СИСТЕМА И СПОСОБ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ВНУТРЕННЕЙ ПЕРЕОБЛИЦОВКИ ПОДВОДНОГО ТРУБОПРОВОДА
SYSTEM AND METHOD FOR CARRYING OUT INTERNAL RE-LINING OF UNDERWATER PIPELINE

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к внутренней облицовке трубопроводов, например, проходящих с берега в морские сооружения или между морскими сооружениями, в том числе из устьев нефте- или газодобывающих скважин в морские собирающие платформы или с морских собирающих платформ в береговые сооружения для хранения или переработки.
Уровень техники
Использование защитных барьеров для предотвращения коррозии в металлических элементах конструкции стенки трубопроводов является обычной практикой.
Покрытие обычно выбирают по его способности выдерживать рабочую температуру трубопровода и препятствовать износу данного покрытия вследствие влияния условий окружающей среды, например, при контакте с почвенной или грунтовой водой, в которой необходимо расположить покрытие, для обеспечения наличия защитного слоя между трубой и окружающей средой.
Если трубопровод проложен в грунте или погружен под воду, то, как правило, покрывающий барьер также дополняют системой катодной защиты на основе наложенного тока или расходуемых электродов. Это обеспечивает дополнительный уровень защиты трубопровода от коррозии в случае незначительных дефектов покрытия. Кроме того, это обеспечивает дополнительную возможность усиления системы катодной защиты или повышения выходных эксплуатационных характеристик, что обеспечивает повышенный уровень защиты при возникновении разрушения внешнего покрытия или ухудшения внешнего покрытия вследствие механического повреждения при нормальном течении периода эксплуатации данного покрытия. Это обеспечивает наличие средства для продолжения катодной защиты внешней поверхности трубопровода от связанного с коррозией повреждения даже после уменьшения эффективности покрывающего барьера.
Таким образом, можно отметить, что в целом защита внешней поверхности металлического трубопровода от коррозии является относительно простым процессом в плане ее реализации и эффективного поддержания.
Однако конструкция и реализация антикоррозионного барьера для внутренней поверхности металлического трубопровода является гораздо более сложным вопросом.
Как правило, реализовать эффективную дополнительную систему катодной защиты для обеспечения защиты внутренних поверхностей металлического трубопровода невозможно. Таким образом, в тех случаях, когда проходящая через канал трубопровода среда имеет высокую температуру и/или агрессивную природу вследствие наличия химических, физических или биологических составляющих компонентов, что приводит к высокой вероятности возникновения электролитической или микробиологической коррозии или эрозии, использование вышеописанной системы покрытия становится неэффективным вследствие абсолютной необходимости в надежном непрерывном покрытии в зоне монтажного соединения.
Поэтому в трубопроводной промышленности существует историческая тенденция вообще не выполнять внутренний антикоррозионный барьер, если ожидаются скорости коррозии от низких до средних. В данном случае стенка металлического трубопровода может быть значительно утолщена так, чтобы расчетная скорость коррозии была больше расчетного срока эксплуатации конструкции трубопровода. Как вариант, если ожидаются высокие скорости коррозии или эрозии, и если это практически выполнимо, то возможно сначала завершить строительство трубопровода и затем установить трубчатую барьерную внутреннюю облицовку из полимера или пластика, образованную из очень длинных отрезков, что устраняет необходимость в наличии внутренних покрытий монтажных соединений.
Существует множество различных типов полимерных и пластиковых трубчатых внутренних облицовок, обычно используемых в качестве внутренних антикоррозионных барьеров, и множество различных применяемых техник установки, основанных на береговых системах.
В самом простом случае, общеизвестном как внутренняя облицовка по посадке с зазором, пластиковую трубу, обычно изготовленную экструзией полиэтиленовой толстостенной трубы (или пластика в другой форме) и имеющую внешний диаметр несколько меньше диаметра внутреннего канала в принимающем металлическом трубопроводе (как правило, на 5%), протаскивают внутри канала в стальной трубе с использованием кабеля и лебедки. При этом, при эксплуатации с низким внутренним давлением, создающим стягивающее напряжение в стенке внутренней облицовки, которое меньше предела текучести полимера, из которого изготовлена путем экструзии труба, обеспечена возможность эффективной эксплуатации внутренней облицовки как независимой трубы внутри трубы. При этом данная внутренняя облицовка выполнена с возможностью проведения среды независимо от принимающего металлического трубопровода, причем между внутренней облицовкой и внутренней поверхностью стенки принимающей трубы существует кольцевой зазор. Если подобная внутренняя облицовка установлена в качестве средства восстановления, то владелец трубопровода вынужден принимать уменьшение в площади поперечного сечения канала в трубопроводе, возникающее вследствие вставки внутренней облицовки, а также производственные и экономические потери.
Однако во многих случаях рабочее давление в трубопроводе превышает несущую способность пластиковой внутренней облицовки.
В альтернативном варианте внутренняя облицовка может быть выполнена с возможностью надувания до вхождения внутренней облицовки в контакт с внутренней поверхностью стенки металлической трубы и ее ограничения указанной стенкой. Десятилетия назад данная технология считалась экономичным методом для эффективного осуществления плотной посадки внутренней облицовки на внутреннюю стенку принимающего трубопровода. Затем, однако, негативные элементы данного процесса стали осознаваться более широко. Данные негативные элементы, в частности, представляют собой стремление внутренней облицовки к возврату к своему первоначальному диаметру вследствие молекулярной памяти, присущей полимеру, из которого была изготовлена путем экструзии внутренняя облицовка. Этот процесс известен как реверсия. Указанный процесс реверсии может происходить достаточно быстро, когда полимер, используемый для изготовления внутренней облицовки, является проницаемым для определенных газовых или жидких элементов, присутствующих в проводимой среде. Таким образом, процесс реверсии внутренней облицовки приводит к воссозданию кольцевого зазора, в котором происходит накопление аккумулируемых газообразных и/или жидких элементов под давлением, равным давлению среды во внутреннем канале внутренней облицовки. Данные явления являются нежелательными, поскольку: 1) элементы, накапливаемые в кольцевом пространстве, вполне могут вносить вклад в коррозию, и сами могут являться коррозионными для стенки металлической трубы; 2) любое внезапное уменьшение рабочего давления трубопровода может вызвать значительную разницу между давлением в канале внутренней облицовки и давлением в кольцевом пространстве, приводя к уплощению, схлопыванию или даже неустранимому повреждению внутренней облицовки.
Другой обычный, более современный способ установки пластиковой внутренней облицовки в металлический принимающий трубопровод в качестве средства защиты от коррозии состоит в выполнении внутренней облицовки с плотной посадкой. Были созданы различные механизмы для осуществления данного способа, и все они направлены на устранение недостатков, присущих вышеописанным способам для выполнения внутренней облицовки с посадкой с зазором. Один способ состоит в использовании формовочной головки с коническим сужением, через которую под натяжением протягивают внутреннюю облицовку, имеющую внешний диаметр, несколько превышающий диаметр принимающего металлического трубопровода, обеспечивая таким образом уменьшение диаметра внутренней облицовки относительно канала в принимающей трубе, в котором затем устанавливают данную внутреннюю облицовку. После снятия натяжения с облицовки происходит быстрый возврат внутренней облицовки к своему первоначальному диаметру вследствие молекулярной памяти, присущей полимеру, из которого изготовлена путем экструзии внутренняя облицовка. Данная направленная наружу реверсия диаметра или разбухание внутренней облицовки обеспечивает вхождение внутренней облицовки в плотный контакт со стенкой принимающей трубы таким образом, что между внешней поверхностью трубы внутренней облицовки и внутренней поверхностью стенки трубы отсутствует кольцевой зазор. Данный способ известен под различными наименованиями, например, "Протягивание через формовочную головку", "Внутренняя облицовка с плотной посадкой" или "Обжимная внутренняя облицовка". В большинстве обычных применений с использованием уменьшения диаметра внутренней облицовки посредством формовочного механизма используют внутреннюю облицовку, содержащую изготовленное путем экструзии поперечное сечение толстостенной полиэтиленовой трубы.
В другом средстве достижения аналогичного результата плотной посадки внутренней облицовки также используют сначала внутреннюю облицовку с превышенными размерами, но применяют группу роликов или сферических подшипников для направленного вовнутрь и по окружности сдавливания, сжимающим образом, приложенного к внешней поверхности внутренней облицовки так, чтобы обеспечить необходимое уменьшение диаметра внутренней облицовки. Данный процесс общеизвестен как уменьшение посредством вальцового ящика. Однако в некоторых (не во всех) конфигурациях вальцового ящика давление, оказываемое на внутреннюю облицовку во время процесса уменьшения диаметра, является столь значительным, что превосходит возможности по сохранению памяти полимера внутренней облицовки, и, следовательно, необходимо использовать давление накачивания после вставки для гарантии того, что в процессе произведена внутренняя облицовка с плотной посадкой.
Во всех описанных выше примерах секцию внутренней облицовки изготавливают из цельного неармированного пластика, который, следовательно, должен принимать на себя все монтажные усилия, необходимые для расположения внутренней облицовки внутри принимающего металлического трубопровода. Существует ограничение на то, насколько тонкой может быть стенка внутренней облицовки относительно диаметра внутренней облицовки, и, соответственно, насколько малой может быть площадь поперечного сечения стенки внутренней облицовки. Данное ограничение обусловлено тем фактом, что необходимо поддерживать достаточно высокий предел текучести внутренней облицовки для обеспечения возможности установки на большом расстоянии, причем данный предел текучести многократно превышает предел текучести полимера. По данной причине обычно толщина пластиковой внутренней облицовки выполнена со значительным превышением необходимого значения, рассматриваемого чисто с точки зрения способности внутренней облицовки функционировать в качестве непроницаемого защитного устойчивого к коррозии барьера.
Таким образом, основным ограничивающим фактором относительно максимального расстояния, на которое может быть установлена с плотной посадкой внутри канала в принимающем металлическом трубопроводе любая внутренняя облицовка полимерного или пластикового типа, всегда является соотношение между пределом текучести при растяжении внутренней облицовки и суммарной тянущей силой, необходимой для преодоления процесса уменьшения диаметра, а также массы и трения внутренней облицовки во время процесса установки. Предел текучести внутренней облицовки также представляет собой фактор, являющийся очень чувствительным к изменениям температуры, поскольку при нагреве пластикового полимера происходит резкое уменьшение предела текучести данного полимера, и следовательно в более теплых климатах расстояния установки обычных внутренних облицовок с плотной посадкой могут быть значительно уменьшены. Во всех случаях должен также учитываться фактор безопасности, что дополнительно уменьшает расстояние, разрешенное для установки внутренней облицовки. Однако при обратной ситуации, при низких температурах, пластиковая внутренняя облицовка становится более жесткой и прочной, что затрудняет установку даже вокруг коленчатых изгибов с большим диаметром в принимающем металлическом трубопроводе.
При глубоководных применениях, когда температура окружающей среды равна 5°C или меньше, жесткость внутренней облицовки имеет еще большее значение. Изгибные напряжения в крайних волокнах внутренней облицовки зависят от толщины стенки, и поэтому для толстостенных внутренних облицовок снижается способность внутренней облицовки выдерживать приложенную изгибную деформацию. Подобные изгибные нагрузки включают в себя деформацию под воздействием внешнего гидростатического давления или изгиб в результате перемещения внутренней облицовки вдоль коленчатого изгиба во время установки. Пластиковая внутренняя облицовка, изготовленная с толщиной стенки, достаточной для обеспечения возможности протягивания внутри металлической принимающей трубы на большое расстояние без разрушения при растяжении, по своей природе имеет ограниченную способность изгиба вдоль угла или коленчатого изгиба с малым радиусом вследствие приложенных изгибных нагрузок. Такие углы или коленчатые изгибы обычно присутствуют в трубопроводах определенных типов, в частности, в трубопроводах, расположенных под водой. Поскольку даже береговые трубопроводы редко выполнены в виде прямой линии, то указанная способность внутренней облицовки проходить вдоль коленчатых изгибов может представлять собой наиболее значимое ограничение относительно того, как может быть установлена и может ли вообще быть установлена подобная внутренняя облицовка внутри металлической принимающей трубы.
