Способ очистки трубопроводов от радиоактивных отложений

(51) 21 9/00 (2006.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ использовании систем адиабатического сжатия и заключается в воздействии на отложения с помощью короткого импульса давления специальной формы. Параметры импульса обеспечивают сложный и комплексный характер воздействия на слой отложений, что обеспечивает высокую эффективность очистки. Воздействие осуществляется при помощи газодинамических генераторов различной конструкции. Способ очистки обеспечивает снижение объема радиоактивных технологических отходов, а также повышение технологической и экономической эффективности очистки. Для реализации предложенного способа разработан и изготовлен прототип генератора газового импульса и проведены предварительные эксперименты по очистке труб от различных видов отложений.(76) Колтыгин Илья ОлеговичКолтыгин Олег ВасильевичЛогачев Юрий Владимирович(54) СПОСОБ ОЧИСТКИ ТРУБОПРОВОДОВ ОТ РАДИОАКТИВНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ(57) Изобретение относится к области нефтедобывающей промышленности, в частности к способам снижения экологического воздействия на окружающую среду, связанную с осаждением на трубопроводах радиоактивные отложений, и повышения эффективности использования продуктов нефтедобычи. Предлагаемый способ очистки трубопроводов от радиоактивных отложений заключается в Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к способам снижения экологического воздействия на окружающую среду,связанную с осаждением на трубопроводах твердых отложений (включая радиоактивные компоненты радий, торий и др.) и повышения эффективности использования продуктов нефтедобычи. Основными предпосылками к данному техническому решению, определяющими его актуальность,являются экологический и экономический факторы. Экономическая сторона проблемы заключается в том, что уменьшение сечения трубопровода и, соответственно, потеря производительности,а также требования безопасности, вызывают необходимость вывода таких трубопроводов из эксплуатации. Как правило,данная проблема решается заменой трубопроводов при уменьшении его рабочего сечения ниже определенного уровня, что крайне неэффективно экономически. Однако, в контексте данной заявки экологическая составляющая проблемы является определяющей. Она связана с тем, что парафиновые и другие отложения в нефтяных трубопроводах включают в себя значительное количество минералов, содержащих радионуклиды, в частности,радиобариты. Количество трубопроводов,выведенных из эксплуатации в Казахстане,составляет сотни тысяч тонн (Фиг.1), и зачастую их используют вторично с нарушением экологического законодательства. Это выводит проблему предотвращения накоплений отложений минеральных солей, содержащих радиобариты, и вывода трубопроводов из эксплуатации совершенно в другую плоскость, связанную не только с экономическими факторами, но и с решением сопутствующих экологических проблем. При этом возможен ряд вариантов решения проблемыпроведение соответствующих мероприятий по утилизации трубопроводов,выведенных из эксплуатации, как низкоактивных радиоактивных отходов. Эти мероприятия дорогие и экономически очень неэффективныеотмывка труб на специальных полигонах, где отложения в нефтяных трубопроводах, содержащие значительное количество радиоактивных минералов,включающих радий и торий, подлежат накоплению для последующей утилизации путем подачи продуктов отмывки водных взвесей минералов с моющими смесями обратно в нефтяные пласты. При этом необходимо учитывать, что в настоящее время радий-226, содержащийся в этих минералах,является востребованным сырьем для производства медицинских фармпрепаратов - актиния-225,актиния-227. Известен способ предотвращения отложения минеральных солей, содержащих радиобарит Ибрагимов Н.Г. и др. Способ предотвращения отложения минеральных солей, содержащих радиобарит. - Россия, Заявка на патент 2004109881/03, 31.03.2004 Способ включает в себя обработку попутно добываемой и/или сточной воды,содержащей ионы бария и изотопы радия, водным раствором солей и повторную закачку обработанной 2 воды в пласт. При этом в качестве указанного раствора применяют высокосульфатную подземную воду вышележащего горизонта с удалением выпавшего осадка, а соотношение объемов попутно добываемой и/или сточной воды и подземной воды рассчитывают по соответствующим соотношениям. Недостатком этого способа является низкая эффективность и низкая экологичность,сопровождающаяся загрязнением воды,что приводит к увеличению концентрации минеральных солей в водных пластах на полигонах и, как следствие, к продолжению ускоренного отложения минеральных солей в смеси с нафтеновыми и парафиновыми отложениями на стенках нефтяных труб в процессе нефтедобычи. Известен способ очистки металлических поверхностей от радиоактивных загрязнений Диденко А.