СПОСОБ РЕМОНТА УЧАСТКА ТРУБЫ, СПОСОБ РЕМОНТА ТРУБЫ, СПОСОБ РЕМОНТА ОБЪЕКТА, СИСТЕМА ДЛЯ РЕМОНТА ТРУБЫ И ОТРЕМОНТИРОВАННАЯ ТРУБА (ВАРИАНТЫ)
REPAIR METHOD OF PIPE SECTION, REPAIR METHOD OF PIPE, REPAIR METHOD OF OBJECT, PIPE REPAIR SYSTEM AND REPAIRED PIPE (VERSIONS)

Изобретение в общем относится к ремонту труб. Более конкретно, изобретение относится к методикам эффективного ремонта трубы при помощи упрочненного волокном полимерного материала.
В настоящее время системы труб присутствуют повсеместно. Системы труб можно обнаружить в широком ассортименте коммунально-бытовых, коммерческих и промышленных сфер применения. Например, системы труб можно использовать в системах распределения средств обеспечения, производственных процессов, транспортирования химических/нефтехимических продуктов, передачи энергии, водопроводных, обогревающих и охлаждающих, канализационных системах, а также при извлечении отработанных реагентов/соединений, таких как выпуск исчерпавшихся реагентов, загрязненной воды и тому подобного. В ходе эксплуатации системы труб внутри установок и на более значительных расстояниях можно использовать для сбора, распределения и транспортирования воды, водяного пара, химических продуктов, нефтехимических продуктов, сырой нефти, природного газа и широкого ассортимента других жидкостей, газов и элементов.
Системы труб, такие как трубопроводы, могут транспортировать средства обеспечения, энергию и химические/нефтехимические элементы к клиентам в промышленности, на производственные участки, на химические/нефтеперерабатывающие установки, к коммерческим структурам, государственным учреждениям, потребителям и так далее. Неоспоримо то, что трубопроводы (например, транспортные трубопроводы) сыграли выгодную роль в улучшении производительности при доставке ресурсов. Действительно, мировая экономика зависит от способности трубопроводов транспортировать исходное сырье и продукты к широкому ассортименту потребителей и конечных пользователей.
Пик сооружения трубопроводов (например, трубопроводов для газообразных и жидких нефтехимических продуктов) наблюдался 30-40 лет назад, при этом большинство из данных трубопроводов, в том числе множество сооруженных до второй мировой войны, все еще находятся в эксплуатации. Вследствие их возраста сохранение целостности инфраструктур стареющих трубопроводов требует больших затрат. Ежегодные затраты, относимые на счет смягчения последствий коррозии трубопроводов и других неисправностей, потенциальных неисправностей и аномалий трубопроводов, составляют миллиарды долларов. С точки зрения экономики соображения по ремонту трубопроводов могут включать потребности в рабочей силе, материалах, оборудовании, наличный капитал, экономическую доходность, межремонтный срок службы, время простоя трубопровода и тому подобное. Как и предполагалось, экономика ремонта трубопровода может оказывать значительное влияние на производительность трубопровода.
Неисправности и повреждение для трубы могут обуславливаться вредным действием механического происхождения, коррозией, эрозией, повреждением покрытий, разрушением изоляции, неблагоприятными условиями эксплуатации, погодой и тому подобным. Внутренняя эрозия, например, может иметь место вследствие течения содержимого через трубопровод. Такая эрозия может быть усугублена действием центробежных сил, связанных с изменениями направления линии тока. Что касается коррозии, то внешняя поверхность системы труб может быть подвергнута воздействию коррозионно-активной почвы или наземных коррозионно-активных сред, а внутренняя поверхность системы труб может быть подвергнута воздействию коррозионно-активного содержимого. Эрозия, коррозия и другое повреждение значительным образом могут уменьшить толщину стенки трубы и, таким образом, уменьшить номинальное давление или способность выдерживать воздействие давления для трубы или трубопровода. В соответствии с этим эксплуатационный и обслуживающий персонал трубопроводных компаний (например, газоперекачивающих компаний) может определить, нужно ли проводить ремонт для неисправности или участка потенциальной неисправности, обнаруженных на трубопроводе, нужно ли проводить замену секции трубы, или нужно ли отказаться от использования трубопровода.
При оценке решений по ремонту операторы трубопроводов и поставщики услуг обычно принимают во внимание время простоя трубопровода, технические характеристики трубы, участок трубы, подлежащий ремонту, условия залегания под землей, наземную окружающую среду, содержимое системы труб или трубопровода, условия эксплуатации трубопровода и тому подобное. Само собой разумеется, что операторы трубопроводов и поставщики услуг должны принимать в расчет предписывающие ограничения, надлежащие промышленные стандарты, рекомендации производителей и тому подобное. Кроме того, подход к обслуживанию, выбранный в конечном счете, может включать ремонт для протечки или другой неисправности или упреждающий ремонт участка трубы до неисправности (например, протечки, разрушения и тому подобного) трубопровода. В заключение, в попытке сохранения целостности трубопровода при одновременном учете аспектов затрат, окружающей среды, предписывающих ограничений и тому подобного операторы трубопроводов и поставщики услуг обычно оценивают обслуживание, замену и ремонт систем труб/трубопроводов исходя из доступных инженерных альтернатив и экономического эффекта от данных альтернатив. В случае ремонта доступными являются несколько технологий, методик применения и материалов.
Обычные технологии ремонта используют металлические муфты, которые располагают вокруг секции трубы для упрочнения трубы. Для ремонта протечек и других неисправностей труб на различных длинах и диаметрах системы труб можно устанавливать свариваемые муфты и несвариваемые (механические) муфты. Кроме того, муфты могут обеспечить проведение упреждающего ремонта для потенциальных неисправностей труб, упрочнение участков труб, подвергшихся внутренней и внешней коррозии, улучшение номинального давления для системы труб и тому подобное. В общем случае сложившиеся методики применения муфт либо с использованием муфт, свариваемых по месту вокруг трубы, либо с использованием муфт, механически прикрепляемых к трубе без сварки, предлагают преимущества применения подходов к ремонту, известных в промышленности. При ремонте трубопроводов операторы, инженеры и квалифицированные рабочие привыкли к работе со сварными фитингами для свариваемых муфт, а также с механическими приспособлениями и зажимами для несвариваемых муфт. К сожалению, обучение персонала подходящим для использования методикам механических и сварных работ слишком обширно для надлежащей установки муфт. Кроме того, ремонт трубопроводов с использованием несвариваемых и свариваемых муфт в результате может привести к охрупчиванию и появлению остаточных напряжений в точке ремонта на трубопроводе.
В случае свариваемых муфт муфты можно сваривать вокруг подлежащей ремонту трубы, заключая сегмент трубы, подлежащий упрочнению, в оболочку. Сопрягающиеся грани полумуфт можно сваривать друг с другом, а торцы установленной муфты - приваривать к трубе для обеспечения герметизации и прикрепления свариваемой муфты к трубе. Необходимо подчеркнуть, что при установке свариваемой муфты можно использовать широкий ассортимент конфигураций сварки, отличных от родового подхода, описанного выше. Затраты, связанные с ремонтами с использованием сварки, в том числе с ремонтами с использованием свариваемых муфт (например, в случае транспортных трубопроводов высокого давления), можно отнести к использованию высококвалифицированных сварщиков, отключению и опорожнению трубопровода и отключению связанных с трубопроводом производственных установок, химических/нефтехимических процессов и тому подобного.
В общем случае с точки зрения эксплуатационных затрат желательно ремонтировать систему труб при сохранении трубопровода в режиме эксплуатации, что, таким образом, уменьшает дорогостоящее время простоя. Методики ремонта, которые избегают сварки или резки трубы, например, могут сделать возможным сохранение трубопровода в режиме эксплуатации во время проведения ремонта и, таким образом, могут позволить избежать затрат, связанных с временем простоя трубопровода. Необходимо подчеркнуть то, что отключение трубопровода для проведения ремонта потенциально может заставить отключить установки, расположенные на технологической схеме до и после трубопровода, что в результате приведет к падению производства, падению продаж, затратам на отключение и запуск и тому подобному.
Несвариваемые муфты относятся к решению данной проблемы, поскольку в общем случае они не требуют проведения сварки или резки. Несвариваемые упрочняющие муфты механически присоединяют к секции трубы, подлежащей ремонту. Другими словами, данные несвариваемые муфты (также называемые механическими муфтами) можно размещать на трубе и прикреплять к ней при помощи зажимов, болтов и тому подобного. К сожалению, использование несвариваемых муфт может потребовать применения экзотических механических методик для надлежащей фиксации номинального давления в трубе при ремонте, и, таким образом, может оказаться более обременительным и сложным в сопоставлении с методиками сварки. В результате ремонт труб с использованием несвариваемых муфт может оказаться более дорогостоящим в сопоставлении с ремонтом с использованием свариваемых муфт. Однако ремонт с использованием несвариваемых муфт может выгодным образом позволить избежать проведения сварки при осуществлении ремонта по месту, таком как, например, на участках трубопровода и на участках проведения химических/нефтехимических процессов. Кроме того, как указывалось, подходы без использования сварки в общем случае делают возможной непрерывную эксплуатацию трубопровода. С другой стороны, при определенных конфигурациях несвариваемых (механических) муфт трубопровод может быть опорожнен в случае необходимости приложения к трубе значительного механического усилия или вследствие действия других фактов во время установки несвариваемой муфты.
