Пластмассовые трубы.

Опыт и перспективы применения.

Протяженность газораспределительных трубопроводов более чем в три раза превышает протяженность магистральных, а протяженность промысловых нефтепроводов на порядок больше протяженности магистральных. Статистика свидетельствует, что число отказов на указанных трубопроводах значительно выше, чем на магистральных, при этом главной причиной аварийных ситуаций остается внутренняя и наружная коррозия [5]. Поэтому развитие и ремонт таких транспортных систем обусловливает применение высокоэффективных коррозионностойких материалов для изготовления труб. В мировой практике нашли широкое применение пластмассовые трубы, обеспечивающие большой срок службы, повышенную эксплуатационную надежность и уменьшенный срок строительства газораспределительных и промысловых трубопроводов. Техническая возможность и экономическая целесообразность использования пластмассовых труб в отечественной нефтегазовой отрасли не вызывает сомнения, что обусловливает широкое их применение в перспективе.

В связи с развитием нефтегазовой отрасли потребность в эффектив­ных материалах для изготовления труб нефтяного и газового сорта­ментов резко возрастает. Поэто­му в последние годы особенно уси­лилась тенденция более широко­го использования при производстве труб новых коррозионностойких материалов, в частности различ­ных полимеров. Перспективы раз­вития производства труб из пласт­масс в мировом масштабе позволя­ют предположить создание огром­ного рынка сбыта и потребления.

Неуклонный рост использова­ния пластмассовых труб, особенно в трубопроводных системах низко­го давления и газораспределитель­ных системах, характерен для всего мира. Так, например, в США более 90% сооружаемых газораспредели­тельных трубопроводов в послед­ние годы монтируется из пластмас­совых труб. Помимо транспортных целей они нашли широкое приме­нение для цементирования, созда­ния перемычек между платформа­ми и тендерами, в качестве рукавов компенсаторов для поддержания давления пласта, рукавов для подачи топлива на установки, рабо­тающие под водой и т. д.

Материалы и их свойства.

Стойкость к коррозии у пластмасс исключительно высока. Благода­ря высокой химической инертности их можно применять практически в любой среде при заглублении, не опасаясь коррозии. Наиболее зна­чительны преимущества пластмас­совых труб в случае, когда в расчет принимаются затраты на их мон­таж. Установленный срок службы пластмассовых труб составляет не менее 50 лет, а стальных - не более 33 лет. Прочность полиэтиленовых труб в 15 раз ниже, чем стальных, однако под нагрузкой эта величина у них понижается медленнее. Чем ниже испытательное давление, тем дольше не наступает разрушение. Такие трубы могут эксплуатиро­ваться при различных температу­рах, они устойчивы к воздействию различных сред, в том числе сырой нефти, которая оказывает наибольшее влияние на свойства полиэти­лена, при этом стоимость трубопро­вода в среднем на 20% меньше ана­логичного стального; увеличивает­ся скорость монтажа трубопровода, снижается объем сварочных работ, при замерзании с жидкостью трубы не разрушаются. Кроме того, дости­гается высокий экономический эффект за счет большой строитель­ной длины труб и транспортировки их в бухтах.

При производстве пластмассо­вых труб используются эффектив­ные коррозионно-стойкие матери­алы, в частности различные поли­меры, выпускаемые промышленно­стью высокоразвитых стран. К ним относятся: полиэтилен, акрилонитрилбутадиенстирол, полипропи­лен, полибутилен, телефталат, эпоксидные винилэфирные смолы и т. д. (табл. 1) [1].

Основным недостатком пласт­массовых труб является отно­сительно невысокая прочность, причем затраты на достижение того или иного уровня прочност­ных характеристик, как прави­ло, значительно выше затрат на изготовление стальных труб. Ввиду того что пластмассы более гибки и больше деформируются, чем металл, не рекомендуется их совместное использование в кон­струкции при больших напряжени­ях и нагрузках [2]. Все термопла­стики подвержены ползучести при комнатной температуре, т. е. даже при небольших нагрузках будет происходить медленное удлине­ние, в перспективе оканчивающее­ся разрушением. В соответствии с этим материал, предназначенный для изготовления труб ответствен­ного назначения, непременно дол­жен проходить испытания на пол­зучесть.

