Создание и использование пластмассовых трубопроводов в нефтегазовой отрасли России (разовая защита) (19.10.2009)

Автор: Фаттахов Мухарям Минниярович

К середине 1980-х г. в результате проведенных исследований и анализа накопленного опыта эксплуатации пластмассовых трубопроводов были сформулированы особенности их расчета на прочность и устойчивость, которые должны включать анализ условия устойчивости круглой формы поперечного сечения и условия предельно допустимой величины овализации поперечного сечения трубы. Расчет пластмассовых трубопроводов на прочность и несущую способность проводится с учетом силового, деформационного и сейсмического воздействия. Расчет должен производиться по расчетным нагрузкам (В. Ю. Каргин, В. Е. Бухин и др.).

Таким образом, начиная с середины 1960-х гг. на основе классических моделей расчета на прочность металлических конструкций, к 1980-м гг. были созданы основные расчетные методики по определению прочности и устойчивости трубных пластмассовых конструкций с учетом особенностей материалов для основных видов конструкций труб. На современном этапе развития пластмассовых трубных конструкций и пластмассовых покрытий назрела необходимость детальной систематизации знаний в области сопротивления пластмассовых материалов.

Глава 4. Анализ исследований по разработке гидравлического расчета при проектировании трубопроводов из пластмассовых труб

В связи с широким использованием пластмассовых трубопроводов для систем сбора и транспорта нефти, газа и нефтепродуктов возникла необходимость исследования вопроса их гидравлического расчета. В основу расчета гидродинамических параметров пластмассовых трубопроводов положены классические модели движения жидкости, газа и многофазных потоков по металлическим трубопроводам. Важной особенностью пластмассовых трубопроводов является их относительно невысокая шероховатость, которая существенно зависит от технологии их изготовления. На внутренней поверхности труб имеются волнистость и отдельные макронеровности, которые также влияют на гидравлическое сопротивление.

К концу ХХ в. практически была завершена систематизация моделей гидравлического расчета пластмассовых трубопроводов, которая наиболее полно представлена в трудах специалистов ВНИИВОДГЕО, ЛИИЖТ и ГипроНИИгаз и др.

, ((0, (, – коэффициент гидравлического сопротивления металлического и пластмассового трубопровода соответственно) наличие невысокой шероховатости пластмассовых труб по сравнению с металлическими приводит к увеличению расхода трубопроводной системы (рисунок 4).

в трубопроводных системах, предполагает проведение детального обоснования изменения гидравлических параметров с течением времени в процессе эксплуатации трубопроводов.

1 – зона квадратичной области; 2 – переходная зона; 3 – ламинарная зона

для различных режимов течений

Известно, что при стыковой контактной сварке пластмассовых труб на внутренней и наружной поверхностях стыка образуется грат. При этом высота и ширина грата возрастают с увеличением толщины стенки трубы.

Изучение влияния конструктивных и технологических факторов на работоспособность сварных соединений полиэтиленовых трубопроводов и опыт эксплуатации таких трубопроводов показывают, что грат практически не повышает прочность сварного соединения, а в отдельных случаях даже способствует возникновению в нем трещин. При этом внутренний грат снижает эксплуатационные характеристики трубопровода, уменьшает его пропускную способность за счет увеличения местного сопротивления и является очагом различных отложений. Отрицательное влияние внутреннего грата можно снизить, уменьшая его размеры или ликвидируя его. Грат с достаточной степенью приближения можно считать местным сопротивлением диафрагменного типа, в котором изменение параметров перекачиваемого жидкостного потока не существенно.

Существует ряд способов, позволяющих уменьшить величину грата, предотвратить его появление или полностью удалить. При этом существующие методы ликвидации внутреннего грата реализуют либо на стадии подготовки свариваемых торцов, либо после сварки.

Проведенными исследованиями установлено, что ликвидация грата путем ограничения вытеснения из зоны стыка расплава полимера приводит к снижению прочности сварного соединения и появлению в нем дефектов. При этом экранирующая сварной шов прокладка препятствует протеканию необходимых реологических процессов, вследствие чего из зоны контакта не удаляются все ингредиенты, препятствующие взаимодействию макромолекул соединяемых поверхностей. Таким образом, на стадиях подготовки кромок труб и в процессе сварки полностью ликвидировать грат без нанесения ущерба качеству сварного шва не предоставляется возможным, а наиболее эффективным методом ликвидации грата является снятие его механическим способом вровень с основным материалом труб либо в вязкотекущем состоянии, либо при завершении процесса сварки стыка. При этом удаление грата не оказывает влияния на прочность сварных соединений полиэтиленовых труб.

В качестве мероприятия по уменьшению грата в данной работе разработан способ ограничения высоты внутреннего грата, основанный на вводе во внутреннюю поверхность сварного стыка цилиндра с зазором 1,0–1,5 мм меньше внутреннего диаметра трубы, соединенного со штангой-центратором, на который установлен регулируемый упор и который после охлаждения расплава извлекается из трубы. В этом случае учет влияния остатка грата в гидравлическом расчете сводится к определению сопротивления в трубопроводах со значительной по величине эквивалентной шероховатостью.

