренней поверхности емкостей отложений в условиях воздействия гидродинамической струи.

4. Разработана методика проведения взаимодействия технических и технологических объектов с окружающей средой для обеспечения модели управления режимами очистки емкостей.

Практическая ценность работы.

1. Для определения критических параметров работы системы очистки и предупреждения аварийных ситуаций решена задача проведения соответствующих технологических операций.

2. Разработана эффективная универсальная экспериментальная установка для определения параметров незатопленных струйных потоков.

3. Разработаны универсальные гидромониторные роторные моющие устройства, которые используются с универсальной мобильной установкой.

4. Разработана технология очистки внутренних поверхностей емкостей, реализуемая универсальным гидромониторным моющим устройством.

Технология очистки внутренней поверхности нефтепромыслового оборудования и устройства её реализующего для проведения этих работ, разработанная с участием автора, в настоящее время успешно используется группой компаний «Крона плюс» (г. Москва), в производственном объединении «Транснефть». Создан программный комплекс и разработано методическое руководство по использованию данной технологии в проведении очистки емкостей, опубликовано учебное пособие по методам и способам ведения ремонтных и очистных работ от отложений при капитальном ремонте резервуаров, предупреждения развития аварийных и опасных ситуаций, способных привести к разрушению оборудования емкостей и, как следствие, нарушению экологического равновесия окружающей среды.

Эффективность разработок подтверждается соответствующими актами о внедрении результатов исследования в практику: а) ремонтно-эксплуатационных служб группы компаний «Компания Крона плюс» (г. Москва), б) ПНБ «Шесхарис» ОАО «ЧерноморТранснефть», в) ПНБ «Грушовая» ОАО «ЧерноморТранснефть» (г. Новороссийск).

Экономический эффект от внедрения определяется использованием разработанных методик проведения технологических операций при очистке внутренних поверхностей оборудования, использованием спроектированных приспособлений для проведения очистки, обеспечением промышленной и геоэкологической безопасности функционирования технологической системы.

Данная работа внедрена как составная часть при проведении капитального ремонта оборудования и проведения экологических охранных мероприятий в ремонтно-эксплуатационных службах компаний по ремонту оборудования и управления ОАО «ЧерноморТранснефть» и ООО группа Компаний «Компания Крона плюс» или «Крона плюс"(г. Москва). (Прил.А).

Теоретическая значимость работы.

Полученные автором результаты и методики могут быть использованы учебными, проектными, производственными и научно-исследовательскими организациями при обучении, проектировании, эксплуатации, а также при совершенствовании системы очистки внутренних поверхностей емкостей, сложнопрофилированного оборудования НТО.

Апробация работы.

Основные результаты исследований по теме диссертации докладывались: на Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы прочности в промышленности и строительстве. Механические испытания технических систем и гарантия безопасности в среде обитания человека», г. Армавир, 25 сентября — 20 октября 2000 годана межвузовской научно-практической конференции «Современные инновационные технологии как одно из условий совершенствования науки, производства и образования», г. Армавир, 22 — 24 марта 2001 годана научно-практической конференции «Научный потенциал вуза производству и образованию», г. Армавир, 16−18 апреля 2003 годана международной научно-практической конференции «Будущее России: контуры перемен», г. Армавир, 16−17 февраля 2005 годана международной научно-практической конференции «Россия в начале XXI века: прошлое, настоящее, будущее», г. Армавир, 28−29 марта 2006 годаучебное пособие с грифом УМО для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 130 602 направления 130 600 «Оборудование и агрегаты нефтепромыслового производства» «Современные технологии ремонта и очистки резервуаров от отложений нефтепродуктов», г. Краснодар, 2007 годна межотраслевой научно-практической конференции «Современные технико-технологические решения в области бурения и капитального ремонта скважин», г. Анапа, 28−31 мая 2007годана 2-ой Международной конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы современной химии», г. Астрахань, 20 февраля — 17 марта 2008 годана II Общероссийской студенческой электронной научной конференции «Студенческий научный форум 2010», «Академия Естествознания», г. Москва, 2010 годана IV Международной конференции, г. Астрахань, 20−22 апреля 2010 года.

Публикации.

По теме диссертации автором опубликовано 23 печатных работы, из них 2 статьи в издании, рекомендованных ВАК РФ и одно учебное пособие с грифом УМО вузов РФ по нефтегазовому образованию.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы, содержащего 90 наименования, 2 приложения, изложена на 187 листах текста, включая 98 рисунков, 18 таблиц.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

1. Выявлены причины и механизм образования отложений на рабочих поверхностях нефтепромыслового оборудования систем сбора, подготовки, хранения и транспорта углеводородов. Рассмотрены способы их устранения.

