СПОСОБ СТРОИТЕЛЬСТВА НАЗЕМНОГО МЕТАЛЛИЧЕСКОГО СБОРНО-РАЗБОРНОГО НЕФТЕПРОДУКТОПРОВОДА
METHOD TO ERECT SURFACE METAL COLLAPSIBLE OIL-PRODUCTS PIPELINE

Изобретение относится к области строительства трубопроводного транспорта, в частности наземного металлического магистрального сборно-разборного трубопровода с соединением «Раструб», и может быть использовано при развертывании мобильных транспортных линий для перекачки светлых маловязких нефтепродуктов, маловязких нефтей, газового конденсата и воды на большие расстояния в условиях равнинной, горно-лесистой и пустынной местности с учетом преодоления естественных и искусственных преград, а также для транспортирования сжиженного газа.
В течение многих лет отрабатывались принципы использования и способы оперативного развертывания, строительства полевых магистральных сборно-разборных нефтепроводов в различных условиях, шло постоянное совершенствование структуры управления и технического оснащения.
Полевые магистральные сборно-разборные трубопроводы сыграли значительную роль при ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций массовых лесных пожаров, последствий аварии на Чернобыльской АЭС, землетрясения в Армении, засух в различных регионах страны. В последние годы расширяется их использование в хозяйственной сфере страны для перекачки нефти, нефтепродуктов, газового конденсата, воды и т.д. в районах с недостаточно развитой транспортной инфраструктурой.
Наиболее ценный опыт и уроки получены в процессе девятилетней эксплуатации полевых магистральных сборно-разборных трубопроводов для обеспечения горючим Ограниченного контингента советских войск в Республике Афганистан. По сборно-разборным трубопроводам было подано 5,4 млн т горючего, что составило около 80% от всего количества израсходованных нефтепродуктов.
Перед авторами, учитывая опыт многолетней эксплуатации магистральных металлических сборно-разборных нефтепродуктопроводов, стояла задача создать высокоэффективный способ строительства, то есть такой, который бы позволил сократить сроки монтажа трубопровода, механизировать процесс развертывания и автоматизировать процесс эксплуатации, обеспечить сокращение сроков ввода в эксплуатацию металлического сборно-разборного трубопровода, и который отвечал бы требованиям:
- высокой надежности за счет обеспечения высокой степени герметичности, прочности соединения и увеличения его угловой подвижности;
- высокой пропускной способности (для трубопроводов диаметром 100 мм - не менее 1200 т/сут, диаметром 150 мм - не менее 3200 т/сут, диаметром 200 мм - не менее 7500 т/сут);
- экологичности (снижение загрязненности окружающей среды при аварийных ситуациях).
Известен способ сооружения трубопровода в вечномерзлых грунтах на участках трассы с чередующимся характером рельефа, заключающийся в отрывке траншеи, укладке в нее трубопровода, его фиксации и закреплении на проектных отметках грунтом засыпки. На переходах со спокойным рельефом траншею отрывают в деятельном слое глубиной, обеспечивающей расположение верхней образующей трубопровода не выше уровня дневной поверхности. Перед укладкой выстилают стенки и дно траншеи полотнищами из нетканого синтетического материала с перекрытием внахлест их поперечных трубопроводу кромок и закреплением продольных кромок на бермах траншеи, а грунт засыпки размещают в навешанных на трубопровод вплотную друг к другу балластирующих полимерно-панельных устройствах с последующей отсыпкой защищающей трубопровод насыпи (RU патент №2244192, F16L 1/026).
Данный способ является весьма трудоемким, требует значительных материальных затрат.
