Устройство для очистки внутренней поверхности труб магистральных нефтепроводов

Полезная модель относится к области добычи нефтепродуктов, а именно к средствам эксплуатации магистральных нефтепроводов, транспортирующих нефтепродукты на длительные расстояния, и предназначена для предотвращения парафинобитумных отложений на внутренних стенках магистральных нефтепроводов и их очистки.
Магистральные нефтепроводы отличаются от промысловых нефтепроводов увеличенным диаметром (0,5-1,2 м), практически одинаковым по всей длине и имеют большие (>25-35 м) радиусы закругления, что позволяет в них применять очистные и диагностические устройства, перемещаемые потоком транспортируемой по ним товарной продукции (Конструирование и эксплуатация транспортных нефтепроводов. Учебное пособие, В.Д. Гребнев, Д.А. Марташов, Г.П. Хижняк // Пермский национальный политехнический университет, Пермь, 2012).
Одной из серьезных проблем, имеющей место при эксплуатации магистральных нефтепроводов (МН), является отложение на их внутренних стенках парафина, присутствующего в перекачиваемой нефтяной продукции.
Известно, что парафин кристаллизуется при охлаждении нефти ниже 25-30°С, а потом выпадает в осадок на внутренней поверхности стенок МН, в результате, скорость движения потока транспортируемой продукции значительно снижается (Осложнения в нефтедобыче. Н.Г. Ибрагимов, Е.И. Ишемгужин //, г. Уфа ИНТЛ "Монография", 2003).
Технология борьбы с отложениями парафина на стенках МН осуществляется двумя методами.
Первый метод - удаление уже отложившегося на стенках МН парафина - реализуется с помощью механических скребков, закрепленных на корпусе специальных снарядов, перемещаемых внутри МН потоком транспортируемой продукции (патент РФ №2324550).
Второй метод - предупреждение кристаллизации парафина в потоке транспортируемой продукции - реализуется несколькими способами, к которым в первую очередь относят химическое воздействие (патент РФ №2097400); физическое - путем облучения потока транспортируемой продукции электромагнитными, магнитными и акустическими полями (патенты РФ №2154089, №2524581); тепловое - путем подогрева транспортируемой продукции выше температуры кристализации парафина (патенты РФ: №2109127; №2133329); гидродинамическое - путем активного перемешивания (турбулизации) транспортируемой продукции (патент РФ №2009729).
В каждом конкретном случае предпочтение отдается тем или иным технологиям борьбы с отложением парафина, либо их сочетанию (Борьба с парафиноотложениями в нефтедобыче. З.А. Хабибуллин и др. // г. Уфа, УГНТУ, 1992 г.).
Изучение влияния различных факторов (техногенных, природных и реологических) на особенности формирования отложений парафина в МН, показало, что в наиболее сложных условиях находятся МН, проложенные в районах многолетне-мерзлых пород, так как, находясь на бетонных опорах на высоте до двух метров над землей, они подвержены сезонным колебаниям температуры воздуха в диапазоне от -50°С зимой и до +50°С летом, что значительно снижает эффективность выше приведенных методов борьбы с парафиноотложениями, особенно, в зимних условиях.
Проведенный анализ показал, что в этих условиях предпочтение отдается тепловому методу борьбы с парафиноотложениями, хотя в существующих вариантах он не обладает необходимой технологической эффективностью.
Известно устройство, которое содержит в своей конструкции теплогенератор, предназначенный для разогрева транспортируемой нефти (продукции) до температуры выше температуры кристаллизации парафина (патент РФ №2109127, Е21В 37/02, Е21В 37/00, приоритет 15.11.1993 г., публикация 20.04.1998 г.).
Устройство помещается в корпусе цилиндрического снаряда, перемещаемого потоком транспортируемой по МН продукции, и содержит камеру с химическим реагентом и реактор, в котором жидкий реагент, поступающий из камеры, вступает в экзотермическую реакцию, тепловая энергия которой передается окружающей устройство транспортируемой продукции и нагревает ее до температуры выше температуры кристаллизации парафина, тем самым предотвращая его отложение на стенках МН. Для повышения эффективности борьбы с парафиноотложениями к теплогенератору может быть подсоединено скребковое устройство, снабженное механическими скребками для удаления парафиновых отложений с внутренних стенок МН.
Недостаток известного устройства заключается в том, что оно имеет ограниченный объем химического реагента, предназначенного для осуществления экзотермической реакции в реакторе, что существенно ограничивает время ее протекания в процессе перемещения устройства внутри МН под давлением транспортируемой продукции и, соответственно, ограничивает расстояние его полезного перемещения по предотвращению парафиноотложения на стенках МН на больших перегонах.
