СОСТАВ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО ГЕЛЕВОГО ПОРШНЯ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ НА МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДАХ
COMPOSITION OF MULTIFUNCTIONAL GEL PISTON FOR USE ON MAIN PIPELINES

Изобретение относится к трубопроводному транспорту 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 асфальтосмолопарафиновых отложений, водонефтяных эмульсий и пластовой воды.
При транспортировании нефти или нефтепродуктов вследствие выпадения осадков, образования внутренних газовоздушных скоплений и воды уменьшается пропускная способность трубопроводов, в результате чего увеличивается их гидравлическое сопротивление и увеличивается вероятность механического разрушения.
Особенно страдают участки труб, имеющих сложную конфигурацию и переменное сечение, а также трубопроводы большого диаметра с подкладными кольцами.
Водяные и газовоздушные скопления снижают качество перекачиваемого продукта, способствуют образованию устойчивых к разрушению эмульсионных систем.
Используемые для очистки механические устройства в большинстве случаев малоэффективны, особенно применительно к трубопроводам переменного диаметра.
Высокое качество удаления парафиновых и битуминозных отложений на стенках труб можно достичь лишь при использовании гелевых поршней с высокими значениями показателей упругих свойств. Благодаря этому гарантирована требуемая герметичность прилегания композиции к внутренней поверхности трубопровода.
2
3
Известен состав гелевого разделительного поршня, включающий полиакриламид (ПАА), алифатический спирт С-С, сшивающий агент, смесь минеральных солей и вода - остальное [RU №2115858, 6F 17D 3/08].
Его недостатком является низкий уровень герметизации полости трубы, особенно для трубопровода диаметром 300 мм и более.
Известен состав гелевого разделительного поршня на основе полиакриламида, углеводородной жидкости, сшивающего агента, соли щелочного или щелочноземельного металла и вода - остальное [RU №2209364 B08B 9/027, F17D 1/12, оп. 2003 г.].
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, B08B 9/027, оп. 2004 г.].
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.
Наиболее близким по технической сущности является состав гелевого поршня, описанный в [RU №2619682, 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.
Целью изобретения является оптимизация состава гелевого поршня, обеспечивающая улучшение его упругих характеристик и достижение более 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 состав многофункционального гелевого поршня для применения на магистральных трубопроводах с целью их очистки от асфальтосмолопарафинистых сред и других видов отложений, включает полимер, формальдегидсодержащий реагент, углеводородную жидкость, неорганический сшивающий агент, воду и дополнительно второй амид, причем в качестве полимера используют водорастворимый или частично сшитый полиакриламид, в роли формальдегидсодержащего реагента - продукт хемосорбции формальдегида водным раствором карбамида марки КФК-85, а вторым амидом является карбамид, меламин или их смесь, при следующем содержании компонентов, масс. %:
Водорастворимый или частично сшитый ПАА
7,0-10,0
Углеводородная жидкость
4,0-7,0
КФК-85
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
Таким образом, сущностью предлагаемого технического решения является состав многофункционального гелевого поршня, получаемый последовательным смешением перечисленных компонентов с формированием очищающего поршня в производственных условиях.
В отличие от прототипа в предлагаемом техническом решении существенно увеличено содержание формальдегидсодержащего реагента и дополнительно введен второй амид.
6
В качестве полимера используют порошкообразный гидролизованный полиакриламид с ММ=(8-18)*10 и степенью гидролиза 5-20% или частично сшитый ПАА с аналогичными характеристиками.
Наиболее подходящей углеводородной жидкостью является легкая нефть, керосин или дизельное топливо. Ее назначение состоит в предотвращении слипание частиц полиакриламида в более крупные агломераты при добавлении воды или неорганического сшивающего агента.
В качестве формальдегидсодержащего реагента применяют продукт хемосорбции формальдегида водным раствором карбамида, выпускаемый под торговой маркой КФК-85 по ТУ 2223 - 009 00206492-2007 и представляющий водную композицию, содержащую смесь моно-, ди- и триметилолмочевин с метиленгликолем:
карбамид в виде метилолмочевин, % масс.
25±0,5
формальдегид во всех формах, % масс.
60±0,5
вода
остальное
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 хромо-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°C 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 pH состава гелевого поршня в диапазоне 3-6, при необходимости используют соляную и лимонную кислоты.
Входящий в состав гелевого поршня формальдегидсодержащий реагент выступает в качестве модификатора полиакриламида в результате протекания следующих реакций.
2
Образовавшееся модифицированное производное полиакриламида (~CONHCHOH) способно далее конденсироваться в кислой среде с формированием пространственной сетки благодаря взаимодействию метилольных и амидных групп.
