многослойная труба для транспортирования агрессивной среды под высоким давлением

Формула изобретения

1. Многослойная труба для транспортирования агрессивной среды под высоким давлением, содержащая внутренний коррозионно-стойкий трубчатый элемент, расположенный поверх него основной трубчатый элемент из склеенных между собой упругих полос из высокопрочного материала и наружный антикоррозионный трубчатый элемент из композиционно-волокнистого материала, отличающаяся тем, что упругие полосы из высокопрочного в продольном и в поперечном направлениях материала уложены плотно друг к другу в стенке основного трубчатого элемента вдоль его оси по плоским спиралям так, что одни их кромки образуют наружную поверхность основного трубчатого элемента, а противоположные кромки образуют внутреннюю его поверхность и внедрены в стенку внутреннего трубчатого элемента, выполненного из непроницаемого эластичного полимерного материала, при этом толщина стенки основного трубчатого элемента плоско-спиральной структуры принимается из расчета обеспечения продольной прочности многослойной трубы, а толщина наружного трубчатого элемента из высокопрочного композиционно-волокнистого материала - из расчета обеспечения тангенциальной прочности трубы совместно с плоско-спиральными пластинами основного трубчатого элемента.

2. Труба по п.1, отличающаяся тем, что упругие полосы основного трубчатого элемента имеют ширину, при которой прочность каждой полосы на разрыв в поперечном направлении при тангенциальной нагрузке стенки трубы будет ниже прочности клеевого соединения ее с соседними полосами на сдвиг.

3. Труба по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что упругие полосы, образующие основной трубчатый элемент, на концах нижней кромки имеют по крайней мере по одному поперечному пазу, в которые входят концевые утолщения трубчатых хвостовиков металлических законцовок трубы.

4. Труба по пп.1 - 3, отличающаяся тем, что упругие полосы имеют сердечник из высокопрочного ленточного материала, заключенного в оплетку из высокопрочного композиционно-волокнистого материала.

5. Труба по пп. 1 - 4, отличающаяся тем, что упругие полосы на нижней стороне имеют продольную отбортовку под острым углом к плоскости полосы, причем на отбортовке или по линии изгиба полосы могут быть предусмотрены отверстия или выштамповки, заполненные материалом внутреннего трубчатого элемента, в который эти отбортовки внедрены.

Описание изобретения к патенту

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

Распространенной конструкцией является многослойная труба из рулонной стали, собранная из обечаек по принципу плоской спирали Архимеда, сваренных между собой продольными двухсторонними многослойными швами [1]; а также многослойная труба большого диаметра, содержащая спиральные навитые и расположенные одна над другой и жестко связанные между собой металлические полосы с односторонним плакирующим антиадгезионным покрытием, образующим соединительную прослойку между спиральными витками полос и защитную наружную оболочку трубы [2].

К недостаткам этих конструкций относится опасность скрытой межслоевой коррозии из-за проницаемости многослойной структуры стенки для атмосферной влаги и агрессивных газообразных сред, что обусловливает пониженную надежность и малые сроки службы трубопроводов. Такие трубы сложны и трудоемки в изготовлении и в эксплуатации.

Известна конструкция многослойной трубы, выбранная в качестве прототипа, содержащая внутренний трубчатый элемент, состоящий из отдельных последовательно намотанных слоев стекло- или другого волокна, пропитанного смолой. Поверх внутреннего трубчатого элемента расположен основной трубчатый элемент, содержащий упругие, в частности стальные армирующие полосы толщиной от 0,25 мм до 0,75 мм, каждая из которых покрыта смолой. Стальные полосы намотаны одна поверх другой по спирали и склеены между собой. Поверх основного трубчатого элемента расположен наружный трубчатый элемент, состоящий из отдельных последовательно намотанных слоев стекла или другого волокна, пропитанных смолой [3].

