Создание и использование пластмассовых трубопроводов в нефтегазовой отрасли россии

Вид материала

Автореферат

Содержание Глава 4. Анализ исследований по разработке гидравлического расчета при проектировании трубопроводов из пластмассовых труб 1 – зона квадратичной области; 2 – переходная зона; 3 – ламинарная зона

Подобный материал:

• Концепция системы технического регулирования в нефтегазовой отрасли москва, 705.36kb.
• 12-я Всероссийская научно-практическая конференция «Геоинформатика в нефтегазовой отрасли», 25.09kb.
• Основная образовательная программа высшего профессионального образования национального, 1263.38kb.
• Инструкция по диагностике технического состояния трубопроводов бесконтактным магнитометрическим, 388.66kb.
• К рабочей программе учебной дисциплины «Системы автоматики предприятий нефтегазовой, 39.37kb.
• Программа IV международной конференции «модернизация нефтегазовой отрасли-2011», 111.24kb.
• Инструкция по охране труда № при монтаже пластмассовых труб для электромонтажных разводок, 305.8kb.
• 14 октября 2011 года, 74.22kb.
• 1. Вкраткосрочной перспективе нет угрозы каких-либо изменений в системе налогообложения, 744.74kb.
• На правах рукописи, 369.01kb.

Глава 3. Исторические аспекты формирования научных основ методологии расчета напряженно-деформированного состояния пластмассовых трубопроводов


В настоящее время новые конструкционные пластмассы нашли применение при изготовлении силовых элементов строительных конструкций, емкостей и резервуаров, напорных трубопроводов и арматуры, рабочих колес центробежных насосов и т.д. Полимерные материалы применяются также в качестве защитных покрытий, клеев и герметиков, изоляционных элементов.

На первом этапе применение вышеназванных конструкционных материалов обосновывалось эмпирическими методами, что объяснялось недостаточными данными о прочностных и деформационных свойствах различных классов полимерных материалов, отсутствием практических рекомендаций по расчету и выбору основных параметров конструкций из полимерных материалов. В связи с расширением области применения возникла необходимость расчета этих конструкций на прочность. Это обусловило необходимость накопления знаний о физико-механических свойствах и механизме разрушения пластмасс, разработки критериев их работоспособности, развития методов конструирований и расчета конструкций из этих материалов.

Как показал опыт создания полимерных конструкционных материалов, при оценке их прочностных свойств необходимо проводить длительные испытания на ползучесть (рост деформации во времени при постоянной нагрузке) и на релаксацию напряжений (уменьшению напряжений во времени при постоянной деформации).

Важнейшей характеристикой прочностных свойств этих материалов является долговечность, отражающая особый характер процесса их разрушения. В инженерной практике были введены понятия кратковременной и длительной прочности. Кратковременная прочность или разрывное напряжение обычно определяется на разрывных машинах при заданных режимах скорости нагружения. Длительная прочность обычно определяется при нагружении статическими или переменными нагрузками, меньшими по сравнению с разрывным напряжением. Кратковременная и длительная прочность полимеров значительно ниже теоретической прочности материала с идеальной структурой. Результаты эксплуатационных и теоретических исследований долговечности, проведенные в период с конца 1960-х до конца 1970-х гг., показали, что длительная прочность полимеров является фундаментальной характеристикой в выяснении природы и механизма разрушения этих материалов, а также для инженерной оценки и прогнозирования долговечности деталей и конструкций из пластмасс.

Для решения задач определения прочности конструкции из пластмасс необходимо иметь соотношение, связывающее напряжения, деформации и время, которое можно получить на основе рассмотрения механических моделей, состоящих из упругих и вязких элементов.

Анализ зависимостей, полученных в конце 1970-х гг. на основе реологических моделей, позволяет сделать вывод о том, что они пригодны лишь для качественного описания процесса ползучести. Попытки связать их с процессом ползучести реального материала приводят к такому усложнению математических зависимостей, которое делает их практически непригодными для использования в конкретных расчетах элементов конструкций.

Большинство полимерных материалов обнаруживают в диапазоне рабочих напряжений нелинейную связь между напряжениями и деформациями. Это заставило искать такие нелинейные соотношения, которые давали бы достаточно хорошую аппроксимацию кривых ползучести пластмасс и были бы пригодны для решения конкретных задач. Для этой цели наиболее подходящими оказались уравнения технических теорий ползучести.

Расчеты на прочность в большинстве случаев производят исходя из допущений о том, что пластмасса является однородной, монолитной (сплошной) средой. При одноосном растяжении условия прочности описываются таким образом (И. Я. Альшиц, Г. М. Бартенев, В. А. Белый, Б. Н. Благов и др.):

;

при ;

при ,

где σ_max – напряжение в опасной точке детали;

[σ] – допускаемое напряжение;

[п] – коэффициент запаса прочности;

σ_пред – предельное напряжение при одноосном растяжении или сжатии;

σ_х.р. – напряжение хрупкого разрушения пластмассы;

σ_р. – разрывное напряжение;

Т_хр – температура хрупкости;

Т_с – температура стеклования.


