УСТРОЙСТВО И СПОСОБ РЕМОНТА ТРУБОПРОВОДА
PIPELINE REPAIR PROCEDURE AND DEVICE TO THIS END

Область техники
Изобретение относится к способам ремонта трубопроводов как с остановкой, так и без остановки перекачки продукта. Наиболее эффективно настоящее изобретение может быть использовано для трубопроводов, транспортирующих газ, нефть и/или нефтепродукты.
Предшествующий уровень техники
Известно решение «Способ ремонта трубы и отремонтированная труба» по патенту РФ №2380606.
По патенту способ заключается в следующем: для ремонта трубы накладывают конструкцию из волокна, например, углеродного на подлежащий упрочнению или ремонту участок трубы, затем закрепляют ее специальными приспособлениями, после чего устанавливают на границах торцевые уплотнения, например резиновые прокладки, металлические элементы и др., затем устанавливают наружную оболочку, например муфту, кожух, корпус, контейнер и т.д. Дополнительная оболочка образует вместе с уплотнениями герметичную конструкцию с внутренней полостью. После этого полость заполняют полимерным материалом, которым пропитывается волокно, после чего полимерный материал отверждается. Наружные оболочки снабжены отверстиями для ввода полимерного материала. Пропитку полимером производят после размещения оболочки на трубе.
Полимерный материал насыщает армирующий материал, а именно конструкцию из волокна, после этого он отверждается до получения упрочненного полимерного композита.
Отремонтированная труба, или устройство, или оболочка для ремонта трубопровода по данному изобретению содержит один или несколько слоев волокна, охватывающего трубу, и отвержденный полимерный материал, размещенный внутри компонента оболочки, при этом отвержденный полимерный материал, которым пропитано волокно, достигает наружной поверхности трубы.
Недостатком данной конструкции является следующее:
- ремонт возможен только для участка небольшой протяженности, при необходимости ремонта протяженных участков трубопровода процесс становится очень трудоемким из-за использования большого количества дополнительного оборудования;
- при использовании данного устройства возможно недостаточное прилегание пропитанного полимером волокна, что приводит к образованию на поверхности трубопровода пустот, в которых будут развиваться коррозионные процессы;
- после завершения процесса полимеризации на краях отремонтированного участка появляются дополнительные концентраторы напряжений из-за использования формообразующего элемента (муфты, кожуха), которые в итоге могут привести к разрушению трубопровода;
- невозможно получить качественно пропитанную полимерным материалом структуру из-за того, что полимерный материал проходит через конструкцию из волокна к поверхности объекта под действием силы тяжести, или капиллярных сил, или их комбинированного воздействия, а пропитывание волокон под действием силы тяжести и/или за счет капиллярного действия возможно только в верхней части трубы. В нижней же ее части сила тяжести будет действовать в противоположную сторону и создание дополнительного давления при подаче смолы также не сможет решить проблему качественной пропитки без создания специальных систем удаления воздуха из под волокнистой структуры, что не предусмотрено данным патентом.
Известен также способ ремонта трубы трубопровода и устройство для его осуществления, патент на изобретение РФ №2438065. Данное решение выбрано авторами за прототип.
В заявленном способе осуществляют наложение волокнистой структуры на участок трубы, подлежащий упрочнению; нагнетают смолу через волокнистую структуру к участку трубы, чтобы по существу пропитать волокнистую структуру смолой; обеспечивают возможность отверждения смолы при условиях окружающей среды. Способ отверждение смолы включает в себя отверждение смолы при условиях окружающей среды без применения внешнего источника тепла. В данном способе при нагнетании смолы устанавливают гибкий формообразующий элемент вокруг волокнистой структуры; устанавливают упрочняющий удерживающий элемент вокруг гибкого формообразующего элемента; заливают смолу через упрочняющий удерживающий элемент и в формообразующий элемент поверх волокнистой структуры и осуществляют сжатие гибкого формообразующего элемента для нагнетания смолы через волокнистую структуру к трубе. При этом упрочняющий удерживающий элемент образует кольцевое пространство вместе с трубой, он облегчает регулирование толщины смолы вокруг трубы. Упрочняющий удерживающий элемент является гибким в радиальном направлении и обеспечивает жесткость в аксиальном направлении. По способу наложение волокнистой структуры осуществляют на поверхность объекта (трубы); смолу наносят на волокнистую структуру, расположенную на поверхности объекта, чтобы по существу пропитать волокнистую структуру и образовать слой смолы на волокнистой структуре и обеспечивают возможность отверждения смолы для образования композиционного материала из сухой волокнистой структуры и смолы на поверхности объекта.
