• Чирсков Владимир Александрович
  • 2012
  • 23

Разработка ресурсосберегающих технологий строительства магистральных газопроводов нового поколения автореферат диссертации для написания диплома, курсовой работы, тема для доклада и реферата

Разработка ресурсосберегающих технологий строительства магистральных газопроводов нового поколения - темы дипломов, курсовиков, рефератов и докладов Ознакомиться с текстом работы
Специальность ВАК РФ: 25.00.19 — Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ
  • Реферун рекомендует следующие темы дипломов:
  • Адгезионные связи в АСПО и адгезия АСПО к различным материалам
  • Использование нефтеотходов в дорожном строительстве
  • Реферун советует написать курсовую работу на тему:
  • Эколого-экономический анализ и оценка действующей на территориальном уровне системы обращения с отходами нефтедобычи в России
  • Анализ ресурсного потенциала твердых отходов нефтедобычи
  • Реферун советует написать реферат на тему:
  • Разработка технологии получения и применения гидроизоляционного материала на основе АСПО и термопластов
  • Влияние структуры и свойств
  • Реферун предлагает написать доклад на тему:
  • Влияние структуры и свойств углей
  • Разработка системы управления безопасностью магистрального газопровода на эксплу-тационной стадии жизненного цикла проекта
  • Особенности размещения крановых узлов на
  • Анализ распределения интенсивности отказов по длине линейного участка магистрального газопровода
  • Анализ результатов расчета эффективной схемы размещения крановых узлов на линейной части магистральных газопроводов
Поделиться с друзьями:

Полный текст автореферата диссертации Чирсков Владимир Александрович, 2012, 25.00.19 — Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ

На правах рукописи

ЧИРСКОВ ВЛАДИМИР АЛЕКСАНДРОВИЧ

РАЗРАБОТКА РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ СТРОИТЕЛЬСТВА МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

Специальность 25.00.19 - «Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ» (технические науки)

Москва-2012 г.

005009354

Работа выполнена в Российском государственном университете нефти и газа им. И.М. Губкина

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Васильев Геннадий Германович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Гаспарянц Рубен Саргисович

кандидат технических наук Шаповалов Евгений Владимирович

Ведущее предприятие: ЗАО Научно-Проектное Внедренческое Общество «НГС-оргпроектэкономика» „

Защита диссертации состоится «2-(» г. в (9.0(1 часов в ауд.

на заседании Диссертационного Совета Д 212.200.06 при Российском государственном университете нефти и газа имени И.М. Губкина по адресу: Ленинский проспект, 65, корп. 1, Москва, В-296, ГСП-1, 119991.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного университета нефти и газа имени И-М. Губкина. Автореферат

разослан МША 2012 г. Объявление о защите диссерта-

ции и автореферат размещены на официальном сайте РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина http://www.gubkin.ru и направлены на размещение в сети Интернет Министерством образования и науки Российской Федерации по адресу referat_vak@mon.gow.ru.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор А.М. Ревазов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. В настоящее время в нашей стране проектируются и строятся сверхдальние трубопроводы, берущие свое начало от месторождений Крайнего Севера, Западной и Восточной Сибири в центральные районы России и далее на экспорт в страны Западной Европы, а также морские трубопроводы, диаметром 1020-1420 мм на давление:

- сухопутные газопроводы - от 10 МПа до 15 МПа;

- морские газопроводы - до 20 МПа.

Создание таких систем возможно лишь путем решения сложных научно-технических проблем при проектировании, строительстве и эксплуатации этих ответственных инженерных сооружений, использования труб с гладкой внутренней изоляцией из сталей высокого класса прочности (Х80, XI00 и XI20), снижением собственного энергопотребления, повышения рабочего давления газа, а так же сокращения числа промежуточных компрессорных станций и увеличения расстояний между ними.

Такие магистральные трубопроводы высокого давления по эффективности и надежности относятся к конструкциям нового поколения. Именно они должны обеспечить надежную эксплуатацию транспортных магистралей с минимальным уровнем риска и с соблюдением принципов экологической безопасности.

Решению отдельных актуальных задач, которые неизбежно возникнут при проектировании и строительстве газопроводов нового поколения и посвящена настоящая работа.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка ресурсосберегающей технологии строительства подземных магистральных трубопроводов нового поколения с максимальной защитой окружающей среды, снижением стоимости строительства, обеспечением надлежащего уровня качества, на основе использования трубных сталей высокого класса прочности, внутреннего гладкого покрытия, эффективного метода организации сварочно-монтажных работ, методов контроля качества сварных стыков и бесподъемной технологии укладки трубопровода в траншею.

