Библиографическое описание:

Сироткин О. С., Андрюнина М. А., Беликов Д. В., Васечкин А. В., Талалаева Е. Е. Создание трубопроводных систем с применением бипластмассовых и полимерных композиционных материалов для изделий гражданской морской техники // Молодой ученый. — 2013. — №5. — С. 101-104.

С целью повышения надежности трубопроводов в морском грузовом транспорте, предназначенном для перевозки нефтепродуктов, снижения массы и повышения грузоподъемности и увеличения срока их службы в мировой практике применяются трубопроводы из полимерных композиционных материалов (ПКМ) — стеклопластиков и стеклопластиков с футеровочным слоем из термопластов (бипластмассы). В российской судостроительной промышленности данное направление активно внедряется.

ОАО НИАТ проводит работы по разработке конструкции и технологии изготовления трубопроводных бипластмассовых систем с применением перспективных полимерных композиционных материалов для изделий гражданской морской техники.

В данной статье рассмотрены материалы, которые могут быть использованы для создания бипластмассовых труб для транспортировки нефтепродуктов, имеющих футеровочный слой из термопластичных материалов и силовую оболочку из стекло- или базальтопластика, которые обладают исключительными физико-механическими свойствами, химической стойкостью и не имеют достойной альтернативы при создании трубопроводов, функционирующих в среде нефтепродуктов и морского климата.

Суда танкерного флота среди всех типов грузовых судов по тоннажу перевозимых грузов занимают первое место. Основными видами грузов являются нефть и нефтепродукты, однако распространены и так называемые «химовозы», т. е. суда, в танках которых перевозятся кислоты, щелочи, удобрения и химические продукты для производства промышленных изделий.

Важнейшим элементом танкера являются трубопроводы, которые обеспечивают погрузку и выгрузку грузов, очищение танков (пропаривание), нагрев груза для обеспечения его перекачки, пожаротушение, отопление, подачу пресной воды, балластировку судна и пр. В настоящее время трубопроводы изготавливаются из сталей, в т. ч. легированных, коррозия которых существенно снижает срок службы, а также надежность системы. Важнейшим фактором, влияющим на эксплуатационные характеристики судна, как на транспортное средство, является масса танков и трубопроводов, в первую очередь, палубных.

С целью повышения надежности трубопроводов, снижения массы и повышения грузоподъемности и увеличения срока их службы, а также улучшения экономических и мореходных (скорость, остойчивость) характеристик танкеров за рубежом применяют трубопроводы из полимерных композиционных материалов (ПКМ) — стеклопластиков и стеклопластиков с футеровочным слоем из термопластов (бипластмассы). В отечественном судостроении нет опыта создания таких трубопроводов.

ОАО НИАТ проводит работы по разработке конструкции и технологии изготовления трубопроводных бипластмассовых систем с применением перспективных полимерных композиционных материалов для изделий гражданской морской техники.

На рисунке 1 представлена конструкция участка трубопровода для перекачки нефти и нефтепродуктов.

Рис. 1. Конструкция участка трубопровода для перекачки нефти и нефтепродуктов.

Конструкция включает в себя бипластмассовую трубу большого диаметра поз.1, переходную бипластмассовую трубу поз.2, бипластмассовую трубу малого диаметра поз.3, соединительные фланцы поз.4, фторопластовые уплотнительно-герметизирующие прокладки поз.7. Бипластмассовые трубы и переход состоят из футеровочного поз.5 и силового поз. 6 слоев.

Бипластмассовые трубы для транспортировки нефтепродуктов, имеющие футеровочный слой из термопластичных материалов и силовую оболочку из стекло- или базальтопластика, обладают исключительными физико-механическими свойствами, химической стойкостью и не имеют достойной альтернативы при создании трубопроводов, функционирующих в среде нефтепродуктов и морского климата.

Рост объемов использования базальто- и стеклопластиков при создании коррозионностойких изделий объясняется их химической устойчивостью к большинству агрессивных сред, высокими показателями физико-механическиз свойств, технологичностью переработки, надежностью в эксплуатации и возможностью их быстрого ремонта [1, 4].

