книги / Материалы для сооружения газонефтепроводов и хранилищ

Т а б л и ц а 21. Размеры (в мм) напорных труб с раструбом из высокопрочного чугуна

20. 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, до­ статочно высокие механические и технологические свойства. За счет гладкости стенок труб повышается производительность трубопроводов на 10—15 % в результате уменьшения трения о стенки труб при перекач­ ке продуктов, а также предотвращается отложение парафина и других примесей на их стенках.

Алюминиевые трубы рекомендуют применять: для газонефтепроводов, транспортирующих агрессивные среды, прокладываемых в кор­ розионно-активных грунтах; при надземной прокладке, когда необхо­ дима легкость конструкции (строительство воздушных переходов) ; для прокладки в труднодоступных горных условиях, в болотистой местно­ сти; в прибрежной полосе моря; при укладке газонефтепроводов на по­ верхности земли в районах вечной мерзлоты и т.д.

При сооружении газонефтепроводов из алюминиевых труб сокраща­ ется 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 тру­ бопроводов.

Стыковые соединения алюминиевых труб выполняют сварными с применением различных методов сварки или разъемными, например, с помощью резьбовых муфт. Сопряжение алюминиевого трубопровода

161

11 - 6682

со стальным можно осуществлять на фланцах с принятием мер защиты против гальванической коррозии.

Применению алюминиевых труб для газонефтепроводов способству­ ет снижение стоимости алюминия и его сплавов благодаря строительству новых мощных заводов и комбинатов по производству алюминия и его сплавов, а также усовершенствованию технологии их производства.

Трубы из алюминия и его сплавов можно применять для маги­ стральных газонефтепроводов диаметром до 300 мм, а также промысло­ вых и разводящих нефтяных и газовых сетей трубопроводов.

Материал труб

Материал для труб выбирают исходя из следующих основных требова­ ний: алюминиевый сплав должен хорошо свариваться методом дуговой сварки или другими меюдами, предел текучести алюминиевого спла­ ва —не более 0,7 от временного сопротивления, относительное удлине­ ние —не менее 15 %, ударная вязкость алюминиевых сплавов при темпе­ ратуре 15 °С - не менее 30 Дж/см2 При температуре от 60 до -5 0 0С 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 Al-Mg—Zn марки В92, систе­ мы Al-Cu-Mg марок Д1 и Д16 и системы А1—Mg—Si марки АД35, уп­ рочняемые 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 приме­ нять трубы, изготовленные из алюминиевых сплавов марок АМгб и В92, а также АД35; для сварных газонефтепроводов среднего давления —из сплавов АМг2 и АМгЗ и для сварных трубопроводов низкого давления — из алюминия марок АДО, АД и АД1. При изготовлении несварных газо­ нефтепроводов с резьбовыми или фланцевыми соединениями можно ис­ пользовать выосокопрочные дюралюмины марок Д1, Д16 и др. Механи­ ческие свойства алюминиевых труб приведены в табл. 2 2 .

За рубежом для изготовления труб применяют аналогичные по свой­ ствам сплавы.

Изготовление труб

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

162

Т а б л и ц а 22. Механические свойства труб из алюминия и его сплавов

П р и м е ч а л и е.М —отожженный; Т —закаленный и естественно состарен­ ный; Т1 —закаленный и искусственно состаренный; без индекса —металл без обработки; Н —нагартованный.

Целесообразность применения того или иного способа для изготов­ ления труб определяется рядом факторов, и прежде всего требованиями качества, точности размеров и стоимости изготовления, а также особен­ ностями применяемого материала для труб.

Наиболее производительным является метод прессования бесшов­ ных труб на специальных гидравлических прессах. Ассортимент труб, получаемых на прессах, весьма разнообразен.

При более высоких требованиях к точности размеров, состоянию по­ верхности, а также к механическим свойствам труб для их изготовления применяют метод волочения в холодном состоянии в несколько прохо­ дов. Вследствие наклепа при волочении материал становится жестче, так как его прочность увеличивается, а пластичность уменьшается. Кроме того, труба становится более прямой и приобретает гладкую поверх­ ность. Волочению подвергают прессованные трубные заготовки.

Для изготовления труб из цветных металлов и сплавов стали исполь­ зуют также метод холодной прокатки. Основное его преимущество — возможность получения весьма высокой вытяжки за один проход. Каче­ ство катаных труб как по механическим свойствам, так и по состоянию поверхности более высокое, чем у труб после волочения.