Расчет на прочность деталей из пластмасс проводят в следующем порядке: рассчитываются нагрузки, действующие на детали и определяют температурные условия ее работы; задают долговечность детали, класс точности, степень ответственности; методами сопротивления материалов находят напряжения в опасных сечениях детали; определяют главные напряжения σ₁, σ₂, и σ₃ в опасной точке сечения и по ним рассчитывают эквивалентное напряжение σ_экв.

Далее проверяется условие прочности.

Расчет на прочность анизотропных пластмасс и деталей из пластмасс, армированных металлической арматурой, несравненно сложнее расчета на прочность изотропных пластмасс.

При расчете на прочность особенно важным является коррекция допускаемого напряжения при проектировании труб и деталей из пластмасс. С этой целью при определении запаса прочности довольно широко применяют метод поправочных коэффициентов, учитывающий влияние различных факторов на прочность и деформативность детали (И. Я. Альшиц, Г. М. Бартенев и др.).

Как следует из данных практики проектирования и конструирования деталей из пластмасс, коэффициент запаса прочности при постоянной нагрузке и отсутствии концентрации напряжений может изменяться в широком диапазоне (1,5–3), а при наличии концентраторов напряжения значение может увеличиваться до 6.

При циклических нагрузках под действием напряжений происходят необратимые изменения структуры, обычно уменьшающие прочность и долговечность из-за объемных физико-механических процессов в материале. Экспериментально доказано, что модуль упругости полимеров с ростом числа циклов снижается даже при неизменной температуре, так как внутри полимера происходят необратимые процессы.

Анализируя экспериментальные данные, целесообразно в качестве основного критерия использовать коэффициент усталости.

Результаты усталостных испытаний могут быть использованы для расчета конструкций только в тех случаях, когда способ нагружения и геометрия образцов приближаются к режимам нагружения деталей в условиях эксплуатации.

Материал трубы выбирают в зависимости от его химической стойкости, температуры транспортируемой среды, вида прокладки и т.д. В зависимости от расчетного расхода выбирают диаметр трубы, требуемый напор, насосное оборудование. Номинальный наружный диаметр выбирается на основе ГОСТ 29324-92 (ISO 16 1/1 -78) «Трубы из термопластов для транспортирования жидкостей. Номинальные наружные диаметры и номинальные давления. Метрическая серия». Этим же стандартом обоснованы номинальные давления.

Толщину стенки трубы определяют исходя из расчетных нагрузок и воздействий. Допускаемое напряжение определяется из кривых длительной прочности. При этом для заданного срока службы трубопровода по этим кривым находится разрушающее напряжение с учетом коэффициента запаса прочности.

Максимальное рабочее давление рассчитывается по формуле (В. Е. Бухин):

,

где σ₅₀ – напряжение, полученное путем экстраполяции на срок службы 50 лет при температуре 20 °С данных испытаний труб и соединительных деталей на стойкость к внутреннему гидростатическому давлению транспортируемой жидкости;

С₁ – коэффициент запаса прочности, назначаемых в строительных нормах и правилах в зависимости от условий прокладки и эксплуатации.


После определения диаметра, толщины трубы и рабочего давления выбранные трубы проверяют с учетом конструкции и назначения трубопровода: по продольной устойчивости, прогибу горизонтальных участков, устойчивости кривой формы и т.д. По результатам проверочных расчетов выбирают конструктивное решение системы трубопроводов.

При расчете на прочность труб из реактопластов считается, что их материал проявляет анизотропные свойства. Стенка трубопровода находится в условиях плоского напряженного состояния. Существуют различные теории прочности стеклопластиков. К стеклопластикам могут быть применимы условия пластичности Мизеса-Хилла, Фишера, Захарова, Марина, Малмейтсера и др. Наиболее универсальным является инвариантный критерий Гольденблата-Копнова. Однако он сложен в инженерной практике и требует много констант. На основе критерия Норриса получены следующие уравнения (А. С. Обухов, А. В. Сладков и др.):



где – действующие напряжения соответственно в осевом, кольцевом и касательном направлениях;

– соответствующие характеристики прочности.

Предполагается, что критерий прочности сохраняется в условиях длительного сопротивления материала.