2. Рассмотрены вопросы коррозии внутренних поверхностей нефтепромыслового оборудования. Установлено, что вследствие образования отложений при подготовке и хранении сернистой нефти в значительной степени увеличиваются коррозионные повреждения.

3. Определено, что в настоящее время отсутствует современное решение вопросов состояния систем оборудования сбора, подготовки и транспорта углеводородного сырья, оптимизация режимов подготовки их к эксплуатации (например, очистка внутренней поверхности емкостей сбора, подготовки и хранения нефти).

4. Определено, что существует необходимость разработки достаточно простых и эффективных технологических режимов подготовки систем оборудования, устройств для проведения очистки оборудования, на основании которых возможно проведение технологических операций, дающих возможность судить о техническом состоянии систем оборудования и открывающих широкие возможности их использования.

5. Установлено, что для повышения эффективности применения технологии гидродинамической очистки необходимо провести исследовательские и экспериментальные работы по определению параметров:

— гидродинамического воздействия высоконапорных незатопленных струй;

— разрушительной способности гидравлических струй при различных режимах истечения при воздействии на твердую преграду, отложения, сформировавшиеся на внутренней и придонной поверхности емкостей.

6. Разработана методика проведения исследований гидродинамических струй, как источника энергии разрушения.

7. Создан комплекс оборудования, устройств и приспособлений, ускоряющих и автоматизирующих процессы разрушения отложений в емкостях;

8. Теоретически, а также в экспериментальных и натурных промысловых условиях определены оптимальные параметры работы устройств и проведены испытания комплекса оборудования для очистки внутренних поверхностей систем сбора, подготовки, хранения и транспорта углеводородного сырья.

9. Рассмотрены и изучены вопросы влияния конструкции элементов сопла на силу давления струи, растекающейся по преграде.

10. Произведены исследования влияния конструктивных параметров сопел на характер гидродинамической струи.

11. Проведены исследования параметров динамического разрушающего воздействия высоконапорных гидравлических струй, исследования разрушающей способности высоконапорных гидравлических струй при различных режимах истечения.

12. Исследован вопрос влияния давления и разрушающей способности высоконапорных струй от конструктивных особенностей сопел гидромониторов. По результатам исследований выявлена зависимость силы воздействия незатопленной струи на преграду F = Рп БШК.

13. Проанализированы существующие методы исследования высоконапорных струй. Установлено, что существующие методики и экспериментальные установки их реализующие, не соответствуют решению задач, поставленных в работе.

14. Разработаны экспериментальный стенд и методика исследования, предназначенные для решения задач, поставленных автором в данной работе.

15. Определены аналоги по прочности отложений на внутренней поверхности систем оборудования в целях проведения экспериментальных исследований влияния различных факторов на эффективность очистки внутренней поверхности емкостей.

16. По результатам, выполненных автором исследований получены эмпирические формулы для расчета технологического процесса очистки.

— сила давления незатопленной струи на преграду вычисляется по формуле ^ = 200 ¦/0-уР0-Кь.

— скорость проникновения разрушения вглубь материала вычисляется по формуле И' = С, •Р02 ¦ ехр (с2 -ехр ((-сз-р0)-х2 -С4 -х|.

17. Разработаны конструкции насадок с максимальной эффективностью воздействия на поверхность отложений с целью их разрушения.

18. Показано, что интенсивность гидродинамического и гидроабразивного износа зависит в основном от относительного давления в струйном потоке жидкости. При различных концентрациях абразивных частиц в жидкости частные зависимости износа от относительного давления проходят через максимум. При увеличении расходной концентрации абразивных частиц в струйном потоке, износ материала возрастает по степенной зависимости с показателем степени при концентрации абразива, равным 0,7. Добавление в гидроабразивный струйный поток пенообразующего вещества приводит к увеличению интенсивности совместного изнашивания.

19. Разработаны и внедрены в производство устройства и технология, реализующие новейшие вибротехнологии, основанные на полученных результатах данной работы по очистке внутренних поверхностей оборудования, резервуаров, емкостей от отложений (хоздоговор № 9.61.07.01−2007 от 1 мая 2007 г.). Данные устройства обладают большей надежностью, малым энергопотреблением, легкостью в обслуживании по сравнению с известными установками по очистке резервуаров и емкостей.

20. Внедрена в производство мобильная, малогабаритная гидродинамическая система, снабженная набором устройств для проведения работ при капитальном ремонте нефтепромыслового оборудования.