Применение композиционных материалов при восстановлении работоспособности трубопроводных систем

Мероприятия б) и в) содержатся в отраслевых руководящих материалах. Следует отметить, что мероприятие б) является трудоёмким, связанным с большими трудовыми и материальными затратами. В условиях финансового дефицита, а также неизбежного старения парка действующих трубопроводных систем возникает необходимость поиска новых надёжных и относительно дешёвых способов ремонта магистральных трубопроводов. Для решения этой проблемы специалистами ООО «ВолгаУрал-Спецстрой» была предложена муфта МК-1, предназначенная для ремонта участков газопровода с дефектами основного металла труб, и успешно применяемая в течение ряда лет на объектах нефтяной промышленности.

Муфта представляет собой отрезок трубы, внутренний диаметр которой превышает наружный диаметр ремонтируемого участка трубопровода. Для возможности установки этого отрезка трубы на ремонтируемый участок отрезок режется по образующим на две одинаковые части Эти части после установки на участок трубопровода свариваются, полученная цилиндрическая часть трубы центрируется относительно поверхности ремонтируемого трубопровода, затем производится герметизация полости между участком трубопровода и корпусом муфты со стороны его торцев. В образовавшееся закрытое пространство закачивается компаунд, для полимеризации которого проводится выдержка в течение 24 часов.

С целью определения возможности использования муфт МК-1 на объектах ОАО «Газпром» проводились испытания трубных образцов, имеющих повреждения, как отремонтированных с помощью муфт, так и без муфт. Все трубные образцы имели дефекты в виде смещения кромок или поверхностные несквозные дефекты вдоль образующих участка трубы а также в кольцевом направлении. Характеристики трубных образцов, принципиальная схема испытательных стендов , а также результаты испытаний приведены в статье [2]. Результаты испытаний одного из трубных образцов представлены на рис. 1 в виде графиков распределения главных и эквивалентных напряжений o1, o2, оэ по длине образующей образца. Для вычисления напряжений использовались формулы

^1 =

^ 2

^ э

E

1 - Д2

E

1 — Д2

(^1 + Д^2 )

( f2 + Д^1 )

2 , _2

V ^1 + ^2 — ^1 ^2

где е₁ и е₂ - главные деформации, определяемые на основании показаний тензорезисторов.

Рис. 1. Распределение напряжений по длине образующей трубного образца

После испытаний при действии избыточного давления, равного эксплуатационному, проводились испытания трубных образцов до разрушения. Для рассматриваемого образца максимальное значение внутреннего избыточного давления при разрушении в 1,81 раза превосходило величину рабочего давления. Место разрушения показано на рис. 2. Это место, как и при испытании других образцов, находится на целой части трубопровода, то есть вдали от муфты, предназначенной для восстановления работоспособности части трубопровода с дефектами.

Рис. 2. Место разрушения трубного образца

Результаты испытаний, представленные на рис. 1 и 2, подтверждают высокую эффективность использования жёстких муфт при восстановлении работоспособности повреждённых участков трубопроводов. Следует отметить, что при установке этих муфт применяются сварочные работы. Это является определённым недостатком данного способа восстановления работоспособности участка трубопровода, имеющего повреждение, ибо обусловлено необходимостью остановки эксплуатации трубопровода и подготовки его к проведению сварочных работ. Недостатка можно избежать, если при проведении ремонтно-восстановительных работ использовать композиционные материалы.

Рассмотрим устройство для восстановления работоспособности участка трубопровода в виде эластичной муфты. Устройство выполняется из композиционного материала, состоящего из полиэтилена высокого давления и ткани из углеродного и арамидного волокна. Монтаж такой эластичной муфты производится после нанесения на тканево-полиэтиленовую часть жидкой компоненты. При монтаже к концевым торцам муфты прикладываются силы натяжения, которые создают нормальное давление по всей внешней поверхности участка трубопровода. Интенсивность этого внешнего давления должна равняться величине внутреннему давлению в трубопроводе или его части. Величина равно- действующей тех сил, которые обеспечивают равномерное обжатие участка трубопровода со стороны муфты, равна

П 2                      П 2

N = 2 j A pLds sin а = 2 А pLR j sin ad a = 2 A pLR

Как видно из рис. 3, для обеспечения этой силы к свободным продольным торцам муфты необходимо приложить растягивающие усилия Т , величина которых равна

T = 1 N = A pLR

.

где L - ширина элемента муфты, измеряемая вдоль образующей трубопровода; R - внешний радиус трубопровода.

Рис. 3. Схема образования противодавления: а – сечение трубопровода, нагруженного внутренним давлением p; б – схема сил, действующих на композитную муфту

Эксплуатационные возможности эластичной муфты характеризует величина противодавления Δ р , которое может быть реализовано при приложении растягивающих усилий Т к свободным продольным торцам муфты. Величина растягивающих усилий Т определяется физикомеханическими свойствами углеродной ткани, а также числом слоёв этой ткани, образующих муфту.

Рассмотрим ещё один возможный способ применения композиционных материалов при восстановлении работоспособности участка трубопровода с повреждениями, названный «внешним армированием». Усиление конструкций путём внешнего армирования углеволокном является одним из оптимальных современных средств восстановления и повышения эксплуатационных характеристик конструкций. Материалы из углеволокна обладают высокой прочностью на растяжение (до 4800 МПа), коррозионной стойкостью. При проведении ремонтно-восстановительных работ не требуется сложное оборудование и оснастка. Высокие адгезионные свойства эпоксидного компаунда обеспечивают надёжное соединение углеродного волокна с поверхностью, на которую оно нанесено. После полимеризации компаунда материал участка трубопровода и слой углеродных волокон работают совместно, образовав многослойную конструкцию.

Определим доли нормальной силы, в меридиональном сечении двухслойной конструкции, состоящей из стальной трубы и муфты из углеродных волокон. Пусть Т - суммарное погонное усилие, возникающее в меридиональных сечениях двухслойной конструкции, а Т ₁ и Т 2 - доли усилия Т , возникающие соответственно в слоях углеродного волокна и в стенке трубопровода в меридиональных сечениях. Обозначим модули упругости углеродной ткани и металла Е 1 и Е 2 , а площади сечений слоёв ткани и металлической части участка трубопровода под муфтой через F 1 и F 2 . При этом F 1 = hnL , а F 2 = δL . Здесь L - длина муфты, n - число слоёв углеродной ткани, h - суммарная толщина этих слоёв, 5 - толщина стенки трубопровода. На основании условия совместности деформаций слоёв муфты и стенки трубопровода и уравнения равновесия получим выражение для определения T 1 и T :

1 _T

1 + E^ F^

E 1 F 1

1 +

E 2 F 2

Результаты расчёта по формулам (6) и (7) представлены на графиках (рис. 4). Эти графики показывают, что усилия Т 1 возрастают по мере увеличения отношения F 1 / F 2 .

Рис. 4. Распределение усилий между стенкой трубопровода Т 2 = T² слоями углеродной ткани Т — T1

1 T