Результат интеллектуальной деятельности: МУФТА ДЛЯ РЕМОНТА ТРУБОПРОВОДА И СПОСОБ ЕЕ УСТАНОВКИ

Изобретение относится к трубопроводному транспорту и может быть использовано при ремонте газонефтепродуктопроводов с поверхностными несквозными дефектами стальной стенки преимущественно коррозионного и стресс-коррозионного типа.

Известен хомут для герметизации трещин в трубопроводах, содержащий стальную ленту-накладку, оснащенную изнутри резиновым уплотнителем, взаимодействующим с клинообразньм элементом, расположенном в месте размещения крепежных элементов /1/. Крепежные элементы представляют собой болтовое соединение отогнутых концов стальной ленты. Недостаток устройства /1/ состоит в повышенной деформативности концов ленты, не позволяющей создавать в ней значительные усилия.

Известно такое устройство для устранения течи в трубопроводе /2/, выбранное нами в качестве прототипа. Устройство состоит из гибкой ленты, снабженной эластичной прокладкой и механизмом натяжения, выполненном в виде валика с закрепленным на нем одним из концов гибкой ленты и П-образного корпуса с прижимным эксцентриком, связанным с другим концом гибкой ленты, при этом торцы валика и корпуса снабжены ступицами, на которых установлены поворотные петли, соединенные откидными болтами. Недостатки устройства /2/ состоят в следующем:

- механизм натяжения не позволяет создавать значительные растягивающие напряжения в гибкой ленте, что резко снижает эффект муфты на трубопроводах большого диаметра (D_H=1020÷ 1420 мм);

- конструкция гибкой ленты не обеспечивает надежную герметизацию дефектов вдоль продольных сварных швов трубопроводов, где сосредоточение дефектов носит массовый характер.

Известен способ ремонта /3/ трубопровода, включающий:

- вскрытие трубопровода и снятие изоляционного покрытия на месте дефекта вокруг трубопровода;

- механическая очистка поверхности трубы вокруг дефектного места;

- обезжиривание очищенной поверхности;

- нанесение герметизирующей мастики в полость дефекта для восстановления толщины стенки;

- монтаж композиционной ленты на дефектном месте с заполнением зазоров между витками клеевым составом;

- натяжение ленты с помощью приспособления.

Недостатки способа /3/, принятого в качестве прототипа, состоят в следующем:

- сложность проведения работ в трассовых условиях;

- увеличенный расход клеевого состава;

- недостаточное натяжение ленты, не позволяющее обеспечить необходимое контактное давление на трубопровод по окружности;

- не обеспечивается герметизация дефектов, сосредоточенных в зоне продольных сварных швов трубопровода.

Задачей изобретения в устройстве муфты для ремонта трубопровода является повышение эффективности натяжения гибкой ленты и расширение области применения на трубопроводе с продольными сварными швами.

Поставленная задача в устройстве муфты для ремонта трубопровода, включающей установленную на трубопровод с дефектом, перекрытым эластичной прокладкой, гибкую ленту с разъемом, выполненным в виде петлевого захвата с закладным элементом и снабженным механизмом натяжения, петлевые захваты с закладными элементами выполнены на обоих концах разъема, стянутых винтовыми соединениями типа “гайка - шпилька - гайка”, причем гайки размещены в углублениях закладных элементов без возможности поворота вокруг своей оси и взаимодействующие со шпильками по правой и левой резьбе каждого винтового соединения, а гибкая лента выполнена из ориентированного стеклопластика с полостями в районе петлевых захватов, заполненных пеноматериалом.

Поставленная задача в устройстве муфты для ремонта трубопровода, установленной на трубопровод с продольными сварными швами, также решается тем, что гибкая лента в диаметрально противоположных сечениях, сдвинутых относительно плоскости разъемов на четверть окружности, снабжена внутренними продольными пазами без снижения площади поперечного сечения гибкой ленты в пазах, предназначенных для размещения продольных сварных швов трубопровода.

