книги / Материалы для сооружения газонефтепроводов и хранилищ

Рис. 82. Допускаемые рабочие давления р _ в зависимости от температуры Т и

срока службы трубопровода t:

а — трубы из ПЭНД типов Т и СЛ; б —трубы из ПЭНД типов С и Л; в —трубы из ПЭВД типов Т и СЛ; г - трубы из ПЭВД типов С и Л; I - типа Т; II - типа СЛ; III - типа С; I V —типа Л

дов, разводящих газонефтеПроводов, промысловых нефтепроводов и переходов через водные преграды при давлениях не выше 0,6 МПа, а в некоторых случаях до 1 МПа.

Газопроницаемость труб из ПЭНД примерно в 4 раза меньше газо­ проницаемости труб из ПЭВД. В связи с этим для газопроводов пред­ почтительнее применять ПЭНД.

Полиэтиленовые трубы наиболее экономичны из всех пластмассовых

191

в 1,5 —2 раза меньше капитальных затрат на изготовление 1 м стальных труб одинакового диаметра.

Трубы диаметром 63—160 мм поставляют в бухтах, диаметром 160—400 мм —намотанными на катушках, а диаметром свыше 400 мм — отрезками длиной 6 и 12 м.

Соединяют полиэтиленовые трубы друг с другом сваркой враструб, а также с помощью муфт, втулок, фланцев. Соединения с арматурой и со стальными трубами выполняют стальными или полимерными флан­ цами. При монтаже гнутье труб осуществляют с нагревом. Трубы диа­ метром более 110 мм изгибают в станках, вставляя до нагрева в них чехол с песком наружным диаметром на 1—2 мм меньше, чем внутрен­ ний диаметр трубы. Трубы диаметром менее 110 мм можно изгибать вручную без применения чехла с заполнением изгибаемого участка го­ рячим песком.

За рубежом полиэтиленовые трубы применяют для газосборных и газораспределительных систем. Их широко используют также для замены стальных и чугунных газопроводов, не разбирая металлические, которые служат в процессе эксплуатации защитным футляром поли­ этиленовых труб.

192

П о л и ви н и л х л о р и д н ы е тр у б ы

Поливинилхлоридные трубы изготовляют на основе непластифицированного поливинилхлорида (полимера винилхлорида или хлорвинила).

Поливинилхлорид (полихлорвинил) получают полимеризацией газа хлористого винила (хлорвинила или винилхлорида СН2 = СНС1). Ис­ ходный продукт (мономер) —хлористый винил получают из ацетилена и хлористого водорода. Молекула хлористого винила похожа на моле­ кулу этилена, атом водорода в которой замещен атомом хлора.

Поливинилхлорид непластифицированный называют по-разному в различных странах: бреон корвинк в Великобритании; децелит, хосталит, винидур в ФРГ; игелит в ГДР; винибан в Японии; винипласт в СССР.

Поливинилхлорид, образующийся при полимеризации в виде мелко­

а температура разложения 160°С.

Путем термической обработки поливинилхлоридной смолы, смешан­ ной со стабилизаторами и смазывающими веществами без пластифика­ торов, на горячих вальцах получают рогообразный твердый материал поливинилхлорид — винипласт. Стабилизаторы добавляют также для предотвращения деструкции смолы, возможной в процессе переработ­ ки (меламин, соли свинца и др.). Поливинилхлорид —один из наибо­ лее технически ценных материалов. Он представляет собой достаточно прочный и пластичный непластифицированный поливинилхлорид, имею­ щий аморфную структуру, степень его кристалличности не более 10 %. Поливинилхлорид химически устойчив к воздействию почти всех кислот, щелочей и растворов солей любых концентраций, за исключением азот­ ной кислоты концентрацией выше 50 % и олеума. Растворяется он в дихлорэтане и метилэтилкетоне, набухает в бензоле и толуоле. Спирт, бензин и другие нефтепродукты на него не действуют. Он обладает хо­ рошими электроизоляционными свойствами, мало изменяющимися при увлажнении. Однако при температуре ниже —15°С поливинилхлорид становится хрупким. Он подвержен хладнотекучести (ползучести при комнатной температуре), т.е. нарастанию деформации во времени при постоянном воздействии даже небольших нагрузок, и очень чувстви­ телен к температуре. Изменение свойств поливинилхлорида в зависи­ мости от температуры наблюдается аналогично другим термопластам.

