Совершенствование научных основ управления конструктивно-технологическими принципами создания композиционно-волокнистых труб нефтегазового назначения

Рисунок 5 Зависимость коэффициентов диффузии и проницаемости метана через стенку стеклопластиковой трубы от давления в трубе при оптимальном содержании волокон в КВМ Н = 0,7

Графики, представленные на рисунке 6, показывают изменения деформаций разгерметизации при кратковременных и длительных нагружениях стеклопластиковой трубы в зависимости от объемного содержания волокон.

а) б)

Рисунок 6 Зависимость деформации разгерметизации стенки стеклопластиковой трубы от объемного содержания волокон в композиционно-волокнистом материале при кратковременном (а) и длительном (б) нагружениях

Уменьшение величины деформации разгерметизации с ростом объемного содержания волокон и в том и в другом случаях объясняется снижением эластичности композиционной стенки, что приводит к раннему возникновению трещин в структуре материала стенки. Сравнение представленных графиков показывает, что значения величины деформации разгерметизации при одних и тех же значениях объемного содержания волокон практически не зависят от характера нагружения образца.

Как показали исследования, время потери сплошности (нарушения герметичности материала) в зависимости от объемного содержания волокон в материале стенки трубы (рис. 7), является отражением графиков, представленных на рисунке 4.



Рисунок 7 Зависимость времени потери сплошности стенки стеклопластиковой трубы от объемного содержания волокон в композиционно-волокнистом материале при Р_раб = 10 МПа

Проведенные исследования проницаемости герметизирующих слоев, применяемых в композитных трубах с целью повышения их герметичности, показали, что их наличие не является гарантией качества труб. И при транспортировке природного газа, и при транспортировке нефти, содержащего попутный природный газ, нельзя исключить вероятность возникновения различных видов диффузии, приводящих к нарушению герметичности стеклопластиковой трубы, а также к отслаиванию и последующему вздутию герметизирующего слоя от ее внутренних стенок («кессонное отслаивание»).

В таблице 2 приводятся расчетные величины утечек различных газов через герметизирующий слой толщиной 5 мм по экспериментальным значениям коэффициентов проницаемости и растворимости газов. Полученные результаты могут быть использованы при рассмотрении транспортировки нефти, содержащей попутный нефтяной газ, в состав которого входят этан, пропан, бутан, азот, сероводород, углекислый газ и т.д.

Таблица 2

Величина утечки газов через единичную площадь герметизирующего слоя из сополимера бутадиена со стиролом (СКН-30) толщиной 5 мм

Характеристики проницаемости	Н2	О2	CO2	H2S	N2
· 1017, м2/с·Па	25,2	10,6	116	1,86	3,9
у · 105, м3/м3·Па	0,031	0,94	0,92	0,05	0,048
D, ·1010, м2/с	8,13	0,113	1,26	0,372	0,813
Т, с	5125	369000	33100	112007	51282
Q, г/год	15,88	6,61	73,08	1,17	2,45

В ходе экспериментов были установлены величины значений коэффициентов проницаемости и диффузии метана через полиэтиленовый слой толщиной 5 мм. Исследования показали, что = 0,3·10^-17 , = 0,57·10^-11 .

Все вышесказанное и произведенные расчеты показывают, что решения проблемы герметизации стеклопластиковой трубы только за счет использования герметизирующих слоев достичь невозможно, так как хотя бы один из механизмов диффузии газа через герметизирующий слой будет иметь место.

В третьей главе рассмотрены основы усталостных и коррозионных процессов, возникающих в композиционно-волокнистых трубах вследствие их низкой трещиностойкости и герметичности при действии нагрузок поперек волокон. Обобщены разработанные автором и имеющиеся в настоящее время материаловедческие и конструктивно-технологические принципы создания герметичных труб. Описаны предложенные автором модели возникновения «кессонного отслоения», заключающегося в отслаивании и вздутии внутреннего герметизирующего слоя при сбросах давления в трубопроводе, приводящего к разгерметизации последнего, и пути решения этой проблемы.

Исследования, проведенные в работе, показали, что проблема трещинообразования и герметичности композиционных труб является комплексной, а процесс растрескивания связующего - функцией степени армирования, что необходимо учитывать при проектировании, изготовлении, определении методов испытаний и условий эксплуатации. Иначе говоря, эту проблему необходимо решать, используя два подхода:

материаловедческий, направленный на рецептурную и/или композиционно-волокнистую организацию материала проектируемого изделия;

конструктивно-технологический, прорабатывающий варианты обеспечения герметичности стенок изделия дополнительными конструктивно-технологическими средствами.

Следует отметить, что каждый из этих подходов может быть использован как самостоятельно, так и в совокупности с другим с целью достижения более эффективных результатов.

Были сформулированы следующие материаловедческие принципы управления герметичностью и трещиностойкостью труб из композиционных материалов:

принцип эластичного связующего: сущность данной концепции заключается в предотвращении образования микротрещин в структуре стенки трубопровода из КМ за счет увеличения эластичности используемого связующего в k раз из условия монолитности (герметичности) КВМ

, (3)

где ; _{в и св} ­ относительные удлинения под нагрузкой волокна и связующего соответственно; d ­ диаметр волокна; ­ толщина прослойки связующего.

Проведенные эксперименты показали, что введение в состав связующего пластифицирующих компонентов (пластификаторов) с целью повышения герметичности конструкций отрицательно сказываются на их несущей способности.

Получить связующее, отвечающее требованиям герметичности, можно введением в его состав прослоек эластика, т.е. созданием биматричного композиционного материала, структура которого показана на рисунке 8. Благодаря высокой эластичности, такое связующее имеет повышенную поперечную деформативность при растягивающих усилиях, что обеспечивает частичное блокирование процессов трещинообразования, а также перекрывание образовавшихся трещин при сбросах давления.

