РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОКЛАДКИ ТРУБОПРОВОДОВ В ОБСЫПКЕ ИЗ ГИДРОФОБИЗИРОВАННЫХ ГРУТОВ-Оборудование транспорта и хранения нефти и газа

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОКЛАДКИ ТРУБОПРОВОДОВ В ОБСЫПКЕ ИЗ ГИДРОФОБИЗИРОВАННЫХ ГРУТОВ-Оборудование транспорта и хранения нефти и газа
1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СПОСОБОВ ПРОКЛАДКИ ТРУБОПРОВОДОВ И СПОСОБОВ ИХ ЗАЩИТЫ ОТ КОРРОЗИИ

1.1 Классификация способов прокладки трубопроводов с использованием специальных обработанных грунтов засыпки

 Магистральные трубопроводы – это капитальные инженерные сооружения, рассчитанные на длительный срок эксплуатации и предназначенные для бесперебойной транспортировки на значительные расстояния природных и искусственных газов (в газообразном и сжиженном состоянии), нефти, нефтепродуктов, воды, твердых и сыпучих тел, взвешенных в потоке воздуха или воды, от мест их добычи, переработки, забора (начальная точка трубопровода) к местам потребления (конечная точка).
 Линейная часть трубопровода прокладывается в разнообразных топографических, геологических, гидрогеологических и климатических условиях. Наряду с участками, обладающими большой несущей способностью, вдоль трассы часто встречаются участки с грунтами малой несущей способности, а также болотистые участки, участки многолетнемерзлых грунтов и др. Кроме того, магистральные трубопроводы пересекают значительное число естественных и искусственных препятствий (реки, озера, железные и шоссейные дороги), требующих соответствующих конструктивных решений, которые обеспечивают как надежную работу трубопровода, так и беспрепятственную эксплуатацию пересекаемых искусственных сооружений по их прямому назначению [16].
 В настоящее время существуют следующие принципиально различные конструктивные схемы прокладки магистральных трубопроводов: подземная, полуподземная, наземная и надземная, а также прокладка в каналах и коллекторах. Выбор той или иной схемы прокладки определяется условиями строительства и окончательно принимается на основании технико-экономического сравнения различных вариантов [5].
 На рисунке 1.1 представлена классификация способов прокладки трубопроводов.
 Полуподземная схема укладки (рисунок 1.2) применяется при пе-ресечении трубопроводом заболоченных и солончаковых участков, при наличии подстилающих скальных пород, а также при пересечениях с другими коммуникациями. Трубопровод укладывается в грунт на глубину менее диаметра с последующим обвалованием выступающей части.
Наземная схема укладки (рисунок 1.3) в насыпи преимущественно используется в сильно обводненных и заболоченных районах, иногда при наличии скальных пород и при пересечении других коммуникаций. При всех ее преимуществах недостатком является слабая устойчивость грунта насыпи и устройство большого числа водопропускных сооружений.
 Надземная прокладка трубопроводов (рисунок 1.4) или их отдельных участков рекомендуется в пустынных и горных районах, болотистых местностях, районах горных выработок, оползней и районах распространения вечномерзлых грунтов, а также на переходах через естественные и искусственные препятствия. При надземной прокладке сводится к минимуму объем земляных работ, отпадает необходимость в дорогостоящей пригрузке и в устройстве защиты от почвенной коррозии и блуждающих токов. Однако надземная укладка имеет недостатки: загроможденность территории, устройство опор, специальных проездов для техники и миграции животных и значительная подверженность трубопровода суточным и сезонным колебаниям температуры, что требует принятия специальных мер.
 В каналах и коллекторах прокладываются водоводы, теплопроводы, трубопроводы для перекачки высоковязких и застывающих нефтей, в том числе с путевым подогревом, а также трубопроводы в вечномерзлых грунтах (рисунок 1.5). Для сокращения тепловых потерь стенки каналов изготавливают
из теплоизоляционных материалов.