Для достижения этой цели в диссертационной работе автором поставлены и решены следующие задачи:

- проведен анализ эффективности применения новых конструктивных решений при сооружения магистральных газопроводов, включая оценку прироста расстояния между компрессорными станциями при использовании труб с внутренним гладким покрытием, оценку снижения металлоемкости труб, оценку упругопластических деформаций высокопрочных трубных сталей при действии высоких давлений и определены связанные с их реализацией технологические проблемы строительства;

- выполнен сравнительный технико-экономический анализ основных современных способов производства сварочно-монтажных работ в трубопроводном строительстве, выбран вариант, обеспечивающий максимальное ресурсосбережение, теоретически и экспериментально обоснованы технологические параметры и схемы организации выполнения сварочно-монтажных работ при строительстве магистральных трубопроводов нового поколения в трассовых условиях;

- исследованы процессы термического влияния сварочных процессов на внутреннее гладкое покрытие, проведены экспериментальные исследования термической стойкости гладкого полимерного покрытия труб и разработан метод определения минимального расстояния между сварным стыком и внутренним гладким покрытием, обеспечивающий его сохранность при выполнении сварочно-монтажных работ;

- исследованы методы совершенствования бесподъемного способа укладки трубопровода в траншею, включая разработку методики расчета величины напряжений сдвига между изоляционным покрытием и грунтом, способа и технических средств обеспечения сохранности изоляционного покрытия. Научная новизна диссертационной работы заключается в обосновании

новых решений задач совершенствования технологии и организации производства работ по строительству магистральных газопроводов нового поколения на основе перспективных технологий выполнения сварочно-монтажных работ, кон-

троля качества сварных стыков, а также усовершенствованной технологии бесподъемного способа укладки трубопровода в траншею.

Практическая ценность научных исследований. Теоретические и экспериментальные результаты диссертационной работы представляют практический интерес для применения при строительстве магистральных газопроводов нового поколения, включая новый газотранспортный коридор «Бованенково — Ухта» протяженностью около 1100 км и газопровод «Ухта— Торжок» протяженностью 1300 км на рабочее давление более 10 МПа.

Достоверность результатов проведенных исследований Решение поставленных задач основано на использовании современных методов и принципов численных расчетов и сопоставлением полученных теоретических результатов с результатами экспериментальных исследований и промышленного опыта.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты диссертационной работы обсуждались на семинарах и конференциях:

- Заседание проблемного научно-технического совета Российского Союза Нефтегазостроителей «Проблемы механизации строительства магистральных трубопроводов большого диаметра высокого давления» (июнь 2007г.);

- Заседание проблемного научно-технического совета Российского Союза Нефтегазостроителей «Сварка магистральных трубопроводов высокого давления» (октябрь 2007г.);

- XVIII Международный конгресс «Новые технологии газовой, нефтяной промышленности, энергетики и связи» (С1ТОС1С 2008) (октябрь 2008г.);

- Форум «Третья Международная Энергетическая Неделя» (МЭН 2008) (октябрь 2008г.);

- Отраслевое совещание «Состояние и основные направления развития сварочного производства ОАО «Газпром» (ноябрь 2008 г.).

Научные публикации. По результатам научных исследований опубликовано 6 работ, в т.ч. 2 из них - в ведущих рецензируемых научных журналах, получен один патент.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, библиографического списка использованной литературы, включающего 69 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель, основные задачи теоретических и экспериментальных исследований, отражены научная новизна и практическая значимость результатов работы.

В первой главе рассмотрены основные особенности конструкций газопроводов нового поколения и определены связанные с их реализацией технологические проблемы их строительства.

Мировой тенденцией увеличения пропускной способности магистрального газопровода является значительное увеличение рабочего давления с 7,5 МПа до 15 МПа.

Высокое давление при использовании сталей классов прочности до Х70 неизбежно потребует увеличения толщины стенок труб до 30-40 мм и приведет к росту расхода металла. Большие толщины стенок труб и их повышенный вес существенным образом влияют на трудоемкость транспортных и погрузочно-разгрузочных работ, процесс холодного гнутья, сварку и изоляцию соединений в полевых условиях, технологию укладки и испытаний трубопровода.

