автореферат диссертации по истории, специальность ВАК РФ 07.00.10
диссертация на тему: Развитие технологий изготовления и применения труб из полимерных и композитных материалов

Полный текст автореферата диссертации по теме "Развитие технологий изготовления и применения труб из полимерных и композитных материалов"

На правах рукописи

ЗУБАИРОВ ТИМУР АРТУРОВИЧ

РАЗВИТИЕ ТЕХНОЛОГИЙ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ ТРУБ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ И КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность: 07.00.10 - История науки и техники

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

11 НОЯ 2015

005564919

Уфа 2015

005564919

Работа выполнена в ФГБОУ технический университет».

ВПО «Уфимский государственный нефтяной

Научный руководитель: Мастобаев Борис Николаевич

доктор технических наук, профессор

Официальные оппонепты: Сощенко Анатолий Евгеньевич

доктор технических наук, профессор, ОАО «АК «Транснефть», начальник управления инновационного развития

Илолов Ахмадшо Мамадшоевич

кандидат химических наук, ФГБУН Ордена Трудового Красного Знамени «Институт нефтехимического синтеза им. A.B. Топчиева Российской академии наук», научный сотрудник отдела нефтепереработки и нефтегазохимии

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Самарский государственный

технический университет»

Защита диссертации состоится «16» декабря 2015 года в 103° на заседании диссертационного совета Д 212.289.01 при ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» и на сайте www.rusoil.net. Автореферат диссертации разослан «15» октября 2015 года.

Ученый секретарь диссертационного совета профессор

Актуальность темы

Одной из важных задач развития трубопроводного транспорта является повышение долговечности элементов этих систем, стойкость против агрессивных сред и вследствие этого повышение экологичности проектов. Трубопроводы из конструкционных полимерных материалов нашли широкое применение в нефтегазовой индустрии. Они используются при создании современных нефте-проводных напорных систем для транспортировки нефти, газа, выкидных линий нефтяных скважин, сборных нефтяных коллекторов и различных трубопроводных систем инженерной инфраструктуры нефтегазовой отрасли.

В связи с большой изношенностью трубопроводных систем и необходимостью обеспечения их эксплуатационной надежности исследование развития трубопроводного транспорта из полимерных и композиционных материалов в нефтегазовой отрасли и разработка рекомендаций по усовершенствованию способов их практического применения являются крайне важными и актуальными задачами.

Цель диссертационной работы - исследование развития трубопроводного транспорта из полимерных материалов в нефтегазовой отрасли. В соответствии с целью исследования были поставлены следующие задачи:

- анализ развития трубопроводов из полимерных и композитных материалов;

- анализ физико-механических свойств исходного сырья для изготовления полимерных трубопроводов;

- анализ развития технологий при сооружении труб из полимерных и композитных материалов;

- анализ основных процессов изготовления труб из полимерных и композитных материалов;

- исследование химической стойкости полимерных трубопроводов при транспорте углеводородного сырья с газовым конденсатом;

- проведение комплексного анализа факторов и механизмов разрушения в полимерных материалах;

- рассмотрение эксплуатационных характеристик гибких трубопроводов в морских условиях.

Научная новизна работы

Впервые создана историко-техническая картина становления и развития трубопроводного транспорта из полимерных и композитных материалов.

Рассмотрено развитие технологий производства труб из полимерных и композитных материалов в нефтегазовой отрасли, а также применение различного рода добавок, обеспечивающих необходимые эксплуатационные свойства полимерных материалов. Проведен комплексный анализ осложняющих факторов, механизмов разрушений и исследование химической стойкости при эксплуатации полимерных трубопроводов.

Проведен комплексный анализ факторов и угроз, влияющих на целостность трубопроводов из полимерных и композитных материалов.

Практическая значимость работы

Материалы диссертационной работы могут быть учтены при выборе труб для сооружения трубопроводов в зависимости от свойств перекачиваемой среды и условий прокладки.

Разработана информационная база данных по развитию трубопроводного транспорта из полимерных и композитных материалов.

Материалы диссертационной работы могут быть использованы при создании обобщающих историко-технических трудов, посвященных развитию нефтегазового дела.

Отдельные главы работы используются в учебном процессе для подготовки магистров на кафедре «Транспорт и хранение нефти и газа» в

ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» по направлению «Нефтегазовое дело».

