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:

  1. Способы ремонта, связанные с полной заменой дефектного участка трубопровода новым трубопроводом.
  2. Способы ремонта, которые предусматривают герметизацию поврежденного участка трубы снаружи.
  3. Способы ремонта, в которых герметизация осуществляется изнутри трубопровода.
  4. 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

1 - 0072

а - установка перекрывающих устройств для отсечения поврежденного участка от основной магистрали; б - монтаж байпаса; в - удаление поврежденного участка и замена его новым; г - демонтаж перекрывающих устройств и ввод в действие трубопровода

2. Прокладка и врезка временной байпасной линии для не- прекращаемой перекачки.

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:

  1. Вырезка отверстий в трубопроводе.
  2. 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.
Рейтинг@Mail.ru