книги / Трубопроводный транспорт нефти и газа

чения трубопроводов являются одними из важнейших и самых слож­ ных. В ходе изысканий должны быть изучены все возможности уде­ шевления энергоснабжения, так как расход электроэнергии является самой большой статьей эксплуатационных расходов. Вопрос энерго­ снабжения компрессорных станций, расположенных вдали от про­ мышленно развитых районов, решается установкой двигателей внут­ реннего сгорания (поршневых и турбин), работающих на перекачи­ ваемом газе, хотя при этом недостаточно эффективно используется энергия газа. Привод насосов на станциях нефтепроводов н нефтепродуктопроводов в большинстве случаев осуществляется от электродви­ гателей. В процессе изысканий следует выявить возможность полу­ чения электроэнергии от электростанций или трансформаторных под­ станций, определить длину линий электропередачи, параметры тока (напряжение, частоту), стоимость электроэнергии близлежащей энер­ госистемы и т. д. Изысканиями должна быть также определена воз­ можность получения энергии для нужд строительства на площадках перекачивающих станций.

Изыскания по водоснабжению и канализации. Для водоснабжения могут быть использованы коммунальные и промышленные водопро­ воды, естественные и искусственные водоемы, грунтовые и подземные воды. В зависимости от качества воды одни источники могут быть при­ годны только для обеспечения водой технических нужд станций, а другие источники— для технических и питьевых нужд. В районе расположения перекачивающих станций должны быть разведаны все возможные источники водоснабжения, а также определены качество воды, дебит имеющихся каптажных сооружений и условия строи­ тельства новых водозаборов. Иногда проводят электроразведочные работы, с помощью которых выявляют участки с грунтовыми или под­ земными водами. Если предполагается использовать грунтовые или подземные воды, соответственно проходят выработки или бурят сква­ жины для определения глубины залегания, мощности и эксплуата­ ционных ресурсов водоносного горизонта, химического состава воды

идр. Изыскатели должны изучить возможные пути сброса промыш­ ленных и бытовых стоков с учетом недопустимости загрязнения ок­ ружающей среды. Любой из вариантов согласовывают с местной госсанинспекцией и коммунальным отделом Совета народных депутатов.

Обследование дорожной сети. Обследуют все дороги, которые мо­ гут быть использованы при строительстве для перевозки материалов

иоборудования и во время эксплуатации. Должны быть выявлены назначение и класс дороги, типы покрытий, ширина проезжей части, состояние мостов и их несущая способность, возможность использо­

вания дорог по временам года, планы строительства новых дорог и ре­ монт существующих (по данным дорожных отделов и плановых ко­ миссий местных Советов народных депутатов). В случае необходимости строительства новых дорог проводят соответствующие изыскания по их трассам.

Изыскания по организации работ. В ходе этих изысканий надо выя­ вить местные ресурсы строительных материалов для строительства дорог, линейной части и перекачивающих станций трубопроводов.

41

Обычно местные плановые органы располагают данными о всех извест­ ных месторождениях, могут информировать о степени разработанно­ сти месторождений, о состоянии подъездных путей, об условиях по­ лучения материалов и т. п. Необходимо получить данные по произ­ водству в районе строительства сборного железобетона и стеновых материалов, выяснить расположение промышленных предприятий, которые могут выполнять заказы организаций, строящих трубопро­ вод, а также выявить условия выполнения этих заказов. Следует оп­ ределить и согласовать железнодорожные станции, порты и пристани, где можно организовать выгрузку и временное хранение труб и мате­ риалов, поступающих на строительство. Кроме того, необходимо выя­ вить наличие прирельсовых складов и площадок, разгрузочных ту­ пиков, возможности постройки новых разгрузочных тупиков и скла­ дов, состояние подъездных путей к местам выгрузки и складирования. Поскольку строительство трубопровода носит временный характер, во многих случаях целесообразнее привлекать рабочих на местах. Поэтому изыскатели должны определить районы и пути вербовки рабочих. Надо выявить возможность расселения рабочих вблизи пло­ щадок строительства перекачивающих станций, наличие поблизости культурно-бытовых учреждений, больниц, магазинов и предприятий общественного питания.