1.2 Обзор способов защиты трубопроводов от коррозии

 Срок службы металлических конструкций в естественных условиях окружающей среды часто относительно короткий. Продлить его можно в основном четырьмя способами, которые широко используются в практике [2]. К ним относятся:
1) изоляция поверхности сооружения от контакта с внешней агрессивной средой;
2) использование коррозионно-стойких материалов;
3) воздействие на окружающую среду с целью снижения ее агрес-сивности;
4) применение электрозащиты подземных металлических сооружений.
Классификация способов защиты трубопроводов от коррозии представлена на рисунке 1.7.
Первый способ носит название пассивной защиты. Он предусматривает:
а) нанесение на поверхность металла слоя химически инертного относительно металла и окружающей агрессивной среды вещества с высокими диэлектрическими свойствами. В качестве защитных материалов применяют различного рода мастики, краски, лаки, эмали, пластмассы. Эти материалы жидкие в процессе нанесения, затем высыхают, образуя твердую пленку, которая обладает достаточной прочностью и хорошим сцеплением (адгезией) с поверхностью защищаемого металла.
Применение защитного слоя на металлических объектах – наиболее распространенный метод. Также наносят на изделия из малостойкого металла (обычно углеродистые стали) тонкого слоя другого металла, обладающего меньшей скоростью коррозии в данной среде (например, цинкование, хромирование или никелирование стальных изделий);
б) специальные методы укладки, часто применяемые для защиты подземных сооружений на территории городов и промышленных площадок, например коллекторную прокладку, при которой подземные трубопроводы размещают в специальных каналах. Изолирующим слоем в данном случае является воздушный зазор между стенкой трубопровода и каналом;













Рисунок 1.7 – Классификация способов защиты трубопроводов от коррозии
в) обработку изделий специальными растворами, в результате чего на поверхности металла образуется слой малорастворимых солей металла. Примером может служить образование нерастворимых фосфатов на поверхности стальных изделий (фосфатирование) или оксида алюминия на изделиях из алюминиевых сплавов. Обработка поверхности металлических изделий растворами пассиваторов производится для перевода поверхностного слоя металла из активного состояния в пассивное, при котором резко уменьшается переход ионов металла в раствор и тем самым снижается интенсивность коррозионного процесса (на газонефтепроводах не применяются).
Второй способ защиты – введение в металл компонентов, повы-шающих его коррозионную стойкость в данных условиях, или удаление вредных примесей, ускоряющих коррозию. Он применяется на стадии изготовления металла, а также при термической и механической обработке металлических деталей. Во многих случаях легирование металла, мало склонного к пассивации, металлом, легко пассивируемым в данной среде, приводит к образованию сплава, обладающего той же (или почти той же) пассивируемостью, что и легирующий металл. Таким путем получены многочисленные коррозионно-стойкие сплавы, например нержавеющие стали, легированные хромом и никелем. Однако широкое внедрение этого способа сдерживается высокой стоимостью нержавеющих металлов.
Сюда же часто относят использование неметаллических материалов, обладающих высокой химической стойкостью (асбоцемента, бетона, керамики, стекла, пластмассы и т.д.). Однако изготовление изделий из коррозионно-стойких материалов не должно рассматриваться как способ защиты от коррозии: где нет коррозионного процесса, там нет и защиты от него.
Третий способ защиты предусматривает дезактивационную обработку агрессивной среды введением ингибиторов (замедлителей) коррозии. Действие ингибиторов сводится в основном к адсорбции на поверхности металла молекул или ионов ингибитора, тормозящих коррозию. К этому способу можно отнести и удаление агрессивных компонентов из состава коррозионной среды (деаэрация водных растворов, очистка воздуха от примесей и осушка его).
Обработка коррозионной среды различными ядохимикатами позволяет значительно снизить интенсивность деятельности микроор-ганизмов, что уменьшает опасность биокоррозии металлов.