Н. и др. Устройство и способ очистки металлических поверхностей от радиоактивных загрязнений. - Россия, Заявка на патент 98112651/06,29.06.1998., наиболее близкий к предлагаемому решению,основанный на импульсном воздействии на очищаемый объект в жидкой среде. Способ заключается в том, что объект помещают в жидкость и с помощью специальной электродной системой осуществляют воздействие на очищаемую поверхность высоковольтными импульсными разрядами при определенном отношении энергии единичного импульса к длине разрядного промежутка, при этом в качестве жидкой среды используют абразивную суспензию на основе воды или другие жидкости. Достоинством данного способа является повышение производительности очистки и уменьшение химического взаимодействия между отложениями и промывочными растворами. Поэтому промывочные растворы в меньшей степени загрязняются солями,что обеспечивает потенциальную возможность их повторного использования. Однако, в случае трудно снимаемых отложений,что характерно для нефтяных труб, для реализации этих преимуществ в качестве жидкой среды, как правило, необходимо использовать специальные растворы,например,последовательное использование растворов ,и СНК. Недостатками этого способа являются наличие и постоянное накопление жидких радиоактивных отходов, подлежащих последующей утилизации,часто находящихся при этом в химически агрессивной форме, высокая трудоемкость процесса очистки, а также необходимость проведения целого ряда специальных защитных мероприятий,связанных с безопасностью работ, химзащитой оборудования и персонала, их дезактивацией и т.п. Это можно проиллюстрировать составом используемых в ряде случаев растворов, в который входят целый ряд канцерогенных и агрессивных веществ, в частности, смесь тензидов, ингибиторов коррозии,четырехзамещенный этилендиаминтетраацетат натрия, бутилдигликоль,бутилгликоль и ряд других. Категория токсичности приведенных выше трех растворов - едкая жидкость, 26736 класс опасности 3. Соответственно, растворы действуют на кожу и слизистые оболочки и при работе с ними необходимы специальные меры безопасности необходимо пользоваться резиновыми перчатками и сапогами, защитными спецодеждой и очками. Кроме этого, возможна реакция жидкости с металлом труб, в результате которой образуется атомарный водород, который, проникая в кристаллическую решетку металла, вызывает водородное охрупчивание металла труб. При этом исключается возможность вторичного использования труб. Технической задачей,стоящей перед изобретением, является предотвращение роста объема радиоактивных технологических отходов,накапливающих минералы, содержащие радиобарит,а также повышение технологической и экономической эффективности путем повышения производительности очистки,возможности вторичного использования очищаемых труб и отходов. Решение поставленной задачи достигается тем,что известный способ очистки трубопроводов от радиоактивных загрязнений,основанный на импульсном воздействии на очищаемый объект в жидкой среде, заключающийся в том, что объект помещают в жидкость и с помощью специальной электродной системы осуществляют воздействие на очищаемую поверхность высоковольтными импульсными разрядами при определенном соотношении энергии единичного импульса к длине разрядного промежутка, при этом в качестве жидкой среды используют абразивную суспензию на основе воды или другие жидкости,отличается тем, что 1. участок очищаемого трубопровода включают между источником ударного газового импульса (1,Фиг.2) и ловушкой твердых отложений (5, Фиг.2) 2. осуществляют очистку участка трубопровода(4, Фиг.2) от радиоактивных отложений в безводной среде путем их преобразования с помощью газового импульса во взвесь с последующей абразивной эжекцией вихревым спадом импульса радиоактивной газовой взвеси из очищаемого участка и осаждают ее твердую фракцию в ловушке через вентиль, который синхронно открывают на время прохождения импульса, с одновременным контролем радиоактивности датчиками с внешней стороны труб до достижения ее допустимого уровня 3. в рабочую газовую среду формируемого ударного импульса подают сорбент или катализатор через специальную форсунку (2, Фиг.2) с синхронным клапаном, и синхронно с подачей формируемого ударного импульса осуществляют зажигание в рабочей газовой среде холодной плазмы с помощью специального электрода. Технически предлагаемый способ основан на использовании систем адиабатического сжатия и заключается в