Устройство представляет собой трубу с наложенной на нее волокнистой структурой, при этом волокнистая структура включает в себя намотку вокруг наружной поверхности трубы. Волокнистую структуру не смачивают смолой перед наложением или во время наложения ее на поверхность объекта. Тканевый формообразующий элемент накладывают вокруг волокнистой структуры; после этого устанавливают барабан в заданном положении вокруг тканевого формообразующего элемента и размещают полимерный материал внутри тканевого формообразующего элемента, после чего нагнетают полимерный материал в волокнистую структуру, чтобы пропитать волокнистую структуру. Отверждение полимерного материала для образования композиционного материала из волокнистой структуры и полимерного материала происходит на поверхности объекта (трубы).
Система для ремонта трубы, содержащая армирующий материал, выполненный с возможностью его наматывания вокруг трубы, позволяющей ему принимать смолу после размещения армирующего материала вокруг трубы; податливый формообразующий элемент, выполненный с возможностью размещения его вокруг армирующего материала, намотанного вокруг трубы, при этом податливый формообразующий элемент выполнен с возможностью приема и удерживания смолы вокруг армирующего материала; опорную конструкцию, выполненную с возможностью образования оболочки вокруг, по меньшей мере, части податливого формообразующего элемента и обеспечения опоры для, по меньшей мере, части податливого формообразующего элемента, расположенного на трубе; и смолу с химическим составом, обеспечивающим возможность заливки ее внутрь податливого формообразующего элемента для пропитывания волокна и для образования композиционного материала вместе с армирующим материалом на трубе.
Недостатком данной конструкции является следующее:
- ремонт возможен только для участка небольшой протяженности, при необходимости ремонта протяженных участков трубопровода процесс становится очень трудоемким из-за использования большого количества дополнительного оборудования;
- при использовании данного устройства возможно недостаточное прилегание пропитанного полимером волокна, что приводит к образованию на поверхности трубопровода пустот, в которых будут развиваться коррозионные процессы;
- после завершения процесса полимеризации на краях отремонтированного участка появляются дополнительные концентраторы напряжений из-за использования формообразующего элемента, которые в итоге могут привести к разрушению трубопровода;
- невозможно получить качественно пропитанную полимерным материалом структуру из-за того, что полимерный материал проходит через конструкцию из волокна к поверхности объекта под действием силы тяжести, или капиллярных сил, или их комбинированного воздействия, а пропитывание волокон под действием силы тяжести и/или за счет капиллярного действия возможно только в верхней части трубы. В нижней же ее части сила тяжести будет действовать в противоположную сторону и создание дополнительного давления при подаче смолы также не сможет решить проблему качественной пропитки без создания специальных систем удаления воздуха из под волокнистой структуры, что не предусмотрено данным патентом.
Большая трудоемкость при осуществлении способа. Невозможность осуществить ремонт трубопровода большой протяженности из-за того, что в способе и устройстве не решен вопрос реализации упрочнения мест стыка при последовательной накладке заявленного устройства.
Раскрытие изобретения
Задачей данного изобретения является создание устройства, обеспечивающего надежное прилегание покрытия упрочняющего листового к поверхности трубы трубопровода, обеспечивающего отсутствие на краях отремонтированного участка концентраторов напряжений, а также обеспечение возможности ремонта протяженных участков трубопровода при небольшой трудоемкости процесса.