Наиболее близким по технической сущности и взятым за прототип является способ строительства металлического сборно-разборного трубопровода, когда расчищают технический коридор и осуществляют вывоз труб на базы, доставляют трубы на участки трассы, раскладывают трубы с перекрытием «хвостов»: раструб - цилиндрический конец стыкуемых труб, с обеспечением расстояния между раструбами стыкуемых труб, не превышающего 6 м. Контролируют состояние стыкуемых труб, подготавливают их к монтажу. Сборку труб осуществляют путем подъема вручную (2 чел.) «хвостов» и заведения в раструб цилиндрического конца стыкуемой трубы. Сборку осуществляют отдельными участками с укладкой участка трубопровода наземно на деревянные подкладки с проверкой герметичности и прочности раструбных соединений. Соединяют отдельные участки трубопровода, обеспечивая модульность строительства с наземным расположением узлов и элементов запорной арматуры за счет использования мобильных средств перекачки, элементов фитингового оборудования и запорной арматуры, строительная длина которых кратна 0,45 м (RU патент №2298130, F16L 1/04).
Несмотря на то, что способ-прототип частично повышает надежность и ремонтопригодность, однако, он является непрактичным и трудоемким, требует значительных материальных и физических затрат и не в полной мере позволяет обеспечить качественное строительство и надежную работу трубопровода при эксплуатации. Так доставка труб осуществляется в упаковках, навалом, что приводит к увеличению числа привлекаемого для раскладки и сборки трубопровода вручную личного состава, численность одной такой бригады составляет 13-14 человек, а темп раскладки и монтажа в зависимости от местности за рабочий день - от 2 до 4 км. Монтаж ведется ручным способом, при этом усилие сборки составляет всего 15-20 кгс, что недостаточно для полноценной сборки соединения, требуется постоянный контроль полноты сборки каждого соединения с использованием специального приспособления калибра-щупа. Опыт строительства металлических сборно-разборных трубопроводов с соединением «Раструб» показывает, что даже в случае контроля полноты сборки с помощью калибра-щупа, около 20% соединений бывают недособранными, что и обнаруживается во время проведения гидравлических испытаний при проверке трубопровода на герметичность и прочность. Срок строительства и ввода 100 км трубопровода диаметром 150 мм в эксплуатацию и может составлять 2-2.5 месяца.
Кратность 0,45 м строительной длины фитингового оборудования и запорной арматуры при строительстве трубопровода приводит к дополнительному расходу оборудования и не позволяет маневрировать оборудованием при монтаже обвязок насосных станций, начального, промежуточного и конечного пунктов, а также при аварийных ситуациях, когда требуется замена трубы длиной 6 м или при разрыве соединения «Раструб», когда «хвосты» разошлись на 150-200 мм. Кроме того, оценить эффективность использования элементов трубопровода, длина которых кратна 0,45 м, не представляется возможным, так как в указанном патенте-прототипе отсутствуют доказательства преимущества этого признака относительно известных технических средств.
Технический результат изобретения - повышение оперативности развертывания и монтажа сборно-разборного нефтепродуктопровода с одновременным повышением надежности сборки трубопровода при строительстве и его эксплуатации.