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных Международных конференциях: «XI Международная научная конференция, современные проблемы истории естествознания в области химии, химической технологии и нефтяного дела» (г. Уфа, 2010); «Международный молодежный нефтегазовый форум (г. Алматы, 2011); «VIII Международная учебно-научно-практическая конференция Трубопроводный транспорт-2012» (г. Уфа, 2012); «64-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ» (г. Уфа, 2013); «Межрегиональный семинар Рассохинские чтения» (8-9 февраля 2013 г. Ухта); «IX Международная учебно-научно-практическая конференция Трубопроводный транс-порт-2013» (г. Уфа, 2013); «Современные проблемы истории естествознания в области химии, химической технологии и нефтяного дела: материалы XTV международной научной конференции, посвященной 75-летию академика Академии наук Республики Башкортостан профессора Д.Л. Рахманкулова» (23-25 сентября 2014 г. Уфа); X Международная учебно-научно-практическая конференция Трубопроводный транспорт-2015» (г. Уфа, 2015).

Публикации

По теме диссертационной работы опубликовано 17 печатных трудов, в том числе: 3 статьи в журналах перечня ВАК Министерства образования и науки РФ и 14 тезисов докладов на научно-технических конференциях.

Структура диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы. Содержание работы изложено на 125 страницах машинописного текста, содержит 24 таблицы, 26 рисунков. Список литературы включает 131 наименование.

В первой главе выполнен историко-технический анализ развития трубопроводного транспорта из полимерных материалов. Отдельно рассмотрены физико-механические свойства полимерных материалов для производства труб.

Большой вклад в развитие данной темы внесли ученые, авторы работ: В.И. Агапчев, В.Л. Бажанов, М.Н. Боктицкий, А.Н. Громов, К.Я. Капустин, В.Ю. Каргин, Б .А. Киселев, Ю.В. Моисеев, A.M. Поспелов, С.А. Рейтлингер, B.C. Ромейко, В.Е. Удовенко, A.A. Шевченко, В.Г. Шухов и многие другие.

Опыт эксплуатации стальных распределительных газопроводов показал, что в большинстве случаев нормативный срок службы не выдерживался. Следовательно, всегда шел поиск альтернативных материалов для подземных газопроводов, на протяжении всего периода эксплуатации в 40-50 лет не подверженных коррозии, а также способов соединения труб, которые бы не снижали их надежности.

В качестве одного из возможных материалов был рассмотрен асбестоцемент, энтузиастом использования которого выступил И. В. Бородин (МИСИ им. В. В. Куйбышева).

С началом промышленного изготовления полимерных материалов, особенно термопластов, связан рост объемов производства и применения труб. Первые пластмассовые трубы были получены в 1940-х гт. С 1935-1940-х гг. начался период изготовления труб из поливинилхлорида (ПВХ). С этого периода начинается интенсивный рост объемов производства труб из полимерных материалов.

К началу 1960-х гг. в инженерной мысли России были сформированы теоретические основы возможности использования пластмассовых трубопроводов в

промысловых системах сбора и транспортировки продукции нефтегазовых месторождений.

В 1959 г в Москве на территории клинической больницы построен первый подземный распределительный газопровод из поливинилхлоридных труб отечественного производства.

В 1964 году около г. Тамбова проложен первый газопровод среднего давления протяженностью 1460 м, изготовленный из полиэтиленовых труб. Трубы диаметром 100 мм и длиной 30 м соединялись между собой раструбными муфтами.

К концу 80-х гг. XX в. в России посредством трубопроводов транспортировалось две трети топлива, что составило почти 30 % грузооборота страны.

В настоящее время все большее распространение для строительства нефтепроводов и газопроводов получили трубы из агрессивно-стойких материалов (полиэтиленовые, стеклопластиковые и др.). В Ермекеевском районе Республики Башкортостан проложен газопровод диаметром 160 мм протяженностью 12 км, изготовленный из полиэтиленовых труб ПЭ 80 ГАЗ БОЯП 160x14,6 ГОСТ Р 50838-2009. Производительность газопровода составляет 0,7 млн. м3/год. Соединения полиэтиленовых труб между собой выполнены встык нагретым инструментом, торцы труб и деталей сводят и производят осадку стыка при давлении Р=0,2 МПА.

Первые разработки в морском трубопроводном транспорте начались с создания из стали и полимерных материалов многослойных конструкций, обладающих большой химической стойкостью и гибкостью по сравнению со стальными трубами. К началу 90-х гг. XX столетия широкое распространение начали получать металлопластиковые трубы.

Более чем 50-летний опыт эксплуатации подземных полиэтиленовых газопроводов подтвердил их высокую надежность и экономичность, следовательно, и правильность того выбора, который был сделан еще в 1959 г.

