Исследование эксплуатационной надежности промысловых стеклопластиковых трубопроводов в условиях Западной Сибири тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.19, кандидат технических наук Игнатко, Владимир Михайлович

• Игнатко, Владимир Михайлович
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Игнатко, Владимир Михайлович

Введение.

Глава 1. Состояние проблемы применения стеклопластиковых труб в нефтегазовой отрасли. Цель и задачи исследования.

1.1. Стеклопластиковые трубы на предприятиях нефтегазового комплекса.

1.2. Конструкция стеклопластиковых труб.

1.3. Классификация соединений стеклопластиковых труб.

Выводы по главе 1.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование эксплуатационной надежности промысловых стеклопластиковых трубопроводов в условиях Западной Сибири»

Цель и задачи исследования.34

Глава 2. Изучение прочностных характеристик стеклопластиковых труб в зависимости от определяющих факторов (давления и температуры).36

2.1. Описание объекта исследований.36

2.2. Опытная установка для изучения прочностных свойств стеклопластиковых труб.43

2.3. Определение силовых характеристик стеклопластиковых труб для стандартных услоьий.45

2.4. Определение времени выхода прочностных характеристик стеклопластика на конечные значения.53

2.5. Определение зависимостей прочностных характеристик стеклопластиковых труб и их модулей упругости от давления и температуры.56

Выводы по главе 2.62

Глава 3. Исследование потери устойчивости стеклопластиковых трубопроводов.64

3.1. Анализ факторов, влияющих на устойчивость формы трубопроводов.64

3.2.Анализ условий, приводящих к потере устойчивости трубопровода.65

3.3.Определение отпора грунта при пространственном перемещении трубопровода.69

3.4. Продольно-поперечный изгиб действующего трубопровода.76

Выводы по главе 3.89

Глава 4. Влияние морозного пучения грунтов на напряженно-деформированное состояние стеклопластиковых трубопроводов.90

4.1. Описание процесса морозного пучения грунтов.90

4.2. Расчет температурного поля промерзающего грунта на большом расстоянии от трубопровода.92

4.3. Расчет температурного поля промерзающего грунта вокруг трубопровода.97

4.4. Силовое взаимодействие промерзающего пучинистого грунта с трубопроводом.103

4.5. Расчет напряженно-деформированного состояния стенки трубопровода из стеклопластика.109

Выводы по главе 4.116

Общие выводы по работе.117

Литература.118 ft

Введение

Известные и широко рекламируемые преимущества трубопроводов из стеклопластиков не могут служить основой безоглядного их применения в нефтяной отрасли, о чем свидетельствует многолетний опыт их эксплуатации ОАО «Славнефть-Мегионнефтегаз». Между тем, объемы применения стеклопластиковых труб неуклонно растут. Так, в 1999 году их протяженность (водоводы и нефтесборы) составила 74,5 км, что почти вдвое превышает аналогичный показатель 1998 года (38,7 км). В основном используются трубы диаметром 100-250 мм, характерной особенностью эксплуатации которых является значительный разброс температуры и рабочего давления транспортируемого продукта. Так, температура транспортируемой жидкости нефть + вода) на Мегионском месторождении у группы скважин кустов Кб,6 составляет 76°С, а на участке трубопровода К.З ДНС-ДНС Кетовского месторождения - всего 10°С. Диапазон изменения рабочего давления также значителен, от 30 кг/см (ДНС-1-Мегионское месторождение) до 10 кг/см (ДНС-2-Мыхлайское месторождение).

Проблемы применения труб из стеклопластиков на нефтепромыслах начинаются уже на стадии формирования технического задания на проектирование. Так как не определена четко область применения стеклопластиковых труб (с учетом грунтовых и климатических особенностей Западносибирского нефтегазового региона и недостаточного опыта их эксплуатации), разработка и формулировка технического задания на проектирование значительно затруднены. Требования к техническому заданию на изготовление стеклопластиковых труб и изделий к ним очень высокие, поскольку задание содержит, помимо общих требований, технические условия эксплуатации: характеристики окружающей среды, газонефтяной смеси, нефти в пластовых условиях и на поверхности, газа и подтоварной воды, а также объемы транспортируемых потоков (нефть, газ, вода).