Наиболее универсальным материалом является полиэтилен (ПЭ): он легко гнется, выдержива­ет деформацию, при этом облада­ет достаточной прочностью (поли­этиленовые трубы могут находить­ся под полной нагрузкой до 80°С и сохраняют свои прочностные свой­ства также и при низких темпера­турах). ПЭ выпускают в трех моди­фикациях: низкой (0,910-0,925 г/ см³ ), средней (0,926-0,940 г/см³ ) и высокой плотности (0,941-0,965 г/ см³ ). Интервал рабочих температур полиэтилена: от -70 до +110°С (при температуре выше +110°С наступает размягчение материала, а ниже -70°С - хрупкое состояние).

Полиэтилен не чувствителен к действию микроорганизмов, находящихся в грунте: под влияни­ем этих бактерий полиэтиленовые трубы изменяют только цвет, на прочностные характеристики мате­риала бактерии никакого действия не оказывают.

В отличие от традиционных материалов, для пластмасс пред­ставляется возможным дальней­шая модификация их свойств с целью расширения области приме­нения. В последнее время достиг­нуты успехи в области модифи­кации свойств ПЭ за счет облуче­ния частицами высоких энергий, введения структурообразователей, наполнителей и др. В резуль­тате этого повышаются прочность и устойчивость полиэтилена к раз­личным химическим и физическим воздействиям. Так, сетчатый полиэтилен отличается высокой стой­костью против растрескивания под напряжением, а также устойчиво­стью против ползучести.

Армированные материалы.

Для повышения прочности труб из полимеров применяют арми­рование. Для их изготовления в качестве основы применяют эпоксидные и феноловые смолы, полиэфиры и т. д. Смолы обла­дают высокими механически­ми характеристиками (относи­тельное удлинение при разры­ве 5%) и химической стойкостью; максимальная рабочая темпера­тура - до 120°С. Пластмассовые трубы армируют металлом, сте­кловолокном и различными нитя­ми: полиэфирными, арамидными и др. Наиболее широкое при­менение пластмассы, армиро­ванные стекловолокном, получи­ли в начале 60-х годов. В настоящее время из них изготавлива­ются трубы нефтяного сортамен­та для различных видов работ на промысле.

Армирование в 20-100 раз повышает прочность термопласти­ка в направлении волокон. Арми­рованные трубы устойчивы к воз­действию различных агрессивных сред при повышении температуры до 100°С. По устойчивости к кор­розии с пластмассовыми армиро­ванными трубами можно сравнить только нержавеющую сталь. Проч­ность материала определяется в основном прочностью волокон, а смола имеет значение прежде всего как коррозионностойкий материал.

Армированные пластики приме­няют преимущественно для труб, эксплуатируемых в условиях приложения внутрен­него гидроста­тического давле­ния, которое соз­дает растягиваю­щие напряжения в кольцевом направлении. Кроме того, возникают осевые напряжения, рав­ные 1/2 кольцевых, поэтому наи­лучшее располо­жение волокон такое, при кото­ром напряжения в них минимальны; волокна, перпенди­кулярные и парал­лельные оси трубы, располагаются в отношении 2:1 [3].

Трубы нефтегазового сортамента.

Известными про­изводителями труб с использо­ванием полиме­ров являются: НПО «Пластик», ЗАО «ОМСКВОДПРОМ», «РОСФЛЕКС», ЗАО «Сибгазаппарат» ОАО «Запсибгазпром» (г. Тюмень).

