Совершенствование технологий испытания, осушки и заполнения газом магистральных газопроводов в северных условиях

Одним из главных направлений обеспечения национальной безопасности Российской Федерации в экономической сфере на долгосрочную перспективу является энергетическая составляющая [1] и, как следствие, обеспечение стабильности функционирования систем энергои теплоснабжения. Важная роль в реализации этой цели принадлежит топливно-энергетическому комплексу, одной из основных частей которого является газовая промышленность.

ОАО «Газпром» является собственником и оператором единой системы газоснабжения, обеспечивающей транспортировку, хранение и доставку природного газа в регионы Российской Федерации, в страны дальнего и ближнего зарубежья.

Единая система газоснабжения является наиболее капиталоёмкой частью основных фондов ОАО «Газпром», в её состав входят 161,7 тыс. км магистральных газопроводов и отводов, 215 линейных компрессорных станций с общей мощностью газоперекачивающих агрегатов 42 ООО МВт, 6 комплексов по переработке газа и газового конденсата, 25 объектов подземного хранения газа [2]. Основной целью политики ОАО «Газпром» в области технического регулирования является повышение качества и конкурентоспособности продукции, работ и услуг, в том числе и на международном рынке [3].

Комплекс работ по очистке полости, испытаниям на прочность и осушке занимает особое место в жизненном цикле магистральных газопроводов. Находясь на рубеже между сооружением газопровода и его вводом в эксплуатацию, эти операции позволяют оценить качество строительных работ и определить важнейшие показатели готовности газопровода к эксплуатации (прочность, герметичность, чистоту полости, уровень влажности), а также оценить реальную конструктивную надёжность газопровода в целом и его отдельных участков.

При первичном заполнении вводимого в эксплуатацию газопровода 4 природным газом крайне важно обеспечить безопасность на всех стадиях данной операции, а также исключить превышение проектных температурных и динамических нагрузок на газопровод, поскольку это может негативно повлиять на безопасность его дальнейшей эксплуатации.

В настоящее время строительство новых магистральных газопроводов ведётся, в том числе, в северной строительно-климатической зоне, которая характеризуется сложными природными условиями, низкими температурами грунта и окружающего воздуха. В этой связи с целью повышения пропускной способности газопроводов и увеличения расстояния между компрессорными станциями, вновь сооружаемые газопроводы проектируются на более высокие давления по сравнению с сооружавшимися ранее. Широкое применение пневматического способа испытания газопроводов на прочность внутренним давлением в сочетании с низкими температурами грунтов обуславливает необходимость более глубокого изучения теплового взаимодействия газопровода с окружающим грунтом в процессе его испытаний на прочность, осушки, заполнения газом. Использование на газопроводах труб с внутренним гладкостным покрытием с целью повышения энергетической эффективности транспортировки природного газа обуславливает ужесточение требований к предохранению полости труб от попадания загрязнений в процессе строительства и выполнения испытаний на прочность, в особенности, в условиях отрицательных температур, поскольку в таком случае последующая очистка механическим способом приведёт к повреждению покрытия. Кроме того, возросли требования как к степени осушки полости газопроводов, так и к влагосодержанию природного газа, поставляемого отечественным и зарубежным потребителям. С учётом перечисленных обстоятельств, а также в связи с отсутствием в отечественной практике достаточного опыта проведения испытаний, осушки и заполнения газом магистральных газопроводов в указанных условиях возникла необходимость разработки новых подходов к выполнению перечисленных работ, основанных на исследовании происходящих при этом термодинамических процессов.

Объектом настоящего исследования являются магистральные стальные газопроводы высокого давления, сооружаемые в северных условиях, в том числе ремонтируемые или реконструируемые.

В настоящей диссертационной работе исследуются термодинамические, газодинамические и тепломассообменные процессы, происходящие при испытаниях на прочность пневматическим способом, осушке и заполнении природным газом участков магистральных газопроводов.

Совершенствование существующих технологий выполнения испытаний на прочность магистральных газопроводов, их осушки и заполнения природным газом, а также повышение качества перечисленных работ может быть достигнуто благодаря исследованию зависимости эффективности испытаний на прочность, осушки и заполнения газом от физических параметров, при которых происходят указанные технологические процессы.

