Способ оценки состояния резиновых уплотнительных колец трубного соединения

 

Изобретение относится к методам исследования прочностных свойств материалов уплотнительных колец трубного соединения, например, типа “Раструб” и может быть использовано при определении сроков замены уплотнений стыков труб. В способе оценки состояния резиновых уплотнительных колец трубного соединения на первом этапе осуществляют подготовку образцов заданной геометрической формы для измерения условий прочности при растяжении, относительного удлинения при разрыве, твердости по Шору А, температурного предела хрупкости. Затем измеряют физико-механические показатели образцов, сравнивают их с заданными величинами, по результатам рассогласования которых судят о техническом состоянии уплотнительных колец, и отбраковывают образцы, показатели которых не соответствуют заданным. Осуществляют второй этап, при котором помещают оставшиеся образцы в нефтепродукт и выдерживают их в течение не менее 120 часов при температуре (70± 2)°С. Извлекают образцы из нефтепродукта, термостатируют их не менее чем 72 часа при температуре (70± 2)°С, охлаждают до комнатной температуры, определяют физико-механические показатели. При отклонении хотя бы одного из показателей от допустимого значения считают неработоспособными уплотнительные кольца, из которых были подготовлены образцы, при этом за допустимые значения показателей принимают условную прочность при растяжении – f_рд≤ 9,4 МПа, относительное удлинение при разрыве - ε _рд≤ 111%, твердость по Шору А - 92,4≤ Н_д, ед. Шор А, ≤ 62,1, температурный предел хрупкости - Тхр_д≥ минус 24° С. Способ позволяет достоверно и всесторонне определить техническое состояние и эксплуатационные свойства резиновых уплотнительных колец. 4 ил., 4 табл.

Изобретение относится к методам исследования прочностных свойств материалов уплотнительных колец трубного соединения (например, типа “Раструб”) и может быть использовано при определении сроков замены уплотнений соединений стыков труб в процессе эксплуатации сборно-разборных нефтепродуктопроводов (СРН), а также на заводах-изготовителях при проведении приемочных испытаний колец.

В последние годы все более актуальной становится проблема транспорта нефти и нефтепродуктов в отдаленных регионах Крайнего Севера, Сибири и Дальнего Востока. Использование для вывоза нефти в таких условиях наливного автомобильного транспорта весьма неэффективно (себестоимость транспортирования ~ 5-7 $/т ($ - доллар США)), увеличивает себестоимость нефти, а в ряде случаев делает ее добычу нерентабельной. Строительство же стационарных трубопроводных систем на этапе опытного освоения месторождений, как правило, связано с экономическим риском, со значительными капиталовложениями и не всегда технически и экономически целесообразно.

Как показывает опыт, широкое применение для решения перечисленных задач находят комплекты СРН, обеспечивая возможность сооружения транспортной магистрали протяженностью до 150 км, герметичной в диапазоне избыточных давлений до 8,0 МПа и при вакууме до 500 мм вод. ст., с подачей до 3000 т/сут, себестоимостью транспортирования ~2 $/т, сроком окупаемости капитальных вложений 1 год.

Комплекты СРН включают трубы с соединением “Раструб”, запорную арматуру, мобильные средства перекачки и вспомогательное оборудование.

Одной из проблем в области эффективного применения СРН: повышения технического уровня (функциональной пригодности, надежности, экономичности, совершенствование системы испытаний и оценки); сокращения потерь нефтепродуктов (сокращение аварийных потерь нефтепродуктов в различных условиях эксплуатации, сохранение качества нефтепродуктов); повышения безопасности эксплуатации (взрывобезопасности, пожарной, экологической, санитарно-гигиенической безопасности), стоящей в настоящее время, является, в частности, определение технического состояния резинового уплотнительного кольца, обеспечивающего герметичность трубопровода в целом, как наиболее значимого элемента трубного соединения (типа “Раструб”). В одном комплекте СРН (протяженность 150 км) эксплуатируется одновременно ~ 30000 колец (стоимость кольца марки Р 150 - 3-5 $/шт).