Поставленная задача в устройстве муфты для ремонта трубопровода также решается тем, что между гибкой лентой и дефектом размещена пластина с плавным уменьшением толщины от среднего сечения к краям в окружном направлении.

Поставленная задача в устройстве муфты для ремонта трубопровода также решается тем, что в муфте, установленной на трубопровод с продольными сварными швами, пластина в среднем сечении продольного направления имеет внутренний паз, обращенный к поверхности трубопровода и вмещающий его продольный сварной шов.

Поставленная задача в устройстве муфты для ремонта трубопровода также решается тем, что эластичная прокладка выполнена из клеевого слоя с наполнителем, например, эпоксидного клея с асбестовыми волокнами, а в качестве пеноматериала используется пенополиуретан.

Задачей изобретения в способе установки муфты является увеличение усилия натяжения гибкой ленты и обеспечение надежности упрочнения дефектных участков на трубопроводе, в том числе вдоль продольных сварных швов.

Поставленная задача в способе установки муфты, включающем вскрытие дефектного участка трубопровода, снятие изоляционного покрытия и очистку поверхности на дефектном участке, нанесение на него клеевого слоя, установку гибкой ленты на клеевой слой и натяжение гибкой ленты, решается тем, что после очистки поверхности трубопровода на дефектном участке определяют локальную кривизну в окружном направлении, сравнивают ее с номинальной кривизной по зависимостям

где R₀ - номинальное значение радиуса трубопровода по наружной поверхности, м;

R - фактическое значение радиуса на дефектном участке, м,

причем при реализации зависимости (1) после нанесения клеевого слоя устанавливают муфту путем перекрытия дефектного участка пластиной, монтажа гибкой ленты вокруг дефектного участка с пластиной, натяжения гибкой ленты с помощью затяжки винтовых соединений, при этом усилие натяжения гибкой ленты выбирают наибольшее из условий

где P_в - внутреннее (рабочее) давление перекачиваемой среды, МПа;

В - ширина гибкой ленты, м;

R₀ - номинальный радиус сечения трубопровода, м;

N - усилие натяжения гибкой ленты, МН;

R_пл - радиус наружной поверхности пластины, м;

К_пр - коэффициент снижения прочности стенки трубопровода на дефектном участке, безразмерная величина,

а при реализации зависимости (2) после нанесения клеевого слоя устанавливают муфту путем перекрытия дефектного участка гибкой лентой, натяжения гибкой ленты с помощью затяжки винтовых соединений, при этом усилие натяжения гибкой ленты выбирают из условия (3).

Поставленная задача также решается тем, что для трубопровода, имеющего продольные сварные швы, гибкую ленту с диаметрально противоположно расположенными пазами устанавливают путем совмещения пазов с участками продольных сварных швов, а усилие натяжения выбирают из условия (3).

Поставленная задача также решается тем, что для трубопровода с дефектным участком, расположенным вдоль продольных сварных швов, пластину с пазом устанавливают на дефектном участке путем совмещения паза с продольным сварным швом, при этом усилие натяжения выбирается по условиям (3), (4).

Существенными отличительными признаками заявленного изобретения в устройстве муфты для ремонта трубопровода являются:

- выполнение петлевых захватов с закладными элементами на обоих концах разъема;

- выполнение винтовых соединений в виде "гайка- шпилька- гайка";

- размещение гаек винтовых соединений в углублениях закладных элементов без возможности поворота гаек вокруг своей оси и их взаимодействие со шпильками по правой и левой резьбе в каждом винтовом соединении;

- гибкая лента муфты выполнена из ориентированного стеклопластика и имеет полости в районе петлевых захватов, заполненные пеноматериалом;

- гибкая лента в диаметрально противоположных сечениях, сдвинутых относительно плоскости разъемов на четверть окружности, снабжена внутренними продольными пазами без снижения площади поперечного сечения гибкой ленты в пазах;

- между гибкой лентой и дефектом на поверхности трубопровода размещена пластина с плавным уменьшением толщины от среднего сечения к краям в окружном направлении, причем пластина, установленная на трубопровод с продольным сварным швом, снабжена внутренним пазом, обращенным к поверхности трубопровода и вмещающим продольный сварной шов.

