Состав многофункционального гелевого поршня для очистки магистральных трубопроводов от отложений
COMPOSITION OF THE MULTIFUNCTIONAL GEL PLUNGER FOR CLEANING THE MAIN PIPELINES FROM DEPOSITS

Изобретение относится к трубопроводной транспортировке нефти, нефтепродуктов и газового конденсата и предназначено для очистки трубопроводов переменного диаметра до 1200 мм с изменяемым направлением движения перекачиваемых сред до 90 градусов, как с подкладными кольцами, так и без них, от асфальтеновых и смолопарафиновых отложений (АСПО), водонефтяных эмульсий и пластовой воды.
При транспортировании нефти или нефтепродуктов вследствие выпадения АСПО, образования внутренних газовоздушных скоплений и воды существенно уменьшается пропускная способность трубопроводов, в результате чего увеличиваются их гидравлическое сопротивление и вероятность возникновения аварийных ситуаций.
Наиболее часто повреждаются участки труб, имеющих сложную конфигурацию и переменное сечение, а также трубопроводы большого диаметра с подкладными кольцами.
Водяные и газовоздушные скопления негативно отражаются на качестве перекачиваемого продукта, способствуют образованию устойчивых к деструктивному разрушению эмульсионных систем.
Используемые для очистки механические устройства и технологии в большинстве случаев малоэффективны, особенно применительно к трубопроводам переменного диаметра.
Высокое качество удаления смолопарафиновых и асфальтеновых отложений на стенках труб можно достичь лишь при использовании гелевых поршней с высокими значениями показателей упругих свойств. Только благодаря этому гарантирована требуемая герметичность прилегания очищающей композиции к внутренней поверхности стального трубопровода.
Описан состав гелевого разделительного поршня на основе полиакриламида, углеводородной жидкости, сшивающего агента, соли щелочного или щелочноземельного металла и вода - остальное [RU №2209364, МПК В08 В 9/027, F17D 1/12].
Для данной композиции характерен невысокий уровень герметизации полости трубы, особенно для трубопровода переменного диаметра с крутыми поворотами при его очистке, так как при этом происходит нарушение сплошности гелевого разделительного поршня.
Известен состав разделительного поршня для очистки трубопровода и разделения сред, содержащий полиакриламид, нефтепродукт, соль минеральной кислоты, сшивающий агент, порошкообразное производное формальдегида и пресную воду [RU №2271879, МПК В08В 9/027].
Его существенным недостатком является невысокий уровень упругих характеристик гелевой композиции и недостаточная герметизация полости трубы гелевым поршнем в трубопроводах диаметром 300 мм и более с подкладными кольцами.
Описан состав гелевой композиции в [RU №2619682, МПК В08В 9/027; В08В 9/053; F17D 1/12]. Он включает водорастворимый полимер, углеводородную жидкость, органический и неорганический сшивающие агенты и воду, причем в качестве полимерной основы используют высокомолекулярные продукты разных классов, в роли органического сшивающего агента - полиметилольные производные мочевины при следующем содержании компонентов, масс. %: водорастворимый полимер - 8,0÷10,0; углеводородная жидкость - 6,0÷8,0; полиметилольные производные мочевины - 0,5÷3,0; неорганический сшивающий агент - 0,001÷0,003, вода - остальное.
К его недостаткам следует отнести повышенный разброс степени очистки поверхности труб в зависимости от варьируемого состава очищающего поршня.
Наиболее близким по технической сущности является состав многофункционального гелевого поршня для применения на магистральных трубопроводах, включающий водорастворимый или частично-сшитый полиакриламид, продукт хемосорбции формальдегида водным раствором карбамида (карбамидоформальдегидный концентрат марки КФК-85), углеводородную жидкость, неорганический сшивающий агент и воду и дополнительно второй амид, в качестве которого используют карбамид, меламин или их смесь при следующем содержании компонентов, масс. %: водорастворимый или частично сшитый полиакриламид - 7,0÷10,0; углеводородную жидкость - 4,0÷7,0; продукт хемосорбции формальдегида водным раствором карбамида - 4,0÷9,0; неорганический сшивающий агент 0,001÷0,003; карбамид - 3,5÷8,0; меламин (при содержании карбамида менее 4 масс.) - 1,0÷4,0; вода - остальное [RU №2720773, МПК В08В 9/027; В08В 9/053; F17D 1/12].
Он обладает достаточно высокими значениями упругости, которые существенно лучше ближайших аналогов. Вместе с тем использование при изготовлении композиции продукта конденсации формальдегида с карбамидом с высоким мольным соотношением данных компонентов обусловливает дополнительные меры безопасности при работе с ним.
Целью изобретения является оптимизация состава гелевой композиции с целью снижения ее токсичности при одновременном сохранении повышенных значений ее упругих характеристик и высокой степени очистки полости трубы переменного диаметра до 1200 мм с изменяемым направлением движения перекачиваемых сред до 90°, как с подкладными кольцами, так и без них.
Поставленная задача достигается тем, что гелевая композиция для очистки трубопроводов от АСПО и других видов отложений, включает полимер, углеводородную жидкость, неорганический сшивающий агент, воду и дополнительно олигомер, причем в качестве полимера используют водорастворимый или частично сшитый полиакриламид (ПАА), в роли олигомера - водный раствор карбамидоформальдегидной или карбамидомеламиноформальдегидной смолы, при следующем содержании компонентов, масс. %:
Полиакриламид
6,0÷10,0
Углеводородная жидкость
4,0÷7,0
Неорганический сшивающий агент
0,001÷0,005
Олигомер
18÷28
Вода
остальное
Таким образом, сущностью предлагаемого технического решения является гелевая композиция, получаемая последовательным смешением перечисленных компонентов с формированием очищающего поршня в производственных условиях.
В отличие от прототипа из состава композиции исключены амид (карбамид, меламин или их смесь) и карбамидоформальдегидный концентрат марки КФК-85, относящийся ко второму классу опасности из-за наличия в нем около 30% масс. несвязанного формальдегида, а вместо них введен олигомер, имеющий третий класс опасности. Тем самым существенно снижена токсичность компонентов композиции для изготовления г елевых поршней.
6
Наиболее подходящим полимером является порошкообразный гидролизованный полиакриламид с ММ=(8-18)⋅10 и степенью гидролиза 5-20% или частично сшитый ПАА с аналогичными характеристиками.
В роли углеводородной жидкости выступает легкая нефть, керосин или дизельное топливо. Ее назначение состоит в предотвращении слипание частиц полиакриламида в более крупные агломераты при добавлении воды или неорганического сщивающего агента.
В качестве олигомера применяют карбамидоформальдегидные смолы по ГОСТ 14231-88, КФ-МТ-15 по ТУ 6-06-12-88, КФ-К-МТ-20 по ТУ 2223-005-00206492-90 или аналогичные им продукты с содержанием сухого остатка 64÷68 масс. %. Вместо указанных продуктов может быть использована и карбамидомеламиноформальдегидная смола, получаемая модификацией карбамидоформальдегидной смолы 1÷8 масс. % меламина.
В указанных олигомерах содержание свободного формальдегида не должно превышать 0,9% масс, условная вязкость при 20°С на вискозиметре ВЗ -246 с соплом диаметром 4 мм может варьировать от 40 до 90, а время желатинизации (отверждения) при 100°С составляет не более 80 сек.
В зависимости от степени полимеризации молекулярная масса карбамидоформальдегидных олигомеров невелика и варьирует от 500 до 1000 у.е.
Их примерное строение может быть выражено следующим образом
Неорганическим сшивающим агентом является алюмохромфосфатное связующее (АХФС), выпускаемое по ТУ 2149-150-10964029-01 на ЗАО «ФК» г.Буй Костромской области или соли поливалентных металлов: хлорид или сульфат хрома, или хромово-калиевые квасцы.
3
2
3
2
3
2
5
АХФС представляет собой вязкую жидкость темно-зеленого цвета с удельной массой 1550÷1770 кг/м при 20°С и содержит 6,5÷9,0% массовой доли алюминия в пересчете на AlO, 3,5÷4,5% массовой доли хрома в пересчете на CrO, 35÷40% массовой доли фосфатов в пересчете на PO, является пожаро- и взрывобезопасным продуктом.
Минерализация применяемой воды не должна превышать 100 г/л.
В качестве регулятора кислотности, обеспечивающего рН гелевой композиции в диапазоне 3÷6, при необходимости используют соляную и лимонную кислоты.
2
2
При смешении полиакриламида с олигомером в присутствии неорганического сшивающего агента, выполняющего роль кислотного катализатора и снижающего рН-среды, протекает взаимодействие метилольных групп СНОН, находящихся в структуре олигомера, с ΝΗ - фрагментами ПАА в соответствии со следующей схемой
1
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
a R и R=Η, -СΉΟΗ, -CHNHCONHCHOH, -CHNHCONHCHOH, -CHOCHNHCONHCHOH, -CHNHCONH, -CHNHCON(CHOH) и др.
Образовавшееся модифицированное производное полиакриламида имеет пространственно-разветвленную структуру. Комбинируя массовое соотношение ПАА и олигомера, удается регулировать густоту сшивки гелевой композиции, то есть ее упругие свойства.
Присутствующее в олигомере малое количества свободного формальдегида связывается полиакриламидом с образованием метилольного производного ПАА, способного вступать в последующие реакции с амидными группами компонентов композиции.
