В статье проведен анализ возможности использования композитных материалов (КМ) для изготовления труб магистральных сборно-разборных трубопроводов (СРТ), рассмотреныосновные характеристикисуществующих КМ на основе высокопрочных армирующих нитей из сверхвысокомолекулярного полиэтилена, определены основные направления для разработки магистральных СРТ третьего поколения. Сделан вывод о возможности значительного повышения производительности труда при монтажно-демонтажных работах, а также повышения пропускной способности трубопровода из КМ за счёт малой относительной шероховатости внутренней поверхности композитных труб.
Ключевые слова: композитные материалы, органопластики, стеклопластики, магистральные сборно-разборные трубопроводы.
Отечественный и зарубежный опыт использования магистральных сборно-разборных трубопроводов (СРТ) показывает, что их значение в обеспечении войск горючим неуклонно возрастает. При этом сфера их применения в современных условиях существенно расширяется, охватывая не только военную, но и другие области.
Отечественные СРТ начали использоваться в Вооруженных Силах в качестве магистральных с середины 50-х годов прошлого века.
Прообразом первого поколения магистральных СРТ с муфтовым соединением (ПМТ-100, ПМТ-150, ПМТА-150) послужил образец американского производства с соединением «Виктолик». Рабочее и испытательное давление трубопровода составляло, соответственно, 2,5 и 3,8 МПа, а производительность перекачки — от 0,7 до 2,0 тыс. т/сут.
В начале 70-х годов были разработаны и приняты на вооружение трубопроводы второго поколения с новым соединением типа
«Раструб», которые до настоящего времени не имеют аналогов в мире (ПМТП-100, ПМТП-150, ПМТБ-200). Они рассчитаны на высокие рабочие давления (до 6,0 МПа) и подачу горючего от 1,2 до 7,0 тыс. т/сут, и позволяют вести механизированный монтаж трубопровода.
Магистральные СРТ успешно прошли проверку в боевых условиях в Афганистане (1980–1989 гг.). По магистральным СРТ общей протяженностью 1200 км войскам 40-й армии было подано 5,4 млн.т нефтепродуктов, что составило 80 % от общего объема их потребления.
В мае 2014 г. трубопроводный батальон Западного военного округа в течение нескольких дней выполнил прокладку в Крыму полевых магистральных трубопроводов ПМТП-150 общей протяженностью более 125 километров и производительностью более 9 тыс. кубометров в сутки для доставки пресной питьевой воды из артезианских скважин в города на юго-востоке полуострова.
В настоящее время применение магистральных СРТ планируется:
- в промышленной сфере для транспортирования нефти и нефтепродуктов в труднодоступных районах;
- для подачи нефтепродуктов и воды при ликвидации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера.
Вместе с тем, обладая рядом преимуществ, магистральные СРТ второго поколения в полной мере не удовлетворяют возросшим требованиям по надежности, экологической безопасности и сохраняемости, в связи с чем актуальной становится задача разработки магистральных СРТ третьего поколения, к которым предъявляются следующие требования:
- высокая надежность, не менее чем у стационарных нефтепродуктопроводов;
- механизация монтажно-демонтажных и погрузочно-разгрузочных работ;
- пакетизация и модульность;
- увеличение жизненного цикла оборудования трубопроводов;
- внедрение обнаружения повреждений, средств учета, контроля качества и фильтрации нефтепродуктов;
- возможность автоматизации управленческих процессов;
- высокая мобильность, особенно при использовании в антитеррористических операциях, а также при ликвидации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в системе МЧС.
Таким образом, технический облик магистральных СРТ третьего поколения должен формироваться в направлении создания новых или совершенствования существующих технических средств.
Трубы и линейное оборудование второго поколения СРТ изготавливались из высокопрочных легированных сталей. Их совершенствование предусматривает:
- повышение надежности соединения труб за счет совершенствования его конструкции;
- увеличение срока службы;
- снижение массы для облегчения монтажно-демонтажных и погрузочно-разгрузочных работ выполняемых вручную;
- пакетизацию комплектов.
Это требует поиска новых конструкционных материалов, которые позволили бы значительно увеличить сроки эксплуатации трубопроводов, снизить их массу, повысить безопасность и надежность, расширить номенклатуру транспортируемых продуктов, сделать их экономически более выгодными как при производстве, так и в эксплуатации.
Важнейшим перспективным направлением в создании магистральных СРТ третьего поколения является переход на производство труб из полимерных композитных материалов (КМ) на основе высокопрочных стеклянных, углеродных и органических волокон (под КМ будем понимать смесь волокнистых компонентов, скрепленных между собой связующим в монолитную композицию, способную воспринимать механические нагрузки).
