Начинается...

Комплекс плазменной очистки НКТ и насосных штанг

Комплекс плазменной очистки НКТ и насосных штанг

А. Е. СЕНОКОСОВ – главный инженер ЗАО «Петроплазма»
М. Ю. УШАКОВ – генеральный директор ЗАО «Петроплазма»
Е. С. СЕНОКОСОВ – к.т.н., заместитель генерального директора по научной работе ЗАО «Петроплазма»
В. З. ГАКАРОВ – директор ООО «Таргин Механосервис»

В ЗАО «Петроплазма» создан комплекс плазменной очистки насосно-компрессорных труб (НКТ) и насосных штанг (НШ), который позволяет высокопроизводительно и экологически чисто с минимумом отходов очищать НКТ и НШ от любых загрязнений перед их диагностикой и ремонтом. В процессе очистки используется только сжатый воздух и электроэнергия.

Насосные штанги и НКТ являются очень важными элементами при добыче нефти и газа из глубинных слоев Земли. Их прочность и надежность обеспечивает ритмичность добычи нефти и газа. Их повторное многократное использование после ремонта определяет себестоимость нефти и газа, поскольку они входят в ее стоимость. Поэтому целью создания комплекса явилось увеличение производительности очистки НШ и НКТ во время ремонта, обеспечение высокой прочности и надежности этих изделий и снижение себестоимости ремонта НКТ и НШ.

Согласно заложенного в комплекс способа и устройства, очистка поверхности НКТ и насосных штанг от загрязнений (нефть, парафины, асфальтены, минеральные отложения, оксиды и т.п.) производится путем кратковременного воздействия низкотемпературной плазмой 6000–20000°С и плотностью энергии 1011 вт/м2 на очищаемую поверхность.

При такой температуре и плотности тепловой энергии все известные химические элементы и их соединения мгновенно испаряются или сублимируют с очищаемой поверхности, оставляя поверхность чистой.

Такой процесс очистки осуществляется с высокой производительность, не зависит от погодных условий (жара, мороз) и является экологически чистым, так как все органические молекулы под действием высокой температуры диссоциируют, т.е. разлагаются на составляющие их атомы С, О2, Н2, которые в результате рекомбинации (последующего сгорания) из сложных канцерогенных молекул образуют простейшие безопасные продукты сгорания типа СО2 и Н2О.

Такому превращению канцерогенных молекул в простейшие безопасные соединения способствует использование в качестве плазмообразующих рабочих тел (ПРТ) углеводородов, воздуха, кислорода, спирта, ацетона и их смесей.

На этом принципе сегодня работают термические установки по утилизации химического оружия и токсичных химических соединений [1].

Использование пропановых или ацетиленовых горелок при очистке НКТ не приводит к такому эффекту в силу, низкой температуры и плотности энергии в струе продуктов горения этих горелок. Наоборот, это приводит к газификации канцерогенных молекул и загрязнению окружающего пространства.

Таким образом, суть рабочего процесса, положенного в основу работы комплекса очистки НШ и НКТ, является не механическое воздействие на загрязнения, но в высокотемпературном воздействии потока плазмы из факельных плазмотронов [2] на частицы грязи на поверхности с последующим их сдуванием (испарением или сублимацией) с поверхности плазменной струей. Наиболее эффективно подобная очистка реализуется, если струя плазмы воздействует на поверхность НКТ и НШ под косым углом. Вся грязь на поверхности НКТ газифицируется и покидает поверхность. При этом очистка поверхности осуществляется практически на молекулярном или атомарном уровне. Процесс протекает быстро, поэтому материал трубы не успевает нагреться до высоких температур (не выше 350°С).

Таким образом, при кратковременном воздействии плазмы на очищаемую поверхность асфальто-смоло-парафиновые отложения (АСПО) плавятся и интенсивно газифицируются. За счет теплового удара растрескиваются на поверхности минеральные отложения и корки оксидов, теряется их адгезионная связь с поверхностью металла изделий. Под воздействием высокоскоростного потока плазмы, омывающего очищаемую поверхность, газообразные продукты, частицы минеральных отложений и оксидов удаляются с очищаемой поверхности.

Далее по газоводам системы вентиляции они поступают в фильтры, где продукты очистки улавливаются и далее утилизируются вместе с фильтрами или отдельно.

Комплекс плазменной очистки НШ и НКТ (рис. 1) состоит из четырех линий очистки (А, Б, В и Г) и участка Д транспортной механизации 7.

Комплекс плазменной очистки насосных штанг и НКТ

Рис. 1. Комплекс плазменной очистки насосных штанг и НКТ

Наружная очистка НШ и НКТ начинается в линии А во входном боксе 2. НКТ и НШ подаются в бокс наружной очистки 2. Входной бокс имеет вход и выход, механизм перемещения подает НКТ через бокс поступательно, поступательно-вращательно и реверсивно. Внутренняя полость бокса соединена с системой вентиляции 1 для отвода газообразных продуктов очистки и системой сбора жидких и твердых отходов. Стенки бокса (рис. 2) имеют каналы для охлаждения его корпуса, если он нагревается в процессе работы, или для нагрева корпуса с целью облегчения сбора АСПО в поддон и далее в горловину сбора в контейнер.