Существенными отличительными признаками способа установки муфты являются:

- определение локальной кривизны поверхности трубопровода на дефектном участке в окружном направлении;

- перекрытие дефектного участка пластиной, монтаж гибкой ленты и ее натяжение с помощью затяжки винтовых соединений определенным усилием;

- гибкую ленту с диаметрально противоположными пазами устанавливают путем совмещения пазов с участками продольных сварных швов;

- при ремонте трубопровода с дефектным участком, расположенным вдоль продольного сварного шва, используют пластину с пазом, устанавливая ее на дефектном участке путем совмещения паза с продольным сварным швом трубопровода.

Приведенные существенные отличительные признаки заявленного изобретения нам не были известны из патентной и научно-технической информации и в совокупности с известными признаками позволяют решить задачи, поставленные перед изобретением, поэтому изобретение является “новым”.

Изобретение соответствует критерию “Промышленная применимость”, т.к. легко может быть использовано при ремонте действующих магистральных трубопроводов.

Конструкция муфты для ремонта трубопровода показана на Фиг.1 - 6. На фиг.1 представлен поперечный разрез трубопровода с установленной муфтой; на фиг.2 - вид сбоку на муфту; на фиг.3 - разрез винтового соединения; на фиг.4 - фрагмент муфты с пазом в районе продольного сварного шва трубопровода; на фиг.5 - фрагмент муфты с пластиной на продольный сварной шов с дефектом стенки трубопровода; на фиг.6 - пластина с продольным пазом.

Конструкция муфты для ремонта трубопровода установленной на трубопровод 1, содержит гибкую ленту 2 из ориентированного стеклопластика, два (или один) разъема с петлевыми захватами 3, в которых гибкая лента 2 имеет заполнение пенополиуретаном 5, полости 4, закладные элементы 6 с квадратными углублениями и размещенными в них гайками 7, надетыми на шпильки 8, снабженными правой и левой резьбой каждая, клеевой слой 9, пластины 10 с продольным пазом 11. Гибкая лента 2 может быть выполнена с внутренним пазом 12, равноотстоящим от плоскости разъемов. Шпильки 8 снабжены посередине шестигранной головкой 13 под ключ.

Заявленный способ реализуется следующим образом. Вскрывают дефектный участок трубопровода 1 с дефектом 14, освобождают его от грунта, снимают противокоррозионное изоляционное покрытие вокруг дефекта 14, очищают до металлического блеска поверхность трубы, с помощью кривизномера определяют локальную кривизну наружной поверхности трубы в окружном направлении рядом с дефектом 14, сравнивают ее с номинальной кривизной по зависимостям (1), (2). Если выполняется зависимость (1), наносят клеевой слой 9 с наполнителем вокруг трубопровода на ширине муфты, затем смазывают клеем внутреннюю поверхность гибкой ленты 2, приклеивают к ней посередине пластину 10, устанавливают гибкую ленту 2 с закладными элементами 6 на трубопровод 1, перекрывая дефект 14 пластиной 10, монтируют механизм натяжения в виде винтового соединения “гайка 7 - шпилька 8 - гайка 7”, затягивают шпильки 8 расчетным моментом с помощью динамометрического ключа, установленного вокруг головки 13. Усилие натяжения гибкой ленты выбирается из условий (3), (4). Положение муфты для ремонта трубопровода с двумя разъемами после установки представлено на фиг.1, при этом трубопровод 1 или не имеет продольных сварных швов (бесшовная труба), или выступающие валики швов удалены шлифованием, или валики швов размещены в разъемах муфты (фиг.1). Если выступающие валики швов расположены в плоскости, близкой к вертикальной, то используют гибкую ленту 2 с продольными пазами 12. При этом плоскость разъемов ленты устанавливают в плоскости, близкой к горизонтальной, что значительно упрощает процесс затяжки винтовых соединений при ремонте подземного газопровода в траншее.