Рисунок 8 Структура биматричного композиционного материала: 1 - композиционно-волокнистый материал; 2 - эластик; 3 - арматура; 4 - связующее

принцип напряженного армирования: суть метода заключается в том, что при повышении величины натяжения волокон, можно повысить порог трещиностойкости материала до предела, соответствующего одновременному разрыву обоих компонентов: связующего и волокон. В этом случае условие трещиностойкости напряженно армированного пластика будет выглядеть в общем случае следующим образом:

, (4)

где и - деформация и напряжение в связующем сразу после приложения нагрузки; - момент приложения постоянной внешней нагрузки после обжатия связующего (в случае обычного, ненапряженного армирования), ;

принцип неравновесной спирально-перекрестной намотки: суть принципа в намотке волокон под углами, отличными от равновесных (например, при углах ± 45є), При этом, спиральные витки волокон под действием внутреннего давления стремятся к равновесной конформации, т.е. к углам ± 35є16ґ. Эта сдвиговая деформация способствует смыканию образовавшихся спиральных микротрещин в стенке трубопровода. Таким образом спонтанно организуется авторегулируемый процесс уплотнения волокнистой стенки, находящейся в плосконапряженном состоянии (рис. 9).

Проведенные сравнительные испытания на образцах трех типов (с продольно-поперечной, равновесной спирально-перекрестной и неравновесной спирально-перекрестной намотками) подтвердили выдвинутое предположение.

Рисунок 9 Неравновесная спирально-перекрестная структура

Принцип крученых нитей: согласно этому принципу трещиностойкость стенок труб из композитных материалов может быть увеличена за счет использования эластичного связующего совместно с кручеными нитями. Применение крученых нитей позволяет снизить деформационные свойства арматуры в целом благодаря изогнутости волокон.

В этом случае в условие монолитности вводится множитель cos (рис. 10):

(5)

Рисунок 10 Крученая нить: е_вр - величина деформации не крученой нити, е_в - величина деформации крученой нити

Принцип самоуплотнения: сущность данного принципа состоит в организации самоуплотняющейся (смыкающейся) структуры стенки путем использования оплеточных композиционно-волокнистых систем из крученых нитей (рис. 11).

Рисунок 11 Схема самоуплотнения структуры оплеточной композиционно-волокнистой стенки трубы: 1, 2 - системы из крученых нитей

Принцип «розетты»: использование плоскоспиральной многослойной структуры стенки, так называемой «розетты», позволяет повысить показатели герметичности стенок труб из композиционно-волокнистых материалов.

Рисунок 12 Схема уплотнения структуры стенок типа «розетта»

Принцип высокомодульных волокон основан на том, что чем меньше величина продольных деформаций армирующих волокон, тем меньше величина деформации прослоек матрицы в поперечных слоях, и тем выше трещиностойкость связующего. Отсюда, повышения уровня герметичности можно добиться использованием в композитах с эластичной матрицей высоко-модульных армирующих волокон, обладающих меньшей деформативностью, позволяющих также повысить жесткость конструкции и снизить ее массу.

Принцип снижения доли армирующих волокон заключается в снижении объемной доли армирующих волокон, что позволяет увеличить эластичность связующего, за счет использования крученых нитей.

Принцип создания «интеллектуальной» конструкции (с памятью формы): армирование композиционно-волокнистых материалов включениями с памятью формы позволяет осуществлять некоторые адаптивные функции изделия в условиях эксплуатации. Созданные таким образом интеллектуальные материалы могут применяться в случаях, когда необходимо реализовать достаточно высокую степень адаптивности по отношению к изменяющимся внешним и внутренним условиям.

Все вышеизложенные концепции материаловедческого подхода являются приемлемыми при решениях проблем герметичности стенок различных конструкций из композиционных материалов, но могут оказаться недостаточно эффективными для труб нефтегазового назначения, работающих под высокими давлениями. Поэтому в ряде случаев оказывается целесообразным введение дополнительных конструктивно-технологических средств защиты в конструкцию композиционно-волокнистых труб. Возможным направлением здесь является герметизация возникающих при нагружениях каналов проницания. Одним из перспективных и наиболее эффективных путей в этом отношении является концепция создания бислойной трубы, состоящей из наружного армирующего стеклопластикового слоя и внутреннего герметизирующего лейнера, который может быть металлическим или неметаллическим.

Проведенный в диссертации анализ по применению металлических покрытий в качестве внутреннего герметизирующего слоя позволил сделать вывод о сложности обеспечения синхронности деформационной работы бислойной конструкции вследствие различия деформационных характеристик слоев; асинхронность этого параметра и необратимость деформационных разрушений в широком диапазоне механических, циклических и температурных воздействий сужают область их нефтегазового применения. Кроме того, металлический слой подвержен коррозии, что предполагает необходимость использования коррозионностойких сплавов, удорожающих конструкцию. Наконец, использование металлического герметизирующего слоя малой толщины сопровождается явлениями его деформационного вздутия и отслаивания от композиционной оболочки, а при увеличении толщины металлической оболочки растет масса изделия, что приводит к снижению коэффициента массового совершенства конструкции.

Для герметизации композиционных труб чаще пользуются неметаллическим герметизирующим слоем из термопластичных или резиноподобных эластомеров. Практика показывает, что такой способ блокирования процессов проницания является более эффективным и находит широкое применение в проектировании. Преимуществами таких герметизирующих слоев является надежность работы в широком диапазоне нагрузок и температур, в том числе при контакте с агрессивными средами.

Однако эластомерные оболочки подвержены явлению «кессонной болезни», или «кессонного отслаивания», возникающего при сбросах давления в трубе. Это явление развивается в результате быстрой декомпрессии сжатого газа, заключенного в поровой структуре композитной оболочки, сопровождающееся объемным расширением (до 1600 крат) сжатых частиц газа. Силовой вектор этого расширения направлен в сторону снижения давления, т.е. внутрь трубы, что и служит причиной отрыва герметизирующего слоя от стенок и его вздутие вдоль всей внутренней поверхности трубного изделия (рис. 13).

Рисунок 13 Схема вздутия герметизирующего слоя вдоль внутренней поверхности стенок трубопровода (СО - силовая оболочка, ГС - герметизирующий слой)

Возникновение «кессонного явления» до настоящего времени объяснялось или разной скоростью диффузии расширяющегося газа в композитной и эластомерной оболочках, или образованием на границе раздела конденсационного слоя влаги из-за разной проницаемости бислойной конструкции.

