книги / Материалы для сооружения газонефтепроводов и хранилищ

Т а б л и ц а 23. Область применения различных пластмассовых труб в зависи­ мости от допускаемого давления в газопроводе

строительством химических комбинатов и заводов, дешевизной сырья и открытием новых сырьевых ресурсов, а также удешевлением производ­ ства и повышением качества и стабильности свойств синтетических смол за счет совершенствования существующих и создания новых технологи­ ческих процессов в химии полимеров, повышением качества используе­ мых при этом исходных материалов, совершенствованием и созданием новых методов изготовления труб и т.д.

Непрерывное улучшение свойств пластмасс и создание новых их ви­ дов — предпосылки для получения высококачественных пластмассо­ вых труб, выдерживающих высокие давления и температуры.

Изготовление труб

В отличие от других материалов процесс изготовления труб и различ­ ных изделий из пластмасс характеризуется почти полным отсутствием отходов, более высоким уровнем производительности труда и неболь­ шими эксплуатационными затратами.

Формование труб из термопластичных и термореактивных пластмасс осуществляется различными методами. Наиболее распространенный способ изготовления труб из термопластичных пластмасс —непрерыв­ ная шнековая экструзия (выдавливание). Процесс изготовления труб диаметром до 500 мм методом экструзии заключается в непрерывном выдавливании полимерной композиции через кольцевую щель формую­ щей головки экструдера с последующим охлаждением.

181

t

Вода

Вода Вода

Рис. 76. Установка для изготовления труб методом экструзии

головку 2 в виде трубы 6. Далее труба поступает в калибровочную насадку (гильзу) 3, в которой она частично охлаждается и приобретает необходимые размеры. При этом в трубу подводится сжатый воздух для прижатия ее к стенкам насадки или создается вакуум между тру­ бой и насадкой. Затем труба охлаждается в ванне с двумя температурны­ ми зонами 4 и 5, проходит маркировку в устройстве 7, протягивается тянущим устройством 8 и разрезается пилой 9. Готовые трубы посту­ пают на приемный стол 10. Трубы небольшого диаметра сматываются в бухты.

Трубы из термопластичных, а также из термореактивных пластмасс можно изготовлять методом горячего прессования на гидравлических прессах (рис. 77). Материал 5 после специальной подготовки на валь­ цах или смесителях загружают в горячем состоянии в обогреваемый цилиндрический корпус 1 пресса и выдавливают плунжером 6 через головку пресса. Головка имеет распределительную сетку для смешива­ ния материала, а также сменные мундштук 2 и дорн 4, образующие коль­ цевое пространство для оформления трубы 3 по заданным размерам. Трубу, сформованную на основе термореактивных полимеров, подают далее на горячее отверждение для закрепления полученной формы. Тру­ ба на основе термопластичных полимеров приобретает форму и разме­ ры после остывания материала. Отверждение термореактивных смол

проводят холодным или горячим способом в зависимости от химичес­ кой природы полимерного связующего.

Рис. 77. Схема изготовления пласт­ массовой трубы методом горячего прессования на гидравлических прес­ сах

182

Рис. 78. Схема изготовления пластмассовых труб из листовой заготовки:

1 — печь; 2 — заготовка из термопласта; 3 — сварочная головка; 4 —контактный термометр; 5 — камера предварительного охлаждения; 6 — оформляющая часть раструбной трубы; 7 — камера интенсивного охлаждения; 8 — захват; 9 — тяго­ вое устройство; 10 — стойка; 11 — раструбная часть оформляющей трубы

Недостатки метода горячего прессования труб — цикличность про­ цесса, большое число немеханизированных операций, необходимость в дополнительном оборудовании для подготовки полимерных мате­ риалов (вальцы, смесители и др.), нестабильность качества труб (взду­ тия, трещины), а также большие отклонения по толщине стенки, оваль­ ности и др.

Из листовых термопластов трубы можно изготовлять способом свар­ ки давлением (компрессионной) (рис. 78). Заготовки из термоплас­ тичного материала подвергают предварительному нагреву в электропе­ чи 1 до пластичного состояния и протягивают через специальную рас­ трубную оформляющую трубу б с помощью специального устройства 9. При протягивании через раструбную часть оформляющей трубы заго­ товка сворачивается в трубу, а ее кромки в момент схождения интен­ сивно разогреваются электрическими элементами или струей горячего воздуха, поступающего из специальной сварочной головки 3. Разогре­ тые кромки трубы свариваются под действием давления по мере про­ хождения через раструбную часть 11 оформляющей трубы. Давление при сварке определяется размером листовой заготовки и температу­ рой кромки. Далее сваренную трубу калибруют в цилиндрической

части оформляющей трубы и охлаждают.