Недостатком известной конструкции является образование микротрещин в структуре композиционно-волокнистого материала внутреннего трубчатого элемента под высоким давлением транспортируемой среды, по которым агрессивная среда проникает к виткам стальных полос основного трубчатого элемента, вызывая их коррозию. Малая толщина стальной полосы обусловливает быстрый выход ее вследствие коррозии из силовой системы трубы, снижая несущую способность основного трубчатого элемента существенно. Скрытый процесс коррозии и послойный ее характер являются причиной пониженной надежности и низких сроков безаварийной эксплуатации трубопровода при высоких давлениях транспортируемой агрессивной среды. Другим существенным недостатком является сложность создания надежных элементов соединения таких труб в трубопроводах, предназначенных для работы под высоким внутренним давлением транспортируемой среды.

Изобретение направлено на увеличение сроков безаварийной эксплуатации многослойных труб большого диаметра в трубопроводах, транспортирующих агрессивные среды под высоким давлением, и на снижение трудоемкости их изготовления.

Указанные недостатки устраняются тем, что упругие полосы из высокопрочного в продольном и в поперечном направлениях материала уложены плотно друг к другу в стенке основного трубчатого элемента вдоль его оси по плоским спиралям так, что одни их кромки образуют наружную поверхность основного трубчатого элемента, а противоположные кромки образуют внутреннюю его поверхность и внедрены в стенку внутреннего трубчатого элемента, выполненного из непроницаемого для транспортируемой агрессивной среды эластичного полимерного материала. При этом толщина стенки основного трубчатого элемента плоскоспиральной структуры принимается из расчета обеспечения продольной прочности многослойной трубы, а толщина наружного трубчатого элемента из высокопрочного композиционно-волокнистого материала - из расчета обеспечения совместно с плоскоспиральными пластинами основного трубчатого элемента тангенциальной прочности трубы.

Оптимальным для высокой надежности многослойной трубы является вариант, когда упругие полосы основного трубчатого элемента имеют ширину, при которой прочность каждой полосы на разрыв в поперечном направлении при тангенциальной нагрузке стенки трубы ниже прочности клеевого соединения ее с соседними полосами на сдвиг. В случае трубы с металлическими законцовками упругие полосы, образующие основной трубчатый элемент, имеют на концах нижней кромки по крайней мере по одному поперечному пазу, в которые входят кольцевые утолщения трубчатых хвостовиков металлических законцовок. Для повышения тангенциальной прочности основного трубчатого элемента упругие полосы могут иметь сердечник из высокопрочного ленточного материала, заключенного в оплетку из высокопрочного композиционно-волокнистого материала. А для повышения прочности и надежности скрепления внутреннего непроницаемого стойкого к транспортируемой агрессивной среде внутреннего трубчатого элемента с основным трубчатым элементом трубы упругие полосы могут иметь сердечник из высокопрочного ленточного материала, заключенного в оплетку из высокопрочного композиционно-волокнистого материала, а на нижней стороне они имеют продольную отбортовку под острым углом к плоскости полосы, причем на отбортовке или по линии изгиба полосы могут быть предусмотрены дополнительно отверстия или выштамповки, заполненные материалом внутреннего трубчатого элемента, в который эти отбортовки внедрены.

На фиг. 1 представлен продольный разрез стенки многослойной трубы в районе металлической законцовки; на фиг. 2 - упругая полоса основного трубчатого элемента с двумя поперечными пазами и ступенчатым вырезом для установки на трубчатом хвостовике металлической законцовки; на фиг. 3 - варианты упругих полос из различных высокопрочных материалов; на фиг. 4 - поперечное сечение многослойной трубы; на фиг. 5 - поперечное сечение трубы с отбортовками упругих полос основного трубчатого элемента, внедренными в стенку внутреннего трубчатого элемента под острым углом к его радиусу; на фиг. 6 - отбортовки упругих полос внедрены в стенку внутреннего трубчатого элемента по нормали к его поверхности; на фиг. 7 - продольное сечение фиг. 6 с перфорированной отбортовкой упругой полосы; на фиг. 8 - типы перфораций и выштамповок на отбортовках упругих лент для усиления прочности и надежности скрепления внутреннего и основного трубчатых элементов многослойной трубы.

Позиции на чертеже обозначают: основной трубчатый элемент 1, металлическая законцовка трубы 2, наружный трубчатый элемент 3, внутренний трубчатый элемент 4, упругая полоса 5, клеевое соединение 6.

Многослойная труба для транспортирования агрессивной среды под высоким давлением (фиг. 1) состоит из основного трубчатого элемента 1, скрепленного с металлическими законцовками 2, наружного трубчатого элемента 3, упрочняющего трубу в тангенциальном направлении и защищающего основной трубчатый элемент ее от разрушающего воздействия внешней среды, и внутреннего трубчатого элемента 4, обеспечивающего защиту основного трубчатого элемента от агрессивного воздействия транспортируемой среды под высоким давлением. Основной трубчатый элемент 1 выполнен из набора продольных упругих полос 5, имеющих высокую прочность как в продольном, так и в поперечном направлениях, уложенных плотно друг на друга по плоским спиралям и скрепленных между собой клеевыми соединениями по всем поверхностям контакта.

Упругие полосы 5 изготовлены из тонколистового высокопрочного материала, имеющего высокую прочность в продольном и поперечном направлениях на растяжение-сжатие и на сдвиг (срез), например из высокопрочной стали, или титанового сплава, или стеклотекстолита, или гибридного композитного материала, имеющего сердечник из высокопрочной металлической или неметаллической ленты и оплетку из высокопрочного волокнистого материала, пропитанного полимерным связующим (фиг. 3). Длина упругих полос 5 равна длине основного трубчатого элемента и длине многослойной трубы. Толщина, ширина упругих полос и их количество для формирования основного трубчатого элемента 1 принимаются из расчета обеспечения продольной прочности и изгибной жесткости (устойчивости) многослойной трубы, т.е. из расчета сопротивления осевым напряжениям, возникающим в стенке трубы под действием внутреннего давления транспортируемой среды, с учетом коэффициентов безопасности и запаса прочности. С другой стороны, ширина упругих полос 5 должна быть такой, чтобы при контрольно-выборочных испытаниях трубы на разрыв внутренним гидростатическим давлением жидкости разрушение основного трубчатого элемента происходило в результате тангенциального разрыва его упругих полос, а не в результате расслоения, вызванного разрушением клеевого соединения полос между собой.

Кромки упругих полос 5, выходящие на наружную поверхность основного трубчатого элемента, образуют рифленую цилиндрическую поверхность. Применяя упругие ленты со скошенной кромкой, можно избежать образования рифлей и иметь гладкую цилиндрическую поверхность. Однако заполнение углублений рифленой поверхности полимерным связующим или клеем обеспечивает более эффективную защиту торцов и соединений упругих полос в основном трубчатом элементе от разрушающего воздействия внешней среды, в частности атмосферной влаги, способствуя повышению эксплуатационной надежности и долговечности труб в составе трубопроводного транспорта.

Наружный трубчатый элемент 3, выполненный спиральной намоткой однонаправленных жгутов или лент из высокопрочных волокон, например стеклянных, пропитанных полимерным связующим, стойким к воздействию внешней среды и атмосферной влаги, выполняет одновременно несколько функций: обеспечение тангенциальной прочности многослойной трубы совместно с основным трубчатым элементом; антикоррозионная защита основного трубчатого слоя; бандажирующее действие, повышающее прочность и надежность клеевых соединений в многослойной структуре стенки и особенно в металлических законцовках трубы; повышают диаметральную жесткость трубы, уменьшая ее овализицию в ненагруженном состоянии.

