Результат интеллектуальной деятельности: Многослойная полипропиленовая армированная труба

Изобретение относится к трубопроводным конструкциям и может использоваться для транспортировки жидких углеводородов, а именно для нефти с удельной плотностью в пределах ρ=0,831-0,860 г/см³ в системах надземных промысловых нефтепроводов, при отрицательных температурах окружающей среды.

Многослойная полипропиленовая армированная труба содержит один основной слой из термостабилизированного полипропилена, один барьерный слой из жидкокристаллических полимеров, расположенный поверх основного слоя, один армирующий слой из высокомодульных синтетических нитей, размещенный поверх барьерного слоя, один защитный слой из термостабилизированного полипропилена и который размещается поверх армирующего слоя с помощью соединительной прослойки из полиуретанового клея и, кроме того, теплоизоляционным слоем, который состоит из пенополиуретана и оболочки из стального листа с полиэтиленовым покрытием.

Особенностью данного изобретения является использование высокопрочных и высокомодульных синтетических нитей в качестве армирующего слоя, которые свободно и обратимо смещаются в осевом направлении и сохраняют структуру плетения при колебаниях геометрических размеров трубы под воздействием температурных изменений и механических нагрузок, что позволяет перекачивать нефть с внутритрубным давлением до 3,0 МПа и изготавливать трубы с диаметром до 450 мм.

Известна армированная полимерная труба (патент на изобретение RU №2205318, МПК F16L 9/12, опубл. 27.05.2003), содержащая внутренний и наружный слои из термопластичного материала и расположенный между ними армирующий наполнитель из полимерного или минерального материала, выполненный в виде непрерывных нитей, при этом нити армирующего наполнителя углублены в наружную поверхность внутреннего слоя и внутреннюю поверхность наружного слоя.

Данная конструкция обеспечивает значительное повышение прочности трубы, но непригодна для транспортировки горячей нефти, поскольку отсутствует барьер для паропроницаемости и газопроницаемости. Также, для обеспечения прочности трубы требуется высокая степень адгезии армирующего слоя к термопластичному материалу.

Известна труба многослойная полимерная для систем водоснабжения и теплоснабжения (патент на изобретение RU №2224160, МПК F16L 9/12, опубл. 20.02.2004), включающая тело трубы, состоящее из поперечно-сшитого полиэтилена, не менее одного слоя, образующий барьер против диффузии воды через многослойную трубу за счет применения жидкокристаллического полимера в качестве барьерного слоя.

Недостатком изобретения является отсутствие армирующего слоя, что не обеспечивает требуемый уровень длительной прочности при повышении давления в процессе эксплуатации и приводит к необходимости увеличения толщины стенки трубы, что также вызывает увеличение массы трубы, снижение ее гибкости, пропускной способности.

Известна многослойная труба для систем горячего водоснабжения и теплоснабжения (патент на полезную модель RU №120739, МПК F16L 11/10, опубл. 27.09.2012), включающая внутреннюю оболочку из сшитого полиэтилена и защитную оболочку со слоем теплоизоляции из вспененного полимера, при этом труба снабжена армирующей системой из высокопрочных нитей и адгезионным слоем для предварительного закрепления нитей и создания монолитной структуры трубы, нанесенным на внешнюю поверхность внутренней оболочки (армирующая система расположена между адгезионным слоем и защитной оболочкой и состоит из двух слоев нитей, навитых под углом к оси трубы, а армирующие нити второго слоя навиты в противоположную сторону по отношению к армирующим нитям первого слоя).

Недостатком изобретения является использование сшитого полиэтилена в качестве внутренней оболочки трубы - полиэтилен наиболее подвержен процессу диффузии с подогретой нефтью, что приводит к его набуханию, увеличению в нем концентрации нефти и как следствие, ведет к снижению его прочности. Кроме того, использование сшитого полиэтилена не позволяет повысить внутритрубное давление свыше 1,0 МПа.

