ГИБКАЯ ВЫСОКОНАПОРНАЯ ПОЛИМЕРНАЯ АРМИРОВАННАЯ ТРУБА

Полезная модель относится к нефтегазовой отрасли и может быть использована для сбора и транспортировки углеводородов, воды, газа и операций подачи в скважины различных жидкостей и реагентов, необходимых для освоения, эксплуатации и обслуживания скважин. Гибкие полимерные армированные трубы имеют ряд преимуществ по сравнению со стальными трубопроводами, соединяемыми сварными соединениями или скручиванием резьбовых соединений. Полимерные элементы гибкой армированной трубы надежно предохраняют металлические элементы от воздействия окружающей среды. Гибкая армированная полимерная труба может быть изготовлена одной большой длиной. При монтаже трубопровода выполняется относительное малое количество соединений отрезков трубы, что экономит время и уменьшает затраты
Известны трубы с неметаллическим сердечником, покрытым многослойной оболочкой из навитой металлической ленты (Авторское свидетельство СССР №185161 по заявке от 25.03.1963, опубликован 30.07.1966). Металлическая лента имеет ступенчатую форму в поперечном сечении. Недостатком данной конструкции можно считать большую жесткость трубы, так как металлическая лента имеет ступенчатую форму и прикрепляется к сердечнику по плоскости с помощью клея. Следствием большой жесткости трубы будут большой радиус изгиба и невозможность намотки на барабан. Создание ступенчатой формы возможно только для пластичной ленты, что уменьшает механическую прочность конструкции в целом.
Известна неметаллическая труба, состоящая из армирующего металлического ленточного каркаса с витками внахлест на ширину не менее половины ширины ленты и наполнителя, отличающаяся тем, что, с целью повышения прочности и термостойкости, каркас имеет форму винтового коноида с зазором между витками, а его лента поперечно профилирована (Авторское свидетельство СССР №SU 1200066 А). Недостатком данной конструкции можно считать крупные размеры такого каркаса и, как следствие, невозможность выполнения многослойной конструкции. Прочности однослойного каркаса будет недостаточно для обеспечения сопротивления высокому давлению внутри трубы. Обеспечить многослойную намотку каркаса такой формы и объединение его в одну компактную и надежную конструкцию трубы невозможно.
Наиболее близкой конструкцией гибкой трубы к предлагаемой полезной модели является армированная труба, которая имеет наружный слой и один внутренний слой, выполненные из полимерного материала, между которыми расположен, по меньшей мере, один армирующий слой, выполненный из стальной ленты, покрытой, по меньшей мере, с одной стороны адгезивом (Патент RU 151014 U1 от 29.09.14).
Недостатками конструкции данной трубы можно считать очень малое отношение толщины стальной ленты армирующего слоя к внутреннему диаметру трубы, которое составляет 0,0006-0,002 и применение адгезивного слоя. Стальная лента такой толщины имеет недостаточную прочность внутреннему давлению в радиальном направлении и на разрыв в осевом направлении. При изгибах трубы адгезивный слой препятствует перемещению слоев металлической ленты вдоль оси трубы и возврату слоев в исходное положение, которым считается прямолинейное положение трубы. Высокая жесткость конструкции трубы с адгезивным слоем может стать причиной деформации металлического каркаса при изгибе трубы.
Целью данной полезной модели является создание улучшенной конструкции высоконапорной гибкой армированной полимерной трубы, способной выдерживать внутреннее давление до 20 МПа, осевые нагрузки до 300 кН, с возможностью ее намотки на барабан или в бухту.
%
Поставленная цель достигается созданием гибкой полимерной армированной трубы, имеющей внутренний и наружный слой, выполненные из полимерного материала, между которыми расположен армирующий слой из металлических лент, спирально намотанных 4-мя повивами, причем первые два повива металлических лент имеют одинаковое направление, а последующие повивы имеют противоположное направление, причем угол повивов металлических лент относительно оси трубы имеет величину 55°±5, а между металлическими лентами одного повива имеется зазор, составляющий от 5 до 15% от ширины ленты, толщина которой составляет 0,3-1,5 мм.
Техническим результатом применения данного изобретения является изготовление и применение гибкой высоконапорной армированной трубы для транспортировки нефти, газа и воды и прочих газожидкостных смесей.
