Объектом исследования в статье является технология врезки и перекрытия трубопроводов под давлением. Одним из недостатков данной технологии является образование металлической стружки в полости трубопровода в процессе врезки под давлением. Это приводит к возникновению утечки вследствие негерметичного перекрытия трубопровода при врезке и нарушению работы линейных кранов вследствие засорения фильтров металлической стружкой. В существующих литературных источниках отсутствует решение данной проблемы в полной мере. Целью научных исследований, приведенных в статье, является решение проблемы учета и сбора металлической стружки в полости трубопровода вследствие операций по врезке под давлением.
Ремонт по технологии врезки и перекрытия трубопроводов под давлением является безостановочным методом ремонта.
Основным преимуществом этого метода является отсутствие необходимости остановки перекачки продукта по ремонтируемому трубопроводу и универсальность по отношению к характеристикам трубопровода. Технология адаптирована под широкий спектр типов перекачиваемых сред, давлений, температур, режимов и скоростей потоков, материалов труб.
Основной нормативно-технический документ по осуществлению врезки под давлением на нефтепроводах является [1], а на газопроводах – стандарт организации [2].
В работе [3] автор рассматривает технологию врезки под давлением в магистральный трубопровод двух компаний: T.D. Williamson [4] и Ravetti [5]. Исходя из технических возможностей двух компаний, технология компании T.D. Williamson для врезки и перекрытия трубопровода является более универсальной и позволяет работать с трубопроводами значительно большего диаметра и давлением среды в них по сравнению с оборудованием от компании Ravetti. Но когда ремонтные работы приходятся на трубопровод, технические параметры которого позволяют применять обе технологии, тогда традиционным выбором будет являться технология врезки и перекрытия трубопровода от компании Ravetti, что позволит сократить финансовые затраты, время проведения работ по перекрытию трубопровода, а также количество необходимого оборудования.
Неоспоримые плюсы технологического процесса по врезке в газопроводы под давлением без остановки функционирования рассмотрены в работе [6]. На примере Единой системы газоснабжения России автор доказывает, что для поддержания работоспособности и бесперебойной поставки газа до конечного потребителя, повышения надежности поставок газа, развития газоснабжения и газификации российских регионов, применение технологии врезки под давлением играет ключевую роль.
Безусловно, у технологии врезки и перекрытия трубопроводов под давлением есть и свои минусы.
В работе [7] автор затрагивает проблемы безопасности сварочных работ на трубопроводах, находящихся под давлением перекачиваемых сред. Делает выводы, в каких случаях могут возникнуть отрицательные воздействия на производственный персонал и аварийные ситуации. В работе [8] авторы рассматривают математическую модель температурного распределения в сварочном шве при сварке под давлением.
Проведена патентная проработка с целью поиска усовершенствованной технологии врезки и перекрытия трубопровода под давлением.
В работе [9] автор разработал способ врезки при ремонте трубопроводов распределительных сетей с рабочим давлением не более 1,2 МПа без остановки перекачки транспортируемой среды. Предложенным способом обеспечивается повышение оперативности выполнения работ, унификация процесса монтажа используемого оборудования для трубопроводов разного диаметра, повышение качества блокировки участка трубопровода.
Авторы работ [10–11] разработали устройство для вырезки отверстий в трубопроводе, находящемся под давлением. Устройство для перекрытия отвода при использовании технологии врезки описано в [12]. Автор [13] разработал закрывающую систему для трубопроводов, находящихся при врезке под давлением.
Во всех вышеперечисленных работах рассматривается только совершенствование процесса врезки, но нигде нет предложений по решению проблемы попадания металлической стружки в полость трубопровода.
В зарубежных патентах имеются устройства для сбора стружки после врезки под давлением [14, 15]. Однако предлагаемые устройства собирают стружку только под прорезным отверстием, не захватывая область установки перекрывающего устройства.
Следовательно, к основному и очень важному недостатку технологии можно отнести образование металлической стружки в полости трубопровода вследствие операций по врезке под давлением.
Во время операций по врезке под давлением образуется металлическая стружка, которая падает на дно трубопровода. Ее наличие является причиной множества проблем, таких как:
- плохое качество перекрытия трубопровода под давлением и, как следствие, утечки; это затрудняет или делает невозможными работы по подключению новых участков трубопровода или замене старых;
- стружка в процессе эксплуатации трубопровода может быть отнесена потоком продукта в линейные краны, фильтры, что может нарушить их работу.