Известна теплоизолированная гибка многослойная полимерная труба, не распространяющая пламя (патент на изобретение RU №2479780, МПК F16L 9/12, F16L 11/10, F16L 59/153, опубл. 20.04.2013), включающая в себя центральную трубу, барьерный слой, армирующий слой, клеевой слой, теплоизолирующий слой и гидроизоляционный слой и отличающаяся тем, что она дополнительно включает в свою конструкцию слой с антипиретическими и антидотными добавками, выполненный из полимерного материала на основе полиолефина, и защитную оболочку из оцинкованного гибкого металлорукава.

Недостатком изобретения является использование сшитого или теплостойкого полиэтилена в качестве центральной трубы - полиэтилен наиболее подвержен процессу диффузии с подогретой нефтью, что приводит к его набуханию, увеличению в нем концентрации нефти и как следствие, ведет к снижению его прочности. Кроме того, использование сшитого полиэтилена не позволяет повысить внутритрубное давление свыше 1,0 МПа.

Известна многослойная труба (патент на полезную модель RU №120183, МПК F16L 11/10, опубл. 10.09.2012), включающая в себя внутреннюю полимерную трубу, армирующую систему из высокопрочных нитей, и наружную оболочку из олефинового полимера, которая отличается тем, что она снабжена первым и вторым протекторными слоями, и теплоизоляционным слоем, а внутренняя труба выполнена из сшитого олефинового полимера, который характеризуется сопротивлением раздиру армирующим элементом при 115°С не ниже 15 Н/мм.

Недостатками данного изобретение является: использование в качестве материала внутренней трубы сшитого олефинового полимера - для достижения показателя сопротивления раздиру не ниже 15 Н/мм требуется изготовления стенки внутренней трубы большой толщины, что приводит к нежелательной потере гибкости трубы, ее существенному увеличению веса; использование сшитого олефинового полимера не позволяет увеличить внутритрубное давление свыше 1,0 МПа.

Наиболее близким по техническому решению, принятому за прототип, является труба «ДЖИ-ПЕКС-115-АМТ» напорная армированная из сшитого полиэтилена с повышенными эксплуатационными характеристиками (https://nevacert.ru/reestry/gos-reestr/ru-23-%D0%BA%D0%BA-08-013-%D0%B5-001093-10-17). изготавливаемая по ТУ 2248-004-48532278-2014, конструкция которой включает трубу из сшитого полиэтилена (РЕ-Ха), барьерный слой против диффузии кислорода, армирующий слой, образованный плетением синтетических нитей «Кевлар» вокруг барьерного слоя, клеевой слой, наложенный на армирующий слой и наружный защитный слой из полиэтилена. Данная конструкция обеспечивает двустороннюю адгезию армирующего слоя, образуемого плетением синтетических нитей и к барьерному слою, и к наружному защитному слою для фиксации положения армирующих нитей.

Недостатками изобретения являются: применение сшитого полиэтилена (РЕ-Ха), который не позволяет повысить внутритрубное давление свыше 1,0 МПа; отсутствие теплоизолирующего слоя, что не позволяет осуществить эксплуатацию труб при крайне низких температурах окружающей среды; малый типоразмер труб (диаметр от 50 мм до 150 мм); двусторонняя адгезия армирующего слоя, которая может привести к повреждениям полимерных поверхностей, непосредственно примыкающих к армирующему слою в результате их осевого смещения под воздействием циклических изменений температуры и механических нагрузок.

Задачей предлагаемого изобретения является создание многослойной полипропиленовой армированной трубы с обеспечением возможности ее применения для транспортировки жидких углеводородов, а именно нефти с удельной плотностью в пределах ρ=0,831-0,860 г/см³ в системах надземных промысловых нефтепроводов, при отрицательных температурах окружающей среды.

Предлагаемое изобретение позволяет получить следующий технический результат:

- внутритрубное давление до 3,0 МПа;

- диаметр трубы до 450 мм;

- возможность осевого смещения армирующих нитей внутри конструкции трубы под влиянием циклических изменений температуры и механических нагрузок с сохранением структуры плетения.