При конструировании новых видов пластмассовых труб, состоящих из нескольких слоев разных пластмасс или пластмассы и металлической сетки, необходимо было решить и задачу разработки модели прочностного расчета таких конструкций, адекватной условиям эксплуатации и функционирования таких труб. К началу XXI в. были созданы инженерные расчетные модели, позволяющие определить основные параметры безопасной эксплуатации бипластмассовых и металлопластмассовых труб (М. И. Гориловский, А. С. Обухов и др.). Ими разработан расчет многослойной тонкостенной трубы, имеющей между слоями связи и работающей под действием давления и температуры.

Для трубопроводов из полимерных материалов требуемый уровень длительной прочности определяется и рассчитывается с учетом временного фактора воздействия напряжений, возникающих от внутреннего давления. Существует стандартизированный в мировой практике метод определения рабочего давления по прочностным показателям материала трубопровода (MRS), геометрическим размерам труб и температуре эксплуатации. В этом случае временная зависимость прочности описывается уравнением (М. И. Гориловский и др.):

,

где t – время эксплуатации (срок службы);

σ – напряжение;

Т – температура;

А, В, С, Д – коэффициенты, определяющие прочность материала.


К середине 1980-х г. в результате проведенных исследований и анализа накопленного опыта эксплуатации пластмассовых трубопроводов были сформулированы особенности их расчета на прочность и устойчивость, которые должны включать анализ условия устойчивости круглой формы поперечного сечения и условия предельно допустимой величины овализации поперечного сечения трубы. Расчет пластмассовых трубопроводов на прочность и несущую способность проводится с учетом силового, деформационного и сейсмического воздействия. Расчет должен производиться по расчетным нагрузкам (В. Ю. Каргин, В. Е. Бухин и др.).

Таким образом, начиная с середины 1960-х гг. на основе классических моделей расчета на прочность металлических конструкций, к 1980-м гг. были созданы основные расчетные методики по определению прочности и устойчивости трубных пластмассовых конструкций с учетом особенностей материалов для основных видов конструкций труб. На современном этапе развития пластмассовых трубных конструкций и пластмассовых покрытий назрела необходимость детальной систематизации знаний в области сопротивления пластмассовых материалов.


Глава 4. Анализ исследований по разработке гидравлического расчета при проектировании трубопроводов из пластмассовых труб


В связи с широким использованием пластмассовых трубопроводов для систем сбора и транспорта нефти, газа и нефтепродуктов возникла необходимость исследования вопроса их гидравлического расчета. В основу расчета гидродинамических параметров пластмассовых трубопроводов положены классические модели движения жидкости, газа и многофазных потоков по металлическим трубопроводам. Важной особенностью пластмассовых трубопроводов является их относительно невысокая шероховатость, которая существенно зависит от технологии их изготовления. На внутренней поверхности труб имеются волнистость и отдельные макронеровности, которые также влияют на гидравлическое сопротивление.

К концу ХХ в. практически была завершена систематизация моделей гидравлического расчета пластмассовых трубопроводов, которая наиболее полно представлена в трудах специалистов ВНИИВОДГЕО, ЛИИЖТ и ГипроНИИгаз и др.

Как показали расчеты гидродинамических параметров трубопроводов, проведенные в данной работе, после протаскивания пластмассовых труб происходит снижение расхода из-за уменьшения внутреннего диаметра. Причем с ростом величины отношения (где d₀, d – внутренний диаметр металлического и пластмассового трубопровода соответственно) отношение (где Q₀, Q – расход металлического и пластмассового трубопровода соответственно) увеличивается. В зоне ламинарного течения жидкости снижение расхода на 20–25 % выше, чем в переходной зоне. Расчеты показывают, что для ламинарной зоны ~ , а для переходной зоны ~ . Однако в зоне гидравлического трения в квадратичной области, где отношение ~ , (_0, , – коэффициент гидравлического сопротивления металлического и пластмассового трубопровода соответственно) наличие невысокой шероховатости пластмассовых труб по сравнению с металлическими приводит к увеличению расхода трубопроводной системы (рисунок 4).

Существенное изменение расхода перекачиваемой жидкости, рассмотренное в интервале реального измерения отношения в трубопроводных системах, предполагает проведение детального обоснования изменения гидравлических параметров с течением времени в процессе эксплуатации трубопроводов.




1 – зона квадратичной области; 2 – переходная зона; 3 – ламинарная зона


Рисунок 4 – Зависимость от параметра для различных режимов течений

Известно, что при стыковой контактной сварке пластмассовых труб на внутренней и наружной поверхностях стыка образуется грат. При этом высота и ширина грата возрастают с увеличением толщины стенки трубы.

