Бестраншейный способ восстановления изношенных участков трубопровода
TRENCHLESS METHOD OF RESTORATION OF WORN SECTIONS OF THE PIPELINE

Изобретение относится к способам бестраншейного ремонта или защиты внутренней поверхности трубопроводов и может быть использовано в нефтегазоперерабатывающей и химической промышленности, коммунальном хозяйстве, мелиорации и иных отраслях народного хозяйства.
Известны способы восстановления трубопроводов бестраншейным способом, разработанные в Сибирском научно-исследовательском институте гидротехники и мелиорации, научно-производственной фирме «ИЗОТОР» и Сибирском федеральном университете [Отечественные бестраншейные технологии восстановления трубопроводов: монография / В.Н. Белобородов, А.Н. Ли, В.И. Емелин. – Красноярск: Сибирский федеральный ун-т, 2010. – 220 с.].
В монографии представлены новые и усовершенствованные отечественные технологии, оборудование и оснастка для бестраншейного ремонта трубопроводов водоснабжения и канализации полимерными материалами.
Известен способ восстановления трубопроводов [патент №2574135, опубл. 10.02.2016, МПК F16L55/165], включающий введение в очищенный трубопровод тканевой оболочки, пропитанной полимерным связующим, с воздухонепроницаемым пленочным рукавом внутри, прижатие тканевой оболочки к стенке трубопровода давлением воздуха, создаваемым в пленочном рукаве на период полимеризации связующего, и последующее удаление пленочного рукава по окончании полимеризации, при наличии углов поворота в трубопроводе сначала определяют их место расположения, затем готовят комбинированный рукав, состоящий из тканевой оболочки с ворсом наружу, внутрь которой с выворотом вводят воздухонепроницаемый рукав с тканевой лентой, полученный комбинированный рукав пропускают через пропиточную ванну с полимерным связующим, цепляют за трос и с помощью лебедки с одновременной пропиткой протягивают через трубопровод, на выходе из которого трос отцепляют, а к концу загерметизированного комбинированного рукава привязывают другую тканевую ленту, комбинированный рукав для его расправления и прижатия к стенке трубопровода раздувают сжатым воздухом, при этом в углах поворотов из-за натяжки рукава при протяжке в трубопровод образуются пустоты, чтобы их удалить, давление воздуха в рукаве снижают и за тканевую ленту, намотанную на барабан в начале трубопровода, комбинированный рукав с выворотом втягивают в трубопровод, причем конец вывернутого рукава должен выйти за все углы поворота, после этого давление воздуха в рукаве повышают и рукав снова вводят в трубопровод с выворотом, при наличии сопротивлений в углах поворотов за привязанную ленту, наматываемую на барабан, установленный в конце трубопровода, создают дополнительное усилие в направлении выворота рукава, при этом осуществляется полное прилегание рукава к стенке трубопровода.
Недостатком изобретения является сложность технологического процесса.
Наиболее близким аналогом  предлагаемого способа восстановления трубопроводов по совокупности совпадающих признаков выбран способ, описанный в патенте  №2479784 (опубл. 20.04.2013, МПК F16L55/165). Способ восстановления трубопровода осуществляется нанесением покрытия на его внутреннюю поверхность путем введения в очищенный трубопровод тканевой оболочки, пропитанной полимерным связующим, и воздухонепроницаемого пленочного рукава, прижатие тканевой оболочки и пленочного рукава к стенке трубопровода давлением рукава по окончании полимеризации, при этом вначале через трубопровод протягивают пропитанную связующим тканевую оболочку и закрепляют один ее конец на трубопроводе, а другой натягивают, затем в месте ее крепления на трубопроводе устанавливают пневмозатвор с пневмоманжетой и с их использованием после предварительного пропуска через них и закрепления на трубопроводе вводят под давлением воздуха выворотом внутрь тканевой оболочки пленочный рукав с одновременным ее расправлением и прижатием к стенке трубопровода на период полимеризации под давлением, превышающим давление грунтовых вод в местах возможных сквозных дефектов в трубопроводе. В качестве полимерного связующего используют эпоксидную смолу и отвердитель ЭТАЛ-45М, обеспечивающий возможность восстановления трубопроводов при пониженных температурах наружного воздуха и при соприкосновении с грунтовыми водами.
Недостатком прототипа является то, что при вывороте воздухонепроницаемого пленочного рукава вовнутрь тканевые оболочки под давлением воздуха продвижение и расправление пленочного рукава и прижатие к стенке трубопровода осуществляется неравномерно. Существует возможность разрыва пленочного рукава при удалении и травмирование поверхности покрытия с образованием значительной шероховатости при удалении рукава механическим протаскиванием в условиях неполного отверждения связующего. Кроме того, возникает проблема, связанная с тем, что в процессе расправления тканевой оболочки жидкая смола после пропитывания может вытекать или, по меньшей мере, собираться в нижней части.
