Санкт-Петербургский горный университет
Применение неметалических материалов для повышения надежности нефтегазопроводов
Леонов И.С.,
кандидат технических наук, доцент кафедры «Транспорт и хранение нефти и газа»
Нурбеков Ш.Н.,
студент магистратуры 2 курс, факультет «Нефтегазовое дело»
г. Санкт-Петербург
Аннотация
В статьерассматриваютсяальтернативныематериалы, применяемые для повышениянадежности в современных системах нефтегазопровода. Цель статьи - анализ, сбор и систематизацияданных для максимально эффективной и безопаснойэксплуатациитрубопроводов с применениемполимерныхматериалов и ихкомпозитов.
Ключевые слова: трубопроводный транспорт, коррозиятрубопровода, неметаллическиематериалы, стеклопластиковая труба, гибкая труба.
Abstract
The article discusses alternative materials used to improve reliability in modern oil and gas pipeline systems. The purpose of the article is to analyze, collect and systematize data for the most efficient and safe operation of pipelines using polymer materials and their composites.
Key words: pipeline transport, pipeline corrosion, non-metallic materials, fiberglass pipe, flexible pipe.
Основная часть
Трубопроводыиграютсущественную и динамичную роль в транспортировкесыройнефти и природного газа. Сыраянефть и природный газ содержатразличныеагрессивныепримеси, такиекакCO2, H2S, вода и микробы. КоррозияCO2 и H2S являютсянаиболеераспространенными формами коррозии. На скоростьвнутреннейкоррозии в арматурах и трубопроводах влияютсодержаниеCO2 и H2S, вода, скоростьпотока и состояниеповерхностиматериала.
Внутреннююкоррозиютрубопроводаможноуменьшитьнесколькими способами: выборподходящегоматериала, использованиеингибиторовкоррозии, металлических и неметаллических футеровок илипокрытий. Практика использованиянеметаллическихматериалов для труб (НМТ) при добыче и транспортировкенефти и газастановитсяжизнеспособным и надежнымрешением для борьбы с коррозией.
К НМТ относятсяполимеры, композиты. Такиематериалынаходятприменение, как в наземных, так и в морских трубопроводах. Преимущество НМТ заключается в маломвесе и лучшейкоррозионнойстойкости по сравнению с металлами. Однаковозможностьпроникновения при высоких температурах-давленияхуглеводородов и кислыхгазовограничиваетихприменение. Таким образом, систематическаяоценкавозможныхмеханизмов и фаз деградацииимеетрешающеезначение для успешногоиспользованияматериалов НМТ.
Коррозия в нефтегазопроводах
Различнымичастями, подверженнымивнутреннейкоррозии, являютсяскважинныетрубы, наземныетрубопроводы, сосудыподдавлением и резервуарыдля хранения. Внутренняякоррозияможет привести к катастрофическомуотказу, вызывающемусерьезныепоследствия для населения, имущества и окружающейсреды. 70% отказовтрубопроводов в нефтяной и газовойпромышленностипроисходятиз-за коррозии, и 58% из них коррозиявнутреннегохарактера.
Коррозионно-стойкиесплавысчитаютсялучшимвариантом, но ихиспользованиесовременемсокращаетсяиз -за высокихкапитальных затрат. Для защитыбылисозданыпокрытия, которыеиспользуются для созданиябарьерамеждурабочим трубопроводом и текучейсредой. Он можетбытьметаллическим и неметаллическим.
Неметаллическиематериалы
Неметаллическиематериалы для труб состояткакизполимеров, так и изкомпозитов и уже много лет используются в качествевнутреннегопокрытия. В случаевнутреннейкоррозии труб использованиетермопластичныхвкладышей для защитыявляетсявозможнымвариантом для продлениясрокаслужбытрубопроводов и снижения затрат на техническоеобслуживание. Этот метод перебазировкибылвпервыеиспользован в Европе и СевернойАмерике. Ониобладаютмногимиуникальнымисвойствами, включаямалыйвес, коррозионнуюстойкость, химическуюинертность и превосходнуюустойчивость к нагреву и возгоранию.
Средитермопластовполиэтиленвысокойплотности (ПЭВП), полиамид (ПА11, ПА12) и поливинилиденфторид (ПВДФ) являютсянаиболее
распространеннымиполимернымиматериалами, используемыми в трубопроводнойпромышленности. Композитыматериалов НМТ делятся на двегруппы: ПАВ (пластик, армированный волокном) и ПАЭ (эпоксидная смола, армированная волокном). Матрицаможетбытьизготовленаизтермопластичных, термореактивных и эластомерныхматериалов, а армирование -- из стекла, арамида и углерода. Данноесырьеиспользуется для изготовленияконечнойкомпозитнойтрубы, такойкак труба изармированнойтермореактивнойсмолы, труба изармированноготермопласта и термопластичнаякомпозитная труба по новейшейтехнологии.
