Протяженность газораспределительных трубопроводов более чем в три раза превышает протяженность магистральных, а протяженность промысловых нефтепроводов на порядок больше протяженности магистральных. Статистика свидетельствует, что число отказов на указанных трубопроводах значительно выше, чем на магистральных, при этом главной причиной аварийных ситуаций остается внутренняя и наружная коррозия. Поэтому развитие и ремонт таких транспортных систем обусловливает применение высокоэффективных коррозионностойких материалов для изготовления труб.
В мировой практике нашли широкое применение пластмассовые трубы, обеспечивающие большой срок службы, повышенную эксплуатационную надежность и уменьшенный срок строительства газораспределительных и промысловых трубопроводов. Техническая возможность и экономическая целесообразность использования пластмассовых труб в отечественной нефтегазовой отрасли не вызывает сомнения, что обусловливает широкое их применение в перспективе.
В связи с развитием нефтегазовой отрасли потребность в эффективных материалах для изготовления труб нефтяного и газового сортаментов резко возрастает. Поэтому в последние годы особенно усилилась тенденция более широкого использования при производстве труб новых коррозионностойких материалов, в частности различных полимеров.
Неуклонный рост использования пластмассовых труб, особенно в трубопроводных системах низкого давления и газораспределительных системах, характерен для всего мира. Так, например, в США более 90% сооружаемых газораспределительных трубопроводов в последние годы монтируется из пластмассовых труб. Помимо транспортных целей они нашли широкое применение для цементирования, создания перемычек между платформами и тендерами, в качестве рукавов компенсаторов для поддержания давления пласта, рукавов для подачи топлива на установки, работающие под водой и т. д.
1. Пластмассовые трубы: область применения
Пластмассовые трубы наиболее целесообразно использовать взамен стальных для сооружения городских газопроводов (таблица 1.1.), обвязочных трубопроводов на нефтяных промыслах для сбора попутных газов, транспортировки от скважин коррозионно-активных нефтей, пластовых вод и т.д.
Таблица 1.1. Область применения различных пластмассовых труб в зависимости от допускаемого давления в газопроводе
|
Трубы |
Допускаемое давление |
Область применения |
|
|
Полиэтиленовые |
0,6 |
Вне территории городов, поселков и сельских поселений |
|
|
Полихлорвинил |
0,3 |
Вне территории городов, поселков и сельских поселений |
|
|
Полиэтиленовые с небольшим числом ответвлений от этих газопроводов |
0,3 |
На территории поселков и сельских населенных пунктов с малым насыщением |
|
|
Полихлорвиниловые с небольшим числом ответвлений от этих газопроводов |
0, 005 |
На территории поселков и сельских населенных пунктов с малым насыщением |
|
Все более широкое использование пластмассовых труб обусловлено строительством химических комбинатов и заводов, дешевизной сырья и открытием новых сырьевых ресурсов, а также удешевлением производства и повышением качества и стабильности свойств синтетических смол за счет совершенствования существующих и создания новых технологических процессов в химии полимеров, совершенствованием и созданием новых методов изготовления труб и т.д.
2. Преимущества и недостатки пластмассовых труб
Пластмассовые трубы обладают следующими преимуществами:
- не подвержены электрохимической коррозии, потери давления на трение в пластмассовых трубах благодаря их гладкой внутренней поверхности приблизительно на 30% меньше, чем в стальных и чугунных;
- трубы из пластмасс в 5- 8 раз легче стальных и в 2-3 раза легче алюминиевых;
- плотность пластмасс для труб изменяется в широких пределах, составляя, например, для полиэтилена — 0,92 г/см 3 , для поливинилхлорида 1,4 г/см3 ;
- пластмассовые трубы не подвержены почвенной и атмосферной коррозии и действию бактерий, поэтому не покрываются изоляционным покрытием.
Достаточно высокая механическая прочность пластмассовых труб обуславливается как прочностью самих полимеров, так и прочностью наполнителей. Большинство пластмассовых труб применяют на давление 0,3-1 МПа, а стеклопластиковые трубы — до 2,5 МПа. Вероятность разрушения пластмассового трубопровода при замерзании в нем воды мала, поэтому в зимний период, когда потребление воды прекращается, трубопроводы можно не опорожнять.