При борьбе с подземной коррозией осуществляется обработка агрессивного грунта с целью обеспечения его гидрофобизации (несмачиваемости водой), нейтрализация щелочами или кислотами и частичная замена на менее агрессивный грунт или специальную засыпку. Последнее мероприятие может рассматриваться как защита изоляции и металла от прямого воздействия среды.
Четвертый способ носит название активной защиты. Сюда относятся:
а) постоянная катодная поляризация металлического сооружения, эксплуатирующегося в среде с достаточно большой электропроводностью. Такая поляризация, осуществляемая от внешнего источника электрической энергии, носит название катодной защиты. В некоторых случаях катодная поляризация может производиться не постоянно, а периодически, что дает ощутимый экономический эффект. При катодной защите изделию придается настолько отрицательный электрический потенциал, что оно становится катодом и разрушение металла термодинамически невозможно;
б) катодная поляризация, вызванная электрическим контактом сооружения с металлом, обладающим более отрицательным электродным потенциалом, например стального сооружения с отливками из магниевых сплавов. Более электроотрицательный металл (магний) в среде с достаточно высокой электропроводностью подвергается разрушению и его следует периодически возобновлять. Такой металл называется протектором, а метод – протекторной защитой (от латинского «protector» – защитник).
в) электродренажная защита, к этому методу можно отнести мероприятия по борьбе с блуждающими токами, которые осуществляются по двум основным направлениям: предупреждение или уменьшение возможности возникновения блуждающих токов на самом источнике тока и проведение специальных работ на защищаемом подземном сооружении по отводу блуждающих токов. Мероприятия первого направления – обязательная, но только начальная мера. Независимо от этого вида работ обязательно производится защита самих подземных сооружений: использование изолирующих современных покрытий, устройство электрических экранов, установка изолирующих фланцев (соединений) на трубопроводах [2].
Основными направлениями совершенствования борьбы с коррозией являются:
• применение новых конструкций и способов нанесения изоляционных покрытий;
• применение различных технологических мероприятий;
• использование ингибиторов;
• использование высокоэффективных и экономичных труб и защитных покрытий (органических, силикатных, металлических);
• создание надежных методов обследования действующих трубопроводов без нарушения режима их работы;
• строительство трубопроводов из неметаллических труб.
Применение неметаллических труб (и в особенности стеклопластиковых) представляется наиболее перспективным.
К технологическим методам повышения надежности нефтепромысловых трубопроводов относится электрохимическая защита (ЭХЗ) трубопроводов.
Задача метода ЭХЗ подземных металлических сооружений – защита от почвенной коррозии, от коррозии блуждающими токами и торможение коррозионного процесса с целью исключения появлений отказов нефтепромысловых трубопроводов [7].
Электрохимическая защита состоит в том, что при смещении электродного потенциала металлов в отрицательную сторону коррозионные процессы тормозятся. Для осуществления смещения потенциала необходим источник электрической энергии. В зависимости от типа этого источника различают несколько методов защиты: катодную с внешним источником постоянного тока, протекторную и электродренажную. В общем случае принцип защиты с помощью протекторов состоит в образовании гальванической пары, катодом которой является труба, а анодом – протектор. Металл протектора должен иметь электродный потенциал более отрицательный, чем электродный потенциал защищаемого металла [8].
Другим методом защиты поверхности нефтепромысловых трубопроводов является использование ингибиторов коррозии. Их защитное действие обусловлено воздействием на кинетику электрохимических реакций, лежащих в основе коррозионного процесса [9]. Механизм защитного действия связан, в первую очередь, с адсорбцией ингибиторов коррозии на границе металл-среда.
Существует несколько технологий применения ингибиторов коррозии. Это – непрерывное дозирование, непрерывное дозирование с предварительной ударной дозировкой, пробковые технологии, периодическая подача, закачка в пласт и т.д. [10].