Альтернативой является применение высокопрочных сталей, что, в свою очередь, ставит новые задачи.

Высокое рабочее давление может оказывать влияние на физико-механические свойства трубных сталей, поэтому в работе проведено исследование напряженно-деформированного состояния стальной оболочки газопровода при действии высоких давлений.

Анализ причин аварий на магистральных газопроводах свидетельствует в большинстве случаев о коррозионно-механической природе разрушения, обусловленной сочетанием появления на внутренней поверхности трубопровода микротрещин и воздействия на них коррозионных сред. Основная причина, вы-

зывающая внутреннюю коррозию газопроводов,— наличие в природном газе агрессивных компонентов, а также минерализованной воды, выступающей в роли электролита. Раствор серной кислоты проникает в микротрещины и вызывает интенсивный коррозионный износ металла стенки газопровода со скоростью, которая пропорциональна внутреннему давлению газа.

Таким образом, чем больше давление газа в трубопроводе, тем, в большей мере, сказывается механохимический эффект, т.е. больше скорость коррозионного растворения металла. Из этого следует, что оптимальным законом изменения давления газа во времени I:, является такая зависимость, при котором наибольшая допустимая величина эквивалентного напряжения а'й оболочке газопровода будет неизменной во времени.

Ропт=ат

Л-т2

Для толстостенной оболочки

4л/з(т-1) г,

у ят

<7Т

Ропт

Для тонкостенной оболочки

(2)

где ат - нижний предел текучести стали, V - средняя скорость электрохимического растворения металла в трещинах, V- объём одного моля (грамм-молекулы) металла, Я - газовая постоянная, Т - абсолютная температура металла, $ -

толщина стенки трубы, "соответственно радиусы внутренней и срединной поверхностей оболочки, I - время, т - безразмерный параметр, определяемый из диаграммы растяжения образца трубной стали.

Если исключить концентраторы напряжения на внутренней поверхности трубы (шероховатость сварных швов, поверхностные дефекты, царапины, задиры и т. п.), то процесс электрохимического растворения металла в этих дефектах не возникнет. Решение этой задачи возможно путем нанесения на внутреннюю

поверхность газопровода, очищенную от грязи и ржавчины, гладкого и прочного изоляционного покрытия с низким коэффициентом шероховатости. В результате получится двойной положительный эффект: не возникнет межкристаллитная коррозия стали под напряжением в среде перекачиваемого газа и увеличится расстояние между компрессорными станциями. При разработке проектов газопроводов нового поколения с учетом природно-климатических условий Севера и Западной Сибири, в первую очередь, следует стремиться уменьшить число компрессорных станций на этих территориях, чтобы сохранить окружающую природу и избежать нарушения естественных экологических систем и разрушения ландшафтов. Теоретические исследования показали, что величина прироста расстояния между компрессорными станциями при использовании газопровода с внутренней гладкой полимерной изоляцией будет:

д2-р2-г-К-Т-ЯгЛ2 ' (3)

Р Р

где: <1 - внутренний диаметр трубопровода, м; *' соответственно абсолютные давления газа в начале и конце участка трубопровода, МПа;

- площадь поперечного сечения трубопровода в свету, М ;

Л. относительная плотность газа по воздуху; Тер - средняя температура газа, К; гер - средний по длине газопровода коэффициент сжимаемости; я - расчетная

м л н .м 3 кг

пропускная способность газопровода, сУтки ; Р - плотность газа, -м3; Я-Н-м

газовая постоянная, кг- К

1.05Лт„ Х= 2тр

Е - коэффициент гидравлического сопротивления газопровода; Е - 0,95 - коэффициент гидравлической эффективности при наличии устройств для очи-

\0.2

Л, =0,067(^ + 1^' стки внутренней полости трубопровода; V <1 ) . коэффициент

гидравлического сопротивления новых труб без изоляции;

Ке = 17,752*

- число Рейнольдса; ц = Ю~6 (0,00322Тср+0,00175Рср +0,166)

динамическая вязкость метана;

р л

ср 3

( Р2 ^ Р..+-

Р +Р

V 1 « Т 1 К

ТТ

■среднее давление газа в газопроводе; '=30 мкм - эквивалентная шероховатость внутренней поверхности труб без внутреннего по-

0.2

Л2 =0,067(1™- + ^

крытия; ч Ле <1 ) _ коэффИцИент гидравлического сопротивле-

ния труб с гладкой внутренней изоляцией; где: Н2 =5 -7 мкм - эквивалентная шероховатость металлопластиковых труб с гладкой внутренней изоляцией.