Для изготовления труб диаметром 300—1200 мм из термопластич­ ных и термореактивных пластмасс применяют центробежный способ (рис. 79). При изготовлении, например, полиэтиленовой трубы поро­ шок полиэтилена засыпают во вращающийся металлический обогре­ ваемый цилиндр 3. Когда температура стенок цилиндра достигает бо­ лее 200°С, происходит сплавление порошка в монолитную массу. Эта масса под действием центробежной силы равномерно распределяется по стенке цилиндра. После отключения обогрева цилиндр продолжает

183

Рис. 79. Схема изготовления полиэтиленовой трубы центро­ бежным способом:

1 — бункер; 2 —питающая тру­ ба; 3 — вращающийся цилиндр; 4 — приводной ролик; 5 — го­ релка для нагрева; 6 — электро­ двигатель; 7 — слой полиэти­ лена; 8 — устройство для водя­ ного охлаждения

вращаться и его охлаждают водой или воздухом. Охлажденную трубу благодаря усадке полиэтилена легко извлекают из формы. По количест­

ву засыпаемого в цилиндр порошка определяют толщину трубы. При из­ готовлении труб диаметром 500 мм и более в цилиндр помещают экс­ центрично вращающийся вал, который как бы обкатывает и утрам­ бовывает слой полиэтилена.

Формование центробежным способом (рис. 80, а) труб из термо­ реактивных материалов со слоистым или стекловолокнистым напол­ нителем начинают с изготовления заготовки из наполнителя с помощью оправки. Полученную заготовку из наполнителя снимают с оправки и помещают в цилиндрическую форму. Затем вовнутрь формы вводят связующее и форму приводят во вращение. В процессе вращения фор­ мы происходит выравнивание армирующего стеклонаполнителя и поли­ мерного связующего под действием центробежных сил. Для отвержде­ ния полимерного связующего формуемую трубу нагревают, например, подачей пара в рубашку, располагающуюся вокруг формы.

Трубы больших диаметров с более высокими механическими свойст­ вами, чем трубы, изготовляемые на центробежных установках, полу­ чают также способом намотки. В случае изготовления труб из термо­ пластичных материалов лента расплавленного материала, полученная экструзионным методом, подается на вращающийся сердечник, распо­ ложенный перпендикулярно к направлению экструзии. Так как сер­ дечник одновременно с вращением совершает поступательное движе­ ние вдоль своей оси, полимерная лента навивается на сердечник и свари­ вается по спиральной линии. Таким способом можно изготовлять упроч­ ненные полиэтиленовые, полипропиленовые и другие трубы с приме­ нением армирования в процессе экструзии текстильными, металличес­ кими или стеклянными нитями. Армирующая нить, сходящая с вращаю­ щейся катушки при определенном натяжении, внедряется в стенку фор­ муемой трубы и остается в ней в виде спиральной арматуры.

184

Рис. 80. Схемы изготовления труб методами: центробежным (д), намотки стекло­ ткани (б ), стеклонитей (в ), стеклолент (г), протяжки стеклонитей (б ):

из термореактивных материалов, особенно из стеклопластиков. Техно­ логический процесс производства труб из стеклопластиков состоит из пропитки стекломатериала, формования трубы, опрессовки, поли­ меризации и окончательной ее обработки. Формование труб из стекло­ пластиков выполняют по-разному. При формовании трубы на намо­ точном станке с прижимным валом (рис. 80, б) стеклоткань шириной, равной длине формуемой трубы, сматывается с рулона 4 и при рав­ номерном натяжении передается с помощью системы валков на цилинд­ рическую оправку. Оправка 1 приводится во вращение от ведущих обог­ реваемых валков 2 , служащих также и для прогрева исходного мате­ риала. Плотность прилегания слоев стеклоткани достигается с помощью прижимного валка 3. Стеклоткань пропитывают заранее. Можно про­

185

питывать стекломатериал и в процессе намотки с помощью специаль­ ного устройства. Отверждение смолы осуществляют при нагреве. В не­ которых случаях трубы подвергают опрессовке в обогреваемых фор­ мах. Этот способ формования труб периодический. Трубы получают с калиброванным внутренним диаметром.