Наиболее перспективным направлением в последние годы является использование различных покрытий. Условия эксплуатации трубопроводов весьма многообразны, поэтому большой выбор имеющихся в настоящее время защитных покрытий, которые отличаются друг от друга как свойствами, так и технологией нанесения, позволяет во многих случаях успешно решать проблему борьбы с коррозией.
Качественные покрытия не только экранируют металлические стенки труб от коррозионного воздействия среды, но и снижают металлоемкость сооружения за счет применения тонкостенных труб.
Применяемые изоляционные покрытия должны обладать следующими свойствами:
1) водонепроницаемостью, исключающей возможность насыщения пор покрытия почвенной влагой и тем самым препятствующей контакту электролита с поверхностью защищаемого металла;
2) хорошей адгезией (прилипаемостью) покрытия к металлу, что предотвращает отслаивание изоляции при небольшом местном разрушении, а также исключает проникновение электролита под покрытие;
3) сплошностью, обеспечивающей надежность покрытия, так как даже мельчайшая пористость в покрытии приводит к созданию электролитических ячеек и протеканию коррозионных процессов;
4) химической стойкостью, обеспечивающей длительную работу покрытия в условиях агрессивных сред;
5) электрохимической нейтральностью: отдельные составляющие покрытия не должны участвовать в катодном процессе в противном случае это может привести к разрушению изоляции при электрохимической защите металлического сооружения;
6) механической прочностью, достаточной для проведения изо-ляционно-укладочных работ при сооружении металлического объекта и выдерживающей эксплуатационные нагрузки;
7) термостойкостью, определяемой необходимой температурой размягчения, что важно при изоляции «горячих» объектов, и температурой наступления хрупкости, что имеет большое значение при проведении изоляционных работ в зимнее время;
8) диэлектрическими свойствами, определяющими сопротивление прохождению тока, предотвращающими возникновение коррозионных элементов между металлом и электролитом и обусловливающими экономический эффект от применения электрохимической защиты;
9) отсутствием коррозионного и химического воздействия на защищаемый объект;
10) возможностью механизации процесса нанесения изоляционного покрытия как в базовых, так и в полевых условиях;
11) недефицитностью (широкое применение находят только те материалы, которые имеются в достаточном количестве);
12) экономичностью (стоимость изоляционного покрытия должна быть во много раз меньше стоимости защищаемого объекта) [2].
Всем этим требованиям не отвечает ни один естественный или искусственный материал, поэтому выбор изоляционного покрытия определяется конкретными условиями строительства и эксплуатации трубопроводов, наличием сырьевой базы, технологичностью процесса нанесения покрытия и т.д., эти условия и определяют диапазон материалов, применяемых в качестве покрытий для стальных труб.
 На рисунке 1.8 представлена классификация изоляционных покрытий трубопроводов. В этой классификации отражены назначение, типы, материалы изоляционных покрытий, способы, поверхности и температура нанесения изоляции и т.д., которые используются в настоящее время или прошли апробацию ранее с положительным или отрицательным эффектом.
 Более подробно представленные изоляционные материалы и способы их нанесения широко представлены в учебной, нормативной и периодической литературе.

На основании проведенного анализа способов прокладки трубопроводов и их защиты от коррозии можно сказать, что на сегодняшний день не существует надежного способа прокладки трубопровода с обеспечением защиты металла трубы от коррозии.
 Целью наших исследований является увеличение надежности эксплуатации трубопроводов и улучшений условий работы трубопровода.
 Задачами, которые при этом должны решаться, являются:
- надежная защита трубопровода от коррозии;
- защита изоляции от механических повреждений;
- увеличение срока службы изоляции;
- обеспечение продольной устойчивости трубопровода;
- разработка технологии и технологических карт на прокладку трубопроводов в обсыпке из гидрофобизированных грунтов;
2 ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ГИДРОФОБИЗИРОВАННЫХ ГРУНТОВ

2.1 Разработка требований к свойствам гидрофобизированных грунтов и выбор вяжущих продуктов
Для увеличения долговечности изоляционных покрытий необходима защита от негативного действия окружающей среды. Одним из возможных методов увеличения срока службы покрытий является обработка изоляции органическими вяжущими и обвалование трубопроводов гидрофобизированными грунтами с пониженной коррозионной активностью. Следовательно, в первую очередь необходимо проведение экспериментальных исследований с целью обоснования возможности применения гидрофобизированных (закрепленных) грунтов в качестве материала для защиты изоляционных покрытий.