Вторая глава. Применение высокопрочных сталей и внутренней гладкой полимерной изоляцией определяет необходимость создания новых процессов организации сварочно-монтажных работ. В связи с этим в работе был выполнен сравнительный анализ эффективности применения основных современных способов производства сварочно-монтажных работ, выбран вариант обеспечивающий максимальное ресурсосбережение и дано обоснование технологии и организации выполнения сварочно-монтажных работ при строительстве магистральных трубопроводов нового поколения в трассовых условиях.

По условиям реализации все способы производства сварочно-монтажных работ можно подразделить на ручные, механизированные и автоматические. На практике чаще всего применяется ручная электродуговая сварка, механизированная (полуавтоматическая) сварка в защитных газах и порошковой проволокой, а также автоматическая орбитальная сварка плавящимся электродом в защитных газах.

Оптимальный способ производства сварочно-монтажных работ магистрального трубопровода в трассовых условиях выбирается по технике-

экономическим критериям. Экономическую эффективность технологии производства сварочно-монтажных работ магистрального трубопровода в трассовых условиях наиболее точно характеризует показатель экономической эффективности инвестиций - чистая текущая стоимость (ЧТС), которая рассчитывается на весь жизненный цикл технологического оборудования с учетом затрат и производительности.

При проведении сравнительного анализа технико-экономической эффективности альтернативных вариантов технологии производства сварочно-монтажных работ магистрального трубопровода в трассовых условиях наиболее эффективным является тот вариант, у которой значение ЧТС наибольшее и, наоборот. Интегральный показатель ЧТС определяется техническими, эксплуатационными, производственными, экономическими параметрами принятой технологии производства сварочно-монтажных работ магистрального трубопровода в трассовых условиях. ЧТС является функцией затрат ЧТС=АЗ). Приняв все ТЭП исследуемого технологического оборудования постоянными, можно выбрать из аналогов тот вариант производства сварочно-монтажных работ магистрального трубопровода в трассовых условиях и то оборудование, у которого ЧТС больше.

В процессе сравнительного анализа эффективности применения основных вариантов производства сварочно-монтажных работ затраты при строительстве 100 км трубопроводов диаметром 1420 мм рассчитывались для следующих технологий:

- Ручная электродуговая сварка;

- Комбинированная сварка (утолщенный корень - электроконтактная сварка, заполнение разделки - РЭД сварка);

- Комбинированная сварка (утолщенный корень - электроконтактная сварка, заполнение разделки - лазерная сварка);

- Автоматическая орбитальная сварка плавящимся электродом на оборудовании фирмы СЯС-Еуапз (США).

Сварке подлежали: свариваемые в линию одиночные трубы длиной 11 м, диаметром 1420 мм, с толщиной стенки 20 мм. Базовый вариант для сравнения система СЯС-Еуапэ.

Сравнительные технико-экономические показатели различных вариантов технологии производства сварочно-монтажных работ магистрального трубопровода в трассовых условиях из расчета строительства 100 км трубопровода диаметром 1420мм и толщиной стенок до 20 мм приведены в таблице.

Таблица

№ Вариант сварки Единица измерения Затраты Из них стоимость оборудования Количество Сварщиков, чел.

1. Ручная электродуговая сварка $, USD 2210238 223000 154

2. Комбинированная сварка (корень электроконтактная сварка + разделка - ручная электродуговая сварка) $, USD 4316416 1660000 13 + 84 = 97

3. Автоматическая орбитальная сварка с использованием оборудования фирмы СЯС-ЕуапБ 3.1. Приобретенное оборудование 3.2. взятое в аренду $, USD $, USD 5399228 4710226 4625000 68

4. Комбинированная сварка (корень электроконтактная сварка + разделка - лазерная сварка) $, USD 3666808 3180000 13+6=19

Анализ достоинств и недостатков основных способов производства сва-рочно-монтажных работ, применяемых при строительстве трубопроводов, показал, что в настоящее время наиболее перспективно использование контактной стыковой сварки и комбинированных видов (контактная стыковая сварка - лазерная; контактная стыковая сварка - электродуговая сварка).