К сожалению, специальный случай ремонта колен в системе труб, Т-образных соединений в системе труб, отводов в системе труб и тому подобного является проблематичным в случае как свариваемых, так и механических (несвариваемых) муфт вследствие трудности размещения жесткой металлической муфты вокруг искривленного отвода трубы, подлежащего ремонту. Кроме того, жесткие металлические муфты могут оказаться неспособными обеспечить надлежащий контакт на отводах трубопровода и, таким образом, неспособными упрочнить напряженные точки, которые обычно существуют на отводах трубопроводов. Кроме того, обеспечение надлежащего соответствия радиусов кривизны внешней металлической муфты и колена или отвода трубопровода может оказаться затруднительным. Во избежание возникновения данных проблем при установке муфт на отводах трубопроводов на отводе (например, в полости аномалии) можно разместить наплавной сварочный металл (вместо муфты), но такие ремонты с использованием наплавного сварочного металла в общем случае пригодны только для ограниченных диапазонов рабочих давлений и толщин стенок трубопровода.
Как можно видеть из приведенного выше описания, в случае свариваемых и несвариваемых (механических) муфт существует множество проблем. В целом данные сложившиеся методики использования упрочняющих муфт, либо свариваемых, либо несвариваемых, имеют тенденцию вызывать большие затраты, требуют наличия высококвалифицированной рабочей силы, в результате приводят к увеличению напряжений в трубах и увеличивают потребность в прерывании эксплуатации трубопровода. Существует потребность в улучшенных методиках ремонта труб.
В ответ на проблемы и трудности, связанные с обычно используемыми подходами с применением свариваемых и несвариваемых муфт при ремонте как прямой трубы, так и отводов труб, появились новые технологии, которые включают нанесение покрытий и использование высокопрочных пластиков, пластиков, упрочненных волокном, композитных материалов и тому подобного. Такие ремонты с использованием полимеров могут позволить уменьшить затраты и обеспечить получение меньших охрупчивания и остаточных напряжений в сопоставлении с традиционными свариваемыми и механическими муфтами. Кроме того, в общем случае полимерные композиты, например, не окисляются и, следовательно, могут предотвратить дальнейшую внешнюю коррозию подвергнутого обработке участка трубопровода. Кроме того, благодаря возрастанию применения систем для ремонта с использованием композитов, в особенности в промышленности перекачивания нефти и газа. Американское общество инженеров-механиков (ASME) в настоящее время разрабатывает стандарты для неметаллической технологии оборачивания, включая разработку нового стандарта для ремонта после сооружения конструкции. В настоящее время проект нового стандарта ASME указывает на то, что необходимо произвести измерение и оценку для свойств нескольких материалов в системе для ремонта.
Необходимо отметить, что смола сама по себе (без упрочняющих материалов) обычно не обеспечивает достижения надлежащей прочности при ремонте труб, в особенности при ремонте трубопроводов среднего и высокого давления. В соответствии с этим, в общем случае системы для ремонта с использованием полимеров в своей основе имеют матричную композитную ткань с эпоксидными материалами и другими смолами, образующую монолитную конструкцию вокруг поврежденной трубы. В общем случае для получения конструкции из композитного материала вокруг поврежденной части трубы можно использовать широкий ассортимент волокон, полимеров, смол, форполимеров, клеев и других элементов. В частности, системы для ремонта с использованием композитов обычно применяют стекловолокно и демонстрируют потенциал по уменьшению затрат на ремонт коррелированных труб благодаря возможности избежать использования дорогостоящих механических муфт, сварки и времени простоя.
Однако, как будет показано далее, проведение ремонтов с использованием данных композитов имеет тенденцию приводить к большим затратам труда. Например, каждый слой волокна смачивают пропитывающей смолой до оборачивания волокна вокруг трубы. Несколько слоев волокна и смолы (также называемой в настоящем документе полимером) методично накладывают вручную при наложении одного слоя за раз, при этом волокна подвергают медленному и тщательному предварительному смачиванию смолой до наложения каждого слоя волокна. Например, волокно (например, ленту из волокна) можно протягивать через ванну полимера (например, эпоксидной смолы) во время обременительного наложения волокна на трубу. Такие трудоемкие манипуляции и установка на открытом воздухе создают проблемы для окружающей среды и для операции нанесения, увеличивают потребность в манипуляциях с химическими продуктами на основе смол и растворителями, увеличивают время работ и так далее.
В дополнение к этому, как должны понимать специалисты в соответствующей области техники, рабочий должен знать период жизнеспособности смолы (то есть время схватывания смолы в минутах или часах), где вязкость смолы значительно увеличивается, когда период жизнеспособности истекает, что делает затруднительным надлежащее нанесение смолы на волокно и эффективные формование и получение композита на основе полимерной смолы. Период жизнеспособности смолы не следует путать со временем отверждения смолы, которое представляет собой время, в течение которого смола образует сшитый термореактопласт, что обычно происходит на день или несколько дней позже. Период жизнеспособности (и соответствующее увеличение вязкости) у таких систем смол обычно может составлять только несколько минут. Несомненно, что установка, не завершенная до истечения периода жизнеспособности смолы, в результате может привести к получению дефектной конструкции из композита, охватывающей трубу и аномалию трубы.
В общем случае существует внутреннее противоречие между методикой медленного и обременительного предварительного смачивания и наложения волокна слой за слоем и относительно быстрым образованием вязкой структуры смолы вследствие истечения периода жизнеспособности смолы и сопутствующего увеличения вязкости. Таким образом, при ремонте труб с использованием композитов для множества систем, включающих волокно и смолу, трудно проводить формование и придание формы надлежащей конструкции из композита, которая покрывает трубу и аномалию трубы.
Для решения указанных проблем заявителем был создан способ ремонта участка трубы, согласно которому накладывают конструкцию из сухого волокна на участок трубы, подлежащий ремонту, и наносят полимерный материал на незащищенную поверхность конструкции из волокна на трубе с тем, чтобы осуществить пропитывание конструкции из волокна при обеспечении проникновения полимерного материала вокруг волокон внутри конструкции из волокон к участку трубы.
Предпочтительно, конструкция из волокна содержит углеродные волокна, а полимерный материал содержит эпоксидную систему.
Предпочтительно, полимерный материал содержит систему термоотверждающейся смолы.
Решаются упомянутые проблемы и за счет создания способа ремонта объекта, согласно которому накладывают более чем один слой конструкции из волокна на поверхность объекта, устанавливают элемент оболочки вблизи конструкции из волокна, размещают полимерный материал между элементом оболочки и конструкцией из волокна, чтобы по существу пропитать конструкцию из волокна, посредством обеспечения проникновение полимерного материала через более чем один слой конструкции и вокруг волокон внутри конструкции из волокна на объекте, чтобы достичь поверхность объекта, и осуществляют отверждение полимерного материала с образованием композита из конструкции из волокна и полимерного материала на поверхности объекта.
Предпочтительно, объект представляет собой емкость, трубу, сопло или любую их комбинацию.
Предпочтительно, элемент оболочки вместе с участком объекта, имеющим конструкцию из волокна, образует полость.
Предпочтительно, по существу герметизируют элемент оболочки на объекте.
Предпочтительно, элемент оболочки представляет собой кожух, причем при размещении полимерного материала наливают полимерный материал внутрь кожуха через отверстие, расположенное на кожухе.
Предпочтительно, конструкция из волокна является самосмачивающейся.
Предпочтительно, пропитывание конструкции из волокна обеспечивают за счет свойств конструкции из волокна и полимерного материала без приложения внешнего давления.
Предпочтительно, полимерный материал проходит через конструкцию из волокна к поверхности объекта под действием силы тяжести или капиллярных сил или их комбинированного воздействия.
Предпочтительно, при наложении более чем одного слоя конструкции из волокна оборачивают конструкцию из волокна вокруг внешней поверхности объекта, чтобы по существу покрыть поверхность, подлежащую упрочнению.
Предпочтительно, конструкцию из волокна пропитывают полимерным материалом после или во время наложения конструкции из волокна на объект.
Указанные проблемы решаются также за счет создания способа ремонта трубы, согласно которому накладывают материал сухого волокна вокруг повреждения на участке трубы, по существу покрывая повреждение материалом сухого волокна, устанавливают элемент оболочки вкруг участка трубы, имеющего повреждение и материала сухого волокна, наливают жидкий полимерный материал внутрь элемента оболочки, чтобы по существу пропитать материал сухого волокна, при этом жидкий полимерный материал проходит вокруг материала сухих волокон, чтобы достичь повреждения, и обеспечивают отверждение жидкого полимерного материала до получения поверх повреждения на участке трубы композита, осуществляющего ремонт.
Предпочтительно, при обеспечении отверждения жидкого полимерного материала получают упрочненный полимерный композит и увеличивают номинальное значение давления или предельные параметры рабочего давления для трубы.
Предпочтительно, при наложении материала сухого волокна оборачивают ленту из сухого волокна поверх повреждения на участке трубы.
Предпочтительно, повреждение представляет собой полость на внешней поверхности участка трубы.
Предпочтительно, перед наложением материала сухого волокна повреждение предварительно обрабатывают.
Предпочтительно, при предварительной обработке повреждение шлифуют, пескоструят, очищают или размещают в повреждении материал наполнителя или осуществляют любую комбинацию этих операций.
Предпочтительно, используют элемент оболочки, представляющий собой внешнюю трубу, которая образует кольцевое пространство между элементом оболочки и участком трубы, подлежащим ремонту, при этом по существу пропитывают сухой материал волокон жидким полимерным материалом без приложения давления к полимерному материалу.
Предпочтительно, жидкий полимерный материал представляет собой эпоксидную смолу, содержащую твердые частицы.
Указанные проблемы решаются, кроме того, за счет создания отремонтированной трубы, содержащей композит, осуществляющий ремонт и размещенный на поверхности трубы, причем композит, осуществляющий ремонт, содержит конструкцию из волокна, составляющую 40-80% по объему композита, осуществляющего ремонт, и полимерный материал в отвержденном состоянии, расположенный вокруг волокон конструкции из волокна, чтобы достичь поверхности трубы, при этом конструкция из волокна наложена сухой, без полимерного материала, на поверхность трубы, а полимерный материал наложен так, чтобы по существу пропитать конструкцию из волокна на трубе и чтобы достичь поверхность трубы через конструкцию из волокна после того, как конструкция из волокна была наложена на поверхность трубы.
Предпочтительно, композиция из волокна нанесена более чем одним слоем.
Указанные проблемы решаются дополнительно за счет создания отремонтированной трубы, содержащей самосмачивающуюся конструкцию из волокна, размещенную на внешней поверхности трубы, элемент внешней оболочки, установленный вокруг участка трубы с конструкцией из волокна, и отвержденный полимерный материал, размещенный внутри элемента оболочки и вокруг волокон внутри конструкции из волокна, чтобы пропитать самосмачивающуюся конструкцию из волокна и достичь через самосмачивающуюся конструкцию из волокна наружной поверхности трубы.
Указанные проблемы решаются, помимо прочего, и за счет создания системы для ремонта трубы, содержащей конструкцию из сухого волокна, выполненную с возможностью оборачивания вокруг трубы и размещения полимерного материала после установки сухого волокна на трубе, контейнер, выполненный с возможностью охвата участка трубы, с конструкцией из сухого волокна, и текучий полимерный материал с составом, обеспечивающим наливание внутрь контейнера для проникновения вокруг волокон внутри конструкции из сухого волокна к участку трубы и образование композита на участке трубы с волокнами внутри конструкции из волокна на участке трубы.
Предпочтительно, период жизнеспособности у текучего полимерного материала находится в диапазоне от 20 минут до 200 минут.
Предпочтительно, система содержит уплотняющие элементы, выполненные с возможностью по существу герметизации контейнера с трубой и сухим волокном, причем между контейнером и трубой образуется полость для размещения текучего полимерного материала.
Предпочтительно, уплотняющие элементы содержат гибкий элемент.
2
Предпочтительно, сухое волокно представляет собой мат из волокон, и предел прочности при растяжении у сухого волокна находится в диапазоне 24500-56000 кг/см.
Предпочтительно, текучий полимерный материал представляет собой эпоксидную систему, систему сложного полиэфира, систему винилового сложного эфира, уретановую систему или метакрилатную систему или любую их комбинацию.
Предпочтительно, текучий полимерный материал содержит твердые частицы.
Вышеупомянутые и другие преимущества и признаки изобретения станут более понятны после прочтения следующего далее подробного описания со ссылкой на чертежи, на которых:
Фиг.1 - блок-схема примера способа ремонта трубы в соответствии с примером варианта реализации настоящего изобретения.
Фиг.2 - вид в перспективе для ремонтируемой трубы, который иллюстрирует мат из сухого волокна, накладываемый на трубу в соответствии с примером варианта реализации настоящего изобретения;
Фиг.3 - вид в перспективе для трубы с Фиг.1, изображающий мат из сухого волокна, обернутый вокруг трубы и прикрепленный к ней в соответствии с примером варианта реализации настоящего изобретения;
Фиг.4 - вид в перспективе для трубы с Фиг.2, имеющей уплотнения, установленные на трубе в соответствии с примером варианта реализации настоящего изобретения;
Фиг.5 - вид в перспективе с пространственным разделением деталей для трубы с Фиг.3, иллюстрирующий внешний элемент (например, кожух), вмещающий смолу и имеющий две половины;
Фиг.6 - вид в перспективе для трубы с Фиг.4, имеющей внешний элемент, установленный вокруг трубы и сопрягающийся с уплотнениями в соответствии с примером варианта реализации настоящего изобретения;
Фиг.7 - вид в поперечном сечении для трубы с Фиг.5 по линии 6-6 в соответствии с примером варианта реализации настоящего изобретения;
Фиг.8 - вид в перспективе для системы для ремонта труб, примененной для колена или отвода системы труб в соответствии с примером варианта реализации настоящего изобретения;
Фиг.9 - вид с пространственным разделением деталей для участка трубы 5, более подробно иллюстрирующий пример соединения двух половин внешнего элемента в соответствии с примером варианта реализации настоящего изобретения;
Фиг.10 - вид в перспективе для участка трубы, имеющий альтернативный внешний элемент и альтернативное соединение, расположенное на внешнем элементе в соответствии с примером варианта реализации настоящего изобретения;
Фиг.10А - детальное изображение фрагмента Фиг.10;
Фиг.11 и 12 - альтернативные виды в поперечном сечении, сделанном по линии сечения А-А на Фиг.5, демонстрирующие детали одного конца трубы, имеющей обжимной зажим для крепления внешнего элемента вокруг отремонтированной трубы в соответствии с примерами вариантов реализации настоящего изобретения;
Фиг.13 - вид в перспективе для примера крепежной детали (вместо обжимного зажима), предназначенной для крепления внешнего элемента вокруг отремонтированной трубы, при этом внешний элемент используют для вмещения смолы в соответствии с примером варианта реализации настоящего изобретения; и
Фиг.14 - график зависимости вязкости полимера от времени представляет собой индикатор периода жизнеспособности для полимерного материала в соответствии с примером варианта реализации настоящего изобретения.
Далее будут описаны примеры реализации настоящего изобретения. В попытке получения лаконичного описания данных вариантов реализации в описании изобретения описываются не все признаки фактического воплощения. Необходимо понимать, что при разработке любого такого фактического воплощения, как и в любом инженерном или опытно-конструкторском проекте, необходимо будет реализовать множество решений, определяемых конкретным воплощением, для того, чтобы добиться достижения конкретных целей разработчиков, таких как обеспечение соответствия ограничениям, связанным с системой и с деловой деятельностью, которые могут варьироваться при переходе от одного воплощения к другому. Кроме того, необходимо понимать то, что такие усилия по разработке могли бы оказаться сложными и отнимающими много времени, но, тем не менее, стали бы рутинным действием при проектировании, изготовлении и производстве для специалистов в соответствующей области техники, воспользовавшихся преимуществами данного описания.
Для облегчения обсуждения настоящих методик написанное описание изобретения предлагается с разделением по разделам. В разделе I обсуждаются части примера системы для ремонта труб. В разделе II обсуждаются аномалии труб и методики обследования трубопроводов. В разделе III обсуждаются свойства примеров упрочняющих материалов. В заключение, в разделе IV обсуждаются примеры полимерных материалов, которые могут быть использованы в системах для ремонта труб.
I. Система для ремонта труб
Настоящие методики обеспечивают проведение эффективного ремонта для труб в результате получения на трубе упрочненного полимерного композита при одновременном предотвращении проведения обычного обширного объема манипуляций с материалами для ремонта, связанными с ремонтом с использованием композита. Первоначально выявляют секцию трубы, подлежащую ремонту. Для осуществления ремонта на поверхность секции трубы, подлежащей ремонту, можно наложить упрочняющий материал (например, конструкцию из волокна). В определенных вариантах реализации упрочняющий материал оборачивают вокруг трубы, но его можно накладывать и в других формах, таких как заплата. Упрочняющий материал накладывают в сухом состоянии во избежание возникновения проблем, связанных с проведением манипуляций с влажными материалами (например, с волокном, насыщенным полимером). После этого на упрочняющий материал на трубе можно наносить полимерный материал. Например, его можно нанести кистью, или после закрепления упрочняющего материала на трубе может быть установлен элемент внешней оболочки (например, муфта, кожух, корпус, стенка, внешняя труба и тому подобное), примыкающий к упрочняющему материалу или охватывающий его. В последнем случае между элементом оболочки и упрочняющим материалом размещают полимерный материал, предшественник полимера и/или форполимер и тому подобное. Необходимо подчеркнуть, что термин «полимерный материал», использованный в настоящем документе, в широком смысле предполагает включение широкого ассортимента полимеров, форполимеров, смол, отвердителей, пластиков, составленных смесей и тому подобного.