Институтом электросварки им. Е.О. Патона предложен способ по­ лучения бесшовных алюминиевых плоскосворачиваемых труб методом

163

прокатки из полых круглых слитков. Для этого изготовляли слитки с внутренним диаметром, равным диаметру готовой трубы. Их отлива­ ли полунепрерывным способом и обжимали на прессе. После подогре­ ва такие заготовки подавали на прокатный стан, где их прокатывали в длинные полосы толщиной, вдвое превышающей толщину стенок буду­ щего трубопровода. Чтобы внутренние стенки заготовок при прокатке не сваривались, их смазывали пастой из веретенного масла и талька. Пос­ ле прокатки боковые кромки заготовки (лишний металл) обрезали ди­ сковыми ножницами по всей длине ленты (для обеспечения необходи­ мой толщины стенки). Далее плоские трубы сворачивали в рулон и от­ правляли для монтажа трубопроводов.

При монтаже звеньев трубопровода концы рулонов труб сваривали встык сваркой с фтористым флюсом или аргонодуговой сваркой неплавящимся электродом. После сварки шлак и остаток флюса смывали горячей водой, так как флюс, содержащий фтористые соединения, мог вызвать коррозию металла при эксплуатации трубопровода.

Рулоны плоскосворачиваемых труб разворачивали и после натяже­ ния с помощью трактора раздували сжатым воздухом при давлении 0,6 МПа. Затем снижали давление до 0,2 МПа и проверяли плотность соединений. Испытания показали, что трубы со стенками толщиной 4 мм и длиной 25—30 м разрушаются при давлении 0,3 МПа. Монтаж трубопроводов из звеньев труб можно проводить также на фланцах. Болты, шайбы и гайки оцинковывают.

У нас в стране из алюминия и его сплавов изготовляют бесшовные трубы длиной 1 —6 м двух видов: тянутые диаметром 6—120 мм, толщи­ ной 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 по­ лос позволит в дальнейшем расширить сортамент труб. За рубежом при­ меняют трубы примерно такого же типа.

Технические требования, предъявляемые к алюминиевым трубам

К алюминиевым трубам для газонефтепроводов, так же как и к стальным, предъявляют комплекс требований: по свойствам материала, определяемым механическими свойствами; по химическому составу, технологическим свойствам; по качеству поверхности; по точности из­ готовления; по гидравлическому испытанию на прочность и др.

Отожженные трубы из чистого алюминия марок АД, АД1 и АДО должны выдерживать (без образования трещин) испытание на продоль­ ное сжатие. Отожженные трубы из сплава марки АМг испытывают на сплющивание до соприкосновения стенок.

1 6 4

Структура труб не должна быть крупнокристаллической. Трубы должны быть прямыми, с обрезанными перпендикулярно к продольной оси концами, без заусенцев. Допускаемая кривизна тонкостенных труб или стрела прогиба —не более 1 мм на 1 м длины; толстостенных —3—5 мм на 1 м длины. Общая кривизна труб не должна превышать произве­ дения местной кривизны на длину труб в метрах.

Косина реза не должна выводить трубы за пределы 0,5 допускаемого отклонения по длине, но не превышать: 2 мм для труб диаметром 12 0 -

200 мм и 7 мм для труб диаметром свыше 200 мм.

Овальность и разностенность труб не должны превышать их допу­ скаемые отклонения соответственно по наружному диаметру и толщи­ не стенки. Наружная и внутренняя поверхности труб должны быть глад­ кими и ровными, без плен, трещин, пузырей, расслоений, посторонних включений, рисок, грубых следов протяжки, забоин, царапин, смятии и пятен коррозионного происхождения. Допускаются единичные мелкие дефекты: плены, забоины, царапины, пузыри и вмятины глубиной, не выходящей за пределы минусового допуска по толщине стенки трубы.

21. Пластмассовые трубы

Пластмассовые трубы находят все большее применение в нефтяной и га­ зовой промышленности. По сравнению со стальными трубами они имеют следующие преимущества: высокую коррозионную стойкость к боль­ шинству агрессивных сред, хорошие диэлектрические свойства, низкие потери на трение и небольшую плотность при достаточно высоких проч­

ности и эластичности.