Автор предлагает к обсуждению дополнительные гипотезы (модели), объясняющие возможные причины «кессонного отслаивания» и пути его предотвращения.

Модель 1. Диффузионный, или механизм выравнивания концентраций через проницаемую стенку композита. Во время функционирования изделия среда, в частности газ, диффузирует в структуру герметизирующего слоя, способствуя тем самым его «набуханию». В связи с наличием областей с различной степенью набухания, возникающие в герметизирующем слое напряжения сжатия распределяются неравномерно.

После снятия нагрузки, сжатый сорбированный газ оказывается освобожденным от сил сжатия в молекулярной структуре герметизирующего слоя, и вследствие действия сжимающих окружных напряжений начинает мигрировать, расширяясь к внутренней его поверхности (аналогия: вскрытие бутылки с газированной водой). Возникающие при этом газовые пузырьки высокого давления, объединяясь, вклиниваются в зону сопряжения герметизирующего слоя и композиционной стенки, образуя локальные микродефекты и отслоения на границе их соединения. Таким образом, могут возникать местные вздутия внутреннего слоя (волдыри). При прокалывании этих вздутий они исчезают. Но нарушенность адгезионного сцепления не исчезает.

Модель 2. Инерционный, или колебательный механизм. Вероятной причиной процессов вздутия и отслоения внутреннего герметизирующего слоя от композиционной (композитной) стенки может явиться инерционный (колебательный) механизм, возникающий после сброса давления. Суть его заключается в том, что при нагружении трубы внутренним давлением возникают растягивающие напряжения, в результате которых стенка деформируется и ее диаметр приобретает некоторое приращение . После снятия нагрузки равновесие системы нарушается и упругая композиционная стенка стремится возвратиться в свое первоначальное состояние равновесия (до нагружения), что порождает волну сжимающих напряжений. В результате, под действием чередующихся квазиупругих сжимающих и растягивающих сил, направленных к положению равновесия, возникают свободные затухающие колебания бислойной системы, колебательная модель которой условно представлена на рис. 14.

Рисунок 14 Схема инерционной, или колебательной модели отслоения ГС от внутренней стенки трубы и его вздутие

Таким образом, в волновой колебательной системе возникает фазовый сдвиг, силовая составляющая которого способна преодолеть прочность адгезионного сцепления бислойной конструкции с последующим отрывом герметизирующего слоя.

Модель 3. Механизм кольцевого сжатия, или последействия. В момент сброса давления на стенки трубы действуют растягивающие усилия, а герметизирующий слой деформируется под действием сжимающих сил. При этом изменение площади поперечного сечения герметизирующего слоя F_ГС пропорционально его относительному удлинению и коэффициенту восстановления (сжатия) k_ГС, зависящему от свойств материала и изделия в целом

(6)

Наличие участков с повышенной эластичностью, а также с различными дефектами (задир, отслоение, непроклей и т.д.), влияющих на величину коэффициента восстановления, позволяет предположить, что именно они увеличиваются в толщине интенсивнее в отличие от смежных бездефектных участков.

Образуемое при этом «пятно» отжима (отслоения) герметизирующего слоя от стенки трубы действует на зону сопряжения системы «герметизирующий слой - силовая оболочка» с усилием Т (рис. 15). В этом случае, с обеих сторон «вздутого» участка эластомерного слоя возникают противоположнонаправленные отслаивающие усилия Тґ. Это способствует упругому «прощелкиванию» сжимаемого вздутого участка герметизирующего слоя в сторону свободного объема, изменяя при этом знак кривизны, что приводит к образованию одной или двух волн вздутия.

Рисунок 15 Схема возникновения вздутий по механизму последействия

Модель 4. Модель описывает комплексный механизм «кессонного отслоения».

Как уже было отмечено в модели 1, насыщение (набухание) герметизирующего слоя вследствие диффузирования газа в его структуру происходит неравномерно. Наиболее газонасыщенные участки являются одновременно с этим и более податливыми (нежесткими). Эти участки после разгрузки и расширения частиц сжатого газа «набухают» интенсивнее соседних, образуя локальные вздутия, паскалева сила которых устремлена в сторону сброса давления и способствует отрыву этих вздутий от стенки трубы. Далее развитие этого процесса может происходить по одной из вышепредложенных моделей. Причем в первом случае (модель 1) тангенциальное сжатие газонасыщенных участков интенсифицирует миграцию газа в зону сопряжения слоев, что способствует зарождению «газоприемного» резервуара, наполнение которого приводит к образованию магистральных каналов вздутия со всеми вытекающими разрушительными последствиями.

Модель 5. Гидродинамический механизм. Модель применима к трубопроводам, работающим в контакте с жидкими средами. Схема возникновения вздутий в этом случае выглядит следующим образом.

В момент сброса давления при откачке жидкой среды из внутренней полости трубопровода, внутри трубы возникает зона разрежения (область с низким давлением). Стенки трубопровода при этом испытывают сжимающие усилия. Наиболее сильно это сказывается на поведении эластомерного герметизирующего слоя, который в зонах некачественного сопряжения с более жесткой стенкой композиционной трубы вследствие дефектов различного рода начинает отслаиваться под действием «всасывающих» сил, действующих в направлении к зоне разрежения, что может привести к отрыву герметизирующего слоя, а в некоторых случаях к его «схлопыванию», т.е. к полному отслоению от стенки, как это показано на рис. 16 применительно к баллонной емкости.

Рисунок 16 Схема гидродинамической модели отслоения ГС от стенки композитного баллона и его вздутия: 1 - стеклопластиковая оболочка; 2 - герметизирующий слой

Таким образом, можно говорить о присутствии хотя бы одного из механизмов вздутия герметизирующего слоя при сбросе внутреннего давления в трубе, а чаще всего и нескольких из них.

В зависимости от модели вздутия герметизирующего слоя, возникает несколько концептуальных решений проблемы «кессонного отслоения», которые можно сформулировать как вероятные направления исследований.