В настоящее время полиэтилен является самым оптимальным материалом для систем газоснабжения давлением до 1,2 МПА, в наилучшей степени сочетающим все свойства, необходимые для этих целей: низкая газопроницаемость,

коррозионная стойкость к внешней среде и транспортируемому газу, высокая эластичность и ударопрочность в интервале рабочих температур от минус 20° до плюс 30 °С, простота и надежность соединения, технологичность и экономичность изготовления как самих труб, так и соединительных деталей к ним, легкость монтажа. Длительная прочность полиэтилена во время эксплуатации выгодно отличается от других термопластов до 30 °С, выше которых газопроводы не эксплуатируются.

Специфической особенностью полимеров является их способность к деформированию по истечению определенного времени под действием приложенных нагрузок: чем меньше скорость нарастания деформаций, тем дольше срок службы трубопроводов и наоборот. Скорость нарастания деформаций зависит от структуры материала, величины напряженного состояния и температуры эксплуатации.

Применение полимерных технологий, позволяет снижать материалоемкость, экономить горюче-смазочные и другие материалы, сокращать сроки строительства, уменьшать объемы земляных работ, решать сложные экологические проблемы. В немалой степени успех строительства газопроводов из полимерных материалов зависит от нормативно-технической базы, которая определяет правила и безопасность при внедрении полимерных материалов в системы газоснабжения.

Во второй главе рассмотрены технологии изготовления труб из полимерных и композитных материалов, а также технологии, применяемые при строительстве и эксплуатации трубопроводов из неметаллических материалов.

Одним из основных способов решения проблем эксплуатации трубопроводов в агрессивной среде является применение нескольких материалов в виде перемежающихся слоев (полимерный материал, ткань, стекловолокно).

Фирмой «Cofletxip» (Франция) разработаны гибкие высокопрочные трубы с внутренним диаметром 25-760 мм, применяемые как на суше, так и в море (используют на плаву, полупогруженными и на глубине до 1 км).

Фирма «Phillips Driskopain» производит полиэтиленовые трубы большого диаметра (457-1600 мм). При этом используется специальная лицензированная

технология сварки в инфракрасных лучах, разработанная греческой фирмой «AG Petrazatiks».

Применение стеклопластиковых труб взамен металлических увеличивает срок службы трубопроводов в 5-8 раз, исключает применение антикоррозионных защитных средств, снижает массу трубопровода, исключает применение сварочных работ.

Компания Degussa AG (Дюссельдорф) произвела VESTAMID® LX9020 -первый полиамид 12, получивший разрешение Регистра Ллойда на применение в производстве гибких напорных трубопроводов для транспортировки производственных и закачиваемых жидкостей в морских трубопроводах для сырой нефти (испытания продолжались 2,5 года).

Пластмассы в основном называют по типу наполнителя. К числу современных пластмасс относятся так называемые армированные пластики. В армированных пластиках в качестве наполнителя используют различные волокна.

В стеклопластиках армирующим элементом является стеклянное волокно. Стекловолокно придает стеклопластикам особую прочность. Они в 3-4 раза легче стали, но не уступают ей по прочности, что позволяет с успехом заменять ими металл.

Одной из основных технологий производства труб из полимерных и композитных материалов является метод напыления полимерного материала.

Метод напыления основан на использовании аэрозольного распыления смеси стекловолокна и полиэфирного связующего на формообразующую поверхность (рисунок 1).

Рисунок 1 - Напыление труб на основе полимерных и композиционных

материалов

Вначале на подготовленную матрицу наносится слой гелькоута, но его нанесение осуществляется с помощью распылительного пистолета. После отверждения этого слоя на матрицу «напыляется» смесь из рубленых волокон, полученных при пропускании нити ровинга через ножи пистолета и предварительно смешанных смолы и катализатора.

После нанесения рубленого ровинга, для удаления из ламината воздушных пузырьков, проводится прикатка. Прикатанный материал оставляют отвердевать при температуре цеха.

Метод намотки волокном основан на формировании стеклопластикового изделия непрерывной нитью стекловолокна, которая пропитывается связующим и наматывается на формообразующую поверхность — оправку круглого сечения.

На вращающуюся металлическую оправку под определённым углом подаются нити непрерывного ровинга, которые являются армирующим материалом для будущего изделия. Нити ровинга пропитываются предварительно подготовленным связующим. После отверждения готовое изделие снимается с оправки и подвергается механической обработке.

В качестве связующего для армирующего материала используется термореактивная смола. На практике наибольшее распространение получили полиэфирные, эпоксидные и винилэфирные смолы.

