1 Научно-теоретические аспекты применения стеклопластиковых труб для внутрипромыслового транспорта скважинной продукции
1.1 Анализ перспективных сфер технологического развития стеклопластиковых труб
Внутрипромысловые трубопроводы предназначены для транспорта нефти от скважин к специализированным объектам сбора и подготовки, расположенных в границах месторождения. Их подразделяют по: способу их прокладки (наземные или подземные, подводные), по характеру напора жидкости (самотечные, напорные, безнапорные), по величине рабочего давления (высокие, средние и низкие), по схеме работы (простые или сложные).
Нефтяные месторождения имеют разветвленную сеть нефтепромысловых трубопроводов:
- выкидные трубопроводы (диаметр 89–114 мм) – трубопроводы от нефтяных добывающих скважин для транспорта продуктов скважин до автоматизированных замерных устройств, под высоким давлением до 4,0 МПа;
- сборные коллекторы (диаметр 89–720 мм) – трубопроводы для транспорта продукции добывающих скважин от замерных устройств до станций повышения давления или дожимных насосных станций (ДНС) и установок предварительного сброса воды под давлением (УПСВ) до 2,5 МПа;
- напорные трубопроводы (диаметр 273–720 мм) – трубопроводы для транспорта частично подготовленной или подготовленной нефти от сборного пункта нефти и дожимной насосной станции до цеха подготовки и перекачки нефти (ЦППН) под высоким давлением до 4 МПа;
- водоводные трубопроводы систем поддержания давления нефтяных пластов и систем утилизации пластовых и сточных вод в подземные поглощающие горизонты: низконапорные (диаметр 114–530 мм) – до 1,6 МПа; высоконапорные (диаметр 89–325 мм) – 10– 20 МПа;
- газовые трубопроводы (диаметр 273–530 мм) – для транспорта нефтяного газа от сепарационной установки нефти до установки доведения газа до требуемого качества или на внутрипромысловые нужды, под низким давлением до 0,8 МПа [1].
Основные факторы, которые определяют коррозионную активность транспортируемых сред по внутрипромысловым трубопроводам, являются:
- минеральный состав пластовых вод, их рН и минерализация;
- содержание углеводородных растворенных газов;
- присутствие коррозионно-активных микроорганизмов и микрофлоры;
- присутствие примесей в виде твердовзвещенных частиц (ТВЧ).
Нефтегазодобывающие предприятия несут огромные потери от производственного простоя вследствие аварии, последующего ремонта и замены аварийного участка трубопровода, потери транспортируемой продукции, снижения ее качества и загрязнения окружающей среды. Специалистам требуются трубопроводы, которые способны служить максимально продолжительно.
В России около 30 % конструкции трубопроводов имеют «возраст» от 20 до 30 лет, еще 25 % – старше 30 лет. Исходя из этих данных, следует вывод, о том, что необходимо искать ответы по замене аварийного, выходящего из нормального рабочего состояния оборудования в совершенно другой плоскости. В частности, совершенствовать и применять конструкции из труб, которые, из – за своей структуры не могут быть подвержены коррозии, что может позволить в дальнейшем не задумываться и заботиться о защитных антикоррозийных ингибиторах и покрытии, а также затратах на диагностике и остальных дорогостоящих для предприятий процедурах.
Экономически эффективным, рациональным и целесообразным решением данного актуального вопроса и проблемы является переход к конструкциям из стеклопластиковых высокопрочных труб.
Изделия из прочного стеклопластикового материала представляют собой продукт из множества составляющих в особенности из стекловолокна, поэтому характеристики по физическим свойствам, а также прочностные механические свойства изменяются в значительном диапазоне и зависят в большей степени от технологии изготовления, класса и типа связующего элемента – смолы. Зависит так же от типа и вида, а также количества применяемого армирующего элемента – стекловолокна.
Характеристики структуры изделий из стеклопластика дают возможность применять данный материал в обширном термобарическом диапазоне. Эксплуатационные характеристики термоактивных смол не изменяются до уровня стабилизации температур, очень близких к значению, когда связующая смола переходит в состояние стекломатериала.