Решение энергетических проблем экономики нашей страны, основанное на использовании нефти и газа, особое требование предъявляет к обустройству месторождений углеводородного сырья трубопроводными системами. В этих условиях актуальным является расчет гидродинамических параметров транспортируемых нефтегазовых смесей по трубопроводам, изготовленным из пластмассовых материалов.

Первые исследования по данному вопросу относятся к 50-м гг. XX столетия. После накопления определенного экспериментального материала к концу 60-х и началу 70-х гг. прошлого столетия в научных коллективах четко сформировалось утверждение, что движение нефти, газа и воды в трубопроводе необходимо рассматривать как многофазное течение многокомпонентной системы. На основе теоретических исследований была разработана система общих дифференциальных уравнений, описывающих движение и энергетическое состояние многофазных потоков. Поскольку движение многокомпонентной системы детерминировано многими параметрами, анализ течения таких систем довольно сложен, поэтому для замыкания уравнений гидродинамики при решении конкретных технических задач нашли применение полуэмпирические зависимости, устанавливающие связь между параметрами движения многофазных систем и основными критериями, характеризующими это движение.

Экспериментальному изучению движения газоводонефтяных смесей в трубах посвящены многочисленные исследования отечественных и зарубежных ученых, проведенные за период с 1957 по 1975 гг.

В 1964–1965 гг. Н.Н. Репиным совместно с К.В. Виноградовым было рассмотрено движение системы «нефть–газ–вода» в вертикальных трубах. Было установлено, что перепад давления в таких трубах распределяется в основном на преодоление веса столба смеси и потерь на трение. Сделан вывод о том, что основная доля потерь напора связана с относительным движением фаз смеси. Поскольку движение многофазной системы в вертикальных трубах несколько отлично от движения в горизонтальных трубопроводах, активно изучалось движение многокомпонентной системы в горизонтальных и наклонных трубопроводах.

В ранних работах Д.П. Собочинского и П.Л. Хантингтона, проведенных в 1957–1958 гг., впервые исследовано движение трехкомпонентной многофазной системы в горизонтальной пластмассовой трубе. В качестве модельной многофазной системы была принята смесь газойля, воды и воздуха. Изучались структурные формы движения многофазной системы, изменение потерь давления в трубопроводе в зависимости от параметров перекачиваемой системы, и результаты сравнивались с данными, полученными при движении по тому же трубопроводу смесей воздуха и воды, воздуха и газойля. Эти же авторы предлагают методику расчета для течения смеси в горизонтальном трубопроводе. Как показали дальнейшие исследования 60–70-х гг. ХХ в., авторы недостаточно полно изучили структурные формы движения многофазных систем. Кроме того, для подсчета вязкости жидкой фазы эти авторы рекомендуют пользоваться правилом аддитивности, что не применимо при определении вязкости эмульсий.

В конце 1960-х гг. М.Г. Миннигазимов и Р.Ш. Шакиров исследовали движение газоводонефтяных смесей применительно к промысловым условиям. Ими были проведены эксперименты на стендовых трубопроводах диаметрами 0,04, 0,05, 0,062 и 0,102 м и длиной 75 м. В результате были построены для газонефтяной смеси экспериментальные кривые зависимости:

– перепад давления в трубопроводе на единицу длины;

– расходное газовое число;

wж – скорость движения жидкой фазы;

Р0, Р – давление атмосферное и в условиях движения соответственно;

Гф – газовый фактор.

На основе формулы Дарси-Вейсбаха вышеназванные авторы вычислили коэффициент гидравлического сопротивления:

где D – внутренний диаметр трубопровода;

wсм, ?см – скорость и плотность газожидкостной смеси.

В случае, когда необходимо определить величину гидравлических сопротивлений при движении газоводонефтяных смесей, авторы предложили вычислить коэффициент гидравлического сопротивления по следующей формуле:

где ?см, ? – кинематический коэффициент вязкости водонефтяной эмульсии и безводной нефти;

К1 – эмпирический коэффициент.

При определении ?см для другого диаметра D1 предложили следующую эмпирическую зависимость:

где a, b – численные коэффициенты.

Авторы рассматривали вязкость эмульсий только в зависимости от температуры и обводненности нефти. Кроме того, рассмотрение влияния расходов фаз, вязкости водонефтяной эмульсии, диаметра трубопроводов на движение смеси недостаточно для полного описания гидравлики газоводонефтяного потока. Поэтому полученные эмпирические формулы можно было использовать только в узком диапазоне изменения свойств перекачиваемых продуктов.

В работах А.Н.Бочарова, Р.С.Андриасова, Л.А.Пелевина, проведенных за период с 1971 по 1976 гг., осуществлены исследования по реологии газоводонефтяных смесей. При построении реологических кривых для выбора модели, описывающей движение газоводонефтяных смесей, авторы обосновали зависимость вида:

где ?с – касательное напряжение сдвига;

Drж – условный градиент скорости по жидкости;

Drсм – условный градиент скорости смеси;

?в – объемное водосодержание.

На основании обширного экспериментального материала был сделан вывод, что газоводонефтяные смеси относятся к псевдопластикам.


загрузка...