способ ремонта трубы

Формула изобретения

Способ ремонта трубы, включающий подготовку к ремонту, ремонт композитными материалами, состоящими из заполняющего материала, клея и высокопрочной ленты с нитями, и контроль качества, отличающийся тем, что на этапе подготовки к ремонту замеряют глубину дефекта стенки трубы и устанавливают величины предела прочности и предела относительного удлинения при растяжении материала трубы, выбирают композитные материалы для склеивания с трубой и между собой, рассчитывают толщину стенки бандажа и число витков ленты в бандаже в зависимости от глубины дефекта стенки и предела прочности при растяжении материала трубы, толщины и предела прочности при растяжении высокопрочной ленты с учетом повышения прочности трубы за счет ремонта заполняющим материалом, ремонт осуществляют по технологии склеивания всех материалов с трубой и между собой следующими действиями: заполняют дефект заполняющим материалом до поверхности трубы, приклеивают конец первого витка ленты к трубе, контролируя вытеснение клея из-под ленты, приклеивают первый виток ленты к трубе, контролируя вытеснение клея из-под ленты, приклеивают ленту к трубе с первого до последнего витка, контролируя вытеснение клея из-под ленты, закрепляют конец последнего витка бандажа и проверяют количество витков ленты в бандаже.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам ремонта и упрочнения трубы в трубопроводе, по которому под давлением перемещается газ и/или жидкость. Под действием коррозии, механических повреждений или других причин толщина стенки трубы уменьшается и при достижении критических размеров подлежит незамедлительному устранению или исправлению, ремонту.

Ремонт - комплекс операций, выполняемый для восстановления исправности и полного или близкого к полному восстановлению ресурса изделия с заменой или восстановлением любых его частей, включая базовые.

Ремонт трубы - восстановление ее первоначального состояния по прочности (S^тpтр_в) заваркой коррозионных повреждений, вваркой катушки, трубы или другими способами, например, наложением упрочняющего бандажа для компенсации величины потери прочности трубы (S^тр_деф^тр_в) за счет прочности бандажа (S^{бандбанд}_в), где S^тp - расчетная (первоначальная) толщина стенки трубы, ^тр_в - предел прочности при растяжении материала трубы, S_деф ^тp - глубина дефекта (каверны, трещины) трубы, S^банд - толщина стенки упрочняющего бандажа, ^банд_в - предел прочности при растяжении материала бандажа.

При определении толщины стенки рулонированного бандажа S^банд=S^лn (где S^л - толщина ленты, n - число витков ленты в бандаже) исходят из предположения, что разрушение происходит по всей толщине стенки бандажа, как в многослойных цилиндрических корпусах (см. Сосуды и трубопроводы высокого давления, Справочник, М.: "Машиностроение", 1990, стр. 25).

Известен способ ремонта трубы по патенту России 2108514, кл. F 16 L 55/18, основанный на ремонте трубы композитньми материалами с наложением рулонированного бандажа на трубу в 5-8 склеенных слоев высокопрочной ленты.

Однако способ не обеспечивает восстановления в трубопроводе первоначального сопротивления на разрыв, так как:

1. способ не содержит действий по замеру глубины дефекта стенки трубы - S_деф ^тp, не уточняет предел прочности при растяжении материала трубы - ^тр_в, то есть не оценивает величины потери прочности трубы - (S^тр_деф^тр_в), необходимой для ремонта трубы;

2. заполняющий материал МА441 не повышает прочности трубы по своим физико-механическим свойствам (наполнитель - стеклянные шарики) и переносит на бандаж восстановление в трубопроводе первоначального сопротивления на разрыв;

3. клей (адгезив) МА440 не приклеивает первый виток ленты бандажа к трубе, а обеспечивает наложение бандажа на трубу, выделяя его в самостоятельную деталь;

4. бандаж не обеспечивает сопротивления на разрыв в осевом направлении трубы по свойствам высокопрочной ленты (в ленте поперечных нитей нет);

5. бандаж не восстанавливает в трубопроводе первоначального сопротивления на разрыв в кольцевом направлении трубы по причине отсутствия расчетной толщины стенки бандажа - S^банд;

6. бандаж, наложенный на трубу с нулевым и положительным зазором, не восстанавливает в стенке трубы первоначального сопротивления на разрыв (при нулевом зазоре, под дефектом, - напряжения сжатия, при положительном зазоре, в зонах наложения разделительной пленки, - напряжения растяжения);

Известен способ ремонта трубопровода (варианты) по патенту России 2156397, кл. F 16 L 55/17, 58/16, основанный на ремонте трубы композитными материалами с наложением рулонированного бандажа на трубу в множество склеенных слоев высокопрочной ленты.

