Деформируемые высокопрочные коррозионно-стойкие стеклоуглепластиковые оболочки для трубопроводных устройств

Авторы: В.В. Бурлов (ООО «НПО «Нефтехим»), В.К. Крыжановский, Д.А. Панфилов(Санкт-Петербургский Государственный Технологический институт).

Опубликовано в журнале Химическая техника №3/2014

Увеличение ресурса разнообразных трубопроводных устройств продолжает оставаться одной из важнейших материаловедческих и конструкторских проблем. Основной причиной выхода труб из строя является коррозия, вызванная воздействием транспортируемых сред или рабочих тел, которые могут представлять собой разнообразные по физическому состоянию и химическим свойствам продукты. Общее для таких труб состоит лишь в том, что все они начинают разрушаться изнутри и в результате главным образом процессов химической коррозии, действие которой пытаются замедлить применением для изготовления труб дорогостоящих легированных хромоникелевых сталей. Необходимость совершенствования защиты труб различного назначения от коррозии особенно проявляется в оборудовании нефтехимического комплекса [1].

Известно, что полимерные материалы находят широкое применение для антикоррозионной защиты труб.

С этой целью используют как термопластичные, так и термореактивные пластики, в основном в виде внутренних покрытий [2, 3], толстостенных пластмассовых внутренних оболочек [4–6], а также по так называемой чулочной технологии [7]. Все эти приемы имеют ряд существенных недостатков, основные из которых перечислены далее.

Полимерные покрытия склонны к отслаиванию вследствие внутренних напряжений, неминуемо возникающих на границе полимер – металл; вставки из крупнотоннажных термопластов существенно уменьшают живое сечение трубы и вследствие их невысокой теплостойкости (80…100°С) ограничивают температуру транспортируемой среды; при чулочной технологии, как и любой технологии с применением реакционно-способных олигомеров, присутствует длительная фаза гелеобразования реакционно-способного олигомера, приводящая к неконтролируемому стеканию связующего внутри металлической трубы и, соответственно, к неконтролируемой неравнопрочности чулка по его сечению и длине.

Определенным выходом из создавшейся ситуации может служить вариант использования для коррозионной защиты труб, изготовленных промышленным способом, тонкостенных высокопрочных оболочек из высокопрочных полимерных композиционных материалов [8], таких, как стеклоили углепластики, модуль упругости и предел прочности которых существенно выше, чем у конструкционных термои реактопластов [9].

Применение таких оболочек характеризуется рядом привлекательных качеств, дающих преимущество перед существующими техническими решениями:

• надежность коррозионно-стойкой защиты трубы в течение существенно более длительного периода эксплуатации металл-пластиковой трубы;
• более высокая механическая прочность металл-пластиковой трубы благодаря высокопрочной оболочке (как следствие, либо возможность эксплуатации трубы при более высоких рабочих параметрах, либо уменьшение толщины стенки металлической трубы при постоянных эксплуатационных условиях);
• возможность замены высоколегированного металла труб более дешевым низколегированным или черным металлом;
• возможность установки этих оболочек в трубы из любого материала (металл, керамика, композиты).

Отметим, что применение предлагаемых промышленно изготавливаемых оболочек возможно не только на стадии изготовления металл-пластиковых труб, но и при устранении аварийных протечек в действующих магистральных трубопроводах [10].

Процесс установки оболочек в трубы существенно упрощен благодаря способности разработанных густосетчатых термореактивных связующих переходить в определенных условиях в высокоэластическое состояние, деформироваться в этом состоянии, сохранять полученную деформацию и в последующем контролированно восстанавливать форму, близкую к исходной.

Эффект высокоэластического деформирования густосетчатого полимерного связующего достигается созданием в нем топологической структуры, способной к локальным кинематическим перестроениям за счет включения в его пространственную сетку гибких, подвижных фрагментов.

Лучшие результаты были получены при использовании связующих следующего состава [11]:

• эпоксидиановая смола ЭД-20 (ГОСТ 10587);
• олигоэфируретандиоксид марки ППГ-3А (ТУ 38-03–001);
• изометилтетрагидрофталевый ангидрид (ТУ 6-09-3321) (отвердитель);
• 2, 4, 6-трис (диметиламинометил) фенол (ТУ 6-09-6101) (ускоритель).

