Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ НАРУЖНОГО ТРЕХСЛОЙНОГО ПОКРЫТИЯ НА МАГИСТРАЛЬНУЮ ТРУБУ

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к технологии и оборудованию производства магистральных труб большого диаметра для прокладки трубопроводов.

Одной из основных задач при прокладке магистральных и локальных трубопроводов является обеспечение их эксплуатационной стойкости в неблагоприятных природно-климатических условиях при наличии коррозионно-активных и агрессивных сред, взаимодействующих с металлом трубы. Для решения этой задачи обычно используются защитные покрытия, которые наносят на наружную поверхность трубы. Они препятствуют контакту металла трубы с окружающей средой и, таким образом, защищают его от коррозии. Для зашиты наружной поверхности трубы можно использовать многослойное покрытие, которое включает адгезивный слой и наружный слой, выполненные из полимерной, возможно полиэтиленовой, композиции [1]. Труба с таким покрытием, которое содержит полимерную композицию, модифицированную эластомером в адгезивном или наружном слое, характеризуется достаточно высоким уровнем механических свойств покрытия, в частности хладостойкости.

Однако указанное покрытие не всегда обеспечивает требуемый уровень устойчивости к воздействию агрессивных сред и влаги, т.е. характеризуется сравнительно низкой коррозионной стойкостью. Также имеет место недостаточная адгезия материала покрытия к основному материалу трубы. Можно предположить, что это связано с недостаточной подготовкой поверхности трубы к нанесению покрытия.

Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемым результатам к предлагаемому изобретению является способ нанесения наружного трехслойного покрытия на магистральную трубу, в котором на предварительно очищенную поверхность нагретой трубы сначала наносят подслой порошковой грунтовки на основе эпоксидной композиции, на который затем последовательно наносят клеевой подслой и полиэтиленовый наружный слой, после чего охлаждают трубу водой. В соответствии с рассматриваемым способом трубы предварительно очищают от загрязнения с помощью пескоструйной обработки. При определенных условиях в рамках реализации способа может быть проведена предварительная химическая обработка поверхности трубы (хроматирование и/или фосфатирование). Непосредственно перед нанесением покрытия трубы подогревают индукционным методом, после чего наносят на горячую поверхность металлической трубы порошковый грунтовочный слой. После нанесения покрытия трубу охлаждают в водяной ванне до комнатной температуры [2]. При реализации этого способа обеспечивается повышение коррозионной стойкости покрытия за счет улучшения его адгезии к поверхности трубы.

К недостаткам полученного покрытия можно отнести неудовлетворительную прочность на расслаивание во влажной среде, причем наиболее интенсивное отслоение имеет место в зоне контакта покрытия с грунтовочным слоем. Кроме того, рассмотренное техническое решение не всегда может обеспечить требуемый уровень адгезии к стальной поверхности трубы, поскольку указанная поверхность перед его нанесением не проходит необходимой подготовки. Дальнейшего повышения требует также коррозионная стойкость готовой трубы с покрытием при работе в агрессивных средах.

Технический результат - обеспечение повышенной стойкости покрытия к расслоению при нахождении в агрессивной среде с повышенной влажностью, а также высокой адгезионной прочности и надежной антикоррозионной защиты.

Технический результат достигается тем, что в способе нанесения наружного трехслойного покрытия на магистральную трубу, включающем предварительную очистку наружной поверхности трубы, индукционный нагрев трубы, нанесение слоя порошковой грунтовки на основе эпоксидной композиции, на который затем последовательно наносят клеевой и полиэтиленовый слои с последующим охлаждением поверхности трубы водой, согласно изобретению в ходе предварительной очистки наружной поверхности трубы сначала производят ее обезжиривание щелочным раствором температурой 50-80°С путем подачи его на наружную поверхность трубы под давлением 35-50 бар, после чего трубу подвергают сушке при температуре 40-70°С и дробеметной очистке до получения высоты микронеровностей наружной поверхности трубы не более 100 мкм и содержания солей на этой поверхности не более 20 мг/м², после чего осуществляют индукционный нагрев трубы до температуры не менее 200°С с последующим нанесением на наружную поверхность трубы слоя порошковой грунтовки на основе эпоксидной композиции до толщины 60-150 мкм при помощи электростатического напыления, затем на слой порошковой грунтовки на основе эпоксидной композиции путем спиральной намотки внахлест наносят нагретую до состояния расплава клеевую композицию, которую выдавливают в плоскощелевую головку экструдера с образованием ленты толщиной от 150 до 250 мкм, а поверх клеевого слоя путем спиральной намотки внахлест наносят нагретую до состояния расплава полиэтиленовую ленту, обеспечивая суммарную толщину трехслойного покрытия 2,5-3,5 мм, причем полученное трехслойное покрытие прикатывают под давлением к наружной поверхности трубы роликом с нанесенной на его поверхность силиконовой смазкой и далее производят медленное струйное охлаждение трубы до температуры не выше 60°С путем подачи воды на наружную поверхность.