В третьей главе рассматриваются вопросы повышения качества работ при строительстве трубопроводов на основе совершенствования процессов контактной и комбинированных видов сварок, которые в наибольшей степени отвечают задачам повышения производительности процесса производства сварочно-монтажных работ магистрального трубопровода в трассовых условиях с обеспечением стабильно высокого качества сварных соединений. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: определены основные параметры процессов оплавления и осадки, механические и вязкопластические характеристики полученных сварных соединений, параметры термической обработки сварных соединений, основные энергетические и силовые параметры оборудования для электроконтактной сварки труб, возможности выполнения контроля качества соединений, полученных по технологии стыковой контактной сварки оплавлением.

Рис.1 Схема разделки кромок для комбинированной сварки и микрошлиф со-

I

Ь - тодцта корневого шва; I. - длина участка кромок корневого шва до сварки; Цс - дл+а корневсго шва после сварки; а - угол наклона кромок.

Степса трубы 01120x32 мм с двумя участками сварки:

1 - корневой шов, выполненный КСО;

2 - шов, вьполнежый ЭДС.

единения

Работа по разработке режимов сварки проводилась на машинах для стыковой контактной сварки К1000 и МСГУ-500 с использованием в качестве свариваемых изделий - образцов, вырезанных из труб, предназначенных для строительства трубопроводов (Рис.1). Сваривались пластины размером 320x27 мм. (поперечное сечение 8640 мм2) и 200x27 мм. (поперечное сечение -5400 мм2). Работа по определению основных энергетических и силовых параметров оборудования проводилась на пластинах размером 320x30 (поперечное сечение - 9600 мм2).

Термическая обработка сварного соединения осуществлялась с использованием преобразователя частоты ТПЧТ-160. При выполнении термической обработки осуществлялась регистрация температурного поля с помощь оптического пирометра.

Ускоренное охлаждение после термической обработки проводилось двухсторонним спреером. Максимальная скорость охлаждения составляла до 20 град/с. Температура в различных зонах сварного соединения, как в процессе оплавления, так и после сварки определялась с помощью хромель-алюмелевых термопар толщиной 0,5 мм., зачеканиваемых в тело образцов на глубину 1,5 мм. Регистрация температуры осуществлялась с помощью осциллографа.

Оценка механических и вязкопластических свойств полученных сварных соединений осуществлялась по результатам испытаний образцов вырезанных до и после термообработки стыков. При этом изготавливались стандартные образцы в соответствии с ГОСТ 6996 для испытания на статическое растяжение тип XI11 (Рис.2), ударный изгиб на стандартных образцах с острым надрезом (Шарпи) типа IX (Рис.3), статический изгиб (в соответствии АР1 1104 образец для изгиба на ребро, (диаметр пуансона соответствовал 50 мм., расстояние между опорами 80 мм.) (Рис.4), а также изготавливались образцы для определения твердости по Виккерсу (НУ5) на макрошлифах в одном сечении (5 мм. от плоскости верхней образующей, расстояние между точками измерения составляло 1 мм).

Рис. 2. Образец после испытания на растяжение.

Рис. 3. Образцы после испытаний на ударный изгиб.

Рис. 4. Образец после испытаний на статический изгиб.

Ударная вязкость определялась при температурах +20°С, -20°С и -40°С. Таким образом, в результате проведенных исследований был определен базовый режим сварки, обеспечивающий стабильно высокое качество сварных соединений

Для оптимизации термических режимов получения сварных соединений были проведены дополнительные исследования по оценке влияния времени выдержки при температуре 930-950°С и скорости охлаждения на ударную вязкость сварных соединений при постоянном времени нагрева - 5 минут.

Для получения высоких скоростей охлаждения применялся спреер с соплами Лавапя, который позволял осуществлять охлаждение водо-воздушной смесью со скоростью до 20 градусов в секунду. Исследовались образцы, сваренные на базовых режимах непрерывным оплавлением. Время выдержки составляло от 1 до 5 минут. После выдержки, проводилось ускоренное охлаждение. Ско-

роста охлаждения в диапазоне температур 930-500°С находились в пределах 12,0-20,0 град/сек.

