труба для транспортирования агрессивной среды под высоким давлением

Формула изобретения

1. Труба для транспортирования агрессивной среды под высоким давлением, содержащая силовую оболочку из композиционно-волокнистого материала и скрепленную с ней внутреннюю герметизирующую оболочку, отличающаяся тем, что герметизирующая оболочка выполнена из тонковолокнистого упругого материала с системой продольных радиальных складок, образующих ребра жесткости, обращенные внутрь трубы, причем внутренние поверхности складок состыкованы с возможностью при тангенциальной деформации силовой оболочки расходиться у основания ребра, образуя двугранный угол.

2. Труба по п.1, отличающаяся тем, что ребристая герметизирующая оболочка выполнена из металлических полос с отбортованными продольными кромками, состыкованных по окружности и скрепленных в вершинах сомкнутых отбортовок с возможностью обеспечения непроницаемости соединения для транспортируемой среды.

3. Труба по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что между силовой оболочкой из композиционно-волокнистого материала и ребристой герметизирующей оболочкой имеется прослойка из эластичного резиноподобного материала.

4. Труба по пп.1 - 3, отличающаяся тем, что ребра герметизирующей оболочки имеют спирально-винтовую форму с постоянным углом спирали.

5. Труба по пп.1 - 4, отличающаяся тем, что ручьи между ребрами герметизирующей оболочки заполнены эрозионно и/или химически стойким к транспортируемой среде эластичным материалом, образующим по крайней мере с цилиндрической поверхностью ручьев прочную адгезионную связь.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области трубопроводного транспорта, в частности магистральных нефте-, газопроводов, а также трубопроводов химических, металлургических и целлюлозно-бумажных производств.

Распространенной конструкцией труб для транспортирования агрессивной среды под высоким давлением являются металлические трубы из высокопрочных коррозионностойких сталей аустенитного или ферритного класса [1], а также трубы из углеродистых сталей, футерованные специальной коррозионностойкой пластмассой или резиной [2].

Однако стальные трубы имеют повышенную коррозию в условиях напряженного состояния, обусловленного высоким давлением транспортируемой агрессивной среды, из-за чего сроки безаварийной эксплуатации их не превышают нескольких лет, после чего возникает реальная угроза крупномасштабной аварии с серьезными экологическими последствиями. Изотропность механических свойств сталей не позволяет иметь равнопрочную конструкцию трубы и рационально использовать конструкционный материал, что в сочетании с высокой плотностью сталей делает эти трубы очень тяжелыми. Большегрузность стальных труб создает проблему и требует значительных затрат на транспортировку, монтажи и демонтажи трубопроводов.

Известна конструкция бислойной стеклопластиковой трубы для транспортирования агрессивных сред под высоким давлением, выбранная в качестве прототипа, содержащая силовую оболочку из высокопрочного стеклопластика и скрепленную с ней внутреннюю герметизирующую оболочку из эластичного полимерного материала, например полиэтилена высокой плотности [3], не имеющая недостатков, присущих стальным трубам.

Недостатком известной конструкции является способность агрессивных компонентов транспортируемой среды под высоким давлением диффундировать в герметизирующий слой полимерного эластичного материала, вызывая диффузионную или фазовую проницаемость газообразных веществ через бислойную стенку трубы. В результате возникают экологические проблемы, а также явления "кессонной болезни" при остановке трубопроводного транспорта по причине аварийной ситуации или профилактического ремонта, когда герметизирующий слой при сбросе внутреннего давления в трубопроводе вспучивается и отслаивается от силовой стенки под действием растворенных в нем газов.

Изобретение направлено на предотвращение проницаемости газообразных элементов транспортируемой агрессивной среды под высоким давлением, а также отслоения и разрушения герметизирующей оболочки бислойной непроницаемости трубы при сбросе внутреннего давления транспортируемой среды.