Изучение влияния конструктивных и технологических факторов на работоспособность сварных соединений полиэтиленовых трубопроводов и опыт эксплуатации таких трубопроводов показывают, что грат практически не повышает прочность сварного соединения, а в отдельных случаях даже способствует возникновению в нем трещин. При этом внутренний грат снижает эксплуатационные характеристики трубопровода, уменьшает его пропускную способность за счет увеличения местного сопротивления и является очагом различных отложений. Отрицательное влияние внутреннего грата можно снизить, уменьшая его размеры или ликвидируя его. Грат с достаточной степенью приближения можно считать местным сопротивлением диафрагменного типа, в котором изменение параметров перекачиваемого жидкостного потока не существенно.

Существует ряд способов, позволяющих уменьшить величину грата, предотвратить его появление или полностью удалить. При этом существующие методы ликвидации внутреннего грата реализуют либо на стадии подготовки свариваемых торцов, либо после сварки.

Проведенными исследованиями установлено, что ликвидация грата путем ограничения вытеснения из зоны стыка расплава полимера приводит к снижению прочности сварного соединения и появлению в нем дефектов. При этом экранирующая сварной шов прокладка препятствует протеканию необходимых реологических процессов, вследствие чего из зоны контакта не удаляются все ингредиенты, препятствующие взаимодействию макромолекул соединяемых поверхностей. Таким образом, на стадиях подготовки кромок труб и в процессе сварки полностью ликвидировать грат без нанесения ущерба качеству сварного шва не предоставляется возможным, а наиболее эффективным методом ликвидации грата является снятие его механическим способом вровень с основным материалом труб либо в вязкотекущем состоянии, либо при завершении процесса сварки стыка. При этом удаление грата не оказывает влияния на прочность сварных соединений полиэтиленовых труб.

В качестве мероприятия по уменьшению грата в данной работе разработан способ ограничения высоты внутреннего грата, основанный на вводе во внутреннюю поверхность сварного стыка цилиндра с зазором 1,0–1,5 мм меньше внутреннего диаметра трубы, соединенного со штангой-центратором, на который установлен регулируемый упор и который после охлаждения расплава извлекается из трубы. В этом случае учет влияния остатка грата в гидравлическом расчете сводится к определению сопротивления в трубопроводах со значительной по величине эквивалентной шероховатостью.

Решение энергетических проблем экономики нашей страны, основанное на использовании нефти и газа, особое требование предъявляет к обустройству месторождений углеводородного сырья трубопроводными системами. В этих условиях актуальным является расчет гидродинамических параметров транспортируемых нефтегазовых смесей по трубопроводам, изготовленным из пластмассовых материалов.

Первые исследования по данному вопросу относятся к 50-м гг. XX столетия. После накопления определенного экспериментального материала к концу 60-х и началу 70-х гг. прошлого столетия в научных коллективах четко сформировалось утверждение, что движение нефти, газа и воды в трубопроводе необходимо рассматривать как многофазное течение многокомпонентной системы. На основе теоретических исследований была разработана система общих дифференциальных уравнений, описывающих движение и энергетическое состояние многофазных потоков. Поскольку движение многокомпонентной системы детерминировано многими параметрами, анализ течения таких систем довольно сложен, поэтому для замыкания уравнений гидродинамики при решении конкретных технических задач нашли применение полуэмпирические зависимости, устанавливающие связь между параметрами движения многофазных систем и основными критериями, характеризующими это движение.

Экспериментальному изучению движения газоводонефтяных смесей в трубах посвящены многочисленные исследования отечественных и зарубежных ученых, проведенные за период с 1957 по 1975 гг.

В 1964–1965 гг. Н.Н. Репиным совместно с К.В. Виноградовым было рассмотрено движение системы «нефть–газ–вода» в вертикальных трубах. Было установлено, что перепад давления в таких трубах распределяется в основном на преодоление веса столба смеси и потерь на трение. Сделан вывод о том, что основная доля потерь напора связана с относительным движением фаз смеси. Поскольку движение многофазной системы в вертикальных трубах несколько отлично от движения в горизонтальных трубопроводах, активно изучалось движение многокомпонентной системы в горизонтальных и наклонных трубопроводах.

В ранних работах Д.П. Собочинского и П.Л. Хантингтона, проведенных в 1957–1958 гг., впервые исследовано движение трехкомпонентной многофазной системы в горизонтальной пластмассовой трубе. В качестве модельной многофазной системы была принята смесь газойля, воды и воздуха. Изучались структурные формы движения многофазной системы, изменение потерь давления в трубопроводе в зависимости от параметров перекачиваемой системы, и результаты сравнивались с данными, полученными при движении по тому же трубопроводу смесей воздуха и воды, воздуха и газойля. Эти же авторы предлагают методику расчета для течения смеси в горизонтальном трубопроводе. Как показали дальнейшие исследования 60–70-х гг. ХХ в., авторы недостаточно полно изучили структурные формы движения многофазных систем. Кроме того, для подсчета вязкости жидкой фазы эти авторы рекомендуют пользоваться правилом аддитивности, что не применимо при определении вязкости эмульсий.