При использовании армирующего материала в виде тканой стеклян­ ной ленты или ровницы (жгутов) трубы изготовляют с помощью спи­ ральной намотки (рис. 80, в ) . Жгуты стекловолокна, заранее (или в процессе намотки) пропитываемые связующим веществом, сматывают с бобин 6 и укладывают на оправку (дорн) по винтовой линии с по­ мощью каретки 5. Винтовую намотку осуществляют сочетанием вра­ щательного движения оправки и поступательного или возвратно-пос­ тупательного движения каретки 5 с бухтами жгутов или нитей.

Процесс изготовления труб может быть непрерывным, в этом слу­ чае формуемая труба с оправкой перемещается в продольном (осе­ вом) направлении, а катушки со жгутами вращаются вокруг оправ­ ки. Изготовление труб способом спиральной намотки лент из стекломатериала (рис. 80, г) аналогично изготовлению труб способом спи­ ральной намотки жгутов стекловолокна. Получаемые трубы отличаются более высокой газонепроницаемостью. Изготовление труб из стекло­ пластиков осуществляют также непрерывной протяжкой жгутов стекло­ волокна через специальное формующее устройство с предварительной пропиткой связующим (рис. 80, д ) . Получаемые трубы используют как конструкционный материал; для работы под давлением не при­ меняют ввиду невысокой их прочности.

Особый вид представляют трубы из стекловолокнистого анизотроп­ ного материала (СВАМ) , изготовленные при параллельной укладке стек­ лонитей или элементарных волокон на вращающуюся оправку с по­ мощью каретки, движущейся возвратно-поступательно относительно оправки, с одновременной пропиткой наносимых слоев синтетическим связующим. С увеличением числа наматываемых слоев прочность труб из СВАМ значительно возрастает.

Полиэтиленовые трубы

Полиэтилен - продукт полимеризации газа этилена СН2-СН2. Он имеет линейное молекулярное строение и относится к термопластичным ма­ териалам. По внешнему виду полиэтилен представляет собой твердый высокоупругий белый материал, жирный на ощупь, режущийся ножом. Плотность его меньше единицы. По плотности полиэтилен подразде­ ляется на полиэтилен низкой плотности — ПЭНП (молекулярная мас­ са 80 000 -500 000, плотность 0,92 —0,93 г/см3), средней плотности — ПЭСП (молекулярная масса 300000 —400 000, плотность 0,93 —

186

Опыт эксплуатации газопроводов показал, что полиэтиленовые тру­ бы имеют высокую стойкость к природному углеводородному газу (СН4) и меньшую устойчивость к сниженной и газообразной пропанбутановой смеси. Под воздействием паровой фазы пропан-бутановой смеси полиэтилен набухает, а при длительном действии жидкой фазы он теряет часть массы. Причем ПЭНП имеет меньшую устойчивость к этим средам, чем ПЭВП.

Действие активных сред на полиэтилен возрастает при работе его в напряженном состоянии.

Полиэтилен подвержен старению в процессе эксплуатации под дейст­ вием тепла, кислорода воздуха, ультрафиолетовых лучей. При старении происходит ухудшение физико-механических свойств: уменьшаются морозостойкость, текучесть, относительное удлинение, ударная вяз­ кость, повышается хрупкость. Поэтому при изготовлении полиэтиле­ на вводят противостарители (например, фенолы). Влияние солнечного

кости полиэтилен обрабатывают радиоактивными лучами.

При отсутствии прямого воздействия солнечной радиации и темпе­ ратурах до минус 15 -20°С у подземных полиэтиленовых трубопрово­ дов старение резко замедляется. Поэтому полиэтиленовые трубы ПЭНП рекомендуют к широкому применению для подземных газопроводов, транспортирующих природный газ. Для транспортировки искусствен­ ных газов и пропан-бутановой смеси газов в жидком и паровом сос­ тояниях полиэтиленовые трубы не рекомендуются.

Полиэтилен — горючий материал. Для уменьшения его горючести вводят специальные добавки (оксид сурьмы III, хлорированные угле­ водороды и др.). Наполнители, вводимые в полиэтилен, повышают его механические свойства и жесткость при нормальных и повышенных температурах. В полиэтилен также вводят минеральные наполнители: асбест, стекловолокно, кварц и др. В таких случаях полиэтилен назы­ вают соответственно асбополиэтиленом, стеклополиэтиленом и т.д. Мо­ дуль продольной упругости у асбополиэтилена и стеклополиэтилена вы­ ше, чем у чистого полиэтилена. Асбополиэтилен так же хорошо поддает­ ся механической обработке и сварке, как и чистый полиэтилен.