Этот технический результат достигается тем, что в известном способе строительства наземного металлического сборно-разборного нефтепродуктопровода, включающем доставку труб на участки трассы, раскладку труб по трассе с обеспечением расстояния между раструбами стыкуемых труб, равного не более длины трубы, контроль состояния раструба с вмонтируемыми уплотнительным элементом и запорным кольцом и цилиндрического торца стыкуемых труб, сборку труб отдельными участками с укладкой собранного участка трубопровода на деревянные подкладки и проверкой герметичности и прочности раструбных соединений, последующее соединение отдельных участков трубопровода, по всей длине которого устанавливают запорные устройства и мобильные средства перекачки, согласно изобретению используют шарнирное соединение «Раструб» с сферическим элементом, имеющим на цилиндрическом торце концентричные поверхности разных радиусов, на концентричной сферической поверхности большего радиуса которой дополнительно размещают металлическую манжету перед доставкой труб на трассу, продвигаясь по которой, используя движущееся средство, определяют места установки насосных станций и воздухоотделителей, фиксируют углы наклона участков трассы нефтепродуктопровода, в зависимости от которых выставляют пикеты-указатели мест монтажа насосных станций, обратных клапанов, задвижек и регуляторов давления, трубы доставляют в пакетах, а раскладку и монтаж труб осуществляют трубоукладочной машиной, в зафиксированных местах установки насосных станций размещают дополнительный комплект труб для монтажа дублирующих линий сборно-разборного нефтепродуктопровода, по всей трассе в местах преодоления естественных и искусственных преград устанавливают отводы с запорными устройствами для подключения этих дублирующих линий, при этом перед сборкой шарнирного соединения определяют остаточный ресурс уплотнительного элемента шарнирного соединения, сравнивают полученные значения с допустимыми и при отклонении ниже допустимых обрабатывают уплотнительный элемент модификатором, а после соединения отдельных участков наземного металлического сборно-разборного нефтепродуктопровода осуществляют гидравлические испытания путем подачи жидкости со ступенчато изменяющейся величиной давления, в процессе которых определяют величину момента сил трения между уплотнительным элементом и непосредственно контактирующей с ним концентричной поверхностью малого радиуса цилиндрического торца, сравнивают полученные значения с заданными величинами и при превышении заданной величины корректируют угол поворота и/или изгиба в вертикальной и/или горизонтальной плоскости и повторяют гидравлические испытания до получения заданных показателей качества сборки, после чего осуществляют монтаж датчиков контроля с выводом сигналов на начальный, промежуточный и конечные пункты нефтепродуктопровода, а также тем, что в местах установки насосных станций размещают не менее двух мобильных передвижных насосных установок, которые используют как при гидравлических испытаниях, так и при эксплуатации, соединяя их последовательно, параллельно или комбинированно в зависимости от требуемого напора и подачи предполагаемого для перекачки продукта, а также тем, что количество дублирующих линий, использование которых возможно при нештатных ситуациях, выбирают в зависимости от сохранения 100% подачи по дублируемому металлическому сборно-разборному нефтепродуктопроводу.
На фиг.1 представлена блок-схема участка наземного металлического сборно-разборного нефтепродуктопровода (момент завершения монтажа):
- фиг.2 - шарнирное соединение «Раструб»;
- фиг.3 - временной график строительства наземного металлического сборно-разборного нефтепродуктопровода (фрагмент для 100 км).
На блок-схеме (фиг.1) участка наземного металлического сборно-разборного нефтепродуктопровода показаны все механизмы, детали и узлы, установленные в линию трубопровода (поз.1-15), а также осуществляющие его монтаж.
Трубы шарнирного соединения «Раструб» (фиг.2), установленные в линию нефтепродуктопровода, собранные и укомплектованные различными деталями обозначены поз. с 16 по 22.
Для пояснения строительства сборно-разборного трубопровода на временном графике (фиг.3) каждый этап выполнения работ обозначен римскими цифрами от I до XIII по вертикали, а сроки выполнения работ (рабочие дни) с 1 по 15 по горизонтали.
Способ реализуется следующим образом.
После выбора по карте трассы развертывания сборно-разборного трубопровода (этап I), проводится ее закрепление на местности с использованием движущегося средства (этап II), которое в автоматическом режиме с высокой точностью производит топосъемку трассы, выполняет гидравлический расчет (патент РФ №2206065, МПК 7 G01C 7/04) и определяет места расстановки насосных станций 1, в состав которых входят мобильные передвижные насосные установки 2 и воздухоотделители 3. При продвижении по трассе фиксируют углы наклона (изгиба) участков будущей трассы нефтепродуктопровода, в зависимости от величины этих углов выставляют пикеты-указатели 4 мест монтажа насосных станций 1, обратных клапанов 5, задвижек 6 и регуляторов давления 7.