В отдельных работах упоминается о применении просмотровых устройств, представляющих собой оборудование для визуального осмотра внутренней полости действующего газопровода, удаления остатков металлической стружки с внутренней резьбы фитинга и очистки трубы перед монтажом стоп-системы. Однако они применимы для трубопроводов малых диаметров, низких давлений перекачиваемого продукта, а также совместимы только со специальным оборудованием [16] и не подходят для промысловых, магистральных и технологических трубопроводов.
Также известно, что на магистральных трубопроводах очистку внутренней полости производят при помощи скребков с магнитными секциями [17]. Однако не все трубопроводы оборудованы камерами запуска-приема и удовлетворяют требованиям к пропуску очистных устройств. Даже если возможен запуск очистных устройств, то осуществляется это не во время работ по врезке и перекрытию под давлением, что подразумевает невозможность удаления стружки из рабочей зоны герметизирующего устройства.
Данная проблема является актуальной при проведении работ по ремонту трубопроводов по технологии врезок и перекрытия трубопроводов под давлением. На данный момент не существует эффективных методов ее решения.
Целью научных исследований, приведенных в статье, является решение проблемы учета и сбора металлической стружки в полости трубопровода вследствие операций по врезке под давлением [18–20].
Основными задачами исследований являются:
- исследование безостановочного метода ремонта трубопровода с использованием технологии врезок и перекрытия трубопровода под давлением;
- проведение тестовой врезки, подтверждающей работоспособность разработанной методики;
- разработка магнитного устройства для сбора стружки в полости трубопровода под давлением.
Методы
Металлическая стружка образуется в процессе резки трубопровода круговой фрезой и направляющим сверлом. Оставшийся участок вырезаемой трубы имеет вид лепестка с отверстием по центру и именуется купоном (рисунок 1).
Для определения достоверности разработанной методики расчета металлической стружки проведена тестовая врезка на трубе диаметром 325 мм с толщиной стенки 10 мм кольцевой фрезой диаметром 292,1 мм с толщиной стенки 9,5 мм и сверлом диаметром 34 мм (рисунок 2).
Как видно на рисунке 3, во время врезки образуется не только мелкая стружка, но и крупные отходы в виде конического обрезка от направляющего сверла и двух полос от фрезы. Именно они и представляют основную проблему во время операции по перекрытию, застревая между стенкой трубопровода и уплотнительной манжетой (рисунок 4). Образуются утечки продукта, что осложняет или делает невозможными работы по вырезке и замене перекрываемой секции.
Ранее разработана методика расчета массы и объема металлической стружки, образующейся при производстве операций по врезке под давлением. Подробно методика рассмотрена в [18, 19].
Для проверки достоверности методики после проведения тестовой врезки и сбора стружки магнитным прибором ее необходимо взвесить и сравнить с расчетным значением.
Результаты и обсуждение
Данная погрешность обусловлена погрешностями измерения величин диаметров трубопровода, фрезы и сверла, а также плотности материала трубы. Тем не менее она является вполне приемлемой для дальнейших расчетов.
Результаты расчета количества стружки по разработанной методике на примере врезки на трубе диаметром 325 мм с толщиной стенки 10 мм приведены в сводной таблице MS Excel (таблица 1).
Разработано и запатентовано устройство для сбора стружки [20], выполняющее следующие функции:
- максимальное удаление стружки из области, ограниченной вертикальной проекцией вырезанного отверстия на дно трубы (именно в этой области скапливается основное количество стружки);
- максимальное удаление стружки из области контакта уплотнительной манжеты перекрывающей головки с внутренней стенкой трубопровода.
Достижение этого результата необходимо для обеспечения максимально возможного качества герметизации отсекаемого участка трубопровода. Особенностью этой задачи является то, что эта область лежит за пределами вертикальной проекции вырезанного отверстия на дно трубы, а значит, ее невозможно решить при помощи использования жестко закрепленного на конце штока перекрывающего устройства/машины для врезки постоянного магнита. Исходя из этого, необходимо снабдить устройство приспособлениями, позволяющими намагниченным поверхностям достичь этих областей.
Принципиальная схема устройства показана на рисунке 5.
Устройство предварительно устанавливается на шток машины для врезки, фиксируется болтами в точке закрепления 1 и находится в корпусе адаптера машины для врезки. Далее машина для врезки устанавливается на задвижку, используемую для врезки, тем самым устройство оказывается в герметичной камере и после выравнивания давления между этой камерой и трубопроводом под давлением опускается на дно трубы через ранее вырезанное отверстие 2. Для универсальности устройства, крепление к штоку необходимо сделать подходящим как к штоку машины для врезки, так и к штоку машины для перекрытия трубопровода (рисунок 6, а). С этой целью оно выполняется в виде фланца с отверстиями под болты крепления к штоку машины для врезки и с посадочным местом для штока машины для перекрытия. Для предотвращения складывания лап 4 в обратную сторону на корпусе необходимо предусмотреть стопорные пластины.
Для удаления стружки из области, находящейся в зоне контакта манжеты перекрывающей головки, предусмотрены поворотные детали, закрепленные по бокам 6 нижней части устройства, так называемые «лапы» 4. В рабочей части лап устанавливаются магниты, целью которых является сбор стружки из вышеобозначенной области. В свободном положении лапы находятся в сложенном состоянии, что обеспечивается при помощи пары пружин 5, закрепленных на лапах в точке 7.
По мере достижения устройством дна трубопровода происходит касание нижней стенки трубы роликами 9, расположенными в нижней части лап. Они устанавливаются на балке, имеющей уклон, тем самым обеспечивается перемещение роликов к центру устройства и приведение лап в горизонтальное положение, магниты, установленные в верхней части лап, прижимаются к дну трубопровода и притягивают стружку из области перекрытия. В нижней части лап также установлены магниты 8, которые в процессе раскрытия перемещаются в непосредственной близости к стружке из центральной области, захватывая ее.
В самой нижней части устройства, «подошве», прижимающейся ко дну трубы в полностью развернутом состоянии (рисунок 6, б), также установлены магниты 3. Именно на них возложена обязанность сбора большей части стружки. Рекомендуется использовать самарий-кобальтовые магниты марки S30A, так как они имеют максимальную притягивающую способность, а также устойчивые к изменениям температуры свойства.
После того, как стружка притягивается ко всем магнитам, предусмотренным в данном устройстве, его необходимо удалить из полости трубопровода. Это осуществляется путем втягивания штока машины для врезки обратно в корпус адаптера. В разложенном положении пружина 5 растягивается и находится в напряжении, что при втягивании штока позволяет сложить лапы в исходное положение, не препятствующее выходу устройства из полости трубопровода. Пружину растяжения необходимо подобрать из условия, что усилие на отрыв должно быть больше, чем вес обоих лап.
После того, как устройство полностью втянуто в корпус адаптера машины для врезок, задвижка закрывается, из камеры сбрасывается давление и удаляется продукт, производится демонтаж машины для врезки.
При помощи медного шпателя с устройства собирается стружка, взвешивается и сравнивается с расчетным значением.
Таким образом можно получить эмпирические данные о количестве стружки, образующейся в областях, на которые распространяется действие устройства во время операций по врезке под давлением.
Разработанная методика расчета количества металлической стружки и устройство для сбора этой стружки являются новыми, не имеющими аналогов в России и за рубежом.
Заключение
1. Проведено исследование безостановочного метода ремонта с использованием технологии врезки и перекрытия трубопровода под давлением. Определены достоинства и недостатки данной технологии. Проведена патентная проработка с целью выявления усовершенствования технологии врезки и перекрытия трубопровода под давлением, которая подтвердила отсутствие решения проблемы сбора металлической стружки, образующейся при производстве операций по врезке под давлением.
2. Проведена тестовая врезка на трубе диаметром 325 мм с толщиной стенки 10 мм для подтверждения работоспособности разработанной методики учета количества стружки, погрешность которой не превышает 1,11 %.
3. Разработана и запатентована конструкция магнитного устройства для сбора стружки в полости трубопровода под давлением. Благодаря удачным конструктивным решениям можно достигнуть простоты производства и обслуживания данного типа оборудования. Предлагаемое устройство является новым видом оборудования, не имеющим аналогов в России и за рубежом.
Литература
1. API RP 2201 5TH ED (R 2010). Safe Hot Tapping Practices in the Petroleum and Petrochemical Industries. October 2010. 27 p.
URL: https://www.academia.edu/10315450/API-2201 (дата обращения: 11.01.2021).
2. СТО Газпром 2-2.3-116-2016. Инструкция по технологии производства работ на газопроводах врезкой под давлением
URL: https://znaytovar.ru/gost/2/STO_Gazprom_2231162007_Instruk.html (дата обращения: 11.01.2021).
3. Хрящев М. А. (2018). Врезка под давлением в магистральный трубопровод. Труды XXII Международного симпозиума имени академика М.А. Усова студентов и молодых ученых, посвященного 155-летию со дня рождения академика В.А. Обручева, 135-летию со дня рождения академика М.А. Усова, основателей Сибирской горно-геологической школы, и 110-летию первого выпуска горных инженеров в Сибири. Томск: Изд-во ТПУ, 2, 636–637.
URL: http://earchive.tpu.ru/handle/11683/51170 (дата обращения: 11.01.2021).