Бокс наружной очистки НШ и НКТ на испытательном стенде в лаборатории

Рис. 2. Бокс наружной очистки НШ и НКТ на испытательном стенде в лаборатории

В стенках проходного бокса внешней очистки НКТ (рис. 2) размещены от одного и более струйных или факельных плазматронов [2, 3], таким образом, что при прохождении через бокс грязных НКТ или НШ их поверхность очищается высокоскоростными струями плазмы плазмотронов (рис. 3).

Очистка наружной поверхности НКТ струей плазмы

Рис. 3. Очистка наружной поверхности НКТ струей плазмы

При этом происходит нагрев самих НКТ или насосных штанг. Очистку внешней поверхности организуют так, чтобы к ее завершению внутренняя стенка НКТ прогрелась до температуры плавления АСПО, после чего АСПО по оплавленному, по периметру АСПО, жидкому (смазочному) пограничному слою легко выталкивается из НКТ в линии Б штангой 4 и поршнем 3 (рис. 1). При работе комплекса на это уходит меньше минуты, а в основном столб АСПО скользит из НКТ под собственным весом, достаточно наклонить трубу свободным концом в контейнер сбора АСПО (рис. 4).

Самопроизвольная очистка НКТ от АСПО после наружной очистки

Рис. 4. Самопроизвольная очистка НКТ от АСПО после наружной очистки

Этот способ очистки особенно эффективен в зимний период, когда при отрицательных температурах АСПО внутри НКТ становится очень твердым и прочно связан с внутренней стенкой НКТ, его даже высверлить невозможно из-за твердости и наличия в нем песка.

На практике НКТ не всегда внутри загрязнены АСПО, часто в них накапливаются другие загрязнения (минеральные отложения, корки ржавчины и т.п.). В особо трудных случаях для очистки НКТ от таких загрязнений трубу достаточно нагреть до высокой температуры, но не более 650°С (для этого требуется 3–4 мин.), чтобы не допустить произвольную термообработку, например, закалку, которая становится возможной при нагреве до температуры выше температуры фазовых и структурных изменений. Такие изменения возможны при нагреве стали выше 700°С [4]. При нагреве НКТ до 650°С или ниже все кристаллические минеральные отложения и корки ржавчины теряют содержащуюся в их кристаллической структуре гидроксильную группу (ОН), что резко снижает внутреннюю прочность минеральных кристаллов, адгезионная связь с металлом трубы резко падает и они легко дробятся, поэтому извлечь их из трубы не составляет труда, что и реализовано в комплексе очистки НШ и НКТ.

После внешней очистки НКТ и НШ в проходном боксе линии А (рис. 1) насосные штанги далее идут на диагностику, а НКТ перемещают на участок внутренней очистки Б, где выталкивают АСПО из внутренней полости НКТ. Выталкивают механически поршнем 3, закрепленным на штанге 4 (рис. 1) или, напором пара, сжатого газа, жидкости или за счет наклона НКТ под собственным весом. АСПО выталкивают в герметичный контейнер для утилизации.

Поскольку на внутренней стенке НКТ могут оставаться следы АСПО, минеральные отложения и другие загрязнения, то НКТ после линии Б перемещают на участок финишной очистки В (рис. 1).

Плазматрон внутренней очистки вводят на всю длину НКТ или НКТ накатывают на плазматрон

Рис. 5. Плазматрон внутренней очистки вводят на всю длину НКТ или НКТ накатывают на плазматрон

Смысл финишной очистки внутренней полости НКТ заключается в газификации, термической диссоциации АСПО и дальнейшем высокотемпературном сжигании с последующим извлечением газообразных, аэрозольных и пылевидных продуктов внутренней очистки из полости НКТ в систему дымоотсоса через фильтры и далее в атмосферу.

Для этого на участке финишной очистки внутренней полости НКТ в трубу вводят струйный плазматрон 5, закрепленный на штанге 6 (рис. 1) и (рис. 5) или на плазматрон 5, закрепленный на штанге 6 (рис. 1) линии В, внутренней полостью накатывают НКТ. По мере движения плазматрона внутри НКТ за счет взаимодействия плазменной струи с внутренними стенками с них испаряются остатки АСПО (рис. 6), диссоциируют и сгорают в полости НКТ. Для полного сгорания углеводородов, в трубу помимо плазматрона (параллельно струе плазмы или концентрично ей), попадают сжатый воздух, кислород или другие газы, обеспечивающие высокотемпературное полное (стехиометрическое) сгорание остатков АСПО. Это напоминает процесс в камере сгорания гибридного ракетного двигателя [5].

