Термопластичная композитная труба c усиленными оболочками

Полезная модель относится к трубопроводной технике, в частности, к многослойным армированным термопластичным композитным трубам изготовленных методами экструзии, или формования, и/или намотки, может быть использована в нефтяной и газовой промышленности, используемых для транспортировки газообразных и жидко-образных веществ, при устройстве газовых и нефтяных скважин, а также для ремонтных и спуско-подъемных работ. Другие области применения включают: транспортировку технологических газов, жидкостей сред и суспензий, трубопроводные системы водоснабжения, отопления, газоснабжения, систем подачи сжатого воздуха, технологические трубопроводы судов и железнодорожного подвижного состава, систем противопожарного водоснабжения.
Обычно при эксплуатации газовых и нефтяных месторождений, для транспортировки газообразных и жидко образных веществ, а так же для ремонтных и спуско-подъемных работ используют стальные трубы.
В процессе эксплуатации стальные трубы подвергаются воздействию внутренних напряжений, возникающих в теле труб от различных силовых нагрузок, например, внутреннего давления транспортируемой среды и собственного веса. Действие внутренних напряжений усиливается коррозионными процессами под влиянием агрессивных компонентов в добываемых флюидах (смесь нефти, попутного газа, пластовой воды, сероводорода, углекислоты и т.п.) или нагнетаемой в нефтесодержащие пласты пластовой или речной воды. Действия силовых нагрузок и коррозионных процессов на металл труб снижает долговечности и надежности труб.
Значительная шероховатость внутренней поверхности, обусловленная технологией изготовления горячекатаных труб, инициирует процессы асфальтосолепарафинистых отложений (АСПО) внутри труб, что сопряжено с необходимостью очистки труб от отложений, а, следовательно, и с увеличением затрат, связанных с обслуживанием трубопроводных систем.
Высокой стойкостью к коррозии и образованию отложений обладают полимерные трубы.
Известны гибкие полимерные трубы, (патент RU 2315223 от 13.04.2006 г., F16L 11/08), выполненные из сплошного слоя полимерного материала, внутри которого размещены продольные армирующие элементы в виде металлической ленты, уложенные под углом 70-85° к оси трубы, и поперечные армирующие элементы в виде двух противоположных повивов металлических проволок, имеющих форму спирали и угол повива к оси трубы 15-30°. И хотя они обладают высокой стойкостью к коррозии и образованию отложений, однако, из-за армирования металлическими лентами и проволокой такие трубы имеют большую массу, относительно не высокий предел прочности при растяжении стального металлокорда, что делает технически труднореализуемым возможность создавать трубы со стойкостью выше 25 МПа. Кроме того, отсутствие адгезии между стальным металлокордом и полимерной матрицей тела трубы также ограничивает возможность получения труб с высокой стойкостью к давлению, приводит к расслаиванию трубы, а проникновение через фитинговые соединениям жидких сред из полости трубы до стального армирования по капиллярам на границе ”проволока-полимер” подвергает поражению армирующую систему трубы по механизму “щелевой коррозии.
Известны гибкие трубы из композиционного материала, (патент RU 171221 от 13.03.2017, F16L 9/12),  в которых полимерная матрица композита выполнена из поперечно сшитого полиэтилена, а наполнитель - в виде внедренной внутрь матрицы объемной армирующей системы из высокопрочных непрерывных нитей из арамидного волокна, выполненной в виде комбинации продольных и расположенных под углом друг к другу и к оси трубы нитей, образующих несколько переплетенных спиралей.
Недостатком их является не высокая стойкость к давлению, в пределах 4,0…10,0 МПа вследствие отсутствия адгезии между армирующими нитями.
Наиболее близким решением к настоящей полезной модели являются известные композитные термопластичные трубы (заявка WO 1995/007428 от 16.03.1995 г.), имеющие внутреннюю трубу, состоящую из термопластичного полимера на которую нанесен композитный слой, имеющий когезионное соединение с внутренней трубой, или в некоторых случаях на внутреннюю трубу без образования связи, наматывается полимерная лента, армированная однонаправленными волокнами.
Недостатком этой конструкции является недостаточная стойкость к давлению, так как  из-за применения в них внутренней трубы и защитной оболочки из неармированных полимеров, или полимеров с мелкодисперсными армирующими наполнителями в условиях жесткой эксплуатации при высоком давлении транспортируемых сред и сильных перепадов температур,  в местах соединения этих труб с цанговыми или обжимными фитингами развиваются процессы деформации ползучести полимерных оболочек приводящие к нарушению герметичности соединений.  Соединение между полимерной лентой армированной однонаправленными волокнами и контактной поверхностью внутренней полимерной трубы, в случае близкой к оптимальной комбинации материалов, является недостаточным для выдерживания нагрузок при установке и эксплуатации в  жестких условия, которым подвергают трубы данного типа. Это, например, приводит к расслоению композитной термопластичной трубы в условиях быстрого снижением давления газа или под воздействием значительных изгибающих усилий. Поэтому в этих трубах предпринимаются попытки применять полимер одного типа для внутренней трубы, и композитной матрицы из полимерных лент армированных однонаправленными волокнами. (см., например, «Thermoplastic Composite Pipe: An Analysis And Testing Of A Novel Pipe System For Oil & Gas»; презентация J.L.C.G. de Kanter и J. Leijten на 17-й конференции ICCM в Эдинбурге, Великобритания, 2009 г.).
Задачей настоящей полезной модели являются повышение стойкости к деформации ползучести внутренних и наружных оболочек термопластичных композитных труб, повышение надежности фитинговых соединений композитных труб, и повышение стойкости к истиранию (абразивной износостойкости) внутренних и наружных оболочек термопластичных композитных труб.
Технический результат заключается в армировании слоев оболочек композитной трубы волокнами, причем влияет не только объемная (массовая) доля армирующих волокон, но также их длина.
Поставленная задача достигается тем, что композитная термопластичная труба с усиленными оболочками состоит из внутренней полимерной оболочки из термопластичного полимера, окружающего ее композитного материала, включающий термопластичного полимера и непрерывные однонаправленные армирующие волокна, и наружной полимерной оболочки. Внутренняя полимерная оболочка, композитный материал и наружная оболочка сплавлены друг с другом посредством нагрева отличающаяся тем, что термопластичные полимеры внутренней и наружной оболочки содержат длинноволокнистые усиленные термопласты с длиной армирующих волокон от  2,0 до 20,0 мм в объемной доле от 3 до 70%. Композитный материал выполнен путем намотки на внутреннюю полимерную оболочку по меньшей мере одного слоя ленты толщиной от 20 до 2000 мкм из армированного непрерывными однонаправленными волокнами термопластичного полимера под углами от 0°до 90° к ее оси,  и по меньшей мере одного слоя ленты толщиной от 20 до 2000 мкм из армированного непрерывными однонаправленными волокнами термопластичного полимера под углами от 90° до 180° к оси внутренней полимерной оболочки, при этом слои лент сплавлены друг с другом посредством нагрева. Объемная доля армирующих непрерывных однонаправленных волокон в термопластичном полимере  композитного материала составляет 25…85%. Термопластичный полимер внутренней и наружной оболочки, полимер длинноволокнистых усиленных термопластов, и  термопластичный полимер композитного материала когезионно совместимы и выбраны из группы полимеров: полиэтилен, полиэтилен повышенной термостойкости, сополимер полиэтилена с октеном,  сополимер полиэтилена с октеном-1, сополимер полиэтилена с гексеном, сополимер полиэтилена с гексеном-1, металлоценовый полиэтилен высокой плотности,  полипропилен, сополимеры полипропилена, полибутен, сополимеры полибутена, поливинилхлорид, акрилонитрил бутадиен стирол, полиамид, полифталамид, полиэтиленнафталат, полиэтилентерефталат, полибутиленнафталат, фторполимер, фторэтилен-пропилен, поливинилиденфторид, полифениленсульфид, полиэфирсульфон, полифенилсульфон, полиимид, полиэфиримид, полиоксиметилен, полиариленэфиркетон, полиэфирэфиркетон, поликетон, а также смеси и композиции вышеперечисленных полимеров. Непрерывные однонаправленные армирующие волокна  композитного материала и волокна длинноволокнистых усиленных термопластов выбранны из группы волокон:  стеклянные волокна, углеродные волокна, арамидные волокна, борные волокна, керамические волокна, базальтовые волокна, карбидокремниевые волокна, полиамидные волокна, волокна из сложного полиэфира, волокна из жидкокристаллического сложного полиэфира, полиакрилонитрильные волокна,  волокна из полиимида, волокна из полиэфиримида, волокна из полифениленсульфида, волокна из полиэфиркетона, волокна из полиэфирэфиркетона, волокна из поликетона, волокнам из сверхмолекулярного полиэтилена.
На представленном изображении показана принципиальная схема композитной термопластичной трубы c усиленными оболочками состоящей из внутренней оболочки, окружающего ее композитного материала, и наружной оболочки.
Композитная термопластичная труба состоит из внутренней оболочки из термопластичного полимера 1 содержащего длинноволокнистые усиленные термопласты с длиной армирующих волокон от  2,0 до 20,0 мм в объемной доле от 3 до 70%, окружающего ее композитного материала 2, и наружной полимерной оболочки 3, содержащей длинноволокнистые усиленные термопласты с длиной армирующих волокон от  2,0 до 20,0 мм в объемной доле от 3 до 70%,  причем, внутренняя оболочка, композитный материал, и наружная полимерная оболочка которые сплавлены по граничащим поверхностям путем нагрева.
Термопластичная композитная труба изготавливается в три этапа, которые реализуются либо в одной производственной линии, либо на трех отдельных производственных линиях (производственных участках) путем последовательных процессов: изготовление методом экструзии внутренней оболочки армированной длинноволокнистыми усиленными термопластами, намотка на внутренней оболочки слоев лент композитного материала состоящего из термопластичного полимера и непрерывных однонаправленных волокон, и экструдированием наружной полимерной оболочки армированной длинноволокнистыми усиленными термопластами.
Сплавление слоев термопластичной композитной трубы производится при нагреве до температуры размягчения по Вика или температуру расплавления полимеров из которых состоят слои (оболочки) композитной  термопластичной трубы.
Предложенная конструкция является промышленно применима с помощью существующих технических средств
Армирование внутренней и наружной (защитной) оболочки композитной термопластичной трубы может производится непосредственно волокнами путем смешения волокон с полимерным гранулятом перед экструзией слоев, либо производится в два этапа: на первом этапе волокна смешиваются с полимером и прегранулируются в двух-шнековом экструдере, на втором этапе полученный полимерно-волокнистый гранулят используется для экструдирования внутренней и наружной (защитной) оболочки трубы.
Наиболее предпочтительно армирование оболочек трубы производить путем добавления к основному полимеру оболочек перед экструзией гранул длинноволокнистых усиленных термопластов (LFT - Long Fiber Reinforced Thermoplastics или Long Fiber Thermoplastics ) с длиной волокон от  5,0 до 15,0 мм. Технологии получения гранул длинноволокнистых усиленных термопластов (LFT), иногда называемых «длинное стекло», включают процессы увеличения смачиваемости волокон (увеличения адгезии к полимеру), что делает их применение для армирования оболочек композитной трубы наиболее эффективным.
Армирование внутренней и наружной (защитной) оболочки композитной термопластичной трубы  может производится непосредственно волокнами путем смешения волокон с полимерным гранулятом перед экструзией слоев, либо производится в два этапа : на первом этапе волокна смешиваются с полимером и прегранулируются в двух-шнековом экструдере, на втором этапе полученный полимерно-волокнистый гранулят используется для экструдирования внутренней  и наружной (защитной) оболочки трубы.
Композитный материал композитной термопластичной трубы по может быть  выполнен путем намотки на внутреннюю полимерную оболочку по меньшей мере одного слоя ленты толщиной от 20 до 2000 мкм из армированного непрерывными однонаправленными волокнами термопластичного полимера под углами от 0° до 90° к ее оси,  и по меньшей мере одного слоя ленты толщиной от 20 до 2000 мкм из армированного непрерывными однонаправленными волокнами термопластичного полимера под углами от 90° до 180° к оси внутренней полимерной оболочки, при этом слои лент сплавлены друг с другом посредством нагрева.
Использование в композитном материале композитной термопластичной трубы спаренных и намотанных в противоположных направлениях симметрично относительно оси центральной трубы слоев лент из армированного непрерывными однонаправленными волокнами термопластичного полимера композитного материала позволит снизить вероятность образование скручивающих напряжений в композитный материале композитной термопластичной трубы, которые могут приводить к расслаиванию и разрушению трубы.
Причем, в композитной термопластичной трубе  термопластичный полимер внутренней и наружной оболочки, полимер длинноволокнистых усиленных термопластов, и  термопластичный полимер композитного материала когезионно совместимы и выбраны из группы полимеров: полиэтилен (PE, HDPE, LDPE), полиэтилен высокой (повышенной) термостойкости PE-RT (Polyethylene of Raised Temperature resistance), сополимер полиэтилена с октеном,  сополимер полиэтилена с октеном-1, сополимер полиэтилена с гексеном, сополимер полиэтилена с гексеном-1, металлоценовый полиэтилен высокой плотности,  полипропилен (PP, PP-R), сополимеры полипропилена, полибутен (PB, PB-1), сополимеры полибутена, поливинилхлорид (PVC, HPVC), акрилонитрил бутадиен стирол (ABS), полиамид (PA), полифталамид (PPA), полиэтиленнафталат (PEN), полиэтилентерефталат (PET), полибутиленнафталат (PBT), фторполимер (PFA), фторэтилен-пропилен (FEP),  поливинилиденфторид (PVDF), полифениленсульфид (PPS), полиэфирсульфон (PES), полифенилсульфон (PPSU), полиимид (PI), полиэфир имид (PEI), полиоксиметилен (POM), полиариленэфиркетон (PAEK), полиэфирэфиркетон (PEEK, PEK), поликетон (PK, Polyketon), а также смеси и композиции вышеперечисленных полимеров.
В композитной термопластичной трубе непрерывные однонаправленные армирующие волокна  композитного материала и волокна длинноволокнистых усиленных термопластов могут быть выбраны из группы волокон:  стеклянные волокна, углеродные волокна, арамидные волокна, борные волокна, керамические волокна, базальтовые волокна, карбидокремниевые волокна, полиамидные волокна, волокна из сложного полиэфира, волокна из жидкокристаллического сложного полиэфира, полиакрилонитрильные волокна,  волокна из полиимида, волокна из полиэфиримида, волокна из полифениленсульфида, волокна из полиэфиркетона, волокна из полиэфирэфиркетона, волокна из поликетона, волокнам из сверхмолекулярного полиэтилена.
В композитной термопластичной трубе объемная доля  армирующих непрерывных однонаправленных волокон в термопластичном полимере  композитного материала может составлять 25…85%.
Внутренняя оболочка термопластичного полимера композитной термопластичной трубы может быть изготовлена методами экструзии.
Композитный материала, состоящего из термопластичного полимера композитного материала и непрерывных однонаправленных армирующих волокон может быть изготовлен методами намотки с натяжением на внутреннюю оболочку  слоев лент из армированного непрерывными однонаправленными волокнами термопластичного полимера, которые плавно сплавлены между собой, с наружной поверхностью трубы путем нагрева поверхностей трубы и лент до температуры размягчения по Вика или до температуры расплавления до образования гомогенного соединения между наружной поверхностью внутренней оболочки трубы, с прилегающим слоем лент, слоев из армированного непрерывными однонаправленными волокнами термопластичного полимера между собой, и внутренней поверхностностью наружной оболочки.
Наружная полимерная оболочка композитной термопластичной трубы может быть изготовлена методами экструзии путем экструдирования на предварительно нагретую до температуры размягчения по Вика или расплавления  наружной поверхности композитного материала.
Наружная полимерная оболочка композитной термопластичной трубы также может быть изготовлена путем термоусадки на предварительно нагретую до температуры размягчения по Вика или расплавления  наружной поверхность композитного материала готовой полимерной оболочки.
Для армирования внутренней и наружной оболочки могут быть использованы готовые изготовленные промышленным способом гранулы длинноволокнистых усиленных термопластов (LFT), например производимые компаниями:  Ticona (США), Advanced Composites Inc. (США), FRP Services & Co. (Япония), Mitsui Chemicals Europe GmbH (Германия), Polyram Plastic Industries Ltd. (Израиль), SABIC Innovative Plastics (Нидерланды).
Для армирования внутренней и наружной оболочки гранулы длинноволокнистых усиленных термопластов (LFT) могут быть изготовленны промышленным способом с помощью существующего оборудования, либо оборудования ProTec Polymer Processing GmbH (Германия).
Для изготовления композитной термопластичной трубы по настоящей полезной модели могут быть использованы готовые, изготовленные промышленным способом, ленты композитного материала с использованием армирующих волокон и полимеров перечисленных в настоящей полезной модели. В настоящее время ленты (препеги) из непрерывных однонаправленных армирующих волокон и термопластичных полимеров (UD tapes) широко представлены на рынке. Например, UD ленты компаний Toray Advanced Composites (США), BÜFA Thermoplastic Composites GmbH & Co. KG (Германия), TOPOLO (Китай).
Промышленное оборудование для производства лент (препегов) из непрерывных однонаправленных армирующих волокон и термопластичных полимеров предлагают компании: KraussMaffei (Германия), GPM Machinery (Китай).
Для намотки и сплавления слоев лент армированных непрерывными волокнами основного композитного материала и эластичной прослойки трубы термопластичной композитной трубы может быть использовано существующее промышленное оборудование, например, компании: KraussMaffei (Германия), Fartrouven R&D (Португалия), GPM Machinery (Китай).
Армирование внутренней и наружной оболочек композитной трубы длинноволокнистыми усиленными термопластами повышает стойкость к деформации ползучести внутренних и наружных оболочек термопластичных композитных труб, тем самым повышая надежности фитинговых соединений композитных труб. Дополнительно, армирование оболочек композитной трубы длинноволокнистыми усиленными термопластами повышает их стойкость к истиранию (абразивную износостойкость). Использование предлагаемой конструкции трубы позволяет предотвратить возникновение  ползучести. Дополнительно, армирование оболочек композитной трубы волокнами повышают их стойкость к истиранию (абразивную износостойкость).