Способ устраняет недостатки предыдущего способа по пунктам 4 и 6 и может быть принят в качестве прототипа для предлагаемой заявки.

Однако способ не обеспечивает повышения надежности трубопровода, при которой с одинаковой степенью надежности предотвращалось бы развитие трещины на трубопроводе, как в окружном, так и в осевом направлении, так как:

1. в способе отсутствует замер глубины трещины, дефекта трубы S_деф ^тp, не уточняется предел прочности при растяжении материала трубы - ^тр_в, то есть не оценивает величины потери прочности трубы - (S^тр_деф^тр_в), необходимой для ремонта трубы;

2. клеевая масса 1 для заполнения дефекта (трещины) и склеивания с трубой первого витка бандажа не повышает прочности трубы по своим физико-механическим свойствам (наполнитель - цемент-80), неоднородна по напряженному состоянию с материалом трубы при работе трубы после ремонта (в трубе - растяжение, в заполнителе - сжатие), не закрепляет первый виток ленты на трубе (требуется липкая лента скотч и клей 3 на основе -циакриновой кислоты, закрепляющий ленту на трубе, посредством "клеезаклепок" через отверстия в ленте, поз.6 или 7), не имеет механических свойств по склеиванию с трубой - "металл + пластик", то есть бандаж на трубу накладывают, а не приклеивают;

3. бандаж не обеспечивает повышение надежности трубопровода по причине отсутствия расчетной толщины стенки бандажа - S^банд и механических свойств композитной ленты - ^банд_в, информации "множество витков" недостаточно для восстановления величины потери прочности трубы;

4. прерывистый послойный метод наложения витков ленты в бандаже снижает качество склейки витков, требует трепанации витков бандажа, снижает прочность и надежность бандажа при эксплуатации трубопровода;

5. качество склеивания витков в бандаже контролируют после навивки последнего витка ленты, что требует применять трепанацию витков бандажа с закачкой клея 2 в слои через просверленные отверстия;

6. для заделки пазов и концов ленты в бандаже применяют клей 4;

7. большой срок времени установки бандажа на трубу (2-24) часа x n витков плюс время на трепанацию.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности трубопровода за счет восстановления прочности трубы на разрыв от внутреннего давления перекачиваемого продукта.

Техническая задача решается за счет того, что в способе ремонта трубы, включающем подготовку трубы к ремонту, ремонт композитными материалами, состоящими из заполняющего материала, клея и высокопрочной ленты с продольными и поперечными нитями и контроль качества:

- на этапе подготовки к ремонту замеряют глубину дефекта стенки трубы и устанавливают величины предела прочности и предела относительного удлинения при растяжении материала трубы; выбирают композитные материалы для склеивания с трубой и между собой; рассчитывают толщину стенки бандажа и число витков ленты в бандаже в зависимости от глубины дефекта стенки и предела прочности при растяжении материала трубы, толщины и предела прочности при растяжении высокопрочной ленты с учетом величины коэффициента повышения прочности трубы за счет ремонта заполняющим материалом;

- ремонт осуществляют по технологии склеивания всех материалов с трубой и между собой следующими действиями: порционно заполняют дефект заполняющим материалом до поверхности трубы, приклеивая каждую порцию к стенкам дефекта, уплотняя ее в кольцевом и осевом направлениях трубы; приклеивают конец первого витка ленты к трубе, контролируя визуально вытеснение клея из-под ленты во все стороны; приклеивают первый виток ленты к трубе, визуально контролируя вытеснение клея из-под ленты в стороны по ее ширине и сплошность слоя клея под лентой; приклеивают ленту к трубе непрерывно от первого до последнего витка, визуально контролируя вытеснение клея из-под ленты в стороны по ее ширине и сплошность слоя клея под лентой; закрепляют механически конец последнего витка бандажа от раскручивания; замеряют толщину стенки бандажа и проверяют количество витков ленты в бандаже.