В результате проведенного исследования с использованием ЯМР-спектроскопии и других инструментальных методов было установлено, что данный процесс протекает и при рН ниже 7, то есть при подкислении гелевого состава. Тем самым удается получать материал поршня из реагентов, свободных от больших концентраций высокотоксичного формальдегида.
Следует также отметить, что включение в состав композиции кислого алюмохромфосфата, также способствует улучшению рабочих характеристик материала благодаря взаимодействию ПАА с метилольными группами олигомера с образованием сложного эфира.
Применительно к рассматриваемому процессу его химическое строение может быть представлено следующей структурной формулой
1
2
2
2
2
2
2
где Me-Al, Cr. R и R=Η, -СНОН, -CHNHCONH, -CHNHCONHCHOH и др.
В результате реализации этого процесса формируется дополнительная полимерная разветвленная сетка, термическая и гидролитическая стабильность которой обусловлена наличием в ней фосфатных неорганических мостиков.
Образование упрочняющих солевых звеньев было подтверждено и в случае использования других солей - хлорида и сульфата хрома, а также хромо-калиевых квасцов.
Технология изготовления гелевой композиции достаточно проста и включает последовательную загрузку компонентов в смесительный аппарат и ее перекачку в трубопровод при помощи агрегата ЦА-320 после достижения вязкости в (1,5÷3) μ, обычно не менее 0,25 пуаз.
2
1
2
μ=d × (ρ - ρ) × g/v, где
μ - вязкость раствора;
d - диаметр набухшей частицы ПАА, м;
1
2
3
3
2
ρ - плотность набухшего полиакриламида в присутствии добавки олигомера, кг/м; ρ - плотность солевого отверждающего раствора, кг/м; g - ускорение свободного падения, м/с; V - скорость седиментации, м/с.
В дальнейшем процесс протекает с автоускорением и в зависимости от температуры завершается в течение 2-4 часов.
Схема размещения гелевого поршня в очищаемом трубопроводе представлена на фигуре.
Согласно ей, вытесняющая технологическая цепочка, размещаемая перед слоем нефтепродукта 1, включает последовательно расположенные: 2 герметизатор резинокордный; 3 - поршень поролоновый №1; 4 - гелевый разделительный поршень; 5 - поршень поролоновый №2; 6 - вытесняющую среду (вода или инертная газовая смесь).
Тем самым обеспечивается высокая герметичность прилегания герметизатора резинокордного и трех поршней к стенкам трубы.
Композицию для получения гелевого разделительного поршня готовят непосредственно перед применением в реакторе смешения и подают в трубопровод с помощью насоса после монтажа в нем герметизатора резинокордного и поршня поролонового №1.
Продавливание готового поршня, изображенного на фиг., в полость очищаемого трубопровода осуществляют под давлением с помощью баллонов с азотом без использования камеры приема-пуска, что гарантирует высокую степень безопасности при выполнении работ. Дальнейшее перемещение гелевого поршня по трубе достигается с использованием инертного газа, либо потоком воды, подаваемой насосом.
Чем выше упругие свойства гелевого разделительного поршня, тем плотнее его прилегание к стенкам очищаемой трубы.
Получаемые по заявленному составу поршни можно использовать для очистки трубопровода переменного диаметра до 1200 мм и с изменяемым направлением движения перекачиваемых сред до 90° как с подкладными кольцами, так и без них.
Эксперименты по оценке эффективности гелевого состава по сравнению с прототипом проводили на лабораторном стенде, который представляет собой трубопровод переменного диаметра 15÷25 мм и длиной 30 м и включает в себя повороты под углом 90°.
На внутреннюю поверхность трубы перед началом эксперимента наносили предварительно взвешенные грязепарафиновые отложения, которые были отобраны из реальных магистральных трубопроводов. Затем готовили гелевые композиции для формирования поршней по прототипу и примерам осуществления технического решения.
Силу упругости и жесткость материала на основе изготовленных гелевых композиций определяли на образцах диаметром 5,2 см и высотой 4,5 см с приложенной статической нагрузкой в 2 кг.
Составы поршней и результаты их исследования приведены в таблице.
Из нее видно, что, регулируя состав гелевой композиции можно добиться дополнительного улучшения ее упругих рабочих характеристик по сравнению с прототипом, что позитивно отразится на удалении различных отложений на внутренней поверхности труб при прохождении по ним гелевого поршня.
При изменении массового состава композиции или несоблюдении условий ее приготовления отмеченный результат не будет достигнут.
Таким образом, практическая реализация предложенного состава обеспечит получение материала с улучшенными токсикологическими и эксплуатационными характеристиками. Тем самым может быть гарантировано достижение более высокого уровня очистки полости трубы переменного диаметра до 1200 мм с изменяемым направлением движения перекачиваемых сред до 90 градусов как с подкладными кольцами, так и без них и сохранено качество перекачиваемых нефтепродуктов.