Технический результат достигается тем, что при дробеметной очистке используют стальную колотую дробь размером не более 1,3 мм.

Технический результат достигается тем, что нанесение слоя порошковой грунтовки на основе эпоксидной композиции производят не позднее чем через четыре часа после завершения дробеметной очистки наружной поверхности трубы.

Технический результат достигается тем, что величина нахлеста смежных витков спирали клеевого слоя составляет 5-25 мм.

Технический результат достигается тем, что величина нахлеста смежных витков спирали полиэтиленового слоя составляет 5-25 мм.

Сущность предлагаемого технического решения состоит в следующем. В рамках предварительной очистки наружной поверхности трубы ее сначала обезжиривают щелочным раствором, который нагревают до температуры 50-80°С и подают на указанную поверхность трубы под давлением 35-50 бар. Высокая температура щелочи и подача ее под давлением позволяют эффективно растворить и удалить производственные загрязнения поверхности в виде следов масла, смазки, грязи и неплотно прилегающей окалины. Применение щелочного раствора с температурой менее 50°С не позволяет обеспечить требуемое удаление загрязнений. Использование щелочи с температурой выше 80°С недопустимо из соображений техники безопасности, т.к. значительно ухудшает атмосферу производственных помещений в результате испарения. Подача раствора под давлением менее 35 бар представляется неоправданным, т.к. его величина недостаточна для устранения производственных загрязнений на поверхности трубы. Применение давления выше 50 бар нецелесообразно, т.к. не приводит к дальнейшему увеличению эффективности удаления загрязнений, но усложняет процесс. Такая подготовка обеспечивает отсутствие на поверхности трубы посторонних веществ, которые могут препятствовать адгезии покрытия к металлу.

Для удаления следов щелочного раствора с поверхности трубы ее сушат при температуре 40-70°С. Такой температурный диапазон сушки обеспечивает устранение влаги с поверхности, на которую наносят защитное покрытие. При температуре сушки менее 40°С на ее проведение требуется больше времени, продолжительность процесса неоправданно увеличивается и производительность снижается. В то же время при температуре выше 70°С возможно появление локальных зон окисления металла на поверхности трубы, что неблагоприятно сказывается на адгезии защитного покрытия.

Затем производят дробеметную очистку наружной поверхности трубы. Высота микронеровностей, получаемых на наружной поверхности трубы, не должна превышать Rz=100 мкм. Наличие таких микронеровностей обеспечивает высокую величину адгезии покрытия к поверхности за счет достаточной площади контакта металла с нижним подслоем защитного покрытия при обтекании последним выступов и впадин микрорельефа поверхности. В то же время для наружной поверхности трубы с высотой микронеровностей Rz>100 мкм возможно появление шероховатости на поверхности нижнего подслоя. Такая шероховатость неблагоприятно сказывается на адгезии последующих слоев.

При дробеметной очистке наружной поверхности трубы используют стальную колотую дробь размером не более 1,3 мм, что позволяет получить величину выступов и впадин на микрорельефе обрабатываемой поверхности, требуемую для обеспечения ее эффективного сцепления с наносимым покрытием.

Приведенный размер дроби обеспечивает наибольшую эффективность процесса. Если для предварительной дробеметной обработки внутренней поверхности трубы использовать стальную колотую дробь размером более 1,3 мм, то для тонкостенных труб это может привести к слишком большой величине относительной зоны поверхностного наклепа. Соответственно, возможно увеличение неравномерности распределения механических свойств по толщине стенки трубы, неблагоприятно сказывающееся на ее эксплуатационных характеристиках. При дробеметной обработке также достигается разрушение и практически полное удаление с поверхности трубы прокатной окалины, что способствует улучшению сцепления покрытия с металлом.

Содержание солей на наружной поверхности трубы после дробеметной очистки этой поверхности не должно превышать 20 мг/м². Минимизация допустимого содержания солей на обрабатываемой поверхности способствует ее высокой адгезии с пленкой покрытия. Присутствующие на поверхности примеси и загрязнения мешают ее смачиванию при нанесении покрытия. При содержании солей на поверхности трубы более 20 мг/м² существенно ухудшается контакт между материалом защитного покрытия и металлом трубы, что препятствует их взаимному прилипанию. Недостаточная адгезия покрытия неблагоприятно сказывается на эксплуатационных свойствах трубы.

После завершения дробеметной очистки наружной поверхности осуществляют индукционный нагрев трубы до температуры не менее 200°С. Это позволяет избежать появления на поверхности трубы водяного конденсата, наличие которого при нанесении покрытия способно приводить к отслоению последнего и неблагоприятно сказывается на его долговечности. Если температура подогрева обрабатываемой трубы перед нанесением покрытия составляет менее 200°С, то этого недостаточно для расплавления нижнего подслоя покрытия, что может негативно сказаться на его адгезии к обрабатываемой поверхности.

Ограничение времени между дробеметной очисткой и нанесением первого подслоя защитного покрытия четырьмя часами обусловлено производственными условиями современных металлургических предприятий. При таком времени задержки существенно снижается возможность попадания на контактную поверхность трубы цеховой пыли и других производственных загрязнений, препятствующих адгезии покрытия к металлу. В случае превышения этого значения воздействие на очищенную поверхность со стороны присутствующих в атмосфере цеха влаги, промышленной пыли, микрочастиц масла приводит к снижению адгезии при последующем нанесении покрытия.

После нагрева трубы производят электростатическое напыление на ее наружную поверхность адгезионного слоя порошковой грунтовки на основе эпоксидной композиции толщиной 60-150 мкм. Частицы сухого порошка, нанесенные на указанную поверхность, удерживаются на ней преимущественно за счет сил электростатического притяжения. Смачивание происходит, когда частицы порошка расплавляются при температуре выше 200°С. При этом эпоксидный порошок на поверхности трубы плавится и полимеризуется, образуя мягкую непрерывную пленку. Использование в качестве адгезионного слоя эпоксидной композиции с химически нейтральным составом позволяет избежать химического взаимодействия с клеевым слоем защитного покрытия и с материалом трубы, надежно защищая его от коррозии.

Толщина слоя порошковой грунтовки менее 60 мкм не может обеспечить его достаточно стабильное качество по всей поверхности, т.к. его технологически допустимые колебания 5-10 мкм соответствуют относительному изменению толщины 10-20%, т.е. довольно значительны. В то же время использование слоя порошковой грунтовки толщиной более 150 мкм не позволяет получить необходимую степень его прилипания к металлу. Это связано с тем, что адгезия слоя покрытия к основе снижается с увеличением толщины этого покрытия.

После получения на наружной поверхности трубы слоя порошковой грунтовки на него наносят клеевую композицию. Для нанесения клеевого слоя используют метод боковой «плоскощелевой» экструзии расплава клеевой композиции. При этом нагретую до состояния расплава клеевую композицию выдавливают в плоскощелевую головку экструдера с образованием клеевой ленты толщиной от 150 до 250 мкм, и производят спиральную намотку внахлест полученной ленты.

В ходе намотки формируется адгезивный слой на наружной поверхности магистральной трубы, обеспечивающий через контакт со слоем порошковой грунтовки высокое качество сцепления наружного полиэтиленового слоя защитного покрытия с наружной поверхностью трубы.

Использование клеевой ленты с толщиной в диапазоне 150-250 мкм способствует достижению высокого качества прилипания наружного полиэтиленового слоя защитного покрытия без отслоения при возможном воздействии влажной агрессивной среды. В случае использования клеевой ленты толщиной менее 150 мкм возникают проблемы с получением требуемого усилия натяжения при намотке на трубу - возможен обрыв слишком тонкой ленты. В то же время при повышении толщины ленты более 250 мкм можно ожидать образования складок при намотке, сопровождающихся последующим расслоением в готовом защитном покрытии.

После этого поверх клеевого слоя путем спиральной намотки внахлест наносят нагретую до состояния расплава полиэтиленовую ленту, обеспечивая суммарную толщину трехслойного покрытия 2,5-3,5 мм.

Толщину полиэтиленовой пленки, формирующей наружный слой защитного покрытия, определяют из необходимости получения суммарной толщины трехслойного покрытия 2,5-3,5 мм. Такая толщина полиэтиленового слоя и всего покрытия обеспечивает получение необходимых эксплуатационных свойств готовой трубы, т.е. устойчивость к воздействию влаги и агрессивных сред, а также сложных природно-климатических условий. В то же время при снижении толщины покрытия менее 2,5 мм при намотке не удается получить величину натяжения полиэтиленового слоя, достаточную для его плотного прижатия к поверхности трубы, ввиду повышения возможности обрыва полиэтиленовой пленки. Кроме того, при повышенных температурах эксплуатации отмечается значительное снижение стойкости покрытия к катодному отслаиванию и к длительному воздействию воды. При толщине покрытия свыше 3,5 мм не всегда удается обеспечить сплошное прилегание полиэтиленовой пленки к подложке ввиду коробления.

В ходе спиральной намотки полученной полиэтиленовой ленты с помощью специального ролика производят ее прикатку под давлением к базовой поверхности трубы, на которую уже нанесены слой порошковой грунтовки и клеевая лента. Такая прикатка позволяет устранить воздушные пузыри из зоны контакта слоев полиэтиленового покрытия, клеевого слоя и слоя порошковой грунтовки. Для того чтобы обеспечить максимально равномерное распределение давления и избежать механического повреждения полиэтиленовой пленки, на рабочую поверхность ролика наносят силиконовую смазку.

После нанесения защитного покрытия требуемой толщины по всей длине трубы производят ее медленное струйное охлаждение до температуры не выше 60°С путем подачи воды на наружную поверхность. Такой механизм охлаждения позволяет избежать резких перепадов температуры в трехслойном покрытии, что благоприятно сказывается на качестве готовой продукции. В случае прекращения охлаждения при температуре выше 60°С возможно коробление полиэтиленовой пленки и неоправданное увеличение продолжительности производственного процесса.

Величина нахлеста смежных витков спирали в диапазоне 5-25 мм обеспечивает отсутствие непроклееных зон при намотке, т.е. позволяет решить основную задачу - формирование сплошного защитного покрытия. При уменьшении настроечной величины нахлеста менее 5 мм возникает опасность появления зазоров и нарушения сплошности защитного покрытия в случае перекосов при намотке. В тоже время увеличение нахлеста более 25 мм приводит к неоправданному перерасходу клеевой композиции и полиэтилена.

Применение способа поясняется примером его реализации. В рамках экспериментального определения оптимальных параметров процесса трехслойное защитное покрытие наносили на наружную поверхность трубы ⌀1420×12 мм из стали 17Г1С-У. В ходе предварительной очистки наружной поверхности трубы сначала производили ее обезжиривание 10%-ным раствором натриевого щелока NaOH, нагретым до температуры 70°С и подаваемым под давлением 40 бар. Сушку трубы после обезжиривания осуществляли путем ее нагрева до температуры 50°С. Для струйной очистки трубы применяли дробемет со стальной колотой дробью размером 1,0 мм. После дробеметной обработки на наружной поверхности трубы была получена шероховатость с высотой микронеровностей Rz=60-90 мкм, измеренная с помощью профилометра Mitutoyo SJ-201P. Проверка с помощью прибора SCM 400 показала содержание солей на обрабатываемой поверхности около 15 мг/м. Затем трубу подогревали до температуры 230°С в течение часа после завершения дробеметной обработки ее наружной поверхности. После этого на наружную поверхность трубы при помощи электростатического напыления наносили порошковую грунтовку на основе эпоксидной композиции. Частицы порошка расплавлялись при температуре 230°С и растекались по поверхности трубы, образуя адгезионный подслой толщиной 90-100 мкм. Затем нагретую до состояния расплава клеевую композицию выдавливали в плоскощелевую головку экструдера с образованием клеевой ленты толщиной 200 мкм, которую наносили на эпоксидный подслой путем спиральной намотки с величиной нахлеста смежных витков спирали 15 мм для получения клеевого подслоя. Поверх клеевого подслоя аналогичным образом из расплава полиэтилена получали ленту, которую также путем спиральной намотки с такой же величиной нахлеста смежных витков спирали наносили поверх клеевого подслоя для получения наружного слоя покрытия, обеспечивая суммарную толщину трехслойного покрытия 3 мм. В ходе спиральной намотки производили устранение воздушных пузырей из зоны контакта слоев полиэтиленового покрытия путем прикатки полиэтиленовой ленты под давлением к базовой поверхности с помощью специального ролика, с нанесенной на его поверхность силиконовой смазкой. После нанесения покрытия по всей длине трубы производили медленное струйное охлаждение наружной поверхности до температуры 50°С. В результате была получена труба с наружным трехслойным полиэтиленовым покрытием, качество которого соответствовало предъявляемым требованиям.

В целом предложенные технологические параметры нанесения защитного покрытия обеспечивают его высокое качество, а также отсутствие расслоения и достаточно высокую адгезию к поверхности трубы, необходимую для ее эффективной эксплуатации при транспортировке углеводородного сырья.

Таким образом, полученные данные подтверждают правильность рекомендаций по выбору величины технологических параметров предложенного способа нанесения наружного трехслойного покрытия на магистральную трубу. Использование этого способа позволяет повысить надежность и долговечность магистральных трубопроводов предназначенных для работы в сложных природно-климатических условиях.

Литература

1. Патент РФ №2458952, МПК C09D 123/10, F16L 58/10, 20.08.2012 г.

2. Патент РФ №2131308, МПК B05D 7/14, 12.10.1994 г.