Срок службы пластмассовых труб составляет 50 и более лет.
Ограничение применения пластмассовых трубопроводов происходит из-за основных недостатков:
- низкий модуль упругости,
- низкая теплостойкость,
- высокий коэффициент линейного расширения (что обусловливает необходимость устройства компенсаторов),
- подверженность ползучести и старению.
Из-за более низкого модуля упругости, они мене жестки, чем стальные. Модуль упругости самых жестких пластмасс (стеклопластиков) на один — два порядка ниже, чем у металлов. Прочность пластмассовых труб уменьшается не только при нагревании, но и в процессе эксплуатации под давлением с течением времени при нормальной температуре, так как при этом наблюдается ползучесть материала. Явление ползучести выражается в медленном деформировании полимерного материала (холодной текучести) с течением времени под действием постоянной нагрузки (рис. 2.1.), что приводит к уменьшению толщины стенки материала и его разрушению при напряжениях, значительно меньших расчетного. Допускаемое давление для трубопроводов, изготовленных из пластмасс, строго ограничивают.
Рисунок 2.1. Ползучесть полистирола при температуре 25°С к различных напряжениях, МПа: 12,3; 2) 22; 3) 23,9; 4) 28,4
Повышение действующих нагрузок, температуры и коррозионной активности среды повышает склонность» к ползучести пластмассовых труб. При применении наполнителей их ползучесть значительно снижается, но не устраняется полностью.
Старение пластмассовых труб проявляется в ухудшении их физико-механических свойств с течением времени. Атмосферные условия эксплуатации трубопроводов (температура, влажность, солнечный свет) ускоряют процесс старения пластмасс. Значительное водопоглощение, наблюдающееся у некоторых пластмассовых труб, приводит к ухудшению электроизоляционных свойств и изменению внешнего их вида из-за коробления. Для уменьшения влияния солнечных лучей, кислорода и влаги на свойства пластмассовых труб в них вводят стабилизаторы.
При низких температурах снижается эластичность пластмассовых труб и повышается их хрупкость. Наименее морозостойкие пластмассовые трубы применяют при температуре до -15 или до -20°С (трубы поливинилхлоридные из оргстекла).
Морозостойкость полиэтилена -70°С, полипропилена -35 °С, фторопласта -269 °С.
Теплостойкость (максимальная температура, выше которой эксплуатационные свойства материала резко ухудшаются) пластмассовых труб низкая: для полиэтиленовых она составляет 120 °С, для поливинилхлоридных труб 60 °С, для полипропиленовых труб 150 °С и для стеклопластиковых труб 120—160 °С.
Огнестойкость пластмассовых труб зависит от используемых полимеров и наполнителей. Известны горючие пластмассы — ацетобутират-целлюлоза, полистирол и др. Поливинилхлорид, например, только тлеет, мочевиноформальдегидные смолы даже препятствуют возгоранию. Почти все пластмассовые трубы при температуре 300—400°С разлагаются.
Теплопроводность пластмассовых труб в 500—600 раз ниже теплопроводности металла. Это может служить и как положительное свойство, например, при транспортировании горячих продуктов.
Несколько большая стоимость пластмассовых труб компенсируется меньшей стоимостью их прокладки и увеличением срока службы.
3. Материалы для производства труб
Основой пластмассы для изготовления труб служит полимерное связующее, а также наполнитель, пластификатор, стабилизатор, краситель и другие добавки (ингредиенты).
3.1 Полимерное связующее
Полимерное связующее вещество представляет собой однородную полимерную смолу или композицию смол. Смолой называется сложная смесь родственных или взаимно растворимых органических высокомолекулярных соединений, находящихся в устойчивом твердо-жидком состоянии. Смолы имеют стабильную аморфно-стекловидную структуру и подразделяются на природные, искусственные и синтетические. В производстве пластмасс применяют синтетические смолы (полимерные вещества), получаемые химическим синтезом из низкомолекулярных соединений.
Полимеры — это соединения, в молекулах которых одинаковые звенья соединены между собой химической связью и повторяются многократно. Полимерные соединения состоят в основном из углерода и водорода. Иногда в их составе имеются атомы кислорода, хлора, азота, кремния, фтора и др.
