Существующие методы ремонта трубопроводов
Анализ публикаций и патентный поиск по способам ремонта поврежденных магистральных и распределительных трубопроводов позволил все существующие способы укрупненно разделить по технологическим признакам и применяемому оборудованию на следующие четыре группы:
- Способы ремонта, связанные с полной заменой дефектного участка трубопровода новым трубопроводом.
- Способы ремонта, которые предусматривают герметизацию поврежденного участка трубы снаружи.
- Способы ремонта, в которых герметизация осуществляется изнутри трубопровода.
- Способы ремонта по так называемому типу «труба в трубе», в которых в поврежденный участок трубопровода вставляется новая труба меньшего диаметра.
Первая группа способов ремонта является до настоящего времени традиционной технологией. Учитывая, что ремонт, связанный с заменой поврежденного участка новой трубой, достаточно дорогой, его целесообразность вытекает из наличия крупных дефектов трубопровода, или его полного износа. Рассматриваемые способы проще реализуются для открытых трубопроводов. Здесь основной трудностью является отсечение продукта перекачки на дефектном участке и удаление его остатков из зон сварки. В случаях подземных трубопроводов в основном требуется полное вскрытие поврежденного участка, что значительно увеличивает трудоемкость способов, особенно в труднодоступных местах.
Существуют технологии замены дефектного участка трубопровода новым трубопроводом без вскрытия. Суть этих технологий заключается в том, что старая труба разрушается с помощью специальных приспособлений, и ее измельченные сегменты либо удаляются, либо вдавливаются в грунт коническим расширителем, освобождая тем самым проход для укладывания новой трубы. Разрушение изношенных труб производят двумя способами - динамическим и статическим. Динамический способ осуществляется с помощью пневмопробойника, перемещающегося внутри старого трубопровода. Статический способ разрушения трубопроводов осуществляется с помощью режущего рабочего органа, выполненного либо в виде конусной головки, снабженной плоским ножом из высокопрочной стали, либо в виде роликового ножа (фрезы) с расширителем. Привод режущего рабочего органа осуществляется с помощью специального оборудования. В настоящее время оборудование для бестраншейного ремонта и замены трубопроводов изготавливается более чем двадцатью зарубежными фирмами. В России серийного изготовления такого оборудования нет. На Одесском заводе строительно-отделочных машин изготавливают комплексы типа МПС-01, МПС-01-01 для замены труб диаметром 150-250 мм.
Как можно заметить, данные технологии достаточно сложны они требуют сложных и дорогих механизмов для разрушения старой трубы и приспособлений для их проталкивания. Дефектный участок трубопровода должен быть ветхим для его полного и беспрепятственного удаления и, кроме того, не очень искривленным и протяженным.
При ремонте подводных трубопроводов трудоемкость рассматриваемых способов, относящихся к первой группе, еще более возрастает, что связано не только с освобождением дефектного участка трубопровода от грунта, но и часто с его подъемом над уровнем воды.
Решить проблему массового ремонта магистральных трубопроводов с коррозионными и другими повреждениями, ориентируясь только на технологию электродуговой сварки с заменой поврежденных участков в масштабах России за короткий срок практически невозможно и экономически не эффективно. Даже при наличии труб и финансовых средств на реконструкцию замена всех изношенных трубопроводов в стране займет десятки лет. К тому же, с точки зрения трудо- и материалоемкости, а также технологичности, использование электродуговой сварки не всегда целесообразно, поэтому она применима преимущественно при реконструкции.
Несмотря на отмеченные недостатки, рассматриваемая технология является вполне приемлемой и эффективной для экстренного ремонта трубопроводов, у которых имеется доступ к поврежденным участкам для их удаления и замены.
Для устранения локальных и незначительных коррозионных, эрозионных и других дефектов широкое распространение получили способы восстановления трубопроводов снаружи. По сравнению с предыдущей группой эти способы являются менее дорогостоящими и требуют меньшего времени для их осуществления. Однако недостаток, связанный с вскрытием подземных трубопроводов остается. Герметизация снаружи может осуществляться различными методами в зависимости от диаметра трубопровода и материала, из которого он изготовлен, а также от состава и параметров транспортируемой среды.