Непластифицированный ПВХ имеет плотность 1,29 г/см3, прочность

составляют с добавлением стабилизаторов до 10 % от массы ПВХ смолы, смазывающих веществ 0,5 —1 %, красителей до 10 %, а иногда наполни­ телей и модифицированных пластификаторов.

13 - 6682

Широко применяют также сополимеры винилхлорида, из которых с винилиденхлоридом путем прессования и литья под давлением изготов­ ляют различную арматуру, патрубки, тройники, крестовины, фланцы и др. Материал легко сваривается и экструдируется. Известны также и другие сополимеры.

Поливинилхлоридные трубы по сравнению с полиэтиленовыми имеют несколько большую плотность, меньшую морозостойкость, такую же теплостойкость и высокую химическую стойкость по отношению к транспортируемым по ним газу, нефти и другим нефтепродуктам. Тепло­ проводность труб примерно в 300 раз меньше, чем теплопроводность стальных.

Природный (СН4) , сжиженный и искусственный (с содержанием аро­ матических углеводородов не более 15 мг/м3) газы на поливинилхло­ ридные трубы воздействия не оказывают. При подземной прокладке ПВХ показывает высокую стойкость к большей части реагентов, присут­ ствующих в грунтах и грунтовых водах. Поэтому трубы из непластифицированного поливинилхлорида применяют для подземных трубо­ проводов с температурой грунта не ниже минус 1—2°С, транспортирую­ щих жидкие и газообразные среды.

Поливинилхлоридные трубы склонны к старению от воздействия ультрафиолетовых лучей, несмотря на присутствие стабилизаторов. Срок эксплуатации труб из ПВХ в условиях надземной (воздушной) проклад­ ки газопроводов при рассеянной освещенности составляет не более 20 лет, а при непосредственном воздействии солнечных лучей —не бо­ лее 14—15 лет.

С понижением температуры повышается хрупкость труб из ПВХ: предел текучести повышается, а относительное удлинение уменьшает­ ся. При температуре минус 8 —10°С относительное удлинение ПВХ близко к нулю.

Трубы из ПВХ чувствительны к надрезам, царапинам и требуют бе­ режного к ним отношения.

При длительном действии постоянного напряжения, особенно при нагреве, трубы из ПВХ обладают склонностью к нарастанию деформа­ ции, поэтому они имеют ограниченный предел применения по рабочим давлениям и температуре. Повышение температуры приводит к увели­ чению пластичности и уменьшению прочности труб. Низкие темпера­ туры, наоборот, вызывают нарастание хрупких свойств. Ударная вяз­ кость труб, так же как у полиэтиленовых, резко падает при наличии на их поверхности надрезов и царапин. Поливинилхлоридные трубы имеют сравнительно большой коэффициент линейного расширения (в 5,8 ра­ за больше стали), поэтому при их укладке также необходимо устанав­ ливать компенсаторы.

Изготовляют поливинилхлоридные трубы выдавливанием на порш­ невых прессах, непрерывной шнековой экструзией и сваркой из отдель-

194

Рис. 83. Допускаемые рабочие давления рраб в зависимости от температуры Т и срока службы газопровода t .

ных листов поливинилхлорида. Трубы из непластифицированного по­ ливинилхлорида выпускают диаметром 10-450 мм различных класси­ фикационных рядов толщин (1, 2, 3, 4 и 5) для номинальных давлений 0,25 (тип Л ), 0,4 (тип СЛ), 0,6 (тип Т) и 1,6 МПа (тип ОТ - особо

тяжелый).

Для газонефтепроводов напорные трубы из непластифицирован­ ного ПВХ применяют типа С —диаметром 63—250 мм, типа Т —диа­ метром 40—160 мм, толщиной стенки не менее 3 мм.

Трубы из ПВХ используют для технологических трубопроводов с агрессивными средами, если температура жидкости или газа не боль­ ше 40°С, а также для систем водоснабжения, канализации и ирригацион­ ных систем. Пропускная способность у них на 6—10 % больше, чем пропускная способность у стальных труб. Не допускается применять трубы из ПВХ в средах, содержащих ароматические углеводороды (бензол, толуол и др.), азотную кислоту, концентрацией больше 50 % и др. Рабочие давления зависят от условий эксплуатации трубопрово­ дов (рис. 83).

Поливинилхлоридные трубы применяют для газораспределитель­ ных систем, городских газопроводов и др.

