Трубопроводостроительные материалы

Алюминиевые трубы

Трубы из алюминия и его сплавов обладают большей стой­костью, чем стальные, в углеводородных средах, в условиях почвен­ной коррозии и низких температур. Алюминиевые трубы имеют небольшую массу, достаточно высокие механические и технологи­ческие свойства. За счет гладкости стенок труб повышается произво­дительность трубопроводов на 10- 15 %, так как при перекачке про­дуктов уменьшается трение о стенки труб, а также предотвращается отложение парафина и других примесей на их стенках [181, 189].

Алюминиевые трубы рекомендуется применять: для газонеф­тепроводов, транспортирующих агрессивные среды; прокладывае­мых в коррозионноактивных грунтах; при надземной прокладке, когда необходима легкость конструкции (строительство воздуш­ных переходов); для прокладки в труднодоступных горных усло­виях, в болотистой местности; в прибрежной полосе моря; при прокладке газонефтепроводов на поверхности земли в районах вечной мерзлоты и т. д.

При сооружении газонефтепроводов из алюминиевых труб со­кращается объем очистных и изоляционных работ, выполняемых на трассе, так как не требуется применять изоляцию (за исключе­нием прокладки в щелочных грунтах); облегчаются транспортиро­вание труб и монтаж трубопроводов.

Стыковые соединения алюминиевых труб выполняют свар­ными с применением различных методов сварки или разъемными, например с помощью резьбовых муфт. Сопряжение алюминиевого трубопровода со стальным можно осуществлять на фланцах с принятием мер защиты против гальванической коррозии.

Трубы из алюминия и его сплавов можно применять для маги­стральных и промысловых газонефтепроводов диаметром до 300 мм.

Материал для труб выбирают исходя из следующих основных требований: алюминиевый сплав должен хорошо свариваться мето­дом дуговой сварки или другими методами, предел текучести алюминиевого сплава — не более 0,7 от временного сопротивления, относительное удлинение — не менее 15 %, ударная вязкость алю­миниевых сплавов при температуре 15 °С — не менее 30 Дж/см². При температуре от 60 до — 50 °С нормативные характеристики алюминиевых труб не изменяются.

В качестве материала для алюминиевых труб можно использо­вать: чистый алюминий марок АД1, АД, АДО; сплавы алюминиево-магниевые, не упрочняемые термической обработкой, марок АМг2, АМгЗ, АМгб, а также высокопрочные сплавы системы А1 —Mg —Zn марки В92, системы А1 — Си — Мд марок Д1 и Д16 и системы А1 — Mg —Si марки АД35, упрочняемые термической обработкой, и др. Выбор той или иной марки алюминиевого сплава зависит от рабо­чего давления газонефтепровода и технологии его монтажа.

Для сварных газонефтепроводов высоких давлений можно применять трубы, изготовленные из алюминиевых сплавов марок АМгб и В92, а также АД35; для сварных газонефтепроводов средне­го давления — из сплавов АМг2 и АМг и для сварных трубопрово­дов низкого давления — из алюминия марок АДО, АД и АД1. При изготовлении несварных газонефтепроводов с резьбовыми или фланцевыми соединениями можно использовать высокопроч­ные дюралюмины марок Д1, Д16 и др.

За рубежом для изготовления труб применяют аналогичные по свойствам сплавы.

Трубы из алюминия и его сплавов по способу изготовления делятся на бесшовные — прессованные, тянутые (т. е. изготовлен­ные волочением и холодной прокаткой), плоскосворачиваемые; на сварные — прямошовные, спиральношовные и плоскосворачи­ваемые.

У нас в стране из алюминия и его сплавов изготовляют бесшовные трубы длиной 1 — 6 м двух видов: тянутые — диаметром 6-120 мм, толщиной стенки 0,5-5 мм и прессованные — диамет­ром 18-300 мм, толщиной 1,5-40 мм. Сварные трубы получают из ленты методом непрерывной сварки токами высокой частоты диа­метром 10-220 мм, толщиной стенки 0,5-4 мм. Освоение изготов­ления сварных труб из листов и полос позволит в дальнейшем рас­ширить сортамент труб. За рубежом применяют трубы примерно такого же типа.