Указанная задача решается за счет того, что устройство для ремонта трубопровода состоит из гибкого листового материала, содержащего слои ткани и композита, которым пропитана ткань, при этом гибкий листовой материал содержит как минимум два слоя гибридной ткани, состоящей, например, из карбоновых нитей и нитей кевлара, а каждый последующий слой ткани прикреплен к предыдущему, например, клеем, причем третий слой представляет собой слой полимера, например полиэтилена, нанесенного на гибридную ткань, например, наплавлением, четвертый же слой представляет собой компаунд на основе, например, эпоксидной смолы, при этом четвертый слой расположен на устройстве со стороны, противоположной слою полимера, кроме того, один конец гибкого листового материала выполнен в виде петель с одной и с другой стороны, а внутри каждой петли, а также по обеим наружным сторонам петель расположены продольные металлические пластины, закрепленные к петлям, кроме того, петли с металлическими пластинами снабжены натяжителями. При этом натяжители представляют собой металлическую конструкцию П-образную в сечении с продольным пазом, в котором размещается петля с металлическими пластинами, при этом натяжители имеют также сквозное отверстие, параллельное основанию, для обеспечения крепления натяжителей, расположенных друг против друга, между собой при использовании устройства, причем натяжители установлены на противоположных петлях друг против друга вдоль устройства на заранее расчетных расстояниях. В устройстве конец петли с одной стороны устройства выполнен выступающим за пределы натяжителей на заданную длину, то есть свободным, при этом с другой стороны конец петли не выступает за пределы основания натяжителей, при этом натяжители предварительно зафиксированы на петлях с металлическими пластинами, например, заклепками.
Способ ремонта трубопровода заключается в использовании заявленного устройства, при этом он включает следующие последовательности: устройство в сборе с предварительно нанесенным слоем компаунда, например эпоксидной смолы с отвердителем, выдерживают на открытом воздухе в течение заданного времени, необходимого для пропитки слоев гибридной ткани и частичного отверждения компаунда, то есть до получения заданной вязкости компаунда, после этого устройство берут за натяжители, либо вручную, либо с помощью механизмов и производят накладывание устройства на участок трубы, подлежащий ремонту, после этого прижимают плотно к трубе гибким листовым материалом со стороны, на которую нанесен компаунд, то есть со стороны, противоположной стороне со слоем полимерного покрытия, затем фиксируют с помощью болтового соединения и осуществляют натяжение, причем усилие натяжения в центральной части устройства производят больше, чем на концах его.
Кроме того, в способе при осуществлении ремонта больших линейных участков трубопровода перед накладыванием каждого последующего устройства на трубу предварительно любым способом, например намоткой полимерного материала, устанавливают накладку, а после установки накладки устанавливают второе устройство внахлест таким образом, чтобы гибкий листовой материал второго устройства заходил на свободный от натяжителя гибкий листовой материал первого устройства, а все последующие наложения осуществляются аналогично предыдущему.
Трубопроводы, находящиеся в земле, подвергаются разрушению под воздействием почвенной коррозии, которая в свою очередь подразделяется на химическую и электрохимическую, а также электрической коррозии, внешних воздействий и дефектов труб, сварных швов и монтажа.
Статистика аварий показывает, что вышеперечисленные факторы могут стать причиной появления коррозионных язв и трещин в трубе. Поэтому для протяженных в осевом направлении конструкций, характеризующихся наличием внутренней силы, направленной радиально наружу, точнее для трубопроводов, по которым под давлением перемещается газ, нефть или нефтепродукты, особо важно создать конструкцию, направленную на упрочнение коррозированного или иным образом поврежденного участка трубопровода как с остановкой, так и без остановки транспорта продукта.
Заявляемые устройство и способ ремонта трубопровода предназначены для переизоляции и выборочного ремонта линейных участков магистральных трубопроводов с возможностью ремонтировать за критические дефекты (в том числе и сквозные) на короткий период для организации проведения последующего капитального ремонта.