Поскольку площадь поперечного сечения и, следовательно, толщина стенки увеличивает способность внутренней облицовки к растяжению для установки в длинных прямолинейных секциях, то для установки вдоль коленчатых изгибов толщина стенки становится значимым ограничивающим фактором вследствие уменьшенной изгибной способности. Однако почти во всех случаях, когда используют внутренние облицовки, изготовленные по существующим технологиям, вся длина полной конструкции принимающего трубопровода превышает длину, на которую возможно установить внутреннюю облицовку, и поэтому необходимо разделять трубопровод на две или большее количество секций с промежуточными окончаниями и соединителями, между которыми могут быть последовательно успешно установлены внутренние облицовки. В случае берегового трубопровода описанная установка обычно является удобной, поскольку месторасположение точек окончаний и месторасположение соединителей могут быть запланированы с возможностью доступа. Однако в случае подводного трубопровода только факт подводной установки обычно означает, что установка подобной внутренней облицовки невыполнима.
Другой рассматриваемый фактор состоит в том, что хотя может быть обеспечена возможность транспортировки пластиковой внутренней облицовки от точки изготовления и ее подачи в точку вставки в металлический трубопровод в виде намотанных рулонов большой длины в случае меньших диаметров, пластиковые облицовочные трубы, имеющие больший диаметр, не могут быть намотаны, поскольку в данном случае будет невозможно регулировать диаметр намотанной катушки, необходимый для того, чтобы избежать изгиба и повреждения внутренней облицовки. Таким образом, как правило, облицовочные трубы, имеющие больший диаметр, транспортируют из завода в зону рядом с принимающим металлическим трубопроводом в отрезках длиной от 12 до 15 метров, в цилиндрической, прямолинейной форме, и сваривают или сплавляют друг с другом для образования непрерывной колонны облицовочного материала соответствующей длины. Для проведения данного процесса сваривания или сплавления необходим значительный объем пространства, а для его завершения требуется много времени, оборудования, персонала и, как следствие, расходов. Как правило, затруднения, связанные с указанным процессом сварки, могут быть относительно легко устранены в береговых условиях. Однако в морских условиях транспортирование, хранение, манипуляции и сварка пластиковых секций внутренней облицовки обычно представляют собой настолько сложную задачу и требуют настолько большой объем пространства, что при использовании обычной пластиковой внутренней облицовки подобный проект становится невыполнимым.
В целом, характеристики пластиковых внутренних облицовок, имеющихся в настоящее время в наличии для обеспечения устойчивого к коррозии барьера на внутренней поверхности металлического трубопровода, имеют следующие особенности и проблемы:
- толщина стенки обычно определена, в наибольшей степени по сравнению с другими эксплуатационными характеристиками, требованием к прочности на разрыв;
- существует ограничение на прямолинейное расстояние, на котором могут быть установлены данные внутренние облицовки;
- расстояние, на котором возможна установка, может быть резко уменьшено, если в трубопроводе присутствуют коленчатые изгибы;
- обычно невозможно выполнить установку внутренней облицовки от одного конца трубопровода до другого конца в виде одного отрезка без необходимости в промежуточных соединениях;
- внутренние облицовки не могут быть установлены вдоль коленчатых изгибов с малым радиусом, которые обычно присутствуют в подводных трубопроводах, вследствие ограничений в изгибной прочности и тенденции к изгибу и скручиванию.
Вышеуказанные факторы указывают на то, что почти во всех случаях невозможно использовать имеющиеся в настоящее время в наличии пластиковые внутренние облицовки и технологии выполнения внутренней облицовки для внутренней антикоррозионной защиты подводных трубопроводов.
Раскрытие изобретения
Согласно первому аспекту изобретение относится к системе для выполнения внутренней переоблицовки подводного трубопровода, имеющего впускное отверстие и выпускное отверстие ниже уровня моря, содержащей навивочный барабан, расположенный над уровнем моря и имеющий намотанный на него отрезок внутренней облицовки, причем указанный навивочный барабан выполнен с возможностью подачи указанной внутренней облицовки во впускное отверстие, исполнительный механизм, сопряженный с ведущим концом указанной внутренней облицовки и выполненный с возможностью приложения усилия натяжения к указанной внутренней облицовке так, чтобы протягивать указанную внутреннюю облицовку через указанный трубопровод, причем внутренняя облицовка выполнена из композитной конструкции, имеющей волоконную сердцевину.
Согласно второму аспекту изобретение относится к способу для выполнения внутренней переоблицовки подводного трубопровода, содержащему следующие этапы: расположение навивочного барабана выше уровня моря, при этом навивочный барабан имеет намотанный на него отрезок внутренней облицовки, подача указанной внутренней облицовки в подводное впускное отверстие трубопровода, сопряжение исполнительного механизма с ведущим концом указанной внутренней облицовки, приложение усилия натяжения к указанной внутренней облицовке так, чтобы протянуть указанную внутреннюю облицовку через указанный трубопровод.
В соответствии с настоящим изобретением, благодаря наличию доступа для внутренней облицовки из навивочного барабана во впускное отверстие система согласно настоящему изобретению обеспечивает возможность выполнения внутренней переоблицовки труб на больших глубинах. Если при выполнении внутренней переоблицовки труб на наземной базе обеспечено наличие достаточного пространства и управление системой для гарантии успеха, то на больших глубинах подобная система не обеспечивает возможность управления выполнением внутренней переоблицовки труб. Например, размещение внутренней облицовки на навивочном барабане обеспечивает очень малую площадь, занимаемую данным барабаном, что позволяет запускать процесс выполнения внутренней переоблицовки с плавучей платформы. Аксиальная прочность внутренней облицовки на разрыв обеспечена волоконными упрочняющими элементами волоконной сердцевины. Это означает, что внутренний слой может быть спроектирован исключительно по своим химическим свойствам. Таким образом, он может быть значительно более тонким, и, следовательно, возможно избежать проблем, связанных с деформацией крайних волокон. Кроме того, внутренняя облицовка при этом является более гибкой, что позволяет избежать проблем изгиба или скручивания, присущих внутренним облицовкам с большей толщиной стенки. Это означает, что внутренняя облицовка может более легко проходить изгибы, а высокая прочность на разрыв продольных упрочняющих элементов волоконной сердцевины обеспечивает возможность протягивания длинных отрезков через подводный трубопровод.