Коррозионная стойкость пластмассовых труб к действию большого количества неорганических и органических соединений исключает воз­ можность загрязнения транспортируемых по ним жидкостей. Пластмас­ совые трубопроводы не подвержены почвенной и атмосферной коррозии и действию бактерий, поэтому их не покрывают наружным защитным изоляционным покрытием. Кроме того, из-за высоких диэлектрических свойств пластмассовых трубопроводов на них не действуют электрохи­ мическая и гальваническая коррозия, а также блуждающие токи. Срок службы пластмассовых трубопроводов составляет 50 лет и более.

Гладкость стенок пластмассового трубопровода способствует сни­ жению потерь на трение и уменьшению падения давления транспортируе­ мой среды. В связи с этим пропускная способность пластмассового тру­ бопровода выше пропускной способности трубопровода из углеродистой стали на 10—15 %.

Легкость пластмассовых труб приводит к облегчению технологи­ ческого процесса сооружения трубопровода, сокращению расходов на транспортировку труб и ускорению их сборки. Плотность пластмасс для труб изменяется в широких пределах, составляя, например, для поли­

165

этилена ~0,92 г/см3, а для поливинилхлорида 1,4 г/см3 Большинство пластмасс в 5—6 раз легче стали и в 2 раза легче алюминия.

Достаточно высокая механическая прочность пластмассовых труб обусловливается как прочностью самих полимеров, так и прочностью на­ полнителей. Например, стеклопластиковые трубы по прочности не усту­ пают стальным. Большинство пластмассовых труб применяют на давле­ ние 0,3—1 МПа, а стеклопластиковые трубы —до 2,5 МПа и выше.

Эластичность пластмассовых труб обеспечивает им высокую сопро­ тивляемость ударам и способность многократно перегибаться без нару­ шения целостности.

Вместе с тем пластмассовым трубам свойственны и некоторые не­ достатки: низкий модуль упругости, ползучесть, старениё, высокий ко­ эффициент линейного расширения, низкая теплостойкость и др. Из-за более низкого модуля упругости они менее жестки, чем стальные. Мо­ дуль упругости самых жестких пластмасс (стеклопластиков) на одиндва порядка ниже, чем у металлов.

Прочность пластмассовых труб уменьшается не только при нагрева­ нии, но и в процессе эксплуатации под давлением с течением времени при нормальной температуре, так как при этом наблюдается ползучесть материала. Явление ползучести выражается в медленном деформирова­ нии полимерного материала (холодной текучести) с течением времени под действием постоянной нагрузки (рис. 67), что приводит к уменьше­ нию толщины стенки материала и его разрушению при напряжениях, зна­ чительно меньших расчетного. Допускаемое давление для трубопрово­ дов, изготовленных из пластмасс, строго ограничивают. Повышение дей­ ствующих нагрузок, температуры и коррозионной активности среды по­ вышает склонность» к ползучести пластмассовых труб. При применении наполнителей их ползучесть значительно снижается, но не устраняется полностью.

Старение пластмассовых труб проявляется в ухудшении их физико­ механических свойств с течением времени. Атмосферные условия экс­ плуатации трубопроводов (температура, влажность, солнечный свет) ускоряют процесс старения пластмасс. Значительное водопоглощение, наблюдающееся у некоторых пластмассовых труб, приводит к ухудше-

166

нию электроизоляционных свойств и изменению внешнего их вида из-за коробления. Большим водопоглощением отличаются, например, тексто­ литовые трубы. Для уменьшения влияния солнечных лучей, кислорода и влаги на свойства пластмассовых труб в них вводят стабилизаторы.

При низких температурах снижается эластичность пластмассовых труб и повышается их хрупкость. Наименее морозостойкие пластмассо­ вые трубы применяют при температуре до —15 или до -2 0 °С (трубы поливинилхлоридные из оргстекла). Морозостойкость полиэтилена —70 °С, полипропилена —35 °С, фторопласта -269 °С.

Коэффициент линейного расширения у пластмассовых труб в 6- 10 раз выше, чем у стальных, поэтому при строительстве трубопроводов необходимо предусматривать компенсаторы.

Теплостойкость (максимальная температура, выше которой эксплу­ атационные свойства материала резко ухудшаются) паластмассовых труб низкая: для полиэтиленовых она составляет 120 °С, для поливи­ нилхлоридных труб 60 °С, для полипропиленовых труб 150 °С и для стеклопластиковых труб 120—160 °С.

Огнестойкость пластмассовых труб зависит от используемых поли­ меров и наполнителей. Известны горючие пластмассы —ацетобутират- целлюлоза, полистирол и др. Поливинилхлорид, например, только тлеет, мочевиноформальдегидные смолы даже препятствуют возгоранию. Поч­ ти все пластмассовые трубы при температуре 300—400 °С разлагаются, т.е. происходит их деструкция.