В 2000 году Тюменский завод «Запсибгазаппарат» по разрабо­танным ОАО «МИПП-НПО «ПЛА­СТИК» техническим условиям (ТУ 2248-058-00203536-99) начал выпуск труб армированных мно­гослойных (ТАМ) со следующими параметрами:

■ 107 мм с толщиной стенки 16.5 и 21,5 мм;

■ 147 мм с толщиной стенки 16.5 и 21,5 мм;

■ 201мм с толщиной стенки 21,0 мм;

■ 300 мм с толщиной стенки 25,0 мм.

Разрушающее давление при 20°С не менее: для диаметра 107 мм - 22, 30, 42 и 55 МПа; для диаметра 147 мм - 17, 22, 33 и 42 МПа; для диаме­тра 201 мм - 24 и 33 МПа; для диаме­тра 300 мм - 24 МПа. Стойкость при постоянном внутреннем давлении (0,75Р_раз ) не менее 100 час.

Труба состоит из внутренне­го полиэтиленового слоя, средне­го армирующего слоя и наружного полиэтиленового слоя.

Трубы, предназначенные для транспортирования жидких сред и горючих газов, изготавливаются методом экструзии в прямых отрез­ках длиной от 5 до 12 м с кратно­стью 0,5 м. Коэффициент безопас­ности на нефть - 2,5; на газ - 3,0; при температуре до 60°С -1,5.

Большое распространение полу­чили стеклопластиковые трубы различного назначения, которые про­изводят как зарубежные фирмы, так и отечественные.

Компания SmithFiberglassproductsInc выпускает стеклопла­стиковые трубы высокого и низ­кого давления, используя их как обсадные, насоснокомпрессорные трубы, все типы фитингов, пред­ставляя наиболее широкий диапа­зон продукции этого вида в мире - диаметром от 1 до 48 дюймов.

Компания FiberGlassSystems производит обсадные, бурильные, насосно-компрессорные трубы и трубы для прокладки трубопровода («скважинный трубопровод» с али­фатическим амином, эпоксидной смолой, усиленной до 80% стеклово­локном). Продукция приемлема для отведения и при закачивании глуби­ной до 3000 м для подводных насо­сов, газоподъемников или насосной штанги и для термического приме­нения; для обсадных труб - цемен­тированных или перфорированных через зону или максимальную глу­бину; обсадных труб для отведения химических отходов; для хвостови­ка со щелевидными продольными отверстиями; для оценки параме­тров продуктивности пласта и др.

На проходившей в Тюмени выставке Новокузнецкое научнопроизводственное предприятие «КУЗБАСС-ЭКО» представило коррозионностойкие трубопроводные системы и оборудование немецкой фирмы Fiberdur-Vanckиз термоупрочненных эпоксидных и винило­вых смол, армированных стекло­волокном. Трубопроводы использу­ются для транспортировки агрес­сивных и абразивных жидкостей, суспензий и газов.

Пермский завод «Пармапласт» наладил выпуск стеклопластиковых обсадных труб и постав­ляет их в Западную Сибирь. В конце 1999-го и в начале 2000 года трубы прошли успешные испыта­ния в Тюменской области на Губкинском месторождении, где они были использованы в интервале 644-806 м.

В Самаре выпускаются стеклопластиковые трубы для монтиро­вания «хвостовой» части обсадной колонны при строительстве сква­жин специальной конструкции. Внутреннее рабочее давление - 15 МПа. Трубы внедрены в ПО «Башнефть» и «Татнефть».

ЗАО «ТОМСКСЕРВИС» разрабо­тал ГОСТ Р 51161-98 (технические условия) на штанги насосные стеклопластиковые, который введен впервые в действие 1 апреля 1998 г. В ГОСТе представлены все типы и марки штанг, а также требования к ним.