Процесс намотки имеет несколько вариантов, различающихся по цикличности производства (непрерывная, периодическая) и способу намотки (перекрёстная, прямая).

В третьей главе приведены исследования химической стойкости пластмассовых трубопроводов при транспортировке углеводородного газа совместно с газовым конденсатом, а также факторы, влияющие на угрозу целостности трубопроводов из полимерных материалов.

Как правило, в условиях эксплуатации пластмассовых труб в их материалах под воздействием агрессивных сред происходит изменение структуры и свойств полимеров, приводящее к снижению их прочности.

При этом взаимодействие полимеров с агрессивными средами может протекать ряд физических и химических процессов, из которых наиболее важными являются следующие:

- адсорбция компонентов агрессивной среды на поверхности полимера;

- диффузия агрессивной среды в объеме полимера;

- химическая реакция агрессивной среды с химическими нестойкими связями полимера;

- диффузия продуктов деструкции к поверхности полимера;

- десорбция продуктов деструкции с поверхности полимера.

Химически активные агрессивные среды при контакте с полимерным материалом вызывают необратимые изменения химической структуры полимеров (химическую деструкцию).

При действии агрессивных сред на полимерные материалы макромолекулы могут претерпевать следующие превращения:

- уменьшение степени полимеризации в результате распада основной цепи макромолекул в полимерах;

- отцепление молекулы мономера от конца цепи макромолекулы (деполимеризация);

- превращение группы атомов в составе макромолекулы при сохранении исходной степени полимеризации;

- образование новых химических связей между макромолекулами, т.е. реакции смешивания, структурирования.

При действии агрессивных сред на связующее - полимерную основу композиционных материалов - протекают реакции окисления, гидролиза, гидратации, которые характеризуются своими особенностями, обусловленными гетерогенностью системы. Разрушение начинается с поверхности раздела «полимер-наполнитель» вследствие ухудшения их адгезионных свойств, ослабления и нарушения связи между ними. Агрессивная среда может способствовать также вымыванию полимерного связующего. Оба процесса приводят к нарушению структуры композиционного материала.

Сорбционно-диффузионные свойства пластмасс определяют интенсивность процессов взаимодействия полимеров с агрессивной средой. В таблице 1 приведены коэффициенты диффузии, проницаемости и растворимости неорганических газов в термопластах, а в таблице 2 - аналогичные параметры для органических (углеводородных) газов.

Таблица 1 - Коэффициенты диффузии, проницаемости и растворимости газов для различных термопластов при комнатной температуре

Термопласт

Полиэтилен ВД

Показатель*

D • 10 Р • 10

s • ю7

ю

,17

Полиэтилен НД

Полипропилен

Поливинилхло-рид (жесткий)

D ■ Ю10 Р • 1017 S • ю7

Кислород

0,46 1,9-2,6 4,8

Р • 10

тт

Поливинил-денхлорид

Поливинил-фторид

Полистирол

D ■ 10'° Р ■ 1017 S • ю7

0,17-0,2 0,3-0,5 1,8

Диоксид углерода

0,37 7,3-12,2 25,8

0,76-1,1

Р • 10

,17

D • 10

Ж

,17

Р ■ 10 S • ю7

D • Ю10 Р • ю17

0,004-0,012 0,034-0,09 2,92

0,002-0,004

0,03 0,002-0,015 0,09

0,12 2,8-4,2 2,2

3,0-5,0

0,0012 0,1-0,76 47,7

Водород

5,7-8,0

1,3-1,4

Диоксид серы

0,33 (СО) 0,25

4,1-12,3'

0,012-0,022

0,0013 0,09-0,068 0,5

2,3-2,74 0,06

0,075

0,009

0,0014(Аг)

0,06

0,266

0,023 (H2S)

0,11 0,058 4,36

______ 1,1-1,52 5,7-6,8 6,9-11,3 1 0,29

* Коэффициент диффузии D измеряется в м2/с; коэффициент газопроницаемости Р - в м2/(с-Па); коэффициент растворимости S - в м3/(м3-Па).

Данные, приведенные в таблице 1, показывают, что, как правило, гетеро-цепные полимеры (полиформальдегид, полиамиды) по сравнению с полиолефи-нами обладают меньшей проницаемостью и сорбционной способностью. По отношению к органическим газообразным соединениям полипропилен в 2-3 раза

менее проницаем, чем полиэтилен (таблица 2). С повышением температуры проницаемость этих газов в обоих полимерах увеличилась, но для полипропилена она остается более низкой, чем для полиэтилена.