Краткое описание фигур
На фиг.1 изображено устройство покрытия упрочняющего листового в сечении.
На фиг.2 изображены натяжители в сечении:
а) - левого натяжителя, б) - правого натяжителя.
На фиг.3 изображен вид А левого натяжителя.
На фиг.4 изображено устройство покрытия упрочняющего листового в сечении с натяжителями.
На фиг.5 изображен болт для соединения натяжителей.
На фиг.6 изображен вид В болта по фиг.5.
На фиг.7 изображена в аксонометрии труба трубопровода с закрепленным на ней покрытием упрочняющим листовым в поперечном сечении.
На фиг.8 изображена труба трубопровода с закрепленным на ней покрытием упрочняющим листовым в продольном сечении.
На фиг.9 изображено сечение по А-А по фиг.8.
Изображения на фигурах выполнены не в соответствии с масштабами каждая фигура по отношению к другой, что сделано для максимального понимания заявленного способа и конструкции устройства.
Примеры конкретного исполнения
Заявленное устройство представляет собой покрытие упрочняющее листовое, которое состоит из гибкого листового материала 1 заданного расчетного размера по длине и ширине. Основой листового материала 1 является гибридная ткань 2, состоящая, например, из карбоновых нитей и нитей кевлара, при этом карбоновые нити имеют большой предел прочности при растяжении, а нити кевлара дополнительно позволяют воспринимать нагрузки в радиальном направлении.
Покрытие листовое упрочняющее содержит как минимум два слоя гибридной ткани 2. Каждый последующий слой ткани 2 прикрепляется к предыдущему, например, специальным клеем. Третий слой представляет собой слой полимера 3, например полиэтилена, который наносится на гибридную ткань, например, наплавлением. Четвертый слой 4 представляет собой компаунд на основе эпоксидной смолы, при этом четвертый слой 4 наносят на устройство со стороны, противоположной слою полимера 3, перед использованием устройства. Один конец гибкого листового материала 1 выполнен в виде петли 5 с одной стороны и петли 6 с другой стороны. Внутри каждой петли 5 и петли 6, а также по обеим наружным сторонам петли 5 и петли 6 расположены продольные металлические пластины 7, закрепленные к петле 5 и петле 6 посредством, например, клепки 8, произведенной через заданное расстояние, при этом для более надежного соединения петли 5 с пластинами 7 и петли 6 с пластинами 7 листовой материал перед формированием петель 6 и 7 смазывают компаундом 4. Петля 5 с металлическими пластинами 7 снабжена натяжителями 9. Петля 6 с металлическими пластинами 7 снабжена натяжителями 10. Натяжители 9 представляют собой металлическую конструкцию П-образную в сечении с продольным пазом 11 и фаской 12 со стороны основания 13 (см. фиг.2, б). На заданном расстоянии от основания 13 выполнено сквозное отверстие 14, параллельное основанию 13. Натяжители 10 представляют собой металлическую конструкцию П-образную в сечении с продольным пазом 15 и скосом 16 со стороны основания 17 (см. фиг.2, а). На заданном расстоянии от основания 17 выполнено сквозное отверстие 18, параллельное основанию 17. Натяжители 9 и 10 устанавливаются на петлях 5 и 6 соответственно вдоль устройства на заранее расчетных расстояниях.
Фаска 12 натяжителя 9 и скос 16 натяжителя 10 (см. фиг.2, а и б) выполнены для обеспечения плотной посадки заявленного устройства на трубе 19 трубопровода.
Сквозное отверстие 14 выполнено круглым в сечении и имеет резьбу, а сквозное отверстие 18 выполнено большего размера по высоте, чем сквозное отверстие 14, и имеет форму овала для обеспечения посадки болта 20, который имеет в конечной части кроме резьбы дополнительно продольные засечки 21, обеспечивающие надежную фиксацию болта в натяжителях 9 и 10 при сборке устройства на трубе 19 трубопровода. Центральные оси сквозного отверстия 14 и сковозного отверстия 18 смещены на величину «Н».
