НЕФТЕПРОМЫСЛОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
УДК 622.692.4.073.5
© Коллектив авторов, 2013
Механическая прочность электроизолирующих соединений трубопроводов
Ф.И. Даутов, к.т.н., Р.М. Шаммасов, С.Ю. Князев
(ТатНИПИнефть), Р.А. Нугайбеков, О.Ю. Будник
(УК ООО «ТМС групп»)
Адрес для связи: ttzk@tatnipi.ru
Ключевые слова: электрохимическая защита, электроизолирующие соединения, эксплуатационная надежность, механическая прочность в осевом направлении, радиальная пластическая деформация, нефтепромысловые трубопроводы и оборудование.
Mechanical strength of electrically insulated pipeline connection obtained by means of radial plastic deformation of structural components
FI. Dautov, R.M. Shammasov, S.Yu.Knyazev (TatNIPIneft, RF, Bugulma),
R.A. Nugaibekov, O.Yu. Budnik
(UK OOO TMS Group, RF, Almetyevsk)
E-mail: ttzk@tatnipi.ru
Key words: electrochemical protection, electrically insulating connections, operating reliability, mechanical strength in the axial direction, allowable values of radial plastic deformation, oilfield pipelines and equipment.
This article discusses commercial applications of electrically insulated connections for electrochemical protection of oilfield equipment used in OAO TATNEFT. A procedure is proposed for calculating the mechanical strength in the axial direction for electrically insulated connections obtained through radial plastic deformation of their structural components. Technological solutions are presented to increase axial mechanical strength while maintaining allowable radial deformation extent specified in the design of electrically insulated pipeline connections. Case histories of the technology applications on oilfield pipelines of OAO TATNEFT are provided.
В настоящее время для повышения эффективности электрохимической защиты (ЭХЗ) трубопроводов широко применяются электроизолирующие соединения (ЭИС), позволяющие уменьшить рассеивание защитного тока ЭХЗ, ограничить вредное влияние блуждающих токов на подземные сооружения, устранить возможность искрообразования при вводе трубопровода во взрывоопасные помещения. В ОАО «Татнефть» используется более 25 тыс. ЭИС различных конструкций и заводов-изготовителей. Причинами выхода из строя ЭИС нефтепромысловых трубопроводов являются внутренняя коррозия (54 %), механическое разрушение, или разрыв (22 %), потеря герметичности (15 %), заводской брак (9 %). Опыт показывает, что к основным параметрам эксплуатационной надежности ЭИС относятся коррозионная стойкость, механическая прочность и герметичность.
Многие компании, использующие систему ЭХЗ трубопроводов, уделяют особое внимание надежности применяемых ЭИС. Например, в ОАО «Газпром» разработаны специальные требования к ЭИС для газопроводов по рабочему давлению, допустимым механическим нагрузкам, наружному диаметру, толщине стенки и др. [1].
Конструкции применяемых ЭИС можно разделить на два типа: разъемные и неразъемные. Разъемными конструкциями являются фланцевые или резьбовые соединения. К их недостаткам относятся ограничение по месту монтажа, необходимость обслуживания в процессе эксплуатации (подтяжка резьбовых элементов, замена прокладок и др.), сложность обеспечения герметичности соединения при использовании на нефтепромысловых трубопроводах с рабочим давлением 10 МПа и выше. Неразъемные конструкции ЭИС более пред-
почтительны, так как не имеют перечисленных недостатков. Известна неразъемная конструкция ЭИС, в которой электрически изолируемые патрубки соединяются муфтой методом радиальной пластической деформации [2]. Необходимым условием надежности такого соединения является обеспечение достаточной прочности при эксплуатации.
Проанализируем механическую прочность соединения (рис. 1). Толщину стенки б патрубка 3 соединения принимаем равной толщине стенки трубопровода, на котором оно долж-
al 2 3 4 5 6 7
Рис. 1. Конструкция и схема гидравлического испытания ЭИС с радиальной деформацией зоны соединения муфты и патрубков, полученной методом совместной раздачи (а), и радиально деформированный участок (б)
но эксплуатироваться. Толщина стенки трубопровода для обеспечения работы при заданном внутреннем рабочем давлении рассчитывается по формуле [3]
6 = ^,
2а Т
(1)
ется следующей формулой (с учетом приведенной на рис. 1 конструкции ЭИС):
^ = 0,25-ш-я-* м-6-ав •( Б *и/ Би +1) х
х[(Б *м /Бм -1)(1 + т • С1§а) + Ц6/ Бм • в1па] х
х(1 ^Б *м /Бм )(3 - 2cos а),
(4)
где к - коэффициент запаса прочности, принимаемый для нефтепромысловых трубопроводов в зависимости от условий эксплуатации с учетом коррозионного износа; р - рабочее давление трубопровода; Dп - диаметр трубопровода (патрубка соединения); ат - предел текучести материала стенки трубопровода (патрубка соединения).
При выборе толщины соединительной муфты 4, равной толщине патрубка 3, очевидно, что ЭИС в радиальном направлении по длине муфты будет иметь завышенный запас прочности вследствие увеличения в 2 раза толщины стенки конструкции. Необходимая прочность соединения в осевом направлении обеспечивается за счет контактного давления при остаточной деформации радиально деформированных участков А патрубка 3 и муфты 4 (см. рис. 1).