В определенных конфигурациях внутрь элемента оболочки поверх упрочняющего материала наливают текучий или полутекучий полимерный материал. Полимерный материал проникает в упрочняющую конструкцию до тех пор пока ни увеличится значительно вязкость полимерного материала. Свойства упрочняющего и полимерного материалов можно выбирать таким образом, чтобы полимерный материал проникал бы в упрочняющую конструкцию или насыщал бы ее в результате действия силы тяжести, проявления капиллярных сил, воздействия внешнего давления и тому подобного. В заключение, полимерному материалу можно дать возможность отвердиться или полимеризоваться с образованием упрочненного полимерного композита, который обеспечивает ремонт трубы и восстанавливает способность выдерживать воздействие рабочего давления для трубы или трубопровода.
А. Выявление аномалии трубы и наложение на трубу конструкции из сухого волокна
Если обратиться к чертежам, то можно сказать, что Фиг.1-7 изображают пример воплощения системы 10 для ремонта труб, которую можно использовать для ремонта и/или упрочнения трубы, увеличения толщины стенки трубы, восстановления или увеличения номинального давления или способности выдерживать воздействие давления для трубы, ремонта емкости или другого оборудования и тому подобного. Фиг.1 представляет собой блок-схему 1 способа, предназначенного для ремонта трубы, и на нее будут ссылаться в ходе обсуждения примеров методик, изображенных на Фиг.2-7. Первоначально аномалию можно обнаружить на внутренней или внешней поверхности трубы, и, таким образом, будет выявлен участок или часть трубы, подлежащая ремонту, как указывается в графе 2. После выявления и анализа аномалии (и до наложения упрочняющего материала, такого как конструкция из сухого волокна) аномалию можно подвергнуть предварительной обработке каким-либо способом, таким как очистка аномалии, шлифование или пескоструйная зачистка или зачистка шкуркой, размещение материала наполнителя в аномалии и тому подобное. После проведения или без проведения предварительной обработки аномалии на аномалию в трубе можно будет накладывать или вокруг нее оборачивать конструкцию из сухого волокна (например, ленту или заплату из сухого волокна) без пропитывания полимером (графа 3). Конструкцию из сухого волокна можно закреплять на каждом конце, например, при помощи стандартных клеев или ленты.
В показанном на Фиг.2 и 3 варианте реализации конструкцию 12 из сухого волокна (например, ленту, мат, ткань из сухого волокна и тому подобное) накладывают на трубу 14, имеющую неисправность или аномалию 16. Труба 14 может представлять собой участок или часть трубопровода 30 (например, трубопровода для перекачивания газа или жидкости) и может быть изготовлена из широкого ассортимента металлических и/или неметаллических материалов, таких как цемент, пластики и тому подобное. Примеры металлов для труб могут включать сталь, углеродистую сталь, нержавеющую сталь, медь, латунь и более экзотические металлы, такие как сплавы никеля и другие металлические сплавы, и тому подобное. Примеры полимерных материалов для труб включают полипропилен, полиэтилен, другие термопласты, термореактопласты, полимеры, упрочненные наполнителем, пластик, упрочненный стекловолокном, и тому подобное. Труба 14 также может включать внутренние и внешние покрытия (на иллюстрации не показаны) для предотвращения коррозии, подавления воздействия солнечного света, защиты от химического воздействия и тому подобного. Наконец, как отмечалось, толщину 26 стенки трубы 14 можно определить удовлетворяющей заданному номинальному давлению для трубы 14 и системы труб (например, трубопровода 30).
В данном примере конструкцию 12 из сухого волокна первоначально можно прикрепить к трубе 14 при помощи адгезивного элемента 18, такого как ранее упомянутые обычные клей или лента. Например, после закрепления одного конца конструкции 12 из сухого волокна один или несколько слоев конструкции 12 из сухого волокна можно обернуть вокруг трубы 14 для начала ремонта неисправности или аномалии 16 и/или восстановления части или всей величины номинального давления или способности выдерживать воздействие давления для трубы 14. В общем случае конструкция 12 из сухого волокна покрывает внешнюю поверхность 22 участка трубы 14, подлежащего ремонту. Необходимо подчеркнуть, что вместо оборачивания вокруг трубы конструкцию 12 из сухого волокна можно накладывать как заплату или иначе. Кроме того, конструкцию 12 из сухого волокна и систему 10 для ремонта можно накладывать на оборудование, отличное от системы труб, такое как емкости, сопла емкостей, машины, резервуары, насосы, реакторы и тому подобное. В случае трубы 14, труба 14 обычно имеет цилиндрическую стенку 20, имеющую внешнюю поверхность 22 и внутреннюю поверхность 24. Переменные, принимаемые во внимание при выборе конструкции 12 из сухого волокна для восстановления или сохранения заданного номинального давления трубы 14, включают толщину 26 стенки, внутренний диаметр 28, материалы конструкции трубы 14 и другие факторы.
Для упрочнения или ремонта трубы 14 настоящие методики предлагают по существу самоформирующийся композит из конструкции 12 из сухого волокна и полимера на внешней поверхности 22 трубы 14. Как обсуждается подробно далее, свойства конструкции 12 из сухого волокна и полимера можно задать такими, что укладка вручную или мокрая укладка не потребуются, поскольку полимер, обтекая волокна внутри конструкции 12 из сухого волокна, будет проходить до внешней поверхности трубы 14. Таким образом, полимер можно наносить поверх конструкции из волокна без необходимости в предварительном смачивании волокон или слоев конструкции из волокна. Опять-таки, преимущественно можно исключить проведение обременительных манипуляций с волокном, с которого капает.
В. Установка уплотнений и элемента внешней оболочки на трубе
Если теперь обратиться к способу 1, изображенному на Фиг.1, и к ремонту трубы, изображенному на Фиг.4-6, то можно сказать, что на участках трубы 14, таких как до и после обернутой и закрепленной конструкции 12 из сухого волокна, можно установить уплотнения или торцевые уплотнения 32, такие как гибкие резиновые прокладки, металлические элементы и другие элементы (графа 4). До или после установки уплотнений 32 вокруг участка трубы 14 с конструкцией 12 из сухого волокна можно расположить элемент 36 оболочки, такой как муфта, кожух, корпус, контейнер и тому подобное. Элемент 36 оболочки сопрягается с уплотнениями 32 с образованием по существу герметизируемой полости между внутренней поверхностью элемента 36 оболочки и внешней поверхностью трубы 14 и конструкции 12 из волокна (графа 5). Кроме того, элемент 36 оболочки можно прикрепить к трубе 14, например, в результате установки на каждом конце элемента оболочки в продольном направлении простого обжимного зажима или более сложной крепежной детали (графа 5). Такие зажимные приспособления на элементе 36 оболочки также могут упростить сжатие уплотнений 32 и, таким образом, улучшить целостность уплотнений 32.
Примеры вариантов реализации Фиг.4, 5 и 6 изображают уплотнения 32, расположенные в примере системы 10 для ремонта труб около каждого конца участка трубы 14, подлежащего ремонту. В данном варианте реализации примеры уплотнений 32 (например, резиновые прокладки) характеризуются наличием гибкости, так что их можно оборачивать вокруг трубы 14 и располагать в продольном направлении вдоль трубы 14 снаружи витков конструкции 12 из сухого волокна. Опять-таки, назначение уплотнений 32 заключается в упрощении образования по существу герметизируемой полости между участком трубы 14, который включает конструкцию 12 из сухого волокна, и внутренней поверхностью элемента 36 внешней оболочки. Полость может вмещать полимерный материал, который проходит через конструкцию 12 из сухого волокна до внешней поверхности 22 трубы 14, в конечном счете, отверждаясь, обеспечивает ремонт трубы 14 с использованием композита. Необходимо подчеркнуть, что в настоящих методиках могут быть использованы и конфигурации уплотнения, отличные от примеров уплотнений 32. Например, торцы между трубой 14 и элементом оболочки 36 может закупоривать пеноматериал. С другой стороны, в работающих под давлением системах с элементом 36 оболочки могут быть использованы, например, более сложные уплотнения, такие как механические уплотнения и тому подобное.
Пример элемента 36 оболочки, имеющего две половины 36А и 36В, показан на Фиг.4. Половины 36А и 36В включают торцевые поверхности 34А и 34В, которые при сопряжении образуют оболочку для участка трубы 14 и конструкции 12 из сухого волокна. Элемент 36 оболочки можно изготовить из тонкого металла (например, листового металла с толщиной 1/8''), трубы (например, стандартной трубы из углеродистой стали), пластика, ткани и тому подобного. Элемент 36 оболочки устанавливают вокруг конструкции 12 из сухого волокна трубы 14. В проиллюстрированном варианте реализации две половины 36А и 36В элемента 36 оболочки соединяются на торцевых поверхностях 34А и 34В элемента 36 оболочки. Крепежный элемент 37, который скрепляет две половины 36А и 36В элемента оболочки на половинах торцевых поверхностей 34А и 34В, может быть образован сваркой, болтами, зажимами, скобками, клеем и тому подобным.