Также, на внешней поверхности волоконной сердцевины предпочтительно расположен слой пластика, например, термопластичный полиуретан (TPU), полиэтилен или сшитая полиэтиленовая смола с толщиной от 1 мм до 5 мм. Смола, выбранная для внешнего барьера, представляет собой, как правило, смолу, которая может функционировать при температуре эксплуатации трубопровода и имеет более низкую степень сопротивления проницанию по сравнению с пластиковой внутренней облицовкой. В одном варианте осуществления изобретения диаметр внутренней облицовки может быть равен значению в диапазоне от 10 см до 50 см.
Пластиковая внутренняя облицовка, которая может представлять собой смолу PVDF или пластик с высокими эксплуатационными характеристиками другого вида, имеет превосходное сопротивление углеводородам, термическую стойкость, высокую гибкость и низкую проницаемость. Однако могут быть использованы другие полимеры, имеющие, в частности, требуемую термическую стойкость и химическую стойкость. Другими примерами полукристаллических фторированных полимеров являются политетрафторэтилен (PTFE), перфторалкокси (PFA) и поли(этиленхлортрифторэтилен) (ECTFE). Примерами подходящих нефторированных полимеров являются полиэфиркетон (РЕЕК), полиамид-имид (PAI), полисульфон (PSF), полиэфирсульфон (PES) и полифенилсульфон (PPSU).
В некоторых случаях может быть необходимо скомбинировать два или более типа материала для производства пластиковой внутренней облицовки, имеющей комбинацию необходимых свойств, например, высокую гибкость, термическую стойкость и сопротивление проницанию.
Внутренняя облицовка может быть намотанной на барабан и уплощенной по барабану. Это обеспечивает легкость транспортирования длинных отрезков внутренней облицовки, например, длиной от 1 км до 10 км.
Для втягивания внутренней облицовки в трубопровод может быть использована буксирующая головка вместе со средством для прикрепления буксирующей головки непосредственно к волоконной сердцевине внутренней облицовки. Это означает, что тянущая сила приложена к волоконной сердцевине, способной выдерживать усилия натяжения.
Краткое описание чертежей
Ниже настоящее изобретение описано со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показаны возможные конструкции изобретения. При этом возможны другие конструкции изобретения, и, соответственно, конкретность прилагаемых чертежей не должна пониматься в качестве замены предшествующего описания изобретения, носящего более общий характер.
На фиг. 1 показан схематический вид приемной системы подводного трубопровода согласно изобретению;
На фиг. 2 в изометрии показан вид внутренней облицовки согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;
На фиг. 3 в изометрии показан вид внутренней облицовки согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;
На фиг. 4-7 показаны виды в поперечном сечении внутренней облицовки при установке согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения;
На фиг. 8 в изометрии показана внутренняя облицовка согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения;
На фиг. 9 в изометрии показана буксирующая головка согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;
На фиг. 10 приведена фотография машины для складывания внутренней облицовки согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения.
Осуществление изобретения
Как показано на фиг. 1, изобретение относится к системе 2 для выполнения внутренней переоблицовки трубопровода, имеющей внутреннюю облицовку 1 для подводного трубопровода 5. В данном случае трубопровод расположен ниже морского дна 9. Однако данная система может быть в равной степени применена для трубопроводов, расположенных и закрепленных на морском дне или частично расположенных в грунте.
Система 2 содержит навивочный барабан 3, в данном случае расположенный на плавучей платформе 4 так, чтобы поддерживать подачу внутренней облицовки 1, находящейся на расположенном выше уровня моря навивочном барабане 3, во время подачи внутренней облицовки 1 в подводное впускное отверстие 13. Плавучая платформа 4 может представлять собой баржу, корабль, нефте- и газодобывающую платформу или специально построенное судно для поддержания и облегчения установки внутренней облицовки.
Предпочтительно, благодаря наличию платформы для поддержания навивочного барабана 3 трубопровод может быть расположен в любом месте. При этом характерным примером является нефте- и газодобывающая платформа, поскольку подобные платформы могут быть расположены на удалении от берега на расстоянии до сотен километров. Таким образом, исключена зависимость от базируемой на суше системы.
Внутренняя облицовка 1 сопряжена с исполнительным механизмом 7 так, чтобы обеспечить наличие усилия 6 натяжения и, таким образом, протягивание внутренней облицовки 1 через трубопровод 5 и ее выпуск через выпускное отверстие, причем данное отверстие также может быть расположено на плавучей платформе (не показана).
Для облегчения процесса установки может быть предусмотрено направление внутренней облицовки посредством направляющего узла (не показан) так, чтобы направлять внутреннюю облицовку с навивочного барабана 3 во впускное отверстие и затем из выпускного отверстия. Предпочтительно, сопряжение с исполнительным механизмом может быть выполнено через буксирующую головку (не показана), причем окончание установки происходит при достижении внутренней облицовкой выпускного отверстия 11, при этом из выпускного отверстия 11 выходит только кабель, с которым сопряжена буксирующая головка.
Внутренняя облицовка 1 отличается наличием волоконной сердцевины и слоя пластика, расположенного по меньшей мере на внутренней поверхности волоконной сердцевины. В одном варианте осуществления изобретения продольные и радиальные волокна могут быть выполнены из одинаковых материалов, имеющих аналогичные свойства растяжения и удлинения. В альтернативном варианте они могут быть выполнены из разных материалов, имеющих различные свойства растяжения и удлинения, так что внутренняя облицовка легче может расширяться до большего диаметра под воздействием нагнетаемого изнутри давления. Таким образом, волоконная сердцевина обеспечивает решение множества задач в отношении установки длинных отрезков, а также задач содействия в плотной посадке в трубопроводе.