195

П оли п роп и лен овы е труб ы

Полипропилен — продукт полимеризации пропилена СН3-СН—СН — газообразного гомолога этилена. Пропилен, как и этилен, содержится в нефтяных газах, а также в газах крекинга и пиролиза нефти. Получают его при давлениях до 0,3 МПа и температуре 50—70°С в присутствии металлоорганических катализаторов. Полипропилен обладает многими положительными качествами, присущими ПЭВП, и в меньшей степени его недостатками. Это объясняется значительно большей молекулярной массой и большей степенью его кристалличности по сравнению с поли­ этиленом. В отличие от полиэтилена полипропилен при обычной темпе­ ратуре имеет незначительную хладнотекучесть и может длительное вре­ мя работать под нагрузкой при температуре 10 0 °С, сохраняя форму.

Полипропилен обладает более высокой прочностью, жесткостью и теплостойкостью по сравнению с полиэтиленом в интервале темпе­ ратур от —10 до 150°С. Но при нагреве его прочностные показатели падают так же резко, как и у полиэтилена. Так, предел прочности для растяжения при температуре —20°С составляет 60 МПа, при температу­ ре 20°С —25 —40 МПа, а при температуре 100°С—10 МПа (для полиэти­ лена при температуре 100°С прочность равна 2 МПа). Морозостойкость полипропилена —35°С, прочность при растяжении 25—40 МПа, относи­ тельное удлинение при разрыве 200—800 %, ударная вязкость по Шарпи на образцах с надрезом 33—80 кДж/м2, плотность 0,9 г/см3

Изделия из пропилена изготовляют центробежным способом, литьем под давлением или экструзией в атмосфере азота при температуре 150— 250°С и давлении 7 —20 МПа. Полипропилен, как-и полиэтилен, особен­ но широко используют при изготовлении различных трубопроводов и емкостей для агрессивных сред, а также в виде пленочного, изоляцион­ ного и облицовочного материала, например, для облицовки железо­ бетонных резервуаров, изоляции магистральных трубопроводов. Оте­ чественная промышленность выпускает полипропилен марок от ПП-1 до ПП-5, которые различаются содержанием аморфной низкомолекуляр­ ной фракции, а также морозостойкостью. Для труб применяют полипро­ пилен марок ПП-3 и ПП-5 с пределом текучести не менее 2,5 МПа, отно­ сительным удлинением не менее 400 %, морозостойкостью не ниже -10°С .

Полипропиленовые трубы отличаются еще большей легкостью и теплостойкостью, чем полиэтиленовые. Прочность полипропиленовых труб выше, а газо- и паропроницаемость значительно ниже, чем у поли­ этиленовых, при такой же хорошей коррозионной стойкости. Трубы из полипропилена изготовляют теми же способами, что и полиэтиле­ новые. Для предотвращения старения в них добавляют 1—2 % газо­ вой сажи.

Трубы напорные из полипропилена бывают следующих типов: Л на-

196

ружным диаметром 40—315 мм, С диаметром 20—315 мм и Т диамет­ ром 32—315 мм. Для газонефтепроводов используют напорные трубы из полипропилена типов С диаметром 50—315 мм и Т диаметром 32 —

200 мм.

Трубы поставляют длиной 6 , 8 , 10 и 12 м.

Для газонефтепроводов различных категорий из ПЭНД, ПЭВД, ПВХ и ПП значения R H и Рраб определяют по графикам (см. рис. 81, 82 и 83), а затем корректируют, умножая на различные коэффициенты: коэффициент условий работы К < 1, учитывающий опасность транс­ портируемого продукта; коэффициент прочности соединений /£с < 1 , учитывающий использование соединений, неравнопрочных основному материалу труб; коэффициент химической стойкости труб Кх < 1 .

Трубы из полиметилметакрилата

Полиметилметакрилат (органическое стекло), или плексиглас, отно­ сится к группе акрилопластов и является широко распространенным пластиком. Получают его блочной полимеризацией метилового эфи­ ра метакриловой кислоты. Полиметилметакрилат представляет собой бесцветную прозрачную стекловидную массу. Выпускают его в виде прозрачных листов, блоков, а также литьевых и прессовочных рошков. По сравнению с минеральными стеклами полиметилметакрилат имеет небольшую поверхностную твердость, хуже подвергается механи­ ческой обработке, а также пластической деформации.