Отвод земель

На период строительства одного магистрального подземного трубо­ провода во временное пользование отводится полоса земли опреде­ ленной ширины, установленной «Нормами отвода земель для маги­ стральных трубопроводов», утвержденными Госстроем СССР

(табл. 1.1.). Ширину полосы земель, отводимых во временное поль­ зование на период строительства двух параллельных магистральных подземных трубопроводов и более, следует принимать равной ши­

Расстояние между осями смежных трубопроводов следует принимать

42

Глава 2

РАСЧЕТ ТРУБОПРОВОДА НА ПРОЧНОСТЬ

2.1. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ТРУБАМ И МАТЕРИАЛАМ

Утечки перекачиваемых нефти или таза даже через небольшие тре­ щины, образующиеся в трубопроводе, загрязняют окружающую среду и приводят к экономическому ущербу. Разрывы трубопроводов боль­ ших диаметров могут нанести значительный экономический и соци­ альный ущерб. Поэтому к трубам предъявляются жесткие требования (к качеству материала, поверхности, точности размеров труб, качеству сварных швов).

Качество материала характеризуется механическими свойствами: временным сопротивлением, пределом текучести, относительным уд­ линением, ударной вязкостью. Весьма существенное значение имеют пластичность и свариваемость. Для труб, соприкасающихся с агрес­ сивной средой, имеет значение коррозионная стойкость. Стойкостью против коррозии отличаются трубы из алюминия или из неметалличе­ ских материалов. Но механические свойства этих материалов невы­ соки. Изготовленные из них трубы имеют ограниченное применение. Трубы магистральных газопроводов и нефтепроводов изготовляют из стали. Сталь — экономичный, прочный, хорошо сваривающийся и надежный материал. По способу изготовления трубы для ма­

трубы применяют для трубопроводов диаметром до 426 мм. Обычная область применения сварных труб — трубопроводы диаметром 530 мм и выше. Трубы диаметром до 530 мм изготовляют из спокойных и полуспокойных углеродистых сталей. Для изготовления труб диаметром до 1020 мм применяют спокойные и полуспокойные низколегиро­ ванные стали. Трубы больших диаметров изготовляют из низколеги­ рованных сталей в термически или термомеханически упрочненном состоянии.

Сталь должна удовлетворять требованиям СНиП. Например, от­ ношение предела текучести к временному сопротивлению должно быть не больше 0,75 для углеродистых сталей, 0,8 — для низколегиро­ ванных, 0 ,85 — для термически упрочненной стали. Металл труб не должен иметь трещин, расслоений, закатов.

Серьезные требования предъявляются, как уже было сказано, к самим трубам. Так, согласно СНиП овальность труб не должна пре­ вышать 1 “о, кривизна труб не должна быть больше 1,5 мм на 1 м длины. Длина поставляемых заводом труб должна быть в пределах 10,5—11,6 м. Концы труб должны быть обрезаны под прямым углом и иметь разделку кромок под сварку. Сварные швы должны быть рав-

44

нопрочными основному металлу трубы; переход от шва к телу трубы должен быть плавным.

Марки и прочностные характеристики сталей, применяемых для прямошовных труб, приведены в табл. 2.1.

2.2. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИЗГОТОВЛЕНИИ ТРУБ

Прокатка бесшовных труб состоит из следующих основных операций. Сначала из раскаленной заготовки получают толстостенную трубу (гильзу). Эта операция называется прошивкой. Она осущест­ вляется на стане винтовой прокатки, оснащенной расположенными под углом друг к другу конусными валками. Чтобы придать получающе­ муся отверстию правильную круглую форму, между валками уста­ навливают оправку. Затем следует операция раскатки: уменьшение толщины стенки до близкой к требуемой и одновременно удлинение трубы. Она выполняется на станах продольной прокатки с круглыми калибрами. Прокатка ведется на оправке. Следующая операция — калибровка. На калибровочном стане труба получает нужные размеры

иформу правильного круга. Далее труба направляется на охлаждение

иотделку.

Сварные трубы для магистральных трубопроводов изготовляют, как уже было сказано, с прямым продольным или спиральным швом. Для прямошовных труб заготовки — стальные листы, для спирально­ шовных — полосовая сталь, свернутая в рулон. Прямошовные трубы получают вальцеванием или холодным прессованием. Последний ме­ тод — более производительный. Сначала стальные листы очищают от окалнпы и ржавчины, обрабатывают кромки. Затем на специальном стане кромки подгибают, в результате чего заготовка приобретает корытообразный вид. Следующая операция — придание корытообраз­ ной заготовке U-образной формы. Эта операция выполняется на гид­ равлическом прессе при помощи круглого штампа, диаметр которого равен диаметру будущей трубы. Далее U-образная заготовка посту-

45

пает в более мощный пресс, имеющий два штампа в виде полых полу­ цилиндров. При схождении штампов металл заготовки обжимается по периметру трубы. Затем окончательно сформованную трубу пере­ водят на установку для сварки.

Сваренную трубу калибруют. В оба конца трубы вставляют за­ глушки — конусы силовых головок. Через одну головку в трубу подают воду, через другую выходит воздух. Под давлением воды труба расширяется и ее наружный диаметр становится равным диаметру обоймы. Процесс расширения трубы называется экспандированием. Степень экспандирования не должна быть слишком большой (не ре­ комендуется превышать 1,2 %), так как при экспандировании возни­ кает наклеп и свойства стали ухудшаются.

После экспандирования каждую трубу подвергают гидравличе­ скому испытанию (на прочность и герметичность). Качество сварных швов проверяют рентгенографически или другими неразрушающими способами.

Процесс изготовления спиральношовных труб протекает так. Стальная лента из рулона направляется (разматывателем) в правиль­ ную машину. Затем следует обработка кромок (вплоть до снятия фа­ сок под сварку), после чего подающая машина вводит ленту в формо­ вочно-сварочное устройство. Формовочный элемент этого устройства представляет собой втулку, продольная ось которой находится под углом (угол формовки) к оси поступающей стальной ленты. При про­ хождении через втулку лента сворачивается в спираль. При помощи сварочных головок, расположенных внутри и снаружи формовочной втулки, непрерывно смыкающиеся кромки ленты свариваются: полу­ чается спиральный шов. Диаметр выходящей из формовочно-свароч­ ного устройства трубы зависит от угла формовки. Спиральношовные трубы имеют преимущества перед прямошовными. Стальная полоса, из которой изготовляют спиральношовные трубы, дешевле листов для изготовления прямошовных труб того же диаметра, так как ши­ рина ее меньше. Спиральное расположение волокон в трубе более благоприятное, чем продольное. К недостаткам спиральношовных труб следует отнести большую протяженность шва, затрудненность контроля качества сварки, а также качества свернутой в рулон по­ лосовой стали.

2.3. РАСЧЕТ ТРУБОПРОВОДА НА ПРОЧНОСТЬ

Уложенный в грунт трубопровод испытывает вызванные целым рядом силовых воздействий напряжения: кольцевые, продольные и радиаль­ ные (рис. 2.1).

46

изгиба возникают при укладке трубо­ провода на поворотах трассы, а также на переходах'через повышен­ ные и пониженные точки.

Продольные напряжения различного происхождения складываются:

Радиальные напряжения ар малы и в расчетах не учитываются. Не принимается во внимание при расчете трубопровода на проч­ ность давление грунта, а также подвижные нагрузки, которые могут действовать на трубопровод (тракторы, сельскохозяйственные машины, автомобили). Эти внешние нагрузки незначительны и, кроме того, компенсируются внутренним давлением. Не принимаются в расчет также силовые воздействия случайного характера (от оползневых яв­ лений, от массы трубопровода, при размыве основания, на котором он лежит). Определение усилий, которые может выдержать трубопро­ вод, или, наоборот, определение толщины стенки трубопровода при

заданной нагрузке — цель расчета на прочность.

Магистральные трубопроводы рассчитывают по методу предель­ ных состояний. Предельным состоянием называют такое, при дости­ жении которого нормальная эксплуатация рассчитываемой конструк­ ции становится невозможной. Различают первое, второе и третье предельные состояния. Первым предельным состоянием называется такое, при достижении которого рассматриваемая конструкция те­ ряет несущую способность, или, что то же самое, способность сопро­ тивляться приложенным к ней усилиям, т. е. разрушается. Второе предельное состояние характеризуется чрезмерными, недопустимыми при эксплуатации остаточными деформациями или колебаниями. Третье предельное состояние определяется чрезмерными, недопу­

стимыми при эксплуатации трещинами. Ни при достижении третьего

предельного состояния, ни при достижении второго конструкции не грозит разрушение, ее прочность и устойчивость сохраняются. По третьему предельному состоянию рассчитывают, например, железо­ бетонные резервуары, по второму предельному состоянию — между­ этажные перекрытия зданий, расстояния между опорами для трубо­

47

проводов при надземной прокладке, когда регламентируется стрела прогиба и т. д. Уложенные в грунт магистральные трубопроводы рас­ считывают по первому предельному состоянию, т. е. принимают, что наибольшее усилие, испытываемое трубопроводом, не должно превы­ шать его несущей способности.

