ВЫСОКОНАПОРНАЯ ПОЛИМЕРНАЯ АРМИРОВАННАЯ ТРУБА

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Полезная модель относится к нефтегазовой отрасли, в частности к многослойным полимерным армированным трубам, которые могут быть использованы для сбора и транспортировки нефти, воды, газа, химических реагентов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известны трубы с неметаллическим сердечником, покрытым многослойной оболочкой из навитой металлической ленты (SU 185161 А1, опубл. 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 (SU 1200066 А1, опубл. 23.12.1985).
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.
Известна конструкция гибкой армированной трубы, 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 (RU 151014 U1, опубл. 20.03.2015).
Недостатками конструкции данной трубы можно считать применение в качестве армирующего слоя только стальной ленты и очень малое отношение толщины стальной ленты к внутреннему диаметру трубы, которое составляет 0,0006-0,002
Известна многослойная труба, раскрытая в RU 120183 U1, опубл. 10.09.2012 (прототип). Многослойная труба содержит внутреннюю полимерную трубу, армирующую систему из высокопрочных нитей, которые могут быть объединены в группы, формирующие ленты.
Многослойная труба обладает следующими недостатками:
- вследствие армирования трубы-основы полимерными нитями возникает возможность неравномерного распределения нитей и появления локальных мест с низкой плотность их намотки, что соответственно приведет к снижению прочностных характеристик в этих местах.
- для преодоления этого недостатка необходимо кратно увеличивать количество армирующих нитей, либо объединять армирующие нити в ленты путем их переплетения, вводить в конструкцию продольные нити, которые также переплетаются с основными навитыми слоями армирующих нитей.
- формирование лент из элементарных нитей и их взаимное переплетение крайне усложняют саму конструкцию армированной трубы и технологический процесс ее изготовления.
Известна гибкая полимерная армированная труба, раскрытая в RU 165000 U1, опубл. 27.09.2016, (прототип). Труба содержит 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.
Недостатками гибкой полимерной армированной трубы является применение металлических лент значительной ширины и высокой прочности, наматываемых на цилиндрическую поверхность диаметром D под углом α, при этом для плотного прилегания ленты к цилиндрической поверхности необходимо, чтобы в продольном сечении лента изгибалась по диаметру равному D/sinα, а в поперечном D/cosα. При высокой прочности ленты до 700 МПа практически невозможно согнуть ленту в ее поперечном сечении, вследствие чего края ленты не плотно прилегают к цилиндрической поверхности трубы-заготовки или предыдущему повиву лент. В результате армирующий слой трубы имеет радиальные зазоры между повивами лент, что значительно снижает прочность трубы, т.к. при подаче в трубу внутреннего давления механическую нагрузку, вызванную давлением, будет воспринимать первый слой, затем, когда будут выбраны радиальные зазоры в первом слое второй и т.д. Таким образом армирующие повивы лент будут нагружены неодинаково: на первый повив армирующего слоя может приходится нагрузка в несколько раз большая, чем на четвертый, что может привести к разрушению трубы путем последовательного разрыва сначала первого, а потом и остальных повивов.
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Задачей заявленной полезной модели является разработка гибкой высоконапорной полимерной армированной трубы, обладающей высокими эксплуатационными свойствами.
Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение прочностных свойств и надежности трубы при сохранении массогабаритных характеристик.
Указанный технический результат достигается за счет того, что высоконапорная полимерная армированная труба содержит последовательно нанесенные на наружную поверхность полимерной трубы армированный слой и внешнюю полимерную оболочку, при этом армирующий слой выполнен из нескольких повивов металлического или полимерного профиля, имеющего в поперечном сечении вид дуги с радиусом близким к радиусу полимерной трубы-основы деленному на косинус угла повива ленты, а по внешнему повиву профиля может быть уложен в виде повивов с перекрытием дополнительный слой эластичных полимерных лент, имеющих толщину не более 0,6 мм.
По крайней мере, один повив профиля имеет противоположное направление намотки.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение будет более понятным из описания, не имеющего ограничительного характера и приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
На фиг. 1 изображен поперечный разрез армированной дугообразным профилем трубы, состоящей из полимерной трубы-основы 1, первого повива армирующего профиля 2, второго повива армирующего профиля 3, третьего повива армирующего профиля 4, четвертого повива армирующего профиля 5, слоя полимерной ленты 6 и внешней полимерной оболочки трубы 7.
Фиг. 2 - фрагмент высоконапорной армированной полимерный трубы, поясняющий принцип формирования радиуса дуги профиля.
полимерная труба-основа 1, имеющая по внешней поверхности радиус 8, первый повив профиля 2, уложенного под углом 9 к продольной оси 10 трубы. При этом плоскостью, образуемой прямыми 11, проведено сечение 12, перпендикулярное продольной оси среднего профиля. Для плотного прилегания профиля к внешней поверхности трубы основы сечение профиля должно иметь вид дуги, имеющей радиус 13, равный радиусу внешней поверхности трубы, деленному на косинус угла укладки 9 армирующих профилей к продольной оси трубы. Если армирующие элементы будут иметь вид плоских металлических лент, между краями лент и внешней поверхностью трубы будут образовываться зазоры 14, что приведет к рыхлой структуре армирующего слоя и неравномерного распределения механической нагрузки между повивами армирующих элементов. Между армирующими профилями одного повива есть небольшой технологический зазор 15.
Армирующие профили 2-го, 3-го и т.д. повивов, не показанные на фиг. 2., имеют в своем поперечном сечение также вид дуги, радиус которой формируется по описанному выше принципу. Т.к. каждый последующий повив имеет радиус больше предыдущего как минимум на толщину армирующего профиля, необходимо для каждого повива подбирать профиль с различным поперечным радиусом, что на практике достаточно сложно осуществить. Однако технически вполне допустимо для армирования трубы применять одинаковый для всех повивов профиль с поперечным радиусом близким к расчетному с погрешностью, например 5%.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Высоконапорная полимерная армированная труба содержит последовательно нанесенные на наружную поверхность полимерной трубы армирующий слой и внешнюю полимерную оболочку, при этом армирующий слой выполнен из четырех последовательно спирально намотанных повивов армирующих профилей, имеющих в поперечном сечении вид дуги, имеющей радиус, равный радиусу внешней поверхности трубы, деленному на косинус угла укладки армирующих профилей к продольной оси трубы.
По крайней мере, один повив армирующих профилей имеет противоположное направление намотки по сравнению с ниже намотанным повивом.
Полимерная труба - основа и внешняя полимерная оболочка изготовлены из коррозионно-стойкого полимерного материала, выбранного из группы: полиэтилен, полиамид, сверхвысокомолекулярный полиэтилен, поливинилхлорид.
В качестве армирующих элементов применяют металлический или полимерный профиль, имеющий в поперечном сечении вид дуги с радиусом, равным отношению радиуса внешней оболочки трубы-основы к косинусу угла повива металлических профилей.
Как правило, армирование производится четырьмя профилями в каждом повиве, а угол повивов составляет угол порядка 55º, при этом армирующий профиль должен иметь следующие параметры:
Например: для трубы внешним диаметром 60 мм при армировании 4-мя профилями с углом повива 55º ширина профиля (длина по дуге) составит 26 мм, а требуемый радиус металлического профиля 52 мм соответственно. При этом, профиль будет плотно прилегать к поверхности трубы-основы, однако, если при аналогичном армировании плоскими лентами, между краями лент и поверхностью трубы основы будет образовываться зазор до 1,7 мм.
Аналогично, для трубы внешним диаметром 200 мм при армировании 4-мя профилями с углом повива 55º ширина профиля (длина по дуге) составит 90 мм, а требуемый радиус металлического профиля 174 мм соответственно. При этом, профиль будет плотно прилегать к поверхности трубы-основы, однако, если при аналогичном армировании плоскими лентами, между краями лент и поверхностью трубы основы будет образовываться зазор до 6 мм.
В обоих примерах указана максимально возможная величина зазора. На практике при укладке в повив плоских лент наблюдается их некоторый изгиб в поперечном сечении, но как правило он недостаточен и повив армирующих элементов получается рыхлым.