Существуют и другие направ­ления эффективного примене­ния стекловолокна, стеклопласти­ка в нефтяной и газовой промыш­ленности: волокнистые сальнико­вые набивки, отсекающие клапаны, индикаторы в системах, основан­ных на фотоэлектрическом эффек­те для позитивного немедленно­го отклика на аварийную ситуацию удаленного оборудования; различ­ные коррозионностойкие огражде­ния из стеклопластика используют в нефтехимических производствах, в системах промышленных стоков и других областях.

Преимущества труб из полимер­ных материалов предполагают в будущем их более широкое приме­нение в нефтегазовой отрасли.

Область применения полимер­ных труб приведена в классифика­ции (рис. 1). Конечно, это далеко не полный перечень возможностей применения труб, изготавливаемых из полимеров или с их добавками, но и по приведенной классифика­ции видно, что в настоящее время накопился уже достаточно большой опыт как в зарубежной, так и в оте­чественной практике использования прогрессивных коррозионностойких материалов для изготовления труб, так необходимых для нефтегазовой отрасли.

Законодательный тормоз.

Законодательными документами для производства полимерных труб являются стандарты на трубы из полимерных материалов (табл. 2).

Существенным тормозом в расширении внедрения поли­этиленовых труб и соединительных изделий является отсутствие нормативно-технической докумен­тации по проектированию, строи­тельству и эксплуатации полиэтиленовых нефтегазопроводов. Дей­ствующая документация не в полном объеме сориентирована на применение полиэтиленовых тех­нологий. Как видно из таблицы 3, «возраст» СНиПов составляет от 5 до 23 лет. Они не учитывают изме­нения характера строительства трубопроводных систем, появле­ния новых материалов и оборудо­вания, новых прогрессивных технологий их строительства и экс­плуатации.

В развитие устаревших СНи­Пов разработаны своды правил и инструкции для проектирования и сооружения трубопроводов из полиэтилена (табл. 4). Ведомственные строительные нормы распространяются на проектирование и стро­ительство новых и реконструиру­емых внутри- и межплощадочных трубопроводов нефтяных и газо­вых промыслов и трубопроводов - ответвлений к отдельным потребителям, сооружаемых из пластмассо­вых труб.

Новые трубы - новые технологии строительства.

С появлением новых прогрессивных технологий строительства нефтегазопроводов из полимерных мате­риалов, обеспечивающих повыше­ние надежности их работы и сни­жающих сроки строительства, по заданию заказчика разрабатывают­ся альбомы нормалей, технологи­ческие карты, регламенты и другие нормативно-технические документы.

Примерами применения про­грессивных технологий сооружения и ремонта полиэтиленовых газо­проводов являются плужный спо­соб прокладки трубопроводов и реконструкция (футеровка) изно­шенных трубопроводов.

Укладочные работы выполня­ются трубоукладчиком, а ремонт­ные - установками гибких труб отечественного (агрегат «Скорпи­он») и зарубежного производства (колтюбинговая установка фирмы DRECO).

Конструкция рабочего органа плужного бестраншейного трубоукладчика представляет собой комбинацию рыхлителя, предназначенного для механиче­ского разрушения грунта, а также направляющего короба, располо­женного за рыхлителем и обеспе­чивающего прокладку трубы на необходимую глубину. Механиче­ское разрушение грунта осущест­вляется сосредоточенным сило­вым воздействием тяги базовой машины. Подача трубы с бухты также происходит за счет тягово­го усилия.

Восстановление трубопрово­дов способом футеровки проводит­ся при капитальном ремонте трубо­проводов или в случае возникнове­ния аварийной ситуации. Его реко­мендуется применять для подзем­ных нефтесборных трубопроводов для рабочего давления до 4 МПа.

С целью обоснования внедре­ния новых технологий сооружения и восстановления изношенных участков трубопроводов сотрудни­ками ТюмГНГУ проведены исследо­вания по оценке надежности поли­этиленовых трубопроводов при их сооружении и эксплуатации (табл. 5, 6) [4, 5].

Результаты научных исследова­ний показали, что трубы из поли­этилена обладают уровнем кон­структивной надежности, доста­точным для использования их в качестве газораспеределительных трубопроводов, а также в системах сбора и подготовки скважинной продукции.

Перспективно и будущее при­менение подземного внутрискважинного оборудования из пласт­масс. Оно вполне может быть обу­словлено оптимальным сочетани­ем высоких прочностных характе­ристик новых пластических мате­риалов (в частности, стеклопласти­ков) с удовлетворительными свой­ствами их буримости, что позволит разработать и применять различ­ные конструкции подземного оборудования для временного разоб­щения отдельных зон в скважинах. Совершенствование отечествен­ной практики поочередного отклю­чения (изоляции) пластов и пропластков в стволах эксплуатаци­онных и нагнетательных скважин может вполне проводиться заме­ной металлических перекрываю­щих конструкций (дорнов, дополни­тельных технических колонн мень­шего диаметра, хвостовиков) проч­ными и разбуриваемыми пластмас­совыми трубами.

Так называемые «гибкие трубы» - ГТ - для нефтегазовой отрасли изготавливаются в основ­ном из стали. Но и для них нужны трубы из коррозионностойких материалов. Поэтому в ближай­шем будущем исследовательские работы будут направлены на реше­ние проблем, связанных с приме­нением нового поколения гибких труб из альтернативных материалов, среди которых и термопласты, композитные и термоизолирующие материалы и др.

Расширение в последние годы строительства высоконапорных трубопроводов больших диаме­тров определило еще одну обшир­ную область применения полиэти­лена - покрытия для труб больших диаметров. Наличие покрытий из полиэтилена привело к появлению новых видов изделий из пластмас­сы - коротких патрубков для защи­ты швов.

Особенно перспективны пласт­массовые трубы в системе нефтегазосбора на нефтепромыслах, на которых имеют место высокая обводненность продукции сква­жин и низкие давления в трубо­проводах.

Исследования физико-химической стойкости в агрессив­ных средах труб из полиэтилена доказали техническую возможность и экономическую целесообразность их применения в качестве обсад­ных колонн для складирования вредных отходов химических про­изводств и сточных вод.

Таким образом, становится вполне очевидным, что современ­ные способы производства труб из высокопрочных армированных полимеров могут вывести нефте­газовую отрасль на качественно новый уровень.

Литература

1. Бухин В.Е. Состояние нормативной базы обеспечения производства и применения труб из полимерных материалов // Трубопроводы и экология - М: 2007. - № 1.- с. 2-4.

2. Агапчев В.И. Перспективы применения труб из полимерных материалов в нефтяной промышленности / В.И.Агапчев, В.А.Мартяшева, Н.Г.Михайленко и др. // Обзорная-информ. Сер. Борьба с коррозией и защита окружающей среды - М.: ВНИИ0ЭНГ, 1988, Вып. 3 (77). - с. 44,

3. Пастернак В.И., Седых А.Д. Пластмассовые трубы, применяемые в газовой и нефтяной промышленности. Обзорная информация. Сер, Коррозия и защита в нефтегазовой промышленности. Вып. 9. - М.: ВНИИ0ЭНГ, 1981.-с. 40.

4. Карнаухрв Н.Н., Якубовская СВ. Оценка конструктивной надежности полиэтиленовых трубопроводов при применении новых методов строительства // Известия вузов. Нефть и газ. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2005. - № 2, - с. 9-15.

5. Якубовская СВ. Оценка конструктивной надежности газонефтераспределительных и сборных сетей из полимерных материалов // Технологии ТЭК - 2005, - № 4. - с. 36-39.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ

филиал в г. Нижневартовске

Кафедра «Проектирование, строительство и эксплуатация скважин»

Сообщение на тему:

Пластмассовые трубы.

опыт и перспективы применения.

Выполнил ст.гр. НР06 - 1 Ермашова Юлия

Проверил Завьялов В. В.

г. Нижневартовск, 2009 г.