Известно изобретение по пат. РФ №2168008 (приор. 26.05.1999 г., опубл. 27.05.2001 г.) «Способ повышения продуктивности нефтяных и газовых скважин и скважинный нагреватель для его осуществления», в котором для разогрева прискважинной зоны пласта используют нагреватель на топливных элементах.
В качестве топливного элемента в нагревателе использовано безгазовое топливо, компоненты которого, реагируя между собой, при определенных условиях взаимодействия образуют полностью конденсированные продукты реакции. В частности, таким безгазовым топливом может служить железоалюминиевый термит с инертной добавкой, в результате реакции горения которого образуются твердые (порошкообразные) продукты реакции и выделяется большое количество тепла. Обычно температура горения термитного топлива находится в пределах 1800-2400°С, но ее можно регулировать (снижать) до необходимой величины, введением различного количества инертной добавки, в качестве которой используют, например, оксид алюминия.
Устройство обеспечивает длительный прогрев прискважинной зоны пласта, в результате чего происходит эффективное очищение прискважинного пространства от асфальтосмолистых и парафиновых отложений.
Известное устройство принудительно спускается в скважину на кабеле, но его конструкция не приспособлена для перемещения внутри МН под воздействием напора перекачиваемой продукции.
За прототип принят патент РФ №2109127, «Устройство для очистки труб от парафинобитумных отложений», конструкция которого обеспечивает его перемещение внутри трубопровода под воздействием потока перекачиваемой продукции.
Известное устройство, предназначенное для предотвращения и устранения отложений парафина на стенках трубопроводов, включает в свой состав теплогенератор и совмещенное с теплогенератором устройство механической очистки трубы от отложений, выполненное в виде скребков, прижатых к очищаемой поверхности, причем скребки и отделяемые от поверхности трубы парафинобитумные отложения нагреваются в результате работы теплогенератора.
Недостаток конструкции по патенту №2109127 заключается в том, что из-за небольшого объема химического реагента, предназначенного для работы теплогенератора, существенно ограничивается время его работы в процессе перемещения устройства внутри МН под давлением транспортаруемой продукции, что, соответственно, ограничивает расстояние его полезного перемещения и не обеспечивает предотвращения парафиноотложения на стенках МН на больших перегонах, в результате чего снижается эффективность применяемой технологии.
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение эффективности теплового воздействия выше температуры кристализации парафина в транспортируемой углеводородной продукции (нефтепродукта), перекачиваемой между насосными станциями, расположенными на больших расстояниях вдоль МН.
Указанная задача решается тем, что в устройстве для очистки внутренней поверхности труб магистральных нефтепроводов, содержащем корпус теплогенератора и корпус узла механической очистки внутренней поверхности трубы от отложений, снабженный скребками, прижатыми к очищаемой внутренней поверхности труб, в отличие от известного, теплогенератор снабжен батареей топливных элементов, использующих в качестве топлива водород, содержащийся в транспортируемой по МН углеводородной продукции, реформируемой с помощью топливных элементов в водород и углекислый газ.
Теплогенератор и узел механической очистки внутренней поверхности трубы от отложений помещены в контейнеры, снабженные роликовыми центраторами и эластичными уплотнительными манжетами.
Указанные контейнеры соединены между собой карданной сцепкой.
Корпус контейнера с теплогенератором снабжен входными отверстиями для пропуска через них встречного потока нефтепродукта и выходными отверстиями, ориентированными под углом 45° к оси контейнера.
Батареи твердотопливных элементов расположены в контейнере в теплогенератором с зазором между ними и корпусом контейнера, обеспечивающим сквозной переток по нему транспортируемой по МН углеводородной продукции.
На прилагаемой фигуре представлена конструкция устройства для очистки внутренней поверхности труб МН.
Заявляемое устройство содержит корпуса контейнера 1 с теплогенератором 2 и контейнера 3 с узлом механической очистки трубы МН от отложений, соединенные между собой карданной сцепкой 4.
Корпуса 1 и 3 центрируются в трубе 5 МН с помощью колесных центраторов 6, а зазоры между корпусами 1, 3 и трубой 5 перекрыты с помощью эластичных уплотнительных манжет 7.
Корпус 3 узла механической очистки трубы от отложений снабжен скребками 8, прижатыми к очищаемой внутренней поверхности труб 5.