Структура макромолекул полимеров может быть линейной, сетчатой, разветвленной и пространственной (рис. 3.1).
пластмассовый труба пластификатор поливинилхлорид
Рисунок 3.1. Структуры макромолекул полимеров: а — линейная; б — разветвленная; в — ленточная; г — пространственная, сетчатая, д — паркетная.
Полимеры с линейной структурой эластичны, при нагревании размягчаются, растворимы в органических растворителях. Полимеры с сетчатой структурой обладают наибольшей прочностью и теплостойкостью.
На основе десятков полимеров, нашедших применение в промышленности, изготавливают сотни пластмасс различных марок, которые можно подразделить:
I. В зависимости от химической природы полимеров:
- Пластические массы на основе высокомолекулярных соединений, получаемых полимеризацией (полиэтилен, полипропилен и др.)
- Пластические массы на основе полимеров, получаемых поликонденсацией (пресспоршки, волокниты, текстолиты и др.).
II. По отношению к температуре нагрева:
- Термопластичные полимерные соединения. При нагревании приобретают пластичность, при охлаждении возвращаются в жесткое состояние, повторно и неоднократно плавятся без изменения свойств материала.
— Термореактивные полимерные соединения при нагревании легко переходят в вязкотекучее состояние, но с увеличением длительности воздействия повышенных температур в результате химической реакции переходят в твердое нерастворимое и неплавкое состояние.
3.2 Наполнители, пластификаторы, стабилизаторы и другие добавки для производства пластмассы
Полимерное связующее цементирует наполнитель и придает пластические свойства всей полимерной композиции. Наполнители служат для модификации свойств материала. Они улучшают физико-механические, диэлектрические и другие свойства пластмасс, повышают их теплостойкость, уменьшают усадку, а также снижают стоимость.
В пластмассовых трубах применяют органические и неорганические наполнители. Органические наполнители — древесная мука, хлопковые очесы, целлюлоза, бумага, хлопчатобумажная ткань, древесный шпон и стружка. В качестве неорганических наполнителей используют асбест, графит, стекловолокно, стеклоткань, слюду, кварц и т.д.
Особую группу наполнителей составляют армирующие стекловолокнистые материалы — стекловолокно, стекложгуты, стекломаты, стеклоткани, с применением которых изготовляют, например, стеклопластиковые трубы, по прочности не уступающие стали.
В последнее время в качестве наполнителей применяют графитизированные волокна, имеющие очень высокую прочность* (~300 МПа).
Пластификаторы вводят в пластмассы для улучшения их технологических свойств (при переработке и эксплуатации) и повышения их эластичности. При снижении температуры стеклования смолы пластификаторы улучшают морозостойкость, повышают эластичность и гибкость пластмасс. Пластификаторами могут служить как низкомолекулярные, так и высокомолекулярные соединения различной природы (эфиры ароматических и алифатических карбоновых кислот, фосфорной кислоты, полиэфиры и др.)
Стабилизаторы предотвращают термическую деструкцию (разложение) полимерных материалов в процессе их переработки, а также останавливают их старение при эксплуатации под действием атмосферных условий, повышенных температур и других факторов.
Отвердитель (сшивающий агент) вводят в полимерные композиции на определенной стадии переработки с целью сшивания линейных микромолекул в единую трехмерную (сшитую) сетку.
Краситель вводят в полимеры для придания окраски. Полимеры окрашивают синтетическими органическими красителями, а также органическими и минеральными пигментами. Цвет окраски не должен изменяться при изготовлении и эксплуатации изделий из пластмасс.
Смазочное вещество (стеарин, олеиновая кислота, трансформаторное масло) уменьшает трение внутри пластмассовой композиции при ее переработке в изделия, снижает ее вязкость и предупреждает прилипание пластмассы к пресс-форме.
4. Типы пластмассовых труб
Пластмассовые трубы для нефтегазопроводов изготавливаются из следующих материалов:
4.1 Полиэтиленовые трубы
Полиэтилен—кристаллический полимер; при температуре около 20С степень кристалличности достигает 50 — 90% (в зависимости от метода получения).