Техническим результатом изобретения является повышение качества покрытия внутренней поверхности восстановленного трубопровода, улучшение эксплуатационных характеристик покрытия за счет модификации связующего, обеспечения равномерности распределения давления воздуха и улучшения прилегания тканевой оболочки к внутренней стороне восстанавливаемой трубы при раздуве и вывороте рукава. Кроме того, техническое решение позволяет легко без разрывов и повреждения внутренней поверхности покрытия извлекать пленочный рукав с выворотом после полного структурирования покрытия.
Технический результат достигается тем, что  способ восстановления изношенных участков трубопровода, включающий опорожнение одной или нескольких дефектосодержащих трубных секций от транспортируемой среды, механическую очистку внутренней поверхности, телеинспекцию очищенного участка трубопровода, определение длины, дефектов, стыков и поворотов ремонтируемого участка, пропитку  тканевой оболочки полимерным связующим и ввод оболочки в ремонтируемый участок трубопровода, прижимание пропитанной полимерным связующим тканевой оболочки к стенкам трубы раздувом воздухонепроницаемого пленочного рукава, вводимого в тканевую оболочку под давлением воздуха с выворотом во внутрь тканевой оболочки с одновременным ее расправлением, формирование покрытия внутренней поверхности поврежденных секций трубопровода из полимерного композита путем ведения процесса полимеризации под давлением, превышающим давление грунтовых вод в местах возможных сквозных дефектов в трубопроводе,  извлечение пленочного рукава выворотом после полного структурирования покрытия, согласно изобретения, при механической очистке удаляют наросты, участок трубы промывают водой и сушат продувкой, при телеинспекции на очищенном участке одновременно определяют глубину повреждений внутренней поверхности трубы и наличие сквозных дефектов, формирование покрытия внутренней поверхности поврежденных секций трубопровода осуществляют модифицированным полимерным композитом, который представляет собой  модифицированную матрицу из отвержденной смолы и тканевой оболочки, размещенной внутри матрицы, модификацию осуществляют термическим сажевым углеродом в соотношении 0,0001-3%   от массы полимерной матрицы, пленочный рукав имеет три продольные равноудаленные ленты из прочной ткани, обеспечивающие равномерность распределения давления воздуха и улучшение прилегания тканевой оболочки к внутренней стороне восстанавливаемой трубы при раздуве и вывороте рукава, при этом пленочный рукав без разрывов легко извлекают выворотом после полного структурирования покрытия. В частном случае ленты имеют ламинированную поверхность.
Заявленный способ осуществляют следующим образом.
При практической реализации изобретений и технологии восстановления трубопроводов бестраншейным способом, разработанных в Сибирском научно-исследовательском институте гидротехники и мелиорации, научно-производственной фирме «ИЗОТОР» и Сибирском федеральном университете (http://vikbeloborodov.narod.ru/; Отечественные бестраншейные технологии восстановления трубопроводов: монография / В.Н. Белобородов, А.Н. Ли, В.И. Емелин. – Красноярск: Сибирский федеральный ун-т, 2010. – 220 с.) нарабатывается новый опыт и знания, которые могут найти применение в улучшении известной технологии.
При введении в тканевую оболочку, пропитанную полимерным связующим воздухонепроницаемого пленочного рукава с выворотом под давлением воздуха возникают неравномерное расправление как на прямолинейных участках трубопровода, так и на поворотах. Автором предлагается использование пленочного рукава, который имеет три продольные ленты из прочной ткани, равноудаленные друг от друга. Конструкция рукава обеспечивает распределение давления воздушным потоком и выворачивание пленочного рукава примерно в одной плоскости, а, следовательно, и обеспечение качества прилегания и плотность прижатия тканевой оболочки к внутренней стороне восстанавливаемой трубы. Ленты закрепляют или пришивают на внутреннюю поверхность пленочного рукава продольно и таким образом, что в плоскости сечения рукава полосы лент расположены к друг другу под углом 120 градусов, что способствует созданию равномерного сопротивления при вывороте, а при удалении такой рукав не подвержен разрыву и легко извлекается после полимеризации. Ленты имеют ламинированную поверхность.