Технические требования, предъявляемые к алюминиевым трубам делятся по:

механическим свойствам материала;

химическому составу, технологическим свойствам;

качеству поверхности;

точности изготовления;

гидравлическому испытанию на прочность и др.

ЧУГУННЫЕ ТРУБЫ

Чугунные трубы обладают по сравнению со стальными боль­шей коррозионной стойкостью и долговечностью, а также мень­шей сложностью изготовления. Вместе с тем они имеют большую металлоемкость (большая толщина стенок). Общие затраты на производство и монтаж чугунных трубопроводов, отнесенные к одно­му году их службы, оказываются меньшими, чем эти же затраты при сооружении стальных трубопроводов [181, 189, 204].

Трубы из серого чугуна широко применяют для изготовления водопроводов как в России, так и за рубежом. Они получили боль­шое распространение также для трубопроводов различного назна­чения. Для газонефтепроводов используют трубы из высокопроч­ного чугуна с шаровидным графитом, который наряду с высокой прочностью имеет достаточную пластичность, обладает, как и се­рый чугун, хорошими литейными свойствами, а также имеет низ­кую стоимость по сравнению с другими материалами.

Трубы из высокопрочного чугуна благодаря более высокой ме­ханической прочности и пластичности способны выдерживать внутренние рабочие давления, даже несмотря на некоторое ослаб­ление их стенок под действием точечной коррозии, и имеют боль­ший срок службы, чем обычные трубы из серого чугуна.

Изготовление чугунных труб заключается в заливке металла, осуществляемой различными способами, в формы. В России наибольшее распространение имеют центробежный метод литья труб из серого чугуна в водоохлаждаемые формы и полунепрерыв­ный метод литья чугунных труб.

Центробежный метод отливки чугунных труб в металли­ческой водоохлаждаемой форме — наиболее производительный, экономичный и простой.

Полунепрерывным методом литья изготовляют трубы из серого чугуна эвтектического состава с минимальным содержанием фосфора (С — 3,6-3,9; Si — 1,7-2,2; Мп — 0,6-1; Р — 0,2-0,3; S —до 0,1 %).

Дефект чугунных труб центробежного литья — разностенность. При полунепрерывном методе литья труб этого нет, так как трубы формуют на оправке (внутренний кристаллизатор). Но, тем не менее, эти трубы имеют шлаковые включения и газовые ракови­ны. В случаях протекания неполного процесса самоотжига при по­лунепрерывном литье труб возможно ухудшение их пластических свойств, образование поверхностного отбела и даже растрескива­ние. Улучшение свойств труб достигнуто в результате повышения качества шихтовых материалов, совершенствования процесса плавки чугуна.

Трубы из серого чугуна по назначению подразделяются на напорные водопроводные и сливные (канализационные). Напор­ные водопроводные трубы составляют примерно 15 % от общего выпуска чугунных труб.

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ТРУБЫ

Пластмассовые трубы

Пластмассовые трубопроводы обладают следующими пре­имуществами. Они не подвержены электрохимической корро­зии, которая создает значительные осложнения при эксплуата­ции металлических трубопроводов. Потери давления на трение в пластмассовых трубах благодаря их гладкой внутренней поверхности приблизительно на 30 % меньше, чем в стальных.

По сравнению со стальными трубами имеют следующие преимущества:

-высокую коррозионную стойкость в большинстве агрессивных сред;

-хорошие диэлектрические свойства;

-низкие потери на трение.

Так как пластмассовые трубы не подвержены почвенной и атмосферной коррозии и действию бактерий, их не покрывают наружным защитным изоляционным покрытием. Срок службы больше 50лет

Недостатки:

- низкий модуль упругости,- ползучесть,- старение,

- высокий коэффициент линейного расширения.

Основой пластмассы для изготовления труб служат:

-полимерные связующие; -наполнитель; -пластификатор; -стабилизатор,

-краситель.

