УДК 622.692.4-192
DOI: 10.28999/2541-9595-2024-14-6
Научная специальность: 2.8.5. Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ

Методы оценки прочностных свойств защитных покрытий трубопроводов

И. И. Шапорин^a, Г. Г. Васильев^b, И. А. Леонович^b

^a ООО «БТ СВАП», Лобненская ул., 21, стр. 2, 127644, Москва, Россия
^b Российский государственный университет нефти и газа (национальный исследовательский университет) имени И. М. Губкина, Ленинский проспект, 65, 119991, Москва, Россия

Автор для связи: Г. Г. Васильев, e-mail: srgnp@gubkin.ru

Аннотация

Расширение географии строительства нефтегазопроводов в регионах с низкой плотностью населения и на территориях распространения скальных, галечниковых, мерзлых и крупнообломочных грунтов требует повышенного внимания к защите изоляционного покрытия трубопровода от механических воздействий окружающей среды. Традиционный способ защиты покрытия путем применения мелкодисперсного песчаного грунта имеет существенные недостатки, которые могут в определенных обстоятельствах привести к значительному удорожанию стоимости строительства и эксплуатации трубопровода, особенно при необходимости периодической замены и обновления песчаного защитного слоя.

Для решения этой проблемы широкое распространение в практике получили защитные конструкции из различных материалов, которые устанавливаются на внешнюю поверхность трубопровода. Защитные конструкции значительно отличаются как по материалу, так и по способу установки. Применяемые в них материалы совершенно различны по своим прочностным характеристикам, имеют различную плотность, твердость, гибкость, что приводит к комплексной проблеме отсутствия возможности сопоставления защитных характеристик таких конструкций друг с другом, а значит невозможности подбора оптимальной конструкции.

Проблема усугубляется применением различными производителями совершенно разных критериев прочности и надежности для защитных покрытий. Производители вынуждены опираться на результаты практических и полевых испытаний, чаще всего уже по факту применения защитной конструкции.

Ключевые слова: трубопровод, изоляция, защита, защитное покрытие, твердость, прочность, надежность

Введение

За последние годы требования к целостности трубопроводов на всех стадиях его жизненного цикла существенно возросли из-за увеличения диаметра и протяженности линейной части нефтегазопроводов, повышения внутреннего рабочего давления, возрастания требований к предотвращению негативных воздействий на окружающую среду. На безопасность трубопроводов в числе прочих причин существенно влияют внешние механические повреждения.

Механические повреждения чаще всего связаны с нарушениями технологических регламентов процессов производства работ в ходе строительства, регламентов эксплуатации, а также со случайными факторами, которые в большинстве случаев являются результатом деятельности третьих лиц. Для наиболее распространенных механических повреждений с учетом геометрии укладки, траектории и величины воздействия, возможно различать следующие дефекты поверхности:

вмятины, образовавшиеся под действием статической нагрузки на трубы (трубопровод);
выбоины, образовавшиеся под действием ударной нагрузки от камней и строительной техники;
пробоины, сквозные отверстия, образовавшиеся под действием ударной нагрузки элементами строительной техники;
трещины, образовавшиеся под действием ударной нагрузки различного происхождения;
поверхностные царапины, возникшие в процессе хранения и транспортировки труб, строительства трубопроводов, образованные под действием продольного взаимного перемещения трубопровода относительно режущей поверхности, например при прокладке методом протаскивания;
гофры, образовавшиеся под действием изгибающей нагрузки;
непроектные изгибы (вспучивания и т. п.), образовавшиеся под действием внешних воздействий.

Перечисленные выше дефекты могут относиться как к материалу самой трубы, так и к ее антикоррозионному и защитным покрытиям. Учитывая достаточно условное разделение дефектов в реальных условиях строительства объекта одновременно может иметь место образование нескольких из перечисленных выше повреждений.

По открытым данным Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору (Ростехнадзор) возможные дефекты трубопровода, связанные с механическим повреждением антикоррозионных покрытий и металла труб, можно идентифицировать на основе выявления всех типичных опасностей, которые могут быть реализованы на протяжении всего жизненного цикла трубопровода. Подземный трубопровод во всех пространственных положениях его поверхности – в нижней части периметра, на верхней образующей и боковых стенках трубы в процессе строительства и эксплуатации – находится под воздействием статических и динамических нагрузок (рис. 1).

Рис. 1. Типичные внешние механические воздействия на поверхность трубопровода

Для безотказной работы трубопровода в течение расчетного срока эксплуатации все виды воздействий должны быть компенсированы, а способность нести данные нагрузки должна быть контролепригодной.

На практике ведется постоянный поиск и разработка новых эффективных методов защиты трубопроводов от механических воздействий. При строительстве трубопроводов традиционно в качестве защиты трубопровода используется подсыпка и присыпка из привозного минерального грунта (рис. 2). Данная технология стала существенным фактором роста затрат из-за значительного объема требуемого материала и затрат на его транспортировку и подсыпку (засыпку).

Рис. 2. Расположение слоев грунта при прокладке трубопровода с использованием подсыпки и присыпки из мелкодисперсных грунтов

Экономически эффективной альтернативой традиционной технологии строительства являются различные защитные конструкции. Для сохранения целостности противокоррозионного покрытия трубопроводов и частично тела трубы создавались, начиная с использования простейших битумных композиций в сочетании с крафт-бумагой в начале своего развития, постоянно развивались и модернизировались защитные покрытия трубопроводов. Современные защитные покрытия трубопроводов от внешних воздействий представляют собой достаточно сложные полимерные и композитные системы как заводского, так и трассового исполнения, способные выдерживать существенные внешние воздействия. Для защиты противокоррозионного покрытия трубопровода в настоящее время используются разнообразные альтернативные технологии (рис. 3).