При этом, толщину стенки бандажа рассчитывают из выражения:



где S_деф ^тp - глубина дефекта (каверны, трещины) трубы, мм;

^тp_в - предел прочности при растяжении материала трубы, кгс/мм²;

^банд_в = ^л_в - предел прочности при растяжении высокопрочной ленты (вдоль ленты), кгс/мм²;

^з.м._в - предел прочности при растяжении заполняющего материала, кгс/мм²;

- коэффициент повышения прочности трубы за счет ремонта заполняющим материалом,

а количество витков ленты в бандаже из выражения



где S^л - толщина высокопрочной ленты.

Существенные признаки предлагаемого изобретения и причинно-следственная связь каждого из них с техническим результатом:

1. замеряют глубину дефекта (каверны, трещины) трубы, уточняют величины предела прочности и предела относительного удлинения при растяжении материала трубы, необходимых для установления величины потери прочности трубы и ее восстановления при ремонте;

2. заполняющий материал применяют с металлическим наполнителем и способный склеиваться с металлом трубы, ленты, и работать на растяжение;

3. клей применяют один для всех операций ремонта, способный склеивать "металл + металл", "металл + пластик", "пластик + пластик" и иметь величину предела относительного удлинения при растяжении, равную либо близкую величине предела относительного удлинения при растяжении материала трубы;

4. высокопрочную ленту принимают по количеству витков в бандаже, толщине стенки и пределу прочности при растяжении в зависимости от величины потери прочности трубы;

5. заполняющий материал вносят в зону дефекта порционно и приклеивают его к стенкам дефекта до поверхности трубы, уплотняя каждый слой в кольцевом и осевом направлениях трубы;

6. первый виток ленты приклеивают клеем ко всей поверхности трубы по диаметру и ширине ленты при визуальном контроле вытеснения клея из-под ленты по ширине ленты и наличия сплошности слоя клея под лентой;

7. приклеивают все витки ленты от первого до последнего непрерывно натягивая и прижимая ленту к трубе с силой, обеспечивающей вытеснение клея из-под ленты в стороны по ее ширине и наличие сплошности слоя клея под лентой при непрерывном визуальном контроле;

8. механически закрепляют конец последнего витка ленты на бандаже от раскручивания;

9. заделывают торцы бандажа вытесненным объемом клея;

10. контролируют качество ремонта визуально в процессе навивки ленты на трубу с первого до последнего витка и в конце навивки бандажа замером толщины стенки бандажа и проверкой количества витков ленты в бандаже;

11. в результате ремонта получена бикомпозитная труба, работающая под внутренним давлением на растяжение и предупреждающая развитие дефекта в окружном и осевом направлениях;

12. бикомпозитная труба (отремонтированный участок трубопровода) имеет восстановленную прочность в зоне трубы с дефектом и увеличенную прочность в других зонах, что повышает надежность отремонтированного участка трубопровода.

Предложенный способ схематично представлен на фиг. 1 и 2.

На фиг.1 представлен участок отремонтированной трубы по длине трубы, где 1 - дефектная труба с толщиной стенки S^тp, глубиной дефекта (каверны, трещины) S_деф ^тp, длиной дефекта (проекцией дефекта на ось трубы) L_деф; 2 - витки высокопрочной ленты шириной В; 3 - клей; 4 - заполняющий материал, S_бк ^тp - толщина стенки бикомпозитной трубы, S^банд - толщина стенки рулонированного композитного бандажа.

На фиг. 2 представлен разрез отремонтированной трубы по А-А, фиг.1, где В_деф - ширина дефекта (каверны, трещины), S^л - толщина стенки высокопрочной ленты, L₂=(5-10)В_деф - расстояние установки и приклеивания к трубе конца первого витка высокопрочной ленты.

Способ ремонта осуществляется следующим образом.

