Ключевые слова: многолетнемерзлые грунты, магистральный трубопровод-вод, полимерные и композитные трубы.
Многолетнемерзлые грунты занимают более шестидесяти процентов территории России, здесь сосредоточено более тридцати процентов нефти от общего объема добываемой стране нефти [11]. Добытая нефть транспортируется на большие расстояния с помощью системы магистральных трубопроводов. Трубопроводный транспорт нефти осуществляется с применением стальных труб, изготовленных из специализированных марок сталей.
Согласно ГОСТ 1510-2022 «Нефть и нефтепродукты. Маркировка, упаковка, транспортирование и хранение», нефть транспортируют с температурой не более тридцати градусов Цельсия [5]. Средняя температура мерзлых грунтов доходит до минус трех градусов Цельсия. Из-за свойства теплопроводности происходит оттаивание грунта, также трубы могут быть подвержены процессу коррозии, в последующем происходит разрушение труб.
Принимая во внимание, что многолетнемерзлые грунты создают неблагоприятные условия для стальных конструкций, обслуживание и ремонт магистральных трубопроводов обычно сопряжены со значительными затратами для компаний, работающих на территориях с распространением многолетнемерзлых грунтов.
Цель данного исследования заключается в изучении возможностей использования полимерных и композитных материалов в конструкции магистральных трубопроводов. Для реализации цели исследования были поставлены следующие задачи:
- Проанализировать современное состояние мировых и отечественных исследований в области применения полимерных и композитных материалов в нефтегазовой отрасли;
- Проанализировать рынок полимерных и композитных труб, подходящих для строительства магистрального нефтепровода;
- Анализ химической стойкости полимерных труб;
- На основе конечно-элементного моделирования выполнить численный эксперимент по обоснованию возможности применения полимерных и композитных труб в условиях многолетнемерзлых грунтов.
Прокладка трубопровода в многолетнемерзлых грунтах
В районах распространения многолетнемерзлых грунтов отрицательная температура грунта сохраняется в течение всего года, что может вызвать деформации [8] и разрушения трубопроводов, расположенных под землей. Деформации многолетнемерзлых грунтов могут быть нескольких видов:
· морозное пучение – увеличение объема грунтов при промерзании из-за образования внутри них линз льда;
· морозное выдавливание – подъем и деформация грунтов вследствие морозного пучения нижележащих слоев;
· морозное растрескивание – образование трещин в грунтах при их промерзании и охлаждении;
· морозная коррозия – разрушение поверхности грунтов талыми водами, поступающими в трещины и при замерзании увеличивающими их размеры.
Причинами этих деформаций являются:
· замерзание воды в грунте – при понижении температуры ниже нуля вода в почвенных порах замерзает, образуя кристаллы льда, которые увеличиваются в объеме, что приводит к расширению грунта;
· перенос влаги в грунт – при замерзании поверхностного слоя грунта в грунте создается градиент влажности, и вода начинает перемещаться в незамерзшие слои, что приводит к образованию линз льда и увеличению объема грунта;
· усадка грунтов при промерзании – при промерзании грунта уменьшается объем незамерзшей воды, что приводит к уменьшению объема грунта;
· неравномерное промерзание грунтов – если грунт промерзает неравномерно, в нем возникают напряжения, которые могут привести к деформациям.
Трубы из полиэтилена
Полиэтилен – термопластичный полимер этилена, является вязкоупругим материалом, поведение которого в деформированном состоянии зависит от нагрузки, температуры и времени.
Опыт применения полимерных и композитных трубопроводов в нефтегазовой отрасли
Основываясь на исторических сведениях, использование труб из полимерных и композитных материалов в нефтегазовой отрасли началось в конце 1950-х годов. Широкое распространение неметаллических трубопроводов произошло в начале 1960-х годов, когда стали использовать стеклопластиковые трубы на основе эпоксидных связующих с рабочим давлением 1,5–2 МПа на месторождениях таких компаний, как Total во Франции, Amoco и ExxonMobil в США, Shell в США и Канаде, что стало решением проблемы коррозии металлических трубопроводов на Западе.
Современное состояние мировых и российских предприятий в сфере использования полимерных и композитных материалов в нефтегазовой индустрии характеризуется интенсивным развитием и непрерывными исследованиями новых материалов и технологий. Зарубежные компании, использующие неметаллические трубопроводы, могут служить примером успешного внедрения таких систем. Цель применения неметаллических трубопроводов заключается в сокращении потерь нефти при транспортировке и улучшении экологической ситуации. В регионе Нимр 45 % утечек происходит на двух месторождениях – Варад и Сим-Сим. В связи с этим было принято решение о полной замене низконапорных стальных трубопроводов на полиэтиленовые трубы высокого давления. Для этой цели были выбраны трубы местного производства Borealis [9].
Анализ рынка полимерных и композитных труб
В таблице 1 представлены компании, изготавливающие трубы из полимерных материалов.
NOV-Fiberspar, США – линейная труба, наматываемая на барабан, состоящая из внутреннего термопластического слоя, армированного высокопрочным стекловолокном, внедренным в эпоксидную матрицу. Является первой гибкой трубой, соответствующей трем стандартам [2].
FlexSteel, США – преимущество данной трубы заключается в революционной технологии намотки труб, разработанной на основе более чем 30-летнего опыта работы в сложных морских условиях. Труба обладает повышенной безопасностью – коррозионной стойкостью и отсутствием деградации, также выдерживает циклические нагрузки в условиях окружающей среды, что обеспечивает значительно более низкие затраты на техническое обслуживание и снижение антикоррозионных мер почти до нуля [3].
Soluforce, Нидерланды – гибкая композитная труба, уникально изготовленная из связующего алюминиевого слоя, что, в свою очередь, не позволяет проникать газам из трубы, тем самым это устраняет возможные проблемы безопасности окружающей среды. Основное преимущество такой трубы в отличие от других конструкций: вентиляция проникших газов не требуется, что снижает затраты на монтаж и техническое обслуживание. Газонепроницаемые решения SoluForce устойчивы ко всем химическим веществам, участвующим в транспортировке жидкости [1].
ANACONDA, Россия – гибкая полиэтиленовая высоконапорная труба монолитной конструкции. Обладает высокой коррозионной и гидроабразивной стойкостью, повышенной пропускной способностью. Трубопроводы, транспортирующие сырую и очищенную нефть, многофазные смеси и эмульсии (нефть, газ, вода, в т.ч. с высоким содержанием H2S и CO2), попутный нефтяной газ, под давлением от 1,2 до 4,0 МПа. Наружный и внутренний слои выполняются из трубного полиэтилена с минимальной длительной прочностью MRS 10,0 МПа (ПЭ 100). Армирование трубы производится полиэфирными малоусадочными нитями с повышенной адгезией с пределом прочности 900 МПа [12].
В результате анализа труб, представленных в таблице 1, с учетом их технических характеристик, структуры и различных показателей можно сделать вывод, что в настоящее время производство стеклопластиковых труб в России значительно не соответствует промышленным стандартам зарубежных стран. Применение композитных материалов будет увеличиваться по мере роста потребности нефтегазовой промышленности в материалах с уникальными механическими, химическими и физическими свойствами, что обусловлено современными тенденциями в добыче и транспортировке нефти и газа.
Трубы из полиэтилена низкого давления (ПНД) находят широкое применение в различных отраслях промышленности и строительства благодаря своей прочности, долговечности и устойчивости к воздействию внешних факторов. Тем не менее стоимость таких труб может изменяться в зависимости от нескольких аспектов, таких как используемое сырье, производственные издержки, логистика и рыночные условия.
Для проведения анализа стоимости труб ПНД необходимо учитывать следующие аспекты:
- Сырье. Сырьем для производства труб ПНД является полиэтилен, который может быть получен из различных источников, таких как нефть или природный газ. Стоимость сырья может колебаться в зависимости от мировых цен на энергоносители и доступности ресурсов.
- Производственные затраты. Производственные затраты включают в себя расходы на оборудование, электроэнергию, рабочую силу и другие ресурсы, необходимые для изготовления труб. Эти затраты могут различаться в зависимости от масштаба производства, уровня автоматизации и других факторов.
- Логистика. Доставка сырья и готовой продукции также влияет на конечную стоимость труб. Расходы на транспортировку, хранение и обработку могут существенно повлиять на итоговую цену.
- Рыночные условия. Спрос и предложение на рынке труб ПНД также влияют на их стоимость. В периоды высокого спроса цены могут расти из-за ограниченного предложения, а в периоды низкого спроса – снижаться.
Таким образом, анализ стоимости труб ПНД требует учета множества факторов, влияющих на производственный процесс и рыночную ситуацию. Это позволяет более точно определить ценообразование и прогнозировать возможные изменения в будущем.
Для расчетов мы используем международные стандарты, так как производство труб более развито в зарубежных странах. В соответствии с ISO 12162 и ISO 9080 допустимая нагрузка на трубу при равных условиях зависит от минимальной длительной прочности материала (MRS). Этот показатель характеризует напряжение, при котором материал (полиэтилен) может работать в течение определенного срока службы при постоянной температуре. MRS применяется для оценки пригодности полиэтилена для разных областей применения, включая строительство трубопроводов. Чем выше значение MRS, тем более прочным и устойчивым к нагрузкам является материал. Напряжение в стенке трубы прямо пропорционально гидростатическому давлению и обратно пропорционально толщине стенки и среднему радиусу трубы [4, 7].
MRS – минимальная длительная прочность материала;
С – коэффициент запаса прочности;
SDR – стандартное размерное соотношение:
dн – наружный диаметр трубы;
e – толщина стенки.
σ – допускаемое напряжение в стенке трубы, МПа.
Используя эти математические зависимости, можно провести оценку долговременной гидростатической прочности термостатического материала.
В качестве агрессивных сред нефти мы будем рассматривать ее соли и кислоты. Следует отметить, что материалы классифицируются по химической стойкости на различные классы [10]:
· Класс 1 – высокий уровень химстойкости (антикоррозионный) всех материалов данной группы к воздействию рабочей среды в указанных условиях рабочего режима;
· Класс 2 – ограниченный уровень химстойкости всех материалов данной группы, то есть. материалы частично подвержены воздействию рабочей среды; их возможный период эксплуатации сокращается; поэтому рекомендуется выбрать материал более высокого уровня стойкости;
· Класс 3 – отсутствие химической стойкости у всех материалов данной группы, то есть материалы подвержены воздействию транспортируемой жидкости и использовать их невозможно.
Конечно-элементное моделирование
В данной научной статье мы используем конечно-элементное моделирование для изучения поведения конструкции, расположенной на мерзлом грунте с учетом сезонных деформаций при различных условиях нагружения. Результаты моделирования позволяют оптимизировать конструкцию, снизить вес и повысить надежность, что делает его незаменимым инструментом для инженеров и исследователей. В ходе анализа химической стойкости было решено, что наиболее подходящим материалом для изготовления трубы является полиэтилен низкого давления (ПНД). Характеристики этого материала представлены в таблице 2.
Для проверки влияния внутреннего рабочего давления на напряжение в стенке трубы при минусовой температуре окружающего воздуха была использована программа ANSYS Workbench. Согласно ГОСТ 18599-2001 «Сортамент труб из полиэтилена», трубы могут иметь наружный диаметр от 20 до 1200 мм. С помощью формул, приведенных в экспериментальной части, были определены толщина стенки и рабочее давление в трубе. Это позволило провести детальный анализ и оценить прочность и надежность конструкции.
Расчет толщины стенки и рабочего давления
На основе проведенного анализа были рассчитаны следующие параметры:· Толщина стенки трубы;
· Рабочее давление внутри трубы.
Эти параметры являются важными для обеспечения прочности и долговечности конструкции. Расчеты проводились с учетом требований ГОСТ 18599-2001 и других нормативных документов. Таким образом, использование ПНД в качестве материала для трубы позволяет обеспечить высокую химическую стойкость, прочность и долговечность конструкции при различных условиях эксплуатации [6].
График на рисунке 4 показывает, что изменение высоты опор влияет на эквивалентные напряжения в материале трубы. При снижении высоты опор напряжения уменьшаются, а при увеличении – увеличиваются. Это связано с перераспределением нагрузки на трубопровод и изменением его прогиба. Для обеспечения надежной работы трубопровода необходимо принимать во внимание эти факторы при проектировании и эксплуатации системы.
При рабочем давлении 6 МПа в стенках трубы возникают напряжения, которые могут вызвать деформацию или разрушение трубы. В связи с этим было решено снизить рабочее давление до 4 МПа. Давление 4 МПа создает в стенках трубы напряжения, способные выдерживать нагрузки. Это указывает на то, что труба была спроектирована и изготовлена с учетом требований к прочности и безопасности и она способна выдерживать давление перекачиваемой среды без деформации или разрушения.
В данном случае выбор рабочего давления обусловлен необходимостью обеспечения надежности и безопасности работы трубопровода. Труба с рабочим давлением 4 МПа может использоваться для транспортировки различных сред при соблюдении всех необходимых мер безопасности. Результаты расчетов представлены в таблице 3.
Выводы
Применение полимерных и композитных материалов для строительства магистральных нефтепроводов в многолетнемерзлых грунтах возможно, но требует тщательного анализа и учета специфических условий эксплуатации.- Проведен анализ рынка полимерных труб, используемых в нефтегазовой отрасли. Зарубежные страны пока что опережают Россию по этим показателям: им удалось разработать трубы с рабочим давлением 13,8 МПа. В России также проводятся исследования и разработки в этой области. На данный момент максимальное рабочее давление российских полимерных труб составляет 4 МПа, что значительно ниже показателей зарубежных производителей.
- Стоимость труб из полиэтилена низкого давления составляет 160 000 рублей за тонну, а стоимость труб из стали 09Г2С – 225 000 рублей за тонну. Это означает, что трубы из стали 09Г2С примерно на 40 % дороже, чем трубы из полиэтилена низкого давления.
- Трубы из полиэтилена обходятся дешевле по сравнению со стальными трубами, что позволяет снизить затраты на строительство магистральных трубопроводов. Более того, материал из полиэтилена низкого давления является более долговечным по сравнению со сталью. Это означает, что мы можем снизить затраты не только на строительство, но и на ремонт и обслуживание трубопроводной системы в долгосрочной перспективе.
- По результатам конечно-элементного моделирования мы определили допустимое внутреннее рабочее давление и рассчитали оптимальную толщину стенок труб. Это позволило нам обеспечить надежность и долговечность трубопроводной системы при минимальных затратах на материалы.
Для успешного применения полимерных и композитных материалов в многолетнемерзлых грунтах необходимо провести детальный анализ условий эксплуатации, разработать специальные технологии монтажа и обеспечить устойчивость нефтепровода к воздействию вечной мерзлоты.
Таким образом, применение полимерных и композитных материалов для магистрального нефтепровода в многолетнемерзлых грунтах возможно при условии соблюдения всех необходимых требований и условий эксплуатации.
Литература
1. Advanced Flexible Pipeline Systems for Oil, Gas and Water
2. FIBERSPAR. ЛИНЕЙНАЯ ТРУБА FIBERSPAR.
3. FlexSteel Pipe. FlexSteel Pipeline Technologies.
4. ГОСТ ISO 12162-2017. Материалы термопластичные для напорных труб и соединительных деталей. Классификация, обозначение и коэффициент запаса прочности: национальный стандарт Российской Федерации: издание официальное: утвержден и введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 19 октября 2017 г. № 1459-ст: взамен ГОСТ ISO 12162-2006: дата введения 2018-07-01 / разработан ООО «Группа ПЛАСТИК». – Москва: Стандартинформ, 2017. – 15 с.
5. ГОСТ 1510-2022. Нефть и нефтепродукты. Маркировка, упаковка, транспортирование и хранение: национальный стандарт Российской Федерации: издание официальное: утвержден и введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 23 июня 2022 г. № 518-ст: взамен ГОСТ 1510-84: дата введения 2023-01-01 / разработан АО «ВНИИ ПН». – Москва: Российский институт стандартизации, 2022. – 72 с.
6. ГОСТ 18599-2001. Трубы напорные из полиэтилена. Технические условия: государственный стандарт Российской Федерации: издание официальное: утвержден и введен в действие Постановлением Государственного комитета Российской Федерации по стандартизации и метрологии от 23 марта 2002 г. № 112-ст: взамен ГОСТ 18599-83: дата введения 2003-01-01 / разработан Межгосударственным техническим комитетом по стандартизации МТК 241 «Пленки, трубы, фитинги, листы и другие изделия из пластмасс». – Минск: Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации, 2003. – 76 с.
7. ГОСТ Р 54866-2011 (ИСО 9080:2003). ТРУБЫ ИЗ ТЕРМОПЛАСТИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ. Определение длительной гидростатической прочности на образцах труб методом экстраполяции: национальный стандарт Российской Федерации: издание официальное: утвержден и введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 15 декабря 2011 г. № 1572-ст: введен впервые: дата введения 2013-01-01 / разработан ОАО «Научно-исследовательский институт санитарной техники», ООО «Группа ПОЛИПЛАСТИК». – Москва: Стандартинформ, 2012. – 23 с.
8. Свод правил «Магистральные трубопроводы»: СП 36.13330.2012: утв. приказом Федерального агентства по строительству и жилищно-коммунальному хозяйству (Госстрой) от 25 декабря 2012 г. № 108/ГС: ввод. в действие с 01.07.2013. – Москва: Стандартинформ, 2013. – 92 с.
9. Иран планирует серьезно модернизировать свою трубопроводную инфраструктуру. НефтеРынок.
10. Классы химической стойкости. Таблица химической стойкости пластиков.
11. Котляков В.М. Россия. Природа. Многолетняя мерзлота / Котляков В.М. Большая Российская Энциклопедия.
12. Производство полиэтиленовых труб ANACONDA.
13. Трухонин, А. Н. Счет на километры / А. Н. Трухонин // РГК Пермская нефть. – 2004. – № 8.