Кроме того, необходимо отметить то, что элемент 36 оболочки вместо этого может включать в себя один элемент или более, чем два элемента, а также многообразие конфигураций. Действительно, если потребуется размещение полимера 41, элементом 36 оболочки могут быть ткань, предварительно смотанная металлическая лента, муфты из металла или пластика, цилиндрические втулки, зажимы, полые сегменты и тому подобное.
С. Нанесение смолы и создание условий для проникновения смолы в конструкцию из сухого волокна
Если теперь обратиться к Фиг.1 и 6, то можно сказать, что во время ремонта полимер 41 можно выливать внутрь элемента 36 оболочки через отверстия или наполнительные трубы, например, добиваясь первоначального расположения полимера 41 поверх конструкции 12 из сухого волокна, размещенной на трубе 14 (графа 6). Вязкость, период жизнеспособности и другие свойства полимера можно определить такими, чтобы полимер проникал бы внутрь и в обход волокон в результате действия силы тяжести, проявления капиллярных сил или воздействия давления (графа 7). В общем случае простое обеспечение проникание полимера в волокна под действием силы тяжести и/или капиллярных сил может обеспечить простую установку по сравнению с технологиями, при которых в элементе 36 оболочки создают повышенное давление для содействия пропитыванию полимером конструкции 12 из сухого волокна. Однако, как уже указывалось, может быть приложено и дополнительное давление, такое как при использовании внешнего перекачивающего механизма (не показан) или в результате вдавливания или вжатия гибкого кожуха (например, ткани, пластика и тому подобного) в полимер и тому подобное. В конечном счете, полимер отверждается с образованием композита или матрицы из полимера и волокна, обеспечивающих ремонт аномалии, улучшение целостности системы труб и/или восстановление способности выдерживать воздействие рабочего давления для системы труб (графа 8).
При внесении полимера 41 в элемент 36 оболочки отверстия 38 и 40 в элементе 36 оболочки, проиллюстрированном на Фиг.6, могут обеспечить прием полимера и/или вытеснение воздуха. Например, полимерный материал или полимер 41 можно выливать в отверстие 38 в то время, как воздух в полости внутри элемента 36 оболочки будет выходить через отверстие 40 по мере того, как воздух в полости будет вытесняться поступающим полимером 41. В альтернативном варианте для добавления полимера 41 вместо двух отверстий могут быть использованы одно отверстие в элементе 36 оболочки или более чем два отверстия в элементе 36 оболочки. Кроме того, для добавления полимера 41 внутрь элемента 36 оболочки можно использовать герметизируемые отверстия в других частях системы 10 для ремонта, таких как в уплотнениях 32.
Отверстия 38 и 40 могут включать фитинги 42 и 44 или другие соединительные элементы с конфигурацией, позволяющей принимать трубы 46 и 48, которые облегчают заполнение полимером 41 и/или вытеснение воздуха. В проиллюстрированном варианте реализации Фиг.6 полимер 41 вливают в отверстие 38 через наполнительную трубу 46, как это показано стрелкой 60. Воздух вытесняется изнутри элемента 36 оболочки из отверстия 40 через трубу 48, как это показано стрелкой 62.
Необходимо понимать то, что использование элемента 36 оболочки представляет собой просто один пример того, как полимер 41 можно наносить на конструкцию 12 из сухого волокна на трубе 14. Другие альтернативы включают нанесение смолы на конструкцию 12 из сухого волокна при использовании, например, кисти после того, как конструкцию 12 из сухого волокна разместят на трубе 12. Поскольку данная альтернатива не предусматривает наличие оболочки для смолы, она обеспечивает проведение менее дорогостоящего ремонта, поскольку элемент 36 оболочки не используют.
D. Примеры слоев при ремонте труб
Примеры слоев в системе 10 для ремонта труб изображены на Фиг.7 - виде в поперечном сечении для системы 10 для ремонта труб, сделанном по линии сечения 7-7 на Фиг.6. В центре поперечного сечения находится труба 14, имеющая внутреннюю поверхность 24. После завершения формирования системы 10 для ремонта труб конструкция 12 из первоначально сухого волокна, расположенная на трубе 14, по существу становится насыщенной теперь уже отвержденным полимером 41. Кроме того, отвержденный полимер 41 также располагается и поверх конструкции 12 из сухого волокна в элементе 36 оболочки. Полимер 41 и конструкция 12 из волокна совместно образуют матрицу или композит на трубе 14 и внутри элемента 36 оболочки.
Элемент 36 оболочки можно оставить установленным или можно удалить в зависимости от конкретной сферы применения. Для удаления элемента 36 оболочки его можно разрезать, крепежные элементы 37 удалить и так далее. Необходимо отметить, что, если элемент 36 оболочки 36 останется, то тогда обычно он будет составлять внешний элемент системы 10 для ремонта. В данном случае внешняя поверхность 54 элемента 36 оболочки представляет собой внешнюю поверхность системы 10 для ремонта труб. Однако опять-таки элемента 36 оболочки можно удалить.
Е. Ремонт колен труб и отводов труб
В заключение, необходимо отметить то, что систему 10 для ремонта труб, изображенную на Фиг.8, можно преимущественно применить для колена 142 трубы 144. Опять-таки, как и в случае трубы 14 с предшествующих фигур, труба 144 (и колено 142) может включать в себя участок трубопровода 30 и внешнюю поверхность 148 и внутреннюю поверхность 150. Однако, как должен понимать специалист в соответствующей области техники, изменение направления колена 142 трубы 144 приводит к возникновению дополнительных проблем при ремонте. Тем не менее, настоящие методики применяются для ремонта колен труб 142, других отводов труб и других объектов неправильной формы, нуждающихся в ремонте.
Элемент 146 оболочки, изображенный в данном альтернативном варианте реализации, может иметь отверстия 152 и 154 для вливания смолы внутрь элемента 146 оболочки, а также для вытеснения воздуха изнутри элемента 146 оболочки. Кроме того, как обсуждалось ранее, элемент 146 оболочки может включать фитинги 156 и 158 на отверстиях 152 и 154, а также наполнительные трубы и/или воздушные трубы 160 и 162. В заключение, хотя это на иллюстрации и не показано, система 10 для ремонта труб, изображенная на Фиг.8, в общем случае будет включать конструкцию 12 из волокна и полимер 41, образующие композит поверх аномалии на колене 142 трубы, например, под элементом 146 оболочки.
F. Конфигурации и крепежные детали элемента оболочки
Фиг.9 и 10 иллюстрируют примеры того, как элемент 36 оболочки можно закрепить в системе 10 для ремонта труб. На Фиг.9 элемент 36 оболочки может представлять собой тонкий материал, такой как листовой металл или пластик и тому подобное, имеющий фланцы 80, которые сопрягаются для сведения двух половин 36А и 36В друг с другом. Фланцы 80 имеют отверстия 82 с конфигурацией, позволяющей размещать болты 84, которые сопрягаются с гайками 86. Для улучшения уплотнения между двумя половинами 36А и 36В элемента 36 оболочки при желании может быть использован уплотняющий материал 88, имеющий отверстия 90. Необходимо подчеркнуть, элемент 36 оболочки может и не включать двух отдельных половин, но вместо этого может включать единую конструкцию, имеющую на одной стороне, например, шарнир и ограниченную на другой стороне фланцем.
Как показано на Фиг.10, элемент 36 оболочки может представлять собой единый элемент или широкую полосу материала. Элемент 36 оболочки может представлять собой гибкий или полугибкий материал, такой как листовой металл, листовой пластик, рулон ткани и тому подобное. Для заключения части трубы 14, подлежащей ремонту, в оболочку гибкую полосу элемента 36 оболочки оборачивают вокруг трубы 14. Край 100 полосы элемента 36 оболочки перекрывается с другим концом элемента 36 оболочки. Для того чтобы лучше проиллюстрировать детали уплотнения при перекрывании полосы элемента 36 оболочки, Фиг.10А изображает вид с пространственным разделением деталей для системы 10 для ремонта труб, демонстрирующий край полосы 100 элемента 36 оболочки. Для завершения установки элемента 36 оболочки полосу элемента 36 оболочки, обернутую вокруг части трубы 14 с конструкцией 12 из сухого волокна, может закрепить обжимной зажим 68 или другой элемент. Дополнительно закреплять и герметизировать край полосы 100 элемента 36 оболочки в системе 10 для ремонта труб при желании могут уплотняющий материал 102 или полимер 41.
Если обратиться к Фиг.11 и 12, то поперечное сечение, сделанное по линии сечения А-А на конце системы 10 для ремонта труб на Фиг.10, изображает примеры альтернатив для стабилизации элемента 36 оболочки. На Фиг.11, например, обжимной зажим 68 оборачивают вокруг конца элемента 36 оболочки для его закрепления в системе 10. Кроме того, зажим 68 также может сжимать уплотнения 32, уменьшая потенциал утечки полимерного материала 41 из элемента 36 оболочки. На проиллюстрированном варианте реализации Фиг.11 обжимной зажим 68 имеет обычный винт 70 для затягивания зажима 68 вокруг элемента 36 оболочки. Кроме того, при желании поверхность 72 на уплотнении 32 может облегчать герметизацию полости полимера 41.