1) Полимерные связующие - однородная полимерная смола или композиция смол. Смолой называется сложная смесь растворенных органических, высокомолекулярных соединений, находящихся в устойчивом твердожидком состоянии. Смолы подразделяют: -природные, -искусственные, -синтетические.

Природными являются растительные смолы (канифоль, добываемая из смолы хвойных деревьев), ископаемые смолы (янтарь) и смолы животного происхождения.

Искусственные смолы - полимерные вещества, получаемые модифицированием белков и целлюлозы.

Синтетические смолы - полимерные вещества, получаемые из низкомолекулярных соединений при помощи специальных химических процессов.

2) Важнейшая составляющая часть пластмассовых труб - наполнитель. Полимерные связующие цементируют наполнитель и придают пластичные свойства всей полимерной композиции. Применяют:

- органические, - неорганические наполнители.

Органические наполнители - древесная мука, целлюлоза, бумага, х/б ткани.

Неорганические наполнители - асбест, графит, стекловолокно, стеклоткань.

Наполнители применяют в порошкообразном виде, в виде волокон и в виде полотнищ. Особую группу наполнителей составляет армирующие стекловолоконные материалы - стекловолокно, стекловата, стеклоткани, с применением которых изготавливают стеклопластиковые трубы.

3) Пластификаторы вводят в пластмассы для улучшения их технологических свойств. К ним предъявляют следующие требования:

- способность совмещаться с полимерами,

- низкая летучесть, - бесцветность, - отсутствие запаха.

К пластификаторам относятся эфиры карбоновых кислот, полиэфиры.

4) Стабилизаторы предотвращают термическую деструкцию (разложение) полимерных материалов в процессе их переработки, а также останавливают их старение при действии атмосферных условий. К ним относятся:

- антиоксиданты, - антиозонанты, - антирады, - светостабилизаторы.

5) Красители вводят для придания окраски. Цвет окраски не должен изменяться при изготовлении, эксплуатации изделия из пластмасс.

Стеклопластиковые трубы

Стеклопластик — это композиционный материал, состоящий из стекловолокнистого наполнителя (выполняющего роль упроч­няющего, армирующего компонента) и полимерного связывающего (равномерно распределяющего нагрузки между стеклянными во­локнами, склеивая их, и придающего всей композиции жесткость) 1129. 181, 189,222].

Оптимальное соотношение наполнителя и связывающего — 60 : 40.

Особенностью стеклопластика как конструкционного материа­ла является то, что сам материал создается только в процессе изго­товления изделия, а его свойства зависят от вида и свойств компо­нентов, их количественного соотношения, схемы армирования, способа изготовления изделия и других факторов.

Для изготовления стеклопластиков используются стекловолокнистые изделия из бесщелочного стекла в виде: элементарных волокон различного диаметра (7 — 13 мм); прядей или нитей, полученных из непрерывных или шпательных элементарных стеклянных воло­кон; стеклянных тканей и лент; стеклянных матов или стеклорогожи.

В качестве полимерного вяжущего используются термореак­тивные смолы: полиэфирные, эпоксидные, фенолформальдегидные, кремнийорганические, фурановые и некоторые другие, а так­же их сочетания. Кроме термореактивных в нашей стране начина­ют применять также и термопластичные смолы: полиэтилен, фто­ропласт и др.

Трубы из стеклопластиков применяются для газонефтепрово­дов, обвязки резервуаров, для транспортировки кислот, для соору­жения водоводов и канализации, на нефтехимических заводах для транспортировки различных жидкостей.

Рассмотрим основные преимущества и недостатки применения труб из стеклопластиков.

Преимущества:

высокая коррозионная стойкость;

хорошие диэлектрические свойства;

низкая шероховатость (следовательно, уменьшаются потери напора);

малая плотность (а значит, легкость монтажа);

большая прочность (используются с давлением до 12,5 МПа);

не подвержены действию блуждающих токов;

обладают значительной гибкостью; низкий коэффициент линейного расширения; низкая теплопроводность;

способность предотвращать отложения парафина (до полного отсутствия); огнестойкость;

сокращение сроков строительства трубопроводов и снижение стоимости монтажных работ;

исключение вредных для здоровья видов работ по изоляции и сварке труб; повышение экологической безопасности при строи­тельстве;

увеличение сроков службы трубопроводов; сокращение коли­чества порывов на нефтепроводах, соответственно снижаются по­тери нефти и загрязнение окружающей среды.

