СПОСОБ РЕМОНТА ДЕФЕКТНОГО УЧАСТКА ТРУБОПРОВОДА, НАХОДЯЩЕГОСЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
REPAIR METHOD OF DEFECTIVE PRESSURISED PIPELINE SECTION

Изобретение относится к технике ремонта трубопроводного транспорта, преимущественно магистральных газопроводов большого диаметра.
При длительной эксплуатации газопроводов, на их линейных участках в результате процессов коррозии, механических и химических воздействий появляются многочисленные дефекты (раковины, каверны, трещины, свищи, вспучивание, расслоение металла трубы, гофр и т.д.). В ряде случаев дефекты являются недопустимыми для безопасной эксплуатации трубопровода.
Широко известен способ ремонта линейных участков газопровода путем установки на аварийном участке трубы технологической катушки (см., например, Правила производства капитального ремонта линейной части магистральных газопроводов. ВСН 2-112-79. - М.: ВНИИСТ, 1973, стр.34-35). Способ сводится к следующему. Аварийный участок трубопровода локализуют и из него откачивают газ. После этого часть трубы, содержащую дефект, вырезают и на ее место вваривают технологическую катушку. Способ является радикальным, по существу повторяющим монтаж трубопровода. Вместе с тем он имеет существенные недостатки, связанные с трудоемкостью, неизбежностью больших финансовых затрат, определяемых необходимостью стравливания газа и вынужденным простоем трубопровода.
Известен способ ремонта участков газопровода путем приварки в местах дефектов заплат дуговым методом или взрывом (см., например, Новые методы ремонта линейной части магистральных газопроводов. - М.: ВНИИСТ, 1981, стр.33-34). Способ имеет ограниченное применение. Для его реализации требуется сброс давления в газопроводе с его последующей продувкой. Способ не позволяет отремонтировать трубу, имеющую гофр, а также дефектные сварные швы.
Известен способ ремонта линейных участков трубопроводов путем установки ремонтной муфты, заполненной клеевой композицией (см., UK Patent Application, GB 2210134A, F16L 55/16). Способ может быть использован на действующем трубопроводе. Ремонтная конструкция состоит из двух полумуфт. В процессе работы полумуфты механически соединяются друг с другом, образуя замкнутую оболочку вокруг ремонтируемого участка трубопровода. Далее оболочка центрируются с помощью технологических элементов (болтов), установленных в отверстиях корпуса. После этого пространство между трубопроводом и муфтой герметизируется с обоих концов с помощью застывающего состава (цемента, эпоксидной шпаклевки и т.д.). В изолированный промежуток через специальные штуцеры накачивается эпоксидный состав, который обеспечивает высокую жесткость конструкции.
Данный способ ремонта многих типов несквозных дефектов получил широкое применение на линейных участках трубопроводов, работающих под большим давлением (см., например, Рекламу British Gas р/с Ripley Road, Ambergate, Derbyshire, DE 562 FZ). Отремонтированные таким образом участки трубопровода имеют, как правило, более высокую прочность, чем прилегающие неповрежденные участки трубы. Несмотря на большое распространение способ имеет существенные недостатки, связанные с невозможностью введения эпоксидного наполнителя под высоким давлением. В дальнейшем, из-за изменения геометрических размеров трубопровода ввиду перепадов давления перекачиваемого продукта и температурных деформаций, эпоксидный слой может расслаиваться, что приводит к снижению жесткости и герметичности конструкции. Кроме того, относительно низкое давление заполнения эпоксидным составом пространства под муфтой не позволяет существенно снизить окружные и осевые напряжения в трубопроводе.
Известен способ установки муфты на дефектный участок трубопровода (см. патент России 2222746, F16L 55/175), являющийся разновидностью описанного ранее способа. В отличие от него для центрирования частей разрезной муфты используется проволока, предварительно намотанная на трубопровод. Способу присущи те же недостатки.