Внутренняя облицовка обеспечивает возможность выполнения внутренней облицовки подводных трубопроводов с плотной посадкой на очень больших расстояниях в случаях, когда трубопровод содержит один или большее количество коленчатых изгибов с малым радиусом. Используемые материалы внутренней облицовки выбирают таким образом, что обеспечить наличие эффективного устойчивого к коррозии барьера на внутренней поверхности трубопровода даже в агрессивной одно-, двух- и многофазной углеводородной среде при температурах до 130 градусов и при высоких рабочих давлениях. Внутренняя облицовка может быть использована как для новых, так и для существующих трубопроводов и обеспечивает, в том и другом случае, значительное увеличение ожидаемого срока эксплуатации конструкции трубопровода.
Материал внутренней облицовки и технологии установки согласно изобретению нацелены, в частности, на получение усовершенствований, необходимых для обеспечения возможности установки устойчивого к коррозии барьера с высокими эксплуатационными характеристиками на внутренней поверхности подводного трубопровода.
Система содержит облицовочную трубу, изготовленную в три этапа. Каждый этап является последовательным и непрерывным от начала до завершения изготовления внутренней облицовки с необходимым качеством.
Первый этап представляет собой производство волокнистой сердцевины, причем данная сердцевина может состоять из одного или большего количества слоев очень высокопрочных волокон. Данные волокна могут представлять собой арамид, углерод, полиэстер, волокно некоторых других видов или комбинацию двух или более различных видов волокон. Волокнистую сердцевину создают путем механического переплетения волокон друг с другом с образованием непрерывной круглой трубы необходимого диаметра. Волоконная сердцевина может, например, состоять из волоконных нитей в количестве от 1000 до 2000, причем каждая нить имеет от 5 до 15 волокон и от 5000 до 25000 децитекс. Ткань переплетена в целом по направлениям 0 градусов и 90 градусов для обеспечения самой высокой степени прочности как в аксиальном, так и в радиальном направлении. Волокна, используемые для аксиального и радиального переплетения, могут быть различного типа для обеспечения, например, максимально возможной прочности на разрыв в продольном направлении с относительно высокой степенью способности к радиальной эластичности.
Внутренняя волокнистая сердцевина может иметь прочность на разрыв в аксиальном направлении, по меньшей мере в 100 раз превышающую прочность на разрыв пластика.
Второй этап представляет собой экструзию слоя пластика на внутреннюю поверхность волоконной сердцевины. Пластик может представлять собой PVDF, термопластичный полиуретан, полиэтилен, сшитый полиэтилен, полиамид, или другой пластиковый материал с высокими эксплуатационными свойствами, как описано выше, или состав, содержащий комбинацию двух или большего количества указанных пластиков и разработанный для удовлетворения рабочих требований к трубопроводу, в котором его размещают в виде антикоррозионного барьера. Внутренней пластиковой облицовки оказывается достаточно для обеспечения необходимой защиты от находящейся в трубопроводе текучей среды и для функционирования в качестве антикоррозионного барьера для предотвращения, таким образом, повреждения или ухудшения стального трубопровода, вызываемого находящейся в трубопроводе текучей средой. Толщину внутренней пластиковой облицовки определяют так, чтобы она была соответствующей для обеспечения непроницаемого барьера для жидких и газообразных элементов, переносимых через трубопровод, и при этом разрабатывают так, чтобы сохранить высокую степень гибкости, необходимую для обеспечения возможности складывания внутренней облицовки. Как правило, толщина внутренней пластиковой облицовки составляет от 2 до 3 мм при применении для трубопроводов с малым диаметром (например, от 10 см до 20 см) и от 3 мм до 5 мм при применении для трубопроводов с большим диаметром (25 см и более).
Третий этап представляет собой экструзию пластикового слоя на внешнюю поверхность волоконной сердцевины. Пластик может представлять собой полиэтилен, сшитый полиэтилен, полиамид, PVDF или другой пластиковый материал с высокими эксплуатационными свойствами, как описано выше, и разработанный так, чтобы выдерживать рабочие параметры трубопровода, в котором его размещают, и чтобы обеспечивать наличие устойчивого к истиранию слоя для защиты внутренней облицовки во время процедуры установки. Указанная устойчивость к истиранию может не потребоваться, например, если предварительная внутренняя облицовка (как описано ниже) обеспечивает необходимое уменьшение трения.
Толщина внешнего пластикового покрытия равна, как правило, значению в диапазоне от 2 до 5 мм в зависимости от диаметра внутренней облицовки.
Одной из проблем при выполнении плотной посадки внутри стального трубопровода, в частности, трубопровода, находящегося в эксплуатации в течение длительного периода времени и подвергшегося внутренней коррозии, является необходимость в элементе допуска для посадки. Например, для новой трубы 200 мм размеры трубы составляют 220 мм во внешнем диаметре с толщиной стенки 10 мм, то есть внутренний диаметр составляет 200 мм. В случае потери некоторых участков стенки вследствие эрозии или коррозии внутренний диаметр трубы может изменяться от 200 мм на незатронутых участках до 210 мм, где произошла коррозия до 50% от толщины стенки. Данная ситуация является характерной с вариацией в 5%.
Это обеспечивает возможность приспособления внутренней облицовки к любым допускам на изготовление стального трубопровода, к любым допускам на дефекты, вызванные эрозией или коррозией, или даже к изменениям в диаметре вследствие различных марок стальных труб, использованных для строительства различных участков конструкции трубопровода. Плотный контакт стенки принимающей стальной трубы особенно желателен при эксплуатации при высоких давлениях, поскольку он обеспечивает удовлетворительный перенос нагрузки и напряжений через внутреннюю облицовку на стенку стальной трубы, и, таким образом, внутренняя облицовка и стальная труба функционируют как композитная конструкция. Если, например, давление разрыва внутренней облицовки составляет 100 бар, и данную внутреннюю облицовку используют внутри дефектной трубы, имеющей давление разрыва значительно меньше по сравнению со своим первоначальным проектным давлением вследствие утоньшения стенки от эрозии или коррозии, то композитный эффект внутренней облицовки и стальной трубы во всех случаях, за исключением случаев самых серьезных дефектов, может обеспечить, возможность эффективного восстановления давления в трубопроводе до первоначального номинального проектного значения.