Органическое стекло обладает прозрачностью и стойкостью ко мно­ гим минеральным и органическим растворителям, высокими электро­ изоляционными и антикоррозионными свойствами. Органическое стек­ ло имеет прочность при растяжении 63—100 МПа, относительное удли­ нение при разрыве 2,5—20 %, ударную вязкость по Шарли на образ­ цах без надреза 8 —18 кДж/м2, плотность 1,18—1,2 г/см3, теплостой­ кость до 100° С.

Известен полимерный материал акрилонитрилбутадиенстирол (АБС), который представляет собой продукт сополимеризации акрилонитрила, стирола и бутадиена. Пластик АБС имеет прочность при растяжении 32— 65 МПа, относительное удлинение при разрыве 12—70 %, ударную вяз­ кость по Шарпи на образцах с надрезом 8 —25 кДж/м2, плотность 1,02- 1,04 г/см3, теплостойкость до 85°С. За рубежом трубы из акрилонит­ рилбутадиенстирола получили название ’’краластик” Их изготовляют методом экструзии. Они отличаются легкостью (в 7 раз легче сталь­ ных), высокой химической стойкостью и достаточно высокой механи­ ческой прочностью и теплостойкостью. Температурный диапазон их применения от —40 до 80°С. Трубы ’’краластик” способны выдержи­ вать ударную нагрузку при температуре ниже —18°С и давление до 0,4 МПа и более. Применяют их для газораспределительных и город­

19 7

ских газовых сетей, особенно в условиях повышенной агрессивности грунтов. Соединения в трубопроводах из ’’краластик” осуществляют на клею или на резьбе.

Трубы из полиметалметакрилата обладают малой плотностью, хоро­ шими физико-механическими, диэлектрическими и химическими свойствами.

В противоположность другим прозрачным пластикам органическое стекло с течением времени не желтеет, не становится хрупким под дей­ ствием света и атмосферных условий. Трубы из органического стекла эластичны и сохраняют это свойство при пониженных температурах.

Трубы из органического стекла подвергаются действию в основном только органических растворителей, таких, как бензол, ацетон, хлори­ рованные углеводороды и т.п.; даже кратковременное воздействие па­ ров этих веществ может привести к образованию трещин. Близость тем­ пературы текучести к температуре начала термической деструкции у органического стекла затрудняет применение таких методов для изго­ товления труб из него, как центробежное литье и экструзия, связанных с переводом полимера в пластичное состояние. Во избежание деструкции применяют пластификаторы, снижающие температуру текучести. Су­

няют пластифицированное органическое стекло, идя на ухудшение их свойств — потеря жесткости, твердости, теплостойкости. За рубежом организовано также производство труб методом блочной полимериза­ ции метилметакрилата непосредственно в кольцевых формах из си­ ликатного стекла. Но это сложный процесс, так как трудно создавать

кого стекла методом компрессионной сварки.

Ацетобутиратцеллюлозные трубы

Ацетобутиратцеллюлоза (АБЦ) представляет собой сложный эфир целлюлозы, являющийся продуктом взаимодействия целлюлозы с ангидридами уксусной и масляной кислот. Это белый волокнистый материал, пластичный, светостойкий, хорошо совмещающийся со смо­ лами.

Трубы из АБЦ изготовляют экструзией и прессованием. Они имеют большую гладкость стенок и прозрачность и обладают также малым коэффициентом теплопроводности, стойкостью к слабокислым раст­ ворам, достаточно высокой прочностью.

Ацетобутиратцеллюлозные трубы можно применять для транспор­ тировки нефти и газа. Например, в ФРГ для газовой промышленности

198

ацетобутиратцеллюлозные трубы и фитинги изготовляют черного цве­ та, плотностью 0,95 г/см3, свернутые в бухты диаметром до 1 м ввиду их эластичности. Расчетный предел прочности материала при темпера­ туре 23,8°С составляет примерно 6 МПа.

Соединение труб между собой выполняют на ацетобутиратцеллюлозных муфтах склеиванием. Ацетобутиратцеллюлозные трубы сое­ диняют с металлическими при помощи натяжных хомутов и специаль­ ных патрубков с резьбой.

К недостаткам ацетобутиратцеллюлозных труб относят горючесть, слабую сопротивляемость ударам при низких температурах, разруше­ ние под действием кислот и щелочей, а также органических раство­ рителей. Монтаж трубопроводов из них допускается проводить при температурах не ниже 0°С.