В случае, когда кривизна поверхности трубы в окружном направлении на месте дефекта 14 соответствует зависимости (2), после нанесения клеевого слоя 9 с наполнителем гибкую ленту устанавливают без пластин 10 и затягивают усилием с соблюдением условия 3. Если дефекты 15 типа трещин сосредоточены в районе продольного сварного шва 16, где кривизна поверхности трубы соответствует зависимости (1), то на дефекты устанавливают пластину 10 с продольным пазом, вмещающим продольный сварной шов (фиг 5, 6). При этом радиус поверхности пластины R_пл выбирают из условия (4), а усилие натяжения ленты - наибольшее из условий (3), (4).

Способ установки муфты с использованием пластин 10 применяют преимущественно для трещиноподобных дефектов типа стресс-коррозионных трещин.

Пример 1

Необходимо определить конструктивные параметры муфты для ремонта трубопровода с дефектом в виде продольной трещины на наружной поверхности трубы в месте стыковки валика продольного сварного шва со стенкой с целью обеспечения прочности дефектного места, равной прочности неповрежденной стенки. Исходные данные: диаметр трубопровода D_н=1220 мм; толщина стенки трубы δ =12 мм; высота валика продольного шва - 6 мм, ширина - 30 мм; длина дефекта L=220 мм, глубина h=4 мм; радиус локальной кривизны поверхности трубы на месте трещины в окружном направлении R=640 мм; внутреннее давление перекачиваемого продукта Р_в=5,4 МПа, предел текучести металла трубы σ =360 МПа.

Разрушающее давление для дефектного участка с трещиной определяется по формуле (см. Купершляк-Юзефович Г.М., Разумов Ю.Г. Расчет разрушающего давления в газопроводах, поврежденных коррозийным растрескиванием под напряжением - КРН/ Строительство трубопроводов. - 1996. - №6, с.17-18)

где - давление текучести металла, МПа;

- относительная глубина трещины;

коэффициент Фолиаса.

При L=0 по формуле (5) получается разрушающее давление для бездефектной стенки.

Отношение отражает снижение прочности дефектного участка трубы. Подставляя получим т.е. прочность дефектной стенки составляет 84% от бездефектной. Полученный коэффициент относится к трубе, поперечное сечение которой представляет идеальную окружность. Фактически при воздействии давления радиус кривизны стенки трубы будет изменятся от R=640 мм к номинальному значению R₀=D_н/2=1220/2=610 мм, что вызовет изгиб поперечного сечения с растягивающими напряжениями σ _геом, которые будут складываться с кольцевыми безмоментными напряжениями от рабочего давления и дополнительно нагружать стенку трубы. Величина σ _геом без учета трещины определяется по формуле

где Е - модуль упругости стали трубы, МПа. Подставляя исходные данные в (7), получим

Кольцевые безмоментные напряжения в стенке трубы без учета трещины определяются по формуле

Чтобы нейтрализовать развитие трещины при эксплуатации, необходимо за счет установки муфты и ее затяжки создать контактное давление на трубу в области дефекта, компенсирующее ослабление стенки, выраженное коэффициентом К_ПР=0,84 и напряжением изгиба σ _геом=95 МПа.

Компенсация напряжений изгиба достигается, если между гибкой лентой и дефектом установить пластину, при этом контактное давление муфты Р_М≥_{РВ, где РМ связано с радиусом RПЛ кривизны поверхности контакта гибкой ленты с пластиной по формуле РМ=N/(Rпл×В), откуда выводится формула для усилия натяжения}

Для восстановления прочности трубопровода по безмоментному состоянию контактное давление Р_М должно компенсировать часть рабочего давления Р_В в соответствии с коэффициентом К_ПР

где P_М=N/(R₀×_{B), откуда получается зависимость (3), приведенная в формуле изобретения}

