В статье автором проведено исследование существующих неметаллических труб для строительства трубопроводов. Проведен анализ их пригодности для строительства и эксплуатации нефтепровода.
Ключевые слова: магистральный трубопровод, полимерные трубы, композитные трубы, неметаллические трубы.
Введение
На сегодняшний день в трубопроводном транспорте актуальна проблема увеличения аварийных ситуаций, связанных с интенсивным физическим износом нефтепромысловых стальных труб, который составляет более 60 %. Основная причина — низкая стойкость к коррозии стальных труб при перекачке по ним агрессивных сред, входящих в состав нефти [1].
Одним из способов решения проблемы является переход на изготовление нефтепромысловых труб из полимерных материалов в качестве альтернативной замены стальным, которые обладают более высокой долговечностью, хорошей коррозионной стойкостью, сопротивляемостью блуждающим токам, скоростью и экономичностью монтажа, эластичностью, повышенной пропускной способностью, экономией на изоляции, безопасностью [1]. Наиболее подходящим полимерным материалом для изготовления данных труб является полиэтилен, который в зависимости от способа изготовления подразделяется на полиэтилен низкого давления (ПНД) — высокой плотности и на полиэтилен высокого давления (ПВД) — низкой плотности. Авторами был выбран ПНД, который превосходит по прочности и стойкости к действию нефти ПВД примерно в 3 раза и показатель которого по изменению деформационных и прочностных оценивается, как «хорошая» [1]. Основное внимание было уделено исследованию трубы из ПНД на рабочие давления, при которых эксплуатируются нефтепромысловые трубы компании «Роснефть». По данным прочностных характеристик ПНД подобрана труба диаметром 219 мм с толщиной стенки 30 мм для рабочего давления 4 МПа и 10 МПа [2]. Проведено испытание данной трубы с использованием программы ANSYS WorkBench на выбранные рабочие давления. Результаты программы показали пригодность данной трубы к рабочему давлению до 4 МПа и непригодность к рабочему давлению 10 МПа. Повторное испытание трубы этого же диаметра с толщиной стенки 60 мм на рабочее давление 10 МПа показало значительное понижение значения максимального эквивалентного напряжения, незначительно превышающего предел текучести данного материала. Дальнейшая проверка этой трубы с большей толщиной стенки не проводилась ввиду экономической нецелесообразности.
Анализ химической стойкости материалов основывается на способности материалов сопротивляться воздействию агрессивных сред при определенных параметрах температуры и давления. Величины данных параметров задаются и подбираются таким образом, чтобы оказывать наибольшее воздействие среды на данный материал. Для получения более точных результатов при проведении экспериментов необходимо использование дополнительных оценок с учетом нагрузок, возникающих при эксплуатации трубопроводов.
При анализе с целью выявления наиболее предпочтительного к применению полимерного материала при строительстве магистральных нефтепроводов требуется проверка на воздействие агрессивных сред нефти.
В качестве продукта перекачки выбрана Башкирская нефть, в состав которой входят среды: хлорид кальция, сульфат кальция, хлорид магния, сульфат магния, бикарбонат калия, хлорид калия, сульфат калия, бикарбонат натрия, хлорид натрия, сульфат натрия, кислород, сера, углекислый газ, серная кислота, сероводород, хлорная кислота, угольная кислота, нефть и другие.
По химической стойкости материалы подразделяются на следующие классы:
— класс 1: высокий уровень химстойкости со способностью материала сопротивляться к воздействию агрессивных сред при указанных рабочих режимах;
— класс 2: ограниченный уровень химстойкости, период эксплуатации материалов сокращается вследствие частичного проникновения среды, поэтому рекомендуется переход на материалы с более высоким уровнем стойкости к воздействию агрессивных сред;
— класс 3: отсутствие химической стойкости, материалы подвержены к воздействию агрессивных сред, их эксплуатация недопустима.
По справочным данным химической стойкости материалов проведем анализ влияния сред башкирской нефти на полимерные трубы. Обозначение будем вести согласно представленной классификации.