Соотношение ЭД-20/ППГ-3А изменялось в интервалах от 1,0/0,1 до 1,0/1,0.

Для намотки оболочек в качестве волокнистых наполнителей использовались стеклоровинг марки РБН 10840 (ТУ 648-00204984-22) и углеровинг Урал-4 (ТУ 21-25-234).

Оболочки получали методом мокрой намотки ровинга на оправки диаметром 80 и 220 мм длиной до 2 500 мм на намоточном станке в условиях промышленного производства ФГУП «Прометей» (Санкт- Петербург). Были изготовлены оболочки диаметром 80 мм с толщиной стенки 1,5 мм и диаметром 220 мм со стенкой толщиной 1,8 мм. Установку оболочек в стальные трубы выполняли в условиях технологической лаборатории кафедры химической технологии пластмасс СПбГТИ(ТУ), рис. 1.

Анализ особенностей исследованных стеклои углепластиков свидетельствует: температуре пропитки 60°С ниже, чем у стеклоровинга (табл. 1). Это можно объяснить меньшей адгезией углеволокна к эпоксидным составам, чем у стеклоровинга, даже при отсутствии операций его предварительной обработки (отжиг замасливателя);

• с увеличением содержания модификатора растут значения относительного удлинения в статических условиях нагружения и ударной вязкости при динамических нагрузках, при этом собственно прочность стеклои углепластиков уменьшается;
• введение модификатора до 20% снижает прочность на 4–6%. При дальнейшем увеличении содержания ППГ-3А в ЭД-20 до 50% прочность при растяжении уменьшается на 12–17%.

С учетом полноты восстановления высокоэластической деформации (ВЭД) разработанных пластиков (рис. 2) было установлено, что предельное содержание структурного модификатора в ЭД-20, применяемой для деформируемых оболочек, не должно превышать по объему 20%.

Испытания оболочек из стеклои углепластиков с оптимальным составом связующего показали, что система ЭД-20 + ППГ-3А + стеклоровинг допускает ВЭД с последующим ее «замораживанием» и затем полном восстановлением до 14–18% первоначального диаметра оболочки. В то же время оболочки из углепластика разрушались уже при деформировании на 8–10% (табл. 2).

Таблица 1

Влияние эластификатора на свойства стекло- и углепластиков, полученных контактным формованием (отвердитель изо-МГТФА)

Оболочки из стеклоровинга, полученные спирально-перекрестной намоткой под углом ϕ = ±30°, характеризуются не только способностью к термодеформированию до 18%, но и к практически полному восстановлению исходного размера при «распрямлении замороженной» ВЭД.

Таблица 2

Результаты испытаний оболочек из стекло- и углепластика с разным углом намотки j при их деформировании в стеклообразном (Т = 20°С) и в высокоэластическом состоянии

Таблица 3

Свойства стеклопластиков, полученных различными методами формования

Из стеклопластиков, полученных намоткой на серийном оборудовании (спиральная с углом намотки ϕ = ±30°, поперечная), а также прессованием, лучшие результаты (табл. 3) по прочности, деформативности в высокоэластическом состоянии и по восстановлению ВЭД отмечены для оболочек, изготовленных спирально-перекрестной намоткой стеклоровинга по мокрой технологии с углом намотки ϕ = ±30° [12].

Исследование влияния содержания модификатора на химическую стойкость перспективного эпоксидного связующего для стеклопластиков показало, что лучшими показателями по водопоглощению, маслостойкости и бензостойкости характеризуются составы с содержанием структурного модификатора до 30%, т.е. эпоксиолигоэфиры с наиболее плотной сеткой (табл. 4). Химическая стойкость стеклопластиков, полученных различными способами (табл. 5) свидетельствует о том, что сособ намотки не снижает антикоррозионные свойства полимерных композиционных материалов по сравнению с широко распространенным способом прессования стеклопластиков, главная особенность которого заключается в использовании высокого давления, способствующего достижению предельной плотности пластика (см. табл. 3).

Способность разработанного связующего к инверсии ВЭД позволила разработать принципиально новую технологию как установки оболочки внутрь стальной (или из иного материала) трубы, так и неразъемного соединения единичных оболочек (труб) конечной (стандартной) длины в бесконечную плеть.