Известен способ ремонта дефектного участка трубопровода путем установки на нем двухслойной ремонтной муфты (см. патент Украины 36426). Способ предусматривает предварительную установку с двух сторон дефектного участка пар технологических колец, которые приваривают к трубопроводу в зазор между ними. На кольцах собирают разрезную муфту, торцы которой приваривают к поверхности крайних колец угловыми швами. Подмуфтовое пространство заполняют самотвердеющей массой. Способ позволяет осуществить ремонт трубопроводов, находящихся под давлением, хорошо отработан на практике. Вместе с тем способ отличается трудоемкостью и предполагает повышенный расход самотвердеющей массы, объем которой зависит от толщины технологических колец. Исходя из требований к сварным соединениям толщина стенки муфты и технологических колец не должна быть меньше толщины стенки ремонтируемой трубы (см. Технологiчна iнструкцiя з ремонту магiстральних газопроводiв пiд тиском iз застосуванням дугового зварювання. - Киев: ДК «Укртрансгаз», ИЭС им. Е.О.Патона ПАНУ, 2000, стр.34-40).
Известен способ ремонта трубопровода, находящегося под давлением, путем установки на нем технологических элементов (см. авт.св. СССР 1058182), выбранный в качестве прототипа. Способ позволяет осуществить ремонт дефектного участка трубопровода путем установки на нем частей разрезной муфты с дальнейшим свариванием частей между собой. Торцы муфты с заданной величиной проплавления привариваются кольцевыми швами к стенкам трубы. Для предотвращения потери устойчивости трубы из-за ее прогрева на определенном расстоянии от торцов муфты устанавливаются кольца, которые свариваются вместе с муфтой и трубопроводом. Обжатие трубопровода с двух сторон шва (с одной стороны муфтой, с другой стороны технологическим кольцом) создает дополнительную жесткость трубы и способствует релаксации сварочных напряжений, возникающих при сварке кольцевых швов.
Способ позволяет провести ремонт дефектного участка трубопровода, находящегося под давлением, частично компенсируя при этом как окружные, так и осевые напряжения, однако не позволяет отремонтировать трубу, имеющую гофр, а также дефектные сварные швы. Способ малоэффективен для ремонта дефектов продольных заводских швов, так как не позволяет полностью разгрузить ремонтируемую трубу, находящуюся под давлением. Это обусловлено физическими ограничениями способа. Снижение окружных напряжений достигается за счет обжатия трубопровода ремонтной муфтой. Для этого перед установкой муфты, давление внутри трубопровода снижают до минимально возможного значения. При ремонте трубопровода данным способом без сброса давления компенсируются только осевые напряжения. Дополнительно разгрузить ремонтируемую трубу путем заполнения подмуфтового пространства самотвердеющей массой, подаваемой под давлением, соизмеримым с давлением в трубопроводе, в данном способе затруднено из-за плотной установки ремонтной муфты на теле трубы. Под действием импульсных нагрузок в трубе, имеющей дефект в продольном заводском шве, будут возникать некомпенсированные напряжения, которые могут привести к подрастанию дефекта вдоль шва до критических размеров.
Кроме того, эффективность способа, принятого за прототип, зависит от качества прижатия муфты к телу трубы. Большинство трубопроводов имеют на своей поверхности выпуклости продольных и кольцевых швов. Шлифовка выпуклостей до поверхности трубы, в особенности продольных швов, увеличивает опасность раскрытия трубопровода во время проведения работ. Для большинства магистральных трубопроводов шлифовка продольных швов запрещена существующими СНИП и ВСН. Для качественной установки муфты в этом случае на ее внутренней поверхности в полевых условиях делают проточки (см. Технологiчна iнструкцiя з ремонту магiстральних газопроводiв пiд тиском iз застосуванням дугового зварювання. - Киев: ДК «Укртрансгаз», IЕЗ iм. Э.О.Патона НАНУ, 2000, стр.34-40). Процесс отличается трудоемкостью. Кроме того, в местах проточек имеет место утончение стенки муфты вдоль всей ее длины, что существенно снижает прочность всей конструкции.
Кроме того, в прототипе межслойный зазор между конструктивным элементом и трубопроводом является естественным концентратором напряжений в нахлестно-стыковых сварных соединениях, в местах перехода от наплавленного к основному металлу, что может привести к снижению технологической прочности, а также к уменьшению ресурса работы сварных соединений за счет снижения их сопротивляемости хрупкому разрушению.