Способ восстановления трубопровода включает следующую последовательность действий:
- опорожнение одной или несколько дефектосодержащих трубных секций, которые необходимо отремонтировать, от транспортируемой среды (вода, нефть, газ, канализационные трубы или иные);
- механическая очистка внутренней поверхности дефектосодержащих трубных секций;
- телеинспекция очищенного участка трубопровода с одновременным определением глубины поврежденного слоя, точным замером длины ремонтируемого участка и определением участков трубы со сквозными дефектами, стыками и поворотами, и ответвлениями;
- пропитка тканевой оболочки полимерным связующим и ввод оболочки в ремонтируемые дефектосодержащие секции трубопровода;
- прижимание пропитанной полимерным связующим тканевой оболочки к стенкам ремонтируемого участка трубопровода раздувом воздухонепроницаемого пленочного рукава, вводимого в тканевую оболочку под давлением воздуха с выворотом во внутрь тканевые оболочки с одновременным ее расправлением;
- формирование покрытия внутренней поверхности поврежденных секций трубопровода из полимерного композита путем ведения процесса полимеризации под давлением, превышающим давление грунтовых вод в местах возможных сквозных дефектов в трубопроводе до образования матрицы из отвержденной смолы с тканевой оболочкой, размещенной внутри матрицы;
-  извлечение пленочного рукава осуществляют выворотом после полного структурирования покрытия.
Для пропитки тканевой оболочки используют полимерное связующее, содержащее эпоксидную смолу, отвердитель ЭТАЛ (ЭТАЛ-45М, ЭТАЛ-47F5, ЭТАЛ-45TZ, ЭТАЛ-М7), при этом полимерную композицию модифицируют высокодисперсными частицами термического сажевого углерода (сажи) в соотношении 0,0001-3%   от массы полимерной матрицы.
Применение отвердителя ЭТАЛ-45М (или его модификации) обусловлено тем, что обеспечивается возможность ведения процесса полимеризации при пониженных температурах наружного воздуха и при соприкосновении с грунтовыми водами.
В качестве модифицирующей наноструктуры применяли термическую сажу и аэросил.
Термическая сажа, или термический сажевый углерод, представляет собой тонкодисперсное порошкообразное вещество.  Согласно микроскопическим исследованиям (https://yagu.s-vfu.ru/mod/page/view.php?id=26335), сажа - это соединение отдельных пластинок типа графитовых, сложенных по три-четыре вместе и имеющих по краям свободные валентности углерода. У термических саж пластинки расположены в виде правильных стопок параллельно поверхности сажевой частицы, вследствие чего сила притяжения между отдельными частицами сажи очень невелика. У газовой сажи первичные пластинки расположены хаотично, вследствие чего свободные валентности углерода по краям этих пластинок легко взаимодействуют как между собой, вызывая образование цепочечной или сетчатой структуры. Сетчатая или цепочечная структура саж сообщает высокий модуль минеральному или химическому волокну.
Так же в качестве модифицирующей наноструктуры может быть использована «белая сажа», в частности аэросил. Аэросил представляет собой аморфный непористый диоксид кремния с размером частиц от 4 до 40 нм.  По современной классификации аэросил относится к нанопорошкам. Особенность аэросила заключается в его высокой удельной поверхности. Высокая удельная поверхность аэросила, малые размеры, однородность и сферическая форма частиц обусловили применение аэросила в качестве модификатора композита.
Смешивание углеродного наноматериала с компонентами полимерной матрицы проводилось путем тщательного перемешивания. Модификация полимерной матрицы связующего основана на использовании «эффекта малых добавок» (Гусев А.И. Нанокристаллические материалы: методы получения и свойства. Екатеринбург, 1998 г.). Нанопорошки с размером частицы до 1 мкм распределяются в межструктурных пространствах полимера на стадии его формирования, что приводит к снижению уровня микрогетерогенности полимерной матрицы и увеличению ее плотности.
Для улучшения модифицируемых характеристик может быть осуществлена обработка смеси ультразвуковым генератором. Параметры ведения процесса обработки устанавливают в зависимости от степени наполнения полимерной матрицы таким образом, что обеспечивается равномерная плотность распределения частиц сажевого углерода в полимерной матрице. Полученное модифицированное связующее применяют для пропитки тканевой оболочки.
Пример 1. Исследования образцов полимерного композита, представляющего собой эпоксиполимерную матрицу с тканевой оболочкой, размещенный внутри матрицы, на основе эпоксиполимерных матриц и микро- и субмикродисперсных неорганических компонентов, проводились на базе Института химии Коми НЦ УрО РАН. В результате исследований получены эпоксиполимерные матрицы, модифицированные введением высокодисперсных частиц сажевого углерода.
Многослойные наноструктуры - группированные сажевые частицы (термическая сажа или газовая сажа или аэросил), находящиеся в полимерной матрице, при пропитке тканевой оболочки связующим входят в межструктурное пространство, вследствие чего покрытие имеет однородную, стабильную и бездефектную структуру с высокими эксплуатационными свойствами и повышенной устойчивостью к агрессивным средам, в том числе стойкость к воде, антифризу, кислотам, щелочам, электролиту, растворам солей, маслам и полярным растворителям.