В конце 1960-х гг. М.Г. Миннигазимов и Р.Ш. Шакиров исследовали движение газоводонефтяных смесей применительно к промысловым условиям. Ими были проведены эксперименты на стендовых трубопроводах диаметрами 0,04, 0,05, 0,062 и 0,102 м и длиной 75 м. В результате были построены для газонефтяной смеси экспериментальные кривые зависимости:



где – перепад давления в трубопроводе на единицу длины;

– расходное газовое число;

w_ж – скорость движения жидкой фазы;

Р₀, Р – давление атмосферное и в условиях движения соответственно;

Г_ф – газовый фактор.

На основе формулы Дарси-Вейсбаха вышеназванные авторы вычислили коэффициент гидравлического сопротивления:



где D – внутренний диаметр трубопровода;

w_см, ρ_см – скорость и плотность газожидкостной смеси.

В случае, когда необходимо определить величину гидравлических сопротивлений при движении газоводонефтяных смесей, авторы предложили вычислить коэффициент гидравлического сопротивления по следующей формуле:



где ν_см, ν – кинематический коэффициент вязкости водонефтяной эмульсии и безводной нефти;

К₁ – эмпирический коэффициент.

При определении λ_см для другого диаметра D₁ предложили следующую эмпирическую зависимость:



где a, b – численные коэффициенты.

Авторы рассматривали вязкость эмульсий только в зависимости от температуры и обводненности нефти. Кроме того, рассмотрение влияния расходов фаз, вязкости водонефтяной эмульсии, диаметра трубопроводов на движение смеси недостаточно для полного описания гидравлики газоводонефтяного потока. Поэтому полученные эмпирические формулы можно было использовать только в узком диапазоне изменения свойств перекачиваемых продуктов.

В работах А.Н.Бочарова, Р.С.Андриасова, Л.А.Пелевина, проведенных за период с 1971 по 1976 гг., осуществлены исследования по реологии газоводонефтяных смесей. При построении реологических кривых для выбора модели, описывающей движение газоводонефтяных смесей, авторы обосновали зависимость вида:



где τ_с – касательное напряжение сдвига;

Dr_ж – условный градиент скорости по жидкости;

Dr_см – условный градиент скорости смеси;

β_в – объемное водосодержание.


На основании обширного экспериментального материала был сделан вывод, что газоводонефтяные смеси относятся к псевдопластикам.

В 1976 г. была предложена методика расчета промысловых трубопроводов, транспортирующих газоводонефтяные смеси, в которой перепад давления в трубопроводе определяется по следующей формуле:



где L – длина трубопровода;

– плотность смеси на восходящем и нисходящем участке;

– высота восходящего и нисходящего участка;

К₁, К₂ – число восходящих и нисходящих участков трубопровода.

Для определения λ_см используются полуэмпирические зависимости, различные для ламинарного и турбулентного режимов.

За период с 1959 до середины 1970-х гг. исследованиями было установлено, что при совместном движении газа и жидкости в трубопроводах могут образовываться различные структурные формы, которые зависят от объемного содержания фаз в потоке смеси, скорости движения, физических свойств фаз, линейных размеров трубы, рельефа трассы трубопровода и других факторов. При движении газожидкостного потока могут иметь место пузырьковая, пробковая, расслоенная со спокойной поверхностью раздела, раздельно-волновая, пробково-диспергированная, пленочно-диспергированная и эмульсионная структура течения. При движении двух взаимонерастворимых жидкостей были установлены четочная, раздельная (с гладкой и эмульсионной поверхностью раздела), раздельная (легкой фазы с эмульсией и тяжелой фазы с эмульсией) и эмульсионная структуры движения. А.И. Гужов, В.Ф. Медведев, В.А. Савельев в своих исследованиях показали, что течение смесей типа «нефть-газ-вода» сочетает в себе структурные формы как потока типа «газ-жидкость», так и потока типа «жидкость-жидкость». В 1975 г. В.А. Савельевым при изучении движения газоводонефтяных смесей в промысловых трубопроводах было установлено, что в зоне перемеживающегося режима течения на восходящих участках трубопровода имеют место пробковый и пробково-диспергированный потоки с эмульсией в жидкой фазе, на нисходящих участках – формы раздельного с эмульсией в жидкой фазе, пробкового и пробково-диспергированного потоков. Газовая фаза способствует более раннему эмульгированию имеющихся жидкостей. Объясняется это тем, что газовая фаза создает дополнительные условия для турбулизации потока, обусловленные движением газа относительно жидкой фазы. В.А. Савельевым также получена модель, на основании которой можно определить переходную границу из раздельной формы движения газоводонефтяной смеси в пробковую. Было установлено, что наличие газовой фазы способствует раннему переходу раздельной формы течения в пробковую.