Полиэтиленовые трубы диаметром до 200 мм изготовляют методом экструзии путем непрерывного выдавливания размягченного пласти­ ка через профильное отверстие головки шнек-машины. Для труб диа­ метром 300—1200 мм применяют способ центробежного литья, а также способ намотки ленты полиэтилена на вращающийся сердечник. Ленту расплавленного полиэтилена получают методом экструзии.

Полиэтиленовые трубы изготовляют без наполнителя из ПЭНП и ПЭВП или с наполнителем в количестве 10—25 %. Например, для армирования полиэтиленовых труб стабилизированный полиэтилен

18 8

смешивают с асбестом марки П-3 (или другими наполнителями) на вальцах в течение 40 мин при температуре 160° С до получения одно­ родной массы с равномерным распределением наполнителя. Вальцо­ ванную массу перерабатывают далее на щнек-машине в гранулы, а за­ тем в трубы из асбополиэтилена методом экструзии. При смешива­ нии полиэтилена со стекловолокном, например, в виде рубленой ров­ ницы получают таким же способом трубы из стеклополиэтилена.

Полиэтиленовые трубы обладают некоторыми преимуществами, благодаря которым они получили наиболее широкое применение для изготовления как газонефтепроводов, так и трубопроводов различного назначения во всех отраслях промышленности. Основные из них - эластичность, морозостойкость, малое водопоглощение (менее 0,03 %), большая химическая стойкость, высокие диэлектрические и теплоизо­ ляционные свойства, простота переработки в изделия и небольшая себестоимость. Применению полиэтилена способствует также его лег­ кость, прекрасная сопротивляемость ударным нагрузкам и способ­ ность выдерживать напряжения, возникающие в случае замерзания во­ ды в трубах. Благодаря хорошим электроизоляционным свойствам полиэтиленовые трубы не подвергаются воздействию блуждающих токов.

Гладкость стенок полиэтиленовых труб вызывает незначительные потери напора. Большая гибкость полиэтиленовых труб диаметром до 70 мм позволяет выпускать их длиной 100—200 м и поставлять намотанными на катушках.

К недостаткам полиэтиленовых труб относят их небольшую тепло­ стойкость, высокий коэффициент линейного расширения, подвержен­ ность тепловому и световому старению, воспламеняемость и горючесть.

вода устанавливают компенсаторы, различные фасонные части (ко­ лена, тройники и т.д.).

Большой недостаток полиэтилена, как и других термопластов — полинропилена (ПП), поливинилхлорида (ПВХ), — ползучесть, т.е. медленная деформация при действии нагрузок. Поэтому в расчетах труб принимают длительное нормативное сопротивление материала разрушению R H в зависимости от срока службы t и температуры эксп­ луатации Т в соответствии с рис. 81, а —г.

По номинальному условному давлению напорные трубы из ПЭНД и ПЭВД делятся на четыре типа: легкого —тип Л (номинальное давление 0,25 МПа); среднелегкого — тип СЛ (номинальное давление 0,4 МПа), среднего — тип С (номинальное давление 0,6 МПа); тяжелого —тип Т (номинальное давление 1 МПа).

Номинальным условным давлением называется внутреннее гидро­ статическое давление, фиксируемое при длительной эксплуатации в

1 89

Рис. 81. Нормативное длительное сопротивление разрушению различных полимер­ ных материалов RH в зависимости от температуры Г и срока службы трубопро­ вода t :

а —из ПЭНД; б —из ПЭВД; в — из ПП; г — из ПВХ

трубах, в которых транспортируют нейтральные жидкости или газы при температуре 20°С. Рабочие давления зависят от условий эксплуа­ тации (рис. 82).

Для газонефтепроводов поставляют стандартные напорные трубы из ПЭВД типов: СЛ диаметром 75 —160 мм, С диаметром 50—125 мм, Т диаметром 32—125 мм; а также из ПЭНД типов: СЛ диаметром 90— 630 мм, С диаметром 63—450 мм, Т диаметром 40—280 мм.

По техническим условиям трубы изготовляют из ПЭНД типов: СЛ диаметром 710—1200 мм, С диаметром 63 —800 мм и Т диаметром 63-500 мм.

Свойства труб и пределы их применения приведены в табл. 24. Толщина труб из ПЭНД должна быть не менее 3 мм, труб из ПЭВД —

не менее 6 мм. Длина труб диаметром свыше 160 мм составляет 6, 8 и 12 м. Их соединяют в секции длиной до 24 м. Трубы диаметром до 160 мм наматывают на барабан.

Полиэтиленовые трубы применяют для подземных нефтепрово­ дов на давление до 0,3 МПа, а также для технологических трубопрово-

190