Механизация строительных и ремонтных работ в трубопроводном транспорте углеводородов


В. Н. АРТЮШКИН









МЕХАНИЗАЦИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ И РЕМОНТНЫХ РАБОТ В ТРУБОПРОВОДНОМ ТРАНСПОРТЕ УГЛЕВОДОРОДОВ


Учебное пособие















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2020

УДК 622.69:621.64
ББК39.7:33.36
     А86

         Печатается по решению редакционно-издательского совета Самарского государственного технического университета





Рецензент:
доцент Е. И. Заборовский





       Артюшкин, В. Н.
А86 Механизация строительных и ремонтных работ в трубопроводном транспорте углеводородов : учебное пособие / В. Н. Артюшкин. -Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2020. - 244 с. : ил., табл.
         ISBN 978-5-9729-0376-4

    Приведены основные сведения о машинах и оборудовании, используемых при строительных и ремонтных работах на объектах трубопроводного транспорта углеводородов, дана классификация современных технических средств механизации трудоемких процессов при сооружении, эксплуатации и ремонте газонефтепроводов. Даны примеры расчетов элементов машин и оснастки. Приведены справочные данные по оснащенности предприятий трубопроводного транспорта современными техническими средствами.
    Для студентов вузов нефтегазовых и транспортных специальностей.

УДК622.69:621.64
ББК 39.7:33.36











ISBN 978-5-9729-0376-4

  ©В.Н. Артюшкин, 2020
                        © Издательство «Инфра-Инженерия», 2020
                        © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020

ВВЕДЕНИЕ


    Технический прогресс и рост народонаселения влекут за собой неуклонное увеличение потребления на Земле топливноэнергетических ресурсов и на ближайшие 20 лет основными видами энергоносителей останутся углеводороды - нефть и природный газ.
    Наиболее эффективным методом транспортировки углеводородов на дальние расстояния является перекачка по магистральным трубопроводам, протяженность которых ежегодно возрастает. Строительные и ремонтные работы в трубопроводном транспорте углеводородов весьма трудоёмки.
    Первые отечественные газонефтепроводы сооружались практически без применения средств механизации. Опыта строительства трубопроводов практически не было. Технических средств катастрофически не хватало, основными инструментами были ломы и лопаты. При сооружении газонефтепроводов не только траншеи рыли с помощью лопат, ломов и кирок, но и все другие работы - сварку труб, изоляцию, засыпку - выполняли вручную (рис. 1-3). Трубы в траншею опускали с помощью воротов, почти как на обычных сельских колодцах, а материалы для стройки подвозились на лошадях, быках и верблюдах [10].

Рис. 1. Подготовка траншеи при строительстве газопровода Бугуруслан - Похвистнево - Куйбышев, 1942 год

3

Рис. 2. Раскладка труб для сварки, 1942 год

Рис. 3. Строительство первых нефтепроводов в Татарии, 50-е годы

    В настоящее время сооружение газонефтепроводов невозможно представить без использования мощной строительной техники, способной работать в сложных природно-климатических условиях Западной и Восточной Сибири, Дальнего Востока и Заполярья.


4

    Магистральные газонефтепроводы (МНП) диаметром 820-1420 мм составляют бОльшую часть общей протяженности трубопроводных систем и обеспечивают транспортировку до 97 % добываемой в России нефти и 100% природного газа. Растут объёмы и давления транспортируемых по трубам углеводородов.
    В настоящее время протяженность магистральных трубопроводов России составляет более 220 тыс. км, в т.ч.:
    - газопроводных магистралей более 151 тыс. км;
    - нефтепроводов почти 50 тыс. км;
    - нефтепродуктопроводов около 20 тыс. км.
    Успехи строительства газонефтепроводов и проведение ремонтных работ во многом зависят их комплексной механизации. Решение вопросов механизации строительных и ремонтных работ преследуют три задачи:
    - облегчение труда;
    - обеспечение безопасности строительно-монтажных и ремонтных работ;
    - экономическая эффективность.
    С экономической точки зрения механизированным считается процесс, в котором мускульная энергия рабочего заменяется механической, электрической и другими видами энергии.
    Комплексной механизацией принято называть такой способ проведения работ, при котором все основные и вспомогательные тяжелые и трудоёмкие процессы выполняют машины и механизмы, взаимосвязанные по основным параметрам (производительность, давление, грузоподъёмность и др.).