Указанный эффект имеет значение в случае, когда рабочее или проектное давление в трубопроводе рассчитано для более высокого уровня по сравнению с давлением разрыва внутренней облицовки. Поэтому в случае, когда, например, обычно рабочее давление в трубопроводе меньше 100 бар, происходит полное восстановление рабочего давления в трубопроводе путем введения внутренней облицовки даже в случае, когда стальная стенка трубопровода полностью изношена до точки выхода из строя.
Для подбора размеров внутренней облицовки так, чтобы обеспечить плотную посадку, данная внутренняя облицовка должна быть изготовлена под индивидуальный диаметр.
Внутреннюю облицовку, изготовленную с круговым профилем и выполненную с размерами, обеспечивающими идеальную плотную посадку внутри трубопровода, в котором необходимо расположить данную внутреннюю облицовку, тем не менее наматывают на навивочный барабан большого диаметра в уплощенном профиле так, чтобы обеспечить возможность навивания максимального количества внутренней облицовки в одном непрерывном, бесперебойном процессе изготовления и навивания.
На фиг. 2 изображена уплощенная внутренняя облицовка 1, выполненная с возможностью наматывания на барабан. На данном чертеже изображена волоконная сердцевина 10, а также внутренний и внешний пластиковые слои 12, 14. Указанная внутренняя облицовка 1 может иметь длину от 1 км до 10 км.
Данный процесс может быть применим для любого диаметра внутренней облицовки от 10 см до 50 см. Навивочный барабан может быть оснащен встроенным двигателем и приводным механизмом, что обеспечивает возможность наматывания внутренней облицовки на барабан для хранения и ее разматывания с данного барабана.
Размеры барабана, загруженного отрезком внутренней облицовки, могут подходить для транспортирования по суше и морем внутри обычного транспортного контейнера или могут подходить для транспортирования другим определенным образом, например, в качестве негабаритного груза или палубного груза. В любом случае внутреннюю облицовку доставляют на место, находящееся поблизости от подлежащего внутренней облицовке металлического подводного трубопровода, как правило, на место на берегу, где накапливают, в готовности для выполнения проекта внутренней облицовки, другие элементы материалов и оборудования, необходимые для установки внутренней облицовки на месте в море.
После изготовления внутренняя облицовка имеет идеально круглый профиль, однако на выходе после завершения процесса экструзии пластика данную внутреннюю облицовку, все еще теплую, сжимают между группой стальных роликов для образования показанного уплощенного профиля с целью навивания на барабан для хранения и транспортирования. Малая толщина стенки позволяет выполнить сжатие так, чтобы не подвергать конструкцию внутренней облицовки ненужным нагрузкам.
До установки в трубопровод внутреннюю облицовку складывают с образованием C- или U-образной формы, как изображено на фиг. 3. Разнесенные вдоль внутренней облицовки связки 16 используют для удержания внутренней облицовки в сложенной форме, причем в данной форме внутреннюю облицовку сажают в трубопровод, как показано на фиг. 4, где трубопровод обозначен как 18.
Связки разрывают, как показано на фиг. 5, при нагнетании давления во внутренней облицовке.
Затем внутреннюю облицовку полностью надувают, как показано на фиг. 6 и 7. На фиг. 8 более четко показаны три элемента 10, 12, 14 внутренней облицовки. Операция складывания может быть выполнена посредством электромеханического, а не гидравлического устройства, поскольку требуемые усилия являются малыми.
Указанное складывание может происходить в месте на берегу путем пропускания внутренней облицовки, расположенной на одной катушке в уплощенном состоянии после перевозки с завода в соответствующее место назначения, через складывающий механизм на другую катушку, на которой внутреннюю облицовку хранят в сложенном виде и готовую для транспортирования в море для установки в трубопровод.
В альтернативном варианте внутренняя облицовка может быть транспортирована на катушке для перевозки в уплощенном, но не сложенном состоянии, а затем сложена при разматывании с указанной катушки для перевозки до вставки в трубопровод.
Подводный трубопровод, выполненный с возможностью проведения воды, газа, углеводородов или комбинации некоторых или всех указанных веществ и предназначенный для внутренней облицовки посредством системы, выполнен, как правило, из углеродистой стали, по открытому типу без выполнения внутренней облицовки. С использованием различных стандартных промышленных технологий данный трубопровод будет обследован, выведен из эксплуатации, очищен и осмотрен и, соответственно, будет готов к процессу вставки внутренней облицовки согласно изобретению.
В одной форме система согласно изобретению может быть установлена в новый уложенный трубопровод в качестве средства обеспечения наличия долговременного антикоррозионного барьера, а в другой форме она может быть установлена в качестве средства восстановления существующего трубопровода, эксплуатируемого в течение определенного промежутка времени (в одних случаях в течение месяцев, в других в течение ряда лет), причем определено, что в данном трубопроводе произошло ухудшение вследствие внутренней коррозии или эрозии. Выявленная внутри трубопровода коррозия может быть описана как обычное утоньшение стенки или как интенсивный питтинг или даже прорывы вследствие микробиологического воздействия, например, очевидного воздействия сульфатовосстанавливающих бактерий (SRB), обычно преобладающих в отдельных месторождениях углеводородов.
Подводный трубопровод может проходить с места на берегу в место на море, или наоборот, или может проходить между двумя морскими сооружениями или платформами и может находиться в воде на любой глубине, от мелководья до очень глубоких мест. При наличии коленчатых изгибов с малым радиусом, расположенных в металлическом трубопроводе, данные изгибы выявляют либо из комплектов сдаточных чертежей, либо из процедур визуального обследования и осмотра.
Как правило, данные коленчатые изгибы представляют собой коленчатые изгибы с малым радиусом, расположенные в нижней части водоотталкивающей колонны, соединяющей трубопровод от морского дна до верхней части конструкции. Иногда указанный коленчатый изгиб называют J-образной трубой, причем данный изгиб может иметь кривизну 5D или 3D (то есть имеет радиус, равный 5 или 3 диаметрам трубы).