Корпус контейнера 1 с теплогенератором 2 снабжен входными отверстиями 9 для пропуска через них встречного потока нефтепродукта 10 и выходными отверстиями 11, ориентированными под углом 45° к оси корпуса 1.
Теплогенератор 2 снабжен батареей топливных элементов 12, использующих в качестве топлива водород, содержащийся в транспортируемой по МН углеводородной продукции, реформируемой с помощью батареей топливных элементов 12 в водород и углекислый газ
Батареи топливных элементов 12 расположены в корпусе контейнера 1 с зазором 13 между ними, обеспечивающим сквозной переток углеводородной продукции 10. Поз. 14 - направление потока перекачиваемой продукции.
Существует множество типов высокотемпературных топливных элементов, в которых используется водород и кислород в качестве основных химических элементов необходимых для их преобразования в электричество. Помимо водяного пара и электричества, другим побочным продуктом технологии является выделяемое тепло. Источник: http://www.lgai.rupubl/516646-tehnologia-toplivnyh-elementov-i-ee-ispolzovanie-v-avtomobilyah.html
Известны, например, топливные элементы, в которых электроэнергия вырабатывается в процессе физико-химических реакций в топливном элементе и используется для обеспечения работы электродвигателя (https://ru.wikipedia.org/wiki/Твердооксидный_топливный_элемент).
(англ. Solid-oxide fuel cells, SOFC) - разновидность топливных элементов, электролитом в которых является керамический материал (например, на базе диоксида циркония), проницаемый для ионов кислорода.
При действии этих элементов вырабатывается очень высокая температура от 600 до 1000 град. С, которая может обеспечить нагрев окружающей среды.
Известно, также, что таким источником тепла могут служить топливные элементы, которые в качестве топлива используют водород, например, в автомобиле на топливных элементах АНТЭЛ-3, где водород планируют получать из бензина на борту автомобиля с помощью топливного процессора, реформирующего бензин в водород и углекислый газ. Стандартный топливный бак объемом 45 л обеспечит ему запас хода почти в тысячу километров (wiki.zr.ru/АНТЭЛ 3).
Учитывая то, что расстояния (перегоны) между перекачивающими насосными станциями, расположенными вдоль МН, могут достигать 50 км и более, то применение такого долговременного источника тепла, которое вырабатывают топливные элементы, использующие водород, получаемый из транспортируемой по МН углеводородной продукции, является решением задачи прогрева транспортируемых нефтепродуктов с целью предотвращения парафиноотложения на стенках МН на больших перегонах, в результате чего повышается эффективность применяемого теплового метода борьбы с парафиноотложениями.
Внутри трубы 5 МН под давлением, развиваемым транспортируемой по нему продукцией 14, перемещается технологический снаряд, состоящий из двух контейнеров: контейнера 1 с теплогенератором 2 и контейнер 3 с узлом механической очистки трубы от отложений, соединенные между собой карданной сцепкой 4. Оба контейнера удерживаются на оси МН с помощью колесных центраторов 6, а приводятся в движение за счет создаваемого гидравлического сопротивления транспортируемой продукции с помощью эластичных уплотнительных манжет 7, перекрывающих зазоры между обоими контейнерами 2 и 3 и внутренней стенкой трубы 5. В процессе осевого перемещения сцепки технологических контейнеров 2 и 3 происходит очистка внутренней стенки трубы 5 МН от имеющегося на ней размягченного слоя разогретого парафина ((на фиг. 1 не показан) под действием скребков 8, прижатых к очищаемой внутренней поверхности труб 5.
При движении по оси МН технологической сцепки, состоящей из контейнера 1 с теплогенератором и скребково-механического контейнера 3, встречный поток 10 транспортируемой продукции, поступает внутрь корпуса 1 контейнера 2 через отверстия 9 в его передней поверхности, омывает стенки батареи топливных элементов 12. Водород, содержащийся в транспортируемой углеводородной продукции, которая реформируется с помощью батарей топливных элементов 12 в водород и углекислый газ, вызывает их разогрев за счет протекания в топливных элементах 12 реакции разложения на протоны и электроны (на фиг. 1 не показано). Далее разогретая до некоторой температуры, выше температуры кристаллизации парафина (≥25-30°С), транспортируемая продукция через отверстия 11 в его задней поверхности в уже разогретом состоянии поступает для омывания внутренней стенки трубы 5 МН с последующим размягчением имеющихся на ней отложений парафина, которые легко удаляются с нее с помощью скребков 8, расположенных на внешней поверхности контейнера 3.