Стеклопластиковый материал, также, как и материалы с термопластичными свойствами, характеризуется вязкоупругими свойствами, но стекловолокно в низкой степени подвергается воздействию высоких значений температур в довольно широком относительном диапазоне (от 80 до 120°C). Лабораторные исследования показали, что, кривые регрессии, полученные при выполнении долгосрочных испытаний, в техническом соответствии с общепринятым стандартом ASTM D2992, отражают стандартное линейное развитие с билогарифмическим представлением в отсутствие знакомых типичных перегибов графика, как бывает у термопластичных материалов. Соответственно, дальнейшее поведение материала остается неизменным. Следовательно, напрашивается вывод о предположительно очень долгим сроком службы стеклопластиковых труб.
Значения по прочности при эксплуатации трубопроводов за проработанные 50 лет имеют значения примерно 70 % от краткосрочных. Значения модулей упругости имеют меньший показатель эксплуатации [2]. Так как структура материала волокнистая, механизм её разрыва относительно сложный процесс. Принимаемые значения по единичной нагрузке на растрескивание в большой степени зависят от определенного химического состава изделия и технологии её производства.
Нагрузка на характеристики разрыва изделия определяется как нагрузка, при которой вовремя проводимых испытании на прочность, у трубы проявляются подтёки без образования и проявления очень малых по величине повреждений материала трубы.
Промышленные трубы, изготовленные из стеклопластика, имеют такую отличительную черту как устойчивость к химическому воздействию, а также электрохимическому воздействию. Также имеется высокая устойчивость к высоким температурам в широком диапазоне. Это преимущества выделяют стеклопластиковый материал среди других альтернативных материалов. Для технического производства труб из стеклопластика, производители используют различное множество видов и типов синтетических полиэфирных смол.
Повышенные характеристики уровня к химической стойкости определяют основные виды и типы смол, которые включают при изготовлении: ортофталиевая синтетическая смола, изофталевая смола, бисфенольная смола и смолы сложных синтетических эфиров.
Характеристики сопротивления к ударно-упругим нагрузкам несмотря на то, что полиэфирные синтетические смолы являются более хрупкими по сравнению с другими термопластичными компонентами, достигаются за счет применения волоконного по структуре материала. Данный компонент применяют для армирования композитного состава. Он препятствует распространению трещин по всем направлениям. Придет высокую стойкость к ударным нагрузкам стеклопластиковым трубам. Так как структура материала видна даже не вооруженным взглядом, то можно легко заметить еле заметные проявления растрескивания для последующего решения: необходимость ремонта или возможность замены в случае возникновения малых или незначительных дефектов.
Из-за повышенной жесткости поверхности смолы, сопротивление износу стеклопластиковых материалов выше, чем у других композитных термопластичных материалов.
Значения шероховатости стеклопластиковых труб, с прямым учетом деформаций и разрушений на стыках соединений труб, находятся обычно между 0,05 и 0,10 мм. Это значение справедливо как для свежеизготовленной трубы, так и для трубы, которая уже много лет находится в эксплуатации. Исследования и выводы Хазена-Вильямса дают приближенные формулы, для определения значения потерь напор при учете шероховатости стеклопластиковых труб.
Толщина стенок стеклопластиковых труб во многом зависит от таких факторов как: особенности производственного технологического процесса, а также от качественной характеристики используемого сырья. В основном при изготовлении стеклопластиковых труб руководствуются стандартным сортаментом труб, поэтом стандартные длины труб из стеклопластика обычно бывают 6 или 12 метров. Заказчик может сам установить необходимую длину труб. Это достигается за счет технологии производства на линии непрерывной намотки стекловолокна.
Трубы из стекловолокна доступны с различными системами стыков таких, как клеевые, а также механические соединения с использованием торцов трубы, охватываемых раструбом других труб или муфтой с уплотняющими прокладками из эластомера. Ручное соединения с использованием простых инструментов обеспечивают быструю и надежную прокладку трубопровода, обеспечивая высокую надежности и изоляцию соединений и стыков, даже при высоких значениях давления. Трубы из стекловолокна доступны с различными системами стыков таких, как клеевые, а также механические соединения с использованием торцов трубы, охватываемых раструбом других труб или муфтой с уплотняющими прокладками из эластомера. Соединения труб обеспечивают простую и быструю прокладку трубопровода гарантией надежности и непроницаемости стыков, даже при высоких значениях давления. Благодаря усовершенствованным характеристикам упругости и прочностными свойствам, стеклопластиковые трубы не требуют особого повышенного внимания [3].
