Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ существующих методов управления принципами создания композиционно-волокнистых труб нефтегазового назначения 18
1.1. Агрессивность нефтегазовых и грунтовых сред 18
1.2. Обзор существующих решений защиты нефтегазопроводных труб от коррозии 27
1.2.1. Общие подходы 27
1.2.2. Опыт создания и эксплуатации полимерных труб 33
1.2.3. Опыт создания и эксплуатации композиционно-волокнистых труб 39
1.3. Конструктивно-технологические проблемы соединения труб из композиционно-волокнистых материалов 62
1.4. Цель и задачи исследований 69
Глава 2. Механизмы процессов разрушения и трещинообразования композиционных труб 73
2.1. Факторы, влияющие на разрушение композиционно-волокнистых материалов 76
2.2. Физическая модель механизмов трещинообразования в композиционной стенке трубы 90
2.3. Математическая модель процессов трещинообразования в композиционной стенке 107
Выводы по главе 2 115
Глава 3. Методики расчетов и испытаний композиционно-волокнистых труб 117
3.1. Методика расчета стеклопластиковой трубы на долговечность и прочность 117
3.2. Методика расчета коэффициента запаса прочности стеклопластиковой трубы 126
3.3. Метод определения герметичности труб из композиционных материалов 133
Выводы по главе 3 142
Глава 4. Разработка принципов создания герметичных и трещиностойких композиционных труб нефтегазового назначения 143
4.1. Материал оведческие принципы управления герметичностью и трещиностойкостью труб из композиционных материалов 144
4.1.1. Принцип эластичного связующего 144
4.1.2. Принцип неравновесной спирально-перекрестной намотки 146
4.1.3. Принцип крученых нитей 149
4.1.4. Принцип самоуплотнения 150
4.1.5. Принцип «розетты» 151
4.1.6. Принцип высокомодульных волокон 151
4.1.7. Принцип снижения доли армирующих волокон 152
4.2. Конструктивно-технологические принципы управления герметичностью и трещиностойкостью труб из композиционных материалов 158
4.2.1. Бислойная непроницаемая система «композиционный материал - металлический слой» 159
4.2.1.1. Несущая непроницаемая металлическая оболочка, усиленная композиционным материалом 160
4.2.1.2. Бислойная равнопрочная металлокомпозитная силовая оболочка трубопровода 162
4.2.1.3. Силовая оболочка из композиционного материала, футерованная герметизирующим металлическим слоем 164
4.2.2. Бислойная непроницаемая система «композиционный слой -неметаллический слой» 167
4.2.3. Концепция анаэробной герметизации 171
4.2.4. Концепция набухания, или облитерация 175
4.2.5. Концепция создания противодавления 177
4.2.6. Концепция гибридной (полимеркомпозитной) трубы 178
Выводы по главе 4 185
Глава 5. Проблема «кессонного отслоения» герметизирующего слоя от внутренней стенки композиционной трубы и пути решения 187
5.1. Модели «кессонного явления» 190
5.2. Решения проблемы вздутия и «кессонного отслоения» герметизирующего слоя от внутренней стенки композиционной трубы 209
Выводы по главе 5 217
Глава 6. Конструктивно-технологические принципы создания композиционных труб нефтегазового назначения 218
6.1. Принципы создания композиционно-волокнистых труб повышенной герметичности и трещиностойкости 218
6.1.1. Проблема трещиностойкости (монолитности) композиционной трубы и рациональные принципы её решения 219
6.1.2. Проблема герметичности композиционных труб и её решение 223
6.1.3. Базовая конструкция герметичной стеклопластиковой трубы 233
6.1.4. Концепция анаэробной технологии герметизации 239
6.2. Многослойные композиционные трубы 242
6.3. Конструктивно-технологические решения соединения труб из КВМ в трубопроводные плети многофункциональных трубопроводов 250
6.4. Конструктивно-технологические принципы создания многоканальных трубопроводных транспортных систем 256
6.5. Концепция восстановления и ремонта изношенных трубопроводов на принципе многоканальных трубопроводов 264
Выводы по главе 6 269
Глава 7. Технико-экономическое обоснование применения композиционных труб в нефтяной и газовой промышленности 271
7.1. Экономическое обоснование 273
7.2. Технические характеристики стеклопластиковых трубопроводов 279
7.2.1. Массовые характеристики 279
7.2.2. Производственные показатели 282
7.2.3. Эксплуатационные показатели 283
Выводы по главе 7 288
Общие выводы по диссертации 289
Библиографический список 292
Приложение 1 313
Приложение 2 319
- Агрессивность нефтегазовых и грунтовых сред
- Факторы, влияющие на разрушение композиционно-волокнистых материалов
- Принцип снижения доли армирующих волокон
- Эксплуатационные показатели
Введение к работе
Актуальность работы. Трубопроводный транспорт является наиболее экономичным и эффективным видом транспорта жидких и газообразных углеводородных сред. Его роль особенно возрастает при транспортировке на большие расстояния и в отдаленные районы.