Также была проведена проверка эффективности применения двойной термической обработки. Двойная термическая обработка представляет собой нагрев стыка за 5 минут до температуры 930-950°С, с последующей выдержкой в течение 2 минут и ускоренным охлаждение. Скорость охлаждения составляла 20,6 град/сек. (930-500°С). Повторный нагрев за 5 минут до температуры 930-950°С -выдержка в течение 1 минуты с последующим ускоренным охлаждением.

Среднее значение ударной вязкости образцов после двойной термической обработки составляет - 91,5±32,6 Дж/см2, что несколько ниже, чем для выдержки 3 минуты, но полностью удовлетворяет требованиям стандартов при температурах до -40°С.

Для практической реализации комбинированной технологии, по которой проводятся сварочно-монтажные работы при строительстве линейного участка магистральных трубопроводов разработана принципиальная схема организации работ, включая технологическую последовательность, по которой проводятся технологические операции, а также контроль качества за данным процессом (

Элементы схемы; 1 - станок для обработки кромок;

2- станок для зачистки поверхности труб под контактные башмаки; 3 - центратор внутренний с внутренним гратоснимггтелем; 4- передвижная электростанция;

5 - сварочная машина КСС;

6 - гратосниматель наружный;

7- сварочный трактор с палаткой для ЭДС.

Рис. 5 Схема организации сварочно-монтажных работ при комбинированной

сварке

Контроль качества сваренного стыка трубопровода заключался в анализе высоты усиления и ширины сварного шва и величины смещения поверхностей. Разработанное и запатентованное автором устройство лазерографического контроля геометрических параметров, содержит лазерный триангуляционный дальномер, модуль управления, персональный компьютер и модуль перемещения, на котором установлена платформа, где размещены лазерный триангуляционный дальномер, блок ориентации, блок идентификации, дальномер, датчик пройденного пути, модуль сбора и подготовки информации, модуль приема передачи данных.

В четвертой главе проведено исследования термической стойкости внутреннего гладкого покрытия труб при производстве сварочно-монтажных работ по строительству магистрального трубопровода в трассовых условиях. Для этого был разработан аналитический метод определение безопасного расстояния между сварным стыком и внутренним изоляционным покрытием из полимерного материала. В процессе сварки стальной оболочки магистрального трубопровода в единую нить на каждую кромку сварного стыка подводится тепловая мощность ц. Если принять ось трубопровода за ось абсцисс, то температура Т в оболочке будет являться функцией координаты х и времени I. При постоянном I функция Т (х, 0 представляет зависимость температуры точек стальной оболочки в данный момент времени от их расстояния до начала координат; частная

ЭГ

производная дх выражает при этом скорость изменения температуры в направлении оси Ох. Если зафиксировать абсциссу х, то и(х, 0 выражает закон изменения температуры в данном сечении стальной оболочки трубопровода с течением времени.

Основное уравнение теплопроводности для трубопровода имеет вид

= 0 а2 = —. оС дх2 'где С'Р (4)

Решая линейное однородное дифференциальное уравнение методом Фурье, получим следующее выражение для определения температуры стальной оболочки

трубопровода на расстоянии х от нагретой кромки по истечении времени t:

4at

T(x,t) =

v-8-с-p^4na-t

(5)

где V . скорость сварочного процесса, к - коэффициент теплопроводности стали, с - удельная теплоемкость стали, плотность.

Для оценки точности аналитического метода расчета были проведены экспериментальные исследования влияния температур сварочного нагрева на деградацию внутритрубного гладкого покрытия. Эти исследования проводились на образцах вырезанных из труб 01220мм. Ширина составляла ~100мм. Толщина внутритрубного гладкого эпоксидного покрытия - 0,3...0,4мм. Сварка осуществлялась на лабораторной машине на режиме аналогичном описанному выше. Время сварки пластин составляло 180 секунд. Схема расположения образцов с гладким изоляционным покрытием в зажимах сварочной машине перед сваркой показана на рис.6.

Начальный вылет __~ 120мм

Покрытие

I

Рис. б. Схема расположения образцов с покрытием в зажимах сварочной машины перед сваркой.

Начальный вылет составлял 120мм. Сварка и последующее остывание сварного стыка проводилось в зажимах сварочной машины. Образцы располагались покрытием к стальным рифленым зажимам.

Перед сваркой для измерения температуры устанавливались термопары. Схема расположения термопар перед сваркой показана на рис.7.