Таблица 2 - Коэффициенты проницаемости полимеров по отношению к углеводородным газам при различных температурах

Полимер Р • 1017, м2/(С'Па)

температура, °С метан этилен этан пропан

20 1,4-1,7 7,9-9,0 7,9-16,0 8,8-13,7

Полиэтилен 40 4,7-5,1 14,3-15,9 14,0-19,6 23,0-35,7

60 6,4-7,3 15,0-18,7 19,9-22,0 33,0-40,8

20 0,4-0,5 2,8-4,0 2,5-5,8 1,3-3,99

Полипропилен 40 1,3-1,9 8,2-10,15 4,9-10,8 5,5-5,88

60 4,1-4,5 10,99-14,6 11,76-20,0 10,7-15,8

На основе опыта эксплуатации газопроводов из полиэтиленовых труб была обнаружена и подтверждена высокая стойкость данного материала к природному газу, но меньшая устойчивость - к сниженной и газообразной пропан-бутановой смеси. Экспериментально установлено, что от воздействия паровой фазы этих газов материал труб набухает, а при длительном нахождении в жидкой фазе теряет часть массы. Особенно это проявляется у труб из полиэтилена низкой плотности: полиэтилен от воздействия этих сред набухает более значительно или теряет свою массу.

В качестве объекта исследования были выбраны трубы из полиэтилена низкого давления ПНД ПЭ 80 (газовая 110x10), ПЭ 63 (питьевая 63x3.6), ПЭ 63 (газовая 63x5.8), полиэтилена высокого давления ПВД 75x4 (техническая), а также труба из полипропилена 111163x3.6 (техническая).

При постановке эксперимента исследовался процесс диффузии конденсата в полимерный материал труб при 20°С. Диффузия конденсата в материал трубы оценивалась по измененшо геометрических параметров и массы образцов. Измерения проводились в течение 6, 10, 30 и 35 дней испытаний. В результате

экспериментов были получены кривые сорбции конденсата в полиэтилен (рисунок 2).

Анализируя вид полученных возможностей, следует отметить, что рассматриваемый процесс диффузии носит выраженный экспоненциальный характер. Начальный этап характеризуется большой скоростью диффузии газового конденсата в рассмотренные трубные материалы (кроме образца из ПНД ПЭ 63 (газовая 63x5.8)), оцениваемой по степени набухания.

Механизмы разрушений полимерных материалов и продуктов могут быть рассмотрены как с молекулярной, так и макроскопической точки зрения.

30.00

25.00

20.00

-о

о1"-

15.00

<

10.00

5.00

0.00

У

е ■ /

' / ¿к 1

ПНД ПЭ63 питьевая 63x3.6

-•-ПНД ПЭ80 газовая 110x10

ПП 63x3.6 техническая =?*-ПНД ПЭ63 газовая 63x5.8 —*--ПВД 75x4 техническая

5 10

т, сут.

30

1 - ПНД ПЭ 63 (питьевая 63x3.6); 2 - ПНД ПЭ 80 (газовая 110x10); 3 - ПП (63x3.6 техническая); 4 - ПНД ПЭ (газовая 63x5.8); 5 - ПВД (75x4

техническая)

Рисунок 2 - Кривые диффузии газового конденсата при 20°С в полимерном

материале

Таблица 3 показывает влияние различных экологических воздействий на механизм разрушения полимерных материалов и пластмассовых продуктов на молекулярном уровне. Таблица дает краткий обзор способа разрушения и проявления качества материала.

Таблица 3 - Влияние различных факторов на разрушение полимерных материалов

Влияние Механизм Результат Проявление

Механическое воздействие Механическое ослабление молекулярных волокон - У аморфных полимеров нет специальных оптических признаков - У части кристаллических полимеров растяжение волокон - Относительно плоская поверхность с небольшой деформацией - Неплоская поверхность, следы деформации

Тепловое воздействие Для части кристаллических, термопластических материалов при высокой температуре смягчение физических свойств, а затем плавление Пластическая деформация Образование пустот, несплошностей

Химическое воздействие Ослабление молекулярных волокон растворителями, проникновение растворителя в полимер и разбухание полимера Образование микротрещин, диаметром от 0,01 до 0,1 метра на наружной или внутренней поверхности Потери углеводородов из-за испарений, уменьшения набухания материала.

Старение Термическая деградация, стресс-коррозия Усталость, изменение цвета

Разрушение трубопроводов в природе является комбинацией статистических явлений, которое, в свою очередь, является случаем, вызванным в вероятностной среде несколькими причинами.

Термопластики и трубы, основанные на полиолефине, имеют высокую степень податливого поведения при комнатной температуре и низкую скорость загрузки. Но, даже очень податливый материал, такой, как полиэтилен, может стать хрупким. Например, низкая температура одновременно с остаточными нагрузками может привести к реакции хрупкости этих податливых материалов и

продуктов (рисунок 3). Явление быстрого распространения трещин является одним из проявлений ломкости материала.

Рисунок 3 - Разрушение верхней фрагментарной части трубы с расслаиванием

Усталость - потеря силы или других механических свойств как результат подверженности напряжению в течение определенного периода времени. Усталость может быть циклическая и статическая (таблица 4).

Таблица 4 - Типы усталости полимерных и пластмассовых трубопроводов

Усталость

Материал Термопластиковая труба Композитная труба Многослойная труба

Расположение - труба - соединение - стекловолокно - матрица - волокнисто-матричный слой - вся секция - соединение - слой - вся секция

Коррозия - ухудшение материала при его контакте с окружающей средой в присутствии кислорода воздуха. Хотя термин обычно применяется к металлам, все материалы, включая керамику, пластиковые материалы резину, ухудшаются

в некоторой степени, когда они подвергаются воздействию определенных комбинаций жидкостей и (или) газов.

Важным аспектом коррозионного механизма является то, что деградация не проявляется как коррозия металлов, она происходит внутри полимерного материала (например, рисунок 4). Внешнюю нефункциональную нагрузку раскалывания в пластических массах также иногда называют стресс-коррозией.

Рисунок 4 - Компьютерная томография секции, показывающая разрушение

в стенке трубы

В четвертой главе рассмотрены эксплуатационные характеристики гибких трубопроводов в морских условиях.

Гибкие трубопроводы обладают составной конструкцией, для которой характерны хорошие показатели теплопроводности, малый предельный радиус изгиба, высокий коэффициент демпфирования, высокая ударная прочность.

Для того чтобы определить метод обследования или инспектирования необходимо учитывать особенности конструкции трубы и обусловленный ими сложный характер ее работы.

Миграция газов сквозь полимерные слои стенки является чисто эксплуатационной проблемой. При снижении давления скопившиеся в стенках газы увеличиваются в объеме, оказывая значительное силовое воздействие на внутренние полимерные оболочки. Если это давление превышает прочность полимеров на

срез, то возможно развитие остаточных деформаций, иногда и разрушение оболочек. Это явление известно под названием разрушающей декомпрессии.

В составе стенки трубы предусмотрены внешние особо тонкие полимерные оболочки, которые при повышении давления в промежутках армирующих слоев периодически разрываются так, чтобы внутреннее давление в зоне падало.

Промежуточные полости между слоями стенки соединяют между собой таким образом, чтобы по ним вдоль оси трубопровода могли перетекать накопившиеся газы. На своем пути по полостям газы проходят также через разрывные (предохранительные) диафрагмы, расположенные на концах труб.

Для понимания конструкции гибкой трубы необходимо иметь возможность увязать сложный характер ее работы с наличием определенных дефектов. Обязательные цели инспекционной программы должны включать следующее:

- выявление и документальную регистрацию дефектов, способных

значительно снизить эксплуатационные характеристики трубы;

- определение объектов, периодичности и методов инспектирования;

- создание долговременной базы данных и организацию системы обмена

информацией;

- определение степени опасности дефектов и необходимости их исправления.

При инспектировании гибких труб можно ориентироваться на дефекты двух видов. К дефектам, способным вызывать утечки, относятся:

- сквозные отверстия в стенках трубы;

- повышенная диффузия газа сквозь стенку трубы;

- разъединение собственно трубы с ее торцевым фитингом.

К дефектам, способным вызывать изменения поперечного сечения трубы, относятся:

- овальность стенок;

- разрушение армирующего каркаса или внутренней трубки;

- эрозионное разрушение или Отложение осадков;

- ползучесть внутреннего каркаса или радиальной арматуры.

Применение очистных поршней в различных целях на гибких трубопроводах в основном ограничивается трубопроводами, склонными к гидратообразова-нию и отложению парафинов.

Один из способов прокладки гибких морских трубопроводов - использование трубоукладочной баржи со специальным барабаном, на который наматываются трубы. Трубы собираются на береговых базах, далее их наматывают на большой барабан, размещенный на судне, транспортируют на рабочую площадку и сматывают с барабана в процессе укладки на морское дно. При этом образуются значительные изгибы трубопровода в точке спуска с баржи.