Стеклопластиковые трубы

Стеклопластик —это композиционный материал, состоящий из стекло­ волокнистого наполнителя и полимерного связующего. Стекловолок­ нистый наполнитель - основной несущий элемент композиции. Он выполняет роль упрочняющего, армирующего компонента. Полимерное связующее обеспечивает более равномерное распределение нагрузки между стеклянными волокнами, склеивая их, и придает всей компо­ зиции жесткость. Особенностью стеклопластика как конструкционно­ го материала является то, что сам материал создается только в про­ цессе изготовления изделия, а его свойства зависят от вида и свойств компонентов, их количественного соотношения, схемы армирования, способа изготовления изделия и других факторов.

Компоненты стеклопластика имеют весьма различающиеся по зна­ чению прочностные и физико-химические характеристики. Параметры прочности и жесткости у связующих обычно ниже, чем у армирующего материала, а температурный коэффициент линейного расширения свя­ зующего больше, чем у армирующего материала. В зависимости от спо­ соба изготовления, видов армирующего стекловолокнистого наполни­ теля и смолы, а также от их количественного соотношения могут быть получены следующие свойства у стеклопластиков: разрушающее напря­ жение при растяжении от 49 до 950 МПа, разрушающее напряжение на изгиб от 120 до 1000 МПа, плотность от 1,7 до 2,2 г/см3

Стекловолокнистый наполнитель. Для изготовления стеклопласти­ ков используют стекловолокнистые изделия из бесщелочного стекла в виде: элементарных волокон различного диаметра (7—13 мм); пря­ дей или нитей, полученных из непрерывных или штапельных элементар­ ных стеклянных волокон, а также ровницы (жгутов) ; стеклянных тка­ ней и лент, стеклянных матов и стеклорогожи.

Стекло для изготовления водостойкого стекловолокна должно быть алюмоборосиликатного или алюмоборобариевосиликатного состава с

199

гарантированным содержанием окислов щелочных металлов не бо­ лее 2 %.

Свойства стекловолокна. Стекловолокна обладают наиболее высо­ кими пределом прочности, модулем упругости и удельной прочностью по сравнению с различными природными и синтетическими волокнами.

При изменении диаметра стекловолокна от 6 до 2 мкм предел проч­ ности может повышаться от 2000 до 6000 МПа, в то время как блочное стекло имеет предел прочности 40—60 МПа.

Стеклянные волокна обладают более высокой теплостойкостью (до 1000°С и выше в зависимости от химического состава) по сравне­ нию с органическими волокнами. Температурный коэффициент линей­ ного расширения при нагреве (до температуры 300uС) для стекловолок­ на равен примерно 49 10- 6°С- 1 Стекловолокна и материалы из них обладают высокими диэлектрическими характеристиками, плавятся, но не горят и не подвергаются гниению. Они могут длительное время на­ ходиться в среде кислорода, так как сами состоят из окислов.

Недостатки стекловолокна — снижение прочности при термической обработке —нагреве и охлаждении. Понижение прочности волокна после его охлаждения имеет необратимый характер, т.е. при повторном нагре­ ве нельзя привести свойства волокна к первоначальному состоянию. Считают, что уменьшение прочности волокна после термической обра­ ботки связано с рекристаллизацией стекла на границе раздела фаз. У блочного стекла понижения прочности после термической обработки не наблюдается —процесс кристаллизации внутри массы стекла невоз­ можен.

Прочность стекловолокна зависит от трех основных факторов: хи­ мического состава стекла, диаметра волокна и способа его изготовления.

Химический состав. Стекловолокно изготовляют из алюмоборосиликатного бесщелочного (с содержанием до 2 % щелочных окислов)

лочей понижает прочность стекловолокна и уменьшает химическую стойкость к воде. Изменение состава стекла в большей мере влияет на технологический режим формирования стекловолокна, чем на его физико-химические свойства.

Диаметр волокна. Высокая механическая прочность стекловоло­ кон по сравнению с механической прочностью блочных стекол объяс­ няется линейной структурой волокна со слабыми боковыми связя­ ми. При уменьшении диаметра стекловолокна увеличивается линейная ориентация структурных цепей и уменьшается число наиболее опасных поверхностных трещин, что способствует повышению прочности. В оте­ чественной промышленности для стеклотканей применяют в основном

200