Решение 1. Сброс внутреннего давления в условиях внешнего разрежения (создать и поддерживать внешнее разрежение можно с помощью многоканального трубопровода, речь о котором пойдет в следующей главе):

а) откачка из раскрытых микротрещин напряженной композиционно-волокнистой структуры силовой стенки газообразных продуктов способствует предотвращению отслоения герметизирующего слоя от внутренней стенки трубы, а также самозалечиванию микротрещин в структуре композиционно-волокнистого материала;

б) условие внешнего разрежения обеспечивает присасывание (прижимание) герметизирующего слоя к внутренней стенке трубы, предотвращая, тем самым, процесс вздутия.

Создание разрежения может быть обеспечено инжекционным способом, вакуум-насосом и другими различными способами.

Решение 2. Производить программированный во времени медленный сброс давления со скоростью, обеспечивающей:

а) опережение процессов релаксации напряжений в герметизирующем слое;

б) исключение инерционных механизмов отслоения и деформации герметизирующего слоя.

Решение 3. Апериодический механизм консолидации системы «герметизирующий слой ­ стенка трубы»:

а) использование механизмов структурно-конструкционного демпфирования и амортизации упругих колебаний системы;

б) использование многослойных герметизирующих оболочек, неполное опорожнение и/или ступенчатый сброс давления;

в) медленное стравливание «избыточной» массы жидкости V = V_max^свд-V₀^свд; вытеснение жидкости из трубопровода сжатым газом; стравливание избытка жидкости V посредством внешнего обжимающего давления Р_внеш > Р_внутр.

Решение 4. Одним из способов предотвращения «кессонного явления» может быть использование герметизирующего слоя, представляющего собой гибкую оболочку, которая протягивается внутрь стеклопластиковой трубы. После подачи внутреннего давления оболочка ложится на внутреннюю стенку композитной трубы, перекрывая все ее неплотности. Таким образом, будучи нескрепленным со стенкой трубы, такой герметизирующий слой не подвержен проявлению «кессонной болезни». При этом, за счет большего чем у трубы диаметра, оболочка не испытывает разрывных нагрузок от внутреннего давления и может быть достаточно тонкой.

В работе была исследована возможность герметизации композитных труб анаэробными герметиками. В результате исследований установлено, что после сброса давления стенка трубопровода разгружается не полностью, т.к. застывший в структуре композиционного материала анаэробный герметизирующий состав препятствует обратному смыканию трещин. В свою очередь, это ведет к возникновению в стенке трубопровода остаточных напряжений, которые при повторных нагружениях образца, накладываясь на действующие, могут привести к разрушению изделия в целом. Результаты исследований приведены на графике (рис. 17), который демонстрирует, что при неоднократных циклических нагрузках предел монолитности (трещинообразования) уменьшался.

Рисунок 17 Зависимость давления трещинообразования стеклопластиковой трубы от числа циклов нагружения при восстановлении монолитности анаэробным герметиком

Кроме этого в работе было отмечено явление облитерации, приводящее к снижению уровня проницаемости композитных труб в результате смачивания и поверхностного насыщения трещинного пространства молекулами транспортируемой среды, что приводит к закупориванию образовавшихся трещин проницания.

Одним из решений, послужившим основой развития концепции многоканальных трубопроводов из композиционных материалов, является герметизация каналов проницания стенок трубы за счет создания внешнего барьера, препятствующего утечке транспортируемой среды. К преимуществам такой конструкции можно отнести возможность регулирования противодавления в герметизирующем объеме при изменении эксплуатационных факторов, демпфирование механических колебаний, возникающих при сбросах давления.

Перспективным направлением создания герметичных композитных труб является использование в них многослойных герметизирующих покрытий. Оно базируется на том, что сопротивление проницаемости многослойного покрытия равно сумме сопротивлений проницаемостей отдельных слоев

, (7)

откуда следует, что .

Однако, как показывают проведенные автором исследования, проницаемость многослойных покрытий зависит еще и от порядка расположения слоев по отношению к направлению потока вещества, что не учитывает вышеприведенная формула. Результаты экспериментальных значений коэффициентов проницаемости и диффузии для двухслойных систем из оболочек на основе полиэтилена (ПЭ), поливинилхлорида (ПВХ) и полистирола (ПС), полученные в диссертации, приведены в таблице 3.

Таблица 3

Значения коэффициентов проницаемости и диффузии для двухслойных покрытий

Покрытие	Газ	,	D,
ПЭ/ПВХ	гелий	2,24	71,32
ПВХ/ПЭ		6,97	75,56
ПЭ/ПС		6,73	3,46
ПС/ПЭ		8,78	5,11

Таким образом, при использовании многослойных герметизирующих слоев необходимо экспериментальным путем установить порядок их расположения с целью достижения наибольшего эффекта по герметичности.

Кроме этого, рекомендованы многослойные герметизирующие покрытия, включающие полимерный герметизирующий слой с металлическим напылением, а также внутриструктурные герметизирующие слои, которые на стадии производства композитной трубы монтируются в структуру ее стенки на разных толщиных уровнях, и могут состоять как из однородных, так и из разнородных материалов.

Четвертая глава посвящена конструкциям композиционно-волокнистых труб с рифленым герметизирующим слоем; с анаэробной технологией герметизации; многослойным трубам и многоканальным трубопроводы, а также устройствам для их соединения, позволяющим придать высокую степень герметичности и расширить возможности применения композитных труб в нефтегазовой промышленности.

В основе базовой конструкции композиционной трубы с рифленым герметизирующим слоем лежит интегральная схема комплексного спирально-перекрестного и тангенциального армирования 3D. Непрерывная высокоскоростная спиральная намотка (перекрестная под углом ± 45ЎЖ, с бандажирующим винтовым слоем обеспечивает технологическую рациональность изготовления трубы на самом высоком уровне. Спирально-перекрестное армирование позволяет направить энергию упругой деформации стенки от действия внутреннего давления на внутриструктурные силовые смещения спиральных линий (волокон арматуры) от углов ± 45ЎЖ в сторону равновесных ± 55ЎЖ44ґ. Образовавшиеся трансверсальные микротрещины при этом спонтанно смыкаются и самогерметизируются. Благодаря этому явлению трещиностойкость и герметичность трубы существенно возрастает.

Рифленая конструкция внутреннего герметизирующего слоя способствует устранению явления «кессонного отслаивания». Материал герметизирующего слоя может быть любого происхождения (металлический, полимерный, резиноподобный и т.д.).

Базовая конструкция разработанной композитной трубы представлена на рисунке 18.

а) б)

Рисунок 18 Базовая конструкция композиционно-волокнистой трубы с рифленым герметизирующим слоем (а) и опытный образец композитной трубы со спирально-винтовым рифленым герметизирующим слоем: 1 - композиционная стенка трубы; 2 - герметизирующая оболочка; 3 - клеевой состав

Экспериментально установлено, что скорость потока в трубе со спирально-рифленым внутренним герметизирующим слоем не снижается, а в ряде случаев, хоть и незначительно (до 5 %), превосходит скорость потока в трубе с обычным герметизирующим слоем из эластомерных материалов. Измерения производились с помощью ультразвукового накладного расходомера «Flexim». Были предложены 3 гипотезы, которые, возможно, объясняют причину увеличения скорости потока в такой трубе.

Причиной установленного эффекта являются особенности взаимодействия жидкой и газовой сред на границе их раздела. Во-первых, спиральные рифления способствуют вихревой закрутке каждой из струй, при этом вихри ведут себя как подшипники скольжения, вращаясь противоположно направлению закрученного рифлями потока по принципу торнадо (рис. 19). Во-вторых, струя жидкости ламинизируется на границе с эластичной футеровкой рифления, приводя к снижению гидродинамических потерь (принцип «дельфин»). И наконец, массоперенос сопровождается инициированием механических колебаний в стенках рифлений под действием динамических сил транспортируемого потока, что поддерживает скорость течения потока.

Рисунок 19 Схема движения жидкости в рифленом канале по принципу действия торнадо

Таким образом, конструкция стеклопластиковой трубы с рифленым герметизирующим слоем позволяет не только избежать нежелательных явлений в виде «кессонного отслаивания» и разгерметизации стенок трубы, но и не препятствует скорости движения потока, иногда даже ускоряет его по сравнению с металлической трубой, повышая тем самым пропускную способность такого трубопровода в целом.

Практический интерес представляет герметизация композитной трубы на базе анаэробной технологии, но с использованием структурирующихся неотверждающихся анаэробиков. При этом процесс герметизации начинается автомодельно в момент образования микротрещин в стенке трубы и продолжается в течение всего периода нахождения ее в напряженно-деформированном состоянии. При сбросе давления нетвердеющий анаэробик не препятствует упругому смыканию трещин, свободно перетекая в структурные пустоты аккумулирующего материала. При этом технологически процесс герметизации должен носить спонтанный характер организации и быть авторегулируемым. Исходя из указанных предпосылок, разработаны две оригинальные конструкции труб, постулирующие анаэробную технологию герметизации жидким нетвердеющим анаэробиком (рис. 20).

а) б)

Рисунок 20 Конструкции труб с центростремительной (а) и межслойной (б) анаэробной герметизацией: 1- стенка композиционной трубы; 2 - пористый материал, заполненный жидким анаэробиком; 3 - герметизирующий слой; 4 - внешний герметизирующий слой из металлической ленты

Одна из причин слабого внедрения композиционных труб, несмотря на всю их перспективность и достоинства, связана с конструктивными недоработками узлов их соединения в трубопроводные плети. В ходе работы над диссертацией такой узел нами разработан. Он представляет собой устройство для соединения труб, отличающееся высокой технологичностью сочленения труб из различных материалов и с любой толщиной стенок, особенно тонкостенных, а также многослойных стеклопластиковых труб.

Сущность предложенного устройства и его конструктивная особенность заключается в замковом ступенчатом разъеме (рис. 21, поз. 3) различной конфигурации. В кольцевые канавки 4 замков с натягом и нанесением клеевого состава укладываются скрепляющие кольцевые элементы (рис. 21, а, поз. 4) из высокопрочного материала, например металлической ленты или ленты из стеклопластика. Таким образом, кольцевые элементы бандажируют замковое соединение, стягивая полукольцевые консоли концов состыкованных труб и обеспечивая на этапе сборки трубопровода требуемое контактное давление необходимое для обеспечения герметичности и прочности соединения, а при эксплуатации - тангенциальную и коаксиальную прочность, работая на растяжение как бандаж, а на поперечный срез - как шпонка.

Рисунок 21 Различные типы конструктивного исполнения устройства для соединения композиционных труб: 1, 2 - торцы соединяемых труб; 3 - ступенчатый разъем; 4 - скрепляющие кольцевые элементы

Основным сдерживающим фактором широкого применения стеклопластиковых труб большого диаметра в магистральных нефте- и газопроводах является проблема потери герметичности стеклопластиковой стенки под высоким внутренним давлением транспортируемой среды. В связи с этим в настоящем разделе рассматривается концепция создания многоканальных трубопроводных систем, работающих на принципе внешнего противодавления, компенсирующего напряженное состояние трубных конструкций, находящихся под внутренним давлением перекачиваемой среды. Такая конструкция позволяет достичь условия эксплуатации, при котором у_раб<у_тр, где у_тр - предел трещиностойкости композиционной трубы. Конструктивно - технологически эта концепция была реализована в конструкции многоканального трубопровода, предназначенного для одновременной транспортировки двух и более разных продуктов (в частности, жидкого и газообразного) под высоким давлением (рис. 22).

Рисунок 22 Многоканальный трубопровод: 1-низконапорный внешний трубопровод; 2,4,6- транспортируемый продукт; 3-средненапорный промежуточный трубопровод; 5-высоконапорный внутренний трубопровод

Многоканальный трубопровод состоит из наружных средненапорных труб (металлических или стеклопластиковых) и внутренних стеклопластиковых труб меньшего диаметра для транспортировки жидкого или газообразного продукта под высоким давлением.

