Морская нефть. Трубопроводный транспорт и переработка продукции сква

тепловым колебаниям. Эти колебания обусловливают возможность проник­ новения молекул газа сквозь молекулярную решетку полимера.

При транспортировке газов или газосодержащих жидкостей по по­ лимерной трубе молекулы газа проникают сквозь ее стенки в результате процессов абсорбции, растворения и диффузии. В последствии газы могут накапливаться в промежутках стальной оплетки или между внутренними и внешними полимерными слоями стенки. Объем накапливающихся газов со временем постепенно увеличивается по мере возрастания эксплуатаци­ онного давления в гибком трубопроводе.

Миграция газов сквозь полимерные слои стенки является чисто эксплуа­ тационной проблемой, однако приобретает особое значение, если рассмот­ реть реакцию накопившихся в стенках газов на резкое снижение рабочего давления в трубопроводе. При снижении давления скопившиеся в стенках газы увеличиваются в объеме, оказывая значительное силовое воздействие на внутренние полимерные оболочки. Если это давление превышает проч­ ность полимеров на срез, то возможно развитие остаточных деформаций, а то и разрушение оболочек. Это явление известно под названием разрушаю­ щей декомпрессии.

Вбольшинстве конструкций гибких труб для предотвращения развития деформаций используется внутренний каркас из нержавеющей стали или стальной гофрированный шланг. Чтобы гибкие трубы могли самостоятельно реагировать на поведение растворенных в транспортируемом флюиде газов, разработаны специальные конструкционные решения.

Всоставе стенки трубы предусмотрены внешние особо тонкие поли­ мерные оболочки, которые при повышении давления в промежутках арми­ рующих слоев периодически разрываются так, чтобы внутреннее давление

взоне падало.

Промежуточные полости между слоями стенки соединяют между собой таким образом, чтобы по ним вдоль оси трубопровода могли перетекать на­ копившиеся газы. На своем пути по полостям газы проходят также через раз­ рывные (предохранительные) диафрагмы, располагаемые на концах труб.

В конструкции стенки предусматривают также специальные полимерные слои, образующие единую связанную структуру и способные аккумулиро­ вать в себе газы без постоянных деформаций. Подобные слои предоставляют расширяющимся газам возможность диффундировать наружу сквозь более проницаемые внешние покрывающие оболочки.

Разработана также конструкция полностью газонепроницаемой гибкой трубы (рис. 71), в которой в качестве основного канала транспортировки флюида используется внутренний бесконечный стальной гофрированный шланг.

должительных испытаний на осевое растяжение), чем для голых стальных жил. Подобное повышение данной прочностной характеристики имеет осо­ бо важное значение для труб, предполагаемых к применению в качестве гиб­ ких эксплуатационных колонн, которые работают в подвешенном состоянии и подвергаются комбинированному нагружению от внутреннего рабочего давления, сил натяжения и изгибных усилий. Как известно, именно стальная арматура гибких труб и воспринимает указанные нагрузки.

Применение других конструкционных материалов, таких как эпоксид­ ные смолы, графит и стекловолокно, в стенке составной конструкции также обусловливает достижение значительных технических преимуществ за счет возможностей комбинирования высокой прочности волокон с хорошими свойствами материалов по устойчивости к коррозии или химической моле­ кулярной деградации. Однако составные конструкции бывает очень трудно

оценить применительно к их прочностным характеристикам и изменениям механических свойств из-за явлений старения и саморазрушения материалов во времени. Определенные свойства материалов из составной конструкции способны вызвать некоторую вариантность качества изделия и затруднить точное понимание того, какое из них является определяющим на каждом отдельном этапе службы изделия.

Кроме того, распределение напряжений в отдельных слоях составной конструкции не всегда имеет линейный характер и поддается оценке. Для эпоксидных смол, графитов и стекловолокна характерна скорее сложная, чем простая работа при статическом нагружении конструкции. Ее составные элементы работают анизотропно: силы не действуют в одном направлении, сама конструкция не является однородной и, таким образом, механизмы разрушения могут быть комбинированными.

Чтобы лучше представить себе, каким образом можно проинспектиро­ вать или оценить состояние гибкого трубопровода, прежде всего необходимо сравнить между собой основные свойства и характеристики гибких и сталь­ ных труб. Некоторые из них перечислены ниже.