На этапе подготовки к ремонту:

1. освобождают участок трубы от земли и других предметов, мешающих проведению ремонта;

2. зачищают дефектный участок (каверны, трещины) и наружную поверхность трубы шириной, равной либо больше ширины высокопрочной ленты В до металлического блеска шлифкругами или иглофрезами;

3. замеряют глубину дефекта (каверны, трещины) в стенке трубы S_деф ^тp;

4. уточняют величины предела прочности ^тp_в и предела относительного удлинения % при растяжении материала трубы (по паспорту трубопровода);

5. выбирают композитные материалы для склеивания с трубой и между собой:

- заполняющий материал на эпоксидной основе с металлическим наполнителем, способный склеиваться с металлом трубы и работать на растяжение, с посудным временем при 20^oС до 1 часа;

- клей на эпоксидной основе, способный склеивать "металл + металл", "металл + пластик", "пластик + пластик" с пределами прочности на сдвиг (растяжение), величиной относительного удлинения при растяжении, равной либо близкой величине предела относительного удлинения при растяжении материала трубы, с посудным временем при 20^oС, равным или близким времени заполняющего материала;

- ленту высокопрочную с продольными и поперечными нитями, например, фирмы ПО "Авангард" различных марок с пределами прочности при растяжении по:

длине ленты (кольцевые нагрузки) - ^л_в.к = 28,8-78,7 кгс/мм²;

ширине ленты (осевые нагрузки) - ^л_в.к = 2,4-22,3 кгс/мм²;

с толщиной ленты S^л= 1,56-2,30 мм и шириной В=L_деф+2L₁, где L₁=(5-10)S_деф ^тp;

6. рассчитывают толщину стенки бандажа - S^банд и число витков ленты в бандаже - n в зависимости от глубины дефекта стенки в трубе - S_деф ^тp, предела прочности при растяжении материала трубы - ^тр_в, предела прочности при растяжении по длине высокопрочной ленты - ^л_в.к, толщины ленты - S^л с учетом величины коэффициента повышения прочности трубы за счет ремонта заполняющим материалом;

7. приготавливают восокопрочную ленту для ремонта с рассчитанным числом витков - n;

8. подготавливают заполняющий материал из составных компонентов;

9. подготавливают клей из составных компонентов;

10. обезжиривают зачищенную поверхность трубы, например, ацетоном.

На этапе ремонта:

1. заполняют дефект порционно заполняющим материалом до поверхности трубы, приклеивая каждую порцию к стенкам дефекта, уплотняя ее шпателем в кольцевом и осевом направлениях трубы;

2. наносят клей на зачищенную поверхность трубы на участке ₂;

3. приклеивают конец первого витка ленты к трубе на расстоянии L₂=(5-10)B_деф от ближнего края дефекта, прижимают его к трубе, контролируя визуально вытеснение клея из-под ленты во все стороны, выдерживают прижатую ленту в течение 8-10 минут. Длины L₂ и времени выдержки в 8-10 минут достаточно для того, чтобы лента приклеилась (прихватилась) к трубе и удерживала ленту на трубе при намотке первого витка;

4. наносят клей на всю зачищенную и обезжиренную поверхность трубы и приклеивают первый виток ленты к трубе, визуально контролируя вытеснение клея из-под ленты в стороны по ее ширине и сплошность слоя клея под лентой. При несплошности слоя клея под лентой клей наносят дополнительно;

5. наносят клей на наружную поверхность ленты первого и последующих витков и приклевают ленту к трубе, непрерывно с первого до последнего витка с натяжением и прижимом ленты к трубе с силой, обеспечивающей вытеснение клея из-под ленты в стороны по ее ширине и визуальном контроле сплошности слоя клея под приклеиваемой лентой;

6. закрепляют винтами-саморезами конец последнего витка ленты на бандаже от раскручивания;

7. заделывают торцы бандажа вытесненным объемом клея;

8. замеряют толщину стенки бандажа и проверяют количество витков ленты в бандаже;

9. сушат бандаж.

Пример конкретного исполнения.

В условиях ЛПДС "Кузьмичи" Волгоградского районного нефтяного управления был произведен опытный ремонт предлагаемым способом прямошовной нефтепроводной трубы диаметром 1220 мм, толщиной стенки 12 мм, работающей под давлением Р_раб= 5,5 МПа. Труба была изготовлена из стали с пределом прочности при растяжении - ^тр_в = 51 кгс/мм² и с пределом относительного удлинения при растяжении =22% и имела на своей поверхности искусственный дефект U-образной формы, имитирующий дефект (каверну) на наружной поверхности трубы. Каверна имела размеры: по глубине - S_деф ^тp=7 мм, по длине L_деф=200 мм и по ширине B_деф=55 мм.