4. Каталог продукции компании T.D. Williamson [Электронный ресурс]. URL: http://avrora-arm.ru/data/images/tdwilliamson/HIPRESSURE-RUS.pdf (дата обращения: 11.01.2021).
5. Каталог продукции Ravetti [Электронный ресурс]. URL: https://techsys-umr.ru/ravetti/ (дата обращения: 11.01.2021).
6. Кочеткова В.Ж. (2018). Неоспоримые плюсы технологического процесса по врезке в газопроводы под давлением без остановки функционирования. Наука, техника и образование, 1 (42), 28–30.
7. Собачкин А.С. (2018). Проблемы безопасности сварочных работ на трубопроводах, находящихся под давлением перекачиваемых сред. Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов, 3 (113), 135–142.
8. L Lima, I.A.D.O., Santos, A.A.B. (2016). Mathematical Approaching and Experimental Assembly to Evaluate the Risks of In-Service Welding in Hot Tapping. Journal of Pressure Vessel Technology, Transactions of the ASME, 138, 2.
9. Фомченко И.А., Шурайц А.Л., Гаркушина С.В. и др. (2019). Способ врезки и перекрытия трубопровода под давлением. Патент РФ 2701811.
URL: https://www1.fips.ru/ofpstorage/Doc/IZPM/RUNWC1/000/000/002/701/811/%D0%98%D0%97-02701811-00001/document.pdf (дата обращения: 11.01.2021).
10. Юрьева Е.В., Шарапов В.И., Орлов М.Е. и др. (2016). Устройство для вырезания отверстий в трубопроводе, находящемся под давлением. Патент РФ 164394.
URL: https://www1.fips.ru/Archive4/PAT/2016FULL/2016.08.27/DOC/RUNWU1/000/000/000/164/394/DOCUMENT.PDF (дата обращения: 11.01.2021).
11. Клюкин А.С. (2013). Устройство для вырезки отверстий в трубопроводе, находящемся под давлением. Патент РФ 126644.
URL: https://www1.fips.ru/Archive/PAT/2013FULL/2013.04.10/DOC/RUNWU1/000/000/000/126/644/DOCUMENT.PDF (дата обращения: 11.01.2021).
12. Кунафин Р.Н. (2013). Устройство перекрытия отвода. Патент РФ 2497039.
URL: https://www1.fips.ru/Archive/PAT/2013FULL/2013.10.27/DOC/RUNWC1/000/000/002/497/039/DOCUMENT.PDF (дата обращения: 11.01.2021).
13. Рогачёв А.Г., Давыдов Г.А., Каменский В.В. (2018). Закрывающая система для трубопроводов, находящихся под давлением. Патент РФ 2661420.
URL: https://www1.fips.ru/ofpstorage/Doc/IZPM/RUNWC1/000/000/002/661/420/%D0%98%D0%97-02661420-00001/document.pdf (дата обращения: 11.01.2021).
14. Yan Yue, Chzhan Pen, Fang Cheng, et al. (2013). Iron chip remover for installation of natural gas pipeline. CN Patent 202725562.
URL: https://patentimages.storage.googleapis.com/00/41/e3/ef97442fc65ac9/CN202725562U.pdf (дата обращения: 11.01.2021).
15. John A. Schneider (2005). Scavenging metallic debris from buried metal pipelines. US Patent 6848143.
URL: https://patentimages.storage.googleapis.com/d2/55/68/953ee8e2b327a4/US6848143.pdf (дата обращения: 11.01.2021).
16. Просмотровые устройства [Электронный ресурс]. URL: https://techsys-umr.ru/equipment/prosmotrovye-ustroystva/ (дата обращения: 11.01.2021).
17. ВСН 011-88. Строительство магистральных и промысловых трубопроводов. Очистка полости и испытание. М.: Миннефтегазстрой, 58.
18. Чуриков Н.М., Шарнина Г.С. (2019). Разработка методики учета количества металлической стружки, образующейся в трубопроводе при врезке под давлением. Актуальные проблемы науки и техники – 2019: сборник статей, докладов и выступлений XII Международной научно-практической конференции молодых ученых. Уфа: Изд-во УГНТУ, 134–137.
19. Шарнина Г.С., Чуриков Н.М. (2019). Разработка методики учета количества металлической стружки, образующейся в трубопроводе при врезке под давлением. Материалы 70-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ. Уфа: Изд-во УГНТУ, 376.
20. Чуриков Н.М., Кожаева К.В., Шарнина Г.С. (2020). Магнитное устройство для сбора стружки в полости трубопровода. Патент РФ 200057.