Теплопроводность пластмассовых труб в 500—600 раз ниже тепло­ проводности металла. Это может служить и как положительное свойство, например, при транспортировании горячих продуктов.

Несколько большая стоимость пластмассовых труб компенсирует­ ся меньшей стоимостью их прокладки и увеличением срока службы.

Материал труб

Состав пластмасс для труб. Основой пластмассы для изготовления труб служит полимерное связующее, а также наполнитель, пластификатор, стабилизатор, краситель и другие добавки (ингредиенты).

П о л и м е р н о е с в я з у ю щ е е в е щ е с т в о представляет со­ бой однородную полимерную смолу или композицию смол. Смолой на­ зывается сложная смесь родственных или взаимно растворимых органи­ ческих высокомолекулярных соединений, находящихся в устойчивом твердо-жидком состоянии. Смолы имеют стабильную аморфно-стекло- видную структуру и подразделяются на природные, искусственные и синтетические. В производстве пластмасс применяют главным образом синтетические смолы.

Природными являются растительные смолы (канифоль, добываемая из смолы хвойных деревьев — живицы), ископаемые смолы (янтарь, копал, сандарак) и смолы животного происхождения (шеллак).

167

Искусственными смолами называются полимерные вещества, полу­ чаемые модифицированием (химическим синтезом) таких природных высокомолекулярных соединений, как белки и целлюлоза.

Синтетическими смолами называются полимерные вещества, полу­ чаемые из низкомолекулярных соединений при помощи специальных химических процессов. Полимерами называются высокомолекулярные вещества, молекулы которых содержат многократно повторяющиеся простые структурные элементарные звенья (группы атомов) в виде хи­ мических соединений. Исходные низкомолекулярные вещества органиче­ ского происхождения, способные соединяться между собой в гигантские молекулы, называются мономерами. Благодаря наличию двойных или тройных связей мономеры способны соединяться между собой, образуя молекулы удвоенной (димер), утроенной (тример) или многократно увеличенной молекулярной массы (полимер). Если молекулы полимера имеют очень большие размеры по сравнению с размерами молекулы мо­ номера, то их называют высокополимерами.

Молекулярная масса полимера достигает десятков и сотен тысяч еди­ ниц, а в некоторых случаях даже и нескольких миллионов, тогда как у обычных низкомолекулярных веществ она исчисляется десятками или сотнями единиц (например, водород —2 , вода — 18, этиловый спирт — 46, стирол —104).

Превращение исходного низкомолекулярного вещества (мономера) в высокомолекулярное полимерное вещество осуществляется при по­ мощи полимеризации, поликонденсации и других реакций, т.е. синтети­ ческим путем. Химические процессы получения полимеров определяют их свойства.

Полимеризацией (цепкой) называется процесс соединения большого числа молекул низкомолекулярных ненасыщенных веществ А (имею­ щих двойную химическую связь между атомами) по цепной реакции. Гигантская молекула, образовавшаяся в результате этого процесса, име­ ет тот же эмпирический состав, что и исходная:

Достаточно привести в активное состояние сравнительно небольшое количество молекул, как они вызовут последующее превращение сотен и тысяч других молекул.

Можно сказать, что молекулы высокополимеров, получаемых мето­ дом полимеризации, построены из одной и той же молекулярной детали, многократно повторенной, поэтому различие их свойств определяется только числом этих деталей, соединенных в длинную цепочку. Такое строение и определяет основные свойства высокополимеров: твердость, прочность, гибкость, пластичность, эластичность и т.д. Значит, при поли­ меризации химический состав полимера соответствует химическому со­ ставу исходного мономера.

168

При полимеризации всегда образуется смесь соединений с различной длиной молекулярных цепей, поэтому высокомолекулярное вещество не представляет собой химически индивидуальное соединение, а является сложной смесью компонентов, близких по составу, но отличающихся длиной молекулярных цепей. Такие смеси молекул называют полимергомологами.