Защитные свойства гидрофобизированных грунтов будут в значительной степени зависеть от вида грунта, от его влажности, от дозировки вяжущего и других физико-механических свойств. Поэтому на основании результатов проведенных экспериментальных исследований необходимо разработать требования к физико-механическим свойствам и к коррозионной активности гидрофобизированных грунтов. Последующей задачей является экспериментальное определение параметров гидрофобизированных грунтов, обеспечивающих наилучшее качество защиты. Важной задачей является определение оптимальной дозировки вяжущих продуктов для получения гидрофобизированных грунтов, а также выбор толщины обвалования трубопроводов из гидрофобизированных грунтов.
В дорожном строительстве разработаны требования к грунтам, укрепленным жидкими органическими вяжущими материалами (жидкие битумы и дегти) с добавками или без добавок минеральных вяжущих /83, 98/.
Требования к физико-механическим свойствам закрепленных грунтом для трубопроводного строительства разработаны на основе опыта дорожного и аэродромного строительства. Грунты закрепляются и гидрофобизируются для повышения водостойкости, уменьшения водопроницаемости и увеличения их несущей способности /13, 93, 94/.
Грунты, обработанные вяжущими для защиты изоляционного покрытия и трубопровода от негативного действия окружающей среды, а именно, для повышения водостойкости, уменьшения водонасыщения, размокаемости, водо- и газопроницаемости и в меньшей мере для увеличения несущей способности в дальнейшем будут называться гидрофобизированными.
Требования к физико-механическим свойствам гидрофобизированных грунтов, используемых для защиты изоляционного покрытия и трубопровода от вредного воздействия окружающей среды представлены в табл. 2.1 Они разработаны с учетом опыта дорожного и трубопроводного строительства. При этом более повышенные требования предъявляются к гидрофобным свойствам и к коррозионной активности и в меньшей мере к прочностным свойствам грунтов.
Прочность образцов при сжатии и изгибе определяются на прессе по стандартной методике СоюзДОРНИИ /83/. Угол внутреннего трения и сцепления грунта определяются испытанием на сдвиг в приборах одноплоскостного среза, например, ГГП-30 для образцов с любой исходной влажностью и заданным уплотнением, со сроком хранения не менее 7 суток. Испытание проводится по способу медленного сдвига в условиях стабилизации осадка штампа. Набухание и водонасыщение образцов может быть определено как методом взвешивания /83, 100/, так и по методике Гидропроекта с использованием прибора ПНГ.
Минимальное время размокаемости, равное 7 суткам определяется временем, необходимым для набора прочности грунтов до 70 % от проектной. Испытание проводится по методике Гидропроекта на приборе ПРГ.
3.2 Исследование изменения переходного сопротивления
изоляционных покрытий трубопроводов при обсыпки
гидрофобизированными грунтами
Изменение состояния изоляционного покрытия вследствие протекания процессов старения приводит к постепенному монотонному снижению пере-ходного сопротивления.
Установление закономерности изменения во времени переходного сопро-тивления изоляционных покрытий позволяет эффективно решать вопросы качественного строительства и надежной эксплуатации трубопроводов за счет оптимального выбора изоляционных покрытий, их толщины и количества слоев в период проектирования конкретного трубопровода, любому эксперименту должно предшествовать планирование эксперимента.
Экспериментальные данные всегда содержат погрешности, вызванные ошибками измерений, последние, в соответствии с причинами, которые их вы-зывают, делятся на систематические и случайные /30, 82, 89/.