Температура регистрировалась четырехканальным самописцем КСП4 с пределом измерения 0...1100°С. Температура записывалась с момента начала сварки и до температуры остывания сварного стыка ~100°С. Время регистрации температуры составило 10 минут.

| Термопара 2 "||тсрмопар^з|рГермшара^4 |

Термопара 1 | 40

50

60

70

Рис. 7. Схема расположения термопар на пластине перед сваркой.

Проведенные экспериментальные исследования показали на удовлетворительные результаты точности расчета для определения безопасного расстояния между сварным стыком и внутренним изоляционным покрытием.

Пятая глава посвящена совершенствованию технологии укладки магистральных трубопроводов в траншею. Вследствие применения новых конструктивных решений при строительстве трубопроводов нового поколения возникают повышенные требования к укладочным работам. Технические параметры современных трубоукладчиков определяют необходимость увеличения их числа до 11-14 и раздельной укладки отдельных плетей, что сложно для реализации и экономически не эффективно.

Альтернативой является, бесподъемный способ строительства трубопровода, предложенный проф. Минаевым В.И. и Лисивенко А. И.

Бесподъемный способ позволяет значительно сократить потребность в тяжелых трубоукладчиках, снизить влияние производственных процессов на окружающую среду за счет значительного сокращения полосы строительства, полностью убрать из строительного цикла укладочную колонну, повысить качество

землеройно-укладочных работ путем их жесткого совмещения, облегчить управление строительным потоком за счет возможности создания автоматических систем управления. Одним из ограничений в процессе сооружения трубопровода бесподъемным способом является то, что в точках контакта изолированной оболочки с фунтом возникают силы трения скольжения, под действием которых происходит разрушение изоляционного покрытия. При укладке с линейной скоростью V величина этих сил зависит от типа и шероховатости грунта, а также от величины сил, прижимающих трубопровод к поверхности земли (сил нормального давления): N = К • Рц, (6)

дг р

где и и - силы трения скольжения и нормального давления соответственно, К - коэффициент трения скольжения.

Таким образом, для решения поставленной задачи необходимо определить величины сил нормального давления на грунт. Расчетная схема для определения этих сил при бесподъемным способе сооружения трубопровода представлена на рис. 8.

Из решения дифференциального уравнения прогиба упругой оси трубопровода с удовлетворением граничных условий на краях приподнятой части плети и условий совместности деформаций в сечении х = а были получены все неизвестные усилия

При решении конкретного примера по данному алгоритму расчета для магистрального трубопровода 0 1020x10 мм с использованием стандартной систе-

(7)

(8)

В = д1-Р-А.

(9)

мы МаШсас!

были получены следующие результаты:

Р = 1т, А = 4,5т, В = 3,36т ^ а сида ^елля скольжения по контактной поверхности трубопровода и грунта составила ^ = 1>9/и.

я !

'/Я?///////////////////////////////////////.

4-В

7771///////////////////7У/////Л

Ь _

Рис. 8. Расчетная схема трубопровода при бесподъемном способе укладки. Но эти силы, движущиеся со скоростью укладки трубопроводау, действуют не в локальной точке поверхности грунта, а распределены на некоторой длине контактной поверхности ^. Для определения этой длины необходимо было определить осадку фунта под действием этих сил.

Дифференциальное уравнение изгиба трубопровода в этом случае записывается в форме дх

- + 2а^- + Ьгу = 0,

&1

(10)

2 а = -2-, ёЕ1

где • ё ускорение свободного падения, ^ - коэффициент

постели грунта, I - время, Е1. жесткость трубопровода на изгиб, ^ - собственный вес трубопровода на единицу длины.

В результате решения этого уравнения методом Фурье получается:

л =

л

4Е1 + 4gEI

с qv2

(И)

Из формулы (12) видно, что чем выше скорость укладки трубопровода в траншею, тем меньше продольная длина осадочной каверны в грунте от давления цилиндрической оболочки.

Чтобы избежать разрушения наружной изоляции в наиболее нагруженном сечении трубопровода Х = а (рис.8) и снизить до минимума величину силы трения скольжения на краях приподнятой плети, необходимо снабдить укладочную машину специальной стрелой с троллейной мягкой подвеской, для поддержания изолированной оболочки трубопровода в наиболее безопасном сечении.