Подобным же образом. Фиг.12 изображает систему 10 для ремонта труб, имеющую признаки, подобные признакам Фиг.11, однако, при наличии закраины 112, образованной на конце гибкого элемента 36 оболочки. Такая закраина 112, например, может облегчать установку и позиционирование элемента 36 оболочки, а также улучшать целостность уплотнения 32, по существу предотвращая утечку полимера 41 из системы 10 для ремонта труб. Кроме того, формирование такой закраины 112 в случае элемента 36 тонкой оболочки (например, листового металла) может быть относительно несложным.
Альтернативный пример крепежной детали 120, предназначенной для крепежа элемента 36 оболочки вокруг трубы 14, изображен на Фиг.13. Пример крепежной детали 120 можно использовать для различных типов элементов 36 оболочки. Например, крепежную деталь 120 можно использовать вместо обжимного зажима 68 для закрепления гибкого элемента 36 оболочки. С другой стороны, крепежную деталь 120 можно использовать для закрепления в системе 10 для ремонта элемента 36 оболочки, относящегося к типу более жесткой и/или толстой трубы. Кроме того, крепежный элемент 120 может быть встроенным в элемент 36 оболочки или быть его частью, а не быть независимым элементом.
Элементы крепежной детали 120 могут включать два элемента, например, имеющие внешнюю поверхность 122. На одном из элементов крепежной детали 120 можно предусмотреть отверстие 124 и приемник 126 для размещения винта или болта 132. В данном варианте реализации винт 132 может входить в приемник 126 через внутреннюю трубу 128 через отверстие 124, и при этом резьбовую часть болта 132 принимает полость с охватывающей резьбой 130 в другом элементе крепежной детали 120.
Необходимо подчеркнуть, что для закрепления элемента 36 оболочки в системе 10 для ремонта труб может быть использован широкий ассортимент крепежных элементов, таких как обжимной зажим 68, крепежный элемент 120, сварные элементы, клей, адгезивы, скобки, фланцы, болты, винты и другие элементы. Такие крепежные элементы и элементы также могут формировать сжимающее усилие, оказываемое элементом 36 оболочки на уплотнения 32 (например, торцевые уплотнения), с образованием эффективного уплотнения смолы внутри полости, образованной между внутренней поверхностью элемента 36 оболочки и внешней поверхностью 22 трубы 14.
G. Варианты реализации для смолы/волокна в случае системы для ремонта труб
В определенных вариантах реализации системы 10 для ремонта труб упрочняющий материал представляет собой конструкцию из сухого волокна, а полимерный материал представляет собой смолу (например, эпоксидную систему). Надлежащим образом определенные сухие волокна и жидкие смолы образуют самоформирующийся композит, получаемый на трубе 14. При сооружении конструкции один или несколько слоев конструкции 12 из сухого волокна накладывают или оборачивают вокруг трубы 14. Полимер 41 размещают, наносят или выливают поверх конструкции 12 из волокна (то есть внутри внешнего кожуха, например). Значимо то, что никакого предварительного смачивания слоев конструкции 12 из сухого волокна 12 смолой 41 не требуется. Таким образом, в выгодном случае можно будет избежать проведения обременительных манипуляций и мокрой укладки в случае насыщенного смолой смоченного волокна. Опять-таки, как обсуждалось, свойства полимера 41 и конструкции 12 из сухого волокна можно определить такими, чтобы полимер 41 проходил бы через слои конструкции 12 из сухого волокна до поверхности трубы 14 и не нужно прибегать к неаккуратной укладке вручную смоченного волокна, насыщенного или пронизанного полимером или смолой. В заключение, опять-таки, необходимо подчеркнуть то, что в дополнение к ремонту или упрочнению системы труб настоящие методики применимы и к ремонту или упрочнению емкостей, сопел емкости, другого оборудования и тому подобного.
Фиг.14 представляет собой график 170 зависимости вязкости полимера 172, например, в сантипуазах (сПз) от времени 174, например в минутах. График 170 может дать представление о периоде жизнеспособности для конкретного полимерного материала. Период жизнеспособности полимерного материала может представлять собой критерий момента времени, в который его вязкость увеличивается до такого значения, при котором уже будет нельзя больше легко проводить манипуляции, формование и нанесение его на конструкцию из сухого волокна и тому подобное. Значения первоначальной вязкости полимерного материала до истечения периода жизнеспособности могут находиться, например, в диапазоне 1-10 сПз.
В проиллюстрированном варианте реализации график 170 демонстрирует две кривые 176 и 178. Кривая 176 представляет типичный полимерный материал, применяемый при ремонте системы труб с использованием композита. Типичный композитный материал, например смола, имеет тенденцию к довольно быстрому (и экспоненциальному) увеличению вязкости при коротком периоде жизнеспособности. В противоположность этому, кривая 178 представляет смолу или полимерный материал, которые могут быть более подходящими для настоящих методик в том смысле, что вязкость смолы увеличивается медленнее при более продолжительном периоде жизнеспособности (например, 20-200 минут) и, таким образом, отчасти делает возможным проникновение полимера 41 через конструкцию 12 из сухого волокна до значительного увеличения вязкости. Однако, может оказаться преимущественным определение некоего окна в периоде жизнеспособности, поскольку избыточный период жизнеспособности в результате может привести к утечке смолы из системы 10 для ремонта труб, избыточной продолжительности времени ремонта и тому подобному.
Примеры элементов и их свойств для системы полимера 41 в настоящей методике представлены в приведенной далее таблице. Необходимо отметить, что полимер 41 может включать форполимеры, отвердители, полимерные смолы и тому подобное. Действительно, система полимера 41 обычно может включать смолу (то есть форполимер, который отверждается с образованием полимера) и отвердитель, который облегчает отверждение (то есть сшивание с образованием термореактопласта). В таблице продемонстрирован краткий конспект составов, отображающий природу элементов, их доли и примеры уровней масс, используемые в типичных рецептурах. Однако, необходимо подчеркнуть то, что настоящие методики могут использовать и кандидатов систем смол, выходящих за пределы приведенных в таблице диапазонов и свойств.
Пример информации в таблице демонстрирует пример компромисса между различными свойствами в виде низкой вязкости, прочности, твердости, смачивания и реакционной способности, приводящего к получению кандидатов систем смол (включающих смолу и отвердитель), подходящих для использования в композите для ремонта труб. Во внимание принимаются потенциально противоречащие друг другу потребности в наличии маловязких элементов и одновременное сохранение надлежащей прочности композита. Кроме того, определенное значение имеет реакционная способность отверждающего средства или отвердителя (например, полиаминов), используемых в полимере 41. Комбинация быстрой полимеризации с продолжительным периодом жизнеспособности может сделать возможным быстрое прохождение отверждения при обеспечении достаточной продолжительности периода жизнеспособности такой, чтобы полимер 41 надлежащим образом проникала бы через волокно. В определенных примерах внимание может фокусироваться на более низкомолекулярных позициях так, чтобы смачивание бы улучшалось и не так быстро уменьшалось при прохождении реакции между полимером 41 и отвердителем. В конце концов, после отверждения смолы прочность композита измеряют, например, при использовании механических свойств композита при растяжении. Кроме того, индикатором целостности конструкции композита также может являться и твердость композита.
ТАБЛИЦА
ПРИМЕРЫ ДИАПАЗОНОВ И ФУНКЦИЙ ДЛЯ СМОЛЫ/ПОЛИМЕРА
Материал
Вязкость
MM
Функция
Количество (%)
DGEBPA
13000
Приблизительно
Твердость,
25,5-67
сПз
380
прочность,
умеренная реакционная способность
NPGDGE
18
~280
Малая вязкость,
6-9
бифункциональность
Ксилол
<1
106
Смачивание и малая вязкость
0-0,5
CHDMDGE
65
~340
Малая вязкость, бифункциональность
0-25,5
Циклический сложный эфир
2
~90
Смачивание, малая вязкость и реакционная способность
2-3
Модифицированный DGEBPA
~250000
~400
Повышенная реакционная способность, прочность
0-9
Модифицированный амин
50
Смесь аминов
Малая вязкость, медленная монотонная реакция
0-16
Алифатический амин
20
~160
Малая вязкость, умеренная реакционная способность, прочность
0-5,5
Модифицированный амин с ароматическим содержанием
2000
>300
Хорошее низкотемпературное отверждение при умеренной прочности
0-19
Полиэфирамин на основе простого эфира
80
>300
Малая реакционная способность, смачивание
0-17,5
DGEBPA = диглицидиловый эфир бисфенола А.NPGDGE = неопентилгликольдиглицидиловый эфир.CHDMDGE = циклогександиметанолдиглицидиловый эфир.