Возможно наличие других дополнительных коленчатых изгибов с малым радиусом, имеющих аналогичные радиусы или, в отдельных случаях, больший или меньший радиус, расположенных возле платформы на морском дне и служащих для выравнивания ориентации трубопровода, что, таким образом, обеспечивает возможность прохода трубопровода по существу в прямом направлении к своему конечному месту назначения.
Система внутренней облицовки должна быть выполнена с возможностью перемещения через данные коленчатые изгибы. Обычными проблемами, связанными с попытками протягивания внутренних облицовок вдоль коленчатых изгибов с малым радиусом, являются:
1. Трение
При столкновении внутренней облицовки с коленчатым изгибом происходит резкое увеличение трения между внутренней облицовкой и стенкой принимающей трубы. В случае коленчатого 5Р-изгиба в 90 градусов, являющегося типичным изгибом в нижней части водоотталкивающей колонны, расположенной на морской платформе, трение может быть достаточно велико для того, чтобы потребовалась тянущая нагрузка, превосходящая предел текучести неармированной пластиковой внутренней облицовки. Очевидно, что при увеличении количества 5D-изгибов внутри корпуса трубы, подлежащей внутренней облицовке, вероятность появления такого трения резко возрастает. Как правило, любую обычную неармированную внутреннюю облицовку невозможно установить вокруг двух 5D-изгибов.
2 Гибкость и изгиб внутренней облицовки
Вследствие относительно жесткой природы стенки обычной толстостенной пластиковой внутренней облицовки данные внутренние облицовки могут быть согнуты только по определенному минимальному радиусу до того, как произойдет явление, известное как коробление. Указанное явление происходит при сминании и складывании материала в стенке трубы вследствие того, что изгибающие напряжения превосходят изгибную прочность в толще стенки трубы. Большинство изготовителей внутренних облицовок не приветствуют использование изделия пластиковой внутренней облицовки на радиусе меньше 20D:
Использование волокнистой сердцевины означает, что пластиковые слои могут быть спроектированы с толщиной, необходимой только для обеспечения требуемых общих свойств внутренней облицовки по сопротивлению проницанию, устойчивости к коррозии, термической стойкости и других вопросов, связанных с эксплуатацией, кроме вопросов, не связанных с прочностью на разрыв. Таким образом, могут быть использованы пластиковые слои, являющиеся достаточно тонкими для обеспечения гибкости, необходимой для надувания и преодоления коленчатого изгиба с малым радиусом без возникновения описанного явления коробления.
В процессе установки внутренней облицовки используют лебедочное оборудование, катушки для буксирующих кабелей, катушку для материала внутренней облицовки и различное другое специализированное оборудование на одном или другом конце металлического трубопровода. Конфигурация перечисленного оборудования зависит от ряда факторов, например, месторасположения трубопровода и маршрута (с берега в море, с платформы на платформу), имеющегося в наличии пространства на любых морских сооружениях и так далее.
В ряде случаев возможно расположить катушку с материалом внутренней облицовки в месте на берегу, а лебедочное оборудование на морском конце трубопровода. В другом случае данная схема может быть изменена на противоположную. Если трубопровод проходит между двумя морскими сооружениями, то в данном случае необходимо расположить катушку с материалом внутренней облицовки на одном морском сооружении, а лебедочное оборудование и барабан с кабелем на другом морском сооружении. В ряде случаев может быть необходимо воспользоваться услугами дополнительных морских судов, плоских барж или даже устанавливаемой стационарно морской платформы для обеспечения наличия устойчивой рабочей платформы, с которой выполняют работы на каком-либо конце трубопровода. Точная конфигурация может варьироваться от одного процесса установки к другому. Также может быть необходимо провести и поддержать либо внутреннюю облицовку, либо буксирующий кабель (или оба указанных устройства) на определенном расстоянии от отдельной предназначенной для хранения или работы платформы либо из металлической принимающей трубы, либо в нее, путем применения специализированных скобяных или строповых устройств, специально разработанных для решения данных задач.
Материал и закладываемое в проект значение разрыва кабеля, используемого для буксирования внутренней облицовки вовнутрь, выбирают в зависимости от длины, диаметра и конфигурации металлического трубопровода, подлежащего внутренней облицовке. В случае относительно прямолинейных, коротких трубопроводов, имеющих длину, например, один километр или менее, используемый кабель может быть стальным, либо с оболочкой из слоя пластика, либо без нее. В случае более длинных и более сложных трубопроводов, содержащих коленчатые изгибы, выбираемый кабель может иметь волоконную или композитную природу, например, это может быть арамид, углеродное волокно или даже плазменный полиэтилен, то есть такого типа, чтобы обеспечивать крайне высокое соотношение прочности к диаметру и массе. Требования к нагрузке буксирования может быть точно рассчитано с использованием пакета программ для прогнозирования нагрузки буксирования. Буксирующий кабель вытягивают из барабана для хранения лебедочного кабеля через принимающий трубопровод путем соединения вышеописанного протяжного кабеля с имеющей соответствующую номинальную мощность лебедкой на одном конце и посредством скобы и соединителя с буксирующим кабелем на другом конце. Затем посредством лебедки указанный протягивающий кабель протягивают через принимающий трубопровод, протягивая главный буксирующий кабель с барабана для хранения буксирующего кабеля через ремонтируемый трубопровод.
На ведущем конце сложенной катушки внутренней облицовки устанавливают коническую буксирующую головку с соединением, имеющим высокую прочность и высокую несущую способность. Данная буксирующая головка дополнительно гарантирует передачу всей нагрузки буксирования, связанной с процессом установки, на волоконную сердцевину внутренней облицовки таким образом, что пластиковые элементы трубы внутренней облицовки не подвержены ненадлежащим напряжениям во время процедуры установки внутренней облицовки.