Объединив формулы (8) и (10), получаем связь между радиусами R_ПЛ и R₀, приведенную в зависимости (4) формулы изобретения

Размеры муфты выбираются следующим образом. Длина гибкого полотна по оси трубопровода (размер В) соответствует ширине муфты по прототипу /3/ и равна В=0,32 м. Длина пластины по оси трубопровода также равна В=0,32 м. Ширина пластины в окружном направлении, ее толщина, радиусы, а также высота валика продольного сварного шва связаны следующими зависимостями:

а) пластина установлена и зафиксирована на трубопроводе затяжкой гибкой ленты

б) пластина в свободном состоянии до установки

где Δ у_RПЛ - стрела изгиба наружной поверхности пластины, т.е. расстояние от хорды, стягивающей дугу наружной поверхности до центра дуги, мм;

Δ у_R - стрела изгиба внутренней поверхности пластины, мм;

l - длина пластины по окружности трубопровода, мм;

δ _ПЛ - максимальная толщина пластины, мм;

Н - высота валика продольного сварного шва, мм;

Δ Н - остаточная толщина пластины над валиком продольного сварного шва;

R_ПЛ1 - радиус наружной поверхности пластины, когда внутренняя ее поверхность - плоская, мм.

Расчет удобно вести, зная величины Н и Δ Н и определяя радиус R_ПЛ по формуле (8), при этом усилие N определяем из условия прочности стенки гибкой ленты муфты:

где [σ _м] - расчетные допускаемые напряжения в гибкой ленте, МПа;

· δ _м - толщина ленты, м.

По разработанной технологии изготовления муфты · δ _м=0,0075 м (7,5 мм); [δ _м]=250 МПа. Величина H=6 мм, значение Δ Н=2 мм. Подставляя данные в (18), получим N≤ 250 0,32 0,0075=0,6 MH (61 тс), далее, по формуле (8) получим R_ПЛ≤_{N/Pв·B=0,6/5,4 0,32=0,347 м.}

Теперь, задавая различные значения l в формулах (12) и (13), добиваемся равенства (14). Подбираем l=215 мм, тогда Δ у_RПЛ-Δ у_R=17,1-90,1=8 мм, что соответствует заданной толщине стенки · δ _пл=8,0 мм.

Проверяем условие (10) N≥ (1-0,84)· 5,4· 0,32· 0,61=0,17 MH (17,2 тс). Полученное по формуле (18) N=0,6 MH удовлетворяет условию (10). Радиус пластины При установке на дефект и затяжке гибкой ленты радиус R_пл1 переходит в радиус R_ПЛ=347 мм за счет изгиба пластины по наружной поверхности трубы. На плоской поверхности пластины по ее середине в направлении оси трубопровода выполнен паз шириной 30 мм, глубиной 6 мм для размещения в нем продольного сварного шва трубопровода. По величине усилия N проверяется прочность винтовых соединений. Шпильки выполнены из стали 30ХГСА с пределом текучести σ _т=1080 МПа, расчетным допускаемым напряжением на растяжение [σ ]р=390 МПа. Выбираем по n=4 шпильки в каждом разъеме муфты и проверяем их на прочность по формуле

где d - диаметр шпильки, м, откуда

Подставляя в (20) исходные данные, получим

выбираем ближайший в сторону увеличения нормативный диаметр шпильки d=24 мм. Таким образом, определены основные конструктивные параметры муфты.

Примечание. При реализации зависимости (2) формулы изобретения достаточное усилие затяжки N, найденное по формуле (10), составляет 0,17 МН (17,2 тс).

Пример 2. Рассмотрим основные элементы заявляемого способа установки муфты. Параметры трубопровода, дефекта и муфты приведены в примере 1. Труба - двухшовная, продольные сварные швы ориентированы в плоскости, близкой к вертикали. Дефект расположен на нижнем сварном шве. Адгезия пленочной изоляции к трубе отсутствует на площади 1 м², в центре которой расположен продольный трещиноподобный дефект.