трубы)______________________________ диус изгиба 8... 10 диаметров трубы)

Из перечисленного выше видно: между жесткими (стальными) и гибки­ ми трубами существуют значительные различия. Под сложностью характера статической работы конструкции гибких труб подразумевается следующее:

•затрудненность расчетов изгибающих моментов и напряжений;

•нелинейность характера работы некоторых материалов в составе много­ слойной стенки;

•различия в значениях модулей упругости разных элементов стенки, объ­ яснения чему должны быть найдены аналитическим путем;

•аксиальная (осевая) симметричность распределения напряжений вокруг продольной оси трубы.

Дефекты и механизмы разрушения гибких труб. Для понимания кон­ струкции гибкой трубы необходимо иметь возможность увязать сложный характер ее работы с наличием определенных дефектов. Обязательные цели инспекционной программы должны включать следующее:

•выявление и документальная регистрация дефектов, способных значи­ тельно снизить эксплуатационные характеристики трубы;

•определение объектов, периодичности и методов инспектирования;

•создание долговременной базы данных и организация системы обмена информацией;

•определение степени опасности дефектов и необходимости их исправ­ ления.

Ограничения по инспектированию гибких труб, а также возможности использования трубопроводных поршней

Для определения значимости того или иного дефекта важны создание базы данных по трубным дефектам и понимание того, каким образом они способствуют развитию механизмов разрушения [26].

Определяющее влияние на конструкционную целостность имеют два конкретных механизма разрушения - износ и усталостное разрушение.

Износ представляет особую опасность для динамических подвесных колонн из гибких труб, деформации которых на отдельных участках мо­ гут достигать минимально допустимого радиуса изгиба и которые могут

подвергаться значительным разрушающим нагрузкам, особенно в нижних точках провеса и над стальными арками как в процессе установки, так и во время эксплуатации.

Опасность развития износа возрастает с увеличением перемещений си­ стемы, глубины моря, испытываемых нагрузок и общих изменений конфи­ гурации эксплуатационной колонны.

Усталостное разрушение, или прогрессирующее ослабление полимерных или стальных элементов в результате повторяющихся циклов нагружения, как выяснилось, трудно поддается количественной оценке. Для выявления зависимости уровня напряжений в отдельных составных элементах много­ слойной стенки трубы потребовалось проведение длительных динамических испытаний этих элементов и стенки в целом, которые имитировали как тех­ нические, так и природные условия эксплуатации. Трубы подверши более чем 20 миллионам циклов нагружения на динамический изгиб и растяжение при имитации условий морского шторма повторяемостью один раз в 100 лет. В процессе испытаний падения давления или утечек в трубах не наблюда­ лось. Более точное понимание долговечности труб по критерию усталостной прочности возможно путем дальнейшего выявления зависимостей «напря­ жения - число циклов нагружения» как для отдельных конструкционных элементов, так и для стенки в целом, а также совершенствования ймитационного моделирования. К прочим механизмам разрушения гибких труб можно обобщенно отнести следующие:

•расцепление (расслоение) элементов составной стенки;

•внутренний износ или фетгинг-коррозия;

•коррозия стальных элементов;

•усталостное разрушение отдельных элементов или конструкции в це­ лом.

Инспектирование гибких труб затруднено из-за особенностей их кон­ струкции и сложного характера работы. Наличие дефектов в гибких тру­ бах можно скомпенсировать путем введения специальных коэффициентов безопасности при расчете конструкции и использования дополнительных упрочняющих элементов. Следует отметить, что составным конструкциям присущ высокий уровень взаимной дублированности элементов, в результа­ те чего наиболее вероятным характером разрушения является постепенное развитие утечек, но не внезапный разрыв. Эта особенность должна считать­ ся обнадеживающей для компаний, применяющих гибкие трубы, в первую очередь для транспортировки сырой нефти или газа.

При инспектировании гибких труб можно ориентироваться на дефекты двух видов. К дефектам, способным вызывать утечки, относятся:

•сквозные отверстия в стенках трубы;

•повышенная диффузия газа сквозь стенку трубы;

•разьединение собственно трубы с ее торцевым фитингом.

Кдефектам, способным вызывать изменения поперечного сечения тру­ бы, относятся:

•овальность стенок;

•разрушение армирующего каркаса или внутренней трубки;

•эрозионное разрушение или отложение осадков;

•ползучесть внутреннего каркаса или радиальной арматуры.