Особенностью петли 5, расположенной в продольном пазу 11 натяжителя 9, является то, что конец петли выполнен на одном уровне с пластиной 7. Особенностью петли 6, расположенной в продольном пазу 15 натяжителя 10, является то, что конец петли выполнен выступающим за пределы пластины 7 на заданную длину, то есть свободным. Для обеспечения удобства работ, производимых при фиксации покрытия упрочняющего листового на трубопроводе, натяжители 9 и 10 предварительно фиксируются на петле 5 с пластинами 7 и петле 6 с пластинами 7 заклепками 22. Натяжители 9 и 10, расположенные на устройстве друг против друга, устанавливают на петли 5 и 6 по длине таким образом, что левый натяжитель устанавливают на одном уровне с краем гибкого листового материала, а последний с на расстоянии от другого края гибкого листового материала, обеспечивающем возможность соединения каждого последующего покрытия упрочняющего листового внахлест при ремонте больших линейных участков трубопровода. Готовое к использованию устройство - покрытие упрочняющее листовое, а именно гибкий листовой материал 1, перед установкой его на трубе 19 ремонтируемого трубопровода покрывается слоем компаунда 4 со стороны, противоположной слою полимера 3. Для фиксации на трубе 19 ремонтируемого трубопровода натяжители 9 и 10 стягивают между собой, используя болтовое соединение 20. Натяжители 9 и 10 рассчитаны на нагрузку до 25 МПа. При ремонте больших линейных участков трубопровода используют наложение одного конца гибкого листового материала 1 на другой, при этом в местах соединения гибких листовых материалов 1 на поверхность трубы 19 располагают накладку 23, например, из полимерного материала для более надежной фиксации гибких листовых материалов между собой.
Устройство работает следующим образом.
Покрытие упрочняющее листовое предназначено для переизоляции и выборочного ремонта линейных участков магистральных трубопроводов с возможностью ремонтировать за критические дефекты, в том числе и сквозные, на короткий период для организации проведения последующего капитального ремонта.
Предварительно очищенную поверхность части трубы 19, которая будет подвержена ремонту, обрабатывают ингибитором для устранения имеющихся очагов коррозии и покрытия поверхности части трубы 19 защитной пленкой. Ингибитор выбирается таким образом, чтобы на обработанную им поверхность хорошо мог наноситься слой композита 4 и после завершения процесса полимеризации которого была обеспечена высокая адгезия гибкого листового материала 1 к трубе 19. На гибкий листовой материал 1 наносится слой композита 4 и после пропитки композитом 4 в течение определенного времени слоев ткани 2 и растворения в композите слоя клея, используемого для фиксации одного слоя ткани 2 по отношению к другому, что зависит от состава композита 4 и его свойств по текучести. При этом происходит частичное отверждение композита 4, а следовательно, увеличение его вязкотекучих свойств. После этого покрытие упрочняющее листовое устанавливают на предварительно обработанном ингибитором участке трубы 19 трубопровода и стягивают посредством болтового соединения 20 расположенные друг против друга натяжители 9 и 10. Причем при установке покрытия упрочняющего листового на трубе 19 выступающий конец листового материала 1 петли 6 заводят под основание 17 натяжителя 10. Именно это обеспечивает герметичность установленной на трубе 19 конструкции после стягивания болтовыми соединениями 20 натяжителей 9 и 10 попарно. Стягивание производят с заранее рассчитанным усилием, причем оно разное по величине в центральной части по длине покрытия упрочняющего листового и на концах его. Это выполняется для того, чтобы разгрузить после завершения процесса полимеризации возникающие на краях отремонтированного участка трубы 19 трубопровода дополнительные концентраторы напряжений, из-за которых может произойти разрушение трубопровода. После завершения процесса полимеризации композита 4 получается монолитная упрочняющая конструкция на поверхности трубопровода с армирующим слоем из гибридной ткани 2. Композит 4 подобран таким образом, чтобы он полностью пропитывал волокна гибридной ткани 2 и при отверждении позволял конструкции компенсировать возникающие в трубопроводе напряжения. В качестве композита может быть использована эпоксидная смола с отвердителем, подобранная таким образом, чтобы достичь вязкости ее, необходимой и достаточной для пропитки гибридной ткани и обеспечения надежной адгезии к трубе 19 со слоем ингибирора.