воздействии на отложения с помощью короткого импульса давления специальной формы. Параметры импульса обеспечивают сложный и комплексный характер воздействия на слой отложений, что обеспечивает высокую эффективность очистки. Воздействие осуществляется при помощи газодинамических генераторов различной конструкции. Реализация способа очистки трубопроводов от отложений минеральных солей, содержащих радиобарит, осуществляется следующим образом. Очищаемый участок трубопровода длиной 6-12 м подключают к генератору ударных газовых импульсов, с одной стороны, и к ловушке отходов, с другой, с помощью коммуникационных элементов(2, 3, Фиг.2), обеспечивающих необходимую герметичность стыков и безопасность работ. Генератор,формирующий ударные газовые импульсы (1, Фиг.3) подключают к газовой системе с компрессором или баллоном со сжатым воздухом. Система коммуникации включает в себя следующие основные элементы, выполняющие необходимые технологические функцииускорительная труба (3, Фиг.2), которая обеспечивает требуемые для работы конструктивные возможности и формирование на входе очищаемого трубопровода газового потока с необходимыми динамическими параметрами. Вход ускорительной трубы с помощью фланцевого соединения герметично подключают к выходу генератора газового импульса. в зависимости от реализуемого технологического регламента между выходом генератора газового импульса и входом ускорительной трубы подключают специальную форсунку (2 Фиг.2) с синхронным клапаном. Через нее в случае трудноснимаемых отложений для повышения эффективности очистки в ускорительную трубу (и, соответственно, в объем формируемого газового импульса) подают абразивные компоненты (песок, металлическую стружку и т.п.) или адсорбенты, обеспечивающие концентрирование и последующее использование отложений, в частности извлечение изотопа радия. Объем помещаемых в трубопровод абразивных компонентов зависит от диаметра трубы. Так для буровой трубы длиной 9 м и диаметром 75 мм этот объем составляет 0.2 - 0.8 л.в зависимости от характера отложений и технологического регламента система коммуникации предусматривает возможность включения специального электрода для синхронного зажигания в газовой среде ударного импульса холодной плазмы. Этим обеспечивается повышенная эффективность концентрирования,химической очистки и последующего выделения необходимых радионуклидов. На стадии очистки генератор в течение 2-5 секунд (в зависимости от степени загрязнения трубопровода) заполняют сжатым воздухом. Оптимальный уровень создаваемого в генераторе избыточного давления подбирается экспериментально в зависимости от размера труб и характера отложений. Так, для буровой трубы длиной 9 м и диаметром 75 мм необходимое 3 давление варьируется в диапазоне 600-1500 кПа. При достижении заданного давления генератор автоматически за сотые доли секунды выбрасывает этот воздух в виде мощной импульсной струи в присоединенную очищаемую трубу. Длительность формируемого импульса составляет 20-70 мс. При этом обеспечивается высокий секундный расход воздуха и мощное разрушающее импульсное воздействие на удаляемый слой отложений. В случае необходимости повысить степень очистки осуществляют вторичное импульсное воздействие на слои отложений. Необходимость повторного воздействия определяется путем прямого радиационного контроля степени загрязнения очищаемого трубопровода с помощью детекторов(8, фиг.3), закрепленных на поверхности трубы. Контроль осуществляется в режиме реального времени, чего не позволяет способ жидкой очистки. Для сбора продуктов очистки, которые в 1 последующем подлежат вторичному использованию или утилизации, используют ловушка твердых отложений, которую подключают к выходу очищаемого трубопровода. Ловушка выполнена в виде герметичной многосекционной металлической камеры (7, фиг.3) объемом 11,5 м 2, в которой с помощью дополнительной газовой системы (3, 4, 5 фиг.3) создают небольшое разряжение,обеспечивающее давление во внутренней полости ловушки на 10-20 Па меньше, чем давление окружающей среды. Для повышения эффективности сбора отложений и исключения утечек во внешнюю среду дополнительная газовая система снабжена клапанной системой (9, фиг.3), работу которой синхронизируют с системой формирования и подачи ударного газового импульса. Внутри камеры ловушки установлен рукавный фильтр (6, фиг.3) из ткани Петрянова (или других материалов для очистки газа от пыли и радионуклидов). Он состоит из одного или нескольких тканевых рукавов,которые для очистки периодически встряхиваются пневматическим импульсом в соответствии с заданным режимом их очистки. Камера обеспечивает необходимую механическую прочность