Исключительная сложность условий эксплуатации нефтепромысловых трубопроводов и низкая сдвиговая прочность стеклопластиковых труб приводят к случаям их разрушения (при этом разливы нефтепродуктов занимают значительные площади). Для магистральных нефтепроводов разработаны и применяются (хотя и устаревшие) методики подсчета потерь нефти и нанесенного ущерба. Для промысловых нефтепроводов таких методик подсчета вообще нет. Поэтому значительная часть разлившихся из-за порывов нефтепродуктов остается неучтенной.

При эксплуатации нефтепроводов из стеклопластиковых труб проблематично применение внутритрубной диагностики. В настоящее время не разработаны соответствующие методики, отсутствует оборудование и приборы для диагностирования в условиях нефтедобывающего предприятия. Поэтому неупорядочена и система производства ремонтных работ.

Инструкция, регламентирующая эксплуатацию и техническое обслуживание стеклопластиковых труб, предусматривает следующие виды контроля за их техническим состоянием: наружный осмотр, геодезический замер пространственного положения трубы на участках слабонесущих грунтов, а также периодические испытания и очистку трубопровода от парафина смол. При этом очистка трубопровода выполняется лишь в исключительных случаях: ошибочный выбор диаметра трубы, неточные исходные данные по химическому составу транспортируемого продукта или его температуре. Однако не все факторы, обуславливающие выделение парафина и смол в трубопроводе, при этом учтены и главное - не решена проблема очистки внутренней полости трубопровода в условиях нефтедобывающего предприятия северного региона.

Действующие в настоящее время инструкции исключают любые, даже кратковременные, остановки подачи транспортируемого продукта. К сожалению, такие остановки неизбежны, что (в условиях сурового климата Западной Сибири) приводит к проблеме запуска трубопровода в случаях замерзания продукта.

Инструкцией строго регламентированы все этапы проектирования подземных промысловых нефтепроводов из стеклопластиковых труб. С выделением случаев, когда при прокладке трубопроводов следует принимать специальные конструктивные решения. Для условий Среднего Приобья отмечены девять случаев таких выделений, связанных с неравномерной осадкой слабых грунтов, с высоким уровнем грунтовых вод, значительными колебаниями температуры и т.д.

Исключительно жесткие требования действующей инструкции к подготовке траншеи, к креплению стенок, к грунтам обратной засыпки и их уплотнению резко повышает значимость «грунтового фактора», т.е. оценку грунтов вдоль трассы трубопровода из стеклопластика. Между тем, регламентированная ГОСТ 25100-95 классификация грунтов принципиально отличается методами определения и критериями оценки грунтов по их физико-механическим свойствам, а также их прочностные и деформационные показатели.

Так например, плотность грунта по нормативам ASTM D1586 «Stan-dart Method for Penetration Test and Split Barrel Sampling of Soils» оценивается no результатам динамичного зондирования, область применения которого ограничена, и который в механике грунтов не считают достаточно достоверным.

В соответствии с инструкцией угол поворота стеклопластиковых труб не должен превышать 2°. Такое жесткое требование к пространственному положению трубопровода обусловлено низкой сдвиговой прочностью тела самой трубы. Отсюда следует, что даже незначительные воздействия сил морозного пучения грунтов в зоне глубокого сезонного промерзания или просадка грунта вызывают дополнительные нагрузки в стенке трубы. Для Западносибирского нефтегазового региона, где грунты различной степени пучинистости, слабые грунты (торф, заторфованные грунты болота, суглинки с константой Jj > 0,7) занимают более 80% территории, проблема весьма актуальна.

Сложно оценить и ремонтопригодность трубопровода из стеклопла-ф стиковых труб. С одной стороны, незначительная глубина прокладки трубопроводов, малый вес и ненужность сварочных и изоляционных работ значительно сокращают и облегчают работы по ремонту трубопроводов. С другой - технология ремонта труб и основных типов соединений (особенно при отрицательной температуре) является весьма трудоемкой. Поэтому методы ремонта требуют дальнейшего совершенствования. Кроме того, наличие разъемных соединений является фактором, увеличивающим вероятность отказов и аварий.

Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию влияния различных факторов на эксплуатационную надежность стеклопластиковых труб, их долговечность и установлению области эффективного их применения с учетом грунтовых условий Западной Сибири.

Заключение диссертации по теме «Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ», Игнатко, Владимир Михайлович

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Проведен анализ действующих стеклопластиковых трубопроводов по давлению, температуре и грунтовым условиям.

2. Сконструирована и собрана промышленная установка для испытаний стеклопластиковых труб, позволившая определить силовые и прочностные характеристики труб в выбранных, соответствующих реальным условиям эксплуатации, диапазонах изменения давления и температуры, а также определены характерные времена выхода указанных параметров на стационарные значения.

3. Проведен анализ действующих стеклопластиковых трубопроводов на потерю устойчивости 1-го и 2-го рода и для последнего случая рассчитаны максимальные сжимающие осевые напряжения в стенке трубы и их относительный уровень по сравнению с R2.

4. На основе рассчитанной динамики промерзания грунта вокруг трубопровода в холодный период времени выявлены условия формирования мерзлого грунта под трубопроводом и предложена расчетная схема силового взаимодействия трубопровода с промерзающим грунтом.

5. Определено напряженно-деформированное состояние стенки трубопровода под воздействием сил морозного пучения и найдены координаты опасных сечений с соответствующими экстремальными значениями осевых напряжений, что позволило рассчитать их относительный уровень и тем самым дать оценку эксплуатационной надежности трубопровода.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Игнатко, Владимир Михайлович, 2003 год

1. Айнбиндер А.Б. Расчет магистральных и промысловых трубопроводов на прочность и устойчивость. М.: Недра, 1991г. — 287 с.

2. Александров А.В., Потапов В.Д., Державин Б.П. Сопротивление материалов.-М.:Высшая школа, 1995.-560с.

3. Балашев О.А., Кошелев А.А., Кривошеин Б.Л. Влияние различных факторов на теплообмен подземных трубопроводов с окружающей средой // Нефть и газ.-№6, 1970.-С.81-87.

4. Беляев Н.М., Рядно А.А. Методы нестационарной теплопроводности.-М.'.Высшая школа, 1978.-328 с.

5. Беляев Н.М., Рядно А.А. Методы теории теплопроводностей (1-я часть).-М.: Высшая школа, 1982.-С.41-327.

6. Беляев Н.М., Рядно А.А. Методы теории теплопроводностей (2-я часть).-М.: Высшая школа, 1982.-С.42-304.

7. Бородавкин П.П. Подземные магистральные трубопроводы.-М. :НедраД982.-3 84с.

8. Бородавкин П.П. Механика грунтов в трубопроводном строительстве. -М. :Недра, 1976.-270с.

9. Бородавкин П.П., Синюков A.M. Прочность магистральных трубопроводов.- М.:Недра, 1984.-245с.

10. Вентцель Е.С., Овчаров Л.А. Теория вероятностей и ее инженерные приложения.-М: Высшая школа, 2000.-480с.

11. П.Виноградов С.В. Расчет подземных трубопроводов на внешние нагрузки.-М. :Стройиздат, 1980.-152с.

12. Влияние теплофизических характеристик грунтов на режимы эксплуатации магистральных трубопроводов.-М. :ВНИИгазпром, 1974.-69С.

13. Вялов С.С., Егоров Н.И. Экспериментальное определение сил пучения грунтов.-Труды инст-та мерзлотоведения.-М.: АН СССР, т. 14, 1958,с.111-116.

14. Ганелес Л.Б. Исследование закономерности промерзания грунтов для прогноза деформаций пучения оснований; Автореферат дисс. на соиск.уч.степ. канд.техн.наук.-Л.: ЛИИЖТ, 1978.-25 с.

15. Горбатиков В.А., Даниэлян Ю.С. и др. Инструкция по определению температурного режима вечномерзлых и сезонномерзлых грунтов и прогнозирование последствий изменения тепловых условий на поверхности.-Тюмень: Гипротюменнефтегаз, 1991.-47с.