Известны два основных направления создания коррозионностойких изделий с использованием стеклопластиков.

Одно из них предполагает применение бипластмасс, в которых внутренний слой из соответствующего термопласта, т.н. футеровка обеспечивает требуемую герметичность и химическую стойкость изделия, а связанный с ним слой стеклопластика служит для обеспечения необходимой прочности и жесткости изделия.

Второе направление предполагает применение только стеклопластиков на основе химически стойких связующих, стеклопластик одновременно обеспечивает коррозионную стойкость, прочность и жесткость изделия [2, 5].

Многочисленные фирмы организовали выпуск труб и емкостей из стеклопластиков без футеровочного слоя, однако оказалось, что в связи с нестабильным качеством исходных материалов и гетерогенностью структуры стеклопластиков, изделия, выполненные из этих материалов, негерметичны при длительной эксплуатации и имеют пониженную, против ожидаемой, химическую стойкость. Поэтому был выбран путь создания коррозионностойких изделий из бипластмасс [5, 6].

Установлено, что работоспособность стеклопластиковых силовых слоев труб определяется водо-химической стойкостью связующего и армирующего наполнителя, оптимальной структурой стеклопластика, отсутствием пористости в материале. Только при выполнении перечисленных требований обеспечивается высокое качество и эксплуатационная надежность стеклопластиковых трубопроводов [2, 3, 4, 5].

Для изготовления коррозионностойких силовых слоев трубопроводов из стеклопластиков необходимо применять только химически стойкие смолы и армирующие материалы. Применение стеклопластиков общего назначения без их защиты химически стойкими термопластами, как правило, приводит к быстрому (полному или частичному) разрушению изделий.

Рост объема производства труб из стеклопластика, внедрение новых технологий и оборудования постоянно повышают уровень требований к технологическим параметрам связующего и материалам на его основе. Значение термина «технологичность связующего» весьма многогранно и определяет эффективность его переработки на всех стадиях технологического процесса изготовления изделий из стеклопластика.

Многие разработчики достижение высоких физико-механических свойств связующих не всегда связывают с вопросами возможности их промышленной переработки в реальные изделия. Наибольшее практическое применение находят высокотехнологичные связующие ЭТАЛ-170, ЭТАЛ-245, ЭТАЛ-670 (Таблица 1).


Таблица 1

Технологические параметры серийно выпускаемых эпоксидных связующих для намотки труб.

Технологические и эксплуатационные параметры

Марки связующих

ЭТАЛ-50

ЭТАЛ-170

ЭТАЛ-245

ЭТАЛ-670

ВСЭ-21

ВСЭ-15

ЭДТ-10

Количество компонентов

2

2

2

2

2

2

2

Вязкость при 20°С/50°С, Па·с

2,0 / 0,5

1,5 / 0,3

3,0 / 0,6

2,0 / 0,5

3,0 / 0,15

2,0 / 0,65

7/0,4

Жизнеспособность при

20 °С/50 °С, час

4,0 / 0,5

8,0 / 0,1

8,0 / 2,0

50/4

50/4

50/6

Режим отверждения, °С/час

80/4 + 130/2

130/6

110/2 + 150/2

120/1 + 150/3

120/2 + 160/4

120/2 + 160/4

120/8 или 160/3

Теплостойкость, °С

125

60

140

190

170

180

90

Водо- химостойкость

высокая

средняя

высокая

высокая

высокая

высокая

Средняя


Как видно из таблицы 1, выпускаемые серийно эпоксидные связующие для «мокрой» намотки имеют широкий диапазон технологических свойств, однако все они имеют температуру отверждения в интервале 120–160°С, что существенно ограничивает выбор материала футеровочного слоя из масло- химостойкого термопласта.

Для производства стеклопластиковых силовых слоев труб методом намотки используют, главным образом, ровинги (жгуты), которые обеспечивают наивысшую степень реализации упруго-прочностных свойств исходного волокна в пластике [5, 6]. Практическое значение в производстве стеклопластиковых силовых слоев труб методом намотки имеют ровинги, приведенные в таблице 2.