В основу изобретения положена задача повышения качества ремонта дефектного участка действующего трубопровода, требующего значительного снижения уровня напряжений в трубопроводе, путем установки ремонтной муфты на дополнительные тонкостенные кольца. Это позволит создать оптимальное по глубине подмуфтовое пространство, заполняемое самотвердеющей массой, подаваемой под давлением, соизмеримым с давлением внутри ремонтируемого трубопровода. Использование тонкостенных дополнительных колец, высота которых равна превышению шва трубопровода, позволяет отказаться от изготовления проточек на внутренней поверхности муфты и шлифования выпуклости продольного сварного шва трубопровода на всю длину ремонтной муфты, в результате чего упрощается процесс ремонта, повышается его качество и снижается опасность разрушения трубопровода. Одновременно с этим применение тонкостенных дополнительных колец позволяет снизить уровень напряжений при формировании сварных соединений.
Задача решается за счет того, что в способе ремонта дефектного участка трубопровода, находящегося под давлением, заключающемся в установке герметичной муфты с последующим заполнением подмуфтового пространства самотвердеющей массой, для реализации которого сначала с двух сторон дефектного участка устанавливают технологические кольца с последующим монтажом между ними частей разрезной ремонтной муфты, которые сваривают между собой продольными швами, после чего осуществляют сварку торцов муфты с внутренними торцами соответствующих технологических колец с частичным проплавлением тела трубы, в соответствии с изобретением после установки технологических колец, со стороны внутреннего торца каждого из них с зазором монтируют по тонкостенному дополнительному кольцу, на которых монтируют части ремонтной муфты, торцы которой располагают над соответствующими торцами тонкостенных дополнительных колец со стороны технологических колец, далее части разрезной ремонтной муфты прижимают к тонкостенным дополнительным кольцам и сваривают продольными швами, после чего соответствующие торцы муфты, технологических колец и тонкостенных дополнительных колец сваривают с трубопроводом в зазор между кольцами.
Способ осуществляют следующим образом. С двух сторон дефектного участка устанавливают технологические кольца, состоящие из нескольких частей, которые сваривают продольными швами без касания дугой тела трубы. После этого со стороны внутреннего торца каждого технологического кольца с зазором монтируют тонкостенные дополнительные кольца. Тонкостенные дополнительные кольца могут быть изготовлены как из ленточного легкосвариваемого материала, так и из порошковой сварочной ленты. Высоту тонкостенных дополнительных колец выбирают равную максимальному превышению шва трубопровода в пределах ремонтируемого участка. Ширину каждого тонкостенного дополнительного кольца выбирают из условия создания дополнительной жесткости трубы в районе сварки, гарантирующей сохранение ее устойчивости при нагреве. В общем случае ширина тонкостенного дополнительного кольца не должна быть меньше толщины стенки трубопровода на ремонтируемом участке. После этого на установленных тонкостенных дополнительных кольцах монтируют части разрезной ремонтной муфты. В общем случае ремонтная муфта состоит из двух полуобечаек длиной, равной расстоянию между дальними торцами тонкостенных дополнительных колец. Части ремонтной муфты сильно прижимают к тонкостенным дополнительным кольцам, расположив торцы муфты над торцами дополнительных колец, после чего части ремонтной муфты сваривают между собой продольными швами, не касаясь дугой стенки трубопровода. После остывания наплавленного металла сваривают кольцевые швы, которыми приваривают торцы муфты, расположенные под ними торцы тонкостенных дополнительных колец и внутренние торцы технологических колец к трубопроводу в зазор между ними. Неизбежный в процессе сварки нагрев трубы не приводит к потере ее устойчивости, так как расположенное с одной стороны шва технологическое кольцо, а с другой тонкостенное дополнительное кольцо, прижатое к трубопроводу муфтой, создают дополнительную жесткость. После окончания сварочных работ подмуфтовое пространство заполняется известными способами самотвердеющей массой, которая подается под давлением, соизмеримым с давлением внутри ремонтируемого трубопровода.