Рис. 3. Варианты альтернативных технологий защиты трубопроводов от механических воздействий: a – засыпка/заливка трубопровода; b – подсыпка/подливка трубопровода; c – защитные обертки; d – защитные опорные конструкции; e – защитные футеровочные конструкции; f – наносимые и напыляемые покрытия

Методология

Эффективность современных защитных покрытий трубопроводов изменяется в широких пределах и определяется не столько предназначением и областью их применения, сколько параметрами защитных свойств того или иного материала покрытия. При этом в отрасли отсутствует систематизация требуемых характеристик защитных покрытий, которыми они должны обладать, чтобы компенсировать факторы внешнего воздействия на трубопровод.

Исходя из опасностей, которые могут возникнуть на протяжении всего жизненного цикла трубопровода, оценку функциональных свойств защитных покрытий следует производить по следующим характеристикам:

стойкость к статическому продавливанию (прочность на сжатие);
сопротивление проколу;
ударная стойкость;
сопротивление истиранию;
сопротивление продиру (прорезанию).

Стойкость к статическому продавливанию

При прокладке подземных газонефтепроводов в скальных или мерзлых грунтах, сложенных частицами каменистых, гравийно-галечниковых, щебенистых и многолетнемерзлых грунтов, основными являются усилия, направленные по нормали к поверхности защитных покрытий, величина которых возрастает с увеличением диаметра трубы и высоты слоя грунта над трубопроводом, собственного веса трубопровода, а также от веса балластирующих устройств и трубопроводной арматуры, веса антикоррозионного и защитных покрытий, веса транспортируемого продукта. Также учитываются возможные кратковременные дополнительные нагрузки при проезде техники.

В общем случае при статическом действии вертикальной нагрузки предел прочности на сжатие (стойкость к продавливанию) R_сж равен разрушающей силе в момент разрушения образца, приходящейся на единицу площади первоначального сечения материала:

R_сж = P_max / F

где P_max – максимальная разрушающая нагрузка, которая определяется суммированием массы грунтовой засыпки, собственного веса трубопровода и трубопроводной арматуры, транспортируемого продукта, антикоррозионного и защитных покрытий, балластирующих устройств, дополнительной нагрузки, возникающей при переезде техники через трубопровод; F – площадь поперечного сечения образца.

При этом ширина опорной поверхности определяется величиной наружного диаметра трубы и синусом угла опирания трубы основанием, град. Оценка реальной площади контакта определяется зависимостью площади опирания от угла опирания трубопровода, которую невозможно вычислить однозначно, поскольку при достижении усилия вдавливания величины, равной или более угла внутреннего трения φ грунтов основания, нарушается устойчивость частиц в основании и происходит сдвиг частиц грунта относительно первоначального положения, таким образом создается неравномерность распределения сил в контактной зоне с поверхностью трубопровода.

Рис. 4. Воздействия на трубопроводы при относительно небольшой глубине залегания: r₁ – наружный радиус трубопровода; D₀ – внутренний диаметр трубопровода; G_c – вес засыпки грунта

Расчет давления грунта и дополнительных нагрузок

Для расчета вертикального давления грунта на трубу от внешних нагрузок используется расчетная схема, приведенная на рис. 5. В расчете принимается среднее давление грунта σ_cp, кПа, по горизонтальной плоскости, проходящей через центр трубопровода, которое определяется по формуле:

σ_cp = q_гр = γ_естh_ср

где γ_ест – объемный вес грунта в естественном состоянии, кг/м³; h_ср – глубина засыпки до середины трубопровода.

Рис. 5. Схема давления грунта на подземный трубопровод: q_гр – давление грунта на трубу; h_ср – высота свода; D_н – наружный диаметр трубы

Стойкость к проколу и прорезанию

Неравномерности опирания в основании подземного газонефтепровода в траншее как в продольном, так и поперечном направлении образуются на основаниях из дробленного скального, щебенистого или вечномерзлого грунта в результате скалывания менее прочных частиц при уплотнении основания, укладки газонефтепровода, засыпки и стремлении конструкции опереться на самые твердые и выступающие частицы.

Максимальное значение точечного воздействия предлагается определять по формуле:

P = 0,3πd_гр²R_р

где d_гр – диаметр частиц грунта (размер фракций), мм; R_p – прочность частиц грунта на растяжение при раскалывании, МПа.

Рис. 8. Форма наконечника индентора: a) индентор с углом 90°; b) альтернативный индентор: h – глубина погружения индентора, R – радиус скругления наконечника

Ударная стойкость

Стойкость средства защиты к ударам фракций грунта на стадии засыпки нефтегазопровода после его укладки в траншею выполняется при соблюдении условия:

E_c ≥ E

где E_c – стойкость средства защиты к удару; E – энергия удара грунта на стадии засыпки нефтегазопровода.

В качестве величины стойкости к удару предлагается использовать приближенную величину максимального значения энергии удара частиц грунта, определяемую по формуле:

E = 0,2πd³_грρ_грgh

где ρ_гр – плотность фракций грунта, кг/м³ (для скального грунта можно принять равной