Трубы, изготовленные из стеклопластика, имеют преимущества при эксплуатации в магистралях водопровода:
- материал не взаимодействует и не загрязняет транспортируемую среду (атоксичные трубы), что важно для водопроводов питьевого водоснабжения и при использовании в пищевой промышленности;
- малозначимая шероховатость поверхности тела трубы в условиях длительной эксплуатации, следовательно, максимальные эксплуатационные показатели будут сохранены в течение продолжительного периода работы трубопровода;
- инертность к воздействию агрессивных элементов окружающего грунта, и полная инертность к воздействию микроорганизмов;
- любое локальное повреждение трубы, не приведёт к распространению коррозии;
- отсутствие вторичных покрытий, которые потребовали бы регулярных проверок и технического обслуживания в будущем;
- отсутствие необходимости в пассивной защите;
- конструктивная герметичность трубопровода за счет равномерности соединений;
- простота транспортировки, работы и прокладки.
Стеклопластик был разработан в послевоенное время и используется с давнего времени. На практике новые высокоэффективные композитные материалы сначала использовали только для оборонного комплекса страны. В СССР распространение стеклопластикового материала было засекречено, так как внедрению технологий в гражданском секторе препятствовали строгие правила конфиденциальности [4]. Использование импортных композиционных материалов было невозможно из-за ограничений в системе страны, которая ограничивает распространение материалов и технологий двойного назначения в социалистических и развивающихся странах.
Стеклопластик - это композитный строительный материал, который сочетает в себе высокую прочность с относительно низкой плотностью. В различных отраслях промышленности он успешно конкурирует с традиционными материалами.
В некоторых случаях проекты, не могут быть выполнены из-за накладываемых ограничений, которые соответствуют определенным техническим критериям, поэтому они могут быть выполнены только из стеклопластика. Данный материал особенно распространен в устройствах, предназначенных для эксплуатации в экстремальных условиях - в судостроении, в аэрокосмической технике и в конструкциях для нефтехимической и газовой промышленности.
Мировым лидером по производству и потреблению композитных изделий является США, где их промышленное производство было основано еще во время второй мировой войны.
Трубы из стеклопластика впервые были использованы в конце 50-х годов.
В 70-х годах на Западе они стали общим решением проблемы коррозии труб.
Явными преимуществами стеклопластиковых труб перед аналогами являются:
- вес в 4 раза легче;
- меньшие затраты на стоимость прокладки;
- высокая степень коррозионной стойкости;
- высокие гидравлические характеристики;
- отсутствие отложений на внутренней поверхности труб;
- чрезвычайно высокая устойчивость к давлению и осевым нагрузкам;
- больший срок эксплуатации трубопроводов в несколько раз.
Большинство стеклопластиковых труб изготавливают путем намотки стекловолокна с помощью связующего компонента - эпоксидной смолы на оправку [5]. После намотки готовую трубу подвергают процессу затвердевания, снимают с оправки, затем испытывают на повышенных давлениях. После всех циклов производства и испытания готовые трубы отправляют заказчику.
Вопрос производства технологии и сам процесс намотки армирующего элемента занимает особое место и требует научно обоснованный подход к разработке технологии для этого процесса. Применение автоматизированного процесса намотки, повышение качества и количества контролируемых технологических параметров, а также повышение точности контроля и измерения, не только способствуют повышению производительности труда и улучшению качества продукции, но и уменьшают количество операций, требуют малое количество сотрудников и делают технологию без отходной.
Еще одном методом производства стеклопластиковых труб является формовка. Процесс изготовления этих труб осуществляется с использованием вращающейся пресс-формы от наружной поверхности к внутренней. Труба изготавливается из рубленых стекловолоконных струн, полиэфирной смолы и песка.
Стекловолоконные трубы, также, как и металлические, классифицируются по жесткости труб и номинальному рабочему давлению.
Жесткость самой трубы определяется способностью выдерживать нагрузки от окружающего грунта и транспорта, а также отрицательные внутренние давления.