Хорошо известны в качестве временной, но быстрой меры по ликвидации утечки жидкости или газа из металлических или пластмассовых труб методы с применением металлических хомутов, муфт, и других прижимных устройств. В качестве уплотнителя используют пластичные металлы, резиновые уплотнения, липкую синтетическую ленту, глиняный пластырь. При наличии мелких трещин ремонт может быть произведен с применением сварки (для газопроводов - с отключением подачи газа и соблюдением соответствующих правил безопасности). В качестве заплаты могут быть применены полумуфты, которые между собой сваривают продольными швами, а с трубопроводом - кольцевыми, или муфты со сквозными отверстиями для приварки к трубе. В некоторых случаях вокруг дефекта конструируется обшивка и в полость между ней и трубопроводом нагнетается затвердевающий полимерный материал. При этом роль муфты играет термоусадочная лента.
Среди множества способов ремонта трубопроводов снаружи, относящихся по предложенной классификации ко 2-й группе, лидирующее место занял способ устранения дефектов по технологии «холодной» сварки с применением полимерных композитных материалов. На основе результатов многолетних исследований и полигонных испытаний ООО «Газнадзор» были опробованы различные материалы, определены эффективные технологии, разработаны конструкции с гарантийным сроком эксплуатации до 20 лет для ремонта трубопроводов и оборудования нефтяной и газовой промышленности методом «холодной» сварки. Совместно со специализированными институтами ООО «Газнадзор» разработал ведомственную руководящую документацию, которая была утверждена Газпромом и введена в действие с 1 октября 2000 года. В соответствии с технологической картой ремонта проводится подготовка поверхности участка трубы с дефектом, восстанавливается геометрия трубы с использованием полимерного композитного материала (ПКМ). Затем на него с помощью ПКМ-адгезива накладывается стекло-полимер- ная композиционная лента (СПКЛ), имеющая память диаметра трубы и прочностные свойства боле высокие, чем у металла. Установка и закрепление ленты осуществляется на газопроводе только при снижении давления не менее чем на 30 % от рабочего и без прекращения эксплуатации газопровода. Снижение давления регламентируется нормативно-техническими требованиями в целях обеспечения безопасности ремонта, а также для включения в работу ремонтной конструкции. Для достижения необходимой адгезии, уложенная на дефект СПКЛ с помощью шаблона, соответствующего кривизне наружной поверхности трубы, закрепляется различными прижимными приспособлениями, обеспечивающими необходимое усилие.
Описанные способы относятся к открытым способам, которые в случаях ремонта сетевых газопроводов в городах, населенных пунктах или вблизи них требуют вскрытия дорожного полотна, газонов, сноса зеленых насаждений, закрытия городских магистралей, с последующей рекультивацией и восстановлением нарушенного благоустройства. Как следствие, возникает нарушение привычного ритма жизни в районах, прилегающих к месту производства работ. Таким образом, рассмотренная группа способов ремонта из-за значительных затрат является неэкономичной.
Способы ремонта трубопроводов изнутри относятся к бестраншейным. Герметизация может осуществляться разными методами. Известны устройства для ремонта, позволяющие вводить в восстанавливаемую трубу кольцевые облицовочные вкладыши, специальные втулки, уплотнители в виде гибкого пластыря, с нанесенным на его поверхность быстро затвердевающим составом с повышенной адгезионной способностью или в виде шлангообразной фольги.
Наибольшее количество способов в 3-й группе - это способы, в которых герметизация трубопровода производится путем нанесения на его внутреннюю поверхность защитного восстанавливающего покрытия. Такое покрытие получают следующим образом. После предварительной очистки и сушки в дефектный участок трубопровода нагнетается затвердевающий материал, а затем через него протягивают формователь, который вытесняет излишки материала, а на внутренней поверхности трубы образуется со временем затвердевающий равномерный защитный слои этого материала. В ряде случаев материал защитного покрытия размещают на поверхности эластичной оболочки, которую вводят в поврежденную зону трубопровода и раздувают. Материал при этом прижимается к внутренней поверхности трубопровода. После отверждения материала эластичная оболочка удаляется.