16. Горковенко А.И. Влияние сил морозного пучения на высотное положение трубопровода // Нефть и газ.-1999.-№3 .-С.23.

17. Горковенко А.И. Исследование влияния сил морозного пучения грунтов на напряженно-деформированное состояние трубопровода. — Ди.канд.техн.наук. Тюмень, 1999.-115с.

18. Горковенко А.И., Чикишев В.М. Взаимодействие трубопроводов с грунтами в условиях глубокого сезонного промерзания // Строительный вестник. -1998.-№3(4).

19. ГОСТ 11262-80. Пластмассы. Метод испытания на растяжение. М.: Издательство стандартов, 1986г.

20. ГОСТ 25100-95. Грунты. Классификация. М.:Издательство стандартов,1996г.

21. ГОСТ 4651-82. Пластмассы. Метод испытания на сжатие. М.: Издательство стандартов, 1982г.

22. ГОСТ 9550-71. Пластмассы. Методы определения модуля упругости. -М.: Издательство стандартов, 1972г.

23. Далматов Б.И. Воздействие морозного пучения грунтов нафундаменты сооружений. Л.: Гостройиздат, 1957.-58с.

24. Далматов Б.И., Ласточкин B.C. Устройство газопроводов в пучинистых грунтах. Л., Недра, 1978.

25. Димов Л.А. Сопротивление грунта вертикальному вверх перемещению подземных трубопроводов и других мелкозаглубленных сооружений. // Вопр. надеж, газопровод, конструкций / ВНИИприрод. Газов и газ.технол. (ВНИИГАЗ).- М.,1993.-с.87-96.

26. Димов Л.А., Соломатина Т.М. Совершенствование расчета подземных трубопроводов с позиции механики грунтов. // Стр-во трубопроводов.-1992.-№4.-с. 13-14.

27. Дубина М.М., Красовицкий Б.А. Теплообмен и механика взаимодействия трубопроводов и скважин с грунтами. — Новосибирск.: Наука, 1983. —133с.

28. Дубнов Ю.Д. Исследование касательных сил морозного пучения грунтов; Автореф.дисс.на соиск.уч.степ.канд.техн.наук.-М., 1966.-24с.

29. Ершов ЭД. Общая геокриология: Учеб.для ВУЗов.-М.: Недра, 1990.559с.

30. Иванов И.А., Антонова Е.О., Бахмат Г.В., Степанов О.А. Теплообмен при трубопроводном транспорте нефти и газа.-М.: Недра, 199г.-228с.

31. Иванов И.А., Кушнир С.Я., Горковенко А.И. Силовое взаимодействие трубопровода с промерзающим грунтом // Международная конференция «Геотехника. Мониторинг и оценка состояния сооружений». Санкт-Петербург.: Изд. «Вердана», 2001г.-С. 100-105.

32. Игнатко В.И., Кушнир С.Я., Казакова Н.В. Эксплуатационные проблемы промысловых нефтепроводов из стеклопластиковых труб.// Сборник научных трудов: «Проблемы транспорта в Западно-Сибирском регионе России»- Тюмень: ТюмГНГУ, 2001 г.-114-117с.

33. Игнатко В.М., Кушнир С.Я., Казакова Н.В. Установка для испытания труб из стеклопластика. // Сборник научных трудов: «Вопросы состояния и перспективы развития нефтегазовых объектов Западной Сибири» Тюмень: ТюмГНГУ, 2002г.

34. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача.-М., 1981.

35. Использование стеклопластиковых труб в нефтяной промышленности /Экспресс-информ. Сер. Нефтепромысловое дело.- М.: ВНИИОЭНГ, 1994.Вып.11-12.-С.22-30.

36. Карнаухов Н.Н., Моисеев Б.В., Степанов О.А, Малюшин Н.А., Лещев Н.Н. Инженерные комменикации в нефтегазодобывающих районах Западной Сибири. Красноярск: Стройиздат, 1993 .-160с.

37. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел.-М.: Наука, 1964.

38. Киселев М.Ф. О пучинистости грунтов при промерзании.-Труды НИИОСП, вып.26,М. Госстройиздат, 1955.

39. Клементьев А.Ф. Устойчивость магистральных трубопроводов в сложных условиях.-М.:Недра, 1985.-113с.

40. Коновалов А. А. Прочностные свойства мерзлых грунтов при переменной температуре .-Новосибирск: Наука.Сиб.отд., 1991.-93 с.

41. Корн Г., Корн Т. Спарвочник по математике для научных работников и инженеров.-М.: Наука, 1977.-631 с.

42. Кривошеий Б.Л. Теплофизические расчеты газопроводов.-М.:Недра, 1982.

43. Кубателадзе С.С. Основы теории теплообмена.-М.: Атомиздат, 1979.-415с.

44. Кушнир С.Я., Горковенко А.И., Гербер А.Д., Игнатко В.М. Прочностные характеристики стеклопластиковых труб и потеря устойчивости трубопроводов.// Нефть и газ.-№3,2003г.

45. Кушнир С.Я., Горковенко А.И., Гербер А.Д., Игнатко В.М. Воздействие нормальных сил морозного пучения на стеклопластиковые трубопроводы (по опыту эксплуатации в ОАО «Славнефть-Мегионнефтегаз»).

46. Сборник научных трудов: «Вопросы состояния и перспективы развития нефтегазовых объектов Западной Сибири» Тюмень: ТюмГНГУ, 2003г.

47. Кушнир СЛ., Горковенко А.И., Иванов И.А. О взаимодействии трубопровода с пучинистым грунтом // Материалы региональной научно-технической конференции «Природные и техногенные системы в нефтегазовой отрасли».-Тюмень: ТГНГУ, 1998г.-С.63-66.

48. Лейбензон JI.C. Нефтепромысловая механика. М.: Академиздат, 1955.-678с.

49. Леонтьев Н.Н., Соболев Д.Н., Амосов А.А. Основы строительной механики стержневых систем.-М: Изд. АСВ, 1996.-541с.

50. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967.600с.

51. Лыков А.В. Тепломассообмен.-М.: Энергия, 1971.

52. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи.-М.: Энергия, 1973.-319с.

53. Мочалин А.И. Применение 8 функции Дирака к решению дифференциальных уравнений в частных производных параболического типа / Сб. «тепломассообмен в процессах испарения» .- М.: Изд.АН СССР, 1958.

54. Николаев Н.В. К определению пригрузки, необходимой для упругого изгиба трубопровода в вертикальной плоскости. // Стр-во трубопроводов.-1992.-№ 10.-С.З 0-32.

55. Орлов В.О. Криогенное пучение тонкодисперсных грунтов.-М.: Изд-во АН СССР, 1962.-187с.

56. Орлов В.О., Дубнов Ю.Д., Меренков Н.Д. Пучение промерзающих грунтов и его влияние на фундаменты сооружений.-Л. :Стройиздат, 1977.-184 с.

57. Орлов В.О., Елгин Б.Б., Железняк И.И. Морозное пучение грунтов в расчетах оснований сооружений.-Новосибирск.:Наука, 1987.-136 с.

58. Основы геокриологии .Часть 4: Динамическая геокриология / Под.ред.Ершова Э.Д.-М.:Изд.МГУ, 1999 .-688 с.

59. Основы геокриологии .Часть 5: Инженерная геокриология / Под.ред. Ершова Э.Д.-М.:Изд.МГУ, 2001.-526 с.

60. Павлов А.В. Теплообмен промерзающих и протаивающих грунтов с атмосферой.- М.: Наука, 1965.

61. Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В. Справочник по сопротивлению материалов. Киев.: Наукова думка, 1988. - 736 с.

62. Порхаев Г.В. Тепловое взаимодействие зданий и сооружений с вечномерзлыми грунтами.-М.: Наука, 1970.

63. Поршаков Б.П., Бикечентай Р.Н., Романов Б.А. Термодинамика и теплопередача. М.: Недра, 1987. - 349 с.

64. Проблемы инженерного мерзлотоведения в гидротехническом строительстве .-М.:Наука, 1986.-205с.

65. Ржаницын А.Р. Строительная механика.-М.: Высшая школа, 1982.400с.

66. Рубинштейн Л.И. Проблема Стефана.- Рига, 1967.

67. Саргсян А.Е., Демченко А.Т., Дворяншков Н.В., Джингвелашвили Г.А. Строительная механика.-М.:Высшая школа, 2000.

68. СНиП 11-18-76 Нормы проектирования.-М.: Стройиздат, 1977, -47 с.

69. СНиП 2.02.04-88. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах /Госстрой СССР.- М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1990.-56с.

70. СНиП 23-01-99. Строительная кпиматология.-М.:Стройиздат, 1999,64с.

71. СНиП 2.05.06-85. Магистральные трубопроводы.-М., 1985.-56с.

72. Справочник по строительству на вечномерзлых грунтах. Под.ред. Ю.Я.Велли, В.И.Докучаева, Н.Ф.Федорова.-Л.:Стройиздат, Ленинг.отд., 1977.-552с.

73. Тартаковский Е.Е. Строительная механика трубопроводов.-М.: Недра, 1967.-220С.

74. Терцаги К. теория механики грунтов.-М.: Госстройиздат, 1961.-507с.

75. Тихонов АН., Самарский АА Уравнения математической физики.-М.: Наука, 1977.-736C.

76. ТУ 39-0147016-56-95. Трубы гибкие условным диаметром 50; 60; 75; 100; 150 мм на давление до 4 МПа. Технич. условия, 1995. 4 с.

77. Тютюнов ИЛ. Миграция воды в грунтах.-В кн. Исследования по физике и механике мерзлых грунтов.-М: Изд-во АН СССР, вып.4,1961.

78. Фиберглассовые трубы и фитинги для нефтяных месторождений /Экспресс-информ. Сер. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море.- М.: ВНИИОЭНГ, 1994. Вып. 11-12. С. 24 -28.

79. Харионовский В.В. Повышение прочности газопроводов в сложных условиях.-JI.: Недра, Ленинградское отделение, 1990.-180с.

80. Харионовский В.В., Петровский А.В. Анализ расчетных моделей трубопроводов. //Пробл. надеж, газопровод, конструкций /ВНИИ природ, газов (ВНИИГАЗ).-М.,1991.-с.79-89.

81. Харр М.Е. Основы теоретической механики грунтов .-М.: Стройиздат, 1971.-319с.

82. Ходанович И.Е., Кривошеий Б.Л., Бикчентай Р.П. Тепловые режимы магистральных газонефтепроводов.-М.:Недра, 1970.- 216с.

83. Цытович Н.А. Механика грунтов.-М. :Гос.изд.литературы по строительству,архитектуре и стр.матер.,1963.-636 с.

84. Якубовская С.В. Влияние конструктивных параметров системы длинномерных гибких труб на ее напряженно-деформированное состояние / Красовская Н.И., Козодоев Л.В. // Строительный вестник Тюм.обл.Тюмень: ТюмГАСА, 2001г., №4.-С.32-33.

85. Якубовская С.В. Определение напряженно-деформированного состояния колонны гибких труб из композитных материалов / С.В.Якубовская,

86. Н.И.Красовская, В.ПКовальков // Мат.Всерос.науч.-технич.конф. «Проблемы совершенствования технологий строительства скважин и подготовки кадров для Западно-Сибирского нефтегазодобывающего комплекса».-Тюмень: ТюмГНГУ, 2000г.-113с.

87. Якубовская С.В. Перспективы примебнения гибких труб из армированных полимеров для внутрискважинных работ. — Тюмень: ТюмГНГУ, 2002. 122с.

88. Dubois, J., "Methods and apparatus for producing continuous length of coilable tubing", U.S. Patent No. 4,863,091.

89. Newman. K., "Determining the working life of a coiled tubing tring". Offi/ wre, December 1991.

90. Newman. K.R., and P.A. Brown, "Development of a standard coiled-tubing fatigue teat", SPE paper 26539,68th Annual SPE Technical Conference and Exhibition, Houa-ton, Oct.3-6, 1993.

91. Smith, L. "Methods of determining the operational life of individual atring of coiled tubing", SPE Workover and Well Intervention Seminar, Aberdeen. Scotland, November 1989.