Россия по протяженности трубопроводов различного назначения занимает второе место в мире после США. В настоящее время на ее территории эксплуатируется более 200 тыс. км магистральных нефтегазопродуктопроводов и 350 тыс. км - промысловых. Между тем около 70 % трубопроводов эксплуатируются более 20 лет, срок службы почти 300 тысяч км нефте-, газо-, и других технологических трубопроводов диаметром от 219 до 1600 мм истек или истекает в ближайшие годы. Только на замену нефтепромысловых сетей в связи с их коррозией ежегодно расходуется 7 ^ 8 тысяч км труб, или более 400 ^ 500 тысяч т стали. Ежегодная потребность замены коррозионно разрушенных труб в нефтегазотранспорте составляет около 80 ^ 100 тыс. км.
Конструктивная надежность систем трубопроводного транспорта является основным условием для бесперебойной подачи потребителям нефти, газа и нефтепродуктов. Несмотря на внешнюю простоту сооружения, трубопроводные системы отличаются сложной схемой взаимодействия с грунтом, изменчивостью действия силовых факторов, неопределенностью напряженно-деформированного состояния, масштабностью сетей, экстремальностью нагрузок и т.д. Подземное расположение трубопроводов затрудняет их диагностику, увеличивает вероятность возникновения отказов, усложняет проведение ремонтных и восстановительных работ.
Таким образом, проблема повышения конструктивной надежности трубопроводных систем приобретает стратегическое значение, предопределяющее необходимость поиска и разработки альтернативных материалов и конструкций, способных к сдерживанию темпов роста ремонтных работ из-за коррозионного старения и предельных перенапряжений трубных сооружений.
К таким материалам на современном этапе следует отнести стекловолокнистые композиты, использование которых в изделиях наукоемких технологий позволило сделать качественный скачок в совершенствовании производства трубных конструкций высокого давления, повышенной прочности и коррозионной стойкости.
Однако практика создания нефтегазопроводов из композиционно- волокнистых материалов столкнулась с рядом технических проблем, требующих научного изучения и исследований. К ним относятся:
низкая трещиностойкость стенок труб под действием внутреннего давления и возникающая при этом вероятность утечек транспортируемых сред с последующим разрыхлением структуры композита;
сложность обеспечения синхронности работы герметизирующих оболочек совместно со стенкой трубы из-за различных деформационных характеристик;
проницаемость транспортируемой среды через герметизирующий слой, возникающая вследствие длительного действия внутреннего давления;
явление «кессонного отслаивания» герметизирующего слоя при сбросах внутреннего давления, приводящее к разгерметизации трубопровода;
недостаточная надежность соединительных элементов.
Исследованию этих проблем, а также вопросам разработки принципов
обеспечения конструктивной надежности нефтегазопроводных систем на основе коррозионностойких композитных труб посвящена диссертационная работа и в этом заключается ее актуальность.
Связь темы диссертации с плановыми исследованиями
Работа выполнена в соответствии с научно-исследовательскими программами на 1996 - 2007 гг. и в процессе подготовки докторской диссертации выполнялись следующие темы:
на кафедре технологии машиностроения Балтийского государственного технического университета «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова (г. Санкт- Петербург):
-
- 1999 гг.: М3-06-8597 «Методология, теоретические основы, конструктивно - технологические приемы создания композитных труб»;
2000 - 2002 гг.: НТО по теме Р2-06-0504 «Исследование технологических возможностей повышения надежности и качества объектов производства из органоволокнистых и углеволокнистых композиционных материалов»;
2003 - 2004 гг.: М-06-3503 «Проблемы механики жидкости, газа и плазмы»;
на кафедре проектирования и эксплуатации магистральных газонефтепроводов Ухтинского государственного технического университета:
- 2000 гг.: 3.03.08 «Совершенствование систем сбора, подготовки и транспорта нефти и газа в условиях Европейского Севера»;
на кафедре проектирования, сооружения и эксплуатации нефтегазопроводов Находкинского инженерно-экономического института:
2006 - 2007 гг.: «Разработка принципов обеспечения конструктивной надежности нефтегазопроводов на основе коррозионностойких композитных труб».
Работа базировалась на результатах, полученных в трудах известных отечественных и зарубежных ученых.
Большой вклад в теорию разработки композиционно-волокнистых материалов и технологий создания из них конструкций внесли такие ученые, как Абибов А.Л., Аванесов В.А., Азиков Н.С., Болотин В.В., Буслаев В.Ф., Буланов И.М., Бунаков В.А., Ван Фо Фы Г.А., Васильев В.В., Вдовенко В.Л., Воробей В.В., Грове К.С., Елпатьевский А.Н., Калинчев В.А., Кинлок А. Дж., Колгадин В.А., Копнов В.А., Куртис П.Т., Макаров М.С., Мэттьюз Ф.Л., Образцов И.Ф., Обухов А.С., Перминов В.П., Пратт П.Л., Протасов В.Д., Росато Д.В., Роулинг Р.Д., Скудра А.М., Смыслов В.И., Тамуж В.П., Тарнопольский Ю.М., Цай Е.В., Цыплаков О.Г., Ходжкинсон Дж.М., Юдин В.М. и другие.
Цель работы — разработка принципов обеспечения конструктивной надежности нефтегазопроводных систем на основе коррозионностойких труб.
Основные задачи исследований:
Исследование возможных путей обеспечения конструктивной надежности нефтегазопроводных композиционных труб.
Формирование методологического комплекса для проведения исследований композиционных труб на герметичность.
Исследование механизма нарушения сплошности композиционной стенки трубы под действием внутреннего давления.