Внутренний трубчатый элемент 4, выполненный из непроницаемого, эластичного, стойкого к воздействию транспортируемой под высоким давлением агрессивной среды, выполняет функцию защиты основного трубчатого элемента, его упругих высокопрочных полос 5 и их клеевых соединений 6 от воздействия агрессивной среды на всех этапах жизненного цикла трубы. От непроницаемости и от надежности скрепления внутреннего трубчатого элемента 4 с основным трубчатым элементом 1 зависит и долговечность функционирования трубы, и количество периодических ремонтов трубопровода. Для обеспечения высокой прочности и надежности скрепления внутреннего и основного трубчатых элементов трубы упругие элементы 5 имеют отбортовку внутренних кромок, причем эти отбортовки внедрены в стенку внутреннего трубчатого элемента 4. И в случае косовнедренных отбортовок (фиг. 5), и в случае радиального их внедрения (фиг. 6) материал стенки внутреннего трубчатого элемента 4 оказывается заклиненным между соседними отбортовками упругих лент 5, что исключает возможность отслоения защитной стенки элемента 4 от основного трубчатого элемента 5. Для повышения прочности и надежности их соединения в отбортовках упругих лент могут быть дополнительно предусмотрены отверстия или выштамповки (фиг. 7 и фиг. 8), заполняя которые материал стенки внутреннего трубчатого элемента 4 исключает всякую возможность его отслоения.

При наличии металлических, например, фланцевых законцовок, прочное и надежное соединение их со стенкой многослойной трубы обеспечивается посредством упругих полос 5 основного трубчатого элемента 1 (см. фиг. 1 и фиг. 2). Упругие полосы 5 своими поперечными пазами нанизываются на кольцевые выступы трубчатого хвостовика металлической законцовки 2 и приматываются спиральными витками высокопрочных волокон, пропитанных полимерным клеевым составом (связующим), образующими наружный трубчатый элемент 3 трубы. Упругие полосы 5 скреплены между собой и с поверхностью трубчатого хвостовика законцовки высокопрочными клеевыми прослойками.

Функционирует многослойная труба следующим образом.

Под действием высокого давления транспортируемой среды непроницаемый эластичный внутренний трубчатый элемент 4 передает давление на стенку основного трубчатого элемента 1, а тот далее на наружной трубчатый элемент 3. Воспринимая внутреннее давление, трубчатые элементы 1 и 3 упруго деформируются, увеличиваясь в диаметре. Благодаря развитию сдвиговых деформаций в клеевых прослойках между плоскоспиральными полосами высокомодульного материала основного трубчатого элемента, обеспечивается одновременность и одинаковость тангенциальной (и радиальной) деформации обоих силовых трубчатых элементов многослойной стенки - основного и наружного. При этом внутренний трубчатый элемент, выполненный из эластичного материала, адаптивно отслеживает радиальную и тангенциальную деформации силовых трубчатых элементов трубы (1 и 3), сохраняя свою непроницаемость, т.е. надежно защищая основной трубчатый элемент от агрессивного воздействия транспортируемой среды. Продольные нагрузки, возникающие в трубе, воспринимаются продольными упругими полосами 5 основного трубчатого элемента 1, с которыми прочно скреплена эластичная стенка внутреннего непроницаемого трубчатого элемента, которая, следовательно, адекватно отслеживает ее, не отслаиваясь и не изменяя своей формы и герметизирующих свойств.

Таким образом, указанная конструкция многослойной трубы наиболее полно использует прочностные и упругие свойства ортотропных и изотропных упругих полос и высокопрочных непрерывных волокон в силовой системе стенки, что при одинаковой массе трубы с известными конструкциями многослойных труб позволяет существенно повысить их прочность, а следовательно, и долговечность трубопровода при прочих равных условиях, или повысить давление транспортируемой среды и повысить производительность трубопровода, а также повысить жесткость и устойчивость многослойных труб и трубопроводов. С другой стороны, предлагаемая конструкция многослойной трубы обеспечивает более надежную защиту силовой стенки трубы от агрессивного воздействия транспортируемой среды, существенно повышая сроки безаварийной эксплуатации трубопровода по сравнению с известными аналогичными конструкциями.