Каменноугольная смола действует как наполнитель в сшитой эпоксидной матрице, и полученная пленка обладает прочностью, адгезией, устойчивостью к ультрафиолетовому излучению и термостойкостью эпоксидных смол в сочетании с чрезвычайно высокой влагостойкостью, обеспечиваемой каменноугольной смолой. Он часто используется в качестве покрытия для морских трубопроводов. При нанесении каменноугольной смолы, как показано на рисунке 1, поверхность трубы сначала должна быть очищена от любых поверхностных загрязнений. Масло, жир и другие загрязняющие вещества должны быть удалены с помощью соответствующего растворителя, моющего средства или питьевой воды.
Перед нанесением грунтовки поверхность трубы должна быть очищена от пыли и абразивов. Грунтовку следует наносить таким образом, чтобы она полностью покрывала всю поверхность трубы, не обращая внимания на торцевые скосы и прилегающую полосу, протяженность которой составляет приблизительно 100 мм (для покрытия каменноугольной смолой срезать примерно 150 мм) и 200 мм (для покрытия каменноугольной смолой срезать примерно 250 мм) от края скоса на обоих концах трубы. Слой грунтовки должен быть однородным и не должен содержать подтеков, просадок или трещин. Непосредственно перед нанесением покрытия все загрунтованные поверхности должны быть абсолютно сухими, чистыми и очищенными от пыли. Эмаль, нанесенная методом заливки для получения сплошного покрытия без дефектов, и во время нанесения эмали два слоя внутренней пленки из стекловолокна и один слой внешней пленки, поставляемые в рулонах труб, должны охлаждаться водой указанной ширины и не должны соприкасаться с поверхностью стальной трубы или оставаться незащищенными от внешнего воздействия. Обертывание, наружное обертывание, пропитанное каменноугольной смолой, должно наноситься одновременно с внутренним обертыванием. Оба обертывания должны перекрываться минимум на 1 дюйм. Завершенная упаковка должна быть приклеена к металлу трубы равномерно, гладко, без трещин, расслоений, пустот и других дефектов, сразу после нанесения покрытия, чтобы избежать деформации.
РИСУНОК 1. Процесс нанесения каменноугольной эмали
Бетонное покрытие
Трубопровод после покрытия антикоррозийным материалом, например, полимерной эмалью, полиэтиленом или полипропиленом, проверяют на отсутствие повреждений при обращении с ним с помощью датчика напряжения 25 В и ремонтируют поврежденный участок подходящей ремонтной лентой, затем на трубы наносят специальное бетонное покрытие, армированное стальной проволокой. Обычно используются две плотности бетона: 140 фунтов/ фут3 и 190 фунтов/фут3, более высокая плотность бетона достигается за счет добавления железной руды в бетонную смесь. В последнее время для получения бетона плотностью от 275 до 300 фунтов/фут3 для глубоководных работ (трубопровод Ормен Ланге в Северном море) используется железная руда более высокой плотности, но в Египте используется бетон только первого типа (плотностью 140 фунтов/фут3). Сухие ингредиенты необходимо механически перемешать с необходимым количеством воды до получения однородной смеси с помощью лопастного миксера или аналогичного устройства. Бетон должен быть уложен на трубу в течение 30 минут после добавления воды в смесь. Дополнительную воду добавлять не следует. Запрещается использовать какое-либо оборудование, которое не позволяет разделить ингредиенты. Соотношение компонентов для приготовления бетона составляет 72,5 % железной руды, 21 % цемента и 6,5 % воды.
Нанесение утяжеляющего слоя бетона должно производиться только в том случае, если температура трубы и окружающего воздуха находится в диапазоне от 5 до 30 °C, за исключением случаев, когда нанесение покрытия производится в местах, защищенных от прямых солнечных лучей. Подрядчик должен нанести на стальную трубу с антикоррозийным покрытием равномерное бетонное покрытие, как указано в настоящем документе. Подрядчик должен проверять дозировку материала в начале каждой смены, и при необходимости оборудование должно быть откалибровано заново. При нанесении бетона не допускается повреждение антикоррозийного покрытия. Во время работ по нанесению покрытия бетон не должен попадать в трубу. Трубы должны быть повернуты таким образом, чтобы образовалась ровная и непрерывная бетонная оболочка, при этом в бетон, где он используется, одновременно добавляется армирующая проволока, нанесенная по спирали. Бетонное покрытие должно заканчиваться на расстоянии 200 мм от каждого конца антикоррозийного покрытия на трубе, и бетон должен наноситься только на часть трубы, покрытую антикоррозийным покрытием, как показано на рисунке 2. Любой бетон, попавший на оголенную сталь, должен быть удален промывкой (перед схватыванием) или сколами и вращающейся проволочной щеткой (для схватившегося бетона). Каждая труба должна быть покрыта сплошным слоем. В процессе нанесения покрытия не допускается изменение толщины покрытия. Если для достижения заданной толщины покрытия требуется более одного нанесения, интервал между нанесением первого и последнего слоев не должен превышать 30 минут.
По истечении 30 минут бетонное покрытие должно быть удалено, а вся труба покрыта заново. Стальные арматурные провода не должны находиться в физическом или электрическом контакте с трубой или анодом. Визуальный осмотр, чтобы убедиться в отсутствии трещин или каких-либо замечаний по бетонному покрытию, и устранение любых дефектов, прочность на сжатие через 7 дней и через 28 дней, проверка изоляции арматуры, чтобы убедиться в отсутствии электропроводности между бетонной арматурой и металлом трубы. Измеряют плотность и водопоглощение бетона.
РИСУНОК 2. Бетонное покрытие трубопровода
Установка анода на трубу
Для защиты морских трубопроводов от коррозии используются тонкопленочные органические покрытия (например, эпоксидная смола на основе плавления) и катодная защита (КЗЗ) для устранения дефектов покрытия. Для большинства морских применений браслетные аноды из цинковых или алюминиевых сплавов являются наиболее надежным и экономичным решением для КЗЗ. На трубопроводы большого диаметра поверх антикоррозийного покрытия наносится утяжеляющее бетонное покрытие для обеспечения устойчивости морского дна и механической защиты. В это покрытие также встроены аноды браслета заподлицо с внешним профилем трубы или под ним, что сводит к минимуму повреждения при укладке трубопровода (например, от ударов жалами или погребальных саней). При разработке глубоководных месторождений все чаще используются трубы меньшего диаметра с толстыми стенками без утяжеляющего покрытия. Однако открытые аноды в таких системах представляют опасность зацепления при монтаже, особенно с помощью экскаваторов или траншеекопателей, что может привести к смещению анода, повреждению покрытия или даже механическому повреждению стальной трубы.
(a). Полиуретановые конусы на каждой стороне анодных браслетов защищают аноды во время прокладки трубопровода и его захоронения
(б). Анод, установленный сверху, наименее уязвим в процессе прокладки трубопровода
Аноды должны быть закреплены приблизительно по центру труб соответствующей длины. Аноды должны плотно прилегать к антикоррозийному покрытию труб с одинаковым нахлестом на всех крепежных выступах. Расстояние между арматурным каркасом и любыми анодными браслетами или планками для крепления анодных браслетов должно составлять не менее 25 мм и не более 50 мм. Следует убедиться в отсутствии электрического контакта между арматурой и анодами катодной защиты. После нанесения бетона на трубы с кольцевыми анодами бетон или одобренный наполнитель следует аккуратно нанести вручную на материал анода, при необходимости растушевывая, чтобы обеспечить плавный переход, если общий диаметр анода отличается от диаметра бетонного покрытия. Любой бетон, выступающий или распыленный на поверхности анода, должен быть удален перед отверждением.