В случаях ремонта рассматриваемыми способами трубопроводов больших диаметров предлагаются специальные устройства для нанесения покрытий на внутреннюю поверхность труб. Эти устройства содержат транспортный модуль, механизмы выдавливания полимерной наполнительной смеси, механизмы ее радиальной подачи и нанесения на внутреннюю поверхность, нагревательные элементы для полимеризации.
Несмотря на основное преимущество данных способов, заключающееся в ремонте без вскрытия трубопровода, они имеют следующие недостатки, ограничивающие их применение, особенно при ремонте газопроводов, где требуются высокая надежность и качество.
- Необходимость применения сложного оборудования.
- Необходимость попадания полимерного материала в нужное место и обеспечение полноценного и надежного контакта.
- Прочность полимерного защитного покрытия в случаях высокого давления и существенных дефектов, а также большой изношенности трубы может оказаться недостаточной.
- Невозможность контроля качества ремонтных работ по ходу их выполнения.
- Невозможность качественного ремонта трубопроводов, проложенных в грунтах с повышенной влажностью, а также подводных трубопроводов.
Способы ремонта трубопроводов по типу «труба в трубе» относятся к относительно дешевым и быстрым бестраншейным технологиям, и эти преимущества часто перевешивают их главный недостаток - уменьшение проходного сечения трубопровода.
Использование металлических труб в качестве ремонтных из-за их большой изгибной жесткости возможно только в случаях, когда изношенный участок трубопровода является практически прямолинейным, а также имеется пространство для образования шахтных стволов необходимой длины для ввода ремонтных труб. В силу отмеченных ограничений ремонт с применением металлических труб выполняется преимущественно на трубопроводах большого диаметра. С увеличением длины ремонтируемого участка трубопровода, даже если он имеет небольшую кривизну, растет усилие, необходимое для протягивания ремонтных труб. С целью уменьшения этого усилия применяются центрирующие направляющие роликовые элементы. Опорные элементы предлагается располагать на поверхности ремонтной трубы по винтовой линии, и при приложении осевого усилия к трубе ей обходимо придавать вращательное движение. В некоторых случаях для облегчения монтажа ремонтируемый участок трубопровода заполняется водой, а новая труба, поддерживаемая специальной плавучей трубой, или понтонами, вводится на плаву. После прокладки вода из трубопровода удаляется. В качестве тягового устройства обычно применяются лебедка и трос, протягиваемый через ремонтируемый трубопровод со второго вскрытого его конца. Вместо этого традиционного метода перемещения секций ремонтных труб можно осуществлять давлением, подаваемым во внутрь этих секций, передний конец которых временно закрывается заглушкой.
Применение пластмассовых, в частности, полиэтиленовых труб для ремонта рассматриваемым способом расширяет его возможности, так как такие трубы по сравнению с металлическими обладают большей гибкостью и меньшим весом, а значит позволяют ремонтировать более протяженные и имеющие достаточно большую кривизну трубопроводы. Однако, если вопрос получения необходимой гибкости пластмассовой трубы решается за счет уменьшения толщины стенки, то возникают проблемы, связанные с потерей прочности как на истирание при протягивании в ремонтируемый трубопровод, так и прочности при нагружении внутренним давлением. В этом заключаются основные недостатки применения пластмассовых труб. Предотвратить истирание ремонтной трубы о стенки изношенного, покрытого коррозией трубопровода невозможно, а для обеспечения прочности при перекачке среды под давлением необходима дополнительная непростая технологическая операция по заполнению межтрубного пространства тампонажным материалом, например, пеноцементом.
Существуют так называемые «чулочные технологии» ремонта, которые отнесены к 4-й группе, так как они связаны с протягиванием внутрь ремонтируемого трубопровода специальных рукавов, называемых иногда чулками. По результату, однако, эти способы близки к способам герметизации трубопроводов изнутри различными полимерными составами.
В качестве чулка используют, например, синтетический рукав с нанесенным на его наружной поверхности клеем. После протаскивания рукава его прижимают к внутренней стенке трубопровода специальными раскатчиками или подачей внутрь давления.