Таблица 4.1. Физико-механические свойства полиэтиленов
|
Свойства |
ПЭВД |
ПЭНД |
|
|
Плотность, г/см |
0,919 — 0,930 |
0,949 — 0,955 |
|
|
Предел прочности, МПа — при растяжении — при изгибе |
10 — 17 12 — 17 |
22 — 30 20 -35 |
|
|
Относительное удлинение при разрыве, % |
500 -600 |
300 -800 |
|
|
Модуль упругости при изгибе, МПа |
120 — 250 |
650 — 750 |
|
|
Предел текучести при растяжении, МПа |
9 -16 |
22 — 27 |
|
|
Твердость по Бринеллю, кгс/мм |
1,4 -2,5 |
4,5 -5,8 |
|
В настоящее время известно несколько промышленных методов получения полиэтилена:
1. Полимеризация этилена при высоком давлении (100-350 МПа).
Получаемый по этому методу полиэтилен имеет средневесовой молекулярный вес 80 000—500 000, плотность 0,92-0,93 г/см 3 и степень кристалличности 50 -60%. Такой полиэтилен называют полиэтиленом высокого давления (ПЭВД) или полиэтиленом низкой плотности (ПЭНП).
2. Полимеризация этилена при низком давлении (ниже 4 МПа) с использованием металлоорганических катализаторов. Средневессовой молекулярный вес полимеров находится в пределах 80 000 — 3 000 000,плотность 0,94-0,96 г/см 3 , а степень кристалличности 75 — 85%. Такой полиэтилен называется полиэтиленом низкого давления (ПЭНД) или полиэтиленом высокой плотности (ПЭВП).
Полиэтиленовые трубы диаметром до 200 мм изготовляют методом экструзии путем непрерывного выдавливания, размягченного пластика через профильное отверстие головки шнек-машины. Для труб диаметром 300—1200 мм применяют способ центробежного литья, а также способ намотки ленты полиэтилена на вращающийся сердечник. Ленту расплавленного полиэтилена получают методом экструзии.
Полиэтиленовые трубы обладают некоторыми преимуществами, благодаря которым они получили наиболее широкое применение:
- эластичность, морозостойкость, малое водопоглощение (менее 0,03 %);
- большая химическая стойкость, высокие диэлектрические и теплоизоляционные свойства,
- простота переработки в изделия и небольшая себестоимость;
- легкость, прекрасная сопротивляемость ударным нагрузкам и способность выдерживать напряжения, возникающие в случае замерзания воды в трубах;
- не подвергаются воздействию блуждающих токов.
- незначительные потери напора благодаря гладкости стенок;
- большая гибкость полиэтиленовых труб диаметром до 70 мм позволяет выпускать их длиной 100-200 м и поставлять намотанными на катушках.
К недостаткам полиэтиленовых труб относят их небольшую теплостойкость, высокий коэффициент линейного расширения, подверженность тепловому и световому старению, воспламеняемость и горючесть. Большой недостаток полиэтилена — ползучесть, т.е. медленная деформация при действии нагрузок.
По номинальному условному давлению напорные трубы из ПЭНД и ПЭВД делятся на четыре типа: легкого — тип Л (номинальное давление 0,25 МПа); среднелегкого — тип СЛ (номинальное давление 0,4 МПа), среднего — тип С (номинальное давление 0,6 МПа); тяжелого — тип Т (номинальное давление 1 МПа).
Соединяют полиэтиленовые трубы друг с другом сваркой в раструб, а также с помощью муфт, втулок, фланцев. Соединения с арматурой и со стальными трубами выполняют стальными или полимерными фланцами.
4.2 Трубы из полипропилена (ПП)
Они отличаются от полиэтиленовых легкостью и теплостойкостью. Прочность ПП труб выше, а газо- и паропроницаемость ниже. Стоимость полипропилена выше, чем у полиэтилена.
Полипропилен более жесткий материал, чем полиэтилен. Полипропилен имеет более высокую температуру плавления, чем полиэтилен, и соответственно более высокую температуру разложения. Чистый полипропилен плавится при температуре 176 против 100 —120 у полиэтилена. Превосходя полиэтилен по теплостойкости, полипропилен уступает ему по морозостойкости. Его температура хрупкости (морозостойкость) колеблется от -5 до -15, когда у полиэтилена этот показатель -100 до -150.