Вывоз труб на трассу (этап III) осуществляют автомобилями-трубовозами 8 в пакетах 9. Шарнирное соединение труб «Раструб» 10 (Узел А), фиг.2, состоящее из трубы 16, раструба 17, сферического элемента 18 с концентричными поверхностями R (в опоре) и r (в месте уплотнения), запорного кольца 19, эластичной подкладки 20, манжеты 21, уплотнительного элемента 22, уже укомплектовано запорными кольцами 19 и уплотнительными съемными элементами 22 и подготовлено к монтажу. Зная места размещения начального (этап IV) и конечного пунктов (этап V) нефтепродуктопровода, приступают к их монтажу. В состав начального и конечного пунктов входят резервуары с обвязкой и насосные станции (Беляев В.Я. и др. Нефтегазовое строительство: учебное пособие для студентов вузов. - М.: ОМЕГА - Л., 2005. - С.139-147.). Перед монтажом трубопровода (этап VI) определяют остаточный ресурс уплотнительного элемента (патент РФ №2272270, G01N 1 1/28, G01N 33/44) шарнирного соединения (фиг.2), сравнивают полученные значения с допустимыми и при отклонении ниже допустимых обрабатывают уплотнительный элемент специальным модификатором (как вариант керосином), который улучшает эластичные свойства и повышает ресурс эксплуатации.
Использование шарнирного соединения «Раструб» 10, фиг.2, в котором за счет наличия в сферической опоре 18 концентрических поверхностей разного радиуса R и r достигается угловая подвижность до 20°, позволяет снизить количество напряженных стыков, исключить необходимость установки в линию трубопровода угольников под 60° и 90°, препятствующих прохождению очистных и разделительных устройств.
Трубы в пакетах 9 укладывают порядно на специальные подкладки-сепарации. Конструкция пакетов 9 (их вес до четырех тонн) позволяет использовать автокраны малой грузоподъемности и загружать на автомобили-трубовозы 8 от одного до трех пакетов, при этом отпадает необходимость использовать большегрузные и длинномерные автомобили. Мобильность доставки труб в пакетах 9 возрастает, так как их можно доставлять не только автомобильным транспортом, но и вертолетами на внешней подвеске непосредственно к трубоукладочной машине 11, где осуществляется порядная загрузка бункера с помощью кранового устройства и траверсы, установленных на трубоукладочной машине 11. Сборка труб с шарнирным соединением «Раструб» 10, фиг.2 производится сборочным устройством 12, установленным на трубоукладочной машине 11 (А.С. СССР №1008556, F16L 1/00), и представляющим собой шарнирно-рычажный механизм, работающий за счет тягового усилия силового агрегата (трактор, автомобиль), при этом усилие сборки составляет 120-150 кгс. Темп монтажа трубопровода одной трубоукладочной машиной составляет 10-12 км за рабочий день.
В местах преодоления естественных и искусственных препятствий (овраги, реки, железные и автомобильные дороги, а также в горной местности, где уклоны превышают 60° и т.д.), автоматически определенных с помощью гидравлического расчета, в движущемся средстве, в зафиксированных пикетными указателями 4 местах монтируют насосные станции 1, размещают дополнительный комплект пакетов 9 труб для монтажа дублирующих (обводных) линий. В технологической схеме трассы предусматривают места установки отводов 13 для подключения дублирующих линий. На каждом отводе установлен запорный элемент 6, снабженный замковым кодом от несанкционированного его открытия.