Создание требуемого равномерного давления в подмуфтовом пространстве разгружает ремонтируемый участок трубопровода (труба начинает работать без перепада давления), передавая нагрузку на ремонтную муфту. Это гарантирует нераспространение дефекта вдоль продольного шва трубопровода при его работе в условиях пульсирующих нагрузок.
Для обеспечения плотного прилегания поверхностей тонкостенных дополнительных колец к поверхностям муфты и трубопровода в месте их установки продольный шов трубопровода может быть локально сошлифован до поверхности трубы. В случае, когда шлифовка шва даже на локальном участке не желательна, на внутренней поверхности муфты могут быть сделаны локальные проточки. С учетом малой ширины тонкостенных колец локальные проточки и локальное шлифование продольного шва не могут существенно снизить жесткость ремонтной конструкции.
Для повышения качества сварного соединения торцы технологических колец и муфты могут иметь скосы, упрощающие формирование сварного шва. С той же целью тонкостенные дополнительные кольца могут выполняться из порошковой сварочной ленты.
Предлагаемый способ поясняется чертежами.
На фиг.1 представлен чертеж, иллюстрирующий схему установки муфты на дефектный участок трубопровода, где: 1 - трубопровод; 2 - дефектный участок; 3 - технологические кольца; 4 - тонкостенные дополнительные кольца; 5 - ремонтная муфта; 6 - продольный шов трубопровода; 7 - самотвердеющая масса; 8 - штуцеры для запрессовки самотвердеющей массы.
На фиг.2 показан вариант установки тонкостенного дополнительного кольца после локальной шлифовки выпуклости продольного шва, где: 1 - трубопровод; 4 - тонкостенное дополнительное кольцо, 5 - ремонтная муфта, 6 - продольный шов трубопровода.
На фиг.3 показан вариант установки тонкостенного дополнительного кольца после изготовления проточки на внутренней поверхности муфты, где: 1 - трубопровод; 4 - тонкостенное дополнительное кольцо, 5 - ремонтная муфта, 6 - продольный шов трубопровода, 9 - проточка.
На фиг.4 представлен чертеж, иллюстрирующий взаимное расположение ремонтной муфты и трубопровода, где: 1 - трубопровод; 5 - ремонтная муфта; 6 - продольный шов трубопровода; 7 - самотвердеющая масса.
На фиг.5 показан вариант выполнения торцов муфты и колец со скосом, где 1 - трубопровод; 3 - технологическое кольцо; 4 - тонкостенное дополнительное кольцо; 5 - ремонтная муфта.
Использование тонкостенных дополнительных колец, высота которых равна превышению шва трубопровода, позволяет установить ремонтную муфту на минимально возможном расстоянии от трубопровода, что оптимизирует затраты самотвердеющей массы при высоком качестве ремонта. Установка муфты на расстоянии превышения шва трубопровода позволяет отказаться от шлифования выпуклости продольного шва трубопровода на всем ремонтируемом участке и от проточек вдоль всей внутренней поверхности муфты. Шлифовка или проточки должны выполняться на незначительном участке, равном ширине тонкостенного дополнительного кольца, что существенно повышает прочность ремонтной конструкции и снижает опасность разрушения трубопровода вдоль продольного шва во время работы. Кроме того, применение дополнительных тонкостенных колец (особенно из сварочных порошковых лент) позволяет притупить естественный концентратор напряжений в виде межслойного зазора между муфтой и трубопроводом. Это существенно снижает уровень напряжений при формировании сварных соединений и, как следствие, уменьшает вероятность образования в них холодных трещин от естественного концентратора напряжений.
Предлагаемый способ позволяет осуществить ремонт практически всех видов несквозных дефектов трубопроводов, в том числе дефектов продольных и поперечных швов, небольших гофров, вспучиваний, вмятин. При этом ремонт может проводиться без изменения режимов работы трубопровода, в том числе и при максимальном внутритрубном давлении.
Наибольший эффект от предлагаемого способа достигается при ремонте магистральных трубопроводов среднего и большого диаметра (более 300 мм).