Для оценки качества ремонта трубы в условиях эксплуатации после ремонта, под внутренним давлением, был изготовлен сосуд к трубе (оболочке) длиной 11080 мм были приварены к торцам переходные кольца и эллиптические днища. В переходное кольцо были вварены патрубок, для обеспечения внутреннего давления в сосуде от гидронасоса, и сапун, для заполнения сосуда водой и удаления воздуха из сосуда перед повышением в нем давления. Труба (оболочка) имела монтажный (в полевых условиях) кольцевой шов, соединивший трубу длиной 6000 мм и длиной 2580 мм. На трубе по оси была нанесена шкала через 200 мм с "0" делением в середине трубы для установки места ремонта (на "0" делении) и оценки деформаций сечений трубы под нагрузками внутренним давлением.

Ремонт трубы осуществляли следующими действиями.

1. На этапе подготовки к ремонту.

1.1. Зачистили до металлического блеска дефектный участок и наружную поверхность трубы по периметру на ширине 350 мм (симметрично от середины каверны, по 175 мм от "0" деления шкалы) шлифмашинкой, иглофрезой и металлической щеткой.

1.2. Замерили глубину дефекта (каверны) в стенке трубы - S_деф ^тp= 7 мм.

1.3. Уточнили величины предела прочности при растяжении материала трубы - ^тр_в = 51 кгс/мм² и предел относительного удлинения при растяжении =22%.

1.4. Выбрали композитные материалы для склеивания с трубой и между собой:

- заполняющий материал марки "РЭМ-Сталь", составленный из 2-х компонентов на эпоксидной основе с содержанием 60-70% мелкодисперсного металлического порошка из нержавеющей стали типа 18-8 с механическими свойствами:

предел прочности при растяжении - _в = 2,5 кгс/мм²;

предел прочности при срезе - _среза = 2,5 кгс/мм²;

предел прочности при склеивании - _скл = 1,5 кгс/мм²;

предел прочности при сжатии - _сж = 6,0 кгс/мм²,

посудным временем при 20^oС - 40 минут, времени набора 80%, прочности при 20^oС - 24 часа, температуре длительного сохранения прочностных показателей от минус 60^oС до плюс 130^oС, выпускаемого фирмой "Порсил ЛТД" (г. Санкт-Петербург);

- клей марки "ЭПУ-51", составленный на эпоксидной основе с механическими свойствами после отверждения:

предел прочности при растяжении - _в = 1,02 кгс/мм²;

предел относительного удлинения при растяжении =22%;

предел прочности при склеивании (растяжении):

"металл + металл" - 0,99 кгс/мм², "металл + пластик" и "пластик + пластик" - 0,96 кгс/мм², посудное время при 20^oС - 40 минут, время набора 80% прочности при 20^oС до 24 часов, выпускаемого фирмой АО "ВНИИСТ", г. Москва;

- высокопрочная лента марки "Clock Spring" с продольными и поперечными нитями с пределами прочности при растяжении по: длине ленты (кольцевые нагрузки) - ^л_в.к = 28,8 кгс/мм², ширине ленты (осевые нагрузки) - ^л_в.o = 2,4 кгс/мм² с толщиной ленты - S^л=2,0 мм и шириной ленты В=300 мм (принятой из условия В = L_деф + 2L₁ = 200 + 2(5-10) (S_деф ^тp = 200+2(5-10)7 мм), выпускаемой фирмой ПО "Авангард", г. Сафоново Смоленской области.

1.5. Рассчитали толщину стенки бандажа из выражения



рассчитали число витков ленты n в бандаже из выражения



Приняли для ремонта 6 полных витков

1.6. Подготовили "РЭМ-Сталь" и клей "ЭПУ-51" из составных элементов.

1.7. Обезжирили зачищенную поверхность трубы ацетоном.