Предложенное конструктивно-технологическое решение трубопровода нефтегазового назначения позволяет раздельно и одновременно транспортировать нефть и газ, что предполагает экономию затрат на укладку магистрали. Транспортируемый в этом случае по наружному каналу газообразный продукт выполняет функции эффективной теплоизоляции внутреннего трубопроводного канала.

В пятой главе приводится технико-экономическое обоснование применения стекло-пластиковых труб в нефтегазовой промышленности.

Многие авторы, отмечая, что средняя стоимость стеклопластиковых труб в 4 раза больше, чем металлических, забывают отметить, что это - в расчете на тонну. А поскольку стеклопластик в 4 раза легче металла, то порядок цен композитных и металлических труб вполне сопоставимы. В таблице 4 приведены сравнительные расчеты, которые позволяют сделать выводы о перспективности использования стеклопластиковых труб вместо металлических. Как видно, стоимость стеклопластиковой и металлической трубы примерно одинаковы, а с учетом сроков эксплуатации, затрат на антикоррозионную защиту и очистку внутренней поверхности металлических труб, преимущества стеклопластиковых труб неоспаримы.

Таблица 4

Расчет стоимостей стеклопластиковой и металлической труб

Параметры труб	Стеклопластиковая труба	Металлическая труба
Диаметр наружный, мм	Толщина стенки, мм	Диаметр внутренний, мм	Масса 1 м трубы, кг	Метров в 1 тонне трубы, м	Стоимость одного метра трубы, руб.	Масса 1 м трубы, кг	Метров в 1 тонне трубы, м	Стоимость одного метра трубы, руб.
219	4	211	5,67	176,34	765,45	21,20	47,17	593,6
	7	205	9,79	102,19	1321,65	36,58	27,34	1024,24
	9	201	12,46	80,24	1682,1	46,59	21,47	1304,52
273	4	265	7,10	140,94	958,5	26,52	37,70	742,56
	7	259	12,28	81,45	1657,8	45,90	21,79	1285,2
	9	255	15,67	63,83	1692,36	58,57	17,07	1639,96
	12	249	20,65	48,42	2115,45	77,20	12,95	2161,6
325	4	317	8,47	118,11	1143,45	31,65	31,60	886,2
	7	311	14,68	68,13	1585,44	54,87	18,23	1536,36
	9	307	18,75	53,32	2531,25	70,10	14,26	1962,8
	12	301	24,77	40,38	3343,95	92,58	10,80	2592,24
530	6	518	20,73	48,24	2798,55	77,50	12,90	2170
	8	514	27,54	36,32	3717,9	102,93	9,71	2882,04
	10	510	34,29	29,16	4629,15	128,17	7,80	3588,76
	12	506	40,99	24,40	5533,65	153,22	6,53	4290,16

Средний экономический эффект от использования стеклопластиковых труб взамен стальных составляет 0,57 стоимости стеклопластиковой трубы на каждый 1 п.м. В расчетах принималось, что срок службы стеклопластиковой трубы составляет 25 лет против 5 у металлических; отношение стоимости 1 п.м. стеклопластиковой трубы к металлической - 1,3; учитывались дополнительные расходы, необходимые на очистку внутренней поверхности металлических трубопроводов.

Расчет проводился по критерию модифицированной суммы приведенных затрат З_п, которые учитывают разновременность инвестиционных и текущих вложений, и по коэффициенту эффективности дополнительных инвестиционных вложений

, (8)

где _t - коэффициент дисконтирования, зависящий от нормы дисконта; T_p - расчетный период, равный сроку службы стеклопластиковых труб; С_t - текущие издержки в t-ом году; K_t - инвестиции в t - й год.

Таким образом, экономическая целесообразность применения стеклопластиковых труб взамен металлических, особенно в нефтегазовой отрасли не вызывает сомнений.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. Разработана физико-механическая модель процессов трещинообразования в структуре композиционной стенки трубы под действием внутреннего давления. Составленная на основании этой модели программа расчета параметров проницаемости (коэффициент проницаемости, коэффициент диффузии, деформация разгерметизации, время потери сплошности) и полученные результаты позволили подтвердить следующие научные положения:

­ оптимальная величина объемного содержания волокон в структуре композиционно-волокнистого материала с точки зрения минимального значения коэффициентов проницаемости и диффузии составляет 70 % (Н = 0,7);

­ длительность действия нагрузки (кратковременное или длительное нагружение) практически не оказывает влияния на значение деформации разгерметизации стеклопластиковой стенки трубы;

­ имеет место механизм набухания стеклопластиковой стенки, приводящий к снижению коэффициентов проницаемости и диффузии.

2. Исследованы возможные причины возникновения «кессонной болезни», или «кессонного отслаивания», заключающегося во вздутии эластичного внутреннего герметизирующего слоя при сбросах давления. Рассмотрены некоторые вероятные причины.

Разработана система рекомендаций, позволяющих исключить развитие процессов отслаивания и вздутия герметизирующего слоя трубопровода.

3. Проведенные исследования показали, что проблему герметичности стеклопластиковых труб необходимо решать, используя два подхода: материаловедческий, направленный на рецептурную и/или композиционно-волокнистую организацию материала, и конструктивно-технологический, предусматривающий введение дополнительных конструктивно-технологических средств. В ходе работы были исследованы, обобщены и разработаны материаловедческие (9 принципов), конструктивно-технологические (7 принципов) и перспективные (6 принципов) подходы повышения трещиностойкости и обеспечения герметичности стенок стеклопластиковых труб.

4. Проведенные в работе исследования по восстановлению монолитности стеклопластиковой стенки трубы путем нанесения твердеющих анаэробных герметиков, показали, что при неоднократных циклических нагрузках предел монолитности (трещинообразования) уменьшается. Это связано с тем, что внедрение в структуру стенки застывающего анаэробного герметика вызывает возникновение остаточных напряжений, которые при повторных нагружениях способствуют более раннему началу процессов трещинообразования, а при многократных циклических нагрузках ? разрушению.