В потоке многофазной системы имеет место движение фаз относительно друг друга. Основными факторами, обусловливающими относительное движение фаз, могут выступать гравитационные силы, градиент давления, неравномерность разделения фаз в потоке и т.д. Влияние этих факторов при различных режимах будет различно.

В 1977 г. в результате обработки экспериментальных данных В. Ф. Медведевым было установлено, что зависимость между истинным газосодержанием газоэмульсионного потока от основных определяющих параметров при пробковой и пробкодиспергированной формах выражается следующим соотношением:



где λ_э – коэффициент гидравлического сопротивления при течении неустойчивой эмульсии со скоростью смеси;

ψ_п – поправочный множитель, учитывающий действие макротурбулентных пульсаций в пробковом газоэмульсионном потоке;

δ(α) - функция уклона трубопровода;

К – параметр Кутателадзе.

Знак (–) ставится в случае, когда

Зная величины φ_г, φ_ф, можно определить плотность газированной эмульсии, необходимую при подсчете гравитационных потерь в рельефном трубопроводе. В 1975 г. В. Ф. Медведевым было предложено определять его на основе правила аддитивности:

ρ_см = ρ_гφ_г + ρ_фφ_ф(1- φ_г) + ρ_с(1- φ_ф)(1 – φ_г),

где ρ_г, ρ_с, ρ_ф – плотность газа, дисперсионной среды и дисперсной фазы.


Для определения потерь давления на трение при движении газоэмульсионной системе важным моментом является оценка вязкости системы, определяемой в основном вязкостью эмульсии.

Учитывая, что при движении эмульсионной системы имеет место не только сила трения, как в случае однородной жидкости, но и сила взаимодействия компонентов, а также циркуляция внутри капель дисперсной фазы, вязкость эмульсии будет зависеть от многих факторов.

Еще в 1911 г. А. Энштейном при исследовании свойств разбавленных эмульсий была предложена формула для определения динамического коэффициента вязкости эмульсии смеси μ_э в зависимости от объемной концентрации дисперсной фазы, вязкости дисперсионной среды в следующем виде:

μ_э = μ_с(1 + сβ_ф),

где μ_с – динамический коэффициент вязкости дисперсионной среды;

с – экспериментальный коэффициент;

β_ф – объемная концентрация дисперсионной фазы.

Эта зависимость, выведенная на основе положений гидродинамики разбавленных суспензий твердых сфер, справедлива только при малых значениях β_ф (β_ф≤0,05).

Д. Тейлор также рассмотрел свойства разбавленных эмульсий. Передача тангенциального и нормального напряжений от непрерывной фазы к дисперсной при отсутствии скольжения на межфазной границе раздела приводит к циркуляции жидкости внутри капель, заметно ослабляющей искажение линий обтекания вокруг них. Учитывая это, Тейлором была предложена формула



где μ_ф, μ_с – динамический коэффициент вязкости дисперсной фазы и дисперсной среды.


В начале 70-х гг. ХХ века исследования влияния различных факторов на величину вязкости водонефтяных эмульсий проводил М.Н. Мансуров. В качестве определяющих факторов им были рассмотрены содержание водной фазы, степень дисперсности водных глобул, физические свойства воды и нефти, а также была предложена формула для определения μ_э:



где К_μ, m_μ, u_μ – эмпирические коэффициенты;

μ_н – динамический коэффициент вязкости нефти;

d_в – средний диаметр глобул воды;

β_в – степень обводненности эмульсии.


Как показывает вышеизложенный исторический анализ моделей движения многофазных потоков и их параметров, гидродинамика газоводонефтяных смесей в трубопроводах отличается большой сложностью. Эта сложность в значительной степени обусловлена особенностями, которые проявляет жидкая фаза при движении газоэмульсионной смеси. Особенности обусловлены неньютоновским поведением эмульсии, а также изменением вязкости в зависимости от содержания воды и инверсией фаз, которые обязательно необходимо учитывать при проектировании и эксплуатации промысловых трубопроводов из пластмассовых материалов. Хотя предложенные модели не ответили на ряд вопросов гидродинамики многофазных потоков в пластмассовых трубопроводах, они позволили рассчитывать к концу 70-х гг. ХХ в. технологические параметры трубопроводных систем с погрешностью до 25%.


Глава 5. Разработка технологий монтажа пластмассовых трубопроводных систем


В процессе накопления многовекового практического опыта человек осознал, что именно трубчатая конструкция является одной из самых совершенных как по прочностным характеристикам, так и по функциональным признакам, поскольку может обеспечивать постоянную, легко регулируемую целевую подачу продукта в нужном направлении в требуемые сроки. Трубы и трубопроводы позволяют обеспечивать в процессе эксплуатации направленное, необратимое и закономерное движение транспортируемой среды.