Применяется также способ укладки трубопровода на дно с барабана, непосредственно опускаемого на дно. Конец трубопровода, находящегося на барабане, крепится в начальной точке трассы с помощью водолазов или специального оборудования. Трос закрепляется на передвигающейся надводной барже, барабан с намотанным на него трубопроводом перемещается по дну. Трубопровод разматывается, выпрямляется и укладывается на грунт. На трассе устанавливается несколько поплавков. При сматывании трубопровода с барабана вес конструкции уменьшается и для сохранения уровня ее положения последовательно удаляются поплавки. Предложенный способ позволяет производить укладку трубопровода на глубине от 30 до 1525 м.

Для укладки гибких труб требуется минимальное число оборудования: барабан для транспортирования труб; роликовое устройство для вращения барабана; желоб для направления гибких труб; различные мелкие приспособления, тросы и инструмент.

Для разработки инспекционной программы также необходимо следующее:

- определить метод и приоритетные объекты инспектирования;

- разработать средства классификации дефектов и интерпретации получаемых результатов инспектирования;

- обеспечить легкий доступ к соответствующим объектам, подлежащим инспектированию;

- разработать и обеспечить поставку инспекционного оборудования, способного различать отраженные звуковые сигналы, получаемые от различных слоев стенки гибкой трубы.

При применении ультразвуковой дефектоскопии следует помнить, что для составных материалов характерна анизотропность. Скорости распространения звуковой волны меняются от одного слоя составной стенки трубы к другому, поэтому для отраженных сигналов характерна сильная зашумленность в результате эффектов наложения и эха.

Ультразвуковая дефектоскопия является простотой, но она имеет некоторые

недостатки. Ультразвуковой сигнал будет проходить только через однородную

жидкость, так как пузырьки газа и отложения парафина могут повлиять на результат.

Инспектирование на предмет коррозионного разрушения также может быть затруднено, поскольку большинство существующих приборов неразрушающего контроля рассчитано на выявление общей коррозии, а не локальных коррозионных процессов.

Основные выводы и результаты работы

1 Проведено комплексное историко-техническое исследование развития трубопроводов из полимерных и композитных материалов для транспортировки углеводородов, а также основных методов, свойств и технических средств, обеспечивающих трубопроводы эксплуатационной надежностью. Показано, что по мере открытия новых материалов совершенствовались технологии производства труб, а также разрабатывались различного рода добавки, обеспечивающие необходимые эксплуатационные свойства полимерных материалов.

2 Установлены предпосылки возникновения новых технологий и технических средств, используемых при строительстве и эксплуатации трубопроводов из полимерных и композитных материалов, а также выделены области их применения с учетом специфических свойств перекачиваемой среды.

3 Проведен комплексный анализ основных факторов и механизмов разрушения полимерных материалов. Показано, что интенсивность сорбционно-диффузионных процессов в полимерах в значительной степени определяются природой агрессивной среды, её агрегатным состоянием, химическим составом и конфигурацией молекул.

4 Установлено, что труба ПНД ПЭ (газовая 63x5.8) с предельной концентрацией набухания 7,38% является наиболее стойкой при диффузии газового конденсата в полимерный материал при 20°С.

5 Показана необходимость разработки новых технических средств для проведения диагностического обследования трубопроводов.

Список работ, в которых опубликованы основные положения диссертации

1. Зубаиров, Т.А. Новые технологии, применяемые для строительства и эксплуатации труб из неметаллических материалов в морских условиях / Т.А. Зубаиров, Р.К. Терегулов, Б.Н. Мастобаев // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. - 2012. - №1 - С. 13-15.

2. Зубаиров, Т.А. Основные конструкции и технологии производства труб из полимерных и композиционных материалов для эксплуатации в морских условиях / Т.А. Зубаиров, Р.К. Тере1улов, Б.Н. Мастобаев // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. - 2012. - №3 - С. 25-27.

3. Зубаиров, Т.А. Использование труб из полимерных материалов для сбора и транспорта газа на промыслах и в газовых сетях России / Т.А. Зубаиров, Б.Н. Мастобаев, М.М. Фаттахов // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. -2014. -№3 -С. 10-12.

4. Зубаиров, Т.А. Развитие технологий применения труб из полимерных и композиционных материалов для транспорта углеводородного сырья / Т.А. Зубаиров, Р. К. Терегулов // Современные проблемы истории естествознания в области химии, химической технологии и нефтяного дела: материалы XI международной научной конференции. - Уфа: Изд-во «Реактив» , 2010. -С. 65-66.