Величина случайных ошибок различна даже для измерений, выполняе-мых одинаковым образом, в нашем случае она обусловлена неоднородностью грунта и нарушением его естественного сложения.
По данным разных исследователей величина случайных ошибок ∆ х в экспериментах на грунте составляет 10 ... 20 % /6, 93/ и 50 ... 100 % /13, 15/. Одним из способов уменьшения случайных ошибок является увеличение числа измерений, поэтому необходимо рассчитать количество измерений, чтобы слу-чайная ошибка практически не играла роли. Для этого выполняются оценочные расчеты достоверности получаемых результатов.
Систематическая ошибка , определяемая классом точности прибора (А, V), составляет, примерно, 0,1 %. Согласно /30, 89/, уменьшать случайную ошибку целесообразно только до тех пор, пока общая погрешность измерения не будет полностью определяться систематической ошибкой. Для этого необ-ходимо, чтобы доверительный интервал, определенный со стандартной сте-пенью надежности = 0,95 был бы существенно меньше величины системати-ческой ошибки.
δ (3.1)
Практически для экспериментов на грунте можно удовлетвориться требованием
(3.2)
Тогда неодходимое количество опытов определим из соотношения:
(3.3)
где S х – средняя квадратичная ошибка единичного результата.
Примем = 20 %, откуда с доверительной вероятностью = 0,95:
(3.4)
Вычислим Sх по (3.4) и подставляя в (3.3) окончательно получим n = 4 104. Практически такое число опытов для единичного результата выпол-нить невозможно. В этом случае рекомендуется менять методику эксперимента с целью исключения такой большой случайной ошибки.
Представляется возможным только единственный путь: проведение на-турного эксперимента по определению фактического влияния обсыпки из гид-рофобизированных грунтов на изменение переходного электросопротивления на трубах с диаметром, соответствующим реальному трубопроводу в условиях максимально приближенных к реальным (трассовым). При такой постановке эксперимента случайная ошибка сводится к минимуму.
На данном этапе исследования ставится задача определения качественно-го изменения переходного сопротивления изоляционных покрытий в гидрофо-бизированных грунтах и поэтому исследования планируются провести на од-ном виде изоляции.
Согласно требований к моделям изолированного трубопровода, иссле-дуемых на долгосрочное прогнозирование изменения защитных свойств изоля-ционных покрытий /11, 34, 99/, в непосредственной близости от газопровода Ишимбай-Уфа в сентябре 1983 г. были заложены в Демском районе г. Уфы об-разцы труб, длина труб 3 м, а диаметр 0,225 м. Образцы заложены на глубину 0,8 м от верхней образующей.
В течение длительного времени определяется разность потенциалов и переходное сопротивление ”труба-земля“ изоляционных покрытий. Измерения проводятся с августа 1984 г., т.е. примерно через год после закладки образцов, ввиду того, что согласно рекомендаций /34, 46, 95/, начальное значение пере-ходного сопротивления ”труба-земля“ следует определять через 10 ... 12 меся-цев после укладки трубопровода в грунт.
Из практики эксплуатации трубопровода известно, что переходное соп-ротивление может изменяться в широких пределах: от десятков Ом м2 (изоля-ция отсутствует или практически разрушена) до 104 ... 105 (изоляция выполнена с соблюдением требований технологического контроля) /33, 34, 46/.
Средние годовые значения переходного сопртивления ”труба-земля“ для исследуемых образцов, а также расчетные значения, определенные по различ-ным методам, представлены в табл. 3.5 /55, 86/.
Некоторые вопросы прогнозирования изменения защитных свойств и оп-ределения срока службы изоляционных покрытий рассмотрены в работах А.М. Зиневича, В.Ф. Храмихиной, А.М. Калашниковой, А.М. Крикунец, А.И. Слуц-кого, Н.П. Нечаева, Г.М. Мянковой и др. /20, 33, 34, 40, 58, 67, 85, 95, 112/.