Проведенные исследования показывают, что из всего многообразия КМ на основе высокопрочных армирующих нитей в качестве материала для изготовления труб и линейного оборудования СРТ по прочностным и весовым характеристикам наиболее подходят органопластики, затем следуют стеклопластики и углепластики (таблица 1).
Таблица 1
Свойства полимерных композитных материалов
|
Показатели |
Органопластики |
Стеклопластики |
Углепластики |
|
Прочность при: растяжении, кгс/мм2 |
140–230 |
43–132 |
24–48 |
|
сжатии, кгс/мм2 |
10–38 |
33–59 |
15–37 |
|
изгибе, кгс/мм2 |
120–150 |
54–90 |
30–40 |
|
Модуль упругости при растяжении, кгс/мм2 |
5300–9700 |
2800–4850 |
11000–13000 |
|
Плотность, г/см3 |
1,25–1,35 |
1,7 |
1,4–1,5 |
Использование труб из КМ позволяет уменьшить массу одной трубы ориентировочно в 2,5 раза по сравнению с трубой, изготовленной из стали, при лучших технических характеристиках (возможности использования при рабочих давлениях до 40 МПа и обеспечения работоспособности в интервале температур от минус 70 до плюс 1200С).
В связи с тем, что доля массы труб в общей массе комплекта магистральных СРТ составляет около 90 %, применение КМ взамен стали позволяет уменьшить массу комплекта в целом в 2,25 раза. Исследования показывают, что такая замена способствует повышению производительности труда на погрузочно-разгрузочных и монтажно-демонтажных работах не менее чем в 1,5 раза. Кроме того, преимуществом СРТ из КМ перед металлическими является малая относительная шероховатость внутренней поверхности труб, благодаря чему при прочих равных условиях их пропускная способность трубопровода в среднем на 10 % больше.
Несмотря на то, что трубы из КМ дороже стальных, их эффективность будет намного выше. Положительный эффект достигается, в первую очередь, за счет меньшей массы комплекта, увеличения темпов его монтажа и подачи горючего, большего срока службы. Апробированный срок службы труб из КМ (до 50 лет) в 4–5 раз превышает срок службы, установленный для стальных труб из комплектов существующих магистральных СРТ (10–12 лет). Переход на производство труб из КМ также позволяет сэкономить дефицитные металлические материалы. Так, например, использование 1 т КМ высвобождает не менее 3–4 т стали.
Однако, принимая во внимание стоимостную составляющую КМ ранее считалось, что использование органопластиков и углепластиков для создания СРТ экономически невыгодно. Поэтому, в качестве материала для изготовления труб и линейного оборудования ФАУ «25 ГосНИИ химмотологии Минобороны России» совместно с ООО НПП «Ресурс» (г. Хотьково, Московской обл.) в 2005 г. был разработан и прошел государственные испытания комплект трубопровода ПМТС-150–150 из стеклопластика, стоимость которого относительно невелика, а эксплуатационные характеристики достаточно высоки. Характеристики трубопроводов ПМТС-150–150 и ПМТП-150 представлены в таблице 2.
Таблица 2
Сравнительные характеристики трубопроводов ПМТС-150–150 и ПМТП-150
|
Показатели |
ПМТС-150–150 |
ПМТП-150 |
|
Вес трубы, кг |
36,6 |
80,9 |
|
Рабочее давление, МПа |
6,4 |
6,0 |
|
Испытательное давление, МПа |
8,0 |
7,3 |
|
Производительность перекачки, т/сут |
3200 |
3000 |
|
Срок службы, лет |
Не менее 25 |
12 |
Основным отличием трубопровода ПМТС-150–150 от существующих стеклопластиковых трубопроводов является наличие стального стыковочного узла (соединение «Раструб»), крепящееся к телу трубы клеевой композицией. Применительно к такому типу крепежа линейных элементов СРТ следует отметить важное требование, которое требует соблюдения при их создании — необходимость обеспечения совместности деформаций. Однако, при эксплуатации разработанного СРТ по причине разнородности механических свойств материалов соединения и тела трубы в местах их крепления происходит нарушение герметичности в вследствие развития микротрещин в структуре клеевой композиции. Именно по этой причине трубопровод по прямому предназначению не используется.
В идеале создаваемых конструкций не должно быть соединений отдельных деталей и элементов. Однако в большинстве случаев конструкции приходится собирать из отдельных деталей. Следует отметить, что до настоящего времени оптимальные конструкции быстроразъемных соединений труб для СРТ из КМ не найдены, именно по этому пока используются традиционные решения. Создание таких конструкций является одним из сложных вопросов конструирования СРТ.