II. Аномалии и обследования систем труб
Неисправность, потенциальная неисправность или аномалия 16 трубы 14, подлежащей ремонту, могут включать коррозию, эрозию, точечную коррозию и тому подобное, что может уменьшить толщину стенки и, таким образом, номинальное давление для трубы 14 и сопряженного трубопровода 30. Такие неисправность или аномалию 16 можно обнаружить при использовании, например, широкого ассортимента методик обследования и испытаний, обсуждающихся далее. Неисправность или аномалию 16 можно определить глубиной, площадью, объемом, аксиальным и радиальным размерами и другими размерами и критериями. В проиллюстрированном варианте реализации Фиг.2 неисправность или аномалия 16 образуются на внешней поверхности 22 трубы 14. Однако, необходимо подчеркнуть то, что настоящие методики также используются и для смягчения последствий внутренних неисправностей или потенциальных внутренних неисправностей 16 трубы 14.
Аномалии 16 системы труб могут быть обусловлены коррозией, эрозией, механическим повреждением и тому подобным. Коррозию можно охарактеризовать как химическую или электрохимическую реакцию, которая проходит по незащищенной поверхности трубопровода, что в результате приводит к возникновению неисправностей или потенциальных неисправностей и утончению металлической стенки. Внешняя коррозия может быть обусловлена, например, гетерогенной природой почв для подземной системы труб и химическим воздействием окружающей среды для наземной системы труб. Внутренняя коррозия системы труб может быть обусловлена химическим воздействием содержимого системы труб на внутреннюю поверхность трубы. Коррозия может быть ускорена присутствием локализованных поверхностных дефектов, таких как выемка или царапина на поверхности трубы 14 или покрытии. Кроме того, вследствие течения потока содержимого через трубопровод может возникать внутренняя эрозия. Такую эрозию могут усугублять присутствие частиц в текущем потоке содержимого или изменение направления потока содержимого через трубопровод, такое как, например, в колене или Т-образном соединении системы труб. Кроме того, к возникновению аномалии на трубе 14 в результате может привести механическое повреждение, такое как при непреднамеренном ударе по подземному трубопроводу при проведении земляных работ. В любом случае вследствие либо внутренней, либо внешней коррозии/эрозии, либо механического повреждения получающееся в результате уменьшение толщины 26 стенки трубы 14, к сожалению, может привести к уменьшению номинального давления и/или способности выдерживать воздействие давления для трубы 14 или трубопровода 30. Как можно ожидать, эксплуатация избыточно поврежденного трубопровода 30 может оказаться проблематичной, что делает необходимым проведение ремонта, замены трубопровода или отказа от него.
В общем случае эксплуатационный и обслуживающий персонал систем труб может определить, нужно ли будет, например, отремонтировать неисправность или аномалию 16, обнаруженные на трубопроводе 30, или секцию трубы 14 необходимо будет заменить. Вне всякого сомнения в промышленности наблюдается все возрастающая потребность в методиках ремонта труб, которые эффективно с точки зрения затрат позволяют выявить и отремонтировать неисправность или аномалию 16. В целом, примеры аномалий 16 включают локализованные и общие дефекты, надрезы, выемки, царапины, механическое повреждение, эрозию, внутреннюю и внешнюю коррозию и тому подобное. В общем случае цели осмотра трубопровода 30 могут включать обнаружение и определение размеров аномалий 16 (например, полостей, раковин, коррелированных областей и тому подобного) и тому подобное. Анализ может позволить определить количество, размер, глубину и аксиальную длину потенциальной неисправности или аномалии 16 для того, чтобы принять решение по требуемому действию, такому как в связи с потребностью ремонта или замены трубы.
Операторы, техники, инженеры, обслуживающий персонал, поставщики услуг и так далее могут воспользоваться как внешним, так и внутренним обследованиями для определения и оценки состояния трубопровода 30 и его аномалий 16, неисправностей или потенциальных неисправностей в целях принятия решения о том, нуждается ли труба 14 в ремонте или в замене. Методики обследования могут включать обследования потенциала противокоррозионной катодной защиты для оценки эффективности системы борьбы с внешней коррозией (например, покрытий), установленной на трубопроводах 28, таких как транспортные трубопроводы. Низкие потенциалы, зарегистрированные во время данных обследований, могут указывать, например, на повреждение покрытия. Отслеживающий анализ внешнего покрытия может позволить точно определить области повреждения покрытия на трубопроводе 30. В общем случае области поврежденного покрытия могут характеризоваться высоким уровнем риска активной коррозии. Другие методики обследования включают использование внутренних средств, таких как диагностические внутритрубные снаряды, которые также называют инструментами интерактивного контроля и интеллектуальными инструментами. Как должны понимать специалисты в соответствующей области техники, диагностические внутритрубные снаряды представляют собой приспособления, направляемые через трубопроводы и имеющие сенсоры для обнаружения в трубопроводе вариаций по металлу. Дополнительные методики испытаний включают применение ультразвукового толщиномера, который можно использовать для измерения для измерения либо внутренней, либо внешней коррозии. Кроме того, инструменты для базовых инструментов при внешней коррозии включают угольники или поверочные линейки, уровнемеры, масштабные линейки или профильные калибры, шунтирующие рейки и тому подобное.
Информация о трубопроводе, собранная в рамках методик внутреннего и внешнего обследования, может включать данные по сварке на системе труб, отводам труб, клапанам, изменениям и потерям толщины стенки, аномалиям, неисправностям, потенциальным неисправностям и тому подобному. Кроме того, стандарты по ремонту, установленные Американским обществом инженеров-механиков (ASME) и другими организациями и полномочными органами власти, при оценке и анализе коррозии и аномалий трубопровода могут позволить воспользоваться методиками измерений и инженерными расчетами, такими как в случае расчетного разрывного внутреннего давления (или остаточной способности выдерживать воздействие давления) для корродированной трубы 14. В общем случае, если остаточная способность выдерживать воздействие давления будет превышать максимально допустимое рабочее давление (МАОР) с достаточным запасом, то тогда осмотренные участок или труба 14 могут оставаться в эксплуатации.
Переменные в таких расчетах и другие соображения, которые можно получить и проанализировать до принятия решения о проведении ремонта, включают размеры трубы 14, предел текучести, глубину аномалии, аксиальную длину аномалии, коэффициент геометрической формы, установочное давление, МАОР для трубопровода, определение класса и другие применимые стандарты трубопроводных компаний. Кроме того, оператор или поставщик услуг могут принимать во внимание местоположение трубопровода 30, местоположение аномалии 16 на трубе 14 и тип аномалии 16. Само собой разумеется, что сфера применения ремонта может быть обусловлена или модифицирована производителем или специальными требованиями. В идеальном варианте в общем случае желательно, чтобы ремонт обеспечивал бы соответствие или превышение прочности первоначальной трубы 14 и делал бы возможным возвращение трубопровода 30 в эксплуатацию при 100% от его максимально допустимого рабочего давления (МАОР).
III. Примеры упрочняющих материалов
При ремонте труб с использованием композита механические свойства при растяжении, выгодные для восстановления 100% МАОР при ремонте, главным образом обычно формирует элемент упрочняющего волокна в системе, такой как пример конструкции 12 из сухого волокна, изображенный на Фиг.2 и 3. Конструкцию 12 из сухого волокна можно изготавливать из множества материалов, таких как стекло, передовые полимеры, углерод, органические материалы, такие как Kevlar, неорганические материалы, такие как керамика, сложный полиэфир, полиакриловые смолы, полипропилен, найлон (полиамидные волокна) и другие материалы. В общем случае конструкция 12 из сухого волокна, такая как мат или лента из волокна, может иметь конфигурацию, обеспечивающую прием полимерного материала, такого как полимер или смола 41 или клей, с образованием упрочненного волокном композита. Например, конструкция 12 из сухого волокна может иметь структуру переплетения, облегчающую образование матрицы или композита, когда на конструкцию 12 из сухого волокна нанесут полимерный материал или полимер 41.
2
2
В настоящих методиках может быть использовано множество типов волокон, таких как стекловолокно, углеродные волокна и тому подобное. В особенности выгодными волокнами (то есть с точки зрения жесткости, прочности и характеристик нанесения) являются углеродные волокна. Может быть использовано множество форм углеродного волокна. Примером формы подходящих для использования углеродных волокон является тканая лента. Выгодную конструкцию ленты могут представлять однонаправленные углеродные волокна (основа) при наличии определенного другого неконструкционного или в меньшей степени конструкционного волокна (из стекла или сложного полиэфира) в направлении утка. Примеры изготовителей выгодных волокон включают: Zoltek, Torah, Cytec, Hexcel (Hercules), Toho, Mitsubishi и Grafil. Примеры диапазонов пределов прочности при растяжении для волокон, используемых в настоящих методиках, включают диапазоны от 350 до 800 тысяч фунтов на один квадратный дюйм (KSI) (24500-56000 кг/см). Например, эффективными также являются и волокна, демонстрирующие модуль, превышающий 25 миллионов фунтов на один квадратный дюйм (MSI) (17,5 млн кг/см). Однако, необходимо подчеркнуть, что в настоящих методиках эффективно могут быть реализованы и меньшие и большие пределы прочности при растяжении и модули.
Кроме того, необходимо отметить, что ленты из волокна и другие конструкции из волокна могут быть изготовлены в виде нескольких структур. Например, в определенных вариантах реализации волокна конструкции 12 из сухого волокна могут быть однонаправленными или могут не иметь определенного направления. Примеры волокон могут быть изготовлены при наличии углеволоконных прядей (набора углеродных элементарных волокон, определяемых как жгут), составленных из 1000-50000 элементарных волокон, сотканных различным образом до получения желательных содержания и структуры волокна. Более конкретным примером является 3-дюймовая лента, имеющая 12 жгутов основы/дюйм, изготовленная из жгута, имеющего 12000 элементарных волокон/дюйм для волокна с массой 12 унций на один квадратный ярд. В еще одном другом примере конструкция из сухого волокна 12 представляет собой углеволоконную ткань с полотняным переплетением, изготовленную из 12000 прядей (элементарных волокон) в окружном направлении и 63000 прядей в аксиальном направлении. В общем случае структуру переплетения и другие свойства волокна конструкции 12 можно определить облегчающими проникновение полимерного материала (например, полимер 41) в конструкцию 12 из сухого волокна.
В проиллюстрированных вариантах реализации наложение конструкции 12 из сухого волокна на трубу 14 проводить несложно, поскольку конструкцию из сухого волокна 12 можно устанавливать сухой без предварительного смачивания конструкции 12 из сухого волокна. Например, конструкцию 12 из сухого волокна (например, упрочняющую конструкцию из углеродного волокна) не смачивают полимерным материалом, таким как эпоксидная или другая смолы, до наложения конструкции 12 из сухого волокна на трубу 14. Кроме того, необходимо отметить, что неисправность или аномалию 16 трубы 14 можно заполнять материалом наполнителя до наложения или оборачивания конструкции 12 из сухого волокна вокруг трубы 14. Кроме того, количество обмоток или слоев конструкции 12 из сухого волокна вокруг поврежденной трубы 14 может зависеть от желательного номинального давления или желательного максимально допустимого рабочего давления для отремонтированной системы труб. Инженерные свойства конструкции 12 из сухого волокна, которые можно принимать во внимание, включают предел прочности при растяжении и модуль в продольном и поперечном направлениях конструкции 12 из сухого волокна (и, в конечном счете, отремонтированной трубы 14). Принимаемые во внимание свойства отвержденного композита могут включать предел прочности при сдвиге, температуру стеклования и коэффициент термического расширения и тому подобное. В заключение, как это должны понимать специалисты в соответствующей области техники, завершенную систему для ремонта 10 можно подвергать различным испытаниям для определения целостности системы 10 в процессе эксплуатации.
IV. Полимерный материал для ремонта
Примеры полимерных материалов, наносимых на упрочняющий материал (например, конструкцию 12 из сухого волокна), могут включать термореактопласты или полимеры 41, такие как фенольные смолы, эпоксидные смолы, полиуретаны, аминовые смолы, найлон, поликарбонаты и тому подобное. Действительно, примеры текучих полимеров 41 включают эпоксидную систему, систему сложного полиэфира, систему винилового сложного эфира, уретановую систему или метакрилатную систему или любую их комбинацию. Примеры термопластов, которые можно использовать в качестве смолы 41, включают полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол и другие термопласты. Кроме того, следует отметить то, что полимерный материал или смола, нанесенные на конструкцию 12 из волокна, первоначально могут представлять собой короткоцепную молекулу форполимера. Для получения дополнительной подробной информации о примерах материалов и примерах диапазонов свойств обратитесь к таблице.
В случае эпоксидов эпоксидные смолы в общем случае обозначают семейство молекул или олигомеров, имеющих, по меньшей мере, одну эпоксидную группу. Обычные эпоксидные смолы включают глицидиловые эфиры спиртов или производных фенола. Жидкой эпоксидной смолой является обычный диглицидиловый эфир бисфенола A (DGEBA), и он представляет собой смолу, наиболее часто используемую в сферах применения в промышленности. Данные продукты являются твердыми или жидкими при различных консистенциях, и они обладают способностью вступать в реакцию по концевым эпоксидным группам с образованием трехмерных сеток, придающих конечному материалу жесткость, твердость и неспособность или по существу неспособность течь повторно. Конечные продукты можно охарактеризовать их электрическими свойствами, адгезией (то есть ее облегчению благодаря присутствию в эпоксиде полярных групп), усадкой, ударной вязкостью, влагостойкостью и тому подобным. Данное семейство термореактопластов используют во многих сферах применения, подобных применению в композитах, покрытиях, клеях и инкапсулирующих материалах. Эпоксидная группа на конце данных молекул используется в качестве реакционного центра для сшивания данных термоотверждающихся полимеров. Необходимо отметить то, что в настоящих методиках также могут быть использованы и другие термореактопласты, не имеющие эпоксидных концевых групп. Например, возможно использование уретановых форполимеров, имеющих концевые изоцианатные группы. Кроме того, в системе 10 для ремонта труб могут быть использованы сложные полиэфиры, имеющие ненасыщенные группы. Как подчеркивалось ранее, конфигурацию, подходящую для использования в системе 10 для ремонта, может иметь широкий ассортимент систем полимеров и смол.
Реагент, выбранный для вступления в реакцию с данными эпоксидами и другими смолами или термореактопластами, называют отверждающим средством (или отвердителем), и обычно он имеет активный водород, присоединенный к азоту, кислороду или сере. Обычно активный водород присоединен либо к азоту, либо к части меркаптановой группы (-SH). В случае эпоксидных смол наиболее часто применяются аминовые отверждающие средства, и они могут быть первичными или вторичными, алифатическими или ароматическими или циклоалифатическими. Амины обычно имеют более трех реакционных центров на одну молекулу, что облегчает образование трехмерной полимерной сетки при смешивании с эпоксидной смолой. Выбор отверждающего средства зависит от множества параметров и в значительной степени может определять эксплуатационные характеристики конечного эпоксидного термореактопласта. Кроме того, несмотря на то, что реакция между аминами и эпоксидами может иметь место и при температуре окружающей среды, при выборе отверждающего средства необходимо проявлять осмотрительность для того, чтобы обеспечить полноту прохождения реакции. Для обеспечения полноты прохождения реакции амины, разработанные для сфер применения при температуре окружающей среды, могут использовать пластификаторы. Кроме того, амины, разработанные для реакций отверждения при нагревании, могут использовать небольшое количество пластификаторов или не использовать их вовсе, и обычно они будут приводить к получению термореактопластов, обладающих повышенными прочностными и теплофизическими эксплуатационными свойствами.
Химическое сшивание в общем случае начинается тогда, когда смешивают эпоксидную смолу и нелатентные отверждающие средства. Отверждающие средства, такие как ароматические амины или ангидриды, могут вступать в реакцию с эпоксидами медленно и могут сохранять малую вязкость более значительных масс или при нагревании. Однако, алифатические амины, циклоалифатические амины и амидоамины могут увеличивать вязкость быстро, пропорционально совокупной массе состава. Отверждающие средства, такие как определенные циклоалифатические амины, амидоамины и алифатические амины, можно добавлять к составу для увеличения продолжительности периода жизнеспособности смолы 41 и замедления нарастания вязкости. Как уже упоминалось, при определении свойств конечного композита существенную роль могут играть температуры переработки. Кроме того, используемые времена и температуры могут зависеть от выбора отверждающего средства.
В общем случае композит может включать материал, упрочненный волокнами или другими элементами со значимым аспектным отношением между длиной и толщиной. Обычными волокнами, используемыми совместно с эпоксидами, являются стекловолокно и углеродные волокна. Однако, как указывалось ранее, также могут быть использованы и арамидные, борные и другие органические и природные волокна. Полимеры, используемые в композитах, обычно представляют собой термореактопласты, и их назначение заключается в передаче нагрузки или напряжений на упрочняющую конструкцию из волокна для того, чтобы воспользоваться преимуществами прочности и жесткости (модуля) волокон. Примеры объемов волокна могут находиться в диапазоне от 40% до 80%, при этом такие объемы рассчитывают исходя из желательных прочности, номинального давления и других факторов в конкретной сфере применения. Конечные физические, теплофизические, электрические свойства и характеристики стойкости к воздействию химических реагентов для композита определяются выбором смолы и отверждающего средства и условий отверждения. В эпоксидных системах параметры, принимаемые во внимание при выборе надлежащего отверждающего средства для состава на основе эпоксидной смолы, представляют собой вязкость, эффект массы, циклы отверждения, температуры стеклования, вязкость при разрушении и другие факторы. Вязкость состава должна быть достаточно низкой для обеспечения по существу проникновения через упрочняющие волокна 12. Смеси эпоксидной смолы и отверждающих средств, имеющие относительно повышенные вязкости, можно нагревать для уменьшения вязкости состава. Однако, в зависимости от типа отверждающего средства нагревание может уменьшить время на проведение работ в результате ускорения прохождения реакции.
Несмотря на то, что для изобретения могут быть доступны различные модификации и альтернативные формы, в чертежах были в порядке примера продемонстрированы и в настоящем документе были подробно описаны конкретные варианты реализации. Однако, необходимо понимать, что изобретение не предполагает ограничения конкретными описанными формами. Вместо этого, изобретение должно включать все модификации, эквиваленты и альтернативы, соответствующие объему и сущности изобретения, определенного в следующей далее прилагаемой формуле изобретения.