Известно, что процесс футеровки трубы из любого материала футеровочной оболочкой с плотным прилеганием к ее внутренней поверхности, т.е. когда наружный диаметр композитной оболочки совпадает с внутренним диаметром трубы, весьма затруднен трением скольжения оболочки о стенки трубы. Особенно этот процесс затруднен в случае ремонта уже побывавших в эксплуатации труб. Способность разработанных оболочек к деформированию с последующей инверсией, восстановлением формы устраняет эти трудности. Установлено, что предлагаемые оболочки допускают продольное складывание, фиксацию этого складывания и последующее восстановление оболочки к исходной конфигурации [12]. Из рис. 3 видно, что кольцевому сечению цилиндрической оболочки технологическим продольным смятием может быть придана, например, форма своеобразной гантели с резким уменьшением геометрической площади и критического поперечного размера. Применительно к реальной технологии эта способность оболочек обусловливает следующую последовательность операций (рис. 4): а – оболочка 1 с исходным контуром; б – монтажное продольное смятие оболочки 1 в условиях термодеформирования связующего с фиксацией полученной конфигурации сечения (гантель) 2; в – установка термодеформированной оболочки 2 в трубу 3; г – нагрев оболочки 2, приводящий к ее расправлению и плотному прилеганию к внутренней поверхности трубы 3.

Таблица 4

Химическая стойкость ЭД-20, модифицированной ППГ-3А и отвержденной изо-МТГФА

Таблица 5

Химическая стойкость стеклопластиков

Нагрев оболочки может производиться подачей внутрь нее горячего воздуха. Расправление смятой оболочки происходит самопроизвольно или под давлением воздуха до 0,1 МПа.

Окончательный результат операции футеровки стальной трубы деформируемой оболочкой, выполненной в лабораторных условиях современной вузовской кафедры представлен на рис. 5.

Технология соединения единичных оболочек в бесконечную плеть осуществляется следующим образом (рис. 6): конец одной их соединяемых оболочек 1, называемой первой, нагревают до температуры перехода в высокоэластическое состояние (100 ± 10°С), а затем радиально расширяют его с помощью конического расширителя 2, перемещаемого по геометрической оси оболочки внутрь нее. В этом положении конец первой оболочки приобретает форму конического раструба, которая сохраняется в результате охлаждения (замораживания) до температуры ниже рабочей и временно остается в растянутом состоянии. Далее в этот временный раструб вводят до упора цилиндрический конец второй оболочки 3. Для увеличения прочности соединения на этот участок второй оболочки наносится слой адгезива 4 холодного отверждения. Расположение соединенных к этому моменту оболочек показано на рис 6, в. После этого участок соединения нагревают ИК-нагревателем или иным способом до температуры выше температуры размягчения. Это приводит к инверсии ВЭД первой оболочки, в результате чего она плотно облегает конец второй оболочки, образуя соединение, показанное на рис. 6, г.

Известно, что для достижения максимальной прочности любого клеевого соединения необходимо, чтобы толщина адгезива была минимальной [13].

Это условие выполняется, если для соединения труб используют технологию инверсируемого раструба. В процессе инверсии временного раструба осуществляется самоцентровка труб, устраняются непроклеенные участки, а излишки клея выдавливаются. В результате формируется клеевой слой, обеспечивающий требуемые прочностные характеристики. Для успешного практического осуществления изложенной идеи следует учесть ряд обстоятельств. Температурно-временной режим усадки раструба и отверждения клея должен быть синхронизирован таким образом, чтобы сначала происходил процесс инверсии раструба, а после его завершения – процесс отверждения клея.

В качестве адгезива для соединения труб по изложенной технологии была разработана эластичная композиция (εр = 80–120%), комплекс свойств которой удовлетворяет поставленной задаче. В данном случае использовалось разработанное связующее с традиционным аминным отвердителем – полиэтиленполиамином в стехиометрическом соотношении. Жизнеспособность композиции при 20°С составляет 120 мин, при 50°С – 60 мин, а время отверждения при 20°С – 24 ч, при 80°С – 30 мин.

Определялась и адгезионная прочность при сдвиге в системах стеклопластик-металл в зависимости от содержания ППГ-3А при различном времени отверждения. Установлено, что при содержании модификатора 20–30% адгезионная прочность возрастает при любой продолжительности отверждения в 2,5 раза.