Проведенный анализ различных типов соединений для труб из КМ выявил ряд недостатков, присущих им. Так, для механических соединений (например, соединения типа «Раструб»), нагруженных высоким внутренним давлением, возникающие радиальные напряжения сжатия, которые могут в какой-то момент превысить допускаемые значения, способны вызвать разрушение их основных конструктивных элементов от сдвиговых и радиальных напряжений. Для увеличения прочности соединений необходимо прибегать к дополнительным конструктивно-технологическим решениям, связанным с использованием в их конструкциях упрочняющих волокон. Полагаем, что выбирая нужный тип связующих смол и наматываемых волокон, можно получать конструкции труб с заранее заданными свойствами под конкретные условия эксплуатации. Это одно из главных достоинств КМ.
На наш взгляд, создание СРТ третьего поколения возможно из КМ на основе разработанных в ОАО «НПО Стеклопластик» технологий получения высокопрочных армирующих нитей из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (ПЭ), являющихся аналогом зарубежных волокон Dyneema (Голландия) и Spectra (США).
Строение высокопрочных (ПЭ-1) и суперпрочных (ПЭ-2) полиэтиленовых нитей можно сравнить с КМ, армирующим элементом которого являются тонкие кристаллические стержни (микрофибриллы), связанные по боковым граням отрезками проходных цепей. Именно такая структура, сочетающая жесткость в продольном и гибкость в поперечном направлениях, придает нитям из сверхвысокомолекулярного ПЭ комплекс уникальных физико-механических показателей, выгодно отличающих их от других видов высокопрочных армирующих волокон (п-арамидных, углеродных, стеклянных) и позволяет считать разработки приоритетными.
Сочетание высокой прочности, низкой плотности (0,970–0,975 г/см3), а также комплекса других ценных свойств, включающих прозрачность в широком диапазоне электромагнитного излучения (от 104 до 1016 Гц), создает благоприятные перспективы для переработки высоко- и суперпрочных ПЭ нитей в легкие (1,02–1,05 г/см3) конструкционные материалы (ПЭ-пластики), используемые в тех отраслях современной техники, где задача снижения веса и вероятности обнаружения изделия методами локации и приборов ночного видения имеет большое значение.
К эксплуатационным достоинствам СРТ из ПЭ-пластика следует отнести устойчивость к вибрационным воздействиям, химическую инертность, низкое влагопоглощение (< 0,5 %), а также более высокую ударную прочность, что предохраняет трубу от трещинообразования (таблица 3). Установлено, например, что ПЭ-пластик толщиной 3 мм, содержащий 7 слоев ткани из ПЭ нити с прочностью 280 сН/текс и матрицу из эпоксидного связующего, выдерживает без разрушения удар стальным шариком с энергией 80 Дж, в то время как образцы той же толщины из дюралюминия, стеклопластика и органопластика, армированного тканью из нити Кевлар, обнаруживают сквозное пробитие от шарика с энергией 30 Дж [1].
Таблица 3
Удельные механические показатели ПЭ нитей, сопоставляемые с показателями п-арамидных, углеродных и стеклянных волокон
|
Марка нити |
Прочность,сН/текс |
Начальный модуль, сН/текс |
|
ПЭ нити |
||
|
ПЭ-1 |
270–280 |
8000–8500 |
|
ПЭ-2 |
330–360 |
14000–15000 |
|
п-арамидные нити |
||
|
Руслан (ОАО «Каменскволокно, РФ) |
240 |
9600 |
|
Кевлар 49 (Du Pont, США) |
210 |
8400 |
|
Углеродные волокна |
||
|
Т-400 (Toray, Япония) |
250 |
14200 |
|
Т-800 (Toray, Япония) |
315 |
16500 |
|
Стеклянные волокна |
||
|
Е-стекло (ОАО «НПО Стеклопластик», РФ) |
120–140 |
3300–3500 |
|
S-стекло (ОАО «НПО Стеклопластик», РФ) |
160–165 |
3600–3800 |
К недостаткам конструкционных ПЭ-пластиков относится сравнительно меньшая, чем у угле- и стеклопластиков прочность при сжатии (40–50 МПа). Указанный недостаток устраняется за счет использования гибридных КМ, послойно армированных тканям из ПЭ нити и стекло-, угле- или базальтового волокна. Такого рода КМ имеют более высокую, чем у ПЭ-пластиков плотность (1,30–1,35 г/см3), но обладают повышенной устойчивостью к сжимающим нагрузкам (180–210 МПа). Примечательно, что технология получения гибридных КМ практически такая же как у ПЭ-пластиков, а стоимость, в случае использования стекло- или базальтового волокна, несколько ниже.
В таблице 4 представлены физико-механические показатели образцов ПЭ-пластика и гибридного КМ (ПЭ-базальт), полученных на основе ткани из высокопрочной нити ПЭ-1 (прочность — 280 сН/текс, модуль упругости — 8500 сН/текс) и эпоксидного связующего, приведены для сравнения характеристики одного из лучших отечественных органопластиков (Органит 12Т М-Рус), армированного тканью из п-арамидной нити Руслан [1].
Таблица 4
Физико-механические показатели ПЭ-пластика и гибридного КМ в сравнении с органопластиком из п-арамидной нити Руслан
|
Наименование показателя |
ПЭ-пластик |
Гибридный КМ |
Органит 12Т М-Рус |
|
Плотность, г/см3 |
1,03 |
1,33 |
1,37 |
|
Содержание армирующего компонента (ткани), % |
55 |
55 |
67 |
|
Прочность при изгибе, МПа |
450 |
480 |
460 |
|
Прочность при сдвиге, МПа |
35 |
33 |
28 |
|
Прочность при сжатии, МПа |
50 |
190 |
60 |
|
Влагопоглощение, % |
0,4 |
0,6 |
1,85 |
Из представленных данных следует, что даже при меньшей степени армирования удельные прочностные показатели при изгибе и сдвиге (показатели прочности в МПа, отнесенные к плотности образца) у ПЭ-пластика существенно (на 30 и 25 %) выше, чем у Органита 12Т М-Рус. Тот же эффект, особенно для прочности при сжатии, проявляется у гибридного КМ. Следует, к тому же, ожидать, что в случае перехода на тканые полотна, изготовленные из более прочной нити ПЭ-2 (удельная разрывная нагрузка — 350 сН/текс, начальный модуль упругости — 14500 сН/текс), механические показатели ПЭ-пластика и гибридного КМ могут быть дополнительно увеличены.
Все сказанное позволяет отнести СРТ из ПЭ-пластиков и гибридных КМ к разряду ударостойких конструкций с высокой экономией массы, обеспечивающих устойчивость их функционирования в условиях повышенных механических нагрузок, способных эксплуатироваться в различных климатических зонах и средах, а также по своим тактико-техническим характеристикам существенно превосходящим лучшие зарубежные аналоги.
Нами уже отмечено — вопрос создания простого и в то же время надежного соединения для труб из КМ пока остается открытым. Учитывая, что самым массовым элементом линейной части СРТ, подверженным отказам, является подвижное соединение труб, показатели его надежности определяющим образом влияют на эффективность использования всего трубопровода в целом.
В силу специфических условий работы СРТ для них могут применяться лишь такие типы соединений, которые обеспечивают выполнение следующих основных требований, герметичности при избыточном давлении и разряжении; прочности равной прочности тела трубы; возможности сокращения или удлинения трубопровода в зависимости от различных эксплуатационных и климатических условий; возможности увеличения безопасного углового отклонения одной трубы относительно другой; простоты и скорости монтажа трубопровода.
На основе новых технических решений для СРТ из КМ должно быть разработано технологическое оборудование, в том числе и соединения труб с увеличенной угловой подвижностью (для конструкции соединения «Раструб» — угловая подвижность труб составляет всего 2,0 град), обеспечивающие экологическую безопасность при перекачке горючего, с возможностью ведения механизированного монтажа и демонтажа СРТ [2].
В связи с этим актуальной задачей на ближайшую перспективу является научное обоснование и выбор для СРТ нового поколения соединения труб с более высокими характеристиками надежности.
Создание СРТ третьего поколения также предполагает совершенствование и внедрение легких задвижек, предохранительных клапанов и регуляторов давления, обратных клапанов двойного действия из КМ. Для сокращения сроков развертывания технологических обвязок в комплекте СРТ должны быть предусмотрены модульные типовые узлы приема-запуска разделителя, фильтров, узлов учета и пробоотборников.
Особо актуальным является снижение трудозатрат и сокращение сроков проведения работ при свертывании СРТ. Если в отдельных случаях механизированный монтаж трубопровода можно довести до 90 %, то демонтажные работы в настоящее время выполняются полностью вручную. Решение этой задачи в значительной мере зависит от разработки эффективных способов и средств ведения демонтажных работ.
На базе СРТ третьего поколения необходимо формирование мобильного комплекта, который должен иметь в своем составе порядка 10–15 км труб и все необходимое оборудование для использования его при ликвидации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, в антитеррористических операциях и при высадке морских и воздушных десантов.
Таким образом, создание СРТ третьего поколения позволит в дальнейшем, в соответствии с предъявляемыми к ним требованиями, эффективно использовать их как средство двойного назначения в интересах экономического сектора России, Вооружённых Сил, а также при ликвидации техногенных аварий и стихийных бедствий.
Литература:
1. Б. В. Байдаков, В. И. Натрусов, Т. Е. Шацкая и др. Новые материалы для БЛА. — М.: UAV.RU. Спецвыпуск INTERPOLITEX — UVS-TECH, 2013.
2. А. В. Елькин, В. В. Середа, П. К. Германович и др. Нагрузки в соединениях сборно-разборных трубопроводов при изгибах линии. — М.: Прогресс. Научный сборник «Транспорт и хранение нефти», № 11, 1999.
