МАГИСТРАЛЬНЫЙ ГАЗОПРОВОД

Полезная модель относится к магистральному трубопроводному транспорту, предназначенному, преимущественно, для транспортировки газа.
Магистральным газопроводом называется трубопровод, предназначенный для транспорта газа из района добычи или производства в район его потребления или трубопровод, соединяющий отдельные газовые месторождения.
В настоящее время 100% добываемого газа перемещается с помощью магистрального трубопроводного транспорта, а в общем объеме продукции, перемещаемой по магистральным транспортным трубопроводам, доля газа составляет 55,4%.
В соответствии со СНиП 2.05.06-85* в зависимости от рабочего давления в трубопроводе магистральные газопроводы подразделяются на два класса: класс I - рабочее давление от 2,5 до 10 МПа включительно; класс II - рабочее давление от 1,2 до 2,5 МПа включительно.
Магистральный трубопроводный транспорт состоит из технологически, организационно и экономически независимых систем и включает в себя значительное количество технологических сооружений и агрегатов. В состав объектов магистрального трубопровода входят связанные в единый технологический процесс централизованно обслуживаемые и управляемые:
- подземные, подводные, наземные и надземные трубопроводы с комплексом линейных сооружений;
- отводы и лупинги (участки трубопроводов, параллельно проложенные ранее построенным трубопроводам и технологически связанные с ними) магистральных трубопроводов;
- установки электрохимической защиты трубопроводов от коррозии, линии и сооружения технологической связи, средства телемеханики трубопроводов и автоматики;
- подземные хранилища газа;
- перекачивающие станции, склады;
- земляные амбары и иные сооружения для аварийного выпуска сжиженных углеводородов, конденсата и др.;
- линии электропередачи и другие объекты энергоснабжения трубопроводов и иных объектов для транспортировки нефти, газа и нефтепродуктов;
- технические средства противопожарной защиты и иные защитные сооружения трубопроводов;
- насосные и напоропонижающие станции, резервуарные парки, водоочистные сооружения;
- компрессорные станции;
- газораспределительные и газоизмерительные станции;
- запорные устройства;
- диспетчерские и аварийно-восстановительные пункты;
- здания и сооружения служб эксплуатации;
- транспортные средства и места их хранения;
- вдольтрассовые проезды и переезды через трубопроводы, подъезды к ним, постоянные дороги, вертолетные площадки, расположенные вдоль трассы трубопроводов;
- иные объекты.
Перечень объектов конкретных магистральных газопроводов определяется проектной документацией на их строительство и реконструкцию [СНиП 2.05.06-85 «Магистральные трубопроводы»]. Однако все трубопроводы включают трубы, по которым движется перемещаемый продукт (трубопровод), и насосные станции, перемещающие этот продукт.
Этот магистральный газопровод принят за прототип полезной модели. Как упоминалось выше, основными составными объектами его являются собственно трубы для транспорта газа и насосные станции, перекачивающие этот газ. Для строительства магистральных трубопроводов традиционно применяются трубы стальные бесшовные, электросварные прямошовные, спирально-шовные и другие специальные конструкции, изготовленные из спокойных и полуспокойных углеродистых и низколегированных сталей диаметром до 500 мм включительно, из спокойных и полуспокойных низколегированных сталей диаметром до 1020 мм и низколегированных сталей в термически или термомеханически упрочненном состоянии для труб диаметром до 1420 мм.
Если трубы выполнены, как упомянуто выше, из стали, линейные участки трубопроводов состоят из труб, имеющих одинаковые внутренний и внешний диаметры, соединенных между собой сваркой по окружности.
Промежуточные насосные станции размещают по трассе трубопровода согласно гидравлическому расчету. Среднее значение перегона между станциями 100-200 км.
К недостаткам прототипа относятся:
- выполнение труб из стали, что, во-первых, не позволяет увеличить производительность трубопровода из -за технологических ограничений на производство труб большого диаметра, во-вторых, делает их неустойчивыми к коррозионным разрушениям, что в итоге сокращает срок службы трубопровода;
- высокие затраты на трубы, в конструкции которых не учитывается значительное снижение в них давления на перегонах между насосными станциями при транспортировании продукта;
- высокие затраты на строительство газопроводов, обусловленные транспортировкой труб к месту строительства трубопровода и его монтажом из отрезков труб, пригодных для транспортировки длиной порядка 10-20 метров.
Полезная модель решет задачу увеличения производительности магистрального газопровода, повышения его срока службы, снижения затрат на его сооружение.
Поставленная задача решается тем, что предлагается магистральный газопровод, содержащий линейные участки труб для перемещения транспортируемого газа от входа названного участка к его выходу, у которого по меньшей мере на части линейных участков установлена сплошная труба, длина которой равна длине этого участка, и которая выполнена из стекло- или углепластика, имеющая внутренний диаметр не менее 2500 мм.
Для придания электропроводности корпусу трубы стеклопластик или углепластик могут содержать углеродные нанотрубки.
Трубы на линейных участках могут быть выполнены с постоянным внутренним или внешним диаметром, и толщиной стенки, изменяющейся от большего размера к меньшему в направлении от входа к выходу этого участка. Технологически целесообразно изготавливать такие трубы со ступенчатым изменением их внутреннего или наружного диаметров.