Резиновые уплотнительные кольца с момента изготовления многократно проходят различные стадии жизненного цикла: хранение, транспортирование, монтаж кольца в раструб, монтаж СРН, опрессовка СРН, заполнение и гидравлические испытания СРН, перекачка нефтепродукта по СРН, опорожнение СРН, демонтаж СРН, демонтаж колец из раструба, испытывая при этом большой комплекс механических деформаций (изгиб, сдвиг, сжатие, растяжение, раздир, удар, истирание, кручение) и физико-химических воздействий перекачиваемых продуктов и внешней среды (набухание, вымывание, солнечное излучение, температура, озон, кислород, осадки и т.д.).

Учитывая многократную цикличность видов воздействий, неравномерность их распределения, используемая в настоящее время планово-предупредительная система замены колец СРН (средний срок службы - 3 года "Руководство по эксплуатации полевых магистральных трубопроводов". Воениздат, 1968) не позволяет в должной мере обеспечивать надежность и экологическую безопасность СРН, а также оценить влияние нефтепродуктов на эксплуатационные свойства колец, работоспособность и пригодность для дальнейшего использования в соединении “Раструб” СРН в процессе эксплуатации.

Известен способ оценки технического состояния уплотнительных колец (ТУ 38 1051962-90 “Кольца резиновые уплотнительные к полевым трубопроводам”), включающий подготовку образцов заданной геометрической формы, определение условной прочности при растяжении, относительного удлинения при разрыве, твердости по Шору А, температурного предела хрупкости образцов до контакта с нефтепродуктом и сравнение полученных показателей с заданной величиной. При отклонении хотя бы одного из показателей от заданной величины кольца считаются неработоспособными.

Недостатком известного способа является то, что все физико-механические показатели определяются до контакта с нефтепродуктами, что адекватно характеризует состояние колец только на этапе приемочных испытаний (производства), в то время как резиновые уплотнительные кольца являются изделиями многократного использования и определение указанных показателей до контакта с нефтепродуктами не учитывает основные виды воздействий на свойства резиновых уплотнительных колец в течение типового жизненного цикла, не позволяет оценить их техническое состояние и определить остаточный ресурс в процессе эксплуатации.

Наиболее близким техническим решением, взятым за прототип, является способ оценки технического состояния резинотехнических изделий по ГОСТ 7338-90 “Пластины резиновые и резинотканевые. Технические условия”, Москва, Издательство стандартов, с.7-11, 15-16, 19-20, при котором осуществляют подготовку образцов заданной геометрической формы для измерения условной прочности при растяжении, относительного удлинения при разрыве, твердости по Шору, температурного предела хрупкости, затем измеряют физико-механические показатели образцов, сравнивают их с заданными величинами, по результатам рассогласования которых судят о техническом состоянии уплотнительных колец, и отбраковывают образцы, показатели которых не соответствуют заданным.

Недостатком прототипа является определение вышеуказанных показателей до контакта с нефтепродуктами, что не позволяет оценить техническое состояние уплотнений и определить их остаточный ресурс в процессе эксплуатации СРН.

Несовершенство методов определения показателей для оценки технического состояния резиновых уплотнительных колец является причиной снижения надежности и эффективности работы СРН.

В основу изобретения положена задача создания нового метода квалификационной оценки в целях более достоверного и всестороннего определения технического состояния и эксплуатационных свойств резиновых уплотнительных колец.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности работы СРН, достоверности результатов оценки технического состояния при эксплуатации резиновых уплотнительных колец в трубном соединении с одновременным повышением экологической безопасности за счет снижения риска аварийного пролива нефтепродуктов.

Технический результат достигается за счет того, что в способе оценки состояния резиновых уплотнительных колец трубного соединения, при котором на первом этапе осуществляют подготовку образцов заданной геометрической формы для измерения условной прочности при растяжении, относительного удлинения при разрыве, твердости по Шору А, температурного предела хрупкости, затем измеряют физико-механические показатели образцов, сравнивают их с заданными величинами, по результатам рассогласования которых судят о техническом состоянии уплотнительных колец, и отбраковывают образцы, показатели которых не соответствуют заданным, отличающийся тем, что осуществляют второй этап, при котором помещают оставшиеся образцы в нефтепродукт и выдерживают их в течение не менее 120 часов при температуре (70±2)°С, извлекают образцы из нефтепродукта, термостатируют их не менее чем 72 часа при температуре (70±2)°С, охлаждают до комнатной температуры, определяют физико-механические показатели и при отклонении хотя бы одного из показателей от допустимого значения считают неработоспособными уплотнительные кольца, из которых были подготовлены образцы, при этом за допустимые значения показателей принимают условную прочность при растяжении - f_рд≤ 9,4 МПа, относительное удлинение при разрыве - ε _рд≤ 111%, твердость по Шору А - 92,4≤ Н_д, ед. Шор А, ≤ 62,1), температурный предел хрупкости - Тхр_д ≥ минус 24° С.

