Разработка методов повышения работоспособности трубопроводов, транспортирующих многофазные среды: на примере конденсатопровода «Вуктыл-СГПЗ»

Опыт эксплуатации трубопроводов, транспортирующих многофазные среды, включая нефть, газовый конденсат, газ, пластовую воду, показывает, что в ряде случаев имеет место интенсивное развитие коррозии внутренней поверхности трубопровода [10, 19, 25, 36]. Скорость коррозии при этом составляет до нескольких миллиметров в год, что за непродолжительное время приводит к образованию сквозных повреждений металла трубы, разливу продукта и, как следствие, к значительному экологическому и экономическому ущербу [7].

Следовательно, актуальность выбранной темы не вызывает сомнения, особенно учитывая интенсивное обводнение большинства крупных нефтегазоконден-сатных месторождений на стадии падающей добычи в заключительный период их эксплуатации.

Анализ методов повышения работоспособности трубопроводов в таких условиях показывает, что существующие методы можно условно разделить на две группы: первая — связана с применением коррозионно-стойкого оборудования [25, 95]. Однако такие методы невозможно использовать без остановки работы трубопровода и их реализация связана со значительными материальными, трудовыми и временными затратами.

Другая группа методов направлена на снижение коррозионной активности среды. Чаще всего для этих целей применяют ингибиторы коррозии, которые снижают скорость коррозионных процессов [14, 77]. Наибольшей эффективностью обладают ингибиторы, которые применяют для предотвращения коррозии на непротяженных участках трубопроводов. Если трубопровод магистральный, характеризующийся изменением типа течения’среды, температуры, давления и даже скоростью движения отдельных фаз при расслоенном потоке или образовании «застойных» зон, то эффективность применения ингибиторов в таких условиях низкая [72]. Кроме этого метод ингибирования достаточно дорог, т.к. требует постоянного ввода реагентов в состав среды [26].

Наиболее перспективными и дешевыми являются безреагентные методы снижения коррозионной среды, в частности, метод, основанный на магнитной обработке среды [16]. Однако применение метода ограничивается непродолжительным действием магнитного эффекта. Кроме этого, известные устройства по омагничива-нию препятствуют пропуску внутритрубных приборов (очистных поршней, профиле-меров, дефектоскопов). Поэтому для его применения необходимо точно поставить устройство для магнитной обработки среды на начало коррозионно-опасного участка. Для оптимизации энергетических затрат на реализацию метода необходимо точно знать параметры магнитной обработки, эффективно снижающие коррозионную активность конкретной среды.

Цель работы. Разработка эффективных методов повышения работоспособности трубопроводов, транспортирующих многофазные среды, базирующихся на основе результатов лабораторных и полевых испытаний.

В работе решаются следующие задачи:

1. Выявить особенности коррозионной поврежденности внутренней поверхности трубопроводов на основе результатов внутритрубной дефектоскопии и последующего обследования дефектов в шурфах.

2. Провести имитационные коррозионные испытания металла в условиях многофазной среды «пластовая вода — газовый конденсат».

3. Разработать методы выявления участков трубопровода с расслоенным потоком течения транспортируемой среды.

4. Экспериментально определить оптимальные режимы магнитной обработки пластовой воды для снижения ее коррозионной активности.

5. Оценить экономическую эффективность разработанных технических решений.

Научная новизна:

1) Обследованием в шурфах 675 коррозионных повреждений установлено, что с достоверностью 0,94 внутренние дефекты характеризуются совокупностью следующих признаков: отношение продольных размеров к поперечным — 0,15−0,36, часовое расположение 3−5 и 7−9 часов, повреждение состоит нескольких локальных дефектов площадью 5−10 см2.

2) Имитационными испытаниями определено, что наиболее интенсивное развитие коррозии происходит на границе «конденсат — вода» потеря массы образцов на 25−63% больше, чем образцов, экспозированных в пластовой воде. В динамике скорости коррозии датчиков модели трубопровода, установленных в водной среде и на границе жидких сред отличаются почти на порядок.