Огромное значение развитию водоснабжения придавали в Древнем Египте, Месопотамии, Древнем Риме, о чем свидельствуют сохранившиеся строительные объекты (акведуки, водоприемные и водоотводящие сооружения) и различные фрагменты гончарных и свинцовых труб. Первые трубы из чугуна были отлиты в 1465 г. и оттеснили трубы из других материалов. Большое значение металлических труб (чугунных и из цветных металлов) для развития многих отраслей общественного производства проявилось в период технической революции (при переходе от мануфактуры к машинному производству). Паровая машина, обеспечившая переход на новый уровень производительности труда, не могла быть создана без этих труб. Кроме того, металлические трубы позволили освоить новые виды промышленного производства, улучшить условия труда, обеспечивать комплексность производственных циклов.

Повышенный спрос на трубы вызвал поиск новых материалов и видов труб. В конце XIX в. появились комбинированные трубы – железобетонные.

Возникновение трубного производства в России относится к концу XIX в. К 1870г. по существу был заложен научно-технический потенциал для реализации возможности транспорта нефти по трубопроводам. Еще в 1863 г. Д.И. Менделеев отмечал необходимость «устроить от нефтяных колодцев к заводу трубы для проведения нефти как на завод, так и на морские суда». Реализация идеи транспортирования нефти по трубопроводу после создания металлических труб была только вопросом времени.

В.Г. Шухов в 1876–1877 гг. комплексно решал проблему создания нефтепровода оптимальной конструкции, включая проектирование всех искусственных сооружений на трассе. Первый российский нефтепровод, соединивший промысловую площадь в Балаханах с заводским районом Черного города, имел протяженность 8,5 верст (9000м) и диаметр 3 дюйма (7.62 см). Сделан он был из железных труб, соединенных с помощью муфт и нарезных концов. В сутки по трубопроводу перекачивалось 35 тысяч пудов (560 т) нефти. Сооружение окупилось за один год. Уже в этом первом проекте В.Г. Шуховым были заложены основы созданной им первой в мире научной теории расчета и строительства трубопроводов. В «Вестнике промышленности» за 1984 г. была опубликована первая теоретическая работа В.Г.Шухова по данному вопросу: статья «Нефтепроводы». В 1894 г. вышла в свет его книга «Трубопроводы и их применение в нефтяной промышленности». В.Г. Шухов создал проекты нефтепровода Баку–Батуми (1884), конструкции насосов различных типов и разработал их теорию (1880-е гг.), первый резервуар для хранения нефти и нефтепродуктов (1878), наливную баржу для нефти (1894), установку для осуществления крекинг-процесса (заявлено в 1886 г., а в 1888 г. получен патент), спроектировал первый мазутопровод с подогревом.

Новый рост объемов производства и применения труб связан с началом промышленного изготовления полимерных материалов, особенно термопластов. Первые пластмассовые трубы были получены в 1940-х гг.

В России первые экспериментальные пластмассовые трубопроводы стали использоваться в конце 1950-х гг. В 1958 г. специалисты гидрогеологического управления «Геоминводы» впервые начали использовать полимерные трубы в системах минерального водоснабжения. В 1959 г. было начато строительство водопровода хозяйственно-питьевого назначения в Москве, а в 1961 г. были проложены опытные участки полиэтиленовых труб на минеральных источниках Пятигорска, Кисловодска, Мацесты. При строительстве экспериментального водопровода в Москве были использованы трубы из полиэтилена с наружным диаметром 40 и 63 мм. Для разъемного соединения полиэтиленовых труб между собой и с металлическими трубами было разработано специальное соединение.

С развитием производства полимерных материалов и использования их для изготовления пластмассовых труб научная и инженерная мысль начала рассматривать возможность внедрения этих конструктивных материалов при строительстве трубопроводных систем в нефтегазовой инфраструктуре.

По предложению института «Мосинжпроект» в 1958–1960 гг. совместно с трестом «Мосгаз» были организованы опытно-конструкторские и экспериментальные работы по оценке возможности и определению условий эксплуатации пластмассовых подземных газопроводов. В августе 1959 г. в России был построен первый подземный распределительный газопровод из поливинилхлоридных труб отечественного производства в Москве. В 1964 г. был построен газопровод из пластмассовых труб в Тамбове, в 1965 г. – в Ленинграде, в 1966 г. – в Саратовской области, в 1969 г. – в Краснодарском крае.

Разработки в области использования пластмассовых труб были переданы институтом «Мосинжпроект» образованному в 1958 г. Саратовскому институту «ГипроНИИгаз». В эти годы разработкой технологий сооружений полиэтиленовых газопроводов начали заниматься в Московском инстиуте ВНИИСТ (под руководством К.И. Зайцева) и Киевском институте электросварки (ИЭС) им. Е.О. Патона (под руководством Г.Н. Кораба).