2. На этапе ремонта трубы:

2.1. внесли в каверну (дефект) заполняющий материал "РЭМ-Сталь", в деформированном состоянии, порционно (5 порций) до поверхности трубы, приклеивая каждую порцию к стенкам дефекта, уплотняя в кольцевом и осевом направлениях трубы;

2.2. нанесли клей "ЭПУ-51" кистью (валиком) на всю зачищенную поверхность ремонтируемой трубы, заполняющий материал в каверне и на внутреннюю поверхность высокопрочной ленты толщиной слоя 1,0-1,5 мм;

2.3. приклеили к трубе конец первого витка высокопрочной ленты на расстоянии 300 мм от оси каверны шириной 55 мм, прижали ленту к трубе, контролируя визуально вытеснение клея из-под ленты во все стороны, выдержали прижатую ленту в течение 8-10 минут и приклеили первый виток ленты к трубе и заполняющему материалу с силой, обеспечивающей вытеснение клея из-под ленты в стороны по ее ширине и визуальном контроле сплошности слоя клея под лентой;

2.4. нанесли клей на наружную поверхность первого витка ленты слоем 1,0-1,5 мм;

2.5. приклеили второй виток высокопрочной ленты к первому витку с одновременным натяжением и прижимом ленты к трубе до вытеснения клея из-под ленты, контролируя визуально сплошность слоя клея под лентой и вытеснение клея;

2.6. нанесли клей на наружную поверхность ленты второго и последующих витков и приклеили непрерывно с первого до последнего витка с натяжением и прижимом ленты к трубе с силой, обеспечивающей вытеснение клея из-под ленты в стороны по ее ширине и визуальном контроле сплошности слоя клея под приклеиваемой лентой;

2.7. закрепили конец последнего витка ленты на бандаже винтами-саморезами;

2.8. заделали торцы бандажа вытесненным объемом клея;

2.9. проконтролировали качество ремонта визуально и замером толщины стенки бандажа, подсчетом количества витков ленты в бандаже и сравнением их с расчетными величинами;

2.10. высушили бандаж в течение 36 часов.

Оценку качества ремонта трубы в условиях эксплуатации под внутренним давлением осуществили нагружением сосуда внутренним давлением при Р_исп=0-55-0-80-0-40 кгс/см². Разрушение сосуда произошло при Р_исп=240 кгс/см² по кольцевому шву трубы с переходом на продольный шов и основной металл трубы.

Замерили диаметры трубы в сечениях деления шкалы до нагрузки трубы внутренним давлением и после ее разрушения. Данные замеров занесли в таблицу 1.

Построили по данным таблицы 1 график зависимости величин деформации трубы Д после разрушения трубы, отремонтированной композитными материалами (см. фиг.3).

Вырезали бикомпозитный участок трубы из сосуда для проведения лабораторных испытаний материала трубы в зоне ремонта (в зоне каверны, в остаточной толщине и толщине стенки около каверны).

Металловедческие лабораторные испытания материала трубы после ремонта показали, что в эпицентре искусственного дефекта следов локализации пластической деформации не обнаружено.

Отсутствие пластических деформаций в остаточной толщине стенки каверны подтверждается и графиком, где по краям бандажа в 300 мм деформация трубы не превышает 1%, а пластические деформации в 2,5% начинаются в трубе на расстояниях по 600 мм от центра бандажа (от третьего деления шкалы на трубе).

Положительный эффект предложенного способа ремонта трубы:

1. Малозатратен и прост в реализации - требуется только три композитных материала, расходуется лента с расчетным числом витков, время на установку бандажа не превышает 40 минут, а на ремонт трубы 1,5-2,0 суток.

2. Отремонтированный участок трубопровода превращен в бикомпозитную трубу, работающую на растяжение и имеющую восстановленную прочность в зоне дефекта и завышенную прочность и надежность всего отремонтированного участка. Опытная труба в примере конкретного исполнения разрушилась при давлении в два раза больше расчетного.

3. Позволяет восстанавливать прочность труб с дефектами внутри трубы, например, от эрозии, для чего из способа ремонта надо исключить применение заполняющего материала, а из формулы расчета толщины стенки бандажа надо убрать коэффициент повышения прочности трубы за счет ремонта заполняющим материалом.