Труба из стеклопластика может быть выполнена путем непрерывной намотки на твердую оправку стекловолоконной нити, пропитанной синтетическим полимерным связующим.
Труба из углепластика может быть выполнена путем непрерывной намотки на твердую оправку углеволокна, пропитанной синтетическим полимерным связующим.
Стеклопластик - композиционный материал, состоящий из стеклянного наполнителя и синтетического полимерного связующего. Наполнителем служат в основном стеклянные волокна в виде нитей, жгутов, тканей, матов, рубленых волокон; связующим материалом - полиэфирные, феноло-формальдегидные, эпоксидные, кремнийорганические смолы, полиимиды, алифатические полиамиды, поликарбонаты и др. Для стеклопластика характерно сочетание высоких прочностных, диэлектрических свойств, сравнительно низкой плотности и теплопроводности, высокой атмосферо-, водо- и химстойкости. Механические свойства стеклопластика определяются преимущественно характеристиками наполнителя и прочностью связи его со связующим, а температуры переработки и эксплуатации - связующим. Наибольшей прочностью и жесткостью обладают стеклопластики, содержащие ориентированно расположенные непрерывные волокна. Такие стеклопластики подразделяются на однонаправленные и перекрестные; у первых волокна расположены взаимно параллельно, у вторых - под заданным углом друг к другу, постоянным или переменным по изделию. Изменяя ориентацию волокон, можно в широких пределах регулировать механические свойства стеклопластиков.
Полиэфирные стеклопластики обладают теплопроводностью дерева, прочностью и долговечностью стали, биологической стойкостью, влагостойкостью и атмосферостойкостью полимеров, при этом имеют диапазон эксплуатации от -500 С до +1300 C.
Углепластики - полимерные композиционные материалы из переплетенных нитей углеродного волокна, расположенных в матрице из полимерных (например, эпоксидных) смол. Материалы отличаются высокой прочностью, жесткостью и малой массой, часто прочнее стали, но гораздо легче.
Стеклопластиковая труба представляет собой трубу, которая изготовлена из стеклянной нити и композита.
Углепластиковая труба представляет собой трубу, которая изготовлена из углеродного волокна и композита.
Такие трубы могут изготавливаться на специализированных заводах намоткой нити или волокна, пропитанных композитом, на твердую, например, стальную, оправку, поэтому их диаметр не ограничивается 1420 мм, как у стальных труб. Они могут выпускаться размером 1500 мм, 2000 мм, 3000 мм, 3500 мм и более. Очевидно, что при одинаковом давлении в трубопроводе трубы больших размеров обеспечивают большую производительность, чем трубы меньших размеров, поэтому увеличение диаметра трубы выгодно само по себе. Трубы, изготовленные на заводе, могут транспортироваться к месту строительства трубопровода в виде отрезков размером 10-20 м.
Однако гораздо выгоднее производить трубы не на заводе, а прямо в месте установки трубопровода, что делает возможным строительство участков трубопроводов практически любой длины. В качестве «цеха» может использоваться кузов грузовика, в котором установлена миниатюрная установка наматывания трубы. Грузовик по мере укладки трубы может двигаться дальше по траектории прокладки трубопровода.
Миниатюрная установка наматывает на подвижный сердечник из любого твердого материала слои стекловолоконной нити, пропитанной синтетическим полимерным связующим, или углеволокна, пропитанного синтетическим полимерным связующим, например, эпоксидной смолой.
Установка по производству трубы весьма компактна и, как упоминалось ранее, может поместиться в кузове грузовика. Также легки и малоразмерны исходные материалы, их можно доставлять на место в той же машине. В итоге можно сказать, что использование такой технологии сулит немалые экономически преимущества, в первую очередь за счет очень низких издержек на перевозку труб и дешевого производственного оборудования. Линейные размеры трубы, изготовленной намоткой, не ограничены, следовательно, возможно производить непосредственно «в поле» сплошные трубы, имеющие длину, равную длине линейного участка, для которого они предназначены.
Стеклопластик и углепластик имеют длительный срок годности - более 50 лет, следовательно, срок службы таких трубопроводов также может быть тоже десятки лет. Эти трубы не подвержены коррозии, в отличие от стальных труб.
Стеклопластик и углепластик - диэлектрики и могут накапливать статическое напряжение при перемещении по трубопроводу продукта, что нежелательно. Чтобы статистическое напряжение не накапливалось, следует придать этим материалам электропроводность. Для этого при производстве материалов в композит добавляют углеродные нанотрубки в необходимом количестве.
При транспортировке газа по газопроводу на перегонах между насосными станциями наблюдается снижение давления в трубах. Давление на входе в трубу после предыдущей насосной станции вначале максимально высокое, а на выходе из трубы, перед следующей насосной станцией, - максимально низкое. Если продукт движется в одном направлении и не меняет его на противоположное, целесообразно толщину трубы уменьшать от ее входа к выходу. При выполнении трубы с уменьшающейся толщиной стенки на участках с более низким давлением экономится материал труб.