Проведенные ОАО «ГипроНИИгаз» научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы были успешно использованы при решении технологических задач. Была разработана основная нормативно-техническая документация: строительные нормы по газоснабжению, свод правил по строительству и контролю качества сварных соединений, альбомы технологических карт, инструкции, методические разработки и документы, что стало нормативной базой для промышленного внедрения пластмассовых труб в газоснабжение на территории России, которое обширно развернулось с конца 1980-х – начала 1990-х гг. К началу 1998 г. в России эксплуатировалось около 11000 км полиэтиленовых газопроводов.

В начале 1960-х г. в нашей стране был организован Всесоюзный научно-исследовательский институт стеклопластиков и стеклянного волокна (ВНИИСПВ) в Крюково (Московская обл.), построены заводы по производству стекловолокна в Уфе, Астрахани и Гусь-Хрустальном, эпоксидной смолы в Уфе и полиэфирной смолы в Жилево (Московская обл.).

Опытные участки из стеклопластиковых труб были сооружены в НГДУ «Туймазанефть» в 1969 г. и в НГДУ «Ишимбайнефть» в 1970 г. Высокое качество труб и технологии их соединений обеспечили длительную (25 лет) эксплуатацию опытных участков.

Анализ деятельности научно-исследовательских учреждений в области транспорта углеводородного сырья по трубопроводным системам показывает, что именно в 60-70-е гг. ХХ века в России были организованы и проведены обширные научные исследования по использованию пластмассовых труб в системе транспортировки нефти и газа, которые обеспечили в дальнейшем успешное внедрение этих труб для повышения надежности и эффективности транспортных систем нефтегазовой инфраструктуры России.

Научно-исследовательские организации (УфНИИ, НИИтранснефть и позднее ВНИИСПТнефть) и ряд предприятий нефтегазового комплекса Республики Башкортостан в 1960–1970-х гг. вели активные исследования и осуществляли успешные внедрения пластмассовых труб в производство добычи и транспорта нефти и газа на нефтепромыслах республики совместно с ведущими центрами России в этой области деятельности (Москва, Самара, Саратов, Бугульма).

При строительстве первых пластмассовых трубопроводов использовалась традиционная траншейная технология, детально разработанная для металлических трубопроводов. Однако гибкость пластмассовых трубопроводов, незначительный вес, отличные от металлических прочностные свойства накладывали специфические требования на выполнение строительных работ. К середине 1970-х гг. были разработаны нормативная база и технологии основных методов строительства пластмассовых трубопроводов в России.

Создание трубопроводных систем из пластмассовых труб вызвало необходимость решения инженерной задачи их соединения в секции для дальнейшего монтажа. Решение задачи соединения труб из реактопластов осуществлялось путем разработки различных соединительных конструкций на основе полимерных клеев, внедрение трубопроводов из термопластов шло на базе сварки пластмассовых труб. Появление первого сварочного оборудования относится к середине 50-х гг. прошлого века.

Активное участие в разработке технологии сварки труб из термопластов принимали организации: ВНИИСТ (В.С. Туркин, К.И. Зайцев), НИИ сантехники (С.В. Ехлаков, В.Е. Бухин), НИИМосстрой (С.И. Дубровкин, Л.В. Сладков), НПО «Пластик» (Р.Ф. Локшин, Г.И. Шапиро) и др.

Разработку сварочной техники в разные годы осуществляли институты ГипроНИИгаз (г. Саратов), ИЭС им. Е.О. Патона и СКБ ВНИИМонтажспецстроя (г. Киев), ВНИИСТ, НИКИМТ и НИИМосстрой, НИИсантехники (г. Москва) и другие организации. За период с 1970 по 2001 гг. разработано более 70 конструкций сварочных машин для стыковой сварки. Большинство созданных конструкций выпускалось серийно.

С учетом специфики пластмассовых трубопроводов в технологии их строительства оказалось возможным использовать бестраншейные технологии прокладки таких трубопроводов, позволяющие: сократить на 90–95 % объем земляных работ; увеличивать скорость укладки трубопроводов и уменьшить сроки строительства; избежать необходимости проведения рекультивационных работ; совместить разработку грунта и укладку пластмассового трубопровода.

На рисунке 5 приведена классификация различных способов технологии строительства пластмассовых трубопроводов.

Бестраншейные методы были опробованы в нашей стране в 1980-х гг. Первые участки трубопроводов были уложены по бестраншейной технологии в период 1985–1990гг. В последующие годы наметился некоторый спад по использованию этих технологий, который был преодолен к 1999–2000 гг.