5. Зубаиров, Т.А. Опыт применения неметаллических трубопроводов в морских условиях / Т.А. Зубаиров, Р.Ж. Нуржауов, Б.Н. Мастобаев // Тезисы докладов международного молодежного нефтегазового форума. - Алматы. - 2011. -С. 143-145.

6. Зубаиров, Т.А. Виды полимерных и композиционных материалов, используемых в изготовлении труб для транспортировки углеводородного сырья / Т.А. Зубаиров, Р.К. Терегулов, Б.Н. Мастобаев // Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии: материалы XXV юбилейной международной научно-технической конференции посвященной памяти академика АН

РБ, доктора химических наук, профессора Д.Л. Рахманкулова 6-8 декабря. -Уфа: Изд-во «Реактив» , 2011. - С. 142-143.

7. Зубаиров, Т.А. Конструкции и технологии производства труб из полимерных и композиционных материалов, применяемых в морских условиях/ Т.А. Зубаиров, Р.К. Терегулов, Б.Н. Мастобаев // Рассохинские чтения. Материалы международного семинара 3-4 февраля 2012 г. - Ухта, 2012. - С. 390-393.

8. Зубаиров, Т.А. Применение труб из полимерных и композиционных материалов в морских условиях / Т.А. Зубаиров, Р.К. Терегулов, // Рассохинские чтения. Материалы международного семинара 3-4 февраля 2012 г. - Ухта, 2042. -С. 393-396.

9. Зубаиров Т.А. Применение прогрессивных материалов для трубопроводов из полиэтилена в нефтегазовой отрасли / Т.А. Зубаиров, Б.Н. Мастобаев // Трубопроводный транспорт - 2012: Материалы VIII Международной учебно-научно-практической конференции / Редкол.: A.M. Шаммазов и др. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2012. - С. 55-57.

10. Зубаиров Т.А Применение труб из полимерных материалов и прогрессивных технологий в нефтегазовой отрасли / Т.А. Зубаиров, Б.Н-. Мастобаев // Межрегиональный семинар Рассохинские чтения 8-9 февраля 2013 года. - Ухта, 2013.-С. 147-151.

11. Зубаиров Т.А Опыт применения защитных покрытий из полимерных материалов / Т.А. Зубаиров, Б.Н. Мастобаев // 64-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ - Уфа.: Изд-во УГНТУ, 2013. -С. 25-26.

12. Зубаиров Т.А. Факторы вызывающие старение трубопроводных систем / Т.А. Зубаиров, Б.Н. Мастобаев // Трубопроводный транспорт - 2013: Материалы IX Международной учебно-научно-практической конференции / Редкол.: A.M. Шаммазов и др. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2013. - С. 64-66.

13. Зубаиров Т.А. Механизмы разрушения полимерных материалов / Т.А. Зубаиров, Б.Н. Мастобаев // Трубопроводный транспорт - 2013: Материалы IX Международной учебно-научно-практической конференции / Редкол.: A.M. Шаммазов и др. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2013. - С. 66-68.

14. Зубаиров Т.А. Технологии реконструкции изношенных трубопроводов с использованием пластмассовых труб/ Т.А. Зубаиров // Сборник тезисов докладов научно-технической конференции молодых ученых - специалистов ООО «БашНИПИнефть». -Уфа: Изд-во «БашНИПИнефть» , 2014. -С. 109-111.

15. Зубаиров Т.А Использование полимерных труб в России / Т.А. Зубаиров, Б.Н. Мастобаев // Современные проблемы истории естествознания в области химии, химической технологии и нефтяного дела: материалы XIV международной научной конференции, посвященной 75-летию академика Академии наук Республики Башкортостан профессора Д.Л. Рахманкулова 23-25 сентября 2014 года. - Уфа; Изд-во «Реактив», 2014. - С. 43-45.

16. Зубаиров Т.А. Анализ основных нормативных документов на полимерные материалы для газопроводов / Т.А. Зубаиров, Б.Н. Мастобаев, М.М. Фаттахов // Нефтегазохимия. Научно-информационный сборник. - 2014. - №3 - С. 25-27.

17. Зубаиров Т.А. Применение пластмассовых трубопроводов для транспорта нефти и газа // Трубопроводный транспорт - 2015: Материалы X Международной учебно-научно-практической конференции / Редкол.: Р.Н. Бахтизин и др. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2015. - С. 95-96.

Подписано в печать 14.10.2015. Бумага офсетная. Формат 60x84 V^. Гарнитура «Тайме». Усл. печ. л. 1,39. Тираж 100. Заказ 139. Издательство Уфимского государственного нефтяного технического университета

Адрес издательства: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1