В статье автором проведено исследование существующих неметаллических труб для строительства трубопроводов. Проведен анализ их пригодности для строительства и эксплуатации нефтепровода. Даны рекомендации на основе анализа потенциально пригодных материалов для строительства трубопроводных систем.
Ключевые слова: 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.
Решение по возможности применения труб различного диаметра и толщины стенок из ПНД на рабочее давление до 4 МПа анализировалось с помощью программы ANSYS Workbench. Принята расчетная схема трубы с длиной 10 м. Модель была создана во встроенном графическом редакторе Design Modeler. Модель разбита на конечные элементы, размер которых задавался вручную, до достижения определенной точности и по геометрии трубы. Выбранный размер конечного элемента — 0,0225 м (рис. 1). Следующий шаг — задание граничных условий. Это необходимо для правильного выполнения расчета.
Подбор толщин стенок осуществлялся экспериментально в диапазоне от 11,5 до 55 мм в зависимости от внутреннего диаметра трубы до того момента, пока не будет удовлетворяться условие, при котором эквивалентные напряжения в стенке трубы станут меньше предела текучести.
Рис. 1. Эквивалентные напряжения в стенке полиэтиленовой трубы с наружным диаметром 219 мм
Таблица 1
Физико-механические свойства ПНД и стали
|
Физико-механические свойства |
ПНД |
Сталь |
|
Плотность, т/м 3 |
0,92–0,94 |
7,8 |
|
Разрушающее напряжение при растяжении, МПа |
21–28 |
410–480 |
|
Предел прочности при изгибе, МПа |
20,0 |
400 |
|
Модуль упругости при растяжении, ГПа |
0,7–1,2 |
210 |
|
Коэффициент линейного расширения, 10– 6 °С -1 |
180,0 |
11–14 |
|
Коэффициент теплопроводности, Вт/м×К |
0,38 |
46 |
Проанализировав физико-механические свойства стали и ПНД, приведенные в таблице 1, можно заключить, что ПНД по всем свойствам значительно уступает стали.
Полиэтиленовые трубы, в том числе ПНД, являются перспективным направлением для альтернативной замены стальных нефтепроводов.
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:
- Агапчев В. И. Трубопроводные системы из труб на основе полимерных материалов: строительство, эксплуатация, реконструкция, ремонт / В. И. Агапчев, Д. А. Виноградов, М. М. Фаттахов. — М.: ИНТЕР, 2007. — 339 с.
- ГОСТ Р 55990–2014 Месторождения нефтяные и газонефтяные. Промысловые трубопроводы. Нормы проектирования.
- Свирина, С. А. Transportation of oil and gas in Russia / С. А. Свирина, Н. В. Ширшова, В. В. Мешков. — Текст: непосредственный // Молодой ученый. — 2019. — № 1 (239). — С. 46–49. — URL: https://moluch.ru/archive/239/55323/ (дата обращения 17.05.2020).