Таблица 2

Ровинги из стекло- и базальтового волокна, рекомендуемые для изготовления труб методом намотки.

Наименование, марка

Линейная плотность, текс

Прочность при растяжении, МПа

Модуль упругости, ГПа

Замасливатель

Ровинг намоточный из волокна ЕС (Е)

ЕС13–1260Н (252)

270–4800

2200–2700

70–75

Силан

Ровинг намоточный из стекловолокна ВМП

РВМПН-1260–78

420–2520

3900–4200

80–95

78 (силан)

Ровинг намоточный базальтовый

НРБ13–1200-КВ12

270–4800

2800–3200

85–90

Силан

Все приведенные в Таблице 2 ровинги могут быть успешно использованы при изготовлении методом «мокрой» намотки оболочек стеклопластиковых труб для нефтеналивных судов, при этом:

-          Требованиям экологичности и доступности в большей степени отвечают ровинги на основе стекла ЕС с силановым замасливателем;

-          Требованиям высокой прочности отвечают ровинги на основе стекла ВМП (S), но они достаточно дороги и ограничены в производстве;

-          Требованиям химической стойкости и высокого модуля упругости отвечают ровинги из базальтовых волокон, однако, они имеют нестабильные свойства, зависящие от применяемого сырья

При изготовлении труб необходимо обратить внимание на проблему, связанную с адгезионным взаимодействием футеровочного слоя со связующим силового слоя.

2012_08_01_четырехслойная труба

Рис. 2. Бипластмассовая труба

Конструкция трубы для судов танкерного флота, разработанная специалистами ОАО НИАТ (Рис.2), обеспечивает химическую стойкость материала футеровочного слоя труб и фитингов после выдержки в рабочей среде в течение 28 суток характеризуется следующими показателями:

-        изменение разрушающего напряжения при изгибе, МПа — 13 %,

-        изменение массы образца, г — 0,9 %,

-        изменение линейных размеров, мм — 0,28 %.

Физико-механические характеристики материала силового слоя труб и фитингов соответствуют следующим показателям:

-          модуль упругости, МПа — 6?104,

-          разрушающие напряжения при растяжении, МПа – 1200,

-          разрушающие напряжения при межслойном сдвиге, МПа –50,

-          плотность, кг/м3           –200,

-          Относительное удлинение труб:

-          при давлении 1,6 МПа — 0,033 %,

-          при давлении 2,4 МПа — 0,05 %,

-          твердость наружной поверхности стеклопластика силового слоя — 200- 220 НВ,

-          ударная вязкость образцов без надреза материала силового слоя при 20º С — 3 кгс•м/см2, при — 20º С — 2 кгс•м/см2,

Огнестойкое покрытие на поверхности трубы обеспечивает огнестойкость при температуре 1100ºС;

Применение трубопроводных систем из ПКМ разработанных ОАО НИАТ для судов танкерного флота по сравнению с существующими показателями позволит повысить грузоподъемность на 30 % и увеличит срок службы трубопровода в 1,5–2 раза.

Литература:

1.                  Михайлин Ю. А. Конструкционные полимерные композиционные материалы. — СПб.: Научные основы и технологии, 2008. — 822 с.

2.                  Михайлин Ю. А. Специальные полимерные композиционные материалы. — СПб.: Научные основы и технологии, 2009. — 700 с.

3.                  Берлин Ал. Ал., Вольфсон С. А., Ошмян В. Г., Ениколопов Н. С. Принципы создания композиционных материалов. Изд. «Химия», М., 1990.

4.                  Альперин В. И. и др. — Конструкционные стеклопластики. М.: Химия, 1979. — 360с.

5.                  Рогинский С. Л., Канович М. Э., Кастунов М. А. Высокопрочные стеклопластики. — М.: Химия, 1979. — 142 с.

6.                  Цыплаков О. Г. Конструирование изделий из композиционно-волокнистых материалов. — Л.: Машиностроение. Ленингр. отделение 1984. -140 с.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle