СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОГО МОДИФИЦИРОВАННОГО ПОЛИМЕРНОГО ПОКРЫТИЯ НА СТАЛЬНОЙ ТРУБЕ И СТАЛЬНАЯ ТРУБА С ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫМ МОДИФИЦИРОВАННЫМ ПОЛИМЕРНЫМ ПОКРЫТИЕМ
METHOD FOR OBTAINING ELECTRON-RAY MODIFIED POLYMER COATING ON A STEEL PIPE AND STEEL PIPE WITH ELECTRON-RAY MODIFIED POLYMER COATING

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к строительству трубопроводного транспорта и используется для защиты изолированной поверхности трубопроводов при их прокладке в скальных, вечномерзлых грунтах, а также в грунтах с включениями, вызывающими повреждение изоляции трубопровода, например с включениями гальки, отдельных каменных глыб.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известно, что при прокладке газопроводов в скальных, гравийно-галечниковых и щебенистых грунтах и засыпке этими грунтами предусматривается устройство подсыпки из мягких грунтов толщиной не менее 10 см. Изоляционные покрытия в этих условиях должны быть защищены от повреждения путем присыпки газопровода мягким грунтом на толщину 20 см или применением при засыпке специальных защитных устройств (см. п.9.1.6. «МАГИСТРАЛЬНЫЕ ГАЗОПРОВОДЫ» СТО Газпром 2-2.1-249-2008).
Из уровня техники известны различные противоударные защитные устройства полимерной поверхности трубопроводов (скальный лист, бетонная обертка трубопровода, деревянные реечные решетки и др.). Противоударные защитные устройства в настоящее время устанавливаются на стальную трубу с полимерной изоляцией в условиях строительства трубопровода.
Так известно "противоударное защитное устройство различных поверхностей, преимущественно, трубопровода" (см. RU 2162187 С1, 20.01.2001) (скальный лист). В известном устройстве полый незамкнутый цилиндр выполнен из многослойного полотнища, изготовленного из синтетического материала с пропиткой каждого слоя с определенной поверхности на заданную толщину с последующим склеиванием всех слоев в полотнище. Недостатком известного устройства является достаточно сложная технология изготовления и повышенный расход материалов.
Также известно защитное устройство, содержащее полый незамкнутый цилиндр с внешней твердой после специальной обработки поверхностью (скальный лист). Полый цилиндр выполнен из гибкого полотнища на основе синтетического материала (см. US 4413656 А, 1982, F16L 57/00). Недостатком известного решения является сложность изготовления полотнища из полимерной композиции, необходимость термообработки для получения устройства с необходимой твердостью внешней поверхности и сложность монтажа устройства на трубопроводе в полевых условиях.
Также из уровня техники строительства и эксплуатации нефте- и газопроводов известно использование металлических (стальных) труб. Чтобы обеспечить надежную эксплуатацию стальных трубопроводов в течение длительного времени, их защищают от коррозии многослойным полимерным покрытием.
В качестве наружных защитных полимерных покрытий труб от коррозии наиболее широко применяются покрытия труб  на основе экструдированного полиэтилена. Качество заводских полимерных покрытий труб во многом зависит от конструкции защитных покрытий и изоляционных материалов, используемых для их нанесения.
Для предотвращения возможного повреждения полимерного покрытия трубопроводов в процессе их строительства и эксплуатации траншеи под укладываемые трубы обычно засыпают тонкоизмельченным материалом, предпочтительно песком или другим материалом для засыпки.
Также из уровня техники известно, что электронно-лучевая  обработка полимерного покрытия труб увеличивает ее механическую прочность, значительно повышает его термохимическую стойкость, повышает ударную прочность и ударную вязкостью, повышает устойчивость к механическим повреждениям. В технологическом процессе электронно-лучевую  обработку трубы с полимерным покрытием применяют ускорители электронов типа ЭЛВ и ИЛУ. Обработка покрытия производится вращением трубы для обеспечения равномерной модификации полимерного наружного слоя под воздействием направленного пучка электронов. Для придания полимерному покрытию улучшенных свойств радиационной технологией обрабатывают с поглощенной дозой примерно 10-20 Мрад в зависимости от используемого полимерного композита из полиолефинов.
Кроме того, из уровня техники известен способ нанесения многослойного покрытия и стальная труба модифицированная с многослойной изоляцией «ТСИМ», раскрытая в RU 164448 U1, опубл. 27.08.2016 (прототип). Стальная труба модифицированная с многослойной изоляцией «ТСИМ» содержит нижний, средний и наружный полимерные слои, при этом нижний слой полимерного покрытия выполнен из эпоксидного праймера, средний слой полимерного покрытия – из клейкого адгезионного полимерного подслоя, а наружный слой – из модифицированного композита на основе полиолефинов, причем наружный слой выполнен с возможностью нанесения на средний слой экструдированием композита на основе полиолефинов и последующего радиационного сшивания под действием ускорителя электронов для обеспечения механической прочности многослойной изоляции.
К недостаткам полученного модифицированного полимерного покрытия стальной трубы можно отнести неудовлетворительную механическую прочность полимерного покрытия в виду ее недостаточной толщины, не позволяющей применять трубы с покрытием в скалистых и мерзлых грунтах без дополнительных мер по защите. Это усложняет производство работ и влечет за собой применение  дополнительных затраты при строительстве трубопроводов за счет использования для защиты полимерного покрытия трубопровода дорогостоящих специальных защитных устройств.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей заявленной группы изобретений является разработка способа получения электронно-лучевого модифицированного защитного полимерного покрытия на стальной трубе с целью получения стальной трубы с высокими механическими характеристиками и возможностью использования ее при строительстве без специальных защитных устройств (скальный лист, бетонная обертка трубопровода, деревянные реечные решетки и др.) и возможность производства стальной трубы с полимерной изоляцией в заводских условиях без применения дополнительных средств защиты в полевых условиях при строительстве трубопровода.
Техническим результатом заявленной группы изобретений является повышение сопротивлению удара покрытия.
Указанный технический результат достигается за счет того, что способ получения электронно-лучевого модифицированного полимерного покрытия на стальной трубе включает нанесение на поверхность стальной трубы, первого покрытия, содержащего, по крайней мере, один грунтовочный слой, нанесение на первое покрытие второго полимерного покрытия, содержащего, по крайней мере, один полимерный адгезионный слой, с последующим нанесением на второе полимерное покрытие наружного полимерного покрытия, содержащего, по крайней мере, один полимерный слой на основе полиолефинов, и электронно-лучевой модификацией наружного полимерного покрытия при помощи, по крайней мере, одного ускорителя электронов с дозой облучения 5-100 Мрад при отношении скорости перемещения к скорости вращения трубы равной 0,1-5,0, при толщине модифицированного наружного полимерного покрытия, обеспечивающей сопротивление удару не менее 12 Дж.
Способ получения электронно-лучевого модифицированного полимерного покрытия на стальной трубе включает нанесение первого покрытия на поверхность стальной трубы, содержащего, по крайней мере, один грунтовочный слой, с последующим нанесением наружного полимерного покрытия, содержащего, по крайней мере, один полимерный монослой, содержащий полиолефины и клеевой состав на основе полиолефинов, и электронно-лучевой модификацией наружного полимерного покрытия при помощи, по крайней мере, одного ускорителя электронов с дозой облучения 5-100 Мрад, при отношении скорости перемещения к скорости вращения трубы равной 0,1-5,0, при толщине модифицированного наружного полимерного покрытия, при толщине модифицированного наружного полимерного покрытия, обеспечивающей сопротивление удару не менее 12 Дж.
Стальная труба с радиационно-модифицированным полимерным покрытием, содержащая покрытие на основе слоев, полученных выше раскрытыми способами, при этом покрытие радиационно-модифицировано при помощи, по крайней мере, одного ускорителя электронов.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение будет более понятным из описания, не имеющего ограничительного характера и приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
Фиг. 1 – поперечный разрез стальной трубы с трехслойным покрытием.
Фиг. 2 – поперечный разрез стальной трубы с монослойным покрытием.
Фиг. 3 – График зависимости предела прочности при растяжении (МПа) от дозы облучения для пучков 5 и 10 MэВ.
Фиг. 4 – Процесс радиационной модификации трубы с покрытием
1 – стальная труба; 2 – грунтовочный слой; 3 – адгезионный слой; 4 – полимерный слой на основе полиолефинов; 5 – полимерный монослой; 6 – ускоритель электронов; 7 – пучок электронов.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с первым вариантом изобретения (см. фиг. 1) стальная труба (1) содержит первое покрытие, содержащее, по крайней мере, один грунтовочный слой (2), нанесенный на наружную поверхность стальной трубы (1), второе полимерное покрытие, содержащее, по крайней мере, один полимерный адгезионный слой (3), нанесенный на грунтовочный слой (2), наружное полимерное покрытие, содержащее, по крайней мере, один полимерный слой (4) на основе полиолефинов, нанесенный на адгезионный слой (3). При этом стальную трубу с покрытием, содержащим выше раскрытые слои, подвергают радиационной модификации пучком электронов при помощи по крайней мере, одного ускорителя электронов, при этом толщина модифицированного наружного полимерного покрытия (по первому варианту) имеет значение сопротивление удару не менее 12 Дж. Толщина наружного полимерного покрытия составляет 5-50 мм.
В соответствии со вторым вариантом изобретения (см. фиг. 2) стальная труба (1) содержит, по крайней мере, один грунтовочный слой (2), нанесенный на наружную поверхность стальной трубы (1), по крайней мере, один полимерный монослой (5), содержащий полиолефины и клеевой состав на основе полиолефинов, нанесенный на грунтовочный слой (2). При этом стальную трубу с полимерным покрытием, содержащим выше раскрытые слои, подвергают радиационной модификацией пучком электронов при помощи, по крайней мере, одного ускорителя электронов, при этом толщина модифицированного наружного полимерного покрытия (по второму варианту) имеет значение сопротивление удару не менее 12 Дж. Толщина наружного полимерного покрытия составляет 5-50 мм.
Полимерный слой на основе полиолефинов (4) выполнен в виде полимера выбранного из группы: полиэтилен, сэвилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол, натуральный каучук, синтетические каучуки, полисилоксаны, полиамиды, полиэтиленоксид.
Полимерный адгезионный слой (3) содержит клеевую композицию на основе полиолефинов, выбранную из группы: на основе полиэтилена «Метален АПЭ-1», на основе сэвилена АТИ-06; на основе сэвилена TRISOLEN 190, на основе сэвилена TRISOLEN 200/U.
Грунтовочный слой (2) содержит материал, выбранный из группы: грунтовка эпоксидная «Праймер МБ», каучуко-смоляной «Праймер ПЛ-Л», каучуко-смоляной «Праймер НК-50», грунтовка "ТРАНСКОР-ГАЗ».
Полимерный монослой (5) содержит два компонента, при этом первый компонент содержит полимер на основе полиолефинов выбранных из группы: полиэтилен, сэвилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол, натуральный каучук, синтетические каучуки, полисилоксаны, полиамиды, полиэтиленоксид, а второй компонент – клеевой состав на основе полиолефинов, выбранный из группы: на основе полиэтилена «Метален АПЭ-1», на основе сэвилена АТИ-06; на основе сэвилена TRISOLEN 190, на основе сэвилена TRISOLEN 200/U.
Радиационно-модифицированное покрытие на стальной трубе получают следующим образом.
z
В соответствии с первым вариантом изобретения наружную поверхность стальной трубы (1) подвергают предварительной очистке. Для этого сначала производят ее обезжиривание щелочным раствором путем подачи его на наружную поверхность трубы под давлением, после чего стальную трубу подвергают сушке и струйной очистке до получения шероховатости наружной поверхности трубы, которая не превышает R=100 мкм.
После чего очищенную поверхность стальной трубы (1) подвергают индукционному нагреву до температуры не менее 200°С с последующим нанесением на наружную поверхность трубы грунтовочного слоя (2) в виде порошка грунтовки на основе эпоксидной композиции, например, грунтовка эпоксидная «Праймер МБ», толщиной 90-100 мкм при помощи электростатического напыления. Частицы сухого порошка, нанесенные на поверхность стальной трубы (1), удерживаются на ней преимущественно за счет сил электростатического притяжения. Смачивание происходит, когда частицы порошка расплавляются при температуре выше 200°С. При этом эпоксидный порошок на поверхности трубы плавится и полимеризуется, образуя мягкую непрерывную пленку. При необходимости наносят несколько слоев грунтовочного слоя, для чего на высохший предыдущий слой наносят еще один грунтовочный слой.
Затем на грунтовочный слой (2) наносят полимерный адгезионный слой (3), содержащий клеевую композицию на основе полиолефинов, например, на основе полиэтилена «Метален АПЭ-1». Полимерный адгезионный слой (3) наносят обычными способами, используемыми для покрытия трубопроводов, например, методом боковой «плоскощелевой» экструзии расплава клеевой композиции. Для нанесения полимерного адгезионного слоя (3), нагретую до состояния расплава адгезионную композицию, выдавливают в плоскощелевую головку экструдера с образованием ленты толщиной от 100 до 500 мкм, которую наматывают на грунтовочный слой (2). При необходимости, дополнительно осуществляют нанесение еще одного или несколько слоев полимерного адгезионного слоя (3), за счет нескольких намотанных повивов.
Затем поверх адгезионного слоя (3) наносят при помощи экструзии наносят полимерный слой (4) на основе полиолефинов, минимальная толщина которого составляет 5 мм. При необходимости, дополнительно осуществляют нанесение еще одного или несколько слоев полимерного слоя (4). Суммарная толщина наружного полимерного покрытия может достигать 50 мм.
После чего полученное многослойное покрытие прикатывают под давлением к наружной поверхности стальной трубы (1) роликом, а затем производят охлаждение стальной трубы (1) до температуры не выше 60°С и осуществляют радиационную модификацию полимерного покрытия стальной трубы (1) с применением технологии электронных ускорителей (см. фиг. 4).
При радиационной модификации, стальную трубу (1), с нанесенным многослойным покрытием, подвергают воздействию пучков электронов с энергией 0,5-10 МэВ и дозой облучения 5-100 Мрад при помощи, по крайней мере, одного ускорителя электронов (6) типа ЭЛВ и ИЛУ и аналогичных. При радиационной модификации стальная труба (1) под пучком электронов (7) проходит с определенными скоростями перемещения и вращения трубы, при отношении скорости перемещения к скорости вращения трубы равной 0,1 – 5,0. Скорость перемещения  определяется требуемой дозой, которая поглощается полимерным покрытием, а вращение обеспечивает однородность поглощенной дозы по всему поверхности полимерного покрытия трубы.
Поглощенную дозу, набираемую полимерным покрытием трубы, подбирают достаточной для перехода полимерного материала покрытия из свободномолекулярного состояния в частично сшитое состояние, характеризуемое формирование трехмерных молекулярных структур с более высокой молекулярной массой. За счет этого происходит повышение сопротивление удару, сопротивлению пенетрации полимерного покрытия, адгезионной прочности и стабильность адгезии полимерного покрытия стальных труб.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения на очищенную наружную поверхность (операции очистки аналогичны раскрытым выше) стальной трубы (1) наносят грунтовочный слой (2), как описано выше, с последующим нанесением полимерного монослоя (5), аналогично нанесению полимерного слоя (4), описанному выше. Далее производят охлаждение трубы с двухслойным покрытием до температуры не выше 60°С и осуществляют радиационную модификацию полимерного покрытия стальной трубы (1) с применением технологии электронных ускорителей, как описано выше.
Исследования по изучению структурных изменений и свойств облученных полимеров на примере полиэтилена позволили выделить отчетливо выраженные стадии, через которые проходит полимер по мере увеличения дозы. На начальной стадии радиационной модификации, при поглощенной дозе до 2,0 Мрад, происходит образование поперечных ковалентных связей между отдельными атомами углерода линейных молекул и создание трехмерных пространственных полимеров с более высокой молекулярной массой. Приобретаемые на этой стадии свойства полимера обуславливаются не столько вновь возникающими жесткими связями, формирующими разветвленные молекулярные системы, сколько межмолекулярными взаимодействиями между этими системами, допускающими возможность их взаимных смещений и деформаций при внешних механических воздействий. В таких условиях полиэтилен по своим свойствам становится близким к каучукоподобным материалам. При дальнейшем увеличении поглощенной дозы плотность поперечных связей возрастает и структура полиэтилена превращается в единую пространственную сетку. Благодаря этому материал приобретает новые полезные свойства: увеличивается модуль упругости, возрастает предел прочности на разрыв, возникает стойкость к химическим и температурным воздействиям. Изменения зависимости предела прочности при растяжении (МПа) от дозы облучения для полиэтилена отмечены на графике (Фиг. 3).
Заявленное изобретение, при применении технологии радиационной модификации полимерных покрытий электронным пучком позволяет улучшить прочностные характеристики полученного полимерного защитного покрытия, результаты экспериментов стальной трубы с толщиной наружного полимерного покрытия 50 мм представлены в табл. 1.
На скорости вращения и перемещения трубы влияют такие факторы, как мощность пучка электронов, энергия электронного пучка, длина развертки электронного пучка, заданная поглощенная доза и диаметр трубы. Зависимость этих параметров в общем виде можно описать формулой:
216 • P / D = 25 • 10³ • R • H • Vx,
где Р – мощность электронного пучка ускорителя; D – заданное значение поглощенной дозы; H – ширина зоны облучения; Vx – скорость перемещения трубы; R – глубина проникновения электронов (для полиэтилена R=2,4 г/см²).
Отношение скорости перемещения трубы и скорости её вращения в общем виде описывается формулой:
Vx =  N,
где  Vx – скорость перемещения трубы; D – диаметр трубы; H- ширина пучка электронного ускорителя; N- скорость вращения трубы.
Практически отношение скорости перемещения к скорости вращения трубы попадает в диапазон 0,1-5,0. Правильно подобранное отношение скорости перемещения к скорости вращения позволяет добиться равномерного уровня поглощенной дозы покрытия на всей поверхности обрабатываемой трубы.
Наличие более одного ускорителя электронов позволяет ускорить процесс радиационной модификации покрытия трубы, что немаловажно при промышленном производстве труб с радиационно-модифицированной изоляцией.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет повысить сопротивление удару при стабильной адгезии полимерного покрытия в процессе длительной эксплуатации труб без дополнительного применения различных противоударных защитных устройств полимерной поверхности стальных трубопроводов (скальный лист, бетонная обертка трубопровода, деревянные реечные решетки и др.).
Изобретение было раскрыто выше со ссылкой на конкретный вариант его осуществления. Для специалистов могут быть очевидны и иные варианты осуществления изобретения, не меняющие его сущности, как она раскрыта в настоящем описании. Соответственно, изобретение следует считать ограниченным по объему только нижеследующей формулой изобретения.