УДК 622.692.4.073.5
© Р.М. Гареев, Ф.И. Даутов, Р.М. Шаммасов, 2010
Разработка и испытания новой конструкции электроизолирующих соединений для нефтепромысловых трубопроводов
Р.М. Гареев (ОАО «Татнефть»), Ф.И. Даутов, к.т.н., Р.М. Шаммасов (ТатНИПИнефть)
Design and testing of new electrical insulating joints for oilfield pipelines
R.M. Gareev (Tatneft OAO), F.I. Dautov, R.M. Shammasov (TatNIPIneft)
This paper discusses advantages and disadvantages of electrical insulating joints which have been most extensively used for oilfield pipeline construction. New insulating joints developed in TATNEFT present high mechanical strengths and leak-proof properties and guarantee reliable electric insulation at operating pressures of up to 21 MPa. The results of their testing at TATNEFT facilities are discussed. The paper offers a technological solution to reduce accelerated interior corrosion of a joint at pipeline section with less negative electrode potential of outer surface.
Ключевые слова: коррозия, электрохимическая защита, нефтепромысловые трубопроводы, электроизолирующие соединения, анодная зона, механическая прочность, герметичность. Адрес для связи: ttzk@tatnipi.ru
Одним из способов повышения эффективности электрохимической защиты (ЭХЗ) подземных трубопроводов от коррозии является применение электроизолирующих соединений (ЭИС) [1], которые обеспечивают:
- уменьшение рассеивания защитного тока ЭХЗ трубопровода по соединенным с ним подземным сооружениям;
- ограничение негативного влияния блуждающих токов, источниками которых являются электрифицированный железнодорожный транспорт и установки катодной защиты подземных сооружений;
- устранение возможности искрообразования при вводе трубопровода, находящегося в электромагнитном или электрическом поле, во взрывоопасные помещения.
Традиционно в качестве ЭИС применяются фланцевые соединения, имеющие диэлектрические прокладки между фланцами, а также между фланцами и крепежными деталями [2]. Такие соединения характеризуются достаточной надежностью как по механическим (прочности и герметичности), так и по электроизолирующим свойствам. Однако фланцевые соединения обладают ограничениями по месту монтажа на трубопроводе и требуют постоянного контроля затяжки резьбовых элементов. Кроме того, они характеризуются низкой надежностью при использовании на разводящих трубопроводах системы поддержания пластового давления (ППД) с рабочим давлением более 15-20 МПа. В ОАО «Татнефть» такие ЭИС, серийное производство которых организовано на Бугульминском механическом заводе, нашли широкое применение в основном на трубопроводах системы нефтесбора с рабочим давлением не более 4 МПа.
В настоящее время предложено несколько конструкций ЭИС неразъемного типа, устанавливаемых в любом месте тру-
бопровода и не требующих обслуживания в процессе эксплуатации.
С 2000 г. в ОАО «Татнефть» при строительстве нефтепромысловых трубопроводов начали применять трубопроводные изолирующие соединения (ТИС), представляющие собой два металлических патрубка, соединяемых внутренней стеклопласти-ковой втулкой [3]. Соединение осуществляется при помощи резьбы с герметизирующим клеем (рис. 1). Опыт эксплуатации таких соединений показал, что при удовлетворительных электроизолирующих свойствах ТИС имеют низкую механическую прочность, поэтому их рекомендуется применять совместно с опорами или компенсаторами, снижающими механическую нагрузку в осевом направлении, что повышает стоимость строительных работ.
Рис. 1. Конструкция трубопроводного изолирующего соединения:
1 - патрубок; 2 - стеклопластиковая втулка; 3 - изолятор; 4 - бандаж; 5 - диэлектрическая вставка; 6 -полиэтиленовая оболочка
Интересным техническим решением при изготовлении ЭИС неразъемного типа является использование пластической радиальной деформации составных деталей [4]. Такие соединения под маркой НЭМС также применяются на промыслах ОАО «Татнефть». В конструкции НЭМС соединение изолируемых патрубков, имеющих на концах раструбы, осуществляется
НЕФТЯНОЕ ХО
с помощью наружной муфты, концы которой подвергаются обжатию. В качестве диэлектрической прокладки используется стеклопластик. Герметичность соединения обеспечивается уплотнительными резиновыми элементами. Обладая неплохими механическими и электроизолирующими свойствами, это соединение обеспечивает герметичность при давлении не более 20 МПа, что недостаточно для значительной части водоводов системы ППД.
Общими недостатками перечисленных конструкций являются низкие надежность и эффективность при их установке на трубопроводах, транспортирующих электропроводные жидкости - сточные воды и обводненную нефть. Низкая надежность обусловлена появлением анодной зоны на внутренней поверхности металлических элементов ЭИС со стороны трубопровода или участка трубопровода без ЭХЗ, что усиливает внутреннюю коррозию не только ЭИС, но и соединенного с ним трубопровода.
