Металло-стеклопластиковые муфты для ремонта трубопроводов - преимущества и перспективы применения
Развитие ремонтных технологий привело к созданию конструкций муфт на основе стеклопластиков, исключающих сварочные работы в процессе монтажа муфт. Конструкционная прочность такой муфты может превосходить прочность лучших трубных сталей. Кроме того, стеклопластик обладает рядом других важных свойств: меньшим удельным весом, чем у стали (в четыре раза), высокой стойкостью в условиях подземной прокладки. Эффективность муфты возрастает с увеличением усилий натяжения её на дефектном участке трубопровода. Оптимальное использование резервов прочности стеклопластикового полотна муфты при её монтаже на трубопроводе может быть достигнуто путем включения в силовую цепь муфты узла затяжки, выполненного из прочной стали.
Совместные исследования специалистов ООО "Севергазпром", ЗАО "Новые технологии", института "Севернипигаз" привели к созданию ряда эффективных ремонтных стеклопластиковых муфт типа РСМ, объединяющих достоинства существующих муфт. Новые муфты отличаются повышенной прочностью и сравнительно небольшой массой, что имеет немаловажное значение при монтаже муфт в трассовых условиях, так как позволяет обходиться без тяжёлых подъемных механизмов. К настоящему времени разработаны муфты для труб диаметром 530, 720, 1020, 1220, 1420 мм.
Созданные образцы РСМ объединяют следующие сходные элементы: силовая схема создания усилий натяга на дефектном участке трубопровода, наличие в конструкции стеклопластикового полотна и узла затяжки, выполненного из стальных деталей, а также принцип взаимодействия узла затяжки с концевыми участками полотна, исключающий проявление изгибающих моментов во всех деталях муфты. Различие образцов РСМ заключается в технологии изготовления полотна муфты и в конструктивном исполнении узла затяжки. Эти различия отвечают задачам, которые выполняют муфты и определяются диаметром труб.
Для муфт, устанавливаемых на трубы диаметром DH < 720 мм технология изготовления полотна основана на пропитке тканевой основы из стекломатериалов эпоксидным связующим. Прочность полотна достигает 200 МПа, что вполне достаточно для усиления дефектных участков и обеспечения герметичности сквозных дефектов на газоконденсатопроводах. На трубах диаметром DH < 720 мм используются одноразъемные муфты с одним узлом затяжки (рис.1).
Муфты, устанавливаемые на трубы диаметром DH > 720 мм, изготавливаются по специальной технологии. Полотно муфты образуется путем однонаправленной намотки стеклошнура на шаблон в растянутом состоянии с последующей пропиткой эпоксидным связующим. Прочность полотна превышает при разрыве 800 МПа. Конструкция муфты содержит два разъема и соответственно два узла затяжки. В каждом узле имеется несколько болтов (3 ¸ 4 ед.), снабженных правой и левой резьбой (рис.3). Технология и конструкция двухразъемных муфт защищены двумя патентами на изобретения, описаны в стандарте предприятия ООО "Севергазпром". Кроме того, разработаны технические условия по РСМ для диаметров труб 530 – 1420 мм.
Наиболее широко проведены исследования РСМ, установленных на трубопровод диаметром 1220 мм (РСМ – 1220). В течение 2003 ¸ 2005 г.г. выполнены заводские, полигонные, а также натурные испытания, которые подтвердили большие потенциальные возможности РСМ для ремонта дефектных участков газопроводов (рис.4,5). Высокая прочность полотна муфты позволила создать момент затяжки болтовых соединений на уровне 600 Нм и поднять прочность отремонтированного участка с трещиноподобным дефектом на 40% по предельному давлению и на 68 – 71% в режиме рабочего давления газа (5,4 МПа).
Положительные результаты исследований и опытной апробации муфты
РСМ – 1220 инициировали развертывание работ по созданию муфт для трубопроводов диаметром 530, 1020, 720, 1420 мм.
На конденсатопроводах диаметром 530 мм одной из проблем является ремонт сквозных дефектов с минимальными затратами времени для устранения течи продукта. Для этой цели разработана муфта РСМ – 530, отличающаяся быстротой установки,. которая обеспечивается за счет конструктивных особенностей узла затяжки - муфта имеет один разъем, стягиваемый всего двумя болтами (рис 2).