В связи с тем, что заявленное устройство - покрытие упрочняющее листовое - устанавливается на трубопровод гибридной тканью 2 к трубе 19, то поверхность трубы 19 снаружи получается покрыта слоем полиэтилена 3, что исключает из технологии ремонта трубопровода последующее нанесение изоляционных материалов.
Для проведения капитального и других видов ремонта трубопроводов ремонтная конструкция должна принимать на себя нагрузку и разгружать дефектную область как в радиальном, так и в осевом направлении, тем самым не давая развиваться далее имеющемуся дефекту. Предлагаемая конструкция решает эту задачу за счет двух слоев высокопрочной гибридной ткани 2, при помощи которой производится стягивание действующего трубопровода с обеспечением возможности регулирования степени натяжения при проведении ремонта под давлением. Также после проведения ремонта трубопровода методом переизоляции (при сброшенном давлении внутри трубопровода) он будет воспринимать возникающие нагрузки после поднятия давления в трубопроводе и начала транспортировки продукта.
Гибридная ткань 2 с предварительно нанесенным на поверхность композитом 4 при стягивании вдавливается в трубу 19 трубопровода, не оставляя на поверхности трубопровода пустот, что в комплексе с нанесенной на поверхность газопровода пленкой ингибитора предохраняет поверхность от дальнейшего появления коррозии и развития имеющихся дефектов.
Способ ремонта трубопровода, заключающийся в использовании заявленного устройства, включает в себя следующие последовательности. Устройство в сборе с предварительно нанесенным слоем компаунда 4, например эпоксидной смолы с отвердителем, выдерживают на открытом воздухе в течение заданного времени, необходимого для пропитки слоев гибридной ткани 2 и частичного отверждения компаунда 4, то есть до получение заданной вязкости компаунда 4. После этого устройство берут за натяжители 9 и 10, либо вручную, либо с помощью механизмов (зависит от диаметра трубы 19 и, соответственно, размера устройства) и производят накладывание устройства на участок трубы 19, подлежащий ремонту, после этого прижимают плотно к трубе гибким листовым материалом 1 со стороны, на которую нанесен компаунд, то есть со стороны, противоположной стороне со слоем полимерного покрытия 3, затем фиксируют с помощью болтового соединения 20 и осуществляют натяжение, степень которого является расчетной величиной, причем усилие натяжения в центральной части устройства больше, чем на концах его. При осуществлении ремонта больших линейных участков трубопровода перед накладыванием каждого последующего устройства на трубу 19 предварительно любым способом, например намоткой полимерного материала, устанавливают накладку 23 с расположением ее по центру между краями устройств, то есть таким образом, чтобы после накладывания второго устройства на первое накладка 23 обеспечила герметичность созданной конструкции. После установки накладки 23 устанавливают второе устройство внахлест, чтобы гибкий листовой материал второго устройства заходил на свободный от натяжителя 9 и 10 гибкий листовой материал 1 первого устройства. Все последующие наложения осуществляются аналогично предыдущему.
Промышленная применимость
Заявленные способ и устройство ремонта трубопровода промышленно применимы, т.к. устройство создано из доступных материалов. Способ и устройство могут найти широкий потребительский спрос из-за простоты использования и высокой технологичности при решении особо важных задач при ремонте трубопроводов.
Таким образом, техническая задача, а именно создание устройства, обеспечивающего надежное прилегание покрытия упрочняющего листового к поверхности трубы трубопровода, обеспечивающего отсутствие на краях отремонтированного участка концентраторов напряжений, а также обеспечение возможности ремонта протяженных участков трубопровода при небольшой трудоемкости процесса, решена в данном техническом решении.