
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:
Со стальным цилиндром и предварительно напряженной спиральной арматурой с нанесением необжатого защитного слоя на поверхность.
С предварительно напряженной продольной и спиральной арматурой с нанесением необжатого защитного слоя.
С предварительно напряженной продольной и спиральной арматурой с нанесением обжатого защитного слоя в процессе передачи гидравлического давления на стенки трубы.
С предварительно напряженной продольной и спиральной арматурой, с одновременным бетонированием и обжатием внутреннего и защитного слоя стенки трубы в процессе виброгидро-прессования.
Со спиральной и продольной арматурой и с применением самонапрягающего цемента.
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.