Магистральные трубопроводы являются наиболее экономичным видом транспортировки нефти, газа, нефтепродуктов, а трубопроводные системы – это важнейшая составная часть топливно-энергетического комплекса, бесперебойное функционирование которого имеет исключительное значение для экономики государства. Общая протяженность магистральных трубопроводов в России превышает 200 тыс. км. В настоящее время 37 % трубопроводов эксплуатируется более 20 лет, что требует повышенного внимания к их эксплуатационной надежности и технической безопасности.

Опыт эксплуатации магистральных трубопроводов показывает прямую зависимость их надежности от своевременного и эффективного проведения работ по капитальному ремонту на линейной части.

К общепринятым технологиям ремонта относятся [1–3]:

Традиционным методом для капитального ремонта сильно поврежденных участков считается удаление всего узла трубы или вырезка поврежденной части, с последующей сваркой нового участка [4].

Но в этом методе ремонта имеется ряд недостатков. Он подходит только для прямых участков труб, а не для соединений или изгибов. Кроме того, сварка трубопроводов является дорогостоящей и трудоемкой операцией, особенно если это трубопроводы подземной прокладки. В большинстве случаев для выполнения этой работы требуется тяжелая строительная техника. К тому же сварка требует проведения подготовительных мероприятий по отключению трубопровода и подготовке к проведению взрывоопасных работ.

Как показывает зарубежная и отечественная практика, экономически оправданным и обоснованным является метод капитального ремонта трубопроводов без остановки перекачки, а именно: методы ремонта с помощью стальных сварных муфт, намоточных ремонтных конструкций из композиционных материалов и муфт, устанавливаемых по композитно-муфтовой технологии [5–8].

Из перечисленных методов наиболее перспективной считается технология послойного нанесения композитного материала с различными материалами волокон для придания композитной муфте необходимых свойств [9–11]. Данный метод позволяет производить капитальный ремонт большинства трубопроводов без ограничения длины дефектов. Но вместе с этим существует проблема определения наиболее оптимального и рационального количественного структурного состава композитного материала, приемлемого для использования в определенных производственных условиях [12]. Кроме того, в нормативно-технической документации имеются рекомендации по ремонту магистральных трубопроводов, имеющих дефекты незначительных размеров (до 100 мм), но они отсутствуют по ремонту дефектов, имеющих бóльшие длины и эксплуатируемые при избыточном давлении 4 МПа [13–16]. Поэтому стоит задача определения оптимального количественного состава композитного узла для ремонта трубопроводов на основе моделирования процесса в зависимости от размеров дефектов, диаметра и материала трубопровода.

Для исследований и решения заявленной проблемы проведено моделирование параметров технологии капитального ремонта магистрального трубопровода под избыточным давлением P = 4 МПа с использованием программы SOLIDWORKS, с геометрическими характеристиками и параметрами дефекта (рис. 1), указанными в табл. 1 [17].

Механические характеристики для композита и материала трубы, необходимые для моделирования с применением программного продукта SOLIDWORKS, приводятся в табл. 2.

В целом было смоделировано восемь вариантов ремонта трубы, различающихся количеством слоев композитного материала, нанесенного на место дефекта (табл. 3).

На рис. 2 показан результат эксперимента № 1 при отсутствии композитного материала и, соответственно, при отсутствии ремонтного узла, разработанного на основе композитного материала.

Из рисунка видно, что при нагрузке трубы в зоне дефекта возникают напряжения выше предела текучести, исключающие эксплуатацию магистрального трубопровода. По результатам эксперимента № 8 выявлено оптимальное количество слоев композитного материала, при котором напряженно-деформированное состояние в месте нанесения ремонтного узла позволяет эксплуатацию магистрального трубопровода под избыточным давлением P = 4 МПа (рис. 3).

По результатам, полученным в ходе эксперимента, построена зависимость напряженно-деформированного состояния от количества слоев композитного материала, нанесенного в месте дефекта (рис. 4).

Из полученного графика зависимости напряженно-деформированного состояния на трубопроводе в месте дефекта и на поверхности композитного материала с учетом количества слоев можно получить рекомендуемый количественный состав композитного узла для ремонта магистральных трубопроводов с известными параметрами эксплуатации, дефектов и геометрическими характеристиками.

Для проверки полученного графика был проведен натурный эксперимент.

Для проведения натурного эксперимента был изготовлен образец, который состоит из двух сваренных труб длиной по 250 мм, диаметром 40 мм с толщиной стенки 4 мм, а также с приваренными к обоим концам выводными планками для закрепления в захваты машины (рис. 5).

Натурный эксперимент на растяжение проводился с использованием разрывной машины для статических испытаний металлов Р-100, представленной на рис. 6.

Второй образец изготовлен аналогичным образом, с дефектом в области сварного шва и нанесенной композитной муфтой (ремонтным узлом) (рис. 7). Ремонтный узел состоит из 10 слоев композитного материала, состоящего из стеклоткани Т-23 ТУ и эпоксидной смолы ЭД-20.

При достижении нагрузки в 146,34 кН произошло разрушение сварного шва оснастки (рис. 8).

Разрушения образца по дефектному участку не произошло, общее удлинение образца не обнаружено. На рис. 9 видны следы несущественного растяжения верхних слоев композитной системы в зоне дефекта.

Из вышесказанного можно сделать вывод, что разрушение образца в зоне пониженной прочности (дефекта сварного шва) не произошло и композитная ремонтная система позволила образцу выдержать нагрузку близкую к эксплуатационной.

Далее был смоделирован эксперимент с использованием систем автоматизированного проектирования.

Для точности первым шагом было проведено моделирование с образцом без дефекта, результаты которого представлены на рис. 10.

Максимальные напряжения возникают в области приварки плоского листа к трубе, а напряжения, возникающие в области сварки труб, ниже.

Далее проведено моделирование образца с дефектом, без ремонтной системы (см. рис. 11).

Напряжения, возникающие в зоне дефекта, приблизительно равны пределу текучести, что указывает на то, что разрушение образца произойдет в зоне дефекта.

При проведении эксперимента в SOLIDWORKS над образцом с дефектом были проанализированы результаты при различных вариантах закрепления композитной муфты, которые представлены на рис. 12. На них можно увидеть, что напряжения, возникающие в зоне дефекта, ниже, чем без использования ремонтной системы.

Полученные с высокой степенью достоверности результаты исследований по разработке технологии капитального ремонта магистральных трубопроводов с использованием композитных материалов позволяют рекомендовать этот метод для промышленного применения. Кроме того, предложенный метод моделирования технологии капитального ремонта магистральных трубопроводов с использованием программного продукта SOLIDWORKS позволяет существенно снизить трудоемкость и продолжительность процесса определения оптимального количественного состава композитного узла для ремонта трубопроводов по рабочим параметрам эксплуатации сооружений и по геометрическим размерам дефектов.