Разработка инспекционной программы. Для разработки надежной и экономичной программы инспектирования гибких труб использующим их эксплуатационным компаниям необходимо изучить соответствующие тех­ нические нормы, собственные и законодательные требования, после чего совместно с изготовителями труб сформулировать конкретные требования применительно к рассматриваемому случаю. Одна из возможных инспек­ ционных программ, предложенная компанией «Pag-0-Flex», реализована в Норвегии. Для ее разработки потребовалась следующая исходная инфор­ мация от конкретных изготовителей гибких труб:

•механизмы и последствия разрушения;

•конструкция труб;

•различия между трубами;

•технические нормы и коэффициенты безопасности;

•расчетные нагрузки.

Для разработки инспекционной программы также необходимо следую­

щее:

•определить метод и приоритетные объекты инспектирования;

•разработать средства классификации дефектов и интерпретации полу­ чаемых результатов инспектирования;

•обеспечить легкий доступ к соответствующим объектам, подлежащим инспектированию;

•разработать и обеспечить поставку инспекционного оборудования, спо­ собного различать отраженные звуковые сигналы, получаемые от раз­ личных слоев стенки гибкой трубы.

Всвязи с особенностью составных конструкций (многослойность) вы­ полнение последнего из перечисленных требований для гибких труб мо­ жет быть сложнее, чем для остальных. При применении ультразвуковой дефектоскопии для контроля целостности трубы следует помнить, что для составных материалов характерна анизотропность. Различение слоев труб между собой так же сложно, как и различение конструкционно-качествен­ ных и дефектных материалов. Скорости распространения звуковой волны меняются от одного слоя составной стенки трубы к другому, в силу чего

для отраженных сигналов характерна сильная зашумленность в результате эффектов наложения и эха.

Инспектирование на предмет коррозионного разрушения также может быть затруднено, поскольку большинство существующих приборов нераз­ рушающего контроля рассчитано на выявление общей коррозии, но не ло­ кальных коррозионных процессов. Наиболее характерным коррозионным процессом для гибких труб является местная щелевая коррозия. Из-за шеро­ ховатости внутреннего канала трубы и геометрической изменчивости сталь­ ного каркаса или внутренней трубки возможно развитие турбулентности течения, способствующей щелевой коррозии. Высокое содержание хлоридов в поступающих из скважин флюидах, а также повышенные внутрипластовые температуры (до 130°С) требуют тщательного подбора конструкционных сталей и контроля за состоянием поверхности стального каркаса гибких труб.

Применение поршней. Использование поршней в различных целях на гибких трубопроводах в основном ограничивается трубопроводами, склон­ ными к гидратообразованию и отложению парафинов. Поршни могут спо­ собствовать поддержанию необходимого уровня надежности трубопровод­ ной системы путем обеспечения следующих мероприятий:

•снижения перепада давления;

•повышения пропускной способности;

•предупреждения песчаных и жидкостных пробок, парафинизации и гид-

ратообразования.

Применение порошей для выполнения очистных операций и нанесения ингибиторов коррозии также способно оказать решающее влияние на повы­ шение коррозионной защищенности гибкого трубопровода. Частота запуска поршней и их тип будут зависеть от технической политики эксплуатирую­ щей компании, степени и скорости загрязнения внутренней поверхности трубы осадочными образованиями, а также от критических параметров и технологических ограничений.

Возможно, что наиболее широкое применение поршней на гибких тру­ бопроводах будет связано с проведением выходного заводского контроля труб на транспортных барабанах или выполнением их гидростатического испытания. В настоящее время поршни в основном используются в нелитых трубах для заполнения последних водой и осушки после испытаний, а также для выявления препятствий в проходном сечении трубы.

У нелитых труб внутреннюю полимерную трубку или стальной каркас изготавливают без использования неподвижной оправки, как это делается при производстве литых труб некоторых типов. Поэтому у последних воз­ можны некоторые вариации в значении внутреннего диаметра по длине тру-

бы. Кроме того, в процессе опрессовки гибкого трубопровода и последую­ щего снижения в нем давления возможно проникновение воздуха в полости составной стенки трубы, что исключает гарантию удаления всех воздушных пробок. Поршни используют для повышения эффективности операций по вытеснению воздуха из трубопровода или, после завершения гидростати­ ческого испытания, по удалению воды.