Недостатки:

чувствительны к перегрузкам, т. е. склонны к растрескиванию под действием высокого давления;

электростатичны, т. е. способны накапливать статический заряд электричества;

нестабильность показателей механических свойств;

сложность обеспечения герметичности стыковых соединений;

относительно высокая стоимость;

ограничение рабочих параметров и диаметра трубопровода;

не разработана технология проведения ремонтных работ;

отсутствует экономичная научно-обоснованная технология строительства на болотах и вечномерзлых грунтах.

В зависимости от вида наполнителя и технологических свойств полимерной композиции стеклопластиковые трубы можно под­разделить на следующие виды:

трубы из стеклотекстолита — слоистого пластика с напол­нителем в виде стеклянной ткани или ленты;

трубы из стекловолокнита — прессовочной композиции с наполнителем в виде рубленого стекловолокна, ровницы и нити;

трубы из свам — ориентированного стекловолокнистого анизо­тропного материала с наполнителем в виде элементарных стеклянных волокон, прядей или нитей, параллельно уложенных относительно друг друга в один или несколько слоев по толщине стенки трубы;

трубы с наполнителем в виде предварительно формован­ного короткого стекловолокна или стекломатов;

трубы с комбинированным наполнителем из стеклоленты, стеклонитей или прядей различной их ориентации по слоям стенки трубы, а также в сочетании с лентами или трубами из термо­пластов — бипластмассовые трубы.

Трубы последних двух видов наиболее целесообразны для газо­нефтепроводов.

Большой интерес представляют "надувные" трубы, производи­мые в США. Их поставляют в рулонах как эластичный шланг, раз­вертывают и отверждают на месте монтажа трубопровода. Такие трубы, эксплуатирующиеся при высоких давлениях в коррозион­ных условиях сред, выпускают для нефтехимических заводов и нефтепромыслов. Трубы состоят из нескольких слоев: внутренне­го слоя из смолы, намотанной герметизирующей пленки из термо­пласта, основного слоя смолы и наружного слоя из окрашенной по­лиэфирной смолы.

Трубы выпускаются диаметром: 50,8; 76,2; 102,6; 152,4 мм. Трубы, например, диаметром 50,8 мм имеют толщину стенки 2 мм и могут работать при давлении 2,1 МПа и температуре до 65 °С.

Трубы в трассовых условиях расширяются и отверждаются с использованием портативных воздухонагревателей и парогене­раторов.

ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ ТРУБЫ

Железобетонные трубы по сравнению с чугунными и сталь­ными обладают рядом преимуществ:

пропускная способность их на 15-25 % больше пропускной способности чугунных за счет гладкости стенок;

внутри труб при их эксплуатации не образуются коррозионные отложения, увеличивающие потери напора и уменьшающие про­пускную способность трубопроводов;

коррозионная стойкость и долговечность выше, чем у стальных и чугунных труб;

срок службы составляет, примерно, 80 лет;

в меньшей степени подвергаются разрушающему действию блуждающих электрических токов;

имеют сравнительно небольшую металлоемкость; на их изго­товление даже со стальной облицовкой или внутренним цилиндром расходуется металла в 2,5 — 3 раза меньше, чем на стальные трубы того же диаметра;

стоимость значительно ниже стоимости металлических.

К недостаткам напорных железобетонных труб относятся:

значительная масса, что осложняет их транспортировку и укладку;

невозможность предварительного соединения звеньев труб на поверхности земли у траншеи;

трудность установки арматуры и фасонных частей.

Напорные железобетонные трубы изготовляют с раструбом.