Это достигается тем, что герметизирующая оболочка трубы из композиционно-волокнистого материала, в частности стеклопластика, выполнена из тонковолокнистого гибкого упругого непроницаемого для транспортируемой под высоким давлением агрессивной среды материала, в частности из тонколистовой стали, проницаемость которой, как известно, на два порядка ниже, чем у всех известных полимерных материалов. Для предотвращения разрыва от тангенциальных напряжений или отслоения от силовой стенки тонколистовой упругой герметизирующей оболочки, упругая деформация которой при разрыве меньше упругой деформации композиционно-волокнистой оболочки трубы, тонколистовая герметизирующая оболочка выполнена с системой продольных радиальных складок, образующих ребра жесткости, обращенные внутрь трубы. При этом состыкованные поверхности складок не скреплены между собой и имеют возможность расходиться в тангенциальном направлении, придавая ребрам остроугольный профиль. Таким образом, герметизирующая оболочка оказывается при действии внутреннего давления транспортируемой среды не нагруженной, адаптированно отслеживающей радиальную деформацию силовой оболочки трубы. В случае использования в качестве герметизирующей оболочки тонколистового полимерного материала, например полиэтилена, последний при действии внутреннего давления транспортируемой среды, не испытывая плоского двухосного растяжения, не претерпевает надмолекулярно-структурной перестройки, приводящей к разуплотнению полимерного материала и образованию каналов проницаемости в нем. Благодаря этому непроницаемость полимерной герметизирующей оболочки трубы существенно повышается.

Для полного разгружения герметизирующей оболочки при нагружении бислойной трубы внутренним давлением, а также для компенсации термоупругих напряжений, возникающих из-за разности коэффициентов линейного термического расширения материалов силовой и герметизирующей оболочек, между силовой и герметизирующей оболочками может быть введена прослойка эластичного резиноподобного полимера.

Для повышения радиальной прочности скрепления герметизирующей и силовой оболочек при сбросе внутреннего давления транспортируемой среды ребра герметизирующей оболочки могут быть выполнены спирально-винтовыми с постоянным углом спирали. При этом исключается образование устойчивых зон скопления агрессивных газов в верхней части трубы и твердых фракций в донной части трубы, т. е. имеет место гомогенизация трубопроводного тракта и транспортируемой среды.

Для защиты герметизирующей оболочки от эрозионного или/и химического воздействия транспортируемой агрессивной среды ручьи, образованные между радиальными ребрами оболочки, заполнены эрозионно и/или химически стойким к транспортируемой среде эластичным материалом, способным образовывать с материалом герметизирующего слоя прочную адгезионную связь.

Для повышения технологичности трубы герметизирующая оболочка может быть выполнена из состыкованных металлических полос или лент с отбортованными продольными краями, скрепленными в вершинах сомкнутых (состыкованных) отбортовок любым известным способом, обеспечивающим непроницаемость соединения для транспортируемой среды.

На фиг. 1 представлена аксонометрическая проекция трубы для транспортирования агрессивной среды под высоким давлением; на фиг.2 - поперечное сечение трубы с компенсирующей эластичной прослойкой между силовой и герметизирующей оболочками; на фиг.3 - поперечное сечение стенки трубы с герметизирующей оболочкой, выполненной из отбортованных стальных полос, состыкованных отбортовками и скрепленных в непроницаемую оболочку; на фиг.4 - поперечное сечение трубы с герметизирующей оболочкой из отбортованных металлических полос, скрепленных в непроницаемую оболочку, ручьи между ребрами которой заполнены эрозионно и химически стойким эластичным материалом.

Позиции на фигурах обозначают: силовая оболочка из композиционно-волокнистого материала 1; герметизирующая оболочка 2; клеевое соединение 3; компенсационная прослойка эластичного резиноподобного материала 4; непроницаемое соединение вершин продольных отбортовок металлических полос 5; вкладыши из эластичного материала 6.

Труба для транспортирования агрессивной среды под высоким давлением (фиг. 1) состоит из силовой оболочки 1, выполненной из высокопрочного композиционно-волокнистого материала, например стеклопластика, и герметизирующей оболочки 2, выполненной в форме ребристой непроницаемой для транспортируемой среды цилиндрический оболочки из упругого тонколистового непроницаемого материала, преимущественно из стали или винипласта, относительное удлинение при разрыве которых меньше относительного удлинения силовой оболочки трубы под давлением транспортируемой среды.