В других способах в качестве защитного покрытия предлагаются комбинированные рукава из композитных материалов. Эти рукава вводятся в трубопровод. Затем непосредственно в них или во вспомогательный рукав подается под давлением подогретая газообразная или жидкая среда. Прижатый к внутренней поверхности трубы комбинированный рукав полимеризируется и образует герметичную защитную пленку. Вспомогательный рукав удаляется.
Достаточно близкой к «чулочной» является технология «U-лайнер», при которой внутрь предварительно очищенного ремонтируемого трубопровода протягивается U-образная (может быть и другой формы) в поперечном сечении пластиковая, чаще всего полиэтиленовая плеть с последующим ее распрямлением с помощью теплоносителя определенной температуры и образованием нового цельного пластикового трубопровода.
Преимущество, выделяющее «чулочные технологии» и технологии «U-лайнер» среди способов 4-й группы, заключается в том, что практически сохраняется проходное сечение трубопровода. но они не лишены недостатков, перечисленных в отношении способов 3-й группы. Кроме того, добавляется еще один, уже указанный для пластмассовых труб, недостаток - возможность повреждения рукава или пластмассовой трубы о стенки изношенного трубопровода при протягивании. И этот недостаток проявляется тем больше, чем больше кривизна дефектного участка трубопровода и чем больше его длина.
Заслуживают внимания способы ремонта криволинейных трубопроводов, в которых в качестве ремонтной трубы используются гофрированные трубы. Гофрированные трубы или рукава имеют малую изгибную жесткость, поэтому их можно протягивать (проталкивать) в. дефектные участки сильно изогнутых трубопроводов, содержащих даже отводы и колена. Причина, ограничивающая применение гофрированных труб, та же, что для пластмассовых труб - их малая прочность. Здесь имеется в виду не только прочность на нагрузку от давления, но и контактная прочность, а также прочность на растяжение, необходимые при протягивании в ремонтируемую трубу. Этот недостаток устраняется путем их снабжения наружной проволочной оплеткой.
Описанные способы ремонта всех четырех групп, за исключением способов ремонта 2-й группы, для незначительных повреждений требуют обязательной остановки перекачки транспортируемого продукта. В то же время существует достаточно много ситуаций, когда, не смотря на обнаруженный дефект или сквозное повреждение трубопровода, остановка перекачки невозможна из-за возникновения значительных проблем технологического и социального характера (металлургическая, стекольная промышленность, нефтехимия, система охлаждения реакторов атомных электростанций, питание отопительных котельных в зимнее время и т.п.).
Существуют способы ремонта повреждений трубопроводов без остановки перекачки с использованием методов «холодной врезки» и монтажа байпасной линии.
Способ аварийного ремонта трубопровода без остановки перекачки включает два основных этапа (рисунок ниже):
1. Аварийное перекрытие поврежденного участка трубопровода.
Схема ремонтных работ с монтажом байпасной линии
Основные же восстановительные работы по замене участка трубы выполняются в обычном ритме, что способствует повышению качества монтажных работ. Одновременно с началом аварийно-восстановительных работ по вскрытию участка трубопровода, сбору и откачке вытекающего нефтепродукта с обеих сторон удаляемой секции трубопровода (без его опорожнения) устанавливают перекрывающие устройства для отсечения поврежденного участка от основной магистрали, для чего выполняются два вида сложных и ответственных операций:
- Вырезка отверстий в трубопроводе.
- Ввод через них перекрывающих устройств.
Для этого в месте ввода перекрывающих устройств к трубопроводу привариваются два патрубка или разрезных тройника, во фланцах которых имеются специальные пазы для установки заглушек после окончания ремонтных работ. К патрубкам присоединяют специальную запорную арматуру, к которой монтируют механизм для вырезки отверстия. Конструкция механизма позволяет вырезать отверстия в трубопроводе, находящемся под давлением перекачиваемого продукта. Сверление отверстий производят цилиндрической трубчатой фрезой с торцевой рабочей частью. Фрезу необходимо устанавливать очень точно по оси предполагаемого отверстия, а раму крепят к фланцу.