Железобетонные предварительно напряженные напорные тру­бы классифицируют по ряду признаков: назначению; размерам; способу изготовления; способу осуществления предварительного напряжения спиральной и продольной арматуры; конструкции, форме торцов и виду стыкового соединения; классам прочности и др.

По конструкции трубы подразделяют на цилиндровые (в стен­ке которых имеются стальные, сваренные из тонколистовой стали, или пластмассовые цилиндры) и бесцилиндровые со спиральным каркасом и продольной арматурой.

По способу изготовления предварительно напряженные желе­зобетонные трубы подразделяются на следующие виды:

1. Со стальным цилиндром и предварительно напряженной спиральной арматурой с нанесением необжатого защитного слоя на поверхность.

2. С предварительно напряженной продольной и спиральной арматурой с нанесением необжатого защитного слоя.

3. С предварительно напряженной продольной и спиральной арматурой с нанесением обжатого защитного слоя в процессе пере­дачи гидравлического давления на стенки трубы.

4. С предварительно напряженной продольной и спиральной арматурой, с одновременным бетонированием и обжатием внут­реннего и защитного слоя стенки трубы в процессе виброгидро-прессования.

5. Со спиральной и продольной арматурой и с применением са­монапрягающего цемента.

6. Стеклопластикобетонные с предварительно напряженной продольной арматурой.

ЗАПОРНАЯ АРМАТУРА. ФИТИНГИ.

Арматура — неотъемлемая часть любого трубопровода. Трубопроводная арматура представляет собой устройства, предназначенные для управления потоками жидкостей или газов, транспортируемых по трубопроводам.

Любой магистральный трубопровод состоит из линейной части, перекачивающих и распределительных станций.

На магистральных трубопроводах по характеру работы различают арматуру линейной части и обслуживающую перекачивающие и распределительные станции.

Запорная арматура линейной части трубопроводов, устанавливаемая через каждые 25 — 30 км, предназначена в основном для отсекания участка трубопроводов при аварии или ремонтных работах. Практически арматура линейной части срабатывает редко (несколько раз в год). На перекачивающих и распределительных станциях арматура предназначена для оперативных переключений, обеспечивающих основные технологические процессы, а также отключений отдельных участков при ремонте.

Регулирующая арматура предназначена для регулирования параметров рабочей среды (давления, температуры и т.п.) посредством изменения её расхода. В состав регулирующей арматуры входят регулирующие клапаны, регуляторы давления и регуляторы уровня, регулирующие вентили. К регулирующей арматуре относится и дроссельная (дросселирующая) арматура, предназначенная для значительного снижения давления среды и работающая в условиях больших перепадов давления.

Назначение защитной арматуры — предотвращение аварийной обстановки в системах путем отключения защищаемого участка. В отличие от предохранительной арматуры, которая открывается при повышении давления, защитная арматура закрывается при возникновении недопустимых условий. К защитной арматуре относятся обратные и отсечные клапаны.

Кроме того, на технологических трубопроводах химических и нефтехимических производств арматура эксплуатируется весьма интенсивно: в некоторых технологических процессах цикл открытие — закрытие совершается несколько раз в минуту. В некоторых процессах арматура подвергается значительным вибрациям, действию высоких и низких температур. Диапазоны температур, давлений, вязкостей, химической активности и других свойств перекачиваемых сред, на которых работает арматура, непрерывно расширяются. Все это создает известные трудности при конструировании арматуры, а также при подборе готовых конструкций применительно к конкретным рабочим условиям.

Разнообразные условия, при которых работает арматура, специфичность требований, предъявляемых к ней, вопросы надежности и долговечности, большое число конструкций затрудняют выбор арматуры для тех или иных конкретных условий работы. Правильный выбор того или иного конструктивного типа арматуры в значительной степени предопределяет безаварийную работу как отдельных технологических производств в целом, так и трубопроводов, в частности.

В настоящее время потребители трубопроводной арматуры и приводов затрачивают значительные средства на организацию входного контроля и ремонта трубопроводной арматуры и приводов. Эти меры позволяют значительно сократить объемы использования непригодной к эксплуатации продукции.