Изделия из полипропилена изготавливают центробежным способом или экструзией в атмосфере азота при температуре 150 — 250 0 С и давлении 7 — 20 МПа.
4.3 Трубы из поливинилхлорида (винипласта)
Путем прессования и литья под давлением из винилпласта изготовляют различную арматуру, патрубки, тройники, крестовины, фланцы и др. Материал легко сваривается и экструдируется.
Поливинилхлоридные трубы по сравнению с полиэтиленовыми имеют несколько большую плотность, меньшую морозостойкость и высокую химическую стойкость по отношению к транспортируемым по ним газу, нефти и другим нефтепродуктам, стойкостью ко многим химическим средам, водостойкостью, грибостойкостью.
Поливинилхлоридные трубы склонны к старению от воздействия ультрафиолетовых лучей, несмотря на присутствие стабилизаторов (срок эксплуатации не более 20 лет).
Трубы из ПВХ чувствительны к надрезам, царапинам, в результате которых возрастает ударная вязкость. При длительном действии постоянного напряжения обладают склонностью к нарастанию деформации, поэтому они имеют ограниченный предел применения по рабочим давлениям и температуре. Повышение температуры приводит к увеличению пластичности и уменьшению прочности труб. Низкие температуры, наоборот, вызывают нарастание хрупких свойств.
Производят также трубы из термопластов и фторопластов.
5. Производство пластмассовых труб
Трубы производят на агрегатах (рис. 5.1), состоящих из червячного пресса, снабженного трубной головкой, калибрующего приспособления 2, охлаждающей ванны 3, прибора для измерения толщины стенок 4, приспособления для маркировки 5, тянущего устройства 6, автоматической пилы 7 и укладчика 8.
Рисунок 5.1. Агрегат для производства труб: 1 — червячный пресс; 2 — калибрующее приспособление; 8 —охлаждающая ванна; 4—прибор для измерения толщины стенки; 5 — приспособление для маркировки; 6 — тянущее устройство; 7 — автоматическая пила; 8 — укладчик.
Отличительной технологической особенностью производства труб является необходимость применения калибрующей насадки и контроля толщины стенок.
Калибрующие насадки при производстве труб применяют трех видов: а) для калибрования сжатым воздухом с запорной пробкой; б) вакуумная; в) жесткий удлиненный дорн-поршень. Первые два вида насадок — для наружного калибрования труб, последняя — для внутреннего.
Охлаждение труб проводится в две стадии: предварительное— в насадке — и окончательное — в водяной ванне.
Контроль толщины стенок осуществляется электронным прибором.
Трубы из термопластичных, а также из термореактивных пластмасс можно изготовлять методом горячего прессования на гидравлических прессах (рис. 5.2): материал 5 после специальной подготовки на вальцах или смесителях загружают в горячем состоянии в обогреваемый цилиндрический корпус 1 пресса и выдавливают плунжером 6 через головку пресса; головка имеет распределительную сетку для смешивания материала, а также сменные мундштук 2 и дорн 4, образующие кольцевое пространство для оформления трубы 3 по заданным размерам; трубу, сформованную на основе термореактивных полимеров, подают далее на горячее отверждение для закрепления полученной формы.
Рисунок 5.2 Схема изготовления пластмассовой трубы методом горячего прессования на гидравлических прессах: 1 — печь; 2 — заготовка из термопласта; 3 — сварочная головка; 4 — контактный термометр; 5 — камера предварительного охлаждения; 6 — оформляющая часть раструбной Трубы; 7 — камера интенсивного охлаждения; 8 — захват; 9 — тяговое устройство; 10 — стойка; 11 — раструбная часть оформляющей трубы
Недостатки метода горячего прессования труб — цикличность процесса, большое число немеханизированных операций, необходимость в дополнительном оборудовании для подготовки полимерных материалов (вальцы, смесители и др.), нестабильность качества труб (вздутия, трещины), а также большие отклонения по толщине стенки, овальности и др.
Дня изготовления труб диаметром 300-1200 мм из термопластичных и термореактивных пластмасс применяют центробежный способ (рис. 5.3).
При изготовлении, например, полиэтиленовой трубы порошок полиэтилена засыпают во вращающийся металлический обогреваемый цилиндр 3. Когда температура стенок цилиндра достигает более 200°С, происходит сплавление порошка в монолитную массу. Эта масса под действием центробежной силы равномерно распределяется по стенке цилиндра. После отключения обогрева цилиндр продолжает вращаться, и его охлаждают водой или воздухом. Охлажденную трубу благодаря усадке полиэтилена легко извлекают из формы.
Рисунок 5.3. Схема изготовления полиэтиленовой трубы центробежным способом: 1 — бункер; 2 — питающая труба; 3 — вращающийся цилиндр; 4 — приводной ролик; 5 — горелка для нагрева; 6 — электродвигатель; 7 — слой полиэтилена; 8 — устройство для водяного охлаждения
Заключение
Результаты научных исследований показали, что трубы из полиэтилена обладают уровнем конструктивной надежности, достаточным для использования их в качестве газораспеределительных трубопроводов, а также в системах сбора и подготовки скважинной продукции.
Перспективно и будущее применение подземного внутрискважинного оборудования из пластмасс. Оно вполне может быть обусловлено оптимальным сочетанием высоких прочностных характеристик новых пластических материалов (в частности, стеклопластиков) с удовлетворительными свойствами их буримости, что позволит разработать и применять различные конструкции подземного оборудования для временного разобщения отдельных зон в скважинах. Совершенствование отечественной практики поочередного отключения (изоляции) пластов и пропластков в стволах эксплуатационных и нагнетательных скважин может вполне проводиться заменой металлических перекрывающих конструкций (дорнов, дополнительных технических колонн меньшего диаметра, хвостовиков) прочными и разбуриваемыми пластмассовыми трубами.
Так называемые «гибкие трубы» — ГТ — для нефтегазовой отрасли изготавливаются в основном из стали. Но и для них нужны трубы из коррозионностойких материалов. Поэтому в ближайшем будущем исследовательские работы будут направлены на решение проблем, связанных с применением нового поколения гибких труб из альтернативных материалов, среди которых и термопласты, композитные и термоизолирующие материалы и др.
Расширение в последние годы строительства высоконапорных трубопроводов больших диаметров определило еще одну обширную область применения полиэтилена — покрытия для труб больших диаметров. Наличие покрытий из полиэтилена привело к появлению новых видов изделий из пластмассы — коротких патрубков для защиты швов.
Особенно перспективны пластмассовые трубы в системе нефтегазосбора на нефтепромыслах, на которых имеют место высокая обводненность продукции скважин и низкие давления в трубопроводах.
Исследования физико-химической стойкости в агрессивных средах труб из полиэтилена доказали техническую возможность и экономическую целесообразность их применения в качестве обсадных колонн для складирования вредных отходов химических производств и сточных вод.
Таким образом, становится вполне очевидным, что современные способы производства труб из высокопрочных армированных полимеров могут вывести нефтегазовую отрасль на качественно новый уровень.
Список использованных источников
[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/kursovaya/material-dlya-izgotovleniya-truboprovodov/
1. Бухин В.Е. Состояние нормативной базы обеспечения производства и применения труб из полимерных материалов // Трубопроводы и экология — М: 2007.
2. Агапчев В.И. Перспективы применения труб из полимерных материалов в нефтяной промышленности / В.И.Агапчев, В.А.Мартяшева, Н.Г.Михайленко и др. // Обзорная-информ. Сер. Борьба с коррозией и защита окружающей среды — М.: ВНИИ0ЭНГ, 1988.
3. Пастернак В.И., Седых А.Д. Пластмассовые трубы, применяемые в газовой и нефтяной промышленности. Обзорная информация. Сер, Коррозия и защита в нефтегазовой промышленности. Вып. 9. — М.: ВНИИ0ЭНГ, 1981.
4. Карнаухрв Н.Н., Якубовская СВ. Оценка конструктивной надежности полиэтиленовых трубопроводов при применении новых методов строительства // Известия вузов. Нефть и газ. — Тюмень: ТюмГНГУ, 2005. — № 2, — с. 9-15.
5. Якубовская СВ. Оценка конструктивной надежности газонефтераспределительных и сборных сетей из полимерных материалов // Технологии ТЭК — 2005.
