СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕСТИРОВАНИЯ ТРУБ
METHOD AND DEVICE FOR TESTING OF TUBES

Область техники
Данное изобретение относится к способам и устройству для тестирования труб, которые используются при строительстве подводных трубопроводов.
Уровень техники в предметной области
Объем строительства резервуаров для хранения газа и/или нефти очень глубоко под водой нарастает по всему миру. Еще приблизительно 10 лет тому назад термин «очень глубоко под водой» означал любую глубину свыше примерно 1000 м. Однако в настоящее время на глубинах, превышающих величину, указанную в определении «очень глубоко под водой», уложено столь значительное количество трубопроводов, что это определение теперь соответствует глубине приблизительно 2000 м. Развитие технологии глубоководной укладки труб продолжается и теперь на повестке дня - планирование строительства трубопроводов на глубине 3500 м.
Трубопроводы обычно укладываются пустыми, т.е. заполненными воздухом под давлением окружающей среды, и наполняются поступающей под давлением нефтью или газом только после завершения их строительства. Причиной основного риска, сопутствующего процессу укладки глубоководных трубопроводов, является давление, оказываемое водой и приводящее к деформации трубы, которая меняет свою цилиндрическую первоначальную форму и деформируется в почти плоскую конфигурацию. Это явление называется разрушением под воздействием внешнего давления и, если его не контролировать, может привести к полной потере трубопровода. Следовательно, размеры, т.е. диаметр трубы, толщина стенок и в меньшей степени свойства материалов трубопровода, уложенного очень глубоко под водой, определяются с учетом его возможного разрушения под воздействием внешнего давления.
Такой подход представляет собой полную противоположность проектированию обычных трубопроводов, укладываемых на мелководье или в прибрежной зоне, где размер толщины стенок определяется сопротивлением внутреннему давлению проходящей внутри трубы текучей среды, а не внешним давлением.
Были выполнены различные теоретические исследования разрушения под воздействием внешнего давления, а для вычисления максимальной глубины воды, на которой можно безопасно установить трубопровод указанных размеров, было проведено цифровое моделирование. Однако последствия прогиба, вызванного разрушением под воздействием внешнего давления, оказались настолько значительны, что результатов таких теоретических исследований оказалось недостаточно для доверительного управления риском. К тому же, наиболее важный способ снижения потенциальной возможности такого местного разрушения путем увеличения толщины стенки трубы оказался настолько дорогостоящим и вполне возможно технически неосуществимым, что строительство предлагаемого трубопровода также может оказаться экономически неоправданным. Такой результат в свою очередь не исключает возможности отказа от эксплуатации газовых или нефтяных резервуаров.
Альтернативой определению всех расчетов по результатам теоретических вычислений является дополнительное проведение тестов. Несомненно, дополнительно было проведено несколько тестов для определения диапазона изменения толщины стенок труб. Эти тесты заключаются в размещении длинных прогонов специально изготовленной трубы в особых камерах высокого давления и повышении внешнего давления до их разрушения. Только одна или две лаборатории обладают необходимым для этого оборудованием, а сами тесты оказались чрезвычайно дорогостоящими - порядка 100000 долларов США за одно тестирование.
Были составлены коды с целью формирования базы для проведения вычислений размеров труб, которые требуются для работы трубопровода на конкретных высоких глубинах. Эти коды включают значения коэффициентов запасов прочности, которые предназначены для гарантирования того, чтобы естественные изменения размеров труб и свойств материалов, происходящие в процессе строительства трубопровода, длина которого может составить 1000 км, не ухудшали способность такого трубопровода противостоять внешнему давлению без возникновения разрушений. Однако эти коэффициенты запаса прочности основываются на доступных результатах нескольких предыдущих тестов; возможность проведения таких тестов в отношении полностью готовых трубных соединений в процессе производства таких труб нереальна, поскольку их планирование и выполнение требует значительного периода времени.