5. Экспериментально обнаружено, что имеющий место процесс набухания стеклопластиковой стенки трубы, приводит к уменьшению величины суммарной утечки транспортируемой среды через неплотности стенки. В диссертации объясняется причина и механизм этого явления.

6. Разработана, изготовлена и испытана базовая конструкция стеклопластиковой трубы с рифленой непроницаемой герметизирующей оболочкой (патент РФ № 2117206), позволяющая избегать возникновения «кессонного отслаивания».

7. Исходя из полученных в диссертации выводов (п.4), испытана конструкция стеклопластиковой трубы с анаэробной технологией герметизации стенки, основанной на использовании жидких нетвердеющих анаэробиков.

8. Разработаны конструкции многослойной стеклопластиковой трубы (патент РФ № 2117205), многослойного (патент РФ № 2183784) и многоканального (патент № 2140605) стеклопластиковых трубопроводов для транспортирования различных сред, в том числе агрессивных, под высокими давлениями.

9. Разработано новое устройство ступенчато-фасонного типа для соединения торцов композитных труб (патент РФ № 2191947), обладающее конструктивной простотой и обеспечивающее в то же время высокую надежность герметизации стыков.

10. Выявлены технико-экономические перспективы применения трубопроводов из композиционно-волокнистых материалов. В работе было продемонстрировано, что при проведении сравнительных расчетов по параметру «масса-длина-цена», стеклопластиковая труба оказывается более выгодной, чем металлическая.

Содержание диссертационной работы опубликовано в 2 монографиях, 55 научных публикациях (в том числе 16 в изданиях, рекомендованных ВАК), в том числе апробированы в докладах на 16 конференциях. По результатам выполненных прикладных разработок получено 5 патентов РФ на изобретения.

ПУБЛИКАЦИИ

Монографии:

1. Ягубов Э.З. Трубопроводные транспортные системы из композиционных материалов. Конструктивные и технологические принципы создания: Монография. Находка: ИТИБ, 2002. 85 с.

2. Ягубов Э.З. Конструктивно-технологические принципы создания композиционно-волокнистых труб нефтегазового назначения: Монография /Под редакцией д.т.н., профессора И.Ю. Быкова/ М.: ЦентрЛитНефтеГаз, 2008. 300 с.

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Ягубов Э.З. Актуальность проблемы использования высокопрочных стеклопластиковых труб в нефтяной промышленности // Нефтяное хозяйство. 2001. № 6. С. 68 - 70.

2. Ягубов Э.З. Физико-математическое моделирование процессов трещинообразования в стенке нефтепроводов из композиционных материалов // Нефтяное хозяйство. 2001. № 12. С. 78 - 80.

3. Галинский А.В., Цыплаков О.Г., Ягубов Э.З. Высоконапорные полиэтиленовые трубопроводы большого диаметра // Техника машиностроения. 2001. № 5. С. 62-64.

4. Ягубов Э.З. Моделирование процессов трещинообразования и проницания композиционных стенок сосудов высокого давления // Механика композиционных материалов и конструкций. 2002. Том 8, № 4. С. 456 - 467.

5. Ягубов Э.З. Конструктивно - технологические принципы создания многофункциональ-ных герметичных трубопроводов высокого давления // Нефтяное хозяйство. 2002. № 11. С. 107-109.

6. Ягубов Э.З. Опыт и перспективы создания трубопроводов из композиционных материалов // Нефтяное хозяйство. 2002. № 4. С. 124-127.

7. Ягубов Э.З. Конструктивно-технологические принципы проектирования много-канальных трубопроводных систем для транспортирования агрессивных сред // Нефтяное хозяйство. 2003. № 11. С. 92-94.

8. Ягубов Э.З. Высоконапорные герметичные стеклопластиковые трубы для нефтегазовой промышленности // Конструкции из композиционных материалов. 2006. № 3 (август-сентябрь). С. 42-49.

9. Ягубов Э.З. Стеклопластиковые трубы: проблемы и перспективы применения в нефтегазовой промышленности // Технологии нефти и газа. 2006. № 5. С. 61-67.

10. Ягубов Э.З. Многоканальный нефтегазопровод // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2006. № 4. С. 117 - 118.

11. Ягубов Э.З. Стеклопластиковые трубы - будущее экологически безопасного нефтегазопроводного транспорта // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. 2007. №7. С. 20 - 23.

12. Ягубов Э.З. Устройство для соединения труб из полимерных и композиционных материалов // Конструкции из композиционных материалов. 2007. № 4 (декабрь). С. 78 - 86.

Публикации в других изданиях:

1. Мордвинов А.А., Ягубов Э.З. К вопросу повышения долговечности и безопасности трубопроводов // Сб. научных трудов УИИ «Проблемы освоения природных ресурсов Европейского Севера», Ухта. 1996. С. 149 - 152.

2. Ягубов Э.З. Математическая модель расчета параметров потери сплошности, разрушения и проницаемости изделий из композиционных материалов // Вопросы оборонной техники. Сер. 15, вып. 1(117). 1997. С. 15-18.

3. Ягубов Э.З. Физическая модель трещинообразования и проницаемости изделий из композиционных материалов // Вопросы оборонной техники. Сер. 15, вып. 1(117). 1997. ­ С. 12 - 15.

4. Смыслов В.И., Цыплаков О.Г., Ягубов Э.З. Проблемы герметичности аккумуляторов давления и баллонов сжатого газа // Вопросы оборонной техники. Сер. 15, вып. 1(117). 1997. С. 39 - 43.

5. Цхадая Н.Д., Нередов В.Н., Ягубов Э.З. Эколого-экономическая эффективность использования трубопроводов из композиционных материалов // Материалы региональной научно-технической конференции «Социально-экономические проблемы топливно-энергетического комплекса». Ухта. 1997 г. С. 65.

6. Ягубов Э.З. Применение стеклопластиков для восстановления и реконструкции металлических газонефтепроводов // Сборник научных трудов Всероссийской НТК «Перспективные материалы, технологии, конструкции». Красноярск. 1999. С. 208-209.