При выборе типа поршня важно помнить об определенных особенностях гибких труб, связанных с их конструкцией. Прежде всего, в трубопровод­ ной системе, состоящей из последовательных участков стальных и гибких труб, диаметр проходного сечения не будет постоянен. Внутренний диаметр выпускаемых гибких труб, как правило, исчисляется четными значениями (в дюймах) - 2", 4”, 6” и т. д., и допуски на эти значения намного строже, чем для стальных труб, - в основном, 2 ...3% и менее. Это означает, что пере­ ходник между стальной и гибкой трубами может оказаться препятствием для запускаемого поршня. Так же, поскольку номинальный внутренний диаметр смежной стальной трубы будет на 5... 10% меньше, чем поперечное сече­ ние гибкой трубы, существует вероятность недостаточного прилегания стан­ дартного поршня к трубным стенкам. Во избежание перетока флюида вдоль поротая рекомендуется использовать поршни со сдвоенными чашками.

Внутренний каркас гибкой трубы изготавливают из нержавеющей, аусте­ нитной (6 % Мо, 21 % Сг) или дуплексной сталей. При планировании запуска очистных поршней с проволочными щетками или калибровочных порошей со стальными тарелками необходимо позаботиться о совместимости мате­ риалов во избежание повреждений и загрязнения каркаса из нержавеющей стали или очистных щеток.

При выборе чашек, скребков или калибровочных тарелок для установки на поршнях необходимо помнить о том, что толщина каркаса составляет все­ го несколько миллиметров. По своему профилю стенка каркаса напоминает выпуклую волну с промежутками между соседними гребнями. Это означает возможность торможения и даже застревания внутри трубы неправильно выбранного поршня с удлиненными скребками.

Гибкие трубы как по определению, так и по характеру работы представ­ ляют собой гибкую цепную линию - они не имеют жесткости на участках изгиба и склонны к изменению радиуса кривизны. Для динамических под­ весных эксплуатационных колонн не следует планировать использование поршней при радиусах менее пяти диаметров трубы, поскольку минималь­ ный радиус изгиба, как правило, составляет от восьми до десяти внутренних диаметров трубы. Если необходимо обеспечение малых радиусов изгиба, то безопасность регулирования кривизны может достигаться благодаря при­ менению стальных арок или ограничителей изгиба.

искажения наведенного магнитного поля увязываются с поврежденными

участками (участками потерь металла).

Вснарядах-дефектоскопах может также использоваться принцип ультра­ звуковой дефектоскопии. Контактные излучатели такого дефектоскопа ис­ пускают короткие ультразвуковые импульсы, по времени распространения которых в трубной стенке определяется толщина последней. Использование снарядов-дефектоскопов на гибких трубопроводах осложняется следующи­ ми факторами:

•относительно малым проходным сечением гибких труб;

•тонкостенностью стального каркаса (толщина от 0,5 до 4,0 мм);

•рассеянием ультразвуковых сигналов в многослойной конструкции стенки трубы.

Вцелом, подбор поршней должен выполняться очень тщательно с учетом особенностей конструкции гибких труб и реальных возможностей пропуска поршней по трубопроводу без опасности застревания или нанесения по­ вреждений.

Перед началом разработки программы по инспектированию гибких труб очень важно понять технические аспекты задачи. Инспектирование гибких труб возможно, это подтверждается техническими публикациями. Уже опро­ бовано несколько специально доработанных методов инспектирования.

Втаблице перечислены наиболее возможные дефекты гибких труб и указана их выявляемость неразрушающими методами контроля. В ней сведены результаты двух исследований, выполненных для норвежских неф­ тяных компаний и охвативших более 60 фирм, которые специализируются на дефектоскопии неразрушающими методами.

Перечисленные методы выявления дефектов считаются надежными по нескольким причинам, а именно:

•имеющийся в отрасли опыт использования;

•производственный опыт фирм-изготовителей;

•некоторый успех при инспектировании аналогичных составных кон­ струкций.

Для появления на рынке оборудования, пригодного для инспектирования

гибких труб, необходимо усовершенствование шумоподавляющих фильтров, усилителей обратного рассеивания и видеотехники. Требуется более тесное сотрудничество между изготовителями труб и поставщиками оборудования с целью разработки приборной системы, способной распознавать и класси­ фицировать дефекты и аналогичной тем, что созданы для инспектирования жестких труб.