Согласно временному графику выполнения работ (фиг.3) после выбора трассы трубопровода по карте (этап I), в параллельном совмещенном временном режиме проводят разведку и закрепление трассы (этап II). В период вывоза труб на трассу (этап III) осуществляют монтаж начального 14 (этап IV) и конечного пунктов (этап V) нефтепродуктопровода. Также в параллельном временном режиме ведутся работы по монтажу трубопровода (этап VI), монтажу обвязок насосных станций 1 (этап VII), монтажу обратных клапанов 5, задвижек 6, воздухоотделителей 3, регуляторов давления 7 (этап VIII), монтажу промежуточного пункта (этап IX). Промежуточные пункты обеспечивают стабильную работу нефтепродуктопровода в период его эксплуатации, в их состав входят резервуары с обвязкой и насосные станции. Датчики контроля 15 (этап X), установленные в обвязках насосных станций, начальном, промежуточном и конечном пунктах позволяют вести постоянный контроль за подачей и давлением перекачиваемого продукта, а также за количеством перекачанного продукта. Контроль выполнения этапов работ по временному графику позволяет осуществлять маневр монтажными силами и техническими средствами в период развертывания и строительства. Закончив монтаж насосных станций 1 и сборку участка трубопровода длиной 20-30 км, проводят гидравлические испытания (этап XI). Убедившись в герметичности соединений, нефтепродуктопровод опорожняют (этап XII).
Перед гидравлическими испытаниями (этап XI) производят установку датчиков контроля 15 на насосных станциях и в линию трубопровода с выводом сигналов на начальный 14, промежуточный и конечный пункты трубопровода (без поз.), (этап V и IX).
Собранные участки с установленными в линию трубопровода запорными, регулирующими устройствами, насосными станциями 1 заполняют жидкостью и подвергают гидравлическому испытанию путем плавного поднятия давления насосами мобильных передвижных насосных установок 2, замеряют величину момента сил трения в уплотнительном элементе шарнирного соединения 10 (фиг.2) типа «Раструб» и величину момента сил в сферической опоре 18 и при превышении заданного значения снижают давление до атмосферного, корректируют угол поворота (изгиба) в вертикальной и (или) горизонтальной плоскости, повторяют гидравлические испытания. При достижении заданных техническими условиями и нормативными документами значений показателей испытательного давления и выдержки под этим давлением нефтепродуктопровода определенное время, установленных этими документами, испытания прекращают.
После окончания гидравлических испытаний трубопровод опорожняют от жидкости (этап XII) воздухом, газом или тем нефтепродуктом, который будет перекачиваться в последующем, предварительно вставив пенополиуретановый разделитель типа ДЗК (Климовский Е.М. Очистка полости и испытание магистральных и промысловых трубопроводов. - М.: Недра, 1972. - С.152-161.) для разделения сред. Ввод трубопровода в эксплуатацию (этап XIII) включает соединение в одну плеть всех участков нефтепродуктопровода, получение данных о надежной герметизации стыков 10 и оптимальной расстановке насосных станций 1, обратных клапанов 5, задвижек 6, регуляторов давления 7, наличие отводов 13 и размещенных около них пакетов труб 9, а также подачу продукта, предназначенного для перекачки по нефтепродуктопроводу, вывод насосных станций 1 на рабочий режим, заданный гидравлическим расчетом, контроль процесса эксплуатации в соответствии с нормативными документами. Конструкция шарнирного соединения 10 и наличие смонтированных отводов позволяют в случае выхода из эксплуатации основной линии трубопровода оперативно произвести монтаж необходимого количества дублирующих линий, чтобы сохранить заданную 100% подачу, установленную для основной линии. Контроль параллельно-последовательного выполнения этапов I-XIII приводит к сокращению сроков строительства и сдачи сборно-разборного нефтепродуктопровода в эксплуатацию. Так сроки ввода в эксплуатацию 100 км трубопровода диаметром 150 мм составляют 10-15 рабочих дней.
Предлагаемый способ строительства наземного сборно-разборного нефтепродуктопровода сокращает сроки ввода его в эксплуатацию и отвечает требованиям высокой надежности за счет обеспечения высокой степени герметичности, прочности соединения и увеличения его угловой подвижности, высокой пропускной способности (не менее 1200 т/сут для трубопроводов диаметром 100 мм, не менее 3200 т/сут диаметром 150 мм, не менее 7500 т/сут диаметром 200 мм), экологичности (снижения загрязненности окружающей среды при аварийных ситуациях).