МНОГОСЛОЙНОЕ ИЗОЛЯЦИОННОЕ ЛЕНТОЧНОЕ ПОКРЫТИЕ ДЛЯ ТРУБОПРОВОДОВ
MULTILAYER INSULATION TAPE COATING FOR PIPELINES

Изобретение относится к изоляционным материалам, используемых при строительстве трубопроводного транспорта для изоляции наружной поверхности металлических труб в целях защиты от коррозии при строительстве и эксплуатации промысловых и технологических нефтегазопродуктопроводов.
Транспортировка нефти, газа и нефтепродуктов по трубопроводам является наиболее эффективным и безопасным способом их транспортировки на значительные расстояния. Долговечность и безаварийность работы трубопроводов напрямую зависит от эффективности их противокоррозионной защиты. Для того чтобы защитное покрытие эффективно выполняло свои функции, оно должно удовлетворять целому ряду требований, основными из которых являются: низкая влаго-кислородопроницаемость, высокие механические характеристики, стабильная во времени адгезия покрытия к стали, устойчивость покрытия к УФ и тепловому старению. Ленточные изоляционные покрытия должны выполнять свои функции в широком интервале температур строительства и эксплуатации трубопроводов, обеспечивая их защиту от коррозии на максимально возможный срок их эксплуатации.
Наиболее распространенные конструкционные типы многослойных изоляционных ленточных покрытий для трубопроводов содержат мастичный слой на основе эластомерной композиции, утопленную в мастичный слой армирующую стеклосетку, антиадгезивный материал с одной стороны мастичного слоя и защитную полимерную пленку с противолежащей стороны мастичного слоя (см., патенты RU №2325586, публ. 2008, №2325584, публ. 2008 г.). К преимуществам покрытий данного типа можно отнести технологичность их нанесения в трассовых условиях (лента «холодного» нанесения») и возможность использования при низких температурах.
Так, в патенте RU №2325586 многослойное изоляционное ленточное покрытие для трубопроводов содержит мастичный слой, эластомерная композиция которого имеет смесь битумов БНД-60/90 и БН-70/30, полибутадиеновый низкомолекулярный каучук, нефтеполимерную смолу, дивинилстирольный термоэластопласт ДСТ-30Р-01. Используемая армирующая стеклосетка имеет размер ячеек 3,5×3,5 (мм), которая при изготовлении многослойного покрытия утапливается в слое мастики.
Известное изоляционное покрытие при указанном составе мастичного слоя эффективно по адгезии к стали и полимерным материалам в интервале температур от плюс 40°С до минус 30°С при сохранении требуемой степени пластичности мастики при отрицательных температурах окружающего воздуха и механических воздействиях (деформации) при отрицательных температурах (до минус 30°С), при этом эффективность данного покрытия в значительной степени определяется адгезивными свойствами битумного праймера, предварительно наносимого на поверхность трубопровода, наличие которого приводит к повышению материалозатрат и трудозатрат при использовании лент «холодного нанесения».
Эксплуатация изоляционных ленточных покрытий с битумно-полимерным мастичным слоем показала их невысокую ударную прочность и стойкость к продавливанию, что приводит к повышению их влагонасыщаемости и, как следствие, к ухудшению коррозионной устойчивости, характеризующейся отслаиванием изоляционных покрытий (подпленочная коррозия). Данные повреждения являются следствием адгезивного разрушения - отделение грунтовочного слоя, как от поверхности металла, так и от мастичного слоя и/или следствием когезионного разрушения - разрыв по массиву грунтовочного и/или мастичного слоя. Наличие подпленочной коррозии приводит к повышению электрохимической коррозию трубопроводов в целом. Данные обстоятельства особенно существенны при эксплуатации подземных трубопроводов, воздействие на которые сдвиговых силовых напряжений в продольном и поперечном направлениях со стороны грунтов приводят к образованию в используемых покрытиях разрывов, щелей, изломов.
Воздействие знакопеременных температур и деформационных нагрузок на эксплуатируемые покрытия с битумом в мастичном слое, приводит к изменению физико-механических свойств битума, что характеризуется повышением его хрупкости, снижением гидрофобности, к отслаиванию, образованию вздутий и трещин в покрытии, к потере адгезии, а следовательно, к развитию электрохимических процессов на границе «металл-покрытие», что особенно существенно в условиях действия «блуждающих токов», ведущих к преждевременному выходу из строя значительных участков трубопровода в процессе эксплуатации.
Техническим результатом настоящего изобретения является создание многослойного изоляционного ленточного покрытия для трубопроводов с мастичным слоем, имеющим повышенные адгезивные свойства к поверхностям трубопроводом с одновременным обеспечением катодной защиты поверхности трубопровода на уровне, предотвращающим электрохимическую коррозию.
Для решения поставленного технического результата предложено многослойное изоляционное ленточное покрытие для трубопроводов, содержащее мастичный слой на основе эластомерной композиции, утопленную в мастичный слой армирующую стеклосетку, антиадгезивный материал с одной стороны мастичного слоя и защитную полимерную пленку с противолежащей стороны мастичного слоя, согласно изобретения, эластомерная композиция мастичного слоя содержит полибутен, этилен-пропиленовый каучук, наполнители на основе слюды, порошка талька или/и мела, неполярный растворитель, нафтеновый дистиллят гидроочищенный и порошок органофильного бентонита, при следующем содержании компонентов, масс %:
полибутен
20-50
этиленпропиленовый каучук
15-35
слюда
10-20
тальк или/и мел
5-15
неполярный растворитель
8-20
мягчитель-пластификатор
1,0-2,5
на основе нафтенового
дистиллята гидроочищенного
порошок органофильного бентонита
1,0-2,5
Согласно изобретения, в качестве полибутена используют полибутен ПБ-1
Согласно изобретения, используют органофильный бентонит, полученный при модификации бентонита поверхностно-активным веществом на основе соединений четвертично аммониевой соли.
Согласно изобретения, используют армирующую стеклосетку при размере ячеек не менее 2,5×2,5(мм) и не более 4,5×4,5 (мм).
Согласно изобретения, в качестве антиадгезивного материала используют ламинированную бумагу, либо полиэтилентерефталиевую пленку толщиной не менее 0,5 (мм).
Согласно изобретения, в качестве защитной полимерной пленки используют полиэтиленовую пленку или пленку на основе полипропилена иди поливинилхлорида толщиной не менее 0.5 (мм).
Согласно изобретения в качестве неполярного растворителя используют ксилол нефтяной или сольвент нефтяной.
Согласно изобретения, в качестве мягчителя-пластификатора используют индустриальное минеральное масло.
При реализации изобретения при указанном составе эластомерной композиции мастичного слоя и заданном содержании компонентов, масс %, обеспечивается образование эластичного резиноподобного материала, обладающего эффективной клеящейся (адгезивной) способностью к обрабатываемым поверхностям без предварительной их обработки грунтовочными составами и имеющего эффективную адгезивную способность с оптимальными параметрами жесткости и вязкости при одновременном предотвращении развития электрохимической коррозии в условиях действия «блуждающих токов» в грунте, ведущих к преждевременному выходу из строя значительных участков подземных трубопровода в процессе эксплуатации.
Анализ известного уровня техники показал, что предлагаемая в заявляемом изобретении совокупность признаков и их взаимосвязь для получения многослойного изоляционного ленточного покрытия не известны из уровня техники, что свидетельствует о соответствии заявляемого технического решения критериям изобретения «новизна», «изобретательский уровень» и промышленное применение в области трубопроводного транспорта для защиты нефтепроводов, газопроводов, теплопроводов от коррозионных процессов, что подтверждается ниже приведенным описанием.
Для формирования многослойного изоляционного ленточного покрытия по изобретению используют известные в области проектирования изоляционных покрытий для защиты от коррозионных процессов нефтепроводов, газопроводов, теплопроводов материалы и компоненты, технологическое оборудование для приготовления мастичного слоя и для образования многослойного изоляционного покрытия ленточного типа, а также последовательность действий в процессе выполнения многослойного ленточного покрытия на трубопроводе.
Для приготовления эластомерной композиции мастичного слоя используют:
4
8
n
3
- термопластичный полибутен (ПБ-1) [CH), плотность 0,914-0,95 г/см. ПБ-1 твердый материал, выпускается в виде гранул. ПБ-1 -получаемый путем полимеризации бутена-1. Материал имеет высокую устойчивость к растрескиванию под нагрузкой; стойкость к ползучести; устойчивость к распространению трещин; реологические свойства; возможность медленной кристаллизации; контролирую совместимость с полиэтиленом и полипропиленом; абразивная износостойкость; высокая гибкость; хорошее диспергирование наполнителей, совместим с этилен-пропиленовым каучуком и термопластичными эластомерами.
3
- этилен-пропиленовый каучук (СКЭПТ) - коэффициент морозостойкости по эластическому восстановлению, не менее 0,3 (ГОСТ 13808); плотность - 0,85-0,87 г/см; рабочая температура от - 54 С до +140 С. Этилен-пропиленовые каучуки эффективны по атмосфероозоностойкости, термо-, маслоизностойкости, устойчивы в агрессивных средах, обладают хорошими диэлектрическими свойствами;
- слюда мусковит или слюда флогопит. Товарные продукты с размером фракций не более 160 мкм (ГОСТ 10698-80). Обладает высокими электро- и теплоизоляционными свойствами.
- тальк технический применяется в виде наполнителя в бумажной, резиновой, лакокрасочной и других отраслях промышленности.
Использован тальк марки ТМО по ТУ 21-25-161-75. Порошок талька марки ТМО имеет насыпную плотность 0,798 г/см3. Использование талька способствует повышению прочности и термостойкости, улучшению электроизоляционных свойств;
3
- порошок мела (СаСО), предпочтительно, марки ММО, молотый обогащенный, используют в кабельной, резиновой, лакокрасочной и других отраслях промышленности. Данные наполнители хорошо совместимы с аморфными полимерами, в том числе, с этилен-пропиленовыми каучуками;
- порошок органофильного бентонита. Используемый продукт получен при модификации бентонита поверхностно-активным веществом (ПАВ) на основе четвертично аммониевой соли (см. например, патент РФ №2176983) Применение органофильного бентонита в составе композиций на углеводородной основе, кроме структурообразующих свойств, обеспечивает необходимую вязкость, высокую термостойкость, электростабильность, высокие смазочные свойства, коррозионную устойчивость;
- неполярный растворитель, предпочтительно, ксилол нефтяной или сольвент нефтяной [ТУ 38.101809-90. «Сольвент нефтяной тяжелый (Нефрас-А 120/200)»]. - универсальные средства для растворения смол, полимеров;
- мягчитель-пластификатор на основе нафтенового дистиллята гидроочищенного, предпочтительно, минеральное масло индустриальное И-40А (ГОСТ 20799-88) или трансмиссионное без присадок. Масла этого типа имеют низкую температуру застывания, термическую и термоокислительную стабильность, антикоррозионные свойства, не содержат механических примесей и воды, не оказывают воздействия на резинотехнические материалы, не допуская их разрушения; Известно, что введение данных компонентов в эластомерную композицию на стадии ее приготовления уменьшает взаимодействие между соседними макромолекулами полимеров, улучшается процесс гомогенизации, повышается пластичность при переработке и эксплуатации [Кербер М.Л. Химический энциклопедический словарь. Гл. ред. И.Л. Кнунянц. - М.: Советская энциклопедия, 1983. - 792 с];
- армирующую стеклосетку при размере ячеек не менее 2,5×2,5 (мм) и не более 4,5×4,5 (мм) в соответствии с ГОСТ Р 55225-2017. Использование армирующего материала с заданными параметрами в толще мастичного слоя, как следует из известного уровня техники, см, например, патенты RU №2325586, №2325584, №53407 (публ. 2006 г), повышает стабильность взаимодействия компонентов эластичной композиции мастичного слоя изоляционного покрытия и способствует снижению разрушения поверхностного слоя покрытия при разнонаправленных силовых напряжениях, возникающих при эксплуатации подземных трубопроводов.
Для формирования многослойного изоляционного покрытия ленточного типа используют, например, ленту изоляционную полипропиленовую ПП-И-04-450 по ТУ 2245011-33833979-2009; ленту изоляционную полиэтиленовую по ТУ 2245-014-05801845-04; ленту изоляционную поливинилхлоридную по ТУ2245-001-00203312-03. Толщина используемых лент изоляционных не менее 0,5 (мм);
Для предотвращения слипания мастичного материала в рулоне на мастичный слой наносится антиадгезивный материал. В качестве антиадгезивного слоя используют ламинированную бумагу. В качестве антиадгезивного слоя рулонного изоляционного покрытия возможно использование любых пленок и бумаг, покрытых силиконовым слоем, что удешевляет и расширяет сырьевую базу производства. Предпочтительно, используют ленту антиадгезивную по ТУ 5459-055-39160180-00 при заданной толщине не менее 0,5 (мм). Антиадгезивный слой, обеспечивает свободное разматывание рулона без прилипания к мастичному слою ленты, и может быть выполнен, например, из полиэтилентерефталата (ГОСТ 24234-80).
Все материалы и компоненты, используемые для изготовления многослойного изоляционного ленточного покрытия для трубопроводов выполнены в соответствии с техническими требованиями нормативных документов (Технические условия, ГОСТ).
Эластомерную композицию мастичного слоя готовят смешением всех компонентов с использованием экструдера при температуре 100-140°С. при поочередной их загрузки с учетом заданного масс % содержания компонентов в композиции:
этилен-пропилендиеновый каучук, неполярный растворитель, мягчитель-пластификатор на основе нафтенового дистиллята гидроочищенного, наполнители на основе слюды молотая (порошок), тальк (или мел), а также порошок органобентонита, при этом полибутен вводят равномерными порциями после введения каждого из компонентов. После выгрузки и "вызревания" изготовленной в смесителе (экструдере) массы, по крайней мере, в течение нескольких часов температуре 15-30°С, осуществляют формование ленточного покрытия требуемых геометрических размеров.
Для изготовления изоляционного ленточного покрытия используют традиционные для этих целей технологические линии с оборудованием на основе: устройство протягивания изоляционной ленты, формирующей наружный защитный слой многослойного изоляционного покрытия для трубопровода, узел нанесения мастичного слоя на основе изготовленной эластомерной композиции, размоточное устройство для армирующей стеклосетки, узел утапливания армирующей стеклосетки и калибровки толщины формируемого мастичного слоя, узел нанесения антиадгезивного материала с устройством прикатки его к мастичному слою, узел смотки изоляционной ленты в рулон.
Для оценки технических характеристик многослойных изоляционных покрытие ленточного типа по изобретению были изготовлены образцы покрытий с эластомерным составом мастичного слоя по примерам 1-7, см. таблица 1.
2
По представленным в таблице 1 композициям мастичного слоя (примеры 1-7) были изготовлены ленты изоляционного покрытия с утопленной в мастичный слой армирующей стеклосеткой с параметрами ячеек 4×4 (мм), плотностью 65 г/м и при толщине лент Н=2.0-2,2 (мм). Из лент изоляционных покрытий по примерам 1-7 были изготовлены полоски опытных образцов (образцы 1.1-1.7) для последующих их испытаний. Для испытаний были использованы металлические пластины из стали 3, при ширине пластин - 20±0,5 (мм), длине - 110-120 (мм), толщине - 3-4 (мм). Рабочие участки опытных образцов равны ширине металлических пластин. Количество испытываемых опытных образцов определяли, исходя из условий их испытаний по оценочным параметрам, соответствующих нормативам и стандартам (ГОСТ) с определением результатов испытаний по среднеарифметической величине.
Результаты оценки опытных образцов 1.1, 1.3, 1.7 показаны в таблице 2 (антиадгезивный слой удален).
Из приведенных в таблице 2 данных следует:
физико-механические свойства мастичного слоя в части его сопротивляемости деформациям растяжения в значительной мере зависят от наличии в эластомерной композиции органобентонита (образец 1.7). Данные испытания подтверждают, что использование органобентонита (примеры 1 и 3) в мастичном слое при заданном по изобретению составе компонентов в эластомерной композиции улучшает физико-механические свойства композиции, проявляющееся в повышении упругости, что соответствует нормативным требованиям ленточных изоляционных покрытий (образцы 1.1 и 1.3).
Результаты исследований опытных образцов (1.1-1.6) (с удаленным антиадгезивным слоем) по другим требованиям к данному типу изоляционных ленточных покрытий для трубопроводов при трассовом их нанесении показаны в таблице №3 «Оценочные показатели изоляционных ленточных покрытий для трубопроводов».
Результаты исследований показали, что изоляционные ленточные покрытия (образцы 1.1, 1.2, 1.3) с подобранным по изобретению составом и масс % содержанием компонентов эластомерной композиции мастичного слоя наиболее оптимальны по таким показателям, как:
адгезивная прочность к обрабатываемым поверхностям без предварительной их обработки грунтовочными составами, высокая механическая прочность к ударным нагрузкам при одновременном предотвращении развития электрохимической коррозии трубопроводов.
Таким образом, разработанное многослойное ленточное покрытие для изоляции стальных трубопроводов в трассовых условиях обладает эффективными антикоррозионными и адгезивными свойствами, в том числе, в условиях его нанесения без предварительной обработки поверхностей трубопроводов грунтовочными составами.