Продукты внутренней очистки НКТ в виде аэрозолей поступают в систему вентиляции с фильтрами (газоотводящий узел снят)

Рис. 6. Продукты внутренней очистки НКТ в виде аэрозолей поступают в систему вентиляции с фильтрами (газоотводящий узел снят)

Продукты полного высокотемпературного сгорания АСПО из свободного конца НКТ (рис. 7) поступают в газовод, охлаждаются и через фильтры поступают в атмосферу.

Продукты полного сгорания истекают из НКТ в охлаждаемый газовод (газовод снят)

Рис. 7. Продукты полного сгорания истекают из НКТ в охлаждаемый газовод (газовод снят)

За счет высокотемпературного и высокоскоростного взаимодействия струи плазмы и продуктов сгорания АСПО с внутренней стенкой НКТ, в результате теплового удара, минеральные отложения, корки оксидов трескаются и отстают от стенок. Потоком продуктов сгорания они выносятся в газовод, который сочленен со свободным концом НКТ в систему вентиляции и сбора отходов очистки. Для этого перед финишной очисткой свободный конец НКТ герметично сочленяют с газоотводящим узлом или этот узел накатывают и сочленяют герметично с НКТ. Учитывая, что газообразные продукты очистки имеют высокую температуру, газоотводящий узел и газовод имеют принудительное охлаждение стенок и корпуса или в высокотемпературный поток для его охлаждения вспрыскивают жидкость, пар или газы, например, воду, водяной пар или воздух.

Весь процесс финишной внутренней очистки НКТ длится не более 40–80 сек. и не приводит к сколь-нибудь значительному нагреву НКТ (не выше 350°С).

Если НКТ 9 (рис. 1) запачкали при транспортировке между участками Б и В внутренней очистки, то на выходе участка финишной внутренней очистки НКТ направляют в проходной бокс 11 внешней очистки НКТ, являющийся копией входного бокса очистки внешней поверхности НКТ, только меньшей мощности, т.е. с меньшим количеством плазматронов и с вытяжной вентиляцией 10. Этот процесс очистки занимает не более 20–30 сек.

Весь цикл очистки НКТ и НШ от АСПО и других загрязнений на комплексе плазменной очистки занимает в среднем 1,5–2,0 мин.

На выходе поверхность НШ и НКТ очищена практически от всех загрязнений и отвечает требованиям проведения любого вида диагностики. Разработанная ЗАО «Петроплазма» плазменная технология очистки НШ и НКТ высокопроизводительна, ограничено использует воду и водяной пар. Система охлаждения плазматронов и теплонапряженных частей комплекса замкнута и не имеет выбросов. Выделяющееся тепло идет на обогрев цеха. Газообразные и аэрозольные отходы собираются в фильтрах, а АСПО (без воды), готовое для дальнейшей экономически выгодной и качественной переработки, компактно упаковывается в герметичные контейнеры или дешевую тару.

Для работы комплекса плазменной очистки НКТ и НШ необходимо только силовое электропитание 3-х фазное, 380 В, 50 Гц. Расходные материалы для работы не требуются. В качестве плазмообразующего рабочего тела используется воздух, в комплекте есть соответствующий компрессор.

В настоящее время разрабатывается мобильный комплекс плазменной очистки НШ и НКТ на базе передвижной дизельной электростанции AKSA AD 275 мощностью 250 кВт, размещенной на базе автомобиля «КАМАЗ 43118» повышенной проходимости.

ЗАО «Петроплазма» уже имеет опыт разработки и поставки плазменных мобильных установок очистки магистральных газопроводов [2, 3]. Время разворачивания такой мобильной установки в полевых условиях составляет порядка 2-х часов.

Производительность очистки НШ и НКТ стационарного комплекса плазменной очистки в зависимости от вида загрязнений 30–60 в час. Суммарная потребляемая мощность до 250 кВт.

Технология и устройство комплекса плазменной очистки НШ и НКТ запатентованы в РФ и ЕС.

ЛИТЕРАТУРА:

  1. Бернадимер М. Н., Шурыгин А. П. Огневая переработка и обезвреживание промышленных отходов. М: Химия, 1990.
  2. Фокин Г. А., Сивоконь В. Н., Ильин Н. Е. и др., Комплекс для плазменнодуговой очистки наружной поверхности магистральных трубопроводов, патент РФ № 143764, 2013.
  3. Фокин Г. А., Сивоконь В. Н., Ильин Н. Е. и др., патент ФРГ № 20 2015 000 547.0, 2015.
  4. Солнцев Ю. П., Пряхин Е. Н., Войткун Ф. и др., Материаловедение, М. МИСИС, 1999.
  5. Большая советская энциклопедия, 3-е издание, М. Советская энциклопедия, с. 1357, 1971.

Скачать статью в формате pdf →