Состав многофункционального гелевого поршня для применения на магистральных трубопроводах
Владельцы патента RU 2720773:
Общество с ограниченной ответственностью "ДЕЛЬТА-ПРОМ" (RU)
Изобретение относится к трубопроводному транспорту нефти, нефтепродуктов и газового конденсата и предназначено для очистки трубопроводов от асфальтосмолопарафиновых отложений, водонефтяных эмульсий и пластовой воды. Состав многофункционального гелевого поршня включает водорастворимый или частично-сшитый полиакриламид, продукт хемосорбции формальдегида водным раствором карбамида, углеводородную жидкость, неорганический сшивающий агент, воду, и дополнительно второй амид, в качестве которого используют карбамид, меламин или их смесь. Изобретение позволяет улучшить упругие эксплуатационные характеристики и повысить уровень очистки полости трубы от загрязнений. 1 ил., 1 табл.
Изобретение относится к трубопроводному транспорту нефти, нефтепродуктов и газового конденсата и предназначено для очистки трубопроводов переменного диаметра до 1200 мм с изменяемым направлением движения перекачиваемых сред до 90 градусов, как с подкладными кольцами, так и без них, от асфальтосмолопарафиновых отложений, водонефтяных эмульсий и пластовой воды.
При транспортировании нефти или нефтепродуктов вследствие выпадения осадков, образования внутренних газовоздушных скоплений и воды уменьшается пропускная способность трубопроводов, в результате чего увеличивается их гидравлическое сопротивление и увеличивается вероятность механического разрушения.
Особенно страдают участки труб, имеющих сложную конфигурацию и переменное сечение, а также трубопроводы большого диаметра с подкладными кольцами.
Водяные и газовоздушные скопления снижают качество перекачиваемого продукта, способствуют образованию устойчивых к разрушению эмульсионных систем.
Используемые для очистки механические устройства в большинстве случаев малоэффективны, особенно применительно к трубопроводам переменного диаметра.
Высокое качество удаления парафиновых и битуминозных отложений на стенках труб можно достичь лишь при использовании гелевых поршней с высокими значениями показателей упругих свойств. Благодаря этому гарантирована требуемая герметичность прилегания композиции к внутренней поверхности трубопровода.
Известен состав гелевого разделительного поршня, включающий полиакриламид (ПАА), алифатический спирт С2-С3, сшивающий агент, смесь минеральных солей и вода - остальное [RU №2115858, 6F 17D 3/08].
Его недостатком является низкий уровень герметизации полости трубы, особенно для трубопровода диаметром 300 мм и более.
Известен состав гелевого разделительного поршня на основе полиакриламида, углеводородной жидкости, сшивающего агента, соли щелочного или щелочноземельного металла и вода - остальное [RU №2209364 B08B 9/027, F17D 1/12, оп. 2003 г.].
Для данной композиции характерен невысокий уровень герметизации полости трубы, особенно для трубопровода переменного диаметра с крутыми поворотами при его очистке, так как при этом происходит нарушение сплошности гелевого разделительного поршня.
Известен состав разделительного поршня для очистки трубопровода и разделения сред, содержащий полиакриламид, нефтепродукт, соль минеральной кислоты, сшивающий агент, порошкообразное производное формальдегида и пресную воду [RU №2271879, B08B 9/027, оп. 2004 г.].
Его существенным недостатком является невысокий уровень упругих характеристик гелевой композиции и недостаточная герметизация полости трубы гелевым поршнем в трубопроводах диаметром 300 мм и более с подкладными кольцами.
Наиболее близким по технической сущности является состав гелевого поршня, описанный в [RU №2619682, В08В 9/027; В08В 9/053; F17D 1/12]. Он включает водорастворимый полимер, углеводородную жидкость, органический и неорганический сшивающие агенты и воду, причем в качестве полимерной основы используют высокомолекулярные продукты разных классов, в роли органического сшивающего агента - полиметилольные производные мочевины при следующем содержании компонентов, масс. %: водорастворимый полимер - 8,0-10,0; углеводородная жидкость - 6,0-8,0; полиметилольные производные мочевины - 0,5-3,0; неорганический сшивающий агент - 0,001-0,003; вода - остальное.
К его недостаткам следует отнести повышенный разброс степени очистки поверхности труб в зависимости от варьируемого состава очищающего поршня.
Целью изобретения является оптимизация состава гелевого поршня, обеспечивающая улучшение его упругих характеристик и достижение более высокой степени очистки полости трубы переменного диаметра до 1200 мм с изменяемым направлением движения перекачиваемых сред до 90°, как с подкладными кольцами, так и без них.