Если толщина анода меньше толщины нанесенного бетонного покрытия, бетонное покрытие должно быть скошено под углом 45° ± 5° от точки на уровне внешней поверхности анода до внешней поверхности бетона, анод должен быть подсоединен к трубе путем прямой сварки медного кабеля с трубой. Термитная сварка, сварка медных кабелей должна быть проверена визуально и механически с помощью молотка, проводимость между анодом и основным металлом должна быть проверена, а максимальное допустимое значение электрического сопротивления должно составлять 0,1 Ом.
Сэндвич-трубы
Сэндвич-трубы, изготовленные из двух слоев стали, разделенных полипропиленовым кольцевым пространством, могут транспортировать глубоководную нефть и газ, обеспечивая при этом высокую прочность конструкции и теплоизоляцию для предотвращения образования парафина и гидратов. Сэндвич состоит из трех слоев: двух тонких и жестких внешних слоев и большой и гибкой сердцевины в центре. Внешние слои соединены с сердцевиной, что позволяет распределять нагрузку между компонентами.
Сэндвич-трубы с типичным внутренним диаметром, используемые в морском производстве, подвергаются количественной оценке для определения влияния промежуточного слоя. Полипропилен был выбран из-за его низкой стоимости, превосходных механических свойств и низкой теплопроводности. На самом деле тип кольцевого сцепления между сталью и полимером влияет на конечную прочность при внешнем давлении и продольном изгибе. Внешнее давление, создаваемое глубиной воды, ограничивает применение пенополимеров на определенной глубине, что требует использования систем сэндвич-труб для теплоизоляции.
Изоляционная способность при поверхностном давлении определяется толщиной полимера и его теплопроводностью. Используемый твердый полипропилен обладает меньшей изоляционной способностью, чем другие полимерные пены, но обладает хорошей механической
прочностью. Стеклянные пузырьки могут быть добавлены в структуру полимера для снижения теплопроводности, не оказывая существенного влияния на механические свойства, в результате чего получается синтетический полимер. Кроме того, для применений, требующих большей изоляции, можно использовать активную систему нагрева на основе электрических проводов в сочетании с пассивной изоляцией из кольцевого материала.
РИСУНОК 4. Сэндвич-трубы
Нанокомпозитное покрытие трубопроводов как будущая тенденция
Перспективным направлением в покрытии трубопроводов является использование нанокомпозитного полиэтилена и полипропилена. Введение неорганических наночастиц в органические полимеры вызвало широкий интерес, поскольку органо-неорганические нанокомпозиты обеспечивают эффективный метод улучшения физических свойств традиционных полимеров, включая механические свойства, термостабильность, огнестойкость, пониженную паропроницаемость и устойчивость к химическим реагентам. Кроме того, улучшение физических свойств может быть достигнуто при чрезвычайно низких концентрациях по сравнению с наполнителями микронного размера. Это улучшение было достигнуто благодаря уникальным характеристикам нанонаполнителей. Наноструктурированные варианты стандартных неорганических наполнителей все чаще используются в пластиковых композитах (полиэтилен высокой плотности или полипропилен). Улучшить характеристики полимеров (полиэтилена или полипропилена) можно путем добавления неорганических нанонаполнителей, таких как оксид кремния, оксид цинка и карбонат кальция. В настоящее время нанокомпозиты на основе полипропилена вызывают серьезную озабоченность, поскольку они представляют собой технологию, позволяющую значительно повысить механические и физические свойства полипропилена, который является одним из наиболее широко используемых и быстро развивающихся термопластов и является ценным инженерным полимером.
Полипропиленовая пленка используется для покрытия трубопроводов, игрушек, бутылочек, автомобильных деталей, таких как крышки распределителей, одноразовые шприцы медицинского и ветеринарного назначения, чехлы для батареек, веревки и ковры. Полипропилен – это кристаллический полимер, обладающий высокой универсальностью по своей природе. Его высокая кристалличность обеспечивает превосходную прочность на растяжение и жесткость. Однако полипропилен имеет серьезные ограничения в качестве конструкционного материала. Он имеет низкую рабочую температуру и чувствителен к нагреву, свету и окислению. Полипропилен быстро повреждается под воздействием таких раздражителей, как высокие температуры или солнечный свет, что приводит к его хрупкости. Полипропилен содержит третичные атомы углерода и, как было продемонстрировано, очень подвержен окислительному разложению под воздействием высоких температур и солнечного света. Химический процесс разложения полипропилена представляет собой свободнорадикальную цепную реакцию, которая вызывает разрыв полимерной цепи.
Считается, что хрупкость вызвана разрывами цепи. Морфологические изменения, вызванные износом, несомненно, оказывают значительное влияние на механические характеристики, а также на внешний вид. В нескольких недавних исследованиях изучалась термостойкость и способность полимерных нанокомпозитов к разрушению. Для определения срока службы компонентов, изготовленных из нанокомпозитов, потребуется глубокое понимание этих трудностей. Несколько исследователей изучили процесс старения, вызванный фотоокислением нанокомпозитов с полимерной матрицей.
При перемешивании расплава в смесительной камере Термо-реокорд Haake 600 объемом 69 см3 и при работе роторов роликового типа со скоростью 40 об/мин в течение 8 минут при температуре 170 °C образуются нанокомпозиты полипропилен/диоксида титана. Были получены нанокомпозиты с различным содержанием диоксида титана (0–3 мас. %). Образцы прессовали при температуре 180 °C в течение 6 минут на гидравлическом прессе с электрическим подогревом. Механические свойства композитов были исследованы с использованием универсальной испытательной машины Шимадзу (модель AG1) и датчика нагрузки на 10 кН. В начале каждого испытания расстояние между зажимами устанавливалось равным 40 мм, при этом измерения проводились со скоростью вращения траверсы 50 мм/мин.
Механические свойства были оценены до и после 24-часового термического старения. Добавление диоксида титана в полипропилен увеличило его предел прочности при растяжении и модуль упругости. Введение 1 мас. % наночастиц диоксида титана увеличивает предел прочности при растяжении на 23,41 % и модуль упругости на 26,14 %. Известно, что взаимодействие между наночастицами и полимерной матрицей приводит к переносу напряжения, что полезно для повышения прочности композитных пленок при растяжении. Однако при увеличении количества наночастиц происходит агрегация, приводящая к уменьшению площади контакта между наночастицами и полимерной матрицей, что приводит к появлению дефектов в композите.
Это сводит к минимуму межфазный контакт и снижает прочность пленки на растяжение. На механические свойства также влияет дисперсия наночастиц в матрице. Анализ динамики механических свойств позволяет получить информацию о влиянии различных концентраций диоксида титана в композитах, а улучшение модуля упругости при растяжении и прочности нанокомпозитов ПП/диоксида титана связано с жесткостью и качеством дисперсии диоксида титана, а также адгезией между матрицей и наночастицами при каждой загрузке. Наночастицы хорошо распределяются в полипропиленовой матрице, что улучшает механические характеристики.
Механические характеристики после термического старения демонстрируют значительное увеличение относительного удлинения при разрыве. Это говорит о том, что твердость композита увеличивается с возрастом. Включение оксид цинка увеличивает относительное удлинение при разрыве в полиэтилене высокой плотности (ПЭВП). Хунся Чжао сделала аналогичное наблюдение, исследуя фоторазрушение нанокомпозитов ПП/оксид цинка и сообщила, что добавление оксид цинка повышает устойчивость полипропилена к фоторазрушающему охрупчиванию. Термическое старение не улучшает прочность композита на разрыв или модуль упругости. Изменение этих характеристик при нагрузке идентично изменению, наблюдаемому до старения. Нанокомпозит полипропилен/полиэтилен больше подходит для покрытия трубопроводов на суше и в открытом море.
РИСУНОК 5. Прокладка трубопровода
РИСУНОК 6. Прокладка морского трубопровода
Выводы
Исторически сложилось так, что на морских трубопроводах в качестве основного наружного покрытия использовалась каменноугольная эмаль из-за ее превосходной коррозионной стойкости и низкой водопроницаемости. Это покрытие обычно покрывается бетонным уплотнителем, армированным стальной проволокой (не железной, поскольку для усиления конструкции требуются высокопрочные, устойчивые к коррозии сплавы), который служит двум целям: (1) обеспечивает механическую защиту от ударов и истирания и (2) увеличивает вес трубопровода под водой для обеспечения стабильности трубопровода. на морском дне под действием гидродинамических нагрузок. Браслетные аноды на основе цинка обычно устанавливаются для обеспечения катодной защиты, компенсации дефектов покрытия или простоев.
Для глубоководных применений системы сэндвич-труб, состоящие из внутреннего и наружного стальных слоев, скрепленных с полипропиленовой сердцевиной, обладают превосходной устойчивостью к внешнему гидростатическому давлению и обеспечивают теплоизоляцию, что делает их хорошо подходящими для работы в условиях высокого давления и низких температур.
Совсем недавно в качестве передовых решений появились полимерные нанокомпозитные покрытия на основе полиэтиленовых (ПЭ) или полипропиленовых (ПП) матриц, содержащих наночастицы (например, наноглины, оксида кремния или оксид графена). Эти нанонаполнители значительно улучшают барьерные свойства, механическую прочность, стойкость к истиранию и химическую стабильность, тем самым продлевая срок службы и улучшая эксплуатационные характеристики в агрессивных морских условиях.
Литература
1. ASTM D3170 – 03. Стандартный метод испытания стойкости покрытий к скалыванию. – 2007.
2. ASTM C 29. Методы испытаний для объемного веса и пустот в бетоне. – 2009.
3. ASTM C 31. Практика изготовления и отверждения бетонных испытательных образцов в полевых условиях. – 2010.
4. DNV OS – F101. Подводные трубопроводные системы. – 2000.
5. ASTM C 172. Практика отбора проб свежеприготовленной бетонной смеси. – 2008.
6. Рош М. Опыт применения покрытий для морских трубопроводов / М. Рош // Коррозия 2004 – NACE International, Новый Орлеан, США. – 2004.
7. Новое цеолитовое покрытие для защиты бетонных канализационных коллекторов от биологической сернокислотной коррозии
8. Оценка стойкости строительных растворов, покрытых цеолитом, содержащим серебро, к бактериальной коррозии
9. Благотворное влияние покрытий на биологическое образование сульфидов в бетонных канализационных трубах
10. BS 1881-part 4. Стандартные спецификации для методов испытаний – прочность бетона. – 2007.
11. ASTM A 810. Стандартные спецификации для оцинкованной стальной обмотки труб. – 2009.
12. ISO 13623. Нефтяная и газовая промышленность – системы трубопроводного транспорта. – 2-е изд. – 2009.
13. DNV-OS-F101. Подводные трубопроводные системы. – Октябрь 2007.
14. ASME B31.4. Системы трубопроводов для транспортировки жидких углеводородов и других жидкостей. – 2006.
15. Влияние межслойной и оптимизированной конфигурации сэндвич-труб
16. Анализ прочности сэндвич-труб для сверхглубоких вод
17. Паскуалино И.П. Влияние метода укладки с намоткой на давление разрушения стальных труб для глубоководных работ / И.П. Паскуалино, С.Л. Силва, С.Ф. Эстефен // 23-я междунар. конф. по оффшорной механике и арктической инженерии, Труды OMAE’04, Ванкувер, Канада. – 2004.
18. Экспериментальная и численная оценка сэндвич-композитных конструкций
19. Предельная прочность и эффекты намотки сэндвич-труб со связанными слоями
20. Развитие структуры и поведение при кристаллизации нанокомпозита полипропилен/наночастицы