Для снятия упругих тангенциальных напряжений в герметизирующей оболочке 3, возникающих под действием внутреннего давления, она имеет продольные радиальные складки, выполненные в виде системы продольных параллельных ребер или системы эквидистантных спирально-винтовых ребер с постоянным углом спирали. Силовая оболочка 1 и герметизирующая оболочка 2 скреплены между собой эластичным клеевым составом 3. Для повышения эффекта разгрузки герметизирующей оболочки при нагружении трубы внутренним давлением, а также для компенсации термоупругих напряжений, вызываемых разностью КТР материалов силовой и герметизирующей оболочек, приводящих к отслоению последней, может быть предусмотрена дополнительно компенсирующая прослойка 4 из эластичного резиноподобного материала (см. фиг.2).

Для повышения технологичности герметизирующей оболочки 2 труб большого диаметра (например, более 1000 мм) и большой длины (например, более 6 м) предусмотрен вариант конструкции герметизирующей ребристой оболочки 2, показанной на фиг.3, отличающийся тем, что непроницаемая цилиндрическая оболочка 2 выполнена из набора металлических полос с продольными боковыми отбортовками, состыкованными друг с другом боковыми отбортовками. В верхней части состыкованные отбортовки скреплены между собой непрерывным непроницаемым для транспортируемой среды швом 5. Шов 5 может быть сварным, или паяным, или клеевым в зависимости от свойств транспортируемой среды, материала используемых отбортованных полос, наличных технологических средств.

Для повышения износостойкости и химической стойкости непроницаемой (герметизирующей) оболочки, т.е. для увеличения сроков безаварийной эксплуатации труб, при транспортировании агрессивных или абразивных сред предусмотрен вариант защиты герметизирующей ребристой оболочки вкладышами 6 из эрозионно и/или химически стойкого эластичного материала (фиг.4).

Труба для транспортирования агрессивной среды под высоким давлением работает следующим образом.

Под действием внутреннего давления жидкой или газообразной агрессивной среды силовая оболочка 1 трубы вместе с прилегающей к ней герметизирующей оболочкой 2 начинают деформироваться, увеличиваясь в диаметре (в среднем на 1% и более). В композиционно-волокнистом материале силовой оболочки (в частности в стеклопластике) при этом образуется система трансверсальных сообщающихся между собой микротрещин. При этом силовая оболочка трубы не теряет своей прочности и жесткости и своих отличных эксплуатационных свойств, но становится проницаемой для транспортируемой среды. При этом герметизирующая оболочка 2, отслеживая изменение внутреннего диаметра силовой оболочки 1 и не теряя с ней контакта, увеличивается в тангенциальном направлении за счет раздвижения стенок складчатых радиальных ребер. Это геометрическое приращение окружной длины герметизирующей оболочки 2 в сочетании с эластичной деформацией скрепляющего клеевого соединения 3 и/или компенсирующей прослойки 4 полностью разгружают стенку оболочки 2 от растягивающих напряжений и деформаций, сохраняя таким образом ее сплошность и непроницаемость и обеспечивая высокую и длительную надежность функционирования трубы.

Применение конструкции герметизирующей оболочки 2 со спирально-винтовыми ребрами позволяет надежнее компенсировать, кроме тангенциальных, и осевые приращения размеров трубы, вызываемые внутренним давлением транспортируемой среды.

Использование эрозионно и/или химстойких вкладышей 6 позволяет гарантировать надежное и долговременное функционирование непроницаемой трубы при транспортировании абразивных и агрессивных химических сред, обеспечивая по мере необходимости периодический восстановительный ремонт трубопровода путем замены износившихся вкладышей 6, и уж в крайнем случае (при капитальном ремонте) замену герметизирующей оболочки 2. И то и другое не вызывает каких-либо серьезных технологических проблем и не требует больших затрат времени и средств. Силовая же оболочка трубы из композиционно-волокнистого материала типа эпоксидного стеклопластика способна безаварийно работать более 30 лет.

Рассмотренная конструкция непроницаемой трубы, благодаря разгруженности герметизирующей оболочки, позволяет эксплуатировать их при внутренних давлениях транспортируемой среды свыше 6 МПа при диаметрах трубопровода более 1500 - 2000 мм.