Поставленная задача достигается тем, что состав многофункционального гелевого поршня для применения на магистральных трубопроводах с целью их очистки от асфальтосмолопарафинистых сред и других видов отложений, включает полимер, формальдегидсодержащий реагент, углеводородную жидкость, неорганический сшивающий агент, воду и дополнительно второй амид, причем в качестве полимера используют водорастворимый или частично сшитый полиакриламид, в роли формальдегидсодержащего реагента - продукт хемосорбции формальдегида водным раствором карбамида марки КФК-85, а вторым амидом является карбамид, меламин или их смесь, при следующем содержании компонентов, масс. %:
| Водорастворимый или частично сшитый ПАА | 7,0-10,0 |
| Углеводородная жидкость | 4,0-7,0 |
| КФК-85 | 4,0-9,0 |
| Неорганический сшивающий агент | 0,001-0,003 |
| Карбамид | 3,5-8,0 |
| Меламин (при содержании карбамида менее 4 масс. %) | 1,0-4,0 |
| Вода | остальное |
Таким образом, сущностью предлагаемого технического решения является состав многофункционального гелевого поршня, получаемый последовательным смешением перечисленных компонентов с формированием очищающего поршня в производственных условиях.
В отличие от прототипа в предлагаемом техническом решении существенно увеличено содержание формальдегидсодержащего реагента и дополнительно введен второй амид.
В качестве полимера используют порошкообразный гидролизованный полиакриламид с ММ=(8-18)*106 и степенью гидролиза 5-20% или частично сшитый ПАА с аналогичными характеристиками.
Наиболее подходящей углеводородной жидкостью является легкая нефть, керосин или дизельное топливо. Ее назначение состоит в предотвращении слипание частиц полиакриламида в более крупные агломераты при добавлении воды или неорганического сшивающего агента.
В качестве формальдегидсодержащего реагента применяют продукт хемосорбции формальдегида водным раствором карбамида, выпускаемый под торговой маркой КФК-85 по ТУ 2223 - 009 00206492-2007 и представляющий водную композицию, содержащую смесь моно-, ди- и триметилолмочевин с метиленгликолем:
| карбамид в виде метилолмочевин, % масс. | 25±0,5 |
| формальдегид во всех формах, % масс. | 60±0,5 |
| вода | остальное |
Неорганическим сшивающим агентом является алюмохромфосфатное связующее (АХФС), выпускаемое по ТУ 2149-150-10964029-01 на ЗАО «ФК» г. Буй Костромской области или соли поливалентных металлов: хлорид или сульфат хрома, или хромо-калиевые квасцы.
АХФС представляет собой вязкую жидкость темно-зеленого цвета с удельной массой 1550-1770 кг/м3 при 20°C и содержит 6,5-9,0% массовой доли алюминия в пересчете на Al2O3, 3,5-4,5% массовой доли хрома в пересчете на Cr2O3, 35-40% массовой доли фосфатов в пересчете на P2O5, является пожаро- и взрывобезопасным продуктом.
Минерализация применяемой воды не должна превышать 100 г/л.
В качестве регулятора кислотности, обеспечивающего pH состава гелевого поршня в диапазоне 3-6, при необходимости используют соляную и лимонную кислоты.
Входящий в состав гелевого поршня формальдегидсодержащий реагент выступает в качестве модификатора полиакриламида в результате протекания следующих реакций.
Образовавшееся модифицированное производное полиакриламида (~CONHCH2OH) способно далее конденсироваться в кислой среде с формированием пространственной сетки благодаря взаимодействию метилольных и амидных групп.
2 ~CONHCH2OH→~CONHCH2NHCO~+CH2O+H2O
~CONHCH2OH+~CONH2 (ПАА)→~CONHCH2NHCO~+H2O
При этом в реакцию способен вступать не только ПАА, но и карбамид, меламин, добавляемые в состав гелевого поршня. Благодаря вводу второго амида регулируется густота сшивки состава гелевого поршня, то есть его упругие свойства.
Входящий в состав гелевого поршня кислый алюмохромфосфат, способен образовывать с метилолмочевинами карбамидоформальдегидного концентрата сложный эфир.
Применительно к диметилолмочевине его химическое строение может быть представлено следующей структурной формулой
где Ме - Al, Cr.
В результате реализации этого механизма также формируется полимерная разветвленная сетка, термическая и гидролитическая стабильность которой повышается благодаря наличию в ней фосфатных неорганических мостиков.
Образование упрочняющих солевых звеньев подтверждено и в случае
хлорида и сульфата хрома, а также хромо-калиевых квасцов.
Параллельно со сшивкой метилольных производных ПАА становится возможной их соконденсация с добавляемым амидом, например, карбамидом, согласно нижеприведенной реакции. В результате ее протекания, подтвержденной методом ЯМР-спектроскопии, формируются требуемые вязкоупругие характеристики полимерного резиноподобного гелевого поршня.
где R - H, CH2OH.
Технология изготовления состава гелевого поршня достаточно проста и включает последовательную загрузку компонентов в смесительный аппарат и ее перекачку в трубопровод при помощи агрегата ЦА-320 после достижения вязкости в (1,5-3) μ.
μ=d2*(ρ1-ρ2)*g/v, где
μ - вязкость раствора, пуаз;
d - диаметр набухшей частицы ПАА, м;
ρ1 - плотность набухшего полиакриламида в присутствии добавки КФК-85, кг/м3;
ρ2 - плотность солевого отверждающего раствора, кг/м3;
g - ускорение свободного падения, м/с2;
v - скорость седиментации, м/с.