На фиг. 1 представлена конструкция гибкой армированной полимерной трубы, состоящей из внутреннего слоя 1, выполненного из полимерного материала, четырех повивов металлической ленты, причем первый повив 2 и второй повив 3 имеют одинаковое направление, третий повив 4 и четвертый повив 5 имеют противоположное первым двум повивам направление. Повивы металлических лент намотаны под углом 6 относительно оси трубы 7. Между лентами каждого повива имеются зазоры 8. Поверх повивов металлических лент нанесен внешний слой 9, выполненный из полимерного материала.
Изготовление армирующего слоя гибкой полимерной армированной трубы выполняется следующим образом: первый повив металлической ленты наносится на полимерную трубу под углом к оси трубы и с небольшим зазором между витками. Второй повив металлической ленты наносится поверх первого повива в том же направлении таким образом, чтобы он перекрывал зазоры между лентами первого повива. Третий повив металлической ленты наносится поверх второго повива в противоположном направлении. Четвертый повив металлической ленты наносится в том же направлении, что и третий повив, перекрывая зазоры между лентами третьего повива. Таким образом, нанесение двух повивов лент (первого и второго) в одном направлении и нанесение двух других повивов (третьего и четвертого) в противоположном направлении компенсируют крутящий момент, возникающий при заполнении трубы жидкостью под давлением и предотвращают перекручивание гибкой трубы.
Для правильной работы армирующего слоя трубы - повивов металлических лент, при изгибах трубопровода, необходимо обеспечить скольжение повивов относительно друг друга. Как показано на фиг. 2, при изгибе трубы на средний радиус 10 участки металлических лент 11, расположенные на внутреннем радиусе 12 изгиба сжимаются, а участки металлических лент 13, расположенные на внешнем радиусе 14 изгиба растягиваются. Т.к. армирующие ленты имеют высокий модуль упругости происходит взаимное смещение лент относительно друг друга и изменение зазоров между ними в повиве без изменения геометрических размеров самих лент. При изгибе на внешнем радиусе зазоры немного увеличиваются, а на внутреннем немного уменьшаются - за счет этого в стальной ленте не возникает напряжений при изгибе трубопровода. Соответственно изменяется положение лент различных повивов относительно друг друга. Произведем расчет величины растяжения/сжатия на внутреннем и внешнем радиусах при изгибе трубы.
Рассчитаем среднее значение длины окружности слоев по формуле:
L=2*π*R, где
R - радиус изгиба
Выберем для намотки трубы с внутренним диаметром 100 м барабан с радиусом бочки 1000 мм. При этом получатся следующие радиусы намотки различных участков трубы и соответственной длины окружностей, определяемых этими радиусами. Получим следующие данные:
Средний радиус намотки армирующих элементов трубы, мм -
1200
Внешний радиус намотки армирующих элементов трубы, мм -
1260
Внутренний радиус намотки армирующих элементов трубы, мм -
1140
Длина окружности по среднему радиусу, мм -
7536
Длина окружности по внутреннему радиусу, мм -
8313
Длина окружности по внешнему радиусу, мм -
6659
Как видно из приведенных данных, при намотке трубы суммарный зазор между участками лент, находящимися на внутреннем радиусе уменьшится на 877 мм, а зазор между участками лент на внешнем радиусе увеличится на 777 мм. Если исходить из того, что при намотке трубы зазоры между лентами на внутреннем радиусе вообще исчезают суммарный зазор между лентами для прямой трубы должен занимать не менее 11,6% от суммарной ширины лент по оси трубы. На практике для различных диаметров труб эта величина составляет от 5 до 15%. Изменение зазора между лентами происходит за счет скольжения металлических лент относительно друг друга.
2
Нанесение металлической ленты выполняется под углом близким 55° к оси трубы. Данный угол намотки выбирается для обеспечения равнопрочности армирующих элементов в радиальном и осевом направлении. Известно, что условие равнопрочности определяется выражением: tg(φ)=2, где φ≈55° - угол повива стальных лент к оси трубы. Слои металлической ленты, уложенные во взаимно противоположных направлениях под углом φ≈55° обеспечивают равнопрочность системы армирования к действию внутреннего давления в осевом и радиальном направлении. На практике сложно обеспечить точный угол повивов металлических лент, поэтому он выбирается некоторой погрешностью, например в 5%.
Основными характеристиками прочности для напорной полимерной трубы являются характеристики максимального давления, которое может выдерживать труба и прочности на разрыв. В предлагаемой полезной модели эти характеристики достигаются следующим образом. В условиях, когда в качестве армирующей системы применяется высокопрочный материал -металлическая лента, армирующая система воспринимает на себя всю возникающую от действия внутреннего давления нагрузку, а полимерные слои, в силу больших коэффициентов относительного удлинения и малой деформации армирующей системы, нагружены незначительно. В связи с этим, прочностные свойства таких труб в первую очередь определяются соответствующими характеристиками стальной ленты, а выбор параметров армирующей системы: толщина ленты, количество слоев лент, предел прочности материала, из которого изготовлена лента может быть проведен без учета прочностных и деформационных характеристик полимерных слоев. Для расчета армирующей системы на внутреннее гидростатическое давление используем формулу:
H
P=((2*e)/(D-e))*[σ], где
Р - внутреннее давление в трубе.
H
D - наружный диаметр трубы,
е - минимальная толщина стенки.
[σ] - временное сопротивление разрыву металлической ленты.
Для примера возьмем три конструкции гибкой полимерной армированной трубы:
Конструкция №1 согласно патенту на полезную модель RU 151014;
Конструкции №2 и №3 выполнены в соответствии с предлагаемой полезной моделью, где в качестве армирующих элементов применена стальная нагартованная лента по ГОСТ 2284-79 с допустимым напряжением на разрыв 700 Мпа и толщиной от 0,3 до 1,5 мм.
Результаты расчетов приведены в таблице 1
Таким образом, как видно из таблицы 1, подобранная для армирующей системы в конструкции трубы 1 толщина и прочностные характеристики металлической ленты не обеспечивают требуемых прочностных характеристик, а именно не обеспечивают рабочее давление до 20 Мпа. Выбор высокопрочной металлической ленты в конструкциях труб 2 и 3 с толщиной от 0,3 до 1,5 мм обеспечивает прочностные характеристики армирующей системы.
Увеличенная толщина ленты 0,3-1,5 мм необходима для обеспечения разрывного усилия трубы при ее монтаже, а также для обеспечения требуемой прочности при возникновении осевых усилий под действием внутреннего давления.
Произведем расчет усилия, действующего на торец трубы под действием внутреннего давления:
2
N=(π*d/4)*Р, где
d - внутренний диаметр трубы
Р - внутреннее давление в трубе
Произведем расчет разрывного усилия трубопровода по формуле:
F=A*[σ], где
F - разрывное усилие
А - сечение металлической ленты
[σ] - допускаемое напряжение в металлической ленте
Расчетные значения разрывного усилия и усилия действующего на торец трубы под действием внутреннего давления для трубы диаметром 50 мм приведены в таблице 2.
Таким образом, как видно из таблицы 2, выбранный диапазон толщины металлической ленты 0,3-1,5 мм соответствует требованиям, предъявляемым к разрывному усилию трубопровода.
В предлагаемой полезной модели повивы металлической ленты наложены в противоположные стороны. Так как металлические ленты имеют спиральную намотку -под действием растягивающего усилия в армирующем слое возникают крутящие моменты. В конструкции трубы армирующие слои наложены в противоположные стороны и крутящие моменты практически полностью уравновешиваются.
Произведем расчет величин крутящих моментов, возникающих в повивах трубы по следующим формулам:
Условие равновесия крутящих моментов в повивах трубы:
1
2
+М-М≈0, где
1
М - крутящий момент в первых 2-х повивах
2
М - крутящий момент во вторых 2-х повивах
2
2
cp
M=d*n*D*(1+(tgα)),где
d - примем равным толщине ленты
n - количество лент в повивах
cp
D - средний диаметр армирования
α - угол армирования
Расчеты крутящих моментов для трубы диаметром 50 мм, рассматриваемой в предыдущем примере приведены в таблице 3.
Таким образом, как видно из таблицы 3, крутящие моменты практически компенсированы в армирующей системе, а избыточный момент второго повива, направлен так, что он закручивает внутренний повив и в значительной степени компенсируется внутренними упругими силами в трубе.