2
2
2
2
2 ~CONHCHOH→~CONHCHNHCO~+CHO+HO
2
2
2
2
~CONHCHOH+~CONH (ПАА)→~CONHCHNHCO~+HO
При этом в реакцию способен вступать не только ПАА, но и карбамид, меламин, добавляемые в состав гелевого поршня. Благодаря вводу второго амида регулируется густота сшивки состава гелевого поршня, то есть его упругие свойства.
Входящий в состав гелевого поршня кислый алюмохромфосфат, способен образовывать с метилолмочевинами карбамидоформальдегидного концентрата сложный эфир.
Применительно к диметилолмочевине его химическое строение может быть представлено следующей структурной формулой
где Ме - Al, Cr.
В результате реализации этого механизма также формируется полимерная разветвленная сетка, термическая и гидролитическая стабильность которой повышается благодаря наличию в ней фосфатных неорганических мостиков.
Образование упрочняющих солевых звеньев подтверждено и в случае
хлорида и сульфата хрома, а также хромо-калиевых квасцов.
Параллельно со сшивкой метилольных производных ПАА становится возможной их соконденсация с добавляемым амидом, например, карбамидом, согласно нижеприведенной реакции. В результате ее протекания, подтвержденной методом ЯМР-спектроскопии, формируются требуемые вязкоупругие характеристики полимерного резиноподобного гелевого поршня.
2
где R - H, CHOH.
Технология изготовления состава гелевого поршня 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.
2
1
2
μ=d*(ρ-ρ)*g/v, где
μ - вязкость раствора, пуаз;
d - диаметр набухшей частицы ПАА, м;
1
3
ρ - плотность набухшего полиакриламида в присутствии добавки КФК-85, кг/м;
2
3
ρ - плотность солевого отверждающего раствора, кг/м;
2
g - ускорение свободного падения, м/с;
v - скорость седиментации, м/с.
1
2
3
3
Если принять d=0,003 м, ρ=1100 кг/м, ρ - 1050 кг/м, V=0, 0001 м/c, то μ=0,25 пуаз.
В дальнейшем процесс протекает с автоускорением и в зависимости от температуры завершается в течение 2-4 часов.
Схема размещения гелевого поршня в очищаемом трубопроводе (устройство вытесняющей технологической цепочки) представлена на фиг. 1.
Обозначения на фиг. 1:
1 - нефтепродукт (водонефтяная эмульсия); 2 - герметизатор резинокордный; 3 - поршень поролоновый №1; 4 - гелевый разделительный поршень; 5 - поршень поролоновый №2; 6 - вытесняющая среда (вода или инертная газовая смесь).
Продавливание готового поршня в полость очищаемого трубопровода осуществляется под давлением с помощью баллонов с азотом без использования камеры приема-пуска, что обеспечивает высокую степень безопасности при выполнении работ. Перемещение гелевого поршня по трубе достигается с использованием инертного газа, либо потоком воды, подаваемой насосом.
Чем выше упругие свойства гелевого поршня, тем плотнее его прилегание к стенкам очищаемой трубы.
Получаемые по заявленному составу гелевые 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 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 составы для формирования поршней по прототипу и примерам осуществления технического решения.
Силу упругости F и жесткость материала k 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.
Компонент
Содержание компонентов в гелевых композициях, мас.%
прототип
1
2
3
4
5
6
полиакриламид
8,0
9,1
8,6
8,3
7,8
7,7
7,5
КФК-85
3,0
4,0
6,0
6,5
8,6
8,7
8,3
дизельное топливо
7,0
6,0
5,7
5,5
5,2
5,2
5,0
АХФС
0,002
карбамид
-
-
-
-
3,9
7,4
8,0
меламин
-
-
-
3,7
2,3
-
-
вода минерализованная, содержащая 6 мас. % хлорида натрия
остальное
Свойства гелевых композиций
сила упругости, Н
0,47
0,56
0,55
0,75
0,73
0,64
0,67
жесткость, H/м
16,8
20,1
20,8
27,3
26,2
23,1
23,5
Из нее видно, что, регулируя состав гелевого поршня можно добиться существенного улучшения его упругих рабочих характеристик по сравнению с прототипом, что позитивно отразится на удалении различных отложений на внутренней поверхности труб при прохождении по ним гелевого поршня.
По прототипу эффективность очистки трубопровода варьирует от 69%, а по заявленному техническому решению она превышает 80%.
При изменении массового содержания компонентов состава или несоблюдении условий его приготовления отмеченный результат не будет достигнут.
Таким образом, только предложенный состав многофункционального гелевого поршня обеспечит получение материала с улучшенными эксплуатационными характеристиками и 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.