Для уложенного в грунт трубопровода достижение предела теку­ чести не означает потерю работоспособности. Трубопровод может успешно эксплуатироваться до тех пор, пока напряжения в нем не до­ стигнут предела прочности. При расчете, трубопровода на прочность считают, что он идеально круглый. Овальность труб не принимают во внимание, так как под действием внутреннего давления она вырав­ нивается. Учитывают лишь внутреннее давление (основное воздейст­ вие). Таким образом, условие прочности может быть выражено в виде npD < /?j26, где п — коэффициент надежности по нагрузке и R i — расчетное сопротивление. В левой части этого выражения — дейст­ вующее расчетное усилие (стремящееся разорвать трубопровод по образующей). В правой — несущая способность трубопровода.

Заменив в условии прочности D на D a—26, получаем, что толщина стенки трубопровода

6 — npDJ\2 (Ri J пр)).

Согласно СНнП 2.05.06—85 расчетное сопротивление R l следует

сти по назначению трубопровода. Числовые значения этих коэффи­

Фя == V 5—0,75 (| аПр N\/Ri)2—0,51апр N\Шг.

Полученное расчетное значение толщины стенки трубы округляется до ближайшего большего значения, предусмотренного государствен­ ными стандартами или техническими условиями. Продольные осевые напряжения опр N определяются от расчетных нагрузок и воздейст­ вий с учетом упругопластической работы металла. Расчетная схема должна отражать условия работы трубопровода и его взаимодействие

сгрунтом.

Вчастности, для прямолинейных и упругоизогнутых участков

при отсутствии продольных и поперечных перемещений

Опр N ~ —а Е Ы -r \inpDI(2&„),

где — расчетный температурный перепад; 6Н— номинальная тол­ щина стенки трубы.

48

Глава 3

ПОДГОТОВКА НЕФТИ И ГАЗА К ТРАНСПОРТУ1

Начальный период разработки нефтяных месторождений, как пра­ вило, характеризуется безводной добычей нефти из фонтанирующих скважин. Однако на каждом месторождении наступает такой период, когда из пласта вместе с нефтью поступает вода сначала в малых, за­ тем все в больших количествах. Примерно 60—75 % всей нефти до­ бывается в обводненном состоянии.

Пластовые воды, поступающие из скважин различных месторожде­ ний, могут значительно отличаться по составу и концентрации рас­ творенных в них минеральных солей, содержанию газа и наличию ми­ кроорганизмов. При извлечении смеси нефти с пластовой водой обра­ зуется эмульсия, которую следует рассматривать как механическую смесь двух нерастворимых жидкостей (нефти и воды), одна из которых распределяется в объеме другой в виде капель различных размеров. Наличие воды в нефти приводит к удорожанию транспорта в связи с возрастающими объемами транспортируемой жидкости и увеличе­ нием ее вязкости. Присутствие в нефти даже 0,1 % воды приводит к интенсивному ее вспениванию в ректификационных колоннах нефте­ перерабатывающих заводов, что нарушает технологические режимы переработки и, кроме того, загрязняет конденсационную аппаратуру.

Легкие фракции нефти (углеводородные газы от этана до пентана) являются ценным сырьем, из которого получают такие продукты, как спирты, синтетический каучук, растворители, жидкие моторные топ­ лива, удобрения, искусственное волокно и другие продукты органи­ ческого синтеза, широко применяемые в промышленности. Поэтому необходимо стремиться не только к снижению потерь легких фракций из нефти, но и к сохранению всех углеводородов, извлекаемых из нефтеносного горизонта, для последующей их переработки.

Качество вырабатываемой продукции во многом зависит от каче­ ства исходного сырья, т. е. нефти. Если в недалеком прошлом на тех­ нологические установки нефтеперерабатывающих заводов шла нефть с содержанием минеральных солей (100—500 мг/л), то в настоящее время требуется нефть с более глубоким обессоливанием, а зачастую перед переработкой нефти приходится полностью удалять из нее соли.

Наличие в нефти механических примесей (частиц песка и глины) вызывает абразивный износ трубопроводов, нефтеперекачивающего оборудования, затрудняет переработку нефти, повышает зольность мазутов и гудронов, образует отложения в холодильниках, печах и теплообменниках, что приводит к уменьшению коэффициента тепло­ передачи и быстрому выходу их из строя. Механические примеси спо­ собствуют образованию трудноразделимых эмульсий. Наличие мине-

1 Гл. 3 написана с участием В. М. Михайлова.

50