Проведенные лабораторные исследования и полигонные испытания подтвердили эффективность этой муфты, как герметизирующего устройства при давлениях продукта до 4,0 МПа. Выявленные конструктивные недостатки узла затяжки были усовершенствованы и испытаны в лабораторных условиях. В результате создания момента затяжки на уровне 270 Нм, получено значение контактного давления, равного 2,5 МПа, что позволяет эффективно ремонтировать с помощью этой муфты опасные трещиноподобные дефекты. Наиболее целесообразна установка муфт в комплекте с заделкой дефектов быстротвердеющими компаундами. Конструкция узла затяжки РСМ – 530 защищена патентом на полезную модель.
Для расширения области применения двухразъемных муфт РСМ соднонаправленной намоткой были организованы и проведены стендовые и полигонные испытания труб диаметром 1020 и 1420 мм, рассчитанные на рабочее давление 7,4 МПа. Результаты этих испытаний лягут в основу нового стандарта ОАО "Газпром" по стеклопластиковым муфтам с болтовой затяжкой, создание которого будет завершено в 2007 г. Для стендовых испытаний муфт РСМ – 1020 была подготовлена труба Æ 1020 ´ 14 мм длиной 6 м с искусственными дефектами, перекрытыми двумя муфтами, установленными на специальный упрочняющий компаунд. Испытания проводили в ЦАГИ (г. Жуковский).
Основное отличие этих испытаний от выполненных ранее – циклический режим изменения давления количеством 11,5 тысяч циклов в диапазоне 0 ¸ 7,4 МПа с целью определения ресурса дефектной трубы, усиленной муфтами РСМ. Конструкция выдержала назначенный режим переменной нагрузки, ресурс конструкции в 5 ¸ 6 раз превысил расчетное количество циклов до разрушения трубы. Муфты обеспечили целостность трубной плети с глубокими дефектами и сохранили свои конструктивные параметры.
Параллельно на базе Управления аварийно – восстановительных работ ООО "Севергазпром" в г. Ухте были проведены испытания трубной плети диаметром 1420 ´ 17 мм с двумя муфтами РСМ – 1420, установленными на искусственные дефекты одинаковой длины (205 – 215 мм), глубиной 9 ¸ 12 мм, различной ширины - 3, 10, 20 мм (рис. 6). Каждая муфта перекрывала по три дефекта в верхней части трубы. Режимы нагрузки: ступенчатый подъем давления до 8,5 МПа, циклическое изменение давления в диапазоне 0 ¸ 7,4 МПа (200ц) и разрушающий подъем давления.
Параметры напряженно – деформированного состояния трубы с муфтами определяли на базе данных электрической тензометрии, выполненной специалистами инженерно – технического центра ООО "Севергазпром". Одним из важных показателей эффективности муфт является отношение предельного разрушающего давления в трубе с муфтами к расчетному давлению разрушения трубы без муфт.
В режиме эксплуатационного давления Р=7,4 МПа получен коэффициент снижения кольцевых напряжений в трубе, равный 1,71 по центру ширины муфты. Циклическое нагружение давлением привело к незначительному изменению контрольных значений деформаций трубы и стеклопластика. Сопоставление данных по первому и 201 – ому циклам показало, что значения деформаций металла трубы увеличились на 0,3 %, стеклопластика – на 3,7 %. Моменты затяжки болтов снизились в среднем на 15,7 %, что вызвано скорее всего не остаточными деформациями конструкции, а перераспределением сил сцепления муфт с трубой при циклическом воздействии давления среды.
В процессе разрушающего подъема давления до значения 134 кгс/см2 произошел разрыв стенки трубы под муфтой по самому глубокому дефекту (12,2 мм), причем муфта обеспечила повышение прочности дефектного металла трубы на 43,7%.
Значительное упрочнение трубы получено за счет увеличения диаметра болтов от 24 мм до 27 мм и толщины полотна муфты от 7,2 мм до 12,0 (по сравнению с муфтой РСМ - 1220).
Таким образом, разработанные стеклопластиковые муфты с болтовой затяжкой обеспечивают достаточно высокий уровень защиты трещиноподобных дефектов в режимах эксплуатационной, предельной и циклической нагрузок, поэтому с вводом в действие стандарта ОАО "Газпром" найдут широкое применение для ремонта локальных дефектов газоконденсатопроводов диаметром 530 – 1420 мм.