Но и в этом случае, хотя величина реактивных сил А и В станет значительно меньше силы Р, возможен сдвиг изоляции вдоль наружной поверхности трубопровода, если интенсивность касательных напряжений по контактной поверхности в сечениях х~0ц Х = 1 (рис.8) превысит прочность клеевого соединения изоляционного покрытия. Поэтому было проведено исследование прочности клеевых композиций «Тризолен»; сэвилен адгезионноактивный модифицированный 113-27; сэвилен для клеевого слоя 113-51 наружной изоляции трубопровода от действия сдвигающего усилия N.

т -а + Сп . т

Ьсли величина тах °Т 0 (где ^ - угол внутреннего трения

г

грунта, величина сцепления между частичками грунта) превысит прочность клеевого соединения между наружной стальной поверхностью трубопровода и изоляционным покрытием, произойдет разрыв изоляции с образованием морщин и складок в области контакта оболочки трубопровода с грунтом.

1. Показано, что при строительстве трубопроводов нового поколения использование труб из высокопрочных сталей, внутреннего гладкого покрытия, рабочего давления 12-15 МПа дает значительный эффект, но при этом создает

Выводы

технологические проблемы в процессе строительства. На основании анализа современных методов строительства и возможностей техники определены технологии требующие совершенствования.

2. Анализ современных технологий сварки магистральных трубопроводов в трассовых условиях показал, что при строительстве наиболее оптимальным по качественным и технико-экономическим показателям является метод стыковой контактной сварки с последующей термической обработкой сварного соединения и с использованием лазерографического метода контроля качества сварных стыков, на который получен патент.

3. Разработан аналитический метод оценки термического влияния на внутреннее гладкое покрытие с определением минимального расстояния между сварным стыком и изоляционным покрытием. Все расчеты подтверждены результатами экспериментальных исследований.

4. Усовершенствована перспективная технология бесподъемного способа укладки трубопровода в траншею с разработкой аналитического метода расчета величины напряжений сдвига между наружной изоляцией и грунтом и нового конструктивного решения, обеспечивающего безопасность конструкции изоляционного покрытия в процессе строительно-монтажных работ.

Основные результаты работы опубликованы в следующих научных трудах:

1. Васильев Г.Г., Чирсков В.А. Снижение стоимости сооружения магистральных трубопроводов при помощи использования труб высокой прочности. Научно-технический сборник, РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, Магистральные и промысловые трубопроводы: проектирование, строительство, эксплуатация, ремонт, М., 2005, № 4, с.22-26.

2.Васильев Г.Г., Чирсков В.А. Мировая практика по применению высокопрочных сталей в трубопроводном транспорте. Научно-технический сборник, РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, Магистральные и промысловые трубопроводы: проектирование, строительство, эксплуатация, ремонт, М., 2006, №1, с. 16-19.

3. Чирсков В. А. Сравнение подходов к определению затрат на строительство магистральных трубопроводов. Нефть, газ и бизнес. М., 2007, № 7, с. 30-34.

4. Хоменко В.И., Чирсков В.А., Курочкин A.B., Кучук-Яценко С.И., Кирьян В.И., Казымов Б.И. Новые высокопроизводительные технологии сварки трубопроводов высокого давления. Материалы отраслевого совещания «Состояние и направления развития сварочного производства ОАО «Газпром». ООО «ИРЦ Газпром». М., 2008, с. 167-175.

5. Хоменко В.И., Чирсков В.А. Особенности строительства трубопроводов повышенного давления. Сборник докладов XVIII Международного конгресса «Новые технологии газовой, нефтяной промышленности, энергетики и связи» (CITOGIC 2008). 2008, Том 18, с.274-278.

6. Васильев Г.Г., Ерошкина И.И., Ковалева С.О., Чирсков В.А. Вопросы точности оценки инвестиционной составляющей проектов по строительству магистральных трубопроводов. Газовая промышленность. М., 2009, № 1, с. 13-17.

7. Патент РФ № 101958, МПК В23К9/095 Устройство лазерографического контроля. Хоменко В.И., Курочкин A.B., Чирсков В.А. - опубл. 10.02.2011г.

Подписано в печать 12.01.2012. Формат 60x90/16.

Бумага офсетная Усл. п.л.

Тираж 100 экз. Заказ № 3

Издательский центр РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина 119991, Москва, Ленинский проспект, 65 Тел.: 8(499)233-95-44

Поделиться с друзьями: