В целости и сохранности

Изучение вопроса обеспечения целостности защитных покрытий магистральных трубопроводов

В настоящее время трубопроводы изолированы от коррозии преимущественно: битумной изоляцией, различными видами лент, а также изоляцией на основе экструдированного полиэтилена, наносимого на трубу в заводских условиях [2].

На протяжении многих десятилетий битумно-мастичное покрытие являлось основным типом антикоррозионного покрытия отечественных трубопроводов. К преимуществам битумно-мастичных покрытий следует отнести их дешевизну, большой опыт применения, достаточно простую технологию нанесения, как в заводских, так и в трассовых условиях. Покрытия, выполненные путем нанесения на трубу липких полимерных лент на сегодняшний день составляют наибольший процент от всего объема изоляции (порядка 66 %). Это объясняется простотой нанесения в трассовых условиях, и как следствие, широким применением при проведении ремонтных работ. Практический опыт показывает, что фактический срок службы таких покрытий, в зависимости от условий эксплуатации, как правило, не превышает 15 лет. Основными недостатками ленточных покрытий являются низкая устойчивость к сдвигу под воздействием усадки грунта, недостаточно высокая ударная прочность покрытий, экранирование действия средств ЭХЗ под отслоившимся покрытием, а также низкая биостойкость адгезионного подслоя покрытия.

Наиболее новым видом покрытия на сегодняшний день являются заводские покрытия с внешним слоем на основе экструдированного полиэтилена. Выполняться они могут в два и три слоя, каждый из которых несет свою функцию. Данный вид покрытий полностью отвечает всем необходимым требованиям и способно обеспечить эффективную защиту трубопроводов от коррозии на продолжительный период (до 40–50 лет и более), именно поэтому в настоящее время строительство новых участков подземных трубопроводов большого диаметра производят из труб, изолированных преимущественно этим покрытием. К недостаткам таких покрытий относят малый гарантийный срок хранения на открытом воздухе и высокую стоимость (практически половины стоимости трубы). Тем ни менее при сооружении новых трубопроводов предпочтение все же отдается последнему типу покрытий, а связи с чем в рамках данной статьи будут рассмотрены вопросы обеспечения целостности покрытий на основе экструдированного полиэтилена

Как правило, повреждения покрытий связаны либо с отслоением покрытия от металла, либо с его механическим разрушением. Проблема в том, что при подземной прокладке трубопровода в течение всего времени эксплуатации на его верхнюю образующую действует активная тангенциальная нагрузка, под воздействием которой покрытие сдвигается (сползает), растягиваясь в верхней части трубы. Это приводит к растрескиванию покрытия по верхней образующей трубы или даже к его полному механическому разрушению. В то же время на боковых образующих и в нижней части трубопровода, напротив, появляются гофры и складки покрытия, которые заполняются воздухом и почвенным электролитом, что создаёт условия для ускоренного развития коррозионных процессов.

Заводские покрытия имеют в своем составе обязательный слой, который является праймером и обеспечивает высокую адгезию данного покрытия, в связи с этим риск появления дефектов на них гораздо ниже. Появляющиеся же трещины являются, как правило, одиночными, по форме клиновидными. Они зарождаются в основном на кромках заводской изоляции, растут по направлению наименьшего сопротивления. Методы предотвращения их появления сводятся к улучшению качества изоляции сварных стыков [4].

Происходящее при строительстве и эксплуатации трубопроводов изменение свойств и нарушение работоспособности защитных покрытий являются результатом внешних механических нагрузок, температурного и химического воздействия окружающей среды, физико-химических процессов, протекающих в материале изоляции. Наиболее важным для обеспечения долговечности покрытий является соблюдение технологии изоляционно-укладочных работ. При засыпке трубопровода грунтом в траншее ударная нагрузка на покрытие может быть весьма значительной, особенно в зимнее время, когда обледенелый грунт имеет высокую твердость, а покрытие находится в состоянии, близком к хрупкому [1].

Таким образом, исключая несоблюдение условий хранения труб, а также некачественную изоляцию сварных стыков, можно выделить в качестве основной причины возникновения сквозных дефектов изоляции, механическое повреждение либо со стороны грунта, либо со стороны механизмов, используемых при укладке трубопровода в траншею

В рамках данной работы был проведен подробный анализ существующих методов защиты изоляционного покрытия трубопроводов от повреждений.

По результатам анализа действующих нормативных документов было установлено, что основным методом механической защиты, является укладка трубопровода на подготовленное основание из минерального грунта, толщиной 10 см (20 см при взрывном способе рыхления) и его последующая засыпка минеральным грунтом на высоту 20 см от уровня верхней образующей трубы.

К достоинствам данного метода следует отнести простоту реализации, однако, для эффективной работы обустраиваемой подсыпки требуется высокая степень уплотнения грунтового основания, чтобы исключить возможность его продавливания. Кроме того, существует проблема выноса грунта потоками грунтовых вод на уклонах, с последующей осадкой трубопровода на дно траншеи. Среди существующих методов борьбы с этим явлением можно отметить обустройство грунтозадерживающих барьеров, но они не отличаются высокой эффективностью.

При отсутствии мелкодисперсного грунта, механическую защиту труб обеспечивают за счет использования:

• футеровки, выполняемой из деревянных (пропитанных антисептическими составами) или полимерных реек, закрепляемых на поверхности труб. Также, в качестве футеровочных могут быть использованы соломенные, камышитовые, пенопластовые, резинотехнические и прочие маты (СП 104-34-96);

• скального листа (рулонных синтетических высокопрочных материалов);

• бетонных покрытий заводского нанесения.

Для оценки эффективности такой защиты было проведено моделирование полимерного покрытия, нанесенного на трубу. Моделирование осуществлялось с помощью платформы ANSYS Workbench.

В настоящей работе рассмотрено и смоделировано точечное воздействие твердого фрагмента грунта на стенку трубы, покрытую заводской изоляцией.

Модель представляет собой фрагмент трубы, с нанесенным заводским покрытием и фрагмент грунта, оказывающий точечное воздействие на материал покрытия. Фрагмент грунта принят в форме сферы малого диаметра (5 мм), материал грунта задавался с механическими свойствами, соответствующими граниту.

Применение трехмерной модели (рисунок 1,а) существенно осложняет процесс решения, значительно увеличивая время схождения задачи. В связи с этим было решено перейти к плоской осесимметричной модели, которая в силу малости области контакта, может считаться эквивалентной реальным условиям [3].

Таким образом, для построения плоской модели построенная трехмерная модель, представленная на рисунке, рассекается двумя взаимоперпендикулярными плоскостями (рисунок 1, б) и за расчетную модель принимается поверхность одного из полученных сечений (рисунок 1, в). Правильное задание граничных условий позволяет проводить расчет в плоской осесимметричной постановке.

Рисунок 1 – Построение модели

а) - Трехмерная расчетная модель трубопровода в заводской изоляции; б) - Рассеченная трехмерная модель; в) – окончательная плоская осесимметричная расчетная модель

Для решения поставленной задачи была использована конечно-элементная модель, состоящая из двух поверхностных тел, имитирующих металл трубы и полиэтиленовое покрытие. Воздействие со стороны грунта задавалось в виде сосредоточенной силы, что обеспечивает наиболее опасные условия, когда площадь контактной поверхности стремится к нулю.

При оценке прочности полиэтиленовое покрытие в расчетах задавалось толщиной 3 мм [2]. Рассчитывались параметры напряженно-деформированного состояния полиэтиленового покрытия при различных вариантах нагрузки. Значения нагрузок и результаты расчета приведены в таблице 1, а также на рисунке 2.

Таблица 1 - Результаты расчета параметров напряженно-деформированного состояния полиэтиленового покрытия толщиной 3 мм

Величина точечной нагрузки, кН	1	3	5	7
Максимальные напряжения изоляционного покрытия, МПА	4,8	14,7	24,5	32,2

Рисунок 2 - Результаты расчета параметров напряженного состояния полиэтиленового покрытия в зависимости от величины действующей точечной нагрузки.

Как видно из представленных зависимостей максимально возможная точечная нагрузка на трубопровод составляет 5 кН, именно это значение по результатам расчета является критическим.

В качестве мероприятий по предотвращению возникновений дефектов изоляции при нагрузке, большей найденного значения, предлагается использовать защитные конструкции, такие как деревянная футеровка и скальный лист на основе стеклопластика [6, 8]. Сплошное бетонное покрытие в рамках данной задачи не рассматривается, так как обетонированные трубы целесообразно применять только при необходимости балластировки, во всех остальных случаях транспортировка тяжелых обетонированных труб на место строительства или ремонта не целесообразна.

Для решения поставленной задачи была использована конечно-элементная модель, состоящая из трех поверхностных тел, имитирующих металл трубы, полиэтиленовое покрытие и элемент защитного покрытия в виде деревянной футеровки или же скального листа.

В рамках моделирования работы деревянной футеровки рассматривалась задача, когда контакт приходится на сплошную деревянную поверхность. Воздействие со стороны грунта также задавалось в виде сосредоточенной силы, что обеспечивает наиболее опасные условия.

При расчете толщина деревянной рейки принималась равной 40 мм [6]. Рассчитывались параметры напряженно-деформированного состояния деревянного покрытия, а также полиэтиленового противокоррозионного покрытия трубопровода при различных вариантах нагрузки. Величина нагрузки определялась глубиной прокладки трубопровода и варьировалась в пределах от 50 до 250 кН. Значения нагрузок и результаты расчета приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Результаты расчета параметров напряженно-деформированного состояния защитного деревянного покрытия толщиной 40 мм

Величина точечной нагрузки, кН	50	100	150	200	250
Максимальные напряжения в материале футеровки в точке контакта, МПа	4366	8732	13098	17463	21829
Напряжения на нижней поверхности футеровки, МПа	25,3	50,6	75,9	101,2	126,5
Максимальные напряжения, возникающие в изоляционном покрытии, МПа	6	12,1	18,2	24,3	30,3

На рисунке 3 приведены результаты расчета параметров напряженно деформированного состояния деревянной футеровки толщиной 40 мм, а также параметров полиэтиленового покрытия трубопровода, защищенного рассматриваемойконструкцией.

Рисунок 3 - Результаты расчета параметров напряженного состояния футеровки и покрытия под ним

а) – напряжения на внутренней поверхности деревянной рейки; б) – напряжения в полиэтиленовом покрытии, защищенном деревянной футеровкой;

Как видно из представленных зависимостей (рисунок 3,б) полиэтиленовое покрытие, защищенное деревянной футеровкой способно сохранить целостность при нагрузке вплоть до 200 кН. Превышение этой величины в случае точечного воздействия приведет к разрушению полиэтиленового покрытия. Однако, график, представленный на рисунке 3,а показывает, что уже при 100 кН на внутренней поверхности деревянной рейки напряжения превысят предел прочности древесины, что свидетельствует о полном разрушении деревянной футеровки. Соответственно при толщине деревянной рейки равной 40 мм, критической нагрузкой, при которой полиэтиленовое покрытие трубопровода потеряет свои защитные свойства, будет являться точечное воздействие величиной 100 кН.

Аналогичный расчет был проведен для защитной конструкции, представляющей собой скальный лист.

Скальный лист представляет собой конструкцию, изготовленную методом одностороннего ламинирования нетканого синтетического материала полимерным материалом, с последующей перфорацией. К его преимуществам можно отнести высокую демпфирующая способность (стойкость к удару) и упрощение процесса футеровки трубопровода (скальный лист крепится к трубопроводу посредством монтажной ленты-хомута). Полимерный скальный лист предназначен для защиты изолированной поверхности трубопроводов диаметром до 1420 мм включительно от механических повреждений при их прокладке в скальных и многолетнемерзлых (вечномерзлых) грунтах, в том числе, когда грунт обратной засыпки содержит включения дресвы, гальки, гравия, щебня и более крупных твердых включений [8].

Для оценки эффективности данной конструкции была использована конечно-элементная модель, состоящая из трех поверхностных тел, имитирующих металл трубы, полиэтиленовое покрытие и элемент защитного покрытия в виде скального листа. В рамках моделирования рассматривалась задача, когда контакт приходится на сплошную поверхность скального листа. Воздействие со стороны грунта, аналогично предыдущим рассмотренным задачам, задавалось в виде сосредоточенной силы, когда площадь контактной поверхности стремится к нулю. В расчетах толщина скального листа принималась равной 15 мм. Рассчитывались параметры напряженно-деформированного состояния скального листа, а также полиэтиленового противокоррозионного покрытия трубопровода при различных вариантах нагрузки. Величина нагрузки варьировалась в пределах от 25 до 125 кН. Значения нагрузок и результаты расчета приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Результаты расчета параметров напряженно-деформированного состояния скального листа и покрытия защищенного им

Величина точечной нагрузки, кН	25	50	75	100	125
Максимальные напряжения в защитном покрытии, МПа	665	1331	1996	2661	3326
Напряжения на внутренней поверхности защитного покрытия МПа	65	129	195	259	329
Максимальные напряжения в противокоррозионном покрытии, защищенном скальным листом, МПа	12,9	25,8	38,7	51,6	64,6

На рисунке 4 приведены полученные зависимости параметров напряженно- деформированного состояния скального листа толщиной 15 мм, а также параметров полиэтиленового покрытия трубопровода.

Рисунок 4 - Результаты расчета параметров напряженного состояния полиэтиленового покрытия трубы и защитной конструкции при точечном воздействии на нее

а) напряжения на внутренней поверхности скального листа; б) – напряжения в полиэтиленовом покрытии трубопровода.

Как видно из представленных зависимостей максимально возможная точечная нагрузка на трубопровод при использовании в качестве защитного покрытия полимерный скальный лист толщиной 15 мм составляет 47,5 кН, именно это значение является критическим, при котором произойдет разрушение защитной конструкции и самого покрытия трубы.

В результате проведенного моделирования было установлено, что с точки зрения обеспечения целостности заводского полиэтиленового покрытия на основе экструдированного полиэтилена, наиболее эффективным будет являться футеровка из деревянной рейки, которая способна сохранить работоспособность противокоррозионного покрытия при точечной нагрузке вплоть до 100 кН. Полимерный скальный лист сохраняет свои защитные функции только при нагрузке, не превышающей 47,5 кН. При этом также следует отметить, что само полиэтиленовое покрытие без дополнительной защиты разрушается уже при 5 кН. Таким образом можно сделать вывод, что применение защитных конструкций существенно повышает надежность заводского покрытия трубопровода, особенно в условиях, когда нельзя исключить внешние воздействия со стороны скального или мерзлого грунта, а также двигающихся частей строительной и ремонтной техники.

Литература

1. Теплинский Ю.А., Быков И.Ю. Стойкость антикоррозионных покрытий труб в условиях Крайнего Севера. – Ю. А. Теплинский, И. Ю. Быков. – СПб., 2004. – с. 238
   

2. Гумеров А.Г., Гиззатуллин Р.Р., Гумеров Р.С. Защитные покрытия для трубопроводов. – А. Г. Гумеров, Р. Р. Гиззатуллин, Р. С. Гумеров. – СПб., 2004. – с. 136

3. Перельмутер А.В. Расчетные модели сооружений и возможность их анализа / А.В. Перельмутер, В.И, Сливкер. – Киев, Из-во «Сталь», 2002. – 600с.

4. Распределение внутренних напряжений в полимерных покрытиях стальных труб при атмосферном хранении в условиях отрицательных температур. – Бердник М.М., Быков И.Ю., Пак А.Л. – Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. – 2015. № 2. С. 80-85.

5. Предупреждение повреждений заводских покрытий труб при выполнении сварных соединений газопроводов. - Кузьбожев А.С., Новоселов Ф.А. – Контроль. Диагностика. – 2013. № 2. С. 34-40.

6. Материалы для строительства и ремонта трубопроводов. [электронный ресурс]. – справочник в 4 ч. – ч. 4 Средства защиты изоляции трубопроводов. – https://pskgeodor.ru

7. Оценка влияния неравномерности основания на защитное покрытие подземного трубопровода. – Мацюк Р.А. – Трубопроводный транспорт: теория и практика. 2017. № 6 (64). С. 56-59.

8. Применение геосинтетических материалов для защиты наружного противокоррозионного покрытия трубопроводов от механических повреждений. – Брыков Э.Е. – Трубопроводный транспорт: теория и практика. 2008. № 1 (11). С. 38-45.