3) Расчетом параметров акустического поля доказано, что для реализации ре-верберационного метода контроля среды через стенку трубопровода толщиной 8 мм наиболее оптимальным является применение преобразователя S 3567 частотой 2,5 МГц и диаметром пьезопластины 5,0 мм.

4) Впервые установлены критерии определения типа среды реверберацион-ным методом по отношению амплитуд эхо-сингалов:

-^- = 0,86 -газИл±- = о, 82 -конденсатZH = o, 80 -вода.

Р Р" «Р» „

5) Результатами лабораторных испытаний доказано, что наиболее оптимальными являются следующие параметры магнитной обработки, снижающие скорость коррозии с 0,9 мм/год до 0,1 мм/год: напряженность магнитного поля — 300 кА/м, число перемагничиваний — 10−12, соотношение объема омагниченного и неомагни-ченного раствора — 0,1, скважность импульсов электрического тока для электромагнитной обработки — 0,4.

6) Установлено эффективное время действия для всех режимов магнитной обработки, составляющее в статических условиях 16 ч, при перемешивании среды 9 ч, после чего наблюдается тенденция существенного снижения антикоррозионного эффекта.

7) Впервые получены регрессионные модели скорости коррозии СК от напряженности магнитного поля Н, количества перемагничиваний N и доли омагниченного раствора в смеси Сом имеющие общий вид СК=А (С0м)2+ВС0м+С. При этом, коэффициенты А, В и С можно определить из выражений: A=-3−10″ 12(NH)2+2−10″ 8NH+5−10″ 5;

В=5−10″ 9(NH)2−3-10″ 5NH+0,0648- C=10−8(NH)2+10″ >NH +0,8761.

Основные защищаемые положения диссертации:

— результаты анализа данных внутритрубной дефектоскопии и лабораторных испытаний, в т. ч. выполненных на модели трубопровода при движении в нем многофазного потока;

— методика расчета основных параметров пьезоэлектрического преобразователя;

— новые критерии оценки вида среды в конденсатопроводе ультразвуковым реверберационным методом.

— методика определения параметров магнитной обработки, обеспечивающих оптимальное снижение коррозионной активности среды.

Практическая ценность работы заключается в разработке неразрушающего метода оценки типа течения многофазной среды в конденсатопроводе, позволяющего установить начало коррозионно-активного участка, и опредёлении оптимальных параметров магнитной обработки среды для снижения коррозионной активности.

Метод ультразвукового контроля многофазного потока внедрен на участке кон-денсатопровода Вуктыл-СГПЗ" 37 км ООО «Севергазпром». В результате внедрения установлены границы участка конденсатопровода с расслоенным типом течения транспортируемой потока. По результатам внедрения получен чистый доход -581,8 тыс. руб. При реализации инвестиционного проекта внедрения метода на кор-розионно-опасном участке 37−67 км участке ожидаемый экономический эффект за 8 лет составит более 3,8 млн руб. с учетом дисконтирования денежных потоков.

По материалам исследований поданы две заявки на изобретения РФ, что свидетельствует о новизне полученных в работе результатов.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 7-й Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» РГУНиГ им. И. М. Губкина, г Москва, 2007 г.- 4-й и 6-й Международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении», БГИТА, г. Брянск, 2004 и 2006 гг.- 14-й Международной конференции «Современные средства и методы неразрушаю-щего контроля и технической диагностики», г. Ялта., 2006 г.- Конференции сотрудников и преподавателей УГТУ, г. Ухта, 2004, 2006 и 2007 г.- Всероссийской научно-технической конференции «Нефть и газ Западной Сибири», г. Тюмень, 2007 г.- Международной конференции «Целостность и прогноз технического состояния газопроводов» (PITSO-2007), г. Москва, 2007 г.

Материалы диссертации включены в учебный процесс кафедры «Проектирование и эксплуатация магистральных газонефтепроводов» Ухтинского государственного технического университета по дисциплине «Основы технической диагностики газонефтепроводов».

Публикации: по теме диссертации опубликовано 24 работы, из них 15 в ведущих рецензируемых изданиях, включенных в перечень ВАК России.

Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, содержит 179 страниц текста, 91 рисунок, 25 таблиц и список литературы из 121 наименования и приложение.

5.6. Выводы по главе 5.

1. Для реализации на действующих конденсатопроводах предложены технические решения по снижению коррозионной активности многофазной транспортируемой среды. Предложено простейшее устройство для перемешивания потока, однако одним из существенных его недостатков является малая продолжительность действия, т. е. через некоторое время после обработки поток вновь расслаивается и эффект обработки снижается.

2.. Обоснован метод магнитной антикоррозионной обработки сред, рассчи-. таны требуемые параметры намагничивающей установки, с которыми получают достаточную граничную величину напряженности магнитного поля 920 кА/м, достигаемую при силе постоянного тока 160 А в соленоиде диаметром 300 мм и шириной 35 мм, содержащем 200 витков алюминиевого провода прямоугольного сечения площадью 20 мм² в стекповолоконной термоустойчивой изоляции.

3. Получена экспериментальная зависимость между силой электрического тока в цепи намагничивающего устройства и магнитной индукцией в его сердечнике. Зависимость позволяет устанавливать требуемую напряженность магнитного поля по величине силы тока, измеренной в цепи устройства, не используя при этом специальное магнитно-измерительное оборудование.

4: Установлено, что скорость коррозии в диапазоне 0,4−0,9 мм/год в модельной смеси пластовой воды и метанола находится в линейной зависимости от напряженности воздействующего магнитного поля. Установлена максимальная граничная величина напряженности магнитного поля 300 А/см, при которой скорость коррозии стабилизируется на значении 0,4 мм/год и далее с увеличением напряженности магнитного поля не увеличивается. Это позволяет определить оптимальный диапазон параметров магнитной обработки, при котором энергетические затраты на обработку среды расходуются наиболее эффективно.

5. На образцах стали 17ГС получены зависимости эффективности антикоррозионной обработки от числа перемагничиваний: Установлено, что с увеличением количества перемагничиваний скорость коррозии снижается до величины около 0,1 мм/год. Обосновано оптимальное число перемагничиваний 10−12 раз для напряженности поля более 300 кА/м. 6. Получены зависимости изменения скорости коррозии от времени, прошедшего с момента магнитной обработки в растворе, находящемся в статическом положении и при перемешивании. Установлено эффективное время действия для всех режимов магнитной обработки, составляющее в статических условиях 16 ч, при перемешивании среды 9 ч, после чего наблюдается тенденция существенного снижения эффекта с момента обработки.

7. Установлены зависимости изменения скорости коррозии от соотношения омагниченной и неомагниченной фаз. Установлено, что при увеличении доли обработанного раствора в смеси с необработанным, скорость коррозии снижается. Наиболее эффективное снижение скорости коррозии происходит при добавлении в.

159 смесь 30% омагниченной жидкости, обработанной с напряженностью поля 500, кА/м и числом перемагничиваний 10 раз, что дает эффект снижения скорости коррозии от 0,9 до 0,1 мм/год.

8. Разработаны регрессионные модели скорости коррозии от напряженности магнитного поля Н, количества перемагничиваний N и доли омагниченного раствора в смеси Сом были, определяемых выражением СК=А (С0м)2+ВС0м+С. При этом, коэффициенты А, В и С можно определить из выражений: A=-3 10″ 12(NH)2+210″ 8NH+5−10″ 5- В=5• 10″ 9(NH)2−3• 10″ 5NH+0,0648- C=10″ 8(NH)2+10″ 4NH +0,8761.

9. Предложен и обоснован импульсный режим подачи тока на намагничивающее устройство, обоснованы оптимальные величины частоты и скважности импульсов электрического тока.

Глава 6. Расчет эффективности инвестиционного проекта внедрения методики контроля многофазного потока.