Дефектный участок вскрывают путем раскопки шурфа, снимают изоляцию на площади отсутствия адгезии, зачищают металл шлифовальной машинкой. Кривизномером в виде металлической жесткой планки длиной 200 мм, снабженной по концам опорными точками, а посередине индикатором часового типа, регистрирующего изменение стрелы кривизны поверхности трубы, определяющей радиус кривизны в районе дефекта R₁ при рабочем давлении газа 5,4 МПа, затем рабочее давление в соответствии с нормативными требованиями снижают на 30% для проведения ремонтных работ. Снова определяют радиус кривизны в том же месте R₂ и методом пересчета определяют радиус R, который соответствует отсутствию давления в трубопроводе и равен R=640 мм. Принимается решение о применении конструкции муфты по п.1, 2, 4, 5 формулы изобретения с двумя разъемами, расположенными в горизонтальной плоскости.

После зачистки металла его поверхность обезжиривают, восстанавливают противокоррозионную изоляцию, затем на площадь кольца, перекрываемого муфтой, наносят слой эпоксидного клея с асбестовыми волокнами, затем берется нижняя половина муфты, гибкая лента которой выполнена без паза для продольного шва и содержит закладные элементы в петлевых захватах, внутренняя поверхность которой покрывают клеевым слоем идентичного состава, затем посередине гибкой ленты укладывают пластину с пазом, покрытую тем же клеем с обеих сторон, после чего полумуфту с пластиной подводят под трубу с дефектом так, чтобы паз пластины попал на продольный шов и фиксируют на нижней половине трубы с помощью гибкой связи или временной опорой снизу. Далее устанавливают верхнюю полумуфту, гибкая лента которой посередине снабжена пазом и покрыта клеем, а петлевые захваты содержат закладные элементы с навернутыми на 1÷ 2 оборота шпильками, после чего шпильки устанавливают в гайки ответных петлевых захватов и заворачивают на 1÷ 2 оборота. Всю конструкцию выравнивают, шпильки за среднюю часть, выполненную в виде шестигранной головки, заворачивают динамометрическим гаечным ключом одновременно с обеих сторон, начиная с середины муфты к ее краям, поворачивая ключ в пределах свободного пространства, при этом чередуя шпильки после каждого поворота. Постепенно достигают расчетный момент, составляющий 450÷ 500 Н· м.

Эффективность от использования изобретения заключается в следующем. После затяжки шпилек гибкая лента плотно охватывает трубопровод, причем в зоне трещиноподобного дефекта создается повышенное контактное давление, которое разгружает стенку трубы от изгиба, а кольцевые напряжения снижаются за счет равномерного контактного давления, компенсирующего часть рабочего давления перекачиваемого продукта. При этом прочность дефектной трубы возрастает до уровня бездефектной, тем самым повышается надежность эксплуатации трубопровода без применения вырезки дефектного участка и связанных с ней потерь перекачиваемого продукта и экологических нарушений.

Таким образом, предлагаемая муфта для ремонта трубопровода, ее установка и способ обеспечивают более надежную защиту дефектного участка от нагрузок, чем технические решения по прототипам, требуют меньшего расхода материалов и трудозатрат при установке.

По совокупности положительных свойств данное техническое решение может быть успешно применено при ремонте самых опасных дефектов - стресс-коррозионных трещин, которые являются наиболее частой причиной аварийных разрушений магистральных газопроводов больших диаметров 1020÷ 1420 мм и тем самым повысить экономическую эффективность и безопасность эксплуатации систем магистральных газопроводов.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР № 1810719, МПК F 16 L 55/17. Опубл. 23.04.1993 г. (Аналог).

2. Авторское свидетельство СССР № 1068654, МПК F 16 L 55/17. Опубл. 23.01.1994 г. (Прототип).

3. Инструкция по ремонту дефектных труб магистральных газопроводов полимерными композиционными материалами. ВСН 39-1.10-001-99. Издание официальное. Москва, 2000 г. с.6-8 (Прототип).