Радиус дуги профиля в поперечном сечении зависит угла повива следующим образом. Чем круче угол повива, т.е. тем больше угол между осью трубы-основы и продольной осью повива профиля, тем больший радиус имеет армирующий профиль. В пределе при поперечном повиве с углом повива 90º никакой дуги у армирующего профиля быть не должно, т.к. согласно формуле радиус стремиться в бесконечность. С другой стороны при пологих повивах радиус армирующего профиля будет приближаться к радиусу трубы-основы и будет равен ему при продольной укладке профиля, т.е. при угле повива 0º. На практике углы повивов занимают промежуточное положение и составляют, как правило, величину близкую к 55º. Повивы с таким углом обеспечивают равное нагружение армирующих элементов в поперечном и осевом направлениях. Но в зависимости от индивидуальных требований увеличения стойкости труб к растягивающему усилию или наоборот увеличению стойкости к внутреннему или внешнему давлению повивы могут иметь угол меньший или больший 55º.
Также внешний вид профиля будет зависеть от количества применяемых армирующих лент. Так, если трубу диаметром 200 мм армировать не четырьмя плоскими лентами, а например 8-ю, то соответственно величина зазора между трубой и краями ленты составит всего 1,5 мм. Но при этом увеличение количества армирующих лент усложняет технологическую операцию армирования и уменьшает сплошность армирования, т.к. в каждом повиве между лентами должны быть технологические зазоры. Кроме того, несмотря на уменьшение радиального зазора, он все же остается и будет отрицательно влиять на прочностные характеристики трубы.
В случае армирования плоскими лентами неплотное прилегание ленты к трубе - основе влечет за собой два негативных фактора: неравномерное нагружение ленты по ее поперечному сечению и увеличение на величину зазора последующего радиуса намотки армирующих элементов. Рассмотрим влияние второго фактора на механическую прочность трубы в целом. Например для трубы-основы диаметром 100 мм, зазор в каждом слое при применении плоской армирующей ленты толщиной 1 мм составляет также 1 мм, т.е. диаметр намотки каждого последующего повива увеличивается на 4 мм, из которых 2 мм - зазоры или пустота. При подаче во внутреннюю полость трубы давления изначально нагрузку воспринимает первый повив армирующих элементов и для того чтобы радиальные зазоры были выбраны армирующий материал должен удлиниться на 2%, увеличив диаметр намотки на также на 2 мм. После этого нагрузку начнет воспринимать второй повив. Аналогично после удлинения армирующих элементов второго повива на 2% и увеличения диаметра намотки этого повива на 2 мм, нагрузку будет воспринимать третий повив. Первый повив при этом должен удлиниться уже на 4%. Таким образом, при армировании четырьмя повивами при нагружении трубы номинальным внутренним давлением первый повив должен удлиниться на 6%, после чего нагрузку будет воспринимать четвертый повив. На практике для обеспечения должной механической прочности труб в качестве армирующих элементов применяется металл разрывной прочностью 650-800 МПа и относительным удлинением 6-8%.
Таким образом, при применении плоских армирующих лент нижние повивы воспринимает значительно большую нагрузку, чем верхние, причем, как показано на примере выше, материал первого повива уже выбрал весь заложенный прочностной запас, а четвертый еще не нагружался. Такая ситуация может привести к последовательному обрыву армирующих элементов и разрушению трубы.
Применение дугообразного армирующего профиля позволяет свести к минимуму радиальные зазоры между повивами армирующих элементов, равномерно нагрузить повивы, что увеличивает механическую прочность конструкции в целом.
Армирующий профиль в каждом повиве укладывается не плотно друг к другу, а с некоторым технологическим зазором для того чтобы труба могла изгибаться и наматываться на барабан. При изгибе трубы будет происходить смещение армирующих профилей в каждом повиве, и зазоры между краями профилей на внутренней поверхности изгиба будут уменьшаться, а на внешней наоборот увеличиваться. Для исключения взаимной деформации профилей при изгибе они укладываются с зазором в каждом повиве, на практике составляющим 5-10% от длины дуги армирующего профиля.
В то же время наличие зазоров между профилями во внешнем повиве отрицательно скажется на качество внешней оболочки, Например для армирования труб диаметром 200 мм применяется профиль толщиной 2 мм и внешний повив имеет ступенчатый вид, что может проявиться на внешней оболочке. Кроме того, ступеньки, образуемые зазорами между профилями, заполненные материалом внешней оболочки трубы препятствуют взаимному перемещению армирующих профилей внешнего повива при изгибах трубы, что может привести к разрыву внешней оболочки или деформации профилей.
Для преодоления этого недостатка и получения заготовки с гладкой поверхностью для наложения внешней оболочки внешний повив армирующих профилей обматывается одним или двумя слоями тонкой полимерной ленты, толщиной до 0,6 мм.
Заявленную высоконапорную полимерную армированную трубу изготавливают следующим образом.
Для изготовления полимерной трубы - внутреннего слоя, составляющего основу трубы, применяют экструдер, в который загружают полимерный материал, например, полиэтилен и нагревают до вязко-текучего состояния и выдавливается через формующую головку в виде непрерывной полимерной трубы, которая образует внутренний слой, составляющий основу трубы. Получаемую трубу наматывают на технологический барабан. Внешний диаметр трубы при этом составляет от 40 до 219 мм, толщина стенки от 3 до 20 мм. Конкретная толщина стенки выбирается по параметру SDR (отношение внешнего диаметра трубы к толщине стенки), который в технике обычно составляет величину от 6 до 17. Далее полимерная труба (1) подается в устройство намотки повивов армирующих профилей, в котором на внешнюю поверхность полимерной трубы наматываются, как правило, четыре повива дугообразного профиля. В качестве материала профиля может быть применена сталь или полимер. При изготовлении профиля из металла применяется, как правило, низкоуглеродистая сталь, упрочненная путем нагартовки и имеющая предел прочности 650-800 МПа. При изготовлении профиля из полимеров применяются полимеры с пределом прочности 350-440 МПа из группы полиолефинов или полиэфиров. Формирование армирующего дугообразного профиля заданного радиуса производится путем прокатки на формующих (профилирующих) роликах, причем в случае применения полимерного профиля применяются профилирующие ролики с подогревом.
При намотке армирующего профиля, по крайней мере, один повив имеет противоположное направление намотки, например, второй повив имеет противоположное направление намотки по отношению к первому повиву, третий и четвертый повивы имеют направление намотки, совпадающее с первым повивом, или, например, в соответствии еще с одним вариантом намотки: первый и второй повивы наматываются в одну сторону, а третий и четвертые повивы имеет противоположное направление намотки. Намотка повивов армирующих профилей осуществляют таким образом, что профили в каждом повиве уложены не плотно друг к другу, а между их краями есть технологический зазор, составляющий 5-10% от ширины ленты. По верхнему повиву армирующего профиля может быть нанесен еще один повив тонкой полимерной ленты. После устройства намотки армированная труба подается в экструдер для нанесения внешней полимерной оболочки, в котором при помощи экструзии на армированную заготовку наносится сплошной полимерный слой, например, полиэтилен, образующий внешнюю полимерную оболочку полимерной трубы. Толщина полимерной оболочки выбирается также на основе параметра SDR, показатели которого в этом случае имеют величину от 5 до 15. На окончательной операции гибкая полимерная армированная труба, содержащая повивы армирующих профилей и внешнюю полимерную оболочку наматывается в бухту или на транспортные барабаны. Непрерывная длина, наматываемая на транспортный барабан, заявленной гибкой полимерной армированной трубы диаметром 40 мм, может составлять 2500 м, а при диаметре 170 мм-200 м.
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. Армирующая система воспринимает на себя всю возникающую от действия внутреннего давления нагрузку, а полимерные слои, в силу больших коэффициентов собственного относительного удлинения и малой деформации армирующей системы, нагружены незначительно. В связи с этим, прочностные свойства таких труб в первую очередь определяются соответствующими характеристиками армирующего профиля, а выбор параметров армирующей системы: толщина профиля, количество слоев, предел прочности материала, может быть проведен без учета прочностных и деформационных характеристик полимерных слоев. Для расчета армирующей системы на внутреннее гидростатическое давление используем формулу:
,
где P - внутреннее давление в трубе;
H
D - наружный диаметр трубы;
е - минимальная толщина стенки трубы;
σ - временное сопротивление разрыву армирующего профиля.
2
Конструкции выполнены в соответствии с предлагаемой полезной моделью, где в качестве армирующих элементов применен металлический профиль с допустимым напряжением на разрыв 700 Мпа или полимерный профиль с пределом прочности 400 МПа. Для обеспечения заявляемых прочностных характеристик - раочее давление до 200 бар, толщина металлического профиля должна быть от 0,5 до 2,0 мм, а толщина полимерного профиля от 0,8 до 2,5 мм в зависимости от диаметра трубы-основы. Угол намотки армирующих профилей при этом может составлять от 50 до 65º. Данный угол намотки выбирается для обеспечения равнопрочности армирующих элементов в радиальном и осевом направлениях. Известно, что условие равнопрочности определяется выражением: tg(α)=2, где α≈55° - угол повива армирующих элементов к оси трубы. Намотка под углом α≈55° обеспечивает 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 10%.
Заявленная высоконапорная полимерная армированная труба изготавливается большими длинами и поставляется на барабанах, поэтому для правильной работы армирующего слоя трубы - повивов дугообразных профилей при изгибах трубопровода, необходимо обеспечить смещение повивов относительно друг друга. При изгибе трубы участки армирующих профилей, расположенные на внутреннем радиусе намотки на транспортный барабан сжимаются, а участки профилей, расположенные на внешнем радиусе намотки на транспортный барабан растягиваются. Т.к. армирующие профили имеют высокий модуль упругости и не могут растягиваться/сжиматься происходит их взаимное смещение относительно друг друга и изменение зазоров между ними в повивах без изменения геометрических размеров непосредственно самих профилей. Соответственно при намотке на транспортный барабан на внешнем радиусе намотки зазоры немного увеличиваются, а на внутреннем немного уменьшаются - за счет этого в армирующем профиле не возникает напряжений при изгибе трубопровода. Таким образом, наличие зазоров в повивах профилей позволяет сохранить геометрию трубы и избежать возможной деформации армирующих элементов. На практике зазоры между профилями рассчитываются таким образом, чтобы обеспечить намотку или укладку трубопровода с минимально допустимым радиусом изгиба без нарушения прочностных характеристик армирующего слоя.
Высоконапорные полимерные армированные трубы обладают некоторыми характеристиками, обуславливающими более высокую производительность и низкую стоимость по сравнению с жесткими стальными трубами. Главной характеристикой является простота монтажа и замены, типичные для катушечной гибкой продукции. Большая длина труб позволяет минимизировать количество точек сварки и соединений, обеспечивая максимальную надежность и срок службы трубопровода.
Высоконапорные полимерные армированные трубы могут использоваться для наземного монтажа или для траншейной укладки, а также с применением наклонно-направленного бурения или метода восстановления трубопровода, при котором труба протягивается сквозь обычный поврежденный стальной трубопровод. Высоконапорные полимерные армированные трубы идеально подходят для восстановления трубопроводов благодаря наличию возможности сохранения давления и независимости от структурной целостности трубопровода, сквозь который она протягивается. Применение методов заглубления позволяет минимизировать воздействие на окружающую среду, снижая степень воздействия на верхний слой почвы.
Высоконапорные полимерные армированные трубы могут также устанавливаться над поверхностью земли и идеальны для применения в областях с суровыми климатическими условиями, таких как тундра, где отрытый трубопровод может быть установлен с минимальным применением инфраструктуры, например, опор, и во многих случаях может быть установлена в местах, не оборудованных доступом для транспорта.
Заявленная высоконапорная полимерная армированная труба по сравнению с прототипом имеет более высокие показатели надежности вследствие равномерного нагружения армирующей системы.
Полезная модель было раскрыта выше со ссылкой на конкретный вариант его осуществления. Для специалистов могут быть очевидны и иные варианты осуществления полезной модели, не меняющие его сущности, как она раскрыта в настоящем описании. Соответственно, полезную модель следует считать ограниченным по объему только ниже следующей формулой изобретения.