Исследование процессов проницаемости через герметизирующий слой стенки композиционной трубы под действием внутреннего давления.
Конструктивно-технологические принципы обеспечения надежности нефтегазопроводных транспортных систем при использовании композиционных труб.
Обоснование технико-экономической целесообразности разработанных мероприятий.
Объекты исследований - трубные конструкции композиционно- волокнистых систем для использования при транспортировке коррозионно- агрессивных нефтегазовых составов под высокими давлениями.
Методы исследования: системный анализ в сочетании с комплексным подходом, структурно-имитационное моделирование и экспериментальная апробация конструктивно-технологических решений и концепций. В работе использовались положения и методы: теории усталости и разрушения композиционных материалов, механики жидкостей и газа, теорий проницаемости и диффузии, технологии машиностроения.
Научная новизна:
Разработана физико-математическая модель процессов трещино- образования в структуре композиционной стенки трубы, отличающаяся тем, что стенка КВМ-трубы рассматривается как пучок прямых трансверсальных параллельных друг другу капилляров и представляет собой пористую среду.
Впервые установлено, что оптимальная величина объемного содержания волокон, обеспечивающая минимальные значения коэффициентов проницаемости и диффузии композитного материала, составляет 70%.
Впервые показано, что механизм «кессонного отслаивания» по методу гипотетического моделирования имеет комплексную природу Sd = f ( Jd , AD, AFic, 1Н, Fp) и зависит от энергии высвобождения Jd
диффундировавшего газа, величины квазиупругих колебаний AD каркаса слоев, разности их упругостей AFic, интенсивности набухания 1Н структуры и разновекторности сил разрежения Fp в разных слоях композиции.
Впервые установлены зависимость и пределы пропорционального снижения проницаемости стенок композитных труб с ростом внутреннего давления, возникающие в результате имеющего место облитерационного эффекта сужения каналов фильтрации.
Установлена зависимость снижения предела трещиностойкости композитной трубы от числа циклов внутреннего нагружения при насыщении напряженного композита твердеющим анаэробным герметиком.
Впервые экспериментально установлено, что скорость потока в спирально- рифленом канале композитной трубы устойчиво превышает то же значение в гладком эластомерном канале на величину до 5% при относительной погрешности измерений не более ± 0,5%.
Практическая ценность.
Предложены новые материаловедческие и конструктивно-технологические принципы повышения герметичности стеклопластиковых труб.
Установлено явление «кессонного отслаивания» внутреннего герметизирующего слоя композитной трубы при резком сбросе давления эксплуатационной среды и разработана конструкция рифленого герметизирующего слоя, предотвращающего его разрушение при колебаниях давления.
Разработаны конструкции стеклопластиковых труб с повышенными герметичными свойствами:
базовая конструкция с рифленым герметизирующим слоем (патент РФ № 2117206);
конструкции многослойной стеклопластиковой трубы и трубопровода (патенты РФ № 2117205 и № 2183784).
Разработана конструкция многоканального стеклопластикового трубопровода, позволяющая улучшить характеристики герметичности, повысить пропускную способность и функциональность трубопровода (патент РФ № 2140605).
Разработана конструкция устройства соединения стеклопластиковых труб (патент РФ № 2191947).
Предложена конструкция стеклопластиковой трубы с анаэробной технологией герметизации каналов проницания.
Обоснована технико-экономическая целесообразность использования стеклопластиковых труб в нефтегазовой промышленности.
Защищаемые положения:
Физико-математические модели процессов трещинообразования композиционных стенок труб и их проницаемости.
Модели (гипотезы) возникновения процессов вздутия («кессонного отслаивания») внутренних герметизирующих слоев труб из композиционно- волокнистых материалов.
Концептуальные решения проблемы обеспечения герметичности композиционных труб нефтегазового назначения.
Базовая конструкция композиционной трубы нефтегазового назначения с внутренним рифленым герметизирующим слоем, а также конструкции многослойной трубы и с анаэробной технологией герметизации.
Конструктивно-технологические принципы создания многоканальных трубопроводов из композиционно-волокнистых материалов для транспортировки нефтегазосодержащих сред под высокими давлениями.
Конструкция устройства для соединения композиционных труб.
7. Технико-экономическое обоснование целесообразности применения стеклопластиковых труб в нефтегазовой промышленности.