Расчетную толщину стенки трубопровода δ, см, следует определять по формуле:
, где
n - коэффициент надежности по нагрузке - внутреннему рабочему давлению в трубопроводе;
p - рабочее (нормативное) давление, Мпа;
н
D - наружный диаметр трубы, см;
1
R - расчетное сопротивление растяжению.
Целесообразно изменять толщину трубы ступенчато.
Предлагаемый магистральный трубопровод изображен на фиг. 1, где 1 - линейные участки трубопровода, 2 - насосные станции. На фиг. 2 изображена труба линейного участка со ступенчатым изменением толщины трубы.
Как показано на фиг. 2, труба на линейном участке имеет переменную толщину. На входе толщина больше, а на выходе - меньше. Внутренний диаметр трубы постоянен. Толщина трубы рассчитывается, исходя из конкретных значений параметров перемещения газа: характеристик самого продукта, его скорости, давления на входе и выходе. Толщина больше в тех местах, где больше внутреннее давление в трубе. По мере продвижения продукта по трубе давление снижается и необходимость в более толстой стенке отпадает.
Магистральный газопровод работает следующим образом. Газ, предназначенный для транспортировки, подготавливают на промыслах или газовых станциях, где газ в зависимости от его химического состава, термодинамических свойств и условий прокладки газопровода подвергается сепарации от твердых и жидких примесей, очистке от сероводорода и углекислоты, осушке по воде и углеводородам и при необходимости охлаждению.
Транспортируемый газ поступает на головную насосную станцию, где с помощью насосов его подают в линейную часть трубопровода с внутренним диаметром не менее 2500 мм. Чем больше диаметр, тем выше производительность трубопровода. Труба выполнена с переменной толщиной стенки и постоянным внутренним диаметром. В трубопроводе по мере продвижения продукта падает давление, соответственно падению давления уменьшается толщина стенки трубы. Далее продукт поступает на промежуточную насосную станцию, где его давление поднимается и он поступает в следующую линейную часть трубопровода с высоким давлением, которое также падает по мере продвижения продукта по трубе, имеющей, уменьшающуюся толщину по мере продвижения продукта. На следующей промежуточной насосной станции его давление поднимается. Таким образом продукт продвигается до места назначения. Форма труб никоим образом не влияет на его продвижение, но позволяет существенно снизить расходы при строительстве трубопровода, не понижая его надежности, а использование современных материалов повышает его экологические характеристики. Это соответствует принципам оптимальности трубопроводов: по взаимосвязанному технологическому и экономическому режиму, растущей значимости экологической безопасности и мониторинга.
Таким образом, описанный газопровод обеспечивает высокую производительность, увеличение срока службы газопровода, снижение стоимости и затрат на его сооружение.
Следует отметить, что расход газа зависит от диаметра трубопровода и перепада давления в соответствии с формулой:
где:
1
н
к
Q-С - коэффициент, d - внутренний диаметр трубы, Р - начальное давление, Р - конечное давление.
В соответствии с этой формулой увеличение диаметра трубы более 2500 мм влечет за собой увеличение расхода газа, т.е. увеличение производительности трубопровода.
Пример 1
Газопровод для транспортировки природного газа имеет длину рабочего участка 110 км и 9 насосных станций. Участки между двумя соседними насосными станциями - прямолинейные. На этих участках проложены трубы из стеклопластика. Каждая труба между соседними станциями выполнена сплошной, без стыковочных швов с помощью полевой установки путем намотки стекловолоконной нити, пропитанной синтетическим полимерным связующим, на оправку. Трубы уложены в процессе их изготовления при прямолинейном перемещении производящей их установки. Внутренний диаметр трубы 2500 см. Рабочее давление на входе рабочего участка газопровода - 1.5 МПа, а на выходе - 1.27 МПа. Общая стоимость линейной части газопровода - 30000000 руб. Мощность одной насосной станции 20.5 МВт, а их общая мощность - 184.5 МВт. Срок службы газопровода - более 50 лет.
Суммарная стоимость труб и насосных станций - 39225000 руб.
Себестоимость транспортировки газа 10101375 тыс. руб. в год
Пример 2 (прототип)
Газопровод для транспортировки природного газа имеет длину рабочего участка 110 км и 9 насосных станций. Участки между двумя соседними насосными станциями - прямолинейные. На этих участках проложены трубы из стали. Трубы доставлены на место и соединены по окружности сварными швами. Внутренний диаметр труб 1400 см. Рабочее давление на входе 7.5 МПа, а на выходе 5.3 МПа. Стоимость доставки труб на место монтажа 2000000 руб. Общая стоимость линейной части - 54000000 руб. Мощность одной насосной станции 45.4 МВт, а их общая мощность 408.6 МВт. Срок службы - 25 лет.
Суммарная стоимость труб и насосных станций 76430000 руб.
Себестоимость транспортировки газа 22370250 тыс. руб. в год.
Из приведенных примеров видно, что при прочих равных условиях предлагаемый газопровод по сравнению с прототипом может работать при меньших давлениях, имеет более низкую стоимость, более длинный срок службы, а также более низкую себестоимость транспортировки газа.