ВЫСОКОНАПОРНАЯ ПОЛИМЕРНАЯ АРМИРОВАННАЯ ТРУБА

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 A1, 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 A1, 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 0,3-1,5мм.
Недостатками гибкой полимерной армированной трубы являются:
- применение в качестве армирующего слоя только металлических лент снижает эксплуатационные характеристики трубы в части весовых характеристик и теплопроводности;
- в конструкции рассматриваемой трубы имеется два повива металлических лент в одном направлении, затем два повива металлических лент в другом направлении, что ограничивает возможности применять другой порядок армирования;
- несмотря на то,  что теплопроводность рассматриваемой трубы за счет полимерных слоев ниже, чем у металлических труб, однако рассматриваемые трубы по этому показателю будут уступать металлическим трубам с теплоизолирующим покрытием.
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 надежности трубы при сохранении массогабаритных характеристик, снижение трудоемкости при изготовлении трубы, снижение времени на монтаж и обслуживание трубопровода, увеличение срока службы трубопровода.
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 четырех последовательно спирально намотанных повивов армирующих полимерных лент.
Между армирующими лентами каждого повива выполнен зазор.
По крайней мере, один повив армирующих лент 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:
Фиг. 1 – высоконапорная гибкая полимерная армированная труба с двухслойным покрытием.
1 – полимерная труба; 2 – первый повив армирующих лент; 3 – второй повив армирующих лент; 4 – третий повив армирующих лент; 5 – четвертый повив армирующих лент; 6 – зазоры; 7 – внешняя полимерная оболочка.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Высоконапорная полимерная армированная труба (1) содержит последовательно нанесенные на наружную поверхность полимерной трубы (1) армированный слой и внешнюю полимерную оболочку (7), при этом армирующий слой выполнен из четырех последовательно спирально намотанных повивов (2-5) армирующих полимерных лент.
Между армирующими лентами каждого повива (2-5) выполнен зазор (6).
По крайней мере, один повив (3-5) армирующих лент имеет противоположное направление намотки по сравнению с ниже намотанным повивом.
Полимерная труба (1) – внутренний слой, составляющий основу трубы, и внешняя полимерная оболочка (7) изготовлены из коррозионно-стойкого полимерного материала, выбранного из группы: полиэтилен, полиамид, сверхвысокомолекулярный полиэтилен, поливинилхлорид.
В качестве армирующих полимерных лент применяют полимерный материал, выбранный из группы: полиэфир, полиолефины, сверхвысокомолекулярный полиэтилен.
Применяют ленты толщиной 0,5-2,0 мм, шириной – 20-95 мм. Обоснование толщины и ширины применяемых лент приведено ниже.
Заявленную высоконапорную полимерную армированную трубу изготавливают следующим образом.
Для изготовления полимерной трубы (1) – 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 (1), 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 узел намотки повивов полимерных лент, в котором внешняя поверхность полимерной трубы (1) покрывается четырьмя повивами (2-5) полимерных лент, например, из полиэтилентерефталата путем намотки при помощи крутильной машины, при угле намотки ленты, составляющим 55°±5%. При намотке полимерных лент по крайней мере один повив (3-5) имеет противоположное направление намотки, например, второй повив (3) имеет противоположное направление намотки по отношению к первому повиву (2), третий и четвертый повивы (4, 5) имеют направление намотки, совпадающее с первым повивом (2), или, например, в соответствии еще с одним вариантом намотки: первый и второй повивы (2,3) наматываются в одну сторону, а третий и четвертые повивы (4,5) имеет противоположное направление намотки. Намотка повивов (2-5) полимерных лент осуществляют таким образом, что между полимерными лентами каждого повива (2) выполнен зазор, составляющий 5-10 % от ширины ленты, а зазор ниже намотанного повива закрывается выше намотанным повивом. После узла намотки повивов полимерных лент стальная труба (1) с четырьмя намотанными повивами (2-5) подается в экструдер для нанесения внешней полимерной оболочки (6), в котором при помощи экструзии на четвертый повив (5) полимерной ленты наносится сплошной полимерный слой, например, полиэтилен, образующий внешнюю полимерную оболочку (6) полимерной трубы (1). Толщина полимерной оболочки выбирается также на основе параметра SDR, показатели которого в этом случае имеют величину от 5 до 15. Т.к. ленты армирующего слоя имеют толщину до 2 мм, и при этом во внешнем повиве имеются зазоры между лентами, на внешней полимерной оболочке при экструдировании могут проявляться неровности, вызванные этими зазорами. Для выравнивания поверхности внешнего слоя армирующих элементов может применяться повив из тонких лент, например, полиэтиленовых, полипропиленовых или полиэтилентерефталатных. Толщина этих лент имеет величину от 0,2 до 0,6 мм. На окончательной операции гибкая полимерная армированная труба, содержащая 4 повива полимерных лент 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. В условиях, когда в качестве армирующей системы применяется высокопрочный материал – сплошная полимерная 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 сплошной полимерной 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:
,
где Р – внутреннее давление в трубе;
H
D – наружный диаметр трубы;
е – минимальная толщина стенки трубы;
σ – временное сопротивление разрыву сплошной полимерной ленты.
Для примера возьмем две конструкции гибкой полимерной армированной трубы:
2
Конструкции выполнены в соответствии с предлагаемой полезной моделью, где в качестве армирующих элементов применена сплошная полимерная (полиэтилентерефталатная) лента с допустимым напряжением на разрыв 400 МПа и толщиной от 0,5 до 2,0 мм. Результаты расчетов приведены в таблице 1. Ширина ленты выбирается таким образом, чтобы при намотке повивов ленты на трубу между лентами одного повива оставался зазор в 5-15% от ширины ленты. Например при диаметре намотки 110мм и шести лентах ширина ленты должна составлять 28 мм, а при 4 лентах 44 мм. Угол намотки лент при этом может составлять от 50 до 60 градусов. Данный угол намотки выбирается для обеспечения равнопрочности армирующих элементов в радиальном и осевом направлениях. Известно, что условие равнопрочности определяется выражением: tg(ц)=2,  где  ц≈55° – угол повива полимерных лент к оси трубы. Слои полимерной ленты, уложенные во взаимно противоположных направлениях под углом ц≈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 10%.
Как показали расчеты, подтвержденные экспериментами, заявленная гибкая армированная полимерная труба позволяет снизить удельный вес трубы (см. табл. 1) при сохранении прочностных характеристик (см. табл. 2), по сравнению с прототипом, в котором в качестве армированных лент используют металлические ленты.
Таблица 1
Таблица 2
Таким образом, учитывая, что наиболее востребованными трубами в нефтегазовом секторе являются трубы на давление до 150 бар, подобранная для армирующей системы сплошная полимерная лента обеспечивает прочностные характеристики трубопровода, который можно отнести к классу высоконапорных.
Заявленная высоконапорная полимерная армированная труба изготавливается большими длинами и поставляется на барабанах, поэтому для правильной работы армирующего слоя трубы – повивов сплошных полимерных лент при изгибах трубопровода, необходимо обеспечить смещение повивов относительно друг друга. При изгибе трубы участки сплошных полимерных лент, расположенные на внутреннем радиусе намотки на транспортный барабан сжимаются, а участки сплошных полимерных лент, расположенные на внешнем радиусе намотки на транспортный барабан растягиваются. Т.к. армирующие ленты имеют высокий модуль упругости и не могут растягиваться/сжиматься происходит взаимное смещение лент относительно друг друга и изменение зазоров между ними в повивах без изменения геометрических размеров самих лент. Соответственно при намотке на транспортный барабан на внешнем радиусе зазоры немного увеличиваются, а на внутреннем немного уменьшаются – за счет этого в сплошной полимерной ленте не возникает напряжений при изгибе трубопровода. Таким образом, наличие зазоров в повиве лент позволяет сохранить геометрию трубы и избежать возможной деформации сплошных полимерных армирующих лент. На практике зазоры между лентами 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 обладают высокой внутренней и внешней коррозийной стойкостью за счет отсутствия металлических элементов, обеспечивая долговечность и сводя к нулю необходимость антикоррозийной защиты и регулярных осмотров, необходимых при применении стальных труб.
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 меньший коэффициент теплопередачи, что обеспечивает меньшие тепловые потери транспортируемого флюида, например, коэффициент теплопроводности для различных металлов составляет от 35 до 400 Вт/(м⋅К), а аналогичный коэффициент для полимеров в среднем имеет показатель 0,36 Вт/(м⋅К).
Полезная модель была 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.