На фиг. 9 показан один подобный вариант осуществления буксирующей головки 30 со вставленной сложенной внутренней облицовкой 1. Буксирующая головка 30 имеет центральный сердечник, вокруг которого обернута, в С-образной конфигурации, сложенная внутренняя облицовка, при этом болты 32 проходят через все три слоя внутренней облицовки для сопряжения с центральным сердечником и обеспечения жесткого захвата внутренней облицовки, в том числе, сопряжения со средним слоем из волоконной сердцевины.
Указанная коническая головка обеспечивает возможность скольжения данной головки по трубе без застревания на препятствиях.
Главный буксирующий кабель, протянутый через приемный трубопровод, соединен с буксирующей внутреннюю облицовку головкой посредством соединительной конструкции 34, состоящей из скобы и вертлюга. На приемном конце принимающего трубопровода буксирующий кабель располагают так, что он проходит через кабестановую головку главной лебедки и вокруг нее, и наматывают обратно на предназначенный для хранения кабеля барабан.
Данная кабестановая головка лебедки может быть связана с концом принимающего трубопровода таким образом, что происходит передача обратно в принимающий трубопровод силы реакции, равной силе тянущей кабель нагрузки, и при этом указанная головка способна оказывать непрерывную устойчивую тянущую силу с регулируемой и постоянной скоростью, которую, однако, можно изменять по требованию оператора.
Барабан для наматывания кабеля может быть оснащен приводно-зубчатым механизмом, выполненным с возможностью наматывания и укладывания слоями кабеля на барабан для хранения с постоянной скоростью независимо от диаметра, образованного барабаном для хранения и слоями кабеля. На запускном конце принимающего трубопровода сложенную внутреннюю облицовку сматывают с барабана для хранения в принимающую трубу. Сматывание облицовочной трубы в принимающую трубу проводят при постоянной скорости независимо от остающегося диаметра барабана для наматывания. Конец принимающей трубы оснащен цилиндрическим воротником, который может содержать ролики или подшипники для уменьшения трения между внутренней облицовкой и концом принимающей трубы во время процедуры вставки. Катушка с внутренней облицовкой или барабан для хранения приводится в действие редукторным двигателем, выполненным с возможностью подачи внутренней облицовки с катушки с постоянной скоростью, совпадающей со скоростью выбирания буксирующего кабеля лебедкой на приемном конце.
Кроме того, приводной механизм на барабане для хранения внутренней облицовки выполнен с возможностью реверса для осуществления обратного движения или, при необходимости, полного удаления внутренней облицовки из принимающего трубопровода.
Однако после начала в предпочтительном варианте реализации способа предусмотрено продолжение процедуры установки внутренней облицовки за одну непрерывную плавную операцию до тех пор, пока внутренняя облицовка не будет установлена полностью по всей длине принимающего трубопровода с обеспечением наличия нескольких дополнительных метров облицовочного материала, выходящих наружу на каждом конце трубопровода. При входе внутренней облицовки в принимающий трубопровод на внешнюю поверхность сложенной внутренней облицовки может быть нанесено произвольное количество инертной смазки на основе растительного масла путем использования устройства для нанесения смазки.
После успешной вставки внутренней облицовки по всей длине трубопровода концы избыточного облицовочного материала на каждом конце трубопровода обжимают для создания, таким образом, непроницаемых для воздуха уплотнений, и в избыточной части внутренней облицовки на одном конце трубопровода устанавливают впускное окно. Затем из переносного насоса или воздушного компрессора под давлением от 0,5 бар до 1,5 бар воздух или воду закачивают во внутреннюю облицовку до констатации факта реверсии внутренней облицовки, видимой на обоих концах принимающего трубопровода, с образованием непроницаемой внутренней облицовки на внутренней стенке принимающего трубопровода. После этого внутренняя облицовка может быть обрезана до соответствующей длины, и могут быть установлены оконечные устройства высокого давления для облегчения гидравлических испытаний облицованной подводной секции и повторного подсоединения трубопроводов, ведущих в облицованную секцию металлического трубопровода и из нее.
На фиг. 10 показан прототип машины, используемой для складывания внутренней облицовки до ее вставки. Первая пара роликов 40 выполнена с возможностью обеспечения первоначальной складки, а вторая пара роликов 42 с более узким промежутком выполнена с возможностью обеспечения окончательной складки до обматывания. Данный более узкий промежуток соответствует необходимой ширине складывания. Пары роликов разнесены на расстояние от 1 м до 5 м для сохранения первоначальной складки. Первая пара роликов является пассивной, в то время как вторая пара выполнена с возможностью приведения в движение, и способствует, таким образом, разматыванию внутренней облицовки с барабана для хранения (частично показанного на заднем фоне фиг. 10). Вторая пара роликов имеет поверхность с высоким трением, например, из резины, для обеспечения возможности передачи тянущей силы к внутренней облицовке.
Из приведенного выше описания очевидно, что в изобретении предложена внутренняя облицовка с гибкостью, необходимой для обеспечения возможности ее протягивания вокруг по меньшей мере одного коленчатого изгиба с малым радиусом, превосходящим, в 20 раз или менее, внешний диаметр трубопровода. В результате система внутренней облицовки обеспечивает наличие эффективного долговременного антикоррозионного и антикоррозионного барьера, плотно посаженного на стенке принимающего трубопровода, в который вставляют данную внутреннюю облицовку. После установки внутренней облицовки внутрь изношенного и разупрочненного принимающего стального трубопровода с плотной посадкой данная внутренняя облицовка обладает способностью обеспечения композитного действия внутри принимающего стального трубопровода и образования части данного трубопровода таким образом, что давление разрыва комбинированной конструкции внутренней облицовки и стального трубопровода может иметь значение, равное или превышающее давление разрыва первоначального стального трубопровода, когда данный трубопровод был новым. При использовании стального трубопровода, имеющего действующие рабочие давления меньше, чем давление разрыва системы внутренней облицовки, данная внутренняя облицовка может рассматриваться как обеспечивающая наличие трубопровода с эффективной формой "двойного сдерживания" в случае, если по какой-либо причине происходит ухудшение принимающего трубопровода вследствие внешнего повреждения или коррозии.
Для специалиста в данной области техники очевидно, что возможны различные модификации настоящего изобретения.