В настоящей главе представлены результаты расчета экономической эффективности проекта внедрения методики оценки многофазного потока на конденсатопроводе «Вуктыл-СГПЗ», эксплуатируемом ООО «Севергазпром». Расчет выполнен в соответствии с современными методиками расчета эффективности инвестиционных проектов, в т. ч. одобренными в ОАО «Газпром» и учитывают такие показатели как срок окупаемости, чистый дисконтированный доход, индекс доходности и др.

Опыт эксплуатации конденсатопровода Вуктыл-СГПЗ свидетельствует, что на отдельных участках внутренняя поверхность труб подвержена интенсивной коррозии. Исследования показывают, что данное явление связано, как с внутренними факторами (наличие электрохимической неоднородности на поверхности металла, благоприятные условия для создания щелевой коррозии и т. д.), так и с внешними, основным среди которых является высокая коррозионная активность среды, обусловленная главным образом расслоением потока транспортируемой среды с выделением на отдельных участках (застойных зонах) свободной водометанольной смеси.

Применение эффективных средств противокоррозионной защиты невозможно без точного выявления таких участков на трассе конденсатопровода.

В качестве базового варианта возможно применение для этих целей известного поплавкового датчика плотности среды в конденсатопроводе. Данное устройство монтируется на трубопроводе врезкой под давлением без остановки транспорта продукта.

Укрупненная смета для реализации базового варианта состоит из следующих этапов:

— откапывания участка конденсатопровода,.

— удаления изоляционного покрытия,.

— изготовления (приобретения) поплавкового устройства измерения плотности среды,.

— врезки под давлением с учетом стоимости оборудования,.

— мониторинга плотности среды по сечению трубопровода,.

— восстановления покрытия.

В качестве^нового варианта предлагается применить. ультразвуковой метод оценки типа течения среды. Для реализации метода также необходимо выполнить откапывание трубопровода и удаление изоляционного покрытия, а также подготовить поверхность конденсатопровода для проведения ультразвукового контроля.

Внедрение данного проекта предполагается на конденсатопроводе Вуктыл-СГПЗ км 37−68. Всего на двух нитках трубопровода предлагается выполнить 64 шурфа (через 1 км на каждой нитке).

Планируется следующая последовательность работ.

Первый год — выполнение НИОКР по разработке критериев выявления типа течения среды УЗ методом и определению оптимальных параметров средств контроля.

Далее производится закупка одного прибора и подготовка одного специалиста по неразрушающему контролю.

С помощью одного прибора и одного специалиста можно выполнить контроль 4 участков в год. Для этого выполняется откапывание трубопровода, поверхность трубы подготавливается к контролю. Осуществляется мониторинг (периодический контроль потока) с периодом в одну неделю в течение летнего периода. На основании данных измерений делается вывод о типе течения многофазной среды на данном участке и об его изменении во времени.

В результате работы будут проконтролированы все 64 участка за 8 лет.

Основные характеристики проекта внедрения методики для оценки типа течения среды в конденсатопроводе следующие:

• годовой норматив (протяженность) оценки и мониторинга типа течения транспортируемой среды с помощью одного УЗ дефектоскопа А1214 «Эксперт» — 4 контрольных сечения конденсатопровода;

• периодичность мониторинга — один раз в 7 дней. Итого — 12 раз за период обследования 3 месяца.

Условия реализации инвестиционного проекта:

• срок службы ультразвукового дефектоскопа 4 года (полевые условия работы);

• период расчета 8 лет (с учетом НИР по проведению лабораторных исследований с созданием имитационных моделей и созданию методики оценки типа течения среды);

• шаг расчета 1 год;

• ставка дисконта 12%;

• ставка налога на прибыль 24%;

Выручка. Проведение диагностических мероприятий непосредственно не влияет на увеличение выручки от оказания услуг по транспорту и реализации конденсата транспортными предприятиями.

Инвестиции. В 2008 г. потребуются инвестиции в 1200 тыс. руб. на проведение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ с разработкой методики, а также на проведение лабораторных испытаний (450 тыс. руб.).

Начиная с 2009 г. по 2012 г. они составят порядка 195 тыс. руб. ежегодно на закупку серийных образцов прибора и обучение персонала.

Стоимость ультразвукового дефектоскопа А1214 «Эксперт» (или аналогичного) с набором пьезоэлектрических преобразователей — 195 тыс. руб., срок службы прибора 4 года. Величина амортизационных отчислений составляет 48,75 тыс. руб. в год. Одновременно с закупкой приборов должно происходить обучение специалистов по данному виду контроля. Стоимость обучения одного специалиста 30 тыс. руб. включая все расходы.

Издержки при проведении контроля включают затраты на следующие операции и мероприятия:

Разметка и вырезка технологических окон в гидроизоляционном покрытии для проведения УЗ контроля;

Подготовка поверхности с шероховатостью не более Rz=1,25.

Сканирование поверхности трубопровода ультразвуковым датчиком;

Интерпретация результатов контроля;

Герметизация окон изоляционного покрытия или восстановление фрагмента покрытия.

В табл. 6.1 представлены результаты расчета издержек на реализацию метода (смета на откапывание трубопровода не включена). Для расчетов использованы следующие данные: количество точек ультразвукового контроля — 4- часовая заработная плата рабочих, соответствующего разряда, равна фактической средней з/п в 2006 г.

В табл. 6.2 результаты расчеты издержек на оценку типа течения среды базовым методом переведены в условия «без проекта». Работы по базовому методу включают в себя откапывание трубопровода, удаление изоляционного покрытия, осуществление врезки под давлением, монтаж поплавкового устройства для контроля плотности среды, мониторинг плотности с периодичностью один раз в семь дней, извлечение поплавкового устройства и восстановление покрытия.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. На основе анализа данных внутритрубной диагностики, обследований в шурфах, исследований металла поврежденных труб выявлены основные факторы, приводящие к развитию коррозии внутренней поверхности трубопроводов, транспортирующих многофазные среды.

2. Разработаны отличительные критерии коррозии внутренней поверхности труб от внешней, выявленные по результатам внутритрубной диагностики. Критерии позволяют идентифицировать повреждения без их обследования в шурфах.

3. Сопоставление плотности дефектов на внутренней поверхности труб с расчетным и фактическим профилем давления в конденсатопроводе позволило сделать вывод, что внутренние повреждения локализованы на участках снижения давления, преимущественно связанных с подъемом рельефа трассы. При этом установлено, что градиент снижения фактического давления выше, чем расчетного, что может быть обусловлено потерей «реального» диаметра из-за расслоения транспортируемого потока с образованием застойных зон.

4. Разработано техническое решение, позволяющее, в отличие от известных аналогов, проводить оценку плотности фаз перекачиваемой среды, выполняемое с помощью одного ультразвукового прибора и одного совмещенного пьезоэлектрического преобразователя. При этом определены оптимальные характеристики средств контроля. Установлены информативные признаки контакта трубы с различными фазами перекачиваемой среды по параметрам амплитудно-временного распределения сигналов.

5. Обоснован метод магнитной обработки коррозионно-активных сред, Экспериментально определены параметры магнитной обработки, при которых энергетические затраты на обработку среды расходуются наиболее эффективно.

6. Разработано устройство для импульсного намагничивания потока проходящего через байпасную линию. Обоснованы оптимальные величины частоты и скважности импульсов электрического тока.

7. Метод оценки типа течения многофазной среды ультразвуковым методом внедрен на конденсатопроводе Вуктыл-СГПЗ. В результате внедрения установлены границы участка конденсатопровода с расслоенным типом течения транспортируемой жидкости, предложен к внедрению комплекс мероприятий по снижению коррозионной повреждаемости внутренней поверхности конденсатопровода на данном участке.

8. Рассчитана экономическая эффективность проекта внедрения методики на участке 37−64 км двухниточного конденсатопровода «Вуктыл-СГПЗ» в период с 2008 по 2015 гг. Прогнозируемый чистый дисконтированный доход составляет более 3,8 млн руб.