Проверка полученных соединений на прочность при растяжении показала, что в условиях правильной конструкции клеевой шов и материал труб равнопрочны.

Монтажная длина стыка lст (см. рис. 6, г) определяется по уравнению lст = π2δ(d + 2δ)[σр]/[τср] = 10δ(d + 2δ)[σр]/[τср], м, где δ – толщина стенки соединяемых труб; d – внутренний диаметр соединяемых труб; [σр] – допускаемое напряжение растяжения для соединяемых труб; [τср] – допускаемое напряжение среза для адгезионного шва.

Экспериментально установлено, что соединение инверсионным раструбом легко воспринимает операцию технологического смятия, например V-образную, сохраняя придаваемую ему конфигурацию сколь угодно долго при температуре ниже температуры размягчения и возвращаясь к цилиндрической форме при последующем общем нагреве расправляемой трубы.

Преимущества предлагаемой технологии соединения труб при помощи инверсируемого раструба по сравнению с традиционно применяемыми – высокая надежность изделий, увеличенный их ресурс, простота изготовления, минимальный объем подготовительных работ.

Технология ВЭД армированных оболочек может быть расширена за область ее инверсии и использована для производства изделий, конфигурация которых не позволяет получать их методом намотки. Это относится к намоточным изделиям с изменяемой по знаку кривизной сечения – волнистой, звездообразной, с продольными углублениями, гантелеобразной формы с любым соотношением радиусов кривизны поверхностей.

Основным условием сохранения деформированными оболочками приданной им формы является температура эксплуатации, которая должна быть ниже температуры размягчения связующего.

Таким образом, намоточные изделия с температурой размягчения связующего 140°С и температурой хрупкости –70°С (интервал, вполне достигаемый на базе отечественных эпоксидных смол и модификаторов) могут в деформированном состоянии эксплуатироваться в интервале температур –60…+130°С.

Увеличение верхнего температурного предела эксплуатации до температур, превышающих 130°С может быть достигнуто также с использованием технологии двухстадийного отверждения.

В целом промышленное использование разработанной на отечественных компонентах и реализуемой на типовом оборудовании технологии термодеформируемых оболочек представляется и своевременным, и целесообразным.

Список литературы

1. Бурлов В.В., Алцыбеева А.И., Парпуц И.В. Защита от коррозии оборудования НПЗ. СПб.: Химиздат, 2005.
2. Швейцер Ф.А. Коррозия пластмасс и резин. Пер. с англ./Под ред. Резниченко С.В., Морозова Ю.Л. СПб.: Научные основы и технологии, 2010.
3. Патент РФ №2220995. Способ защиты и восстановления прокорродировавших металлических поверхностей.
4. Патент РФ №22113394. Стеклопластиковая труба.
5. Удовенко В.Е., Сафонова И.П., Гусева Н.Б. Полиэтиленовые трубопроводы. М.: Полимергаз, 2003.
6. Орлов В.А. Стратегия восстановления водопроводных и водоотводящих сетей. М.: Изд-во ассоциации строительных вузов, 2001.
7. Патент РФ №2037733. Способ покрытия внутренней поверхности трубопровода.
8. Патент РФ №2248496. Способ защиты внутренней поверхности трубопровода.
9. Крыжановский В.К., Бурлов В.В. Технические свойства полимерных материалов. Уч.-справ. пособие. СПб.: Профессия, 2007.
10. Крыжановский В.К. Бурлов В.В. Применение эффекта регулирования высокоэластической деформативности густосетчатых полимеров в технологии композиционных оболочек для нефтегазового комплекса//Тез. докл. VIII междунар. НТК. Уфа: 2002.
11. Крыжановский В.К., Семенова А.Д. Тонкослойные стеклопластики на модифицированном эпоксидном связующем с регулируемыми термоинверсионными свойствами. Изв. СПбГТИ (ТУ). 2012. №13 (39).
12. Паниматченко А.Д., Бурлов В.В., Крыжановский В.К. Технология производства высококачественных тонкостенных стеклопластиковых оболочек и их применение//Сб. мат-лов конф. «Качество полимерных материалов и изделий: инновации, сертификация, контроль». СПб.: 2003.
13. Патент РФ №2266455. Способ неразъемного соединения стеклопластиковых труб.