В ТатНИПИнефти разработана новая конструкция механического неразъемного ЭИС [5] под маркой МЭСТ, в значительной степени лишенная указанных недостатков (рис. 2). МЭСТ состоит из двух патрубков 1 с наружной двухслойной полиэтиленовой изоляцией (с подслоем из клея-расплава) 2, соединяемых наружной муфтой 3. Внутри патрубков установлены подкладные кольца, которые специальным гидравлическим оборудованием раздаются в радиальном направлении, образуя совместный кольцевой перегиб патрубка и муфты. Это обеспечивает механическую прочность соединения в осевом направлении, а полимерная изоляция патрубков - электроизолирующие свойства и герметичность МЭСТ. Внутренняя поверхность МЭСТ футерована полиэтиленовой оболочкой, концы которой защемлены наконечниками аналогично металлопластмассо-вым трубам [6]. Эксплуатация опытной партии МЭСТ показала достаточную герметичность и удовлетворительную защищенность конструкции от коррозии со стороны незащищенных средствами ЭХЗ участков трубопровода. Однако длительная механическая прочность обеспечивается при рабочем давлении до 12 МПа, поэтому данное ЭИС нашло широкое применение только в трубопроводной системе нефтесбора.
Для повышения прочности МЭСТ относительно осевых нагрузок были проанализированы силы, действующие в кольцевых перегибах патрубков и муфты. При приложении к конструкции осевой нагрузки перегибы патрубков действуют на
1 2 3 4 5 6 7 8 Д Л < ' | Л I - 1 Д Г 1 ... . . Л —' ■ ь-Н К Л-Л........ь--1—1.
II Г «и
Рис. 2. Конструкция неразъемного электроизолирующего соединения МЭСТ:
1 - патрубок; 2 - наружная двухслойная полиэтиленовая изоляция трубы; 3 -наружная муфта; 4 - подкладное кольцо; 5 - диэлектрическая вставка; 6 - полиэтиленовая оболочка; 7 - защемляющий наконечник; 8 - алюминиевый протектор
муфту, как клины, раздавая ее в радиальном направлении, что смещает патрубки и муфту относительно друг друга. Проблема решается увеличением углов перегиба. Эффективного увеличения этих углов повышением степени совместной деформации патрубков и муфты достичь не удалось из-за ограничения пластических свойств металла патрубков и муфты и повышения усилий холодной деформации. Задачу удалось решить за счет дополнительной пластической деформации обжатия концевых участков муфты (рис. 3). При этом одновременно происходит увеличение степени зацепления по металлу (перехлеста 5) между внутренней поверхностью муфты в зонах обжатия и наружной поверхностью патрубков в зонах раздачи, что также снижает вероятность выхода патрубков из зоны соединения. Важно отметить, что заданный перехлест 5 достигнут путем комбинированной радиальной деформации патрубков и муфты при относительно низкой степени их деформации, поскольку деформации раздачи и обжатия, имеющие противоположные знаки, пространственно разнесены. Это способствует лучшему сохранению механических свойств металла патрубков и муфты.
Рис. 3. Конструкция электроизолирующего соединения МЭСТ усиленной конструкции:
1 - патрубок; 2 - наружная изоляция патрубков; 3 - наружная муфта; 4 - подкладное кольцо; 5 - диэлектрическая вставка; 6 - полиэтиленовая оболочка; 7 - стеклопластиковое кольцо; 8 - защемляющий наконечник; 9 - протектор
При увеличении углов перегиба а возрастает напряжение сжатия полимерной изоляции в зонах перегиба, что при длительной нагрузке может привести к проявлению ползучести полимера. При этом полимер вытесняется из зоны сжатия в соседние, менее нагруженные участки. В итоге может возникнуть электрический контакт между патрубками и муфтой. Для устранения данного явления в зонах максимального перегиба полиэтиленовое покрытие патрубков было заменено диэлектрическим материалом с низкой ползучестью - разрезными стеклопластиковыми кольцами 7 (см. рис. 3). Опытные образцы МЭСТ усиленной конструкции подвергались стендовым гидравлическим испытаниям при давлении 27 МПа в течение 7 сут. Нарушения герметичности и механического разрушения образцов не наблюдалось. В настоящее время на промыслах ОАО «Татнефть» смонтировано и эксплуатируется более 2 тыс. ЭИС типа МЭСТ (рис. 4).
Таким образом, в ОАО «Татнефть» разработаны и испытаны новые конструкции электроизолирующих соединений для нефтепромысловых трубопроводов систем нефтесбора с рабочим давлением до 4 МПа и систем ППД с рабочим давлением до 21 МПа. Эти конструкции имеют достаточные для своих областей применения электроизолирующие свойства, механи-
Рис. 4. Монтаж МЭСТ на высоконапорном водоводе (до наружной изоляции муфты и участков сварного соединения с водоводом)
ческую прочность и герметичность. На их использование получено разрешение Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору. Серийное производство ЭИС типа МЭСТ освоено в ООО «УК «ТатнефтьТрубопро-водСервис» (г. Альметьевск).
Список литературы
1. Бэкман В., Швенк В. Катодная защита от коррозии: Справочное изд. Пер. с нем. под ред. И.В. Стрижевского. - М.: Металлургия, 1984. - 496 с.
2. ГОСТ 25660-83. Фланцы изолирующие для подводных трубопроводов. Конструкция и размеры.
3. Герцберг М.Б., Кадров А.В. Трубопроводные изолирующие соединения для магистральных подземных трубопроводов и коммунальных городских сетей//Терр
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.