Фрезерный шпиндель снабжен специальным устройством, которое удерживает вырезанный кусок металла и позволяет его извлечь. Вращательное движение фрезы и ее подача обеспечиваются встроенным в рамку пневмо- или гидроприводом. После вырезки отверстий механизм демонтируют, арматуру закрывают и на его место устанавливают приспособление для ввода перекрывающих устройств. Перекрывающее устройство представляет собой заглушку в форме ребристого конуса, смонтированную на тягах, и позволяет удерживать рабочее давление жидкости в трубопроводе.
После вырезки отверстий в трубопроводе и демонтажа сверлильного устройства к запорной арматуре подсоединяют байпас, по которому и направляется поток перекачиваемого продукта. Поврежденный участок удаляют и заменяют новым, затем перекрывающие устройства демонтируют, патрубки заглушают специальными сегментными заглушками, запорную арматуру на обводной линии перекрывают, и поток нефтепродукта направляется по основному трубопроводу.
С целью соблюдения требований техники безопасности и противопожарных норм при проведении монтажных работ проводят герметизацию полости трубопровода различными герметизирующими устройствами.
Наиболее широко применяемые в газораспределительных системах низкого давления так называемые «глиняные пробки» представляют собой шамотную глину, зафасованную в эластичные матерчатые мешки и утрамбованную в полость трубопровода. Длина пробки зависит от характера местности, качества глины, времени года, диаметра трубопровода и т.д., но должна составлять не менее двух диаметров трубы и гарантировать безопасность огневых работ, выполняемых вручную. Набивку и трамбование глиняной пробки обычно производят вручную. Для герметизации полости трубопровода, кроме глиняных пробок, создание которых является весьма трудоемкой и малопроизводительной операцией, применяют и другие способы, принцип действия которых основан на введении внутрь трубопровода различных шаров, пробок, скребков и иных механических разделителей, используемых при замене участков нефтепроводов в плановом порядке.
При утечке нефти или газа велика вероятность дальнейшего развития повреждения, трещин, негативного развития аварии, что может привести к недопустимому прекращению перекачки по поврежденному участку трубопровода, в связи с чем вопрос сокращения времени перекрытия поврежденного трубопровода и строительства временной обводной линии является весьма актуальным.
Вырезка отверстий с помощью торцевой трубчатой фрезы должна производиться на малых оборотах с тем, чтобы не произошел перегрев зубьев фрезы, их заклинивание или поломка, в связи с чем на этом технологическом этапе нет резерва для сокращения времени аварийного ремонта трубопровода.
Таким образом, только за счет уменьшения времени монтажа временной обводной линии возможно уменьшение общего времени локализации и ликвидации аварийной ситуации без остановки перекачки, возникшей на трубопроводе.
Необходимо также попытаться улучшить первый технологический этап - аварийное перекрытие поврежденного участка трубопровода с возможностью дальнейшего проведения ремонтных работ в обычном режиме.
Необходимо разработать технические средства и технологию быстрой ликвидации аварии и восстановления перекачки бестраншейным методом по типу «труба в трубе», а также без остановки перекачки транспортируемого продукта.
Исследование существующих способов ремонта подземных трубопроводов выявило, что достаточно хорошо разработаны и с успехом применяются для ремонта трубопроводов технологии, предусматривающие вскрытие и ремонт дефектных участков с остановкой перекачки. Но эти технологии достаточно дорогие и не во всех случаях возможны.
При необходимости ремонта трубопроводов в стесненных условиях при нахождении мест повреждений под болотами, транспортными магистралями и другими препятствиями наиболее эффективными являются методы ремонта по типу «труба в трубе».
Применение «холодной врезки» с одновременным строительством байпасной линии не решает вопрос сокращения сроков восстановления поврежденного трубопровода, предупреждения возникновения чрезвычайных ситуаций, связанных с прекращением подачи энергоресурсов на объекты производственной и социальной сферы деятельности человека, имеющие непрерывный характер.
Решение задач повышения точности и эффективности методов определения мест утечек, образования сужений и закупорок, создания эффективных и быстрых технологий ремонта трубопроводов методом «труба в трубе», а также без остановки перекачки позволило бы значительно сократить сроки ремонта, потери транспортируемых углеводородов, снизить загрязнение окружающей среды, что очень актуально.