В статье проведен анализ проблем повышения конструктивной надежности сборно-разборных трубопроводов, определены основные направления изучения характеристик трубопроводов, изготовленных из композиционных материалов.
Ключевые слова: сборно-разборные трубопроводы, композиционные материалы, трещиностойкость.
Трубопроводный транспорт является наиболее экономичным и эффективным видом транспорта жидких углеводородов. Его роль особенно возрастает при транспортировке на большие расстояния и в отдаленные районы, при этом надежность трубопроводных транспортных систем (ТрС) является одним из главных условий бесперебойной подачи нефтепродуктов потребителям. Важным фактором обеспечения надежности служит правильный выбор материала для сооружения, ремонта, восстановления и реконструкции элементов ТрС, в том числе сборно-разборных трубопроводов (СРТ).
Несмотря на внешнюю простоту сооружения, ТрС отличаются сложной схемой взаимодействия с грунтом, изменчивостью действия силовых факторов, неопределенностью напряженно-деформированного состояния, масштабностью сетей, экстремальностью нагрузок и т. д. Все это увеличивает вероятность возникновения отказов, усложняет проведение ремонтных и восстановительных работ, поэтому даже незначительные отклонения действительных условий от принятых за исходные при проектировании приводят систему в состояние предельного напряжения.
В настоящее время масштабность ТрС не дает возможности достичь такого качества материалов (основной материал для изготовления СРТ — металл), при котором была бы полностью исключена вероятность появления дефектов, ведущих к нарушению технологических параметров транспортировки нефтепродуктов.
Таким образом, проблема повышения конструктивной надежности СРТ определяет необходимость поиска и разработки альтернативных материалов и конструкций, способных к сокращению объемов восстановительных работ, возникающих вследствие коррозионного старения и предельных перенапряжений линейной части. К таким материалам на современном этапе следует отнести стекловолокнистые композиты, дающие возможность значительно повысить технико-экономические характеристики СРТ, однако практика использования конструкций труб из композиционных материалов (КМ) столкнулась с рядом технических проблем, требующих научного изучения:
- низкая трещиностойкость стенок труб под действием внутреннего давления и возникающая при этом вероятность утечек перекачиваемого продукта;
- проницаемость герметизирующего слоя, возникающая вследствие длительного действия внутреннего давления;
- недостаточная надежность соединительных элементов;
- высокая стоимость исходных композиционных материалов.
В сфере этих проблем разработка конструктивно-технологических приемов, обеспечивающих надежное и безаварийное функционирование трубопроводов из КМ является важной экономической и экологической задачами. Исходя из этого, научно-исследовательские работы (НИР) по качественному улучшению эксплуатационных характеристик трубопроводов из КМ необходимо проводить по следующим направлениям:
- материаловедческому — направленному на рецептурную и/или композиционную организацию материала проектируемого трубопровода;
- конструкторскому — поиск новых конструктивных способов обеспечения прочности, герметичности, повышения надежности функционирования, экологической безопасности, многофункциональности СРТ и надежности их соединений;
- технологическому — разработка и совершенствование технологических приемов и методов изготовления высоконадежных СРТ;
- исследовательскому — связанному с дальнейшим изучением свойств и структуры КМ, поиском путей уменьшения их проницаемости, выбором оптимальных и разработкой новых режимов эксплуатации, не приводящих к растрескиванию стенок трубы из КМ и разрушению герметизирующего слоя.
Объектом исследования указанных НИР должны быть сложные многослойные системы «рабочая среда — герметизирующий слой — адгезионный слой — стенка трубопровода — внешняя среда», при этом каждый элемент которых, в свою очередь, должен быть рассмотрен как подсистема, обладающая собственной структурой и решать вменяемые функциональные задачи. В этом случае наиболее эффективным методом научного исследования и синтеза оптимальных решений является системный анализ в сочетании с комплексным подходом. Показателями эффективности работ, наряду с повышением уровней прочности, герметичности, надежности, экологической безопасности и многофункциональности, должны стать материалоемкость конструкции СРТ и конструктивно-технологическая простота их создания.
На основании таких методологических подходов определены основные задачи для дальнейших исследований:
1. Формирование методологического комплекса для проведения исследований труб из КМ на прочность и герметичность.
2. Исследование механизма нарушения монолитности стенки трубы из КМ под действием внутреннего давления.
3. Исследование процессов проницаемости стенки труб из КМ под действием внутреннего давления.
4. Разработка конструктивно-технологических принципов обеспечения надежности СРТ из КМ с обоснованием технико-экономической эффективности мероприятий.
Ожидаются следующие научно-практические результаты исследований, основанных на использовании указанных методологических подходов:
- физико-математические модели процессов трещинообразования композиционных стенок труб и их проницаемости;
- концептуальные решения проблемы обеспечения герметичности и прочности композиционных труб;
- новые конструктивно-технологические принципы создания СРТ из КМ;
- базовые конструкции соединений труб СРТ;
- обоснование целесообразности использования труб из КМ для СРТ.