Чем толще стенка труб, тем значения жесткости и упругости выше. В различных системах стандартизации труб по жесткости делятся на следующие классы.
Таблица 1.1 – Классификация по классу жесткости труб
Стандарт Обозначение
параметра Единица измерения Класс жесткости
SN2500 SN5000 SN10000
ISO SP Н/м2 (Па) 2500 5000 10000
DIN SR Н мм (МПа) 0,02 0,04 0,08
ASTM F/?y psi 20 40 80
Классификация стеклопластиковых труб зависит от номинального рабочего давления, на которое рассчитана стеклопластиковая труба. Классификация труб производится при гидравлических испытаниях на рабочее давление. При испытаниях на рабочие давления, трубы испытывают на жесткость и упругость.
Современные усовершенствованные технологии в совокупности с техникой позволяют производить трубы стеклопластиковые трубы со внутренним слоем стекловолокна. Такие трубы показывают высокую устойчивость, а самым агрессивным средам. Существуют различные виды стеклопластиковых труб, которые характеризуются различными эксплуатационными параметрами. Такие виды труб подразделяются на типы (a - для жидкостей с присутствием большого количества ТВЧ; x – для высокоагрессивных жидкостей; p – трубы для х/в; d – трубы для питьевой воды).
Внутренний защитный слой на трубе имеет толщину покрытия от 0,5 до 3 м.
Значения толщины внутреннего защитного слоя зависят от характера среды.
Свою особую маркировку имеют также стеклопластиковые трубы и соединительные части, которые предназначены для стыковых определенных типов (F – фланецевое соединение; B – соединение хомут; M – муфтовое соединение; MK – клеевое соединение; P - соединение раструбом; C – особый тип соединения).
На сегодняшний день сортамент труб из стеклопластиковых материалов очень широк. Согласно регламенту, ТУ 2296 250-2404647895, стеклопластиковые трубы изготавливаются на основе эпоксидных синтетических смол. Диаметр трубы варьируется от 60 до 400 мм в зависимости от номинального рабочего давления от 0,6 до 4,0 МПа. Регламент ТУ 2296011-26598466 96 указывает на то, что для изготовления труб из стеклопластика применяется полиэфирное связующее с фланцевым соединением. Изготавливаемы трубы имеют диаметр от 50 до 1000 мм в зависимости от для номинальных рабочих давлений.
Таблица 1.2 – Классификация труб по рабочему давлению среды
Рабочее давление, МПа Класс по давлению (PN) Класс по жесткости (SN)
0,5 3 2500
0,7 5 5000
1,2 11 5000
1,5 15 10000
1,8 18 10000
2,3 23 10000
Таблица 1.3 – Классификация по типу внутреннего слоя трубы
Обозначение типа внутреннего слоя трубы Максимальная рабочая температура, °С Предельное значение рН при максимальной температуре
VA 40 1-5
DA 60 1-13
DS 80 0-14
HP 90 0-13
Таблица 1.4 – Характеристики стеклопластиковых труб
Наименование показателя Трубы спиральной намотки Трубы непрерывной намотки
Предел прочности при растяжении в тангенциальном направлении МПа не менее 250 190
Предел прочности при растяжении в осевом направлении МПа не менее 130 90
Модуль упругости в тангенциальном направлении, Мпа, не менее 30000 18000
Модуль упругости в осевом направлении МПа не менее 13000 7000
Плотность, кг/м3 1500 1800
Весовое соотношение стеклонаполнитель связующее 66 - 73/34 - 45 54 – 56 / 46 – 54
Тангенциальные напряжения при растяжении МПа не более 46 37
Осевые напряжения при растяжении МПа не более 30 20
Деформация при растяжении мм/м не более 4 3
Напорные трубы доступны в диаметрах от 200 до 2000 мм для номинального класса давления и жесткости, а трубы без давления - для классов жесткости SN 2500, 5000 и 10000.
Благодаря своим уникальным свойствам стеклопластиковые трубы имеют следующие области применения:
- системы горячего и холодного питьевого и технического водоснабжения;
- промышленное и коммунальное водоотведение;
- транспорт агрессивных сред;
- технологические трубопроводы для промышленных предприятий;
- транспортировка нефтепродуктов;
- системы десульфурации;
- системы пожаротушения;
- прокладка трубопроводов на морском и речном дне;
- дымоходы для агрессивных сред;
- вентиляционные трубы;
- дренажные и обсадные трубы;
- колодцы;
- фильтра для очистки воды.
Низкая коррозионная стойкость стальных труб и высокая нагрузка на артезианские подъемные колонны побудили строителей искать трубы, изготовленные из новых высокопрочных материалов. В частности, были изготовлены водоподъемные колонны из стекловолокна на основе эпоксидных смол [6]. Использование эпоксидной смолы в качестве связующего может быть объяснено более высокой адгезией к стекловолокну по сравнению с другими смолами.
Чтобы труба соответствовала санитарно-гигиеническим нормам, внутренняя поверхность трубы выполнена из термостойкого полимерного пленочного материала, который называется «футеровка». Трубы изготавливаются с резьбовыми соединениями и уплотнительными кольцами. Малый вес трубы (диаметр 160 мм, длина 10 м, вес 1 м - 3,2 кг) и простой способ соединения позволяют двум рабочим собирать колонну глубиной 200 м за один час. Стеклопластиковые подъемные колонны установлены в следующих городах: Химки, Красногорск, Мытищи, Клин, Орехово-Зуево, Истра.
Другим примером использования стеклопластиковых труб может быть производство обратного осмоса, ионного опреснения и механических фильтров с различной степенью фильтрации, ионного обессоливания, механических фильтров различной степени фильтрации.
Те, кто знаком с промышленными системами очистки воды, знают, что большинство этих систем работают с химически активными веществами. В таких условиях трубы из нержавеющей стали требуют защиты от коррозии по внутренней поверхности [7]. В то же время стальная труба, покрытая резиной с внутренней стороны, сопоставима по стоимости со стеклопластиковой. С точки зрения коррозионной стойкости, рабочей температуры и давления, низких коэффициентов гидравлического сопротивления и небольшого веса использование стеклопластиковых труб намного эффективнее. В настоящее время в Большом театре на ТЭЦ-23 в Москве успешно работают системы опреснения воды обратным осмосом производительностью 50 м3/час и аналогичная система производительностью 2 м3/час.
Таблица 1.5 – Свойства стеклопластиковых труб
Наименование Единица измерения Значение
Окружная прочность на растяжение МПа 220-250
Осевая прочность на растяжение МПа 110-130
Окружная прочность на изгиб МПа 330-370
Окружной модуль упругости на изгиб МПа 20 000 -25.000
Осевой модуль упругости на растяжение МПа 10.000-14.000
Окружной модуль упругости на растяжение МПа 20.000 -25.000
Коэффициент линейного теплового расширения 1/°С 1,8 10-5
Теплопроводность ккал/м час -°С 0,25
Удельная теплоемкость ккал / кг °С 0,30
Шероховатость внутренней поверхности новой трубы мкм 23
Шероховатость внутренней поверхности трубы в экстраполяции на 50 лет мкм 50
Плотность кг/ м3 1850
1.2 Зарубежная практика применения стеклопластиковых труб
На практике за рубежом используются два типа пластиковых труб для линий по добыче нефти и газа:
- при низких давлениях до 1,0 МПа - из полиэтилена низкого давления (ПЭВП, а также из полипропилена, поливинилхлорида, полибутена, бутадиона акрилонитрила);
- при давлении 4,0-6,0 МПа и выше - из композитных материалов (стекловолокно, бипластик, армированный, термопластик).
Полиэтиленовые трубы в 7 раз легче стальных. Для их установки не требуется тяжелое подъемно-транспортное оборудование [8]. Они обладают высокой эластичностью и высокой гладкостью, что увеличивает их пропускную способность на? 2-3%.
Полиэтиле?новые? трубы могут использова?ться для тра?нспортировки мине?ра?лизова?нной воды любой а?гре?ссивности (ГОСТ 18599-83).
При тра?нспортировке? не?фти, не?фтяной эмульсии и га?зового конде?нса?та? че?ре?з на?порные? трубы, изготовле?нные? из полиэтиле?новых труб, сле?дуе?т учитыва?ть эффе?кт на?буха?ния полиэтиле?на?.
