Перспективные материалы для нефтегазовых объектов (стр. 36 )

В первый год эксплуатации разрушения в основном обусловлены качеством сооружения трубопроводов, в последующие 2 - 3 года - коррозионными повреждениями, через 4 года число нарушений практически не изменяется, а уже через 5 лет достигает критических значений. Как показывает практика, дальнейшая эксплуатация трубопроводов нерентабельна, так как расходы на восстановление и ремонт сопоставимы с затратами на строительство, а в последующие годы начинают их превышать.

Использование стеклопластиковых труб, не подверженных коррозионным процессам, позволит значительно повысить межремонтный период (срок их службы составляет 20 - 25 лет) и следовательно, эффективность работы предприятия в целом.

В больших объемах стеклопластиковые трубы применяются в качестве НКТ на месторождениях, где добывается нефть, содержащая коррозионно-активные компоненты: H2S, HS0-4, Na+, Ca2+, Mg2+, Сl-, СО2, НС1, а также парафин. Кроме того, они используются в системах заводнения и утилизации сточных промысловых вод, которые эксплуатируются в условиях воздействия высокоминерализованной среды, содержащей до 3 г/л сероводорода и абразивные примеси, при давлении 10 - 15 МПа и температуре до 60 оС. В таких условиях стальные трубы подвергаются интенсивной электрохимической коррозии, и, как показывает опыт, ресурс их работы не превышает 1 - 2 лет, иногда нескольких месяцев. При использовании стеклопластиковых труб на таких месторождениях повышается срок службы, уменьшаются затраты на монтаж, не требуются затраты на средства электрохимической защиты труб от коррозии, ликвидацию парафиновых отложений, что позволяет снизить затраты на регламентные работы по очистке скважин от парафинов и гидратов, повысить дебит скважин.

Технологический процесс изготовления стеклопластиковых труб намного проще, чем металлических, и состоит из следующих основных этапов: подготовка оправок, намотка, полимеризация смолы и изготовление узлов соединения труб. Оправки для намотки труб представляют собой металлические сердечники круглого сечения длиной 6 -9 м. При намотке оправка вращается вокруг своей оси, а укладчик стеклонитей совершает относительно оправки возвратно-поступательные движения. При этом диаметр оправки определяет внутренний диаметр трубы, а длина оправки - длину трубы. Толщина наматываемых на оправку стеклонитей и углы их укладки рассчитываются заранее и определяют рабочие характеристики стеклопластиковой трубы (рабочее давление, допустимые нагрузки, степень герметичности).

В зависимости от условий применения, стеклопластиковые трубы могут изготавливаться с использованием полиэфирных, кремнийорганических или эпоксидных смол. В нефтегазовой промышленности применяются трубы, изготавливаемые с использованием эпоксидных смол, которые имеют более высокие и постоянные во времени механические характеристики при работе в агрессивных средах в течение нескольких десятилетий.

Если необходима надежная работа труб в специфических условиях эксплуатации (высокие температуры, повышенная агрессивность сред и др.), то стеклопластиковые трубы могут изготавливаться с использованием углеродных или базальтовых волокон с внутренним покрытием из химически стойких материалов.

Таким образом, выбор нужного типа используемых смол и наматываемых волокон позволяет получать трубы с заранее заданными свойствами для конкретных условий эксплуатации. Например, -нефть» разработало конструкцию стеклопластиковых труб диаметром 75 и 150 мм, длиной 6 м, на рабочее давление до 4 - 6 МПа. Допустимый температурный предел их работы – 60 °С. Трубы предназначены для транспорта нефти, водогазонефтяных эмульсий, сточной нефтепромысловой воды, нефтяного газа. Расчетный срок службы составляет 25 лет. Такие трубы успешно эксплуатируются на Громыханском месторождении АО «Удмуртнефть» в системе поддержания пластового давления (ППД), на выкидных линиях НГДУ «Чернушканефть» АО «Пермьнефть».

Рис. 5.10. Разрез многослойной трубы фирмы Bristol Aeroplane Plastics LTD: 1, 4 - слои из акрилового волокна, 2 - лента из стекловолокна,
3 - стеклянная ровница

Английская фирма Brisrol Aeroplane Plastics LTD, получившая известность как изготовитель установок для намотки стеклопластиковых труб, разработала конструкцию многослойной трубы (рис. 5.10) диаметром 100 - 120 мм, длиной 6 м, которая рекомендуется для использования в газовой и нефтяной промышленности для транспорта сред под давлением 1,05 - 4,22 МПа.

Таким образом, применение труб из композиционных материалов в условиях роста давлений транспортируемых сред и их агрессивности наиболее целесообразно и эффективно с экономической и технической точек зрения.

Стекловолокна и следовательно, ткани из них имеют анизотропию свойств – прочность волокна вдоль его оси неизмеримо выше прочности в тангенциальном "направлении". Из-за этой особенности ПКМ характеристики материала, состоящего из одних и тех же компонентов, могут значительно изменяться.

Для определения характеристик материала изготавливаются образцы, в которых армирующий элемент ориентирован вдоль действия нагрузки. Такие образцы называют «однонаправленными». При изменении угла ориентации армирующего элемента относительно действия нагрузки характеристики стеклопластика изменяются (табл.5.7).

Как видно из табл. 5.7, с увеличением угла намотки, т. е. армирования, одни характеристики материала увеличиваются, другие уменьшаются. Поэтому, располагая армирующий наполнитель в соответствии с действующими в конструкции нагрузками, а также чередуя слои наносимого материала с различными углами армирования, можно варьировать характеристики материала и изделия. В табл. 5,8 показано изменение характеристик стеклопластиковых труб с различной схемой армирования. Анализ приведенных данных показывает, что максимуму различных характеристик соответствуют различные схемы армирования.

Таблица 5.7

Изменение характеристики полимерного композиционного материала в зависимости от ориентации армирующего элемента

Угол намотки, град	Модуль упругости при растяжении, ГПа	Предел прочности, МПа
при растяжении	при сжатии	при сдвиге
0	37,9	948,1	637,8	37,9
5	37,2	911,6	625,1	48,3
10	35,2	815,7	599,2	66,9
15	31,9	690,2	548,1	91,0
20	27,3	560,5	475,7	119,3
25	21,9	444,7	386,1	148,2
30	16,3	346,1	290,3	175,8
35	11,0	266,8	204,8	198,6
40	8,1	202,7	144,8	213,7
45	6,5	152,4	114,5	218,6

Таблица 5.8

Изменение характеристик стеклопластиковых труб с различной
схемой армирования

Ориентация наполнителя	Предел прочности, МПа
угол намотки, град.	доля слоев под 90°	при сжатии	при кручении	при сдвиге
15	0	348	190	196
30	0	255	410	196
45	0	221	430	252
45	9	303	462	317
45	18	303	448	355
45	27	327	393	334

Таким образом, можно получать различные сочетания характеристик композиционного материала. В этом и заключается его основное отличие от традиционных конструкционных материалов. Конструкция и материал создаются одновременно! Под конкретные требования потребителя выбирают состав композиционного материала, его конструктивную схему и оптимальную технологию.

Наибольшее распространение при производстве стеклопластиковых труб как тел вращения получила технология намотки. Суть ее в том, что на вращающуюся оправку, диаметр которой соответствует проходному диаметру трубы, послойно наносится стеклонаполнитель, пропитанный полимерным связующим. Соединение этих двух компонентов происходит на специальном инструменте – пропиточно-формирующем тракте. В результате химического взаимодействия полимер превращается в монолит, соединяющий все элементы армирующего наполнителя.

Число слоев, т. е. толщина стенки трубы, определяется требованиями прочности и схемой армирования.

В г. Перми уже больше 10 лет успешно работают несколько предприятий, выпускающих стеклопластиковые трубы и соединительные детали для трубопроводов. Стеклопластиковые трубопроводы заменили многие городские коммуникации; на заводах Перми и области по таким трубопроводам транспортируют агрессивные и абразивосодержащие вещества, а также нефтепродукты; они используются в качестве дымоходов и т. п. Стеклопластиковые трубы, выпускаемые в Перми, применяются от Ставропольского края до Сургута и Лабытнанги.

На основании многолетнего опыта получения изделий из полимерных композиционных материалов разработана так называемая «анкета» трубопровода – исходные данные, которые должен сообщить заказчик для создания стеклопластикового трубопровода. Перечень исходных данных приведен ниже.

Исходные данные для изготовления стеклопластикового трубопровода: