ГАЗопроНицАЕмосТь или почЕму НАсТупАЕТ кЕссоННАя

Авторы:
Сергей Алексеевич Волков - Генеральный директор ООО НПП "Завод стеклопластиковых труб", профессор.
Марсель Маратович Ахмадуллин – Главный технолог ООО НПП "Завод стеклопластиковых труб"
Газопроницаемость или почему наступает
кессонная болезнь стеклопластика
Одна из проблем, которая беспокоит заказчиков стеклопластиковых труб, и получившая на профессиональном сленге
название «кессонная болезнь», это насыщение стенок стеклопластиковой трубы газом и последующее их разрушение при
сбросе давления внутри трубы.
Такая опасность возникает при высоком содержании газа
в перекачиваемой среде или транспорте газоконденсата. Под
воздействием внутреннего давления возникает эффект газонасыщения стенки трубы. Как это происходит? Рассмотрим на
примере.
Традиционно существуют два типа стеклопластиковых
труб это трубы многослойный и однослойные. С точки зрения
исследуемой нами проблемы можно упрощенно говорить, что
многослойная труба содержит как минимум два слоя – герметизирующий и силовой. Соответственно в однослойной трубе силовой слой, то есть слой воспринимающий внутренние внешние
нагрузки, одновременно является и герметизирующим слоем.
Почему выбирается та или иная конструкция. Рассмотрим на
примере труб «ЗСТ». Трубы (цифры приближенные) имеют
запас «прочности по герметичности» (то есть до того момента,
когда произойдет появление первых капель жидкости) – ТРИ
(не менее 2,5), а запас «механической прочности» (то есть до
того момента, когда произойдет механическое разрушение
трубы) – ВОСЕМЬ. Напрашивается логичное решение – если
уложить герметизирующий слой вовнутрь трубы, то можно
значительно, в два с лишним раза увеличить рабочее давление
трубы. Но не все так просто. Дело в том, что после достижения
давления разгерметизации происходят необратимые процессы
в силовой стенке трубы, то есть возникают микротрещины. При
чем это может произойти сразу, либо по прошествии некоторого
времени, значительно меньшего чем время службы труб заявляемое производителями. Время службы трубы, в зависимости
от запаса прочности, связано с механизмом разрушения стеклопластика и, возможно, будет рассмотрен нами в последующих
публикациях. (Особенно дотошный читатель может обратится к
ASTM 2992). Чем опасно «растрескивание» силового слоя – это
именно те полости которые насыщаются газом под высоким
давлением в момент эксплуатации трубы и который разрушает
стенку трубы изнутри если давление газа в трубе сбрасывается.
Как попадает газ в тело трубы – через дефекты или вследствие
газопроницаемости герметизирующего слоя, либо через стык.
Вообще надежность стыка в многослойных трубах самостоятельная и трудно решаемая проблема.
Другая проблема – это отслоение внутреннего, герметизи-
30
рующего, от силового слоя. Дело в том, что разница в физикомеханических и химических свойствах двух этих слоев создает
проблемы на границе между ними, или как говорим мы на «межфазе». Что зачастую приводит к отслоению внутреннего слоя.
Отслоение в конечном итоге приведет к вздутию и разрушению
герметизирующего слоя.
Это явление характерно не только для стеклопластиков, но,
к примеру, оно свойственно и для труб с внутренним антикоррозионным покрытием. Если последнее имеет слабую адгезию
к металлу или не приклеено вовсе, то есть риск «захлопывания»
внутреннего сечения трубы при сбросе давления.
Почему некоторые производители идут на изготовление
многослойных труб? Скажем, что такие трубы не так уже и плохи
для перекачки жидкостей, но не могут быть рекомендованы для
перекачки газообразных сред, либо нефти с высоким газовым
фактором.
Почему некоторые поставляют подобные трубы на нефтесборные линии? Либо по незнанию, либо из-за отсутствия
соответствующих технологий производства, либо по каким-то
иным соображениям.
Закрывая эту тему скажем, что в любом случае однослойная
труба требует более высоких технологий, более качественного
сырья и, очевидно, надежнее, но несколько дороже в производстве.
Та концепция, которой придерживается фирма «ЗСТ»
предполагает, что любое нарушение целостности любого
слоя может означать только одно – данное изделие не
пригодно для дальнейшей эксплуатации!
Нами было произведено исследование на предмет наличия
пустот в стеклопластиковой матрице.
Образцы для исследований изготавливались из стеклопластиковых НКТ, прошедших приемо-сдаточные испытания
давлением, в полтора раза превышающем номинальное.
Одна часть образцов была погружена в спиртовой раствор
фуксина – общеизвестного индикатора наличия пустот в композиционных материалах. По прошествии суток образцы были
разрезаны. Никаких следов красителя в массе стеклопластика
не обнаружено. Фуксин лишь «испачкал» наружную поверхность
образцов.
Вторая часть образцов была изучена под цифровым увеличением до 800× (Рис. 1). Исследования проводились на кафедре
материаловедения и технологии материалов «Казанского национального исследовательского технического университета
им. Туполева». После тщательной полировки и обеспыливания
микроструктура стеклопластика изучалась под различным
увеличением (от 300× до 800×) на срезах вдоль и поперек
элементарных волокон стекловолокна. Данное исследование
также подтвердило отсутствие каких-либо пустот и полостей,
как вокруг волокон, так и в объеме эпоксидного связующего. Это
во многом объясняется нашими повышенными требованиями
к используемым сырьевым материалам, а также к таким физическим показателям, как плотность. Последняя обеспечивается
особыми параметрами процесса намотки и, при общепринятых
значениях от 1800 кг/м3, для продукции «ЗСТ» редко опускается
ниже отметки в 2000 кг/м3.
Рис. 1
Некоторые производители стеклопластиковых труб, в целях
снижения себестоимости, стараются приобретать более дешёвое сырье, и, как бы это не печально звучало, в том числе отечественное. В свое время, ЗСТ в порядке эксперимента также
закупало опытные партии подобных материалов для проведения
тестовых испытаний. По своему опыту можем сказать, что часто
такое сырье не только не удовлетворяет многим требованиям
мировых стандартов, но и не отличается стабильностью свойств,
проверяемых при входном контроле либо просто не проходит.
В свою очередь, анализ физико-механических показателей
конечной продукции, изготовленной на основе низкокачественного связующего и стеклоровинга, показал, что стенка трубы
получается «рыхлой». Об этом свидетельствуют нестабильность, а также резкое падение таких показателей, как степень
отверждения, плотность, содержание полимерной части и др.
Результаты квалификационных испытаний (до разгерметизации) таких труб также имеют большой разброс в значениях и
могут достигать 60 %, тогда как для серийной продукции они
составляют не более 10%.
Такая «рыхлая» стеклопластиковая оболочка не только не
в состоянии обеспечить длительный срок службы труб и фитингов, но и является абсолютно не работоспособной в среде
газа. Газо-проводы и газоконденсато-проводы, выполненные из
такой трубы легко «заболевают» кессонной болезнью и быстро
разрушаются.
Еще один вид испытаний, которые проводились в рамках
данных исследований – гидравлические. Целью было зафиксировать момент перехода упруго-пластических деформаций
материала стеклопластиковой трубы в необратимые, при воздействии избыточного внутреннего давления. Подъем давления
осуществлялся ступенчато с полным сбросом после каждого
подъема. Испытания шли до разгерметизации, при этом на
каждом подъеме давления проводились тензометрические замеры изменения наружного диаметра и длины трубы. (Рис. 2).
Результаты проведенных испытаний показывают, что необратимые деформации, связанные с образованием микротрещин в
связующем, происходят практически одновременно с потерей
герметичности трубы (запотевание наружной поверхности).
И это происходит при значении внутреннего давления, почти
трехкратно превышающем номинальное!
Иными словами, насыщение газом структурной стенки и ее
разрушение наступают одновременно.
Таким образом, единственный способ газонасыщения
стеклопластика - через микротрещины в структуре, представляется возможным лишь только в конструкции, которая была
подвержена предельным нагрузкам. При нормальных условиях
- номинальном давлении и др. однослойная трубная конструкция
является герметичной по отношению к газу.
За счет применения эластичного, высококачественного,
дорогостоящего сырья от ведущих мировых производителей,
монолитная стеклопластиковая однослойная трубная конструк-
Рис. 2
ция «ЗСТ»™ способна обеспечивать необходимую степень
прочности и герметичности при высоком газовом факторе, а
также под воздействием высокого внутреннего давления, механических нагрузок и низких температур. Дополнительно, этому
способствует необходимый коэффициент запаса прочности (по
герметичности), который закладывается при проектировании
стеклопластиковых труб и изделий, и в соответствии с требованиями мировых стандартов для линейных труб составляет
не менее 2,5. Этого достаточно для обеспечения 25 летнего
срока службы труб при самых крайних условиях нагружения и
никак не меньше 50 лет при нормальных нагрузках. Мониторинг
показывает, что за более чем 12 лет эксплуатации труб «ЗСТ»
каких либо изменений в структуре их стенки не происходит, нет
падения прочностных свойств. Давление разгерметизации в
пределах статистической погрешности.
Вывод:
При транспорте газоконденсата или нефти с высоким содержанием газа мы можем утверждать, что нет никаких посылов для
насыщения труб газом из-за отсутствия полостей в структуре
стенки трубы, а также вследствие ее абсолютной химической
стойкости к среде газоконденсата и находящимся в нем примесям и средам нефтяных месторождений.
Поэтому трубы могут быть использованы для перекачки газа.
Однако изготовителю трубной продукции необходимо знать в
какой среде она будет работать. Такая продукция является особо
ответственной, а предприятие при выполнении такого заказа
должно обеспечить особый контроль на всех стадиях жизненного цикла продукции. Это так же касается соединений труб и
фитингов и качества их внутренней поверхности. По опыту эксплуатации, мы не рекомендуем использовать свою продукцию
при давлении газа свыше 120 атм. Герметичность резьбового
соединения и «фактор масштаба» с учетом иных, чем у стали,
упругих свойств пластика – это тема другого исследования с
которым мы ознакомим наших читателей партнеров позднее.
www.zct.ru
НЕФТЕГАЗ INTERNATIONAL
НЕФТЕГАЗ INTERNATIONAL
www.neftepixel.ru
www.neftepixel.ru
31