Апробация работы. Материалы, отдельные положения и результаты диссертационной работы докладывались на Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии НМТ - 98» (г. Москва, 1998), на Второй региональной научно-технической конференции «Актуальные проблемы геологии нефти и газа» (г. Ухта, 1999), на Международной научно-технической конференции «Композиционные строительные материалы» (г. Пенза, 2000), на Межрегиональной научно-технической конференции «Проблемы добычи, подготовки и транспорта нефти и газа» (г. Ухта, 2000), на ежегодных Всероссийских научно-технических конференциях «Перспективные материалы, технологии, конструкции» (г. Красноярск, 1999 - 2001), на V Международной научной конференции «Биосфера и человек - проблемы взаимодействия» (г. Пенза, 2001), на Всероссийских научно-технических конференциях «Аэрокосмическая техника и высокие технологии» (г. Пермь, 2001, 2002), на Международной научно-практической конференции «Энергосберегающие технологии Прииртышья» (г. Павлодар, 2001), на II Международной научной конференции творческой молодежи (Хабаровск, 2001), на Международных научно-технических конференциях «Наука - Техника - Технологии» (г. Находка, 2001, 2002), на Всероссийском симпозиуме «Химия: фундаментальные и прикладные исследования, образование» (г. Хабаровск, 2002), на Международной научно-технической конференции «Наука и Образование - 2007» (г. Мурманск, 2007), на Международной научно-практической конференции «Современные технологии - ключевое звено в возрождение отечественного авиастроения» (г. Казань, 2008), на Международной научно-технической конференции «Современное материаловедение и нанотехнологии» (Комсомольск-на-Амуре, 2010), на научно-технической конференции (Ухта, 2010), на XIII-ой международной научно-технической Интернет-конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении» (Брянск, 2011), объединенном научном семинаре кафедр ПЭМГ, МОН, РЭНГМ, ГНГ, ЭАТП Ухтинского государственного технического университета (2005, 2007), на научном семинаре кафедры ПСЭН филиала Дальневосточного государственного технического университета в г. Находке (2006), на научных семинарах в Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета (г. Комсомольск-на-Амуре, 2009, 2010).
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 2 монографиях и 54 печатных работах (в том числе 16 в изданиях, рекомендованных ВАК).
Оригинальность полученных в ходе работы над диссертацией разработок подтверждены 5 патентами РФ на изобретения.
Структура и объем работы. Представляемая работа состоит из введения, 7 глав, заключения, библиографического списка, включающего 204 наименования, и приложений. Объем работы составляет 315 страниц основного текста, в том числе 97 рисунков и 32 таблицы.
Агрессивность нефтегазовых и грунтовых сред
Основная проблема стальных труб, применяемых в нефтегазовой промышленности, - это коррозия. Причиной коррозии является содержание в жидких и газообразных средах на нефтегазовых месторождениях таких веществ, как сероводород, диоксид углерода, соленая вода, диоксид серы, различные кислоты. Коррозионные процессы создают постоянную потребность либо в замене стальных труб, либо в их ремонте, либо в использовании различных методов защиты от коррозии. Материальные убытки от коррозии в промышленно развитых странах составляют несколько процентов национального валового продукта и постоянно увеличиваются не только из-за высокой стоимости капитального ремонта, но и больших затрат, связанных с обеспечением экологической безопасности. Косвенные потери от коррозии трудно поддаются точной оценке и нередко превышают убытки от прямых потерь. Так, коррозионное разрушение нефтепроводов приводит не только к потере сырья, но и к огромным материальным затратам, обусловленных простоем многочисленных промышленных предприятий, загрязнением окружающей среды.
Объем добычи нефти в России стабильно высок. Нефтяные месторождения согласно данным Счетной палаты РФ расположены в 40 субъектах РФ. Доля России в мировой добычи нефти по разным источникам составляет от 7 до 12 %. Наибольшие из них сосредоточены в Западной Сибири - 69 %, Урало-Поволжье - 17 %, на Европейском Севере - 7,8 % и Восточной Сибири - 3,6 %. Основные разведанные запасы нефти расположены в Уральском федеральном округе (66,7 %). Степень выработанности разведанных запасов нефти наиболее высокая в Южном федеральном округе - 83 %, а также в Приволжском - 71 %, Уральском - 45 % и Северо-Западном - 44 % округах. Доминирующее положение занимает Ханты-Мансийский автономный округ, в котором сконцентрировано более 50 % запасов нефти. В настоящее время в России открыто около 2500 нефтесодержащих месторождений, в том числе около 2000 нефтяных, 200 газонефтяных и 300 нефтегазоконденсатных. Из открытых месторождений более 1200 вовлечены в разработку, на которых сосредоточено 53,3 % общероссийских запасов нефти. В настоящее время уровень объемов добычи нефти составляет около 500 млн. тонн в год. Практически вся добываемая нефть транспортируется по трубопроводным системам, большинство которых состоят из труб, изготовленных из металлических материалов, подверженных различным видам коррозии: почвенной, атмосферной, морской, высокотемпературной и т.д. Это касается практически всех видов трубопроводных транспортных систем, используемых в нефтяной, газовой, химической промышленностях, в системах водоснабжения и канализации и т.д. Самые большие затраты вследствие коррозионных разрушений, приводящих к аварийным ситуациям, несут нефтяная и газовая промышленности. Трубопроводные системы сбора нефти и попутного газа по условиям их эксплуатации согласно Федеральному закону от 21.07.97 № 116-ФЗ «О промышленной эксплуатации производственных объектов» отнесены к категории опасных промышленных объектов.
Опыт эксплуатации трубопроводов и резервуаров сбора нефти показывает, что наиболее опасными видами разрушения являются канавочное коррозионно-механическое разрушение и коррозионная усталость. К примеру, в Западной Сибири, являющейся наиболее опасной с точки зрения коррозионных процессов, для нефтесборных трубопроводов большого диаметра характерны коррозионные разрушения в форме протяженных канавок, расположенных строго по нижней образующей труб. В начальной стадии разрушение представляет собой следующие друг за другом язвенные углубления, которые в последующем сливаются в непрерывную канавку шириной 20 +- 60 мм и длиной 5 + 20 м. Скорость коррозии может достигать 5 + 8 мм/год. Защита нефтепромысловых трубопроводов от канавочной (ручейковой) коррозии, вызванной взаимодействием металла трубы и перекачиваемой коррозионно-активной среды, является актуальной в настоящее время во многих регионах России. С увеличением срока эксплуатации месторождений возрастает объем добываемой минерализованной воды, закачанной в пласт для поддержания пластового давления. При этом возрастает опасность внутренней коррозии трубопроводов, резервуаров и другого оборудования. Причем разрушение ряда трубопроводных систем происходит в срок менее одного года после их ввода в эксплуатацию. Кроме того, указанные металлоконструкции эксплуатируются под воздействием механических напряжений, включая циклические, ускоряющих коррозионное и коррозионно-механическое разрушение металла.
Действительно, как показывает статистика, в настоящее время 90 % аварий на трубопроводах происходят вследствие коррозионных разрушений материала труб. К примеру, ООО «Севергазпром» в единой системе газопроводов РФ эксплуатирует 8357 км подземных газопроводов диаметром 720- -1420 мм, рассчитанных на проектное давление от 4,5 до 7,5 МПа [116]. По имеющимся сведениям [43] за период с 1981 по 2002 гг. на магистральных газопроводах произошла 71 авария, более 60 % из которых были квалифицированы как коррозионное растрескивание под напряжением (КРН, или стресс-коррозия).
Относительная частота отказов для газопроводов России, связанных с коррозионными явлениями, составляет в среднем 29 % от общего числа [22] (для сравнения: в США - около 30 %; в Западной Европе - примерно 15 %). Подобные отказы в 30 % случаев возникают в результате наиболее опасных стресс-коррозионных повреждений магистральных газопроводов, поэтому актуальна работа по их своевременной диагностике с помощью специальных внутритрубных дефектоскопов.
На нефтепроводах, не прошедших обследования и не подвергавшихся выборочному ремонту, среднее число аварий и отказов из-за коррозии за последние 15 лет составило 0,74 на 1 км в год [22]. Около 35 % нефтепроводов практически не защищены от коррозии из-за значительной потери свойств покрытий. И как следствие этого - более 10 тыс. участков труб имеют коррозионные нарушения до 50 % от толщины их стенки. Такое положение может послужить причиной крупных аварий и техногенных катастроф.
Особенно неблагополучно обстоят дела на нефтепромысловых трубопроводах. Там ежедневно (!) происходит 75 + 80 порывов, из них более 50 -на коллекторах, причем более 90 % этих аварий связано с внутренней коррозией. За последние годы условия эксплуатации промысловых трубопроводов (особенно в Западной Сибири) осложнились в связи с обводнением месторождений и резким увеличением концентрации коррозионно-активных веществ в пластовой воде. В результате срок эксплуатации нефтепроводов и водоводов существенно сократился.
С подобными проблемами сталкиваются во всем мире. Например, по данным экспертов, ежегодные потери американской нефтегазовой индустрии от коррозии оборудования, и, в первую очередь, трубопроводов, составляют примерно 13,4 млрд. долларов [47].
В состав нефти, которая классифицируется как легкая (плотность 0,65 + 0,87 г/см3), средняя (0,871 + 0,910 г/см3) и тяжелая (0,910 + 1,05 г/см3), входит свыше 1000 органических веществ, содержащих 83 + 87 % углерода, 12+14 % водорода, 0,5 + 6,0 % серы, 0,02 +1,7 % азота и 0,005 + 3,6 % кислорода и незначительную примесь минеральных соединений; зольность нефти не превышает ОД %.
Основные характеристики нефти представлены в таблице 1.1.
Факторы, влияющие на разрушение композиционно-волокнистых материалов
Как уже было отмечено выше, композиционно-волокнистые материалы по многим своим характеристикам превосходят металлы. То же самое можно сказать и об усталостных свойствах, которые представлены на рисунке 2.1.
Анализ показывает, помимо того, что удельное сопротивление стеклопластика превышает удельные сопротивления металлов в исходном состоянии, т.е. в изделии, не прошедшем этапы нагружения, это же положение сохраняется и при циклических многократных нагружениях. Причем, как видно из графиков, удельное сопротивление у металлов падает значительно быстрее, чем у стеклопластика (в исходном состоянии удельное сопротивление стеклопластика составляет 725 МПа см3/г, после 104 циклов нагружения оно становится равным 400 МПа см /г, таким образом, удельное сопротивление стеклопластика упало в 1,8 раза; у стали этот же показатель равен 6; у алюминия - 12; у титана - 2,7). Очевидно преимущество композиционных материалов перед металлами и сплавами.
Процесс усталостного разрушения КВМ можно представить следующим образом: вначале происходит возникновение первичной усталостной трещины, далее трещина растет до критической величины, вызывая лавинное разрушение изделия (большие скорости развития трещин при растяжении отмечены в работах [72, 73]) при создании в нем критического значения напряжения. В целом долговечность образца (изделия) определяется фактически первой стадией (т.е. стадией образования первичной трещины). Первичная трещина образуется, как правило, в месте структурного дефекта материала, который может быть «врожденным», т.е. возникший в результате несовершенства технологии изготовления (расслоения, непроклеи, включения посторонних частиц и т.д.), или «зарожденным» в изначально бездефектном материале. Образованию таких дефектов и трещин предшествует «утомление» КМ при переменном нагружении. Происходящие в результате этого «утомления» структурные изменения накапливаются во всем объеме материала в виде ассоциаций и дислокационных цепочечных скоплений (дефектов второго рода). При некоторых линейных размерах дислокационные цепочки получают, как известно, винтообразную закрутку. Внутри этих винтовых дислокаций возникают структурные полости, представляющие собой объемные зародыши нанопустот, «застрявших» на линиях скольжения и прекративших трансляционное перемещение. Линейные размеры этих зародышевых дефектов склонны к подрастанию за счет случайных столкновений и слияний с подвижными винтовыми дислокациями, которые непрерывно и хаотично воспроизводятся структурой под воздействием внешних силовых воздействий. Этот процесс сопровождается ростом концентрации напряжений по краям ассоциированных объемно-линейных дефектов вплоть до разрыва здесь кристаллических связей. При этом возникает скачкообразное увеличение линейного размера структурно-полостного дефекта от нано- до микрозначения, вызывая на этом этапе образование микротрещин, имеющих, как показывают эксперименты, квазирегулярное расположение, приводящее к потере герметичности изделия.
Проведенные в работе эксперименты подтвердили, что между циклической деформативностью стеклопластика и деформацией в точке перегиба на статической кривой «напряжение - деформация» (п. 2.2, рис.2.7), снятой при одноименной деформации, существует определенная корреляция, указывающая на то, что начало разрушения в условиях циклического нагружения связано с нарушением сплошности материала, как и при статическом нагружении. Нарушение сплошности в виде микро- и макротрещин в режиме циклического нагружения приводит к интенсивному разогреву материала (рис. 2.2), снижению его прочности, и, в конечном счете, - к разрушению.
Однако следует отметить, что образовавшиеся при статическом нагружении трещины, приводящие к потере герметичности композиционно-волокнистого материала, не снижают заметно его прочность, как это может произойти при циклических нагружениях. Вероятно, это объясняется тем, что под действием переменной нагрузки в деформируемом объеме резко возрастает диссипация энергии, вызывающая быстрое нагревание и разрушение. При статическом же характере нагружения подобное нарушение сплошности стеклопластика после достижения предельного напряжения не может вызвать катастрофического разрушения, поскольку разогрев за счет диссипации энергии в этом случае незначителен. Таким образом, можно сказать, что усталостная прочность композиционно-волокнистого материала практически не зависит от запаса статической прочности за пределами точки перегиба на кривой «напряжение - деформация». Иначе говоря, для того, чтобы увеличить усталостную прочность стеклопластика, подверженного циклическому нагружению, необходимо в первую очередь повышать трещиностойкость, так как его прочность после начала процесса трещинообразования не оказывает существенно положительного влияния на работоспособность материала. Исследования, проведенные в [191] показали, что после 10б циклов нагружения допустимая деформация составляет лишь около 0,12 %, т.е. очень малую долю от предела прочности стеклопластика. И если в качестве конструкционного критерия в условиях усталости принять недопустимость трещинообразования, то это будет слишком жестким ограничением для изделий из композиционно-волокнистых материалов.
Исключить частично процессы трещинообразования можно при использовании более податливой или вязкой смолы, т.е. смолы с большей деформацией разрушения. В работе [194] авторы использовали полиэфирную смолу широкого применения, а для увеличения деформации разрушения добавляли пластификаторы - полипропиленадипат и полипропиленмалеат в стироле. Основная смола обладала деформацией разрушения, равной 1,5 %, а при добавлении 50 % указанного пластификатора ее предельная деформация увеличивалась на 60 % - до значений 2,4 %. Однако при проведении усталостных испытаний в композитах наблюдалось как расслаивание, так и растрескивание смолы независимо от количества добавленного пластификатора. Результаты исследований показали, что величина сопротивления развитию трещины при деформациях фактически не изменяется при добавлении пластификатора. Они показали также, что при циклическом нагружении с постоянной амплитудой коэффициента интенсивности напряжений скорость роста трещины остается постоянной вплоть до добавления 30 % пластичной смолы и растет почти на порядок при добавлении 50 % пластичной смолы.
Проведенные исследования в работе [192] показали, что начало расслаивания, охватывающие практически все поперечные волокна уже на ранней стадии усталостных испытаний, почти не снижает прочности. При монотонном растяжении до 30 % от предела прочности возникает незначительное расслоение, в то время как после этого уровня напряжений количество расслоений резко растет вплоть до напряжений около 70 % от предела прочности, после чего процесс расслаивания становится близким к насыщению. Однако дальнейшие повреждения в виде растрескивания смолы, происходящие путем медленного продвижения расслаивания по поверхности раздела слоев и последующего распространения на область между продольными волокнами, снижают прочность, следуя квадратичной зависимости от отношения числа циклов —, т.е. числа прошедших циклов к ожидаемому числу циклов до разрушения (рис. 2.3, [62]).
Принцип снижения доли армирующих волокон
Как показывают исследования, преимущественное разрушение КВМ происходит в зоне адгезионных сил, т.е. в зонах сопряжения «волокно -связующее». В этом случае волокна в структуре КВМ являются концентраторами напряжений. Трещины в связующем, как уже было указано выше, располагаются в направлении, перпендикулярном действию нагрузки. Таким образом, в начальный момент с ростом объемного содержания волокон растут и концентрации напряжений, что приводит к увеличению количества дефектов (дефектных зон) от которых развиваются трещины, что и вызывает увеличение коэффициентов диффузии и проницаемости.
Это положение подтверждается проведенными исследованиями и иллюстрируется на рис. 4.9. а, б.
Далее количество этих трещин изменяется незначительно (участок графика в пределах 0,4 - 0,5 объемного содержания волокон), т.е. среднее число дефектов одинаково, поэтому график приобретает практически прямолинейный характер. С дальнейшим увеличением объемного содержания волокон, магистральные размеры трещин увеличиваются, т.е. они становятся длиннее, т.к. развиваясь, трещина огибает волокна, приобретая тем самым извилистую форму (в отличие от начальной фазы, когда количество волокон мало и трещина имеет практически прямолинейную траекторию (рис. 4.10) и сразу выходит на поверхность).
Исследования проводились на образцах 6 видов диаметром 120 мм с содержанием волокон 30% (рис. 4.11, поз.1), 40 % (поз.2), 50 % (поз. 3), 60 % (поз.4), 70 % (поз.5), 80 % (поз.6) методом накопления при атмосферном давлении и методом щупа, изложенными в разделе 3.3. Каждая точка на графике соответствует среднему значению величин, полученных по результатам трех измерений.
При приложении нагрузки эти трещины смыкаются за счет сдвига волокон и, таким образом, блокируется процесс проницания, что приводит к снижению коэффициентов диффузии и проницаемости. И как видно на графике, наименьшего значения эти параметры достигают при 70%-ном объемном содержании волокон.
При последующем увеличении объемного содержания волокон уменьшается объемное содержание связующего, в связи с этим падает эластичность материала в направлении перпендикулярном действию нагрузки, вследствие этого, увеличивается количество трещин, и растут коэффициенты диффузии и проницаемости. А на последнем участке, когда объемное содержание волокон больше 0,8, снижение процессов проницаемости происходит за счет эффекта «пожарного рукава», или облитерации, заключающегося в насыщении и набухании стенок, что приводит к закупориванию части каналов фильтрации за счет поверхностных сил смачивания. Это явление впервые отмечено автором в процессе исследований, связанных с закономерностями зарождения и динамики развития трещиноватости в композиционно-волокнистых средах под влиянием нагрузочных эксплуатационных факторов.
Графики, представленные на рисунке 4.12, показывают изменения деформаций разгерметизации при кратковременных и длительных нагружениях стеклопластиковой трубы в зависимости от объемного содержания волокон. Уменьшение величины деформации разгерметизации с ростом объемного содержания волокон и в том и в другом случаях объясняется снижением эластичности композиционной стенки, что приводит к раннему возникновению трещин в структуре материала стенки.
Однако связано это с тем, что с ростом объемного содержания волокон снижается содержание связующего в материале, т.е. толщина ее прослоек, чем и вызвано уменьшение поперечных размеров трещин. А одновременно с этим наблюдается рост их густоты, что и приводит в итоге к увеличению проницаемости стенки.
Как показали исследования, время потери сплошности (нарушения герметичности материала) в зависимости от объемного содержания волокон в материале стенки трубы (рис. 4.14), является отражением графиков, представленных на рисунке 4.9.
Некоторый интерес представляет участок кривой с объемным содержанием волокон более 80 %. Как видно из рисунка, время потери сплошности на этом участке незначительно возрастает. Объясняется это тем, что потеря герметичности происходит при этом стремительно, но как было продемонстрировано выше, впоследствии процессы диффузии и проницаемости затухают за счет эффекта «пожарного рукава», или набухания.
Анализируя вышесказанное, а также известное условие монолитности (2.1), можно предположить, что предел трещинообразования может быть повышен за счет увеличения прослоек связующего, т.е. уменьшения объемной доли армирующих волокон [144]. Это приводит к образованию гомогенного поля КМ (рис. 4.15), что может повлечь за собой резкое снижение прочностных свойств композиции, максимальные значения которых достигаются при определенном оптимальном соотношении арматуры и связующего (содержание связующего обычно колеблется от 20 до 30% [114, 126]).
Поэтому целесообразнее в этом случае использовать крученые нити, позволяющие получить гетерогенную структуру стенки (рис. 4.16), обладающей высоким порогом трещинообразования и достаточными прочностными свойствами.
Все вышеизложенные концепции материаловедческого подхода являются приемлемыми при решениях проблем герметичности стенок различных конструкций из КМ, но могут оказаться недостаточно эффективными для труб, работающих под высокими давлениями, особенно нефтегазового назначения. Однако в качестве перспективных методов можно рекомендовать реализацию принципов эластичного связующего, неравновесной спирально-перекрестной намотки и крученых нитей, как наиболее доступные, простые и относительно недорогие с технологической точки зрения. Остальные способы пока недостаточно апробированы и относительно дороги, что может сказаться на стоимости конечного изделия.
В связи с этим, в ряде случаев целесообразнее использование способов, основанных на непосредственной герметизации каналов проницания, т.е. введением дополнительных конструктивно-технологических средств защиты в конструкцию композиционно-волокнистых труб.
Эксплуатационные показатели
В общем случае пропускная способность, определяемая расходом транспортируемой среды Q, зависит от множества различных конструктивно-технологических и эксплуатационных параметров [138, 142] где Р - внутреннее (рабочее) давление в трубопроводе; X - коэффициент гидравлического сопротивления; /л - вязкость транспортируемой среды; Т -температура; S - площадь поперечного сечения трубопровода; L - длина трубопровода.
Каждый из рассматриваемых параметров, в свою очередь, может являться функцией совокупности целого ряда различных факторов. В связи с этим, при решении проблемы повышения пропускной способности трубопроводов необходимо изучить влияние каждого из представленных параметров в отдельности и в сочетании, т.е. методом исследований является системный анализ.
А. Влияние рабочего давления на пропускную способность трубопровода.
Основным и наиболее эффективным путем повышения пропускной способности трубопроводов является увеличение рабочего давления транспортируемой среды. Однако из теории прочности известно, что это вызывает рост толщины стенки трубопровода, приводящий в свою очередь:
к повышению массы, а следовательно, удорожанию трубопровода;
к росту транспортных и монтажных затрат;
как итог, к снижению экономической эффективности.
Как уже отмечалось, использование в этом случае высокопрочных композиционно-волокнистых материалов (табл. 7.4) позволит не только повысить рабочее давление, но и в целом повысить эффективность функционирования трубопровода за счет более высоких физико-механических свойств материала.
Б. Влияние коэффициента гидравлического сопротивления на пропускную способность трубопровода.
Увеличения пропускной способности трубопровода можно достичь за счет понижения различными путями коэффициента гидравлического сопротивления:
улучшение качества внутренней поверхности металлического трубопровода (снижение шероховатости) = удорожание технологических процессов производства, удлинение цикла производства изделия, увеличение материалоемкости и трудоемкости = рост затрат на производство := снижение экономической эффективности;
увеличение диаметра трубопровода = увеличение толщины стенки = рост массы трубопровода = повышение стоимости и затрат на монтаж = снижение экономической эффективности;
понижение коэффициента кинематической вязкости путем подогрева транспортируемой среды = дополнительные затраты;
увеличение скорости движения транспортируемой среды = увеличение диаметра трубопровода или уменьшение внутренней шероховатости = повышение стоимости трубопровода и транспортировки;
прокладка лупингов = дополнительные затраты;
футеровка внутренней поверхности трубопровода путем:
а) создания пограничного слоя между транспортируемой средой и стенкой трубопровода;
б) использования полимерных рукавов, в частности из полиэтилена.
Анализ этих методов показывает, что наиболее эффективным направле нием является использование труб из композиционно-волокнистых материа лов, которые, обладая высокой чистотой поверхности и инактивностью к отложениям солей, позволяют понизить гидравлические потери в среднем на 3 -5%. Кроме этого, возникающие в стальных трубопроводах парафиновые отложения требуют систематического проведения работа по очистке трубных каналов с помощью скребков, что связано с циклически-периодическим снижением добычи нефти. В случае использования стеклопластиковых труб подобных проблем можно избежать.
В. Влияние вязкости транспортируемой среды на пропускную способность.
Вязкость связана с возникновением сил трения между слоями жидкости или газа, перемещающимися параллельно друг другу с различными скоростями. Уменьшение коэффициента вязкости транспортируемой среды позволяет повысить пропускную способность трубопровода.
С уменьшением температуры газовая среда переходит в сжиженное состояние, способствуя тем самым увеличению пропускной способности газопровода. Наиболее распространенный промышленный метод перевода газовой фазы в жидкое состояние - дросселирование.
Пути понижения вязкости транспортируемых нефтепродуктов более обширны: подогрев, перекачка высоковязких нефтей с разбавителями, гидротранспорт вязких нефтей, применение теплоизоляции, подземная укладка трубопровода, что позволяет уменьшить толщину теплоизоляционного покрытия, вспенивание транспортируемой среды добавлением газовой фазы, термообработка нефтей, капсулирование высоковязких нефтей.
Использование композиционно-волокнистых материалов, обладающих пониженным коэффициентом теплопроводности, позволит уменьшить, а в ряде случаев и избежать дополнительных затрат на использование теплоизоляционных покрытий при прокладке таких трубопроводов.
Г. Влияние площади поперечного сечения трубопровода на пропускную способность.
При исследовании влияния диаметра на пропускную способность трубопровода необходим комплексный подход к решению проблемы, в связи с тем, что увеличение площади поперечного сечения трубопровода оказывает двоякое влияние.
С одной стороны с увеличением диаметра растет массовый расход, понижается коэффициент гидравлического сопротивления, что ведет к повышению эффективности транспортировки.
С другой стороны увеличение площади поперечного сечения приводит к утолщению стенки трубопровода, вызывающей рост массы трубопровода, т.е. уменьшение коэффициента массового совершенства, а следовательно, и повышение расходов на строительство, монтаж, транспортировку и т.д. С этой точки зрения, использование более высокопрочных материалов, в частности стеклопластиков, позволит в значительной степени повысить экономическую эффективность трубопроводов.
Д. Влияние длины трубопровода на пропускную способность.
Для выбора экономически выгодного варианта перекачки можно воспользоваться следующей формулой где С - себестоимость перекачки; Q — пропускная способность; L — длина трубопровода.
Е. Комплексный анализ
При выборе наиболее эффективного варианта трубопровода необходимо провести исследования по всем показателям, входящим в следующую систему уравнений