5

1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О МАШИНАХ
1.1. ПЕРЕДАЧИ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ В МАШИНАХ

    При строительстве, эксплуатации и капитальных ремонтах трубопроводов в настоящее время применяются различные машины, механизмы и оборудование [7, 11, 14,21].
    Машина (от фр. machine или лат. machina) - устройство, выполняющее механическое движение для преобразования энергии, материалов или информации. Различают машины энергетические, рабочие и информационные.
    Энергетические машины служат для преобразования одного вида энергии в другой. К ним относятся электрические, гидравлические и пневматические двигатели, двигатели внутреннего сгорания, паровые машины, турбины и др.
    Рабочие машины осуществляют изменение формы, свойств, состояния и положения (машины-орудия - металлорежущие станки, горные, строительные; изменяющие положение - автомобили, локомотивы, подъёмники, конвейеры и т.п.).
    Информационные машины предназначены для сбора, обработки, передачи и использования информации (например, счетные машины и устройства, внутритрубные инспекционные приборы, средства обнаружения утечек, аварийные извещатели, приборы мониторинга параметров технического состояния оборудования и др.).
    Все машины состоят из отдельных механизмов и узлов, представляющих собой системы тел для преобразования движения отдельных звеньев. Различают механизмы шарнирные, кулачковые, зубчатые, клиновые, цепные, винтовые, фрикционные с гидравлическими, пневматическими и электрическими устройствами и др.
    Исполнительные органы машин получают энергию через передачи (трансмиссии), которые обычно состоят из одного или нескольких преобразующих движение механизмов. Преобразование энергии может заключаться в изменении частоты и направления вращения, 6

в изменении вращательного движения в поступательное, в разветвлении подводимой мощности и распределении её между несколькими механизмами и т.д. Передачи по своему устройству и принципу действия подразделяют на механические, электрические, гидравлические и пневматические.
    Наибольшее распространение в машинах и механизмах получили механические передачи. Их применяют на большинстве автомобилей, тракторов, в грузоподъёмных и строительных машинах, металлообрабатывающих станках и многих других машинах.
    Электрические передачи используют на некоторых мощных автомобилях и тракторах. Такие передачи у транспортных машин состоят из первичного двигателя (обычно внутреннего сгорания), который соединен с генератором, питающим своей энергией электродвигатели рабочих механизмов. Эта схема позволяет сочетать автономность машины от внешней электросети с преимуществами использования электродвигателей для рабочих механизмов. На таких машинах обычно применяется электрическое управление, обладающее большой гибкостью, что дает возможность решать вопросы автоматизации управления машиной.
    Гидравлические передачи весьма разнообразны. Они подразделяются на гидродинамические передачи (турбомуфты, турботрансформаторы) и передачи гидростатического (объёмного) действия. При гидравлическом управлении жидкость подается к исполнительным механизмам (например, гидроцилиндрам) под высоким давлением насосом. Гидравлическая система передач применяется, например, на всех автомобилях-самосвалах для подъёма кузова при разгрузке, в бульдозерах, автокранах, трубоукладчиках, в приводе лебёдок и насосов и т.д.
    При пневматическом управлении воздушный компрессор нагнетает воздух под давлением в 8-12 кгс/см² в металлический баллон - ресивер, откуда сжатый воздух распределяется для управления отдельными механизмами. Тормоза железнодорожных поездов и грузовых автомобилей, механизмы буровых установок, 7

новейших экскаваторов и многих других машин имеют как правило пневматическое управление.
    При гидравлическом и пневматическом управлении наибольшее распространение получил исполнительный механизм, имеющий форму полого цилиндра с поршнем и штоком. Под давлением поступающей рабочей жидкости или сжатого воздуха поршень передвигается и своим штоком включает или выключает сцепную муфту, прижимает тормозные колодки, поворачивает передние колеса тяжелого автомобиля и т.п. Получили распространение и комбинированные системы управления - электромеханическая, электропневматиче-ская и др.
    Требования, предъявляемые к машинам. Каждая машина прежде всего должна соответствовать своему назначению, облегчать труд рабочего, повышать производительность его труда. Любая новая машина имеет право на широкое распространение только в том случае, если по своим показателям она значительно превосходит показатели уже существующих машин. Машина должна быть прочной, обладать высокой работоспособностью и действовать достаточно долго до капитального ремонта. Машина должна обеспечивать безопасную работу, рабочее место должно быть удобным, защищенным от пыли, жары или холода. И, наконец, управление машиной должно быть максимально простым и легким.
    Одним из важных требований, предъявляемых к машине, является экономичность в работе. Она должна иметь высокий коэффициент полезного действия и потреблять минимум энергоресурсов. Машина должна быть технологична, т.е. проста и удобна в эксплуатации. Большое значение для всех родов машин имеет снижение массы. Снижение массы машины - это не только экономия материала, это еще и экономия труда на обработку металла, экономия энергии и средств при эксплуатации и ремонте машины.
    Конструкция машины должна обеспечивать простоту и удобство ухода за ней (смазка, регулировка, замена быстроизнашивающихся деталей). Она должна обладать и ремонтной технологичностью,