На фиг.1 представлено трубное соединение типа “Раструб”;

на фиг.2 - образец в форме двусторонней лопатки (для определения условной прочности при растяжении (f_р) и относительного удлинения при разрыве (ε _р));

на фиг.3 - фрагмент карты размещения сборно-разборного нефтепровода Талакан-Витим на местности;

на фиг.4 - схема участков отбора проб резиновых уплотнительных колец сборно-разборного нефтепровода Талакан-Витим (протяженностью 111 км) для определения их технического состояния.

Каждый участок равен 37 км и содержит ~ 4000 соединений “Раструб”. Проба отбирается методом случайного отбора из любого соединения конкретного участка, т.е. каждое кольцо имеет одинаковую вероятность быть отобранным. В соответствии с требованиями РД 50-690-89 (“Методические указания. Надежность в технике. Методы оценки показателей надежности по экспериментальным данным. Изд. стандартов, 1990) при доверительной вероятности q=0,95 число объектов испытаний - количество образцов колец должно составлять не менее 7 штук с участка. При браковке хотя бы одной пробы конкретного уплотнительного кольца бракуются все уплотнительные кольца этого участка.

Соединение типа “Раструб” состоит из трубы 1, конец которой выполнен фигурным и над которым размещен раструб 2. В раструбе 2 выполнены пазы и выемки, в которых размещены микропористая прокладка 3 и уплотнительное кольцо 4. Микропористая прокладка 3 поджата запорным металлическим кольцом 5.

Образцы представляют собой двустороннюю лопатку общей длиной L, шириной широкой части В, длиной рабочего участка 1 и шириной узкой части b.

Каждый из определяемых показателей характеризует физическое состояние уплотнительных колец 4.

Так, условная прочность f_р при растяжении характеризует предельное сопротивление механическому разрушению.

Относительное удлинение ε _р при разрыве позволяет прямо или косвенно оценить высокоэластические и упругие свойства резин при воздействии деформаций растяжения, сжатия, изгиба, сдвига и др.

Твердость Н характеризует сопротивляемость материала воздействию сосредоточенной нагрузки, совокупность упругих свойств и модуль упругости.

Температурный предел хрупкости Тхр косвенно характеризует морозостойкость резин, возможность эксплуатации колец СРН в различных климатических зонах.

Авторы экспериментально получили допустимые (f_рд, ε _рд, Н_д, Тхр_д) численные значения физико-механических показателей после контакта с нефтепродуктом и последующего его испарения. Определено, что прочностные, деформационные и низкотемпературные свойства резин значительно изменяются после воздействия нефтепродуктов и зависят от сорта нефтепродукта, времени и температуры контакта. Так, при температуре контакта с нефтепродуктами (70±2)°С изменение физико-механических показателей резины происходит в течение первых 3-5 суток (72-120 ч), при дальнейшем контакте изменение показателей практически не происходит. При температуре контакта с нефтепродуктами (20±2)°С отмечаются аналогичные закономерности и уменьшение показателей такое же, как при 70° С. Однако период уменьшения показателей происходит медленнее в течение первых 5-15 суток (120-360 ч) контакта (таблица 1). Таким образом, исследования показали, что время контакта образцов со средой должно быть не менее 120 ч при температуре (70±2)°C.

Режимные параметры термостатирования (не менее 72 ч) при температуре (70±2)°С обоснованы тем, что при проведении исследований было выявлено, что испарение нефтепродуктов из образцов при их термостатировании (а следовательно, и изменение показателей) происходит, в основном, в течение первых 72 ч (таблица 2). При указанной температуре 70° С не происходит структурных изменений в резине кольца. При температуре 50° С испарение нефтепродуктов происходит гораздо медленнее, что увеличивает время испытаний. При температуре выше 70° С одновременно с испарением нефтепродукта происходит старение образцов резины.

Как показали исследования колец, бывших в эксплуатации, диапазон работоспособного состояния находится в пределах допустимых значений показателей, равных: f_рд, МПа, ≤ 9,4; ε _рд, %, ≤ 111; 92,4≤ Н_д, ед. Шор А, ≤ 62,1; Тхр_д,° С, ≥ минус 24.

Таким образом, суть способа оценки технического состояния резиновых уплотнительных колец трубного соединения (типа “Раструб”) заключается в том, что отбраковку уплотнительных колец, отобранных для контроля, производят в два этапа.

Первый этап включает подготовку образцов заданной геометрической формы из колец, представленных на испытания, для измерения условной прочности при растяжении, относительного удлинения при разрыве, твердости по Шору А, температурного предела хрупкости, измерение этих физико-механических показателей, сравнение их с заданными в ТУ величинами и отбраковку образцов, показатели которых не соответствуют заданным (по ТУ 38 1051962-90).

На втором этапе оставшиеся образцы помещают в нефтепродукт и выдерживают в течение не менее 120 ч при температуре (70±2)°С, после извлечения из нефтепродукта образцы термостатируют не менее 72 ч при температуре (70±2)°С, затем охлаждают до комнатной температуры, после чего определяют те же физико-механические показатели, и при отклонении хотя бы одного из показателей от допустимого значения (эти значения получены экспериментально) кольца, из которых подготовлены образцы, считают неработоспособными.

Способ реализуется следующим образом.

Для определения технического состояния кольца в количестве 7 шт. отбираются с каждого участка непосредственно из соединений нефтепровода в соответствии со схемой размещения участков отбора проб, приведенной на фиг.4.

Образцы для определения физико-механических показателей изготавливаются в соответствии с требованиями ГОСТ 269-66 “Резина. Общие требования к проведению физико-механических испытаний” и стандартов на метод определения показателя (вырезка заготовок требуемой толщины производится из колец, а вырубка образцов из них производится штанцевым ножом, форма и размеры которого определяется конфигурацией образца и измеряемым показателем):

условная прочность при растяжении и относительное удлинение при разрыве по ГОСТ 270-75 “Резина. Метод определения упругопрочностных свойств при растяжении” определяется на образцах в форме двусторонней лопатки, форма которой приведена на фиг.2, общей длиной L=115 мм, шириной широкой части В=(25±1,0) мм, длиной рабочего участка 1=(25±0,5) мм и шириной узкой части b=(6,0± 0,4) мм. Сущность метода заключается в растяжении образцов с постоянной скоростью до разрыва и измерения силы и удлинения образца в момент разрыва;

твердость по Шору А по ГОСТ 263-75 “Резина. Метод определения твердости по Шору А” определяется на пластине с параллельными плоскостями. Сущность метода заключается в измерении сопротивления образца погружению в него индентора;

температурный предел хрупкости по ГОСТ 7912-74 “Резина. Метод определения температурного предела хрупкости” определяется на образцах в виде полосок шириной (6,0±0,5) мм и длиной 25 мм. Сущность метода заключается в определении наивысшей температуры, при которой консольно закрепленный и охлажденный образец, подвергнутый изгибу при ударе с постоянной скоростью, ломается или дает трещину.

Определив физико-механические показатели образцов и сравнив их с заданными (по ТУ 38 1051962-90), отбраковывают дефектные образцы, физико-механические показатели которых не соответствуют заданным, и, соответственно, кольца, из которых подготовлены образцы. Оставшиеся образцы, пригодные по полученным показателям, помещают в нефтепродукт, нагретый до температуры (70±2)°C, и при этой температуре выдерживают в течение 120 ч.

После извлечения из нефтепродукта образцы термостатируют 72 ч при температуре (70±2)°С, после термостатирования их охлаждают до комнатной температуры, затем определяют значения тех же физико-механических показателей известными методами и сравнивают с допустимыми показателями, полученными экспериментально: f_рд, МПа, ≤ 9,4; ε _рд, %, ≤ 111; 92,4≤ Н_д, ед. Шор А, ≤ 62,1; Тхр_д, ° С, ≥ минус 24.

Предлагаемый способ оценки технического состояния прошел апробацию в 1996-2002 г.г. при эксплуатации СРН Талакан-Витим в условиях Республики Саха (Якутия) ННГК “Саханефтегаз”. Ежегодно отбиралась партия уплотнительных колец, готовились образцы и исследовалось техническое состояние колец (результаты испытаний 2002 г. представлены в таблице 3, 4). Первый этап испытаний подтвердил соответствие показателей образцов требованиям, заданным ТУ (таблица 3).

На втором этапе испытаний образцы выдерживались в нефтепродукте, термостатировались и охлаждались до комнатной температуры, после чего определялись те же физико-механические показатели, что и на первом этапе (результаты представлены в таблице 4). Образцы №3 и 5 не отвечают допустимым величинам, полученным экспериментально, следовательно, кольца, отобранные с участка 1, считаются неработоспособными и подлежат замене.

Используя заявленный способ, авторам удалось наиболее точно определить техническое состояние уплотнительных колец, что обеспечило надежную работу СРН Талакан-Витим в течение 6 лет. За весь период работы СРН не было аварий и неисправностей, связанных с проливами нефти и загрязнением окружающей среды.

Таким образом, способ оценки состояния резиновых уплотнительных колец трубного соединения (типа “Раструб”) позволяет адекватно оценить работоспособность и остаточный ресурс СРН, в процессе эксплуатации повысить его надежность, экологическую безопасность и эффективность использования.

Изобретение может быть использовано для определения технического состояния как для вновь выпускаемых колец (новых), так и бывших или находящихся в эксплуатации, когда требуется определение их остаточного ресурса. Для этого экспериментально получены допустимые (браковочные) значения физико-механических показателей (f_рд, ε _рд, Н_д, Тхр_д).

Источники информации

1. Руководство по эксплуатации полевых магистральных трубопроводов. - М.: Воениздат, 1968, с.322.

2. ТУ 38 1051962-90. Кольца резиновые уплотнительные к полевым трубопроводам. ДФ ВНИИЭМИ, 1990, с.2-3.

3. ГОСТ 7338-90. Пластины резиновые и резинотканевые. Технические условия. - М.: Изд.стандартов, 1990, с.7-11, 15-16, 19-20 (прототип).

4. РД 50-690-89. Методические указания. Надежность в технике. Методы оценки показателей надежности по экспериментальным данным. - М.: Изд. стандартов, 1990, с.15-16.

5. ГОСТ 269-66. Резина. Общие требования к проведению физико-механических испытаний. - М.: Изд.стандартов, 1983, с.1-2.

6. ГОСТ 270-75. Резина. Метод определения упругопрочностных свойств при растяжении. - М.: Изд.стандартов, 1980, с.1-2.

7. ГОСТ 263-75. Резина. Метод определения твердости по Шору. - М.: Изд. стандартов, 1975, с.1-2.

8. ГОСТ 7912-74. Резина. Метод определения температурного предела хрупкости. - М.: Изд. стандартов, 1974, с.1.

Формула изобретения

Способ оценки состояния резиновых уплотнительных колец трубного соединения, при котором на первом этапе осуществляют подготовку образцов заданной геометрической формы для измерения условий прочности при растяжении, относительного удлинения при разрыве, твердости по Шору А, температурного предела хрупкости, затем измеряют физико-механические показатели образцов, сравнивают их с заданными величинами, по результатам рассогласования которых судят о техническом состоянии уплотнительных колец, и отбраковывают образцы, показатели которых не соответствуют заданным, отличающийся тем, что осуществляют второй этап, при котором помещают оставшиеся образцы в нефтепродукт и выдерживают их в течение не менее 120 ч при температуре (70±2)° С, извлекают образцы из нефтепродукта, термостатируют их не менее чем 72 ч при температуре (70±2)° С, охлаждают до комнатной температуры, определяют физико-механические показатели и при отклонении хотя бы одного из показателей от допустимого значения считают неработоспособными уплотнительные кольца, из которых были подготовлены образцы, при этом за допустимые значения показателей принимают условную прочность при растяжении f_рд≤ 9,4 МПа, относительное удлинение при разрыве ε _рд≤ 111%, твердость по Шору А 92,4≤ Н_д, ед. Шор А, ≤ 62,1, температурный предел хрупкости Тхр_д ≥ минус 24° С.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4