Для затопления всей линии трубопровода достаточно разрушения лишь одного входящего в его состав трубного соединения. Следовательно, не требует доказательства тот факт, что глубоководный трубопровод большой протяженности более подвержен разрушению, чем аналогичный трубопровод малой протяженности, исключительно по причине более высокой статистической вероятности появления на линии трубопровода большой протяженности отдельного соединения, изготовленного по существу с нарушением спецификации, что ускоряет проявление разрушения. Это прямая аналогия понятия «самое слабое звено в цепи» в отношении неисправности трубопровода, возникшей вследствие разрушения под воздействием внешнего давления. При условии, что коды для практического применения составлялись на основе результатов тестирования на разрушение небольшого ограниченного количества трубных соединений, взятых по линии трубопровода, то в коды для проектирования следует ввести коэффициент запаса прочности, полученный с учетом всей протяженности трубопровода и предназначенный для определения увеличения толщины стенки труб вдоль всего маршрута укладки трубопровода просто для принятия во внимание повышенного статистически рассчитанного воздействия большой протяженности линии трубопровода на отдельное трубное соединение, изготовленное с нарушением спецификации.
Таким образом, возникает потребность в создании такого способа тестирования, который может воспроизводить воздействие внешнего давления, способного разрушить трубопроводы большой протяженности, а также является простым в планировании и выполнении.
Это изобретение основано на признании того факта, что деформации, ведущие к разрушению под воздействием внешнего давления, равномерно распределены по всей длине трубы, и, следовательно, процессы разрушения под воздействием внешнего давления будут одинаковыми как на кольцевом участке, вырезанном из трубы, так и по всему трубному сочленению, которое подвергается воздействию внешнего давления исключительно.
Сущность изобретения
Первый аспект изобретения охватывает способ тестирования труб, используемых при строительстве подводных трубопроводов, включающий:
- вырезание кольцевого участка из одной или нескольких труб того типа, который используется для строительства трубопровода;
- формирование плоских практически параллельных поверхностей на торцах кольцевого участка;
- обеспечение приборов для измерения растяжения и деформации кольцевого участка;
- установку кольцевого участка в камеру высокого давления так, чтобы его торцы формировали прокладки с противоположными стенками камеры для изоляции внутренней части кольцевого участка от воздействия извне;
- увеличение давления за пределами кольцевого участка и измерение его растяжения и деформации по мере возрастания давления; и
- использование результатов измерений деформации и растяжения для определения толщины стенок труб, которые должны использоваться для строительства трубопровода.
Желательно, чтобы приборами для измерения деформации и растяжения были датчики, которые подключаются к кольцевому участку. Особенно желательно, чтобы они устанавливались на внутренней поверхности кольцевого участка.
Этап установки кольцевого участка в камере давления предпочтительно включает вставку прокладок между торцами кольцевого участка и стенками камеры.
Этап увеличения давления включает закачивание находящейся под давлением текучей среды в камеру вокруг внешней поверхности кольцевого участка.
Способ также может включать сравнение поданного давления и значения максимального растяжения, измеренного для выявления начала процесса ускорения нелинейного уменьшения диаметра кольцевого участка по мере увеличения давления.
Длину кольцевого участка, вырезанного из труб, желательно выбирать таким образом, чтобы длина трубы, по-прежнему, оставалась в пределах тех допусков, которые делают возможным ее использование при строительстве трубопровода. Она обычно выбирается приблизительно равной двойной толщине стенки.
Второй аспект изобретения включает создание устройства для тестирования кольцевых участков, вырезанных из труб, используемых при строительстве подводных трубопроводов, включающее:
- первую и вторую секции камеры тестирования, которые, будучи размещены вместе, образуют камеру тестирования для размещения в ней тестируемого кольцевого участка;
- один или более датчиков для измерения растяжения и деформации кольцевого участка;
- уплотняющие средства, размещенные в камере для создания прокладки по краям кольцевого участка, установленного в камере;
- средства для скрепления первой и второй секций между собой для образования камеры и сцепления уплотняющих средств с кольцевым участком, установленным в камере, для создания прокладки противодействия напору давления между внутренней и внешней частями кольцевого участка; и
- впускное отверстие для текучей среды в одной из секций камеры для возможности подачи находящейся под давлением текучей среды в камеру вне пределов кольцевого участка, установленного в этой камере.
В одном желательном варианте исполнения изобретения первая секция имеет углубление, которое закрывается второй секцией для образования камеры. Впускное отверстие для текучей среды желательно проделывается в стенке первой секции.
Первая и вторая секции могут включать взаимно сцепляющиеся конструкции, такие как втулочные соединения и углубления, для точного расположения этих секций одна относительно другой при образовании камеры.
Также можно установить прокладки для сцепленных поверхностей первой и второй секций.
В первой или второй секции можно проделать выпускное отверстие для возможности выравнивания давления во внутренней части кольцевого участка и окружающей среды во время тестирования.
В одном варианте выполнения изобретения средства крепления включают один или несколько винтов, которые проходят через отверстия одной секции для прохождения через камеру внутрь кольцевого участка и вставляются в расточенные отверстия другой секции.
В другом варианте выполнения изобретения средства крепления включают цилиндр, установленный в одной секции, в которой находится поршень, проходящий от цилиндра через камеру внутрь кольцевого участка и прикрепляющийся своим торцом к другой секции, при этом управляющий поток текучей среды поступает через подвод, подсоединенный к работающему цилиндру, для вытягивания прикрепленного торца поршня в направлении цилиндра и скрепления двух секций между собой.
Способ и устройство, созданные в соответствии с изобретением, обладают рядом преимуществ, включая:
- возможность проведения тестов за приемлемую стоимость для формирования более всесторонней информации по составлению кодов и проведению вычислений;
- возможность проведения большого количества тестов для определения влияния изменений свойств материала и конфигурации трубы до проектирования конкретного трубопровода;
- обеспечение основы для оптимизации толщины стенок труб, предназначенных для прокладки на конкретных глубинах и установки конкретного оборудования, позволяющего снизить стоимость; и
- возможность проведения тестов во время изготовления конкретной трубы для гарантии обеспечения уровней безопасности с целью исключения разрушения конструкции под воздействием внешнего давления.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показан трубопровод, предназначенный для тестирования в соответствии с изобретением;
На фиг. 2 показано поперечное сечение тестируемого кольцевого участка, вырезанного из трубы, представленной на фиг. 1;
На фиг. 3 показано поперечное сечение устройства для тестирования, созданного в соответствии с первым вариантом выполнения изобретения;
На фиг. 4 показано сечение по линии А-А на фиг. 3;
На фиг. 5 показано поперечное сечение устройства для тестирования, созданное в соответствии со вторым вариантом выполнения изобретения.
Режим (режимы) реализации изобретения
Результаты тестов длинных секций отдельных трубных соединений показали, что деформации, которые ведут к разрушению под воздействием внешнего давления, равномерно распределены по всей длине трубы. Это наблюдение поддерживается результатами теоретических исследований и цифрового моделирования. Логический вывод состоит в том, что возникновение разрушения под воздействием внешнего давления будет одинаковым как на кольцевом участке, вырезанном из трубы, так и по всей длине трубного соединения, которое подвергается только внешнему давлению. Следовательно, подход к проведению тестирования согласно изобретению основан на вырезывании коротких секций из трубы и на механической обработке кольцевого участка до однородно выбранной длины. Кольцевой участок располагается в жесткой раме, которая позволяет его торцевым поверхностям, подвергнутым механической обработке, быть герметизированными так, что давление может воздействовать только на внешнюю цилиндрическую поверхность кольцевого участка. На внутренней цилиндрической поверхности кольцевого участка поддерживается давление окружающей среды, что делает возможным подсоединение устройств измерения растяжений и деформаций, вызванных давлением на внешнюю цилиндрическую поверхность кольца.
Прокладки на обеих торцевых поверхностях кольцевого участка, прошедших механическую обработку, скомпонованы таким образом, что воздействие давления ограничено только внешней цилиндрической поверхностью кольцевого участка и не распространяется на торцевые поверхности, прошедшие механическую обработку. Прокладки созданы таким образом, что кольцевой участок не подвергается воздействию значительных сил, направленных параллельно торцевым поверхностям, прошедшим механическую обработку, что препятствует появлению деформаций цилиндрических поверхностей кольцевого участка.
Установленный извне насос нагнетает давление таким образом, что оно возрастает или уменьшается в результате добавления или убывания заданного объема текучей среды в пространство, окружающее внешнюю цилиндрическую поверхность кольцевого участка, или из него. Такая конструкция в управляемом режиме позволяет увеличивать или уменьшать радиальные деформации кольцевого участка, вызванные подачей давления на внешнюю цилиндрическую поверхность.
Действие, оказываемое прокладками на торцевые поверхности кольцевого участка, прошедшие механическую обработку, может быть достигнуто вставкой вышеупомянутого кольцевого участка в жесткий блок, которому придается форма, обеспечивающая отсутствие деформации прокладок. Альтернативная конструкция заключается в выделении пространства, в пределах которого работу прокладок регулирует и контролирует усилие поршня, который подвергается воздействию того же (или другого) давления, как и то, что подается на внешнюю цилиндрическую поверхность кольцевого участка.
Типичный тест будет состоять из следующих этапов:
а) вырезание кольцевого участка из трубы и механическая обработка его торцов так, чтобы они стали плоскими и параллельными друг другу в пределах предписанных допусков;
б) подгонка приспособлений для измерения растяжений и деформаций кольцевого участка;
в) подгонка кольцевого участка в каркас с помощью установленных прокладок;
г) подача давления и обеспечение активного действия и эффективности применения прокладок;
д) увеличение давления, регистрация результатов измерений растяжения и деформации; и
е) продолжение увеличения давления до достижения его максимального значения.
Также может оказаться полезным вычерчивание кривой значения поданного давления относительно величины максимального растяжения, измеренного для определения начала ускорения в процессе нелинейного уменьшения диаметра кольцевого участка по мере увеличения давления, которое не зависит от какого-либо просачивания гидравлической жидкости мимо прокладок.
На фиг. 1 показана труба 10, используемая для укладки подводных морских трубопроводов. Длина трубы, взятой в качестве типичного примера, будет составлять приблизительно 12,2 м, ее внешний диаметр 508 мм, а толщина стенки 35 мм. Тестируемый кольцевой участок 12 (также показанный на фиг. 2) вырезан из конечной части трубы и имеет длину 70 мм, которая равняется приблизительно удвоенной толщине трубы. Даже после отрезания кольцевого участка такой длины трубу 10, по-прежнему, можно использовать для строительства трубопровода. Торцевые поверхности 14 кольцевого участка 12 проходят машинную обработку с тем, чтобы стать практически плоскими и параллельными друг другу, при этом типичным является допуск, изменяющийся, к примеру, в пределах от +0 до -0,01 мм по всей длине кольцевого участка.
На фиг. 3 и 4 показан один вариант исполнения устройства согласно данному изобретению, установленного вместе с кольцевым участком в месте для тестирования. Тестируемое кольцо 12 устанавливается между верхней секцией 16 и нижней секцией 18, которые вместе определяют камеру для тестирования. Две половины камеры давления для тестирования 16, 18 оборудованы установочными втулочными соединениями 19, которые располагаются в соответствующих установочных отверстиях вместе с прилагающимися им прокладками 21 для возможности позиционирования двух половинок. Уплотнительное кольцо или управляемые давлением прокладки 20 устанавливаются в верхней и нижней секции. Они сцепляются с тестируемым кольцевым участком 12 для формирования кольцеобразного слоя, на который через соответствующее впускное отверстие 24 под давлением подается используемая для тестирования гидравлическая жидкость. Расположенная по центру внутри тестируемого кольцевого участка 12 полость 26 вентилируется в атмосферу через выпускное отверстие 28, которое имеет достаточно большой диаметр также и для обеспечения доступа любой проводки измерительных приборов к датчикам определения растяжения (не показаны), установленным на внутренней цилиндрической поверхности тестируемого кольца 12.
Две половинки 16, 18 удерживаются вместе с помощью механически герметизирующих винтов 30. Винты 30 проходят через отверстия 32 в верхнюю секцию 16 и затем через полость 26 для входа в расточенные отверстия 34, расположенные в нижней секции 18. Показаны два винта 30, однако, для обеспечения надлежащего закрепления можно использовать их любое применимое количество.
Усилие, с которым две половинки удерживаются вместе, является достаточным для внутренней и внешней герметизации кольцевого слоя 22 с помощью управляемых давлением прокладок 20, 21. Допуск, при котором кольцевой участок 12 отрезается от трубы, таков, что жидкость из кольцеобразного слоя 22 не просачивается в полость 26, и в то же самое время устраняется чрезмерное трение, сдерживающее радиальное смещение внутрь внешнего диаметра кольцевого участка 12, возникающее под воздействием гидравлической нагрузки.
На фиг. 5 представлен второй вариант выполнения устройства для тестирования, в котором крепежные винты, показанные на фиг. 3 и 4, заменены конструкцией гидравлического поршня. Цилиндр 36 скомпонован в нижней секции 18, где располагается скользящий поршень 38. Внешний торец цилиндра закрывается пластиной 40. Просверленное отверстие 42, оборудованное скользящими прокладками, проходит от внутреннего торца цилиндра 36 до полости 26. Соединительный шток 44 проходит от поршня 38 через просверленное отверстие 42 до установочного просверленного отверстия 46, расположенного в верхней секции 16, где и закрепляется к кольцевому зажиму поршня 48. Впускное отверстие 50 проделывается в нижней части цилиндра 36 для разрешения подачи находящейся под давлением текучей среды, которая приводит в движение поршень 38 вдоль цилиндра 36 для крепления верхней секции 16 к нижней секции 18.
Способ и устройство согласно данному изобретению демонстрируют ряд преимуществ над предыдущими технологиями. Они позволяют тестировать репрезентативный образец подлежащих тестированию кольцевых участков, взятых из трубных соединений вдоль всей линии трубопровода, которые при рассмотрении глубоководного трубопровода большой протяженности необходимы для получения непосредственного физически измеряемого доказательства способности каждого из этих образцов противостоять внешнему гидростатическому разрушению. Допуск на разрушение тестируемого кольцевого участка для каждого образца можно с уверенностью полагать соответствующим допуску на разрушение трубного соединения, из которого такой участок был вырезан. Использование изобретения так, как описано, может позволить снизить коэффициент запаса прочности, используемый в настоящее время в процессе проектирования для увеличения толщины стенок труб по всей линии трубопровода и учитывающий растущую уязвимость трубопровода увеличивающейся протяженности перед возрастающей статистической вероятностью появления отдельного трубного соединения, изготовленного с достаточно большим нарушением спецификации, чтобы стать причиной ускорения процесса разрушения. Трубное соединение, из которого вырезается каждый тестируемый кольцевой участок, все еще может использоваться в производстве и не выбрасываться в отходы. Конечным результатом может быть очень значительное снижение толщины стенок трубопровода, что обеспечит его повышенную применимость с коммерческой точки зрения и существенную экономию денежных средств.