8

чтобы можно было быстро и легко ремонтировать её, заменять отдельные детали и узлы.
1.2. НАГРУЗКИ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА МАШИНЫ

    Машины для строительства трубопроводов подвергаются воздействию различных усилий: от собственного веса, от рабочих нагрузок, от сил инерции, от ветровой нагрузки, от наличия атмосферных осадков и т.д. [5, 7, 12, 15, 21, 52].
    Нагрузки от собственного веса должны учитываться при определении прочности элементов конструкций машины. Наибольшее влияние нагрузок от собственного веса испытывают опорные детали машины. Вес эксцентрично расположенных частей машины - стрел, рукоятей, консолей - может вызывать возникновение опрокидывающего момента, действующего на машину. Это наблюдается, например, при работе грузоподъёмных кранов, монтажных стрел, экскаваторов, кранов-трубоукладчиков. Это необходимо учитывать при эксплуатации машин [21, 52].
    Нагрузки, возникающие при работе машины, зависят от рода выполняемой работы. Такими нагрузками являются, например, сопротивление грунта копанию у экскаваторов; сопротивление, возникающее при перемещении грунта отвалом бульдозера; воздействие веса поднимаемого груза грузоподъёмной машиной и т.д.
    Ветровые нагрузки у строительных машин с большой наветренной поверхностью (башенных, козловых кранов, трубоукладчиков) могут быть настолько значительными, что иногда вызывают аварии - угон кранов по рельсовым путям и опрокидывание трубоукладчиков.
    Ветровые нагрузки необходимо учитывать при расчете устойчивости, а также при расчете на прочность металлоконструкций и деталей механизмов передвижения, вращения поворотной части машины, а также при расчете мощности, потребляемой приводными двигателями.


9

   2. МАШИНЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И ПРИСПОСОБЛЕНИЯ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДЛЯ МЕХАНИЗАЦИИ ТРУДОЁМКИХ
ПРОЦЕССОВ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ И РЕМОНТЕ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

2.1. КЛАССИФИКАЦИЯ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ МЕХАНИЗАЦИИ ТРУДОЁМКИХ ПРОЦЕССОВ В ТРУБОПРОВОДНОМ ТРАНСПОРТЕ УГЛЕВОДОРОДОВ

    При строительных и ремонтных работах в трубопроводном транспорте углеводородов используются как общестроительные, так и специальные машины и оборудование [7, 14].
    Машины общестроителъные имеют широкое применение и могут быть использованы на строительстве любого объекта (например, бульдозер). Машины специалъные предназначены в основном для строительства магистральных трубопроводов (например, роторный траншейный экскаватор, трубоукладчики, насосные агрегаты, трубовозы и т.д.).
    Каждая машина характеризуется своей производительностью.
    Расчетно-теоретическая производителъностъ машин ПР представляет собой производительность, определяемую (на стадии проектирования) расчетными параметрами машины без учета простоев.
    Техническая производителъностъ Пт - это максимально возможная производительность в данных конкретных условиях.
    Эксплуатационная производителъностъ Пэ представляет собой фактическую производительность машины с учетом всех перерывов в работе. Она учитывает использование машины по времени в течение смены и равняется произведению технической производительности Пт на коэффициент использования машины Кн во времени:
Пэ = Пт- Кн.
    Единицы измерения производительности машин, в зависимости от их назначения, могут быть различны, например: т/м³, м/ч, км/ч и др.
    При строительстве объектов трубопроводного транспорта углеводородов и ремонтных работах для механизации трудоёмких процессов используются различные машины и механизмы, которые можно классифицировать следующим образом (рис. 4).

10