Технический результат достигается за счет того, что многослойная полипропиленовая армированная труба содержит основной слой, барьерный слой, армирующий слой, защитный слой, соединительную прослойку и теплоизоляционный слой. Основной слой выполнен диаметром 315 мм и толщиной стенки 18,7 мм из термостабилизированного полипропилена, позволяющий транспортировать нефть с удельной плотностью в пределах ρ=0,831-0,860 г/см³ при температуре не менее +40°С с давлением 3,0 МПа. Для обеспечения отсутствия диффузии кислорода и паров нефти с основным слоем используется барьерный слой, который наносится спиральной намоткой поверх основного слоя, имеет толщину 1,8 мм и выполнен из жидкокристаллических полимеров с 50%-ым содержанием стекловолокна. Армирующий слой выполнен толщиной 0,3-0,5 мм из высокопрочных и высокомодульных синтетических нитей, способных свободно и обратимо смещаться в осевом направлении при колебаниях геометрических размеров трубы под воздействием температурных изменений и механических нагрузок, представляющие собой сетку и наносящиеся поверх барьерного слоя методом обмотки последовательными слоями. Дополнительная защита от механических повреждений основного, барьерного, армирующего слоев и соединительной прослойки обеспечивается защитным слоем, состоящим из трубы с толщиной не менее 2 мм из термостабилизированного полипропилена. Соединение армирующего и защитного слоя обеспечивается за счет соединительной прослойки, представляющей собой полиуретановый однокомпонентный клей без летучих растворителей, наносящийся всплошную поверх армирующего слоя, образующий вспененную постепенно твердеющую массу, путем протаскивания через внутреннюю полость защитного слоя скрепленных основного, барьерного и армирующего слоев. Эксплуатацию при отрицательных температурах окружающей среды -50°С и ниже, обеспечивает теплоизоляционный слой, имеющий диаметр 450 мм и толщину 63,2 мм, выполненный из монолитного жесткого цилиндра из пенополиуретана в оболочке из стального листа с полиэтиленовым покрытием, размещающийся поверх защитного, путем протаскивания с предварительно обработанной поверхностью защитного слоя однокомпонентным полиуретановым клеем через внутреннюю полость теплоизоляционного слоя скрепленных основного, барьерного, армирующего, защитного слоев.

Заявляемое изобретение поясняется чертежами:

На Фиг. 1 изображен осевой разрез многослойной полипропиленовой армированной трубы;

На Фиг. 2 изображен укрупненный вид слоев многослойной полипропиленовой армированной трубы;

На Фиг. 3 изображена многослойная полипропиленовая армированная труба, вид сбоку;

На Фиг. 4 изображена номограмма температурных изменений длинны многослойной полипропиленовой армированной трубы.

Многослойная полипропиленовая армированная труба состоит из основного слоя 1, барьерного слоя 2, армирующего слоя 3, соединительной прослойки 4, защитного слоя 5, теплоизоляционного слоя 6 (фиг. 1-3).

Основной слой 1 представляет собой трубу диаметром 315 мм с толщиной стенки 18,7 мм, выполненный из термостабилизированного полипропилена PP-RCT (например, фирмы Banninger www.baenninger.de/ru/produkcija.html#c863), относящийся к высокоизотактическому полипропилену, имеющего α-кристаллическую структуру с добавлением молекулярного этилена СН₂ для придания ему морозостойкости и эластичности.

Основной слой 1 имеет следующие физико-механические характеристики: плотность, г/см³ - 0,936-0,946; температура плавления, °С - 165-175; разрушающее напряжение при растяжении, кгс/см - 250-400; относительное удлинение при разрыве, % - 200-800; модуль упругости при разрыве, кгс/см - 6700-11900; предел текучести при растяжении, кгс/см - 250-350; относительное удлинение при пределе текучести, % - 10-20; ударная вязкость с надрезом, кгс *см/см² - 33-80; твердость по Бринеллю, ксг/мм² - 6-6,5.

Использование термостабилизированного полипропилена PP-RCT в качестве основного слоя 1 обосновано тем, что данный материал рассчитан на рабочую температуру 90-95°С при давлении 3,0 МПа. Это позволит транспортировать нефть с удельной плотностью в пределах ρ=0,831-0,860 г/см³ при температуре не менее +40°С. Кроме того, высокая вязкость и гибкость материала при уменьшении жесткости и твердости обеспечивает высокий уровень надежности при длительном использовании (срок эксплуатации - не менее 40 лет).

Барьерный слой 2 имеет толщину 1,8 мм и выполнен из жидкокристаллических полимеров с 50%-ым содержанием стекловолокна (например, Vectra LCP, класса А производства фирмы Celanese https://explore.celanese.com/celanese-vectra-liquid-crystal-polymers-lcp-americas-product-information-download), состоящих из жестких стержнеобразных макромолекул, которые упорядочиваются в фазе расплава образуя жидкокристаллические структуры.

Барьерный слой 2 имеет следующие физико-механические характеристики: температура эксплуатации, °С - 240-300; предел прочности при растяжении, МПа - 180-185; модуль упругости, МПа - 30 000; сопротивляемость возгоранию - UL 94 V-0.

Использование жидкокристаллических полимеров в качестве барьерного слоя 2 обосновано тем, что они обеспечивают отсутствие диффузии кислорода и паров нефти с основным слоем 1 трубы. Барьерный слой 2 наносится спиральной намоткой поверх основного слоя 1, при этом поверхность основного слоя 1 должна быть предварительно нагрета.

Армирующий слой 3 имеет толщину 0,3-0,5 мм и выполнен из высокопрочных и высокомодульных синтетических нитей (например, «Кевлар» марка К49, продукция фирмы Dupont: https://www.dupont.com/products/dupont-kevlar-fiber.htrnl), синтезируемых в растворе из мономеров фенилен-1.4-диамина (пара-фенилендиамин) и терефталоилхлорида при помощи реакции конденсации, полимеризированных с помощью раствора N-метил-пирролидона и хлористого кальция.

Армирующий слой 3 представляет собой сетку, с наложением нескольких последовательных слоев плетения, которые наносятся поверх барьерного слоя 2 методом обмотки. Армирующий слой 3 имеет следующие физико-механические характеристики: температурные пределы, °С - 260; предел по давлению, МПа - 2,1; химическая стойкость, рН - 4-11.

Использование высокопрочных и высокомодульных синтетических нитей в качестве армирующего слоя 3 обосновано тем, что они способны свободно и обратимо смещаться в осевом направлении при колебаниях геометрических размеров трубы под воздействием температурных изменений и механических нагрузок. Кроме того, нити армирующего слоя 3 обладают значительной прочностью, позволяют обеспечить высокую нагрузочную способность на основной слой 1 (обеспечивают равномерность в восприятии осевых и радиальных нагрузок).

Соединительная прослойка 4 представляет собой полиуретановый однокомпонентный клей без летучих растворителей, который при контакте с водой образует вспененную, постепенно твердеющую массу (например, ВИПОЛ ПК-200, продукция фирмы НВП ВЛАДИПУР: http://www.vladipur.ru/catalog/?base=&news=10).

Соединительная прослойка 4 имеет вязкость при 25°С не более 5000 мПа*с и отвердевает по истечению 6 часов. Наносится всплошную поверх армирующего слоя 3 методом прокатки трубы через клеенамазывающие валы.

В качестве защитного слоя 5 используется труба с толщиной не менее 2 мм из термостабилизированного полипропилена PP-RCT (например, фирмы Banninger: www.baenninger.de/ru/produkcija.html#c863), и используется как дополнительная защита слоев 1-4 от механических повреждений.

Теплоизоляционный слой 6 представляет собой монолитный жесткий цилиндр из пенополиуретана в оболочке из стального листа с полиэтиленовым покрытием, с применением тонколистовой углеродистой стали изготовленной по ГОСТ 16523-97 и покрытой экструдированным полиэтиленом (например, ООО «Полимеризоляция»: https://polvmerizol.ru/penopoliuretanovye-plity), диаметром 450 мм и толщиной 63,2 мм.

Теплоизоляционный слой 6 заявленной трубы имеет следующие физико-механические характеристики: плотность, кг/м³ - 55-60; теплостойкость, °С - 120-150; теплопроводность, Вт/м*К - не более 0,028; разрушающее напряжение при сжатии, кПа - 200; разрушающее напряжение при изгибе, кПа - 300.

Использование пенополиуретана в теплоизоляционном слое 6 обосновано тем, что данный материал позволит эксплуатацию заявленной трубы при отрицательных температурах окружающей среды (- 50°С и ниже), а оболочка из стального листа с полиэтиленовым покрытием защитит цилиндры из пенополиуретана от механических повреждений, ультрафиолетового излучения и влаги.

Заявляемое изобретение изготавливается следующим образом:

В качестве основной слоя 1 используется готовая трубная продукция (труба диаметром 315 мм с толщиной стенки 18,7 мм из термостабилизированного полипропилена PP-RCT).

Далее барьерный слой 2 наносят спиральной намоткой поверх основного слоя 1. Основной слой 1 при этом предварительно разогревают до температуры 150-160°С с помощью установки индукционного нагрева.

Затем поверх барьерного слоя 2 методом обмотки, с наложением нескольких последовательных слоев плетения, наносится армирующий слой 3.

Соединительная прослойка 4 наносится всплошную поверх армирующего слоя 3 методом прокатки заготовки трубы через клеенамазывающие валы.

Далее заготовка трубы со слоями 1-4 протаскивается через внутреннюю полость защитного слоя 5. Закрепление защитного слоя 5 обеспечивается за счет соединительной прослойки 4, которая служит для соединения армирующего слоя 3 и защитного слоя 5, и отвердевает по истечению 6 часов.

Далее заготовка трубы со слоями 1-5 протаскивается через внутреннюю полость теплоизоляционного слоя 6, предварительно обработанная однокомпонентным полиуретановым клеем. Теплоизоляционный слой 6 размещается поверх защитного слоя 5.

Полученные характеристики заявляемого изобретения представлены в таблице 1.

Заявляемое изобретение предполагает использование в системах, образующих промысловые нефтепроводы надземного исполнения. Трубопровод необходимо проектировать и конструктивно выполнять так, чтобы он имел возможность свободно удлиняться при нагревании и укорачиваться при охлаждении, без перенапряжения материала и сварных соединений.

Первоначально при строительстве трубопровода необходимо провести определение трассы трубопровода, разбить ее на участки. Далее, провести очистку трассы с выделением полосы отвода для размещения оборудования, доступа транспорта. Также для труб необходимо устроить временную площадку хранения.

Следующий этап - сварочно-монтажные работы. Монтаж труб необходимо проводить при температуре окружающей среды равной или приближенной к максимальной рабочей температуре трубопровода. Таким образом, во время нового нагрева могут появляться только минимальные прогибы трубопровода (Фиг. 3). Трубы и фасонные детали соединяются между собой в полевых условиях муфтовым способом, с электронагревом. Соединение труб с запорно-регулирующей арматурой осуществляется при помощи фланцевых соединений.

После монтажа трубопровода осуществляют его гидравлическое или пневматическое испытание повышенным давлением. В процессе испытания повышенным давлением происходят незначительные изменения геометрических параметров трубы (увеличение диаметра и длины испытуемого участка трубопровода).

После проведения испытаний смонтированный трубопровод вводится в эксплуатацию.

Конструкционные особенности изобретения обеспечили возможность его использования для транспортировки жидких углеводородов (нефти с удельной плотностью в пределах ρ=0,831-0,860 г/см³) в системах надземных промысловых нефтепроводов, при отрицательных температурах окружающей среды.

Техническим результатом изобретения стало устранение следующих недостатков известных решений: увеличение внутритрубного давления с 1,0 МПа до 3,0 МПа; увеличение диаметра трубы с 150 мм до 450 мм; возможность осевого смещения армирующих нитей внутри конструкции трубы под влиянием циклических изменений температуры и механических нагрузок с сохранением структуры плетения.