При работе над настоящей диссертацией применены методы теории теплопередачи, газовой динамики и теории тепломассообмена, а также современные средства численного моделирования.

Целью настоящей диссертационной работы является совершенствование существующих технологий выполнения испытаний на прочность газопроводов, их осушки и заполнения природным газом, а также разработка методик выполнения перечисленных работ.

В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие основные задачи:

• установить влияние условий проведения испытаний на прочность магистральных газопроводов в северных условиях, их осушки и заполнения природным газом на эффективность указанных работ;

• установить взаимосвязь технологических параметров испытаний на прочность пневматическим способом участков магистральных газопроводов с повышенным давлением, пролегающих в многолетнемёрзлых и сезонно-талых грунтах на глубине заложения газопровода и последующей осушки его сухим воздухом;

• разработать методику определения технологических параметров процесса осушки магистральных газопроводов, позволяющую оценить продолжительность выполнения осушки и её эффективность в зависимости от характеристик применяемого оборудования и условий проведения осушки;

• разработать технологию заполнения газом участков газопровода с учётом ограничений по температурам и скоростям газа.

В соответствии с основными задачами исследования, в диссертационной работе защищаются следующие основные положения:

— методика определения влагосодержания и регулирования скорости стравливания воздуха из испытанного газопровода в зависимости от температуры и условий прокладки магистральных газопроводовметодика определения технологических параметров осушки магистральных газопроводов продувкой сухим воздухом в зависимости от температуры грунта на глубине заложения газопровода, давления воздуха, производительности установок осушки, диаметра и протяжённости участка магистральных газопроводовтехнология заполнения построенных участков магистральных газопроводов природным газом с учётом ограничений по влагосодержанию природного газа, скорости газа, минимально допустимой температуре.

Выполненная работа позволила сформулировать ряд элементов научной новизны, в частности исследованы термодинамические процессы, происходящие в газопроводе при проведении испытаний на прочность пневматическим способом: во время подъёма давления, выдержки при испытательном давлении, стравливания и последующей осушки газопровода.

Исходя из полученной зависимости влагосодержания воздуха от испытательного давления и минимальной температуры грунта на глубине заложения газопровода впервые установлены требования к максимально допустимому влагосодержанию воздуха, подаваемого в газопровод при испытаниях пневматическим способом, исключающему выпадение конденсата.

На основе исследования изменения температуры по длине газопровода в процессе снижения давления воздуха после испытаний на прочность установлены требования к скорости стравливания воздуха из испытанного газопровода.

Впервые разработана модель осушки трубопровода сухим воздухом, показывающая зависимости от времени влагосодержания воздуха и количества влаги в газопроводе в процессе осушки и позволяющая оценивать продолжительность осушки участков газопроводов, исходя из условий проведения работ и характеристик используемого оборудования.

Впервые разработан метод контроля качества осушки газопровода сухим воздухом, позволяющий достоверно определять местоположения участков скопления влаги по длине газопровода (в случае их наличия).

Предложено техническое решение по установке адсорбционных осушителей на обвязке крановых узлов по длине протяжённых газопроводов, позволяющее при их осушке сухим воздухом сокращать продолжительность осушки и экономить трудозатраты.

На основе ограничений по температуре и скорости газа разработана технология безопасного заполнения магистрального газопровода Бованенково-Ухта природным газом.

Исследования, выполненные в диссертационной работе, позволили существенно усовершенствовать подходы к технологиям испытаний на прочность, осушки и заполнения природным газом газопроводов, построенных в северной строительно-климатической зоне. В частности, результаты исследований были применены при установлении требований к очистке полости, испытаниям на прочность и осушке при сооружении магистрального газопровода «Бованенково-Ухта».

Результаты исследований, проведённых в диссертационной работе, использованы при разработке отраслевого стандарта СТО Газпром 2−3.5−3 542 009 «Порядок проведения испытаний магистральных газопроводов в различных природно-климатических условиях», а также отдельных разделов 8.

СТО Газпром 2−2.1−249−2008 «Магистральные газопроводы» и СТО Газпром 22.2−382−2009 «Магистральные газопроводы. Правила производства и приёмки работ сухопутных участков газопроводов (при строительстве на рабочее давление до 15 МПа), в том числе в условиях Крайнего Севера». На основе полученных результатов были также разработаны следующие отраслевые нормативные документы:

— Технологический регламент по заполнению газом построенных участков МГ Бованенково-Ухта от существующих газопроводов ЕСГ. ООО «Газпром ВНИИГАЗ», 2010;

— Технические требования по очистке полости и испытанию магистральных газопроводов с рабочим давлением до 11,8 МПа для газопровода Бованенково-Ухта. ООО «Газпром ВНИИГАЗ», 2008;

— Технические требования по очистке полости, испытаниям и осушке подводного перехода МГ Бованенково-Ухта через Байдарацкую губу. ООО «Газпром ВНИИГАЗ», 2009.

Материалы исследований по теме диссертационной работы докладывались и обсуждались на 1У-й международной научно-технической конференции «Газотранспортные системы: настоящее и будущее» (Москва, 2011 г.), на УШ-й всероссийской конференции «Новые технологии в газовой промышленности» (Москва, 2009 г.), на У-й научно-практической конференции ЗАО «Ямалгазинвест», (Москва, 2009 г.), на научно-технической конференции молодых работников газовой промышленности (Оренбург, 2008 г.), на П-й международной научно-практической конференции «Целостность и прогноз технического состояния газопроводов», (Москва, 2007 г.), на научно-технической конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России», (Москва, 2007 г.), на П-й научно-практической конференции ЗАО «Ямалгазинвест» (Москва, 2006 г.).

По материалам диссертации опубликовано 11 работ, в том числе три работы — в журналах, включённых в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации.

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, выводов и списка литературы.

выводы.

1 Исследованы термодинамические процессы, происходящие в газопроводе при испытании на прочность пневматическим способом, в том числе во время заполнения воздухом, выдержки под испытательным давлением, стравливании воздуха из испытанного газопровода. В результате установлены требования к влагосодержанию воздуха, подаваемого в газопровод при пневматических испытаниях и регулированию скорости стравливания воздуха из испытанного газопровода в зависимости от температуры грунта на глубине его заложения, испытательного давления, наличия тепловой изоляции.

2 Разработана методика определения технологических параметров осушки магистральных газопроводов продувкой сухим воздухом в зависимости от температуры грунта на глубине заложения газопровода, давления воздуха, производительности установок осушки, количества остаточной воды, диаметра и протяжённости участка газопровода, позволяющая оценивать продолжительность осушки.

3 Предложено техническое решение по установке промежуточных адсорбционных блоков при осушке линейной части магистральных газопроводов, позволяющее сократить продолжительность осушки сухим воздухом по сравнению с традиционным способом.

4 Разработан способ определения местоположения источников влаги по длине газопровода после его выдержки на заключительной стадии осушки на основании данных непрерывного мониторинга температуры точки росы воздуха, занимающего один объём газопровода.

5 Разработаны технология и методика вытеснения азота и заполнения газом участков магистрального газопровода Бованенково-Ухта, учитывающие: ограничение влагосодержания газатемпературный перепад, возникающий при дросселировании вследствие эффекта Джоуля-Томсоналинейную скорость газаа также обеспечивающие стационарный режим вытеснения азота из заполняемых газом участков магистральных газопроводов и позволяющие.

116 обеспечить безопасное заполнение природным газом.

6 На основании полученных результатов разработаны требования, включенные в следующие отраслевые нормативные документы: СТО Газпром 2−3.5−354−2009 «Порядок проведения испытаний магистральных газопроводов в различных природно-климатических условиях" — раздел СТО Газпром 2−2.1−2 492 008 «Магистральные газопроводы», Технологический регламент по заполнению газом построенных участков МГ Бованенково-Ухта от существующих газопроводов ЕСГ (ООО «Газпром ВНИИГАЗ», 2010) — Дополнение к технологическому регламенту по заполнению газом построенных участков МГ Бованенково-Ухта от существующих газопроводов ЕСГ (ООО «Газпром ВНИИГАЗ», 2011) — Технические требования по очистке полости и испытанию магистральных газопроводов с рабочим давлением до 11,8 МПа для газопровода Бованенково-Ухта (ООО «Газпром ВНИИГАЗ», 2008) — Технические требования по очистке полости, испытаниям и осушке подводного перехода МГ Бованенково-Ухта через Байдарацкую губу (ООО «Газпром ВНИИГАЗ», 2009) и опубликованы в [48,84−94].