Если принять d=0,003 м, ρ1=1100 кг/м3, ρ2 - 1050 кг/м3, V=0, 0001 м/c, то μ=0,25 пуаз.
В дальнейшем процесс протекает с автоускорением и в зависимости от температуры завершается в течение 2-4 часов.
Схема размещения гелевого поршня в очищаемом трубопроводе (устройство вытесняющей технологической цепочки) представлена на фиг. 1.
Обозначения на фиг. 1:
1 - нефтепродукт (водонефтяная эмульсия); 2 - герметизатор резинокордный; 3 - поршень поролоновый №1; 4 - гелевый разделительный поршень; 5 - поршень поролоновый №2; 6 - вытесняющая среда (вода или инертная газовая смесь).
Продавливание готового поршня в полость очищаемого трубопровода осуществляется под давлением с помощью баллонов с азотом без использования камеры приема-пуска, что обеспечивает высокую степень безопасности при выполнении работ. Перемещение гелевого поршня по трубе достигается с использованием инертного газа, либо потоком воды, подаваемой насосом.
Чем выше упругие свойства гелевого поршня, тем плотнее его прилегание к стенкам очищаемой трубы.
Получаемые по заявленному составу гелевые поршни можно использовать для очистки трубопровода переменного диаметра до 1200 мм и с изменяемым направлением движения перекачиваемых сред до 90°, как с подкладными кольцами, так и без них.
Эксперименты по оценке эффективности гелевого состава по сравнению с прототипом проводили на стенде, который представляет собой трубопровод переменного диаметра 15-25 мм и длиной 30 м и включает в себя повороты под углом 90°.
На внутреннюю поверхность трубы перед началом эксперимента наносили предварительно взвешенные грязепарафиновые отложения, которые были отобраны из реальных магистральных трубопроводов. Затем готовили гелевые составы для формирования поршней по прототипу и примерам осуществления технического решения.
Силу упругости F и жесткость материала k на основе изготовленных гелевых композиций определяли на образцах диаметром 5,2 см и высотой 4,5 см с приложенной статической нагрузкой в 2 кг.
Составы поршней и результаты их исследования приведены в таблице.
| Компонент | Содержание компонентов в гелевых композициях, мас.% | ||||||
| прототип | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |
| полиакриламид | 8,0 | 9,1 | 8,6 | 8,3 | 7,8 | 7,7 | 7,5 |
| КФК-85 | 3,0 | 4,0 | 6,0 | 6,5 | 8,6 | 8,7 | 8,3 |
| дизельное топливо | 7,0 | 6,0 | 5,7 | 5,5 | 5,2 | 5,2 | 5,0 |
| АХФС | 0,002 | ||||||
| карбамид | - | - | - | - | 3,9 | 7,4 | 8,0 |
| меламин | - | - | - | 3,7 | 2,3 | - | - |
| вода минерализованная, содержащая 6 мас. % хлорида натрия | остальное | ||||||
| Свойства гелевых композиций | |||||||
| сила упругости, Н | 0,47 | 0,56 | 0,55 | 0,75 | 0,73 | 0,64 | 0,67 |
| жесткость, H/м | 16,8 | 20,1 | 20,8 | 27,3 | 26,2 | 23,1 | 23,5 |
Из нее видно, что, регулируя состав гелевого поршня можно добиться существенного улучшения его упругих рабочих характеристик по сравнению с прототипом, что позитивно отразится на удалении различных отложений на внутренней поверхности труб при прохождении по ним гелевого поршня.
По прототипу эффективность очистки трубопровода варьирует от 69%, а по заявленному техническому решению она превышает 80%.
При изменении массового содержания компонентов состава или несоблюдении условий его приготовления отмеченный результат не будет достигнут.
Таким образом, только предложенный состав многофункционального гелевого поршня обеспечит получение материала с улучшенными эксплуатационными характеристиками и достижение более высокого уровня очистки полости трубы переменного диаметра до 1200 мм с изменяемым направлением движения перекачиваемых сред до 90 градусов, как с подкладными кольцами, так и без них.
Состав многофункционального гелевого поршня для применения на магистральных трубопроводах с целью их очистки от отложений, включающий водорастворимый или частично-сшитый полиакриламид, продукт хемосорбции формальдегида водным раствором карбамида, углеводородную жидкость, неорганический сшивающий агент и воду, отличающийся тем, что дополнительно содержит второй амид, в качестве которого используют карбамид, меламин или их смесь при следующем содержании компонентов, мас.%:
| Водорастворимый или частично сшитый полиакриламид | 7,0-10,0 |
| Углеводородная жидкость | 4,0-7,0 |
| Продукт хемосорбции формальдегида водным раствором карбамида | 2,0-9,0 |
| Неорганический сшивающий агент | 0,001-0,003 |
| Карбамид | 3,5-8,0 |
| Меламин (при содержании карбамида менее 4 мас.%) | 1,0-4,0 |
| Вода | Остальное |