тканевому рукаву. Эта конструкция обеспечивает разделение твердых отложений (для их дальнейшей переработки) и газовой фазы,разделение газового импульса на порции, его торможение и охлаждение за счет межкамерных стенок (диафрагм). Конструкция является сменной и по мере заполнения фильтра обеспечивает смену фильтра с последующей транспортировкой для последующей переработки отходов. Предлагаемый способ апробирован в лабораторных условиях на базе Института атомной энергии НЯЦ РК для удаления реальных нефтяных отложений в трубах различного диаметра. При этом использовался прототип генератора ударного газового импульса, внешний вид которого приведен на рис. 4. В результате проведенных экспериментов подтверждена возможность очистки металлических трубопроводов диаметром от 50 до 200 мм, длиной до 1012 м. Длительность одной очистки, включая процесс подключения и отсоединения 4 трубопровода, составляет 5-20 минут, в зависимости от сложности загрязнения. Эффект очистки проиллюстрирован на рис. 5-6. Эксперименты проводились с использованием нефтяных буровых труб, утилизированных в Институте атомной энергии. Первоначальная активность некоторых труб составляла 4 -10 мР/час, что, в 200-500 раз превышает фоновые значения. После очистки активность составляла 18-20 мкР/в час, т.е. не превышала фоновые значения. Объем получаемых при очистке расходов можно оценить на примере очистки нефтяных буровых труб диаметром 75 мм. При очистке одной трубы длиной 12 м при полном перекрытии рабочего сечения (обычно допустимый уровень отложений,при котором трубы выводят из эксплуатации,значительно меньше) объем сухих отходов после очистки составляет порядка 5.3 л. Сравнить этот объем целесообразно с теоретической оценкой объема жидких отходов при использовании способа очистки в жидкой среде. Если предположить, что очищается одна труба, то емкость для очистки с учетом технологических особенностей должна иметь минимальные габаритные размеры 20201300 см. Соответственно,объем образующихся жидких отходов составляет порядка 520 л. Данный способ сравнительной оценки достаточно корректен, т.к., несмотря на то, что реально жидким способом одновременно очищается несколько труб, но при этом используется емкость для очистки значительно большего объема, и получаемая концентрация и активность образующихся жидких радиоактивных отходов значительно выше. Соответственно, имеют место значительные сложности как в случае утилизации жидких химически агрессивных отходов, так и в случае поиска варианта их вторичного использования(в варианте извлечения радиоизотопов, в частности, изотопов радия,являющегося основным сырьем для получения перспективных фармпрепаратов на основе изотопов актиния). В ходе экспериментов подтверждены такие достоинства способа, как оперативность, высокая производительность, простота и безопасность процесса очистки, отсутствие агрессивных жидких отходов,щадящий характер очистки,обеспечивающий возможность повторного использования труб непосредственно после их очистки. Таким образом,поставленная перед изобретением техническая задача предотвращения роста объема радиоактивных технологических отходов, накапливающих минералы, содержащие радиобарит, а также повышение технологической и экономической эффективности, решена. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ очистки трубопроводов от радиоактивных отложений,включающий помещение очищаемого объекта в жидкую среду,воздействие на очищаемую поверхность с помощью специальной электродной системой высоковольтными импульсными разрядами при определенном отношении энергии единичного импульса к длине разрядного промежутка и использование в качестве жидкой среды абразивной суспензии на основе воды или других специальных жидкостей, отличающийся тем, что участок очищаемого трубопровода включают между источником ударного газового импульса и ловушкой тврдых отложений, осуществляют очистку участка трубопровода от радиоактивных отложений в безводной среде путм их преобразования с помощью газового импульса во взвесь с последующей абразивной эжекцией вихревым спадом импульса радиоактивной газовой взвеси из очищаемого участка и осаждают е тврдую фракцию в ловушке через вентиль,который синхронно открывают на время прохождения импульса,с одновременным контролем радиоактивности датчиками с внешней стороны труб до достижения е допустимого уровня, в рабочую газовую среду формируемого ударного импульса подают сорбент или катализатор через специальную форсунку с синхронным клапаном, и синхронно с подачей формируемого ударного импульса осуществляют зажигание в рабочей газовой среде холодной плазмы с помощью специального электрода.