МНОГОСЛОЙНАЯ ПОЛИМЕРНАЯ АРМИРОВАННАЯ ТРУБА, СПОСОБ ЕЕ НЕПРЕРЫВНОГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА
MULTILAYER POLYMER REINFORCED PIPE, METHOD OF CONTINUOUS PRODUCTION THEREOF AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION OF METHOD

Заявляемое изобретение относится к нефтегазовой отрасли, предназначено для строительства подземных и наземных трубопроводных систем, обеспечивающих транспортировку продуктов нефтяных скважин и водоводов, в частности, нефти, воды, газа, химических реагентов посредством трубопроводов на основе длинномерных полимерных труб.
Из уровня техники известна полимерная армированная труба, состоящая из внутреннего полимерного слоя, составляющего основу трубы, на наружную поверхность которого последовательно нанесен армирующий слой, промежуточную полимерную оболочку, повив из изолированных проводников, имеющих дополнительную внешнюю оболочку в виде сектора кольца, ограниченного внутренним и внешним радиусом укладки проводников, и внешнюю полимерную оболочку, при этом армирующий слой выполнен из повивов металлических или полимерных лент, полимерных нитей или металлических проволок (патент RU 2665776 на изобретение «Полимерная армированная труба с электроподогревом», дата подачи 26.05.2017 г., опубликовано 04.09.2018 г.).
Способ изготовления полимерной трубы заключается в том, что полимерный внутренний слой подается в узел намотки повивов полимерных лент, в котором внешняя поверхность внутреннего слоя полимерной трубы покрывается четырьмя повивами полимерных лент, например, из полиэтилентерефталата путем намотки при помощи крутильной машины, при угле намотки ленты, составляющем 55±5°. При намотке полимерных лент, по крайней мере, один повив имеет противоположное направление намотки. Намотку повивов полимерных лент осуществляют таким образом, что между полимерными лентами каждого повива выполнен зазор, составляющий 5-10% от ширины ленты, а зазор ниже намотанного повива закрывается выше намотанным повивом. Армирующие элементы из полимерных нитей или металлических проволок наматываются не менее, чем двумя повивами. Поверх повивов армирующих элементов экструзионным способом наносится промежуточная оболочка, после чего труба подается в устройство намотки повива из изолированных проводников. После чего полимерная труба с нанесенными слоями подается в экструдер для нанесения внешней полимерной оболочки, в котором при помощи экструзии наносится сплошной полимерный слой, например из полиэтилена, образующий внешнюю оболочку полимерной трубы. На окончательной операции гибкая полимерная армированная труба, содержащая 4 повива полимерных лент, повив из изолированных проводников и внешнюю полимерную оболочку наматывают в бухту или на транспортные барабаны.
Известна полимерная труба, содержащая внутренний слой, усиливающий слой в виде спирально-намотанного на внутренний слой армирующего элемента, и наружный слой, при этом армирующий элемент выполнен в виде армирующей сетки из нитей, скрепленных в местах пересечения и слоя полимера, контактирующего с сеткой (патент № 125668 на полезную модель «Полимерная труба», дата подачи 21.08.2012 г., опубликовано 10.03.2013 г.).
Указанную полимерную трубу производят следующим образом. Гранулированное сырье подается в экструдер. В форсуночной головке происходит разделение пластифицированного материала, поступающего из главного экструдера, на два потока. В первой форсуночной головке формируется лента - основа внутреннего слоя. Во второй форсуночной головке формируется лента для наружного слоя. Вращающийся барабан предварительно разогревается, после чего на него наносится внутренний слой намоткой под углом ~84°. Возможно нанесение на барабан внутреннего слоя путем прямой экструзии. Далее с помощью размоточной машины на внутренний слой укладывается армирующая сетка, на которую предварительно может быть нанесен аппретирующий состав. Сетка сверху закрывается расплавом полиолефина, далее возможно нанесение второго слоя сетки, который также закрывается расплавом полиолефина. На слой полимера путем намотки наносится полипропиленовый опорный шланг в оболочке или слой гладкого ленточного профиля из минералонаполненной композиции термо- и светостабилизированного сополимера пропилена. Армирующая сетка укладывается с натягом, который необходим для обеспечения монолитность структуры.
Недостатки известных решений связаны с низкой технологичностью полимерной трубы из-за необходимости строгого соблюдения величины зазоров между повивами армирующих лент или нитей, а также угла наклона намотки, которую, в свою очередь, необходимо выполнять в противоположных направлениях. Свойства трубы не могут быть изменены и/или заданы под конкретные условия эксплуатации из-за невозможности выполнения полимерных слоев из различных материалов и разделения потоков полимерного расплава.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является группа изобретений «Способ непрерывного изготовления металлополимерной армированной трубы повышенной прочности и устройство для его осуществления» по патенту RU 2492047 (дата подачи 14.03.2012 г., опубликовано 10.09.2013 г.).
Известный способ включает подачу расплава полимера из экструзионной головки в формующую полость, образованную охлаждаемым дорном и наружной формующей гильзой, при одновременной подаче в указанную полость сварного армирующего каркаса. При формировании трубы перед дорном устанавливают термостойкую неметаллическую втулку, а внутреннюю и внешнюю поверхности формуемой трубы подвергают охлаждению. При изготовлении армирующего каркаса в качестве средства для формирования спирали из элементов поперечной арматуры используют роликовый электрод, ролик которого обеспечивает постоянный прижим элементов поперечного армирования к элементам продольного армирования с усилием от гидропривода. Во время сварки армирующего каркаса на роликовый электрод передают ударные импульсы, синхронизированные с моментом пересечения между собой элементов продольной и поперечной арматуры, а также с моментом подачи импульса тока на роликовый электрод.
Недостатком известного решения является невозможность создания трубы с регулируемыми вариативными свойствами, подобранными под определенные условия работы с учетом особенностей среды, контактирующей как с внешней оболочкой, так и с внутренней поверхностью трубы. Кроме того, трубы, получаемые в виде простой системы «металлический каркас-полимерная матрица», в которой полимерная матрица однородна по применяемым материалам и, соответственно, по своим свойствам имеют ограниченные условия и область ее применения.
Технический результат, на достижение которого направлена группа изобретений, заключается в расширении эксплуатационных свойств полимерной армированной стальным каркасом трубы, повышении ее технологичности.
Указанный технический результат достигается тем, что многослойная полимерная армированная труба, полученная методом экструзионного формования и включающая систему «металлический каркас – полимерная матрица», в которой металлический каркас образован путем сварки продольной и поперечной арматуры в местах их взаимного пересечения, согласно изобретению дополнительно содержит последовательно нанесенные на полимерную матрицу слои адгезива, полимерного материала, на котором установлен армирующий металлический каркас с нанесенным на него слоем полимерного материала, образующим внешнюю оболочку трубы, при этом в качестве материалов для полимерной матрицы используют нефтестойкие полимеры.
В качестве нефтестойких полимеров могут быть использованы, например, конструкционные термопластичные полиамиды: или ПА 12 (полидодеканамид), или ПА 11 (полиундеканамид), или ПА 6.10 (полигексаметиленсебацинамид), или ПА 6.12 (полигексаметилендодекандиамид).
В качестве адгезива используют клеевые композиции на основе термопластичных полимерных материалов (полиамиды, сополимеры этилена с винилацетатом и др.) устойчивых к длительному воздействию температуры и обладающих хорошей адгезией к склеиваемым материалам, что способствует увеличению прочности.
Кроме того, для изготовления трубы применяют полиолефины, в частности, полиэтилен минимальной длительной прочности MRS 10,0 МПа (ПЭ 100) или полиэтилен повышенной термостойкости минимальной длительной прочности MRS 10,0 МПа (PE-RT тип II).
Способ непрерывного изготовления многослойной полимерной армированной трубы методом экструзионного формования, включающий одновременную подачу из экструзионной головки в формующую полость расплава для получения полимерной матрицы (внутренней оболочки) и устанавливаемого на нее армирующего металлического каркаса, выполненного путем сварки продольной и поперечной арматуры в момент их взаимного пересечения, синхронизированного с моментом подачи импульса тока на сварочные роликовые электроды, согласно изобретению перед формированием и установкой армирующего металлического каркаса на полимерную матрицу последовательно наносятся расплавы адгезива и полимерного материала, поступающие в формующую полость многослойной экструзионной головки в виде раздельных потоков, выходящих из соответствующих экструдеров, затем в формующей полости угловой экструзионной головки, размещенной на дополнительно установленном после сварочной машины экструдере, создается внешняя оболочка трубы путем нанесения на металлический армирующий каркас слоя полимерного материала, при этом прижим роликовых сварочных электродов к поперечной арматуре в местах взаимного пересечения с продольной арматурой обеспечивается эксцентриковым рычагом, связанным с роликовыми электродами.
Устройство для непрерывного изготовления многослойной полимерной армированной трубы, включающее экструдер с экструзионной головкой для подачи в формующую полость расплава полимера для формования полимерной матрицы, сварочную машину со сварочным узлом, служащим для получения усиливающего металлического каркаса путем сварки продольной и поперечной арматуры, устанавливаемого на полимерную матрицу, и содержащую роликовые электроды, связанные с прижимным устройством и соответствующим приводом, согласно изобретению используют многослойную экструзионную головку, связанную с экструдерами, подающими в многослойную экструзионную головку раздельные потоки расплавов для формирования многослойной полимерной матрицы, за сварочной машиной установлен дополнительный экструдер с угловой экструзионной головкой для нанесения на металлический армирующий каркас расплава полимерного материала, при этом в сварочном узле роликовые электроды, оснащенные системой охлаждения, соединены с эксцентриковым рычагом, осуществляющим прижим электродов при сварке поперечной и продольной арматуры в момент их взаимного пересечения.
Предлагаемая к защите группа изобретений поясняется чертежами, где
Фиг. 1 – вид сверху устройства непрерывного изготовления многослойной полимерной армированной трубы;
Фиг. 2 – сварочная машина в разрезе;
Фиг. 3 – схема размещения сварочных роликов на план-шайбе сварочной машины.
Заявляемое устройство (фиг. 1) представляет собой линию для непрерывного изготовления многослойной полимерной армированной трубы и содержит узел перемотки 1 арматуры в виде проволоки с бухт на катушки 2 и барабаны 3, магазин катушек 4 для подачи продольной арматуры 5, узел перемотки 6 поперечной арматуры 7 с барабанов 3 на барабаны 8 сварочной машины 9. Кроме того, в состав устройства входит многослойная экструзионная головка 10, в которую с экструдеров 11, 12, 13 поступают, а затем выходят в заданной последовательности  расплавы полимеров, предназначенных для образования основы трубы - многослойного лайнера, состоящего из внутренней (полимерной матрицы) и внешней оболочек, а также для нанесения на полимерную матрицу слоя адгезива в виде термопластичной клеевой композиции и одновременно подаваемого в формующую полость металлического армирующего каркаса, устанавливаемого на внешнюю оболочку лайнера.
На многослойной экструзионной головке 10 закреплен кондуктор 14 с выполненными на нем концентрично расположенными пазами, по которым осуществляется перемещение продольных проволок 5. К многослойной экструзионной головке 10 через термостойкое кольцо 15 присоединено калибрующее устройство 16 в виде калибрующего цилиндра, постоянно охлаждаемого изнутри жидкостью, например водой, поступающей в него через трубку 17, проходящую внутри многослойной экструзионной головки 10. На раме сварочной машины 9 установлен ротор 18, снабженный отдельным приводом вращения (на чертеже не показан). На роторе 18 размещены барабаны 8 сварочной машины 9 для поперечной проволоки 7, механизм подачи проволоки 19 с барабана 8 сварочной машины 9 на спиралеобразователь 20, а также роликовые электроды 21, с помощью которых осуществляется сварка поперечных 7 и продольных 5 проволок (фиг. 3) с образованием металлического сетчатого армирующего каркаса 22. Внутри ротора 18 неподвижно закреплена формующая втулка 23, образующая вместе с калибрующим цилиндром 16 кольцевую полость, в которой происходит формование многослойного лайнера 24 из расплавов, выходящих из многослойной экструзионной головки 10. Сварочные ролики 21, снабженные системой водяного охлаждения  (на чертеже не показана) и входящие в состав сварочного узла, выполненного в виде план-шайбы 25, соединены с закрепленными на раме сварочной машины 9 источниками питания (на чертеже не показаны), а также с эксцентриковым рычагом 26 и приводом, размещенными на план-шайбе 25 (фиг. 3). Сварочный узел вращается вместе с ротором 18.
После сварочной машины 9 по направлению перемещения трубы установлены экструдер 27 с угловой экструзионной головкой 28, в формующую полость которой подается расплав полимерного материала, применяемый для формования внешней оболочки 29 многослойной полимерной армированной трубы 30, ванна охлаждения 31, тянущее устройство 32 с регулируемым усилием прижима траков 33, отрезное устройство 34, оснащенное датчиком положения 35, закрепленным на рольганге 36.
Изготавливаемая на вышеуказанной линии многослойная полимерная армированная труба 30 состоит из многослойного лайнера 24, на котором закреплен металлический сетчатый армирующий каркас 22 и внешней полимерной оболочки 29. В качестве арматуры применяют проволоку. Армирующий каркас 22 образован путем контактной сварки продольной 5 и поперечной 7 арматуры в местах их взаимного пересечения,
Многослойный лайнер 24 получают способом экструзионного формования (фиг. 1). Расплавы полимеров, выходящие соответственно из экструдера для образования внутреннего слоя 11, экструдера для нанесения слоя адгезива 12 и экструдера для формирования внешнего слоя 13 лайнера, поступают в многослойную экструзионную головку 10, а затем в формующую полость, образованную калибрующим цилиндром 16 и формующей втулкой 23. В формующей полости на полимерную матрицу (внутренний слой) из нефтестойкого полимера, например, полиамида, наносится слой адгезива в виде термопластичной клеевой композиции, на который затем наносится наружная оболочка (наружный слой) лайнера в виде слоя, выполненного, например, из полиолефинов. Многослойный лайнер 24 калибруется по внутреннему диаметру охлаждаемым изнутри водой калибрующим цилиндром 16. По мере заполнения внутренней полости формируемого лайнера 24 в нем создается давление, которое поддерживается спускным клапаном, размещенным в пробке 37, присоединённой к трубке 17.
Для получения качественной внутренней поверхности многослойного лайнера 24 наружная поверхность калибрующего цилиндра 16 должна быть отполирована.
Металлический каркас 22 трубы образуется за счет навивки поперечной проволоки 7 на продольные проволоки 5 и контактной сварки их между собой в каждой точке взаимного пересечения. При этом натяжение и перемещение продольных проволок 5 осуществляется с помощью тянущего устройства 32. Положение продольных проволок 5 относительно тела лайнера определяется с помощью пазов, концентрично расположенных на кондукторе 14.
Сетка армирующего каркаса 22 многослойной полимерной армированной трубы образуется за счет контактной сварки поперечной 7 и продольной 5 проволок в местах их взаимного пересечения (фиг. 3). Контактная сварка производится роликовыми электродами 21. Проволоки подаются одновременно, при этом продольные проволоки 5 перемещаются поступательно, поперечные 7 - за счет вращения ротора 18 сварочной машины 9. Поперечная проволока 7 сматывается с барабанов 8, установленных на корпусе ротора и свободно вращающихся на подшипниках, и подводится к сварочным роликовым электродам 21 с помощью механизма подачи проволоки 19 на спиралеобразователь 20. При этом эксцентриковый рычаг 25 реализует функцию прижима роликовых электродов 21 к поперечным проволокам 7. Прижим сварочных электродов 21 и подача импульсного сварочного тока для выполнения контактной сварки происходит одновременно. Подачу импульсов сварочного тока от трансформаторов (не показаны) на сварочные роликовые электроды 21 выполняет задатчик 38 (фиг. 2). В формующую полость, образованную неподвижно установленной внутри ротора 18 формующей втулкой 23 и калибрующим цилиндром 16, одновременно подаются сварной каркас 22, расплавы полимерных и клеящего материалов.
После выхода из формующей полости многослойный лайнер 24 поступает в формующую полость экструдера 26 с угловой экструзионной головкой 27, где на него наносится слой расплава полимера, образующий внешнюю оболочку 29 многослойной полимерной армированной трубы.
Затем полученную многослойную полимерную армированную трубу подвергают интенсивному охлаждению в ванне охлаждения 31 за счет подачи на ее внешнюю поверхность распыленной жидкости. Подача охлаждающей жидкости осуществляется через форсунки, выполненные по всей длине ванны охлаждения.
После выхода из ванны охлаждения многослойная полимерная армированная труба с помощью тянущего устройства 32 проходит на служащий для нее опорой рольганг 36, перемещаясь по его направляющим роликам. В конструкции рольганга предусмотрена система сбора охлаждающей жидкости, стекающей с трубы, и возврата ее в систему охлаждения.
На рольганге закреплен датчик положения 35, от которого сигнал подается на отрезное устройство 34, которое перемещается по направляющим одновременно с многослойной полимерной армированной трубой. Получив сигнал от датчика положения, срабатывает отрезное устройство, отделяя многослойную полимерную армированную трубу заданной длины.
Весь технологический процесс непрерывен и цикличен.
Осуществление изобретения подтверждается примерами конкретного выполнения.
Параметры эксплуатации трубопроводов, выполненных из многослойной полимерной армированной трубы, рассчитаны на температуру транспортируемой среды до + 90°С и рабочее давление трубопровода до 4,0 МПа.
Полимерную трубу в соответствии с предлагаемым к защите изобретением производят путем экструзии многослойного лайнера с одновременным его армированием металлическим сетчатым каркасом и последующим нанесением на него расплава для образования внешней оболочки.
Многослойный лайнер получают с помощью многослойной экструзионной головки, в которую поступают расплавы полимерных и клеевого материалов. При этом внутренний (первый) слой лайнера выполняют из нефтестойкого полимера, в качестве которого может быть использован полиамид, например, марок ПА 12; ПА 11; ПА 6.10; ПА 6.12. Выполнение основы трубы из полиамида значительно повышает ее прочностные свойства, а также надежность изделия в целом.
На внутренний слой лайнера наносится слой клея-расплава, обладающего большой адгезией. В качестве клея-расплава применяют, как правило, многокомпонентные системы, в которых в качестве полимерной основы используют термопласты (полиамиды, сополимеры этилена с винилацетатом и др.), т.е. системы, устойчивые к длительному воздействию температуры и обладающие хорошей адгезией к склеиваемым материалам.
После нанесения слоя адгезива выполняют наружную оболочку лайнера, в качестве материала для которой применяют, например, полиэтилен минимальной длительной прочности MRS 10,0 МПа (ПЭ 100) или полиэтилен повышенной термостойкости минимальной длительной прочности MRS 10,0 МПа (PE- RT тип II).
Для изготовления армирующего металлического сетчатого каркаса, воспринимающего и осевую, и радиальную нагрузки, возникающие при эксплуатации трубопроводов, используют проволоку стальную общего назначения термически необработанную, диаметром от 2,5 до 4,0 мм, поставляемую без смазки в соответствии с ГОСТ 3282-74 «Проволока стальная низкоуглеродистая общего назначения. Технические условия». Формирование армирующего металлического каркаса выполняют с помощью сварочного агрегата.
Внешняя оболочка полимерной трубы защищает армирующий каркас от повреждений и воздействия окружающей среды. Оболочку, как и наружный слой лайнера, выполняют экструзией полиэтилена минимальной длительной прочности MRS 10,0 МПа (ПЭ 100) или полиэтилена повышенной термостойкости минимальной длительной прочности MRS 10,0 Мпа (PE- RT тип II). Как вариант, в качестве материала для внешней оболочки может быть использован огнестойкий полимер, например, огнестойкий полипропилен.
Заявляемая группа изобретений позволяет получить многослойную полимерную армированную трубу повышенной прочности, надежности и технологичности.