На рисунке 1 показаныразличныеслоивнутритрубыизармированногостеклопластика(GRP)
Рисунок 1. Структура стеклопластиковойтрубы
Гибкиетрубы
Гибкиетрубыиспользуютсяиз-за ихгибкости и прочности в морских системах добычи и транспортировки. Неметаллическиетрубы, в том числеармированныетермопластичныетрубы (АТТ), термопластичныекомпозитныетрубы (ТКТ) и гибкиекомпозитныетрубы (ГКТ), вводятсявместожесткихтрубопроводов. Внутренний и внешнийслоивыполненыизтермопластичныхматериалов, а армированиесостоитизстекловолокна, арамидного волокна, GRE и стальныхкордов. Они по структуреподразделяются на связанные и несвязанные. В связанных тубах арматурная сталь заделана в полимер, а в несвязанныхиспользуетсяодинарнаяполимерная труба, помимо стального покрытия.
ПВДФ являетсявязкоупругимматериалом, и он становитсятоньше, а не образует шейку при приложениинапряжения, чтоявляетсяоднойиз причин его использования в гибких трубах. Полиамид уже 30 лет используется в гибких трубах из-за его способностивыдерживатьмеханическиенагрузки в динамическихусловиях. Пластификаторыдобавляются для повышенияэластичности и сниженияпрочности. PA11 и PA12 могутиспользоваться в диапазоне температур до 100 °С для транспортировкисыройнефти. На рисунке 2 показана слоистая структура гибкойтрубы.
нефтегазопровод полимерный композит неметаллический
Рисунок 2. Гибкая труба
Неметаллическиематериалы все чащеиспользуются в нефтяной и газовойпромышленностииз-за ихотличительныхособенностей, таких какустойчивость к коррозии, легкий вес, простота установки и низкиезатраты на техническоеобслуживание. Как и ихметаллические аналоги, ониимеютопределенныеограничения, такиекакхимическаядеградация, влияниестарения и ограничения на проверки. Осмотр и мониторингнеметаллических труб, используемых в нефте- и газопроводах, необходимо проводить через регулярныепромежуткивремени. Мониторингдаетраннееуказание на ущерб, которыйповлияет на актив предприятия в долгосрочнойперспективе.
Сегодня США и Китай являютсякрупнымипотребителямикомпозитов. Северная Америка, вероятно, останетсяосновнымрегиономупотребляемыеполимерныетрубыиз-за:
- Растущееосознаниепреимуществкомпозитныхматериалов;
- Увеличение числа проектовинфраструктуры природного газа.
В настоящеевремянефтегазоваяпромышленностьимеетдостаточновысокуюобъемную долю полимера в композитных трубах (от 40 до 50%), протянувшихся через огромнуюсетьтрубопроводовпротяженностьюболеедвухмиллионовкилометров по всему миру. Этот факт представляетсобойогромныевозможности для увеличенияспроса на полимерныетрубы при условии, чтоисследования и разработкибудутсосредоточены на четырехосновных областях:
- Расширениеобластиприменения труб изполимерныхкомпозитов;
- Усовершенствованныеполимерныевкладыши;
- Мониторинг и осмотркомпозитныхконструкций;
- Прогнозированиесрокаслужбы и пригодность к эксплуатацииполимерных и композитныхконструкций.
Использованиенеметаллическихматериалов для трубопроводовимеет ряд преимуществ, в том числеболеенизкиепроизводственныезатраты, болеенизкиепредполагаемыезатраты на строительство и эксплуатацию, а такжезначительноеснижение риска загрязненияокружающейсреды, чтоявляетсянаиболееважной и неотложнойзадачейнефтегазовойотрасли. Такиетрубы широко используются в международной и отечественнойпрактике, гдеопытнеуклоннорастет, показываянеобходимостьиспользованиякомпозитныхтрубопроводов на основеполиэтилена.
Использованные источники
1. Бухин В.Е. Трубопроводыизполимерныхматериалов для тепловыхсетей // Трубопроводы и экология. - 2003. - № 1. - С. 18-19.
2. Гибкаялинейная труба, армированнаястекловолокномFiberSpar// FiberGlassRus. URL: https://fg-rus.ru/products/gibkaya-lineynaya-truba-fiberspar(дата обращения: 16.05.2022).
3. Габова М.А. Применениекомпозиционныхматериалов при добыченефти и газа // Вестникуниверситета. 2012 № 10 С. 88-92. URL: https://cyber- leninka.ru/article/n/primenenie-kompozitsionnyh-materialov-pri-dobyche-nefti-i- gaza(дата обращения: 18.05.2022).