Максимальная осевая нагрузка на ЭИС, создаваемая внутренним рабочим давлением р трубопровода, достигается при его статическом режиме. Поэтому ЭИС целесообразно подвергать гидравлическим испытаниям без осевого подпора. Давление испытания рассчитывается по формуле
Рисп= р'кь
(2)
где к1 - коэффициент запаса прочности, который должен учитывать запас прочности для осевой нагрузки, создаваемой как рабочим давлением трубопровода, так и внешними нагрузками (перемещение грунта, температурные расширения и др.).
Осевая нагрузка на ЭИС (см. рис. 1) при гидравлических испытаниях без осевого подпора рассчитывается по формуле
^ =
1 ос
п( Бп
-26)2 Ри
(3)
Для оценки механической прочности ЭИС в осевом направлении необходимо рассчитать нагрузки, которые способно выдержать соединение. Разрушение ЭИС под действием осевой нагрузки (см. рис. 1) происходит за счет пластической деформации внешнего конца муфты 4 расширенным участком патрубка 3 . С учетом наличия жидкости в полости соединения под давлением испытания и ее незначительной сжимаемости возможными деформациями патрубка в процессе осевого разрушения можно пренебречь. Тогда процесс разрушения ЭИС становится подобным процессу раздачи цилиндрической заготовки конической оправкой. Цилиндрической заготовкой в данном случае является муфта, роль конической оправки выполняет расширенная часть патрубка. Существует несколько математических моделей по определению усилия раздачи Рраз цилиндрических заготовок, основанных на совместном решении уравнений равновесия и пластичности при плоско-напряженном состоянии материала. Математическая модель Ю.А. Аверкиева [4] показала наибольшую согласованность результатов расчетов с практическими данными и выража-
где ш - коэффициент, равный 1,1-1,2; т - коэффициент трения покоя электроизолирующей прокладки; ав - предел прочности материала муфты; б - толщина стенки муфты; D*м, Dм - наружный диаметр соответственно деформированной части муфты и муфты вне зоны деформации; а - угол деформации патрубка и муфты.
Наружный диаметр муфты вне зоны деформации и деформированной части муфты рассчитывается соответственно по формулам
Dм = Dп+ 2(е+б), D*м = D*п+ 2(е+б),
(5)
(6)
где D*п - наружный диаметр деформированной части патрубка; е - толщина электроизолирующей прокладки.
Усилие раздачи Рраз в рассматриваемом случае можно принять за осевую нагрузку, при которой разрушится конструкция ЭИС. Тогда условие прочности ЭИС в осевом направлении выразим следующим уравнением:
^раз = к2^оI
(7)
где к2 - коэффициент запаса прочности ЭИС в осевом направлении.
Согласно формуле (4) разрушающая нагрузка зависит от материала муфты, толщины ее стенки б, угла деформации а, коэффициента трения между электроизолирующей прокладкой и материалом муфты т, соотношения D*м/Dм (коэффициента раздачи). Угол деформации а известных конструкций составляет не более 6°, так как его увеличение усложняет сборку соединения. В качестве электроизолирующей прокладки чаще применяют стеклопластик. Коэффициент трения покоя стеклопластика по стали т = 0,4. Материал муфты и патрубков должен обладать достаточными пластическими свойствами для обеспечения сборки соединения без разрушения. С другой стороны, он должен иметь высокий предел прочности, а также приемлемую стоимость. Этим требованиям отвечает сталь 20, широко используемая в нефтепромысловых трубопроводах.
В таблице приведены осевые нагрузки и ^раз, рассчитанные по формулам соответственно (3) и (4) при допустимой радиальной деформации патрубков и муфты, равной 6 %, для трубопроводов системы промыслового нефтесбора с рабочим давлением р = 4 МПа и системы поддержания пластового давления с р = 21 МПа. Коэффициент запаса прочности к1 для расчета давления испытания по формуле (2) принят равным 1,25 [5]. Толщина патрубков и муфты б рассчитана по формуле (1) при усредненном коэффициенте запаса прочности к = 4,8 для р = 4 МПа и 1,9 для р = 21 МПа. На рис. 2 приведены зависимости расчетных осевых нагрузок от наружного диаметра патрубков ЭИС для трубопроводов с разным рабочим давлением.
4
Наружный Рос, Рраз, кН, при деформации
диаметр х толщина патрубка (муфты) ЭИС, мм при гидравлических испытаниях, кН раздачей 6 % раздачей 6 % и обжимом по 6 %
Рисп = 5 МПа
89 х 3,5 26,4 29,2 -
114 х 4,5 43,3 67,8 -
159 х 6,3 84,1 171,3 -
219 х 8,7 159,5 377,4 -
273 х 10,8 248,1 625,7 -
рисп = 26,3 МПа
89 х 7 115,9 68,6 245,6
114 х 9 189,9 152,3 443,0
159 х 12,5 370,1 371,8 932,5
Рис. 2. Зависимость осевой нагрузки на ЭИС с рабочим давлением 4 (а) и 21 (б) МПа:
а: 1, 2 - осевая нагрузка, соответственно вызывающая разрушение ЭИС Рраз и воспринимаемая ЭИС при воздействии давления испытания Fос; б: 1 - осевая нагрузка, вызывающая разрушение ЭИС при деформации патрубка и муфты раздачей 6 % и обжимом 6 %; 2 - то же, что на рис. 2, а; 3 - осевая нагрузка, вызывающая разрушение ЭИС при деформации патрубка и муфты раздачей 6 %
Результа
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.