Количественное содержание частиц термического сажевого углерода в эпоксидном составе выбирают в зависимости от требуемой вязкости из интервала от 0,0001 масс. % до 3,0 масс. % по отношению к массе эпоксидного связующего. При ремонте участков труб с незначительным износом внутренних стенок трубопроводов применяют от 0,0001 масс.% до 1,5 масс.% сажевого углерода, что обеспечивает повышенную вязкость относительно обычной и исключает образование подтеков в период полимеризации, улучшение качества покрытия, в том числе на вертикальных поверхностях участках трубы.  При ремонте участков труб с сильным и неоднородным износом внутренних стенок в полимерной композиции используют от 1,5 масс.% до 3,0 масс.% термического сажевого углерода, обеспечивающего образование гелеобразной композиции.
Полимерную композицию с высоким содержанием модифицирующей добавки (более 3 масс.% могут применять на участках при ремонте сварных стыковых соединений, однако увеличение вязкости  более 3% снижает скорость и качество пропитки тканевого рукава.
Пример 2.
Осуществляют опорожнение от воды и механическую очистку внутренней поверхности ремонтируемых дефектосодержащих трубных секций. Затем  проводят телеинспекцию очищенного участка трубопровода, определяют дефекты, глубину поврежденного слоя и длину ремонтируемого участка.  Готовят оболочку из капроновой ткани, набитой синтепоном, соответствующей внутреннему диаметру, толщине износа и длине восстанавливаемого участка трубопровода. В качестве тканевой оболочки могут быть использованы иные материалы из минерального или химического сырья, например, стеклоткань, укладочный материал, холст (стеклохолст), нетканый материал, полученный иглопробивным способом, или техническое сукно, или комбинации этих материалов, стекловолокна или синтетические волокна. Тканевую оболочку формируют и сшивают на своём оборудовании.
С учетом дефектов тканевую оболочку пропитывают эпоксидным связующим с содержанием термического сажевого углерода 1,5 % по примеру 1. Пропитка оболочки производиться непосредственно перед вводом в трубопровод, т.е. визуально контролируется качество пропитки оболочки(важно), поэтому всегда можно увеличить или уменьшить скорость санации.  Пропитанная оболочка протаскивается на необходимую длину (120 метров). Со стороны ввода фиксируется. Пропитанную полимерным связующим тканевую оболочку прижимают к стенкам ремонтируемого участка трубопровода с одновременным его разглаживанием раздувом воздухонепроницаемого пленочного рукава, вводимого в тканевую оболочкупод давлением воздуха с выворотом во внутрь тканевой оболочки, при этом в воздухонепроницаемом пленочном рукаве давление воздуха равномерно распределяется за счет трех продольных равноудаленных полос, выполненных на стенках цилиндрообразного пленочного рукава (в поперечном сечении под углом 120°), что обеспечивает качественное разглаживание и прилегание композиционного покрытия к внутренней стенке ремонтируемой трубы. Затем формируют покрытие внутренней поверхности поврежденных секций трубопровода путем ведения процесса полимеризации под давлением, превышающим давление грунтовых вод в местах возможных сквозных дефектов в трубопроводе при положительной температуре окружающей среды до образования матрицы из отвержденной смолы с тканевой оболочкой, приклеенной внутренней стенке трубы.  Затем пленочный рукав, выполненный из полиэтилена, безопасно извлекают выворотом без образования шероховатости при удалении механическим протаскиванием в условиях неполного отверждения связующего, за счет выполненных на рукаве продольных полос. Рукав удаляется легко, без разрывов и повреждений пленки. Далее осуществляют телеинспекцию участка восстановленного трубопровода.
Сформированное композиционное покрытие образует с санируемой трубой единое целое. После выполнения восстановительных работ полностью прекращается внутренняя коррозия (покрытие как диэлектрик разрывает  электрическую цепочку окислительных процессов). На отремонтированном участке наблюдалось повышенное качество покрытия поверхности трубопровода с выровненной гладкой внутренней поверхностью, надежной заделкой стыков,  заполнением пустот и трещин в дефектосодержащей трубе. В результате проведенных работ восстановлена  пропускная способность трубопровода, первоначальный диаметр трубопровода, под который и было рассчитано перекачивающее оборудование (насосы). Восстанавливаются статические и иные характеристики  трубопровода. Нанесенное композиционное покрытие обеспечивает герметичность ветхого трубопровода при сохранении его несущей способности, прекращает процесс коррозии металла и продлит срок службы трубопровода ещё на 50 лет. Как показывают экспериментальные работы по восстановлению трубопровода заявленным способом, ремонт участка трубопровода возможен при износе трубопровода 70% и при наличии сквозных отверстий в санируемом трубопроводе.
Способ применим для восстановления стальных, чугунных, железобетонных трубопроводов. Все технологические процессы визуально контролируются.
Экспериментальные исследования показали, что покрытие внутренней поверхности поврежденных секций трубопровода, полученное с применением модифицированного композита, имеет повышенное качество с более выровненными поверхностями и более надежной заделкой пустот и трещин.