Для получения материалов со специальными сочетаниями свойств в качестве исходного продукта берут не один, а два или три различных мо­ номера в определенных пропорциях. Такой процесс полимеризации назы­ вается совместной полимеризацией, или сополимеризацией, а готовый продукт называют совместным полимером, или сополимером. Для сопо­ лимеров характерно то, что они сочетают в себе свойства обоих или не­ скольких полимеров, получаемых раздельно из исходных мономеров. Причем в зависимости от соотношения числа применяемых мономеров, а также предполагаемого назначения сополимеров те или иные присущие мономерам свойства могут быть усилены или ослаблены. Современное состояние химии высокополимеров позволяет получать полимеры с за­ ранее заданными свойствами.

Поликонденсацией называется процесс соединения друг с другом большого числа молекул низкомолекулярных полифункциональных веществ, происходящий с отщеплением простых составных частей моле­ кул в виде воды, спирта, хлористого водорода, аммиака и др.

Функциональными называют соединения, содержащие две или бо­ лее химически активные группы атомов. В результате реакции поликон­ денсации бифункциональных соединений с двумя функциональными группами получают полимеры линейной структуры, а в результате реак­ ции поликонденсации соединений с тремя и более функциональными группами получают полимеры пространственной трехмерной струк­ туры.

Поликонденсация в отличие от цепной реакции полимеризации — \j ступенчатый процесс. Рост цепи молекул полимеров происходит путем взаимодействия одной исходной молекулы с другой. Образовавшееся

соединение (олигомер) реагирует со следующими молекулами исходных веществ и т.п.

При формовании труб и других изделий на основе полимеров, от­ верждающихся с выделением летучих веществ, необходимы высокие давления и температуры, чтобы изделия были плотными и качественны­ ми. Отверждение их осуществляется горячим способом с применением отвердителей — веществ, добавляемых к полимерам и служащих для ’’сшивания” их молекул друг с другом.

Обе реакции получения высокомолекулярных веществ — частные случаи двух основных реакций органической химии —реакции присоеди­ нения (полимеризации) и реакции замещения (поликонденсации).

Некоторые полимеры образуются в результате ступенчатой полиме-

169

рйзации, состоящей из нескольких реакций, протекающих путем после­ довательного контакта реагирующих молекул с возникновением на каждой ступени реакции промежуточных устойчивых линейных соедине­ ний без выделения побочных продуктов, что позволяет получить с их использованием качественные пластмассовые трубы и другие изделия без применения высоких температур и давлений при холодном отверж­ дении.

Полимерные вещества получают не только химическим синтезом простых веществ путем использования реакций полимеризации, полико­ нденсации и других (синтетическим путем), но также в результате хими­ ческой модификации природных высокомолекулярных веществ, напри­ мер, путем химической обработки природной целлюлозы хлопка или целлюлозы, выделенной из древесины (химическим синтезом).

Вкачестве полимерного связующего часто используют смеси поли­ меров. При этом стремятся к оптимальному сочетанию свойств компо­ нентов, обеспечивающему достижение заданного комплекса эксплуата­ ционных свойств материала или изделия. При составлении смеси поли­ меров учитывают их совместимость.

Под совместимостью полимеров понимают их способность образо­ вывать при определенных температуре, давлении, концентрации устойчи-. вую систему из молекулярно диспергированных компонентов. На практике в большинстве случаев смеси полимеров оказываются термо­ динамически несовместимыми. Причем оптимальные эксплуатационные свойства полимерного материала на основе смеси полимеров, например прочность, достигаются не при молекулярном перемешивании компо­ нентов смеси, а при некоторой степени неоднородности системы.

Как правило, при составлении полимерной композиции отправной точкой служат такие условия эксплуатации материала, как интервал температур эксплуатации, уровни механических и других воздействий, при которых рабочие характеристики должны иметь допустимые значе­ ния в пределах заданного времени эксплуатации.

На п о л н и т е л ь — важнейшая составная часть пластмассовых труб. Полимерное связующее цементирует наполнитель и придает пла­ стические свойства всей полимерной композиции. Наполнители служат для модификации свойств материала. Они улучшают физико-механиче­ ские, диэлектрические и другие свойства пластмасс, повышают их тепло­ стойкость, уменьшают усадку, а также снижают стоимость.

Впластмассовых трубах применяют органические и неорганиче­ ские наполнители. Органические наполнители —древесная мука, хлоп­ ковые очесы, целлюлоза, бумага, хлопчатобумажная ткань, древесный шпон и стружка. В качестве неорганических наполнителей используют асбест, графит, стекловолокно, стеклоткань, слюду, кварц и т.д. На­ полнители применяют в порошкообразном виде, а также в виде волокон (волокна хлопка, асбеста и др.) и полотнищ. Наполнители в виде полот­

170