7. Цыплаков О.Г., Цхадая Н.Д., Ягубов Э.З. и др. Способ транспортирования агрессивной среды под высоким давлением // Информационный листок Коми ЦНТИ №11. Сыктывкар. 1999. 4 с.

8. Цыплаков О.Г., Цхадая Н.Д., Ягубов Э.З. и др. Стеклопластиковая труба для транспортирования агрессивной среды под высоким давлением // Информационный листок Коми ЦНТИ №10. Сыктывкар.1999. 4 с.

9. Жуйко П.В., Ким С.К., Коротков В.П., Ягубов Э.З. и др. Исследование коррозионной активности нефти в резервуарах НПС "Уса" // Материалы 2-ой региональной научно-практической конференции "Актуальные проблемы геологии нефти и газа". Ухта. 1999. С. 377-378.

10. Жуйко П.В., Ким С.К., Коротков В.П., Ягубов Э.З. и др. Исследование процессов снижения коррозионной активности нефти содержащей сероводород // Материалы 2-ой региональной научно-практической конференции "Актуальные проблемы геологии нефти и газа". Ухта. 1999. С. 378-381.

11. Цхадая Н.Д., Ягубов Э.З. Экологические аспекты использования стеклопластиковых труб в нефтяной и газовой промышленности // Материалы 2-ой региональной научно-практической конференции "Актуальные проблемы геологии нефти и газа". Ухта. 1999. С. 396-398.

12. Ягубов Э.З., Жуйко П.В., Нередов В.Н. Конструктивно-технологические принципы проектирования нефтегазопроводов из стеклопластика // Материалы 2-ой региональной научно-практической конференции "Актуальные проблемы геологии нефти и газа". Ухта. 1999. С. 403-406.

13. Ягубов Э.З., Жуйко П.В., Нередов В.Н. Методы восстановления и реконструкции магистральных нефтегазопроводов // Материалы 2-ой региональной научно-практической конференции "Актуальные проблемы геологии нефти и газа". Ухта. 1999. С. 414-417.

14. Ягубов Э.З. К вопросу об эффективности использования композиционно-волокнистых материалов в нефтегазовой промышленности // Сб. научных трудов УГТУ. 2000. №4. С. 61-63.

15. Ягубов Э.З. Пути повышения эффективности функционирования нефтегазопродуктопроводов // Сб. научных трудов УГТУ. 2000. №4. С. 63-67.

16. Ягубов Э.З. Проблемы обеспечения герметичности сосудов высокого давления из композиционных материалов // Труды Всероссийской НТК «Перспективные материалы, технологии, конструкции - экономика». Красноярск. 2000. Вып. 6, С.461-463.

17. Ягубов Э.З. Конструктивно-технологические проблемы ремонта трубопроводных транспортных систем и пути их решения // Труды Всероссийской НТК «Перспективные материалы, технологии, конструкции - экономика». Красноярск. 2001.Вып. 7, С. 309-312.

18. Цыплаков О.Г., Ягубов Э.З. Многоканальный трубопровод-будущее трубопроводных транспортных систем // Материалы III Международной научно-практической конференции «Наука-Техника-Технологии на рубеже третьего тысячелетия». Находка. 2001. С. 17-18.

19. Ягубов Э.З. Пути решения проблемы создания непроницаемых сосудов высокого давления из композиционных материалов // Материалы III Международной научно-практической конференции «Наука-Техника-Технологии на рубеже третьего тысячелетия». Находка. 2001. С. 16-17.

20. Галинский А.В., Цыплаков О.Г., Ягубов Э.З. Высоконапорные полиэтиленовые трубопроводы большого диаметра // Материалы Всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмическая техника и высокие технологии - 2001». Пермь. 2001. С. 74.

21. Цыплаков О.Г., Ягубов Э.З. Многоканальные высоконапорные трубопроводы из стеклопластика // Материалы Всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмическая техника и высокие технологии - 2001». Пермь. 2001. С. 312.

22. Ягубов Э.З. Энергосберегающие технологии в трубопроводном транспорте // Материалы Международной научно-практической конференции «Энерго- ресурсосберегающие технологии Прииртышья». Павлодар. 2001. С. 101-105.

23. Ягубов Э.З. Конструктивно-технологические принципы создания высоконапорных стеклопластиковых труб для транспортирования агрессивных сред под высоким давлением // Сборник материалов V Международной научной конференции «Биосфера и человек - проблемы взаимодействия». Пенза: ПООО «Возрождение». 2001. С. 195 - 197.

24. Цыплаков О.Г., Ягубов Э.З. Многоканальные высоконапорные трубопроводы из стеклопластика // Вестник ПГТУ. Аэрокосмическая техника. Пермь: ПГТУ. 2001. N8. C.142-148.

25. Цыплаков О.Г., Ягубов Э.З. Высоконапорные многослойные трубопроводы из стеклопластика // Материалы Всероссийской НТК «Аэрокосмическая техника и высокие технологии - 2002».Пермь. С.

26. Ягубов Э.З. Пути ремонта и восстановления изношенных трубопроводных систем и перспективы развития трубопроводного транспорта // Материалы IV Международной НПК конференции «Наука-Техника-Технологии на рубеже третьего тысячелетия». Находка. 2002. С. 15-18.

27. Галинский А.В., Цыплаков О.Г., Ягубов Э.З. Неразъемные соединения труб из полимерных и композиционно - волокнистых материалов // Материалы IV Международной НПК конференции «Наука-Техника-Технологии на рубеже третьего тысячелетия». Находка. 2002. С. 14-16.

28. Галинская О.О., Цыплаков О.Г., Ягубов Э.З. Сборные бислойные трубопроводы // Материалы IV Международной НПК конференции «Наука-Техника-Технологии на рубеже третьего тысячелетия». Находка. 2002. С. 13-14.

29. Ягубов Э.З. К вопросу создания трубопроводов из стеклопластика // Всероссийский симпозиум «Химия: фундаментальные и прикладные исследования, образование». В 2-х томах. Хабаровск: Дальнаука. 2002. С. 78-80.

...