Таблица 1
Химическая стойкость полимерных материалов на действие агрессивной среды башкирской нефти
|
Агрессивная среда |
Химическая стойкость | |||||||
|
Среда (обозначение) |
Концентрация |
Температура, C |
ПВХ |
АБС |
ПЭ |
ПП |
ХПВХ |
ПВДФ |
|
Хлорид кальция (CaCl2) |
насыщенный раствор |
20 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
|
40 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 | ||
|
60 |
2 |
3 |
1 |
1 |
1 |
1 | ||
|
Сульфат кальция (CaSO4) |
насыщенный раствор |
20 |
1 |
3 |
1 |
1 |
1 |
1 |
|
40 |
1 |
3 |
1 |
1 |
1 |
1 | ||
|
60 |
1 |
3 |
1 |
1 |
1 |
1 | ||
|
Хлорид магния (MgCl2) |
насыщенный раствор |
20 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
|
40 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 | ||
|
60 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 | ||
|
Сульфат магния (MgSO4) |
насыщенный раствор |
20 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
|
40 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 | ||
|
60 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 | ||
|
Бикарбонат калия (KHCO3) |
насыщенный раствор |
20 |
1 |
3 |
1 |
1 |
1 |
1 |
|
40 |
1 |
3 |
1 |
1 |
1 |
1 | ||
|
60 |
1 |
3 |
1 |
1 |
1 |
1 | ||
|
Хлорид калия (KCl) |
насыщенный раствор |
20 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
|
40 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 | ||
|
60 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 | ||
|
Сульфат калия (K2SO4) |
насыщенный раствор |
20 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
|
40 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 | ||
|
60 |
2 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 | ||
|
Бикарбонат натрия (NaHCO3) |
насыщенный раствор |
20 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
|
40 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 | ||
|
60 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 | ||
|
Хлорид натрия (NaCl) |
насыщенный раствор |
20 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
|
40 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 | ||
|
60 |
2 |
3 |
1 |
2 |
1 |
1 | ||
|
Сульфат натрия (Na2SO4) |
насыщенный раствор |
20 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
|
40 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 | ||
|
60 |
2 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 | ||
|
Агрессивная среда |
Химическая стойкость | |||||||
|
Среда (обозначение) |
Концентрация |
Температура, C |
ПВХ |
АБС |
ПЭ |
ПП |
ХПВХ |
ПВДФ |
|
Кислород (O2) |
насыщенный раствор |
20 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
|
40 |
1 |
1 |
1 |
1 |
3 |
1 | ||
|
60 |
1 |
1 |
2 |
2 |
3 |
1 | ||
|
Сера (S) |
технически чистая |
20 |
2 |
3 |
1 |
1 |
2 |
1 |
|
40 |
3 |
3 |
1 |
1 |
3 |
1 | ||
|
60 |
3 |
3 |
1 |
1 |
3 |
1 | ||
|
Углекислый газ (CO2) |
технически чистая безводная |
20 40 60 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
|
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 | |||
|
2 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 | |||
|
Серная кислота (H2SO4) |
насыщенный раствор |
20 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
|
40 |
1 |
2 |
1 |
1 |
1 |
1 | ||
|
60 |
2 |
3 |
1 |
1 |
1 |
1 | ||
|
Сереводород (H2S) |
насыщенный раствор |
20 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
|
40 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 | ||
|
60 |
2 |
3 |
2 |
1 |
1 |
1 | ||
|
Хлорная кислота (HCl) |
насыщенный раствор |
20 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
|
40 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 | ||
|
60 |
2 |
3 |
1 |
2 |
2 |
1 | ||
|
Угольная кислота (CO2+H2O) |
насыщенный раствор |
20 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
|
40 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 | ||
|
60 |
2 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 | ||
|
Нефть |
Технически чистая |
20 |
1 |
3 |
1 |
1 |
3 |
1 |
|
40 |
3 |
3 |
1 |
2 |
3 |
1 | ||
|
60 |
3 |
3 |
2 |
2 |
3 |
1 | ||
Проанализировав физико-механические свойства стали и ПНД, приведенные в таблице 1, можно заключить, что ПНД по всем свойствам значительно уступает стали.
Таким образом, в дальнейшей перспективе возможно осуществлять переход на применение труб из ПНД для нефтепромысловых труб до 4 МПа, что сведет к минимуму количество аварийных ситуаций и ремонтных работ по их устранению.
Литература:
- Трубопроводные системы из труб на основе полимерных материалов: строительство, эксплуатация, реконструкция, ремонт / В. И. Агапчев, Д. А. Виноградов, М. М. Фаттахов. — Москва: Интер, 2007. C. 3–85.
- ГОСТ Р 55990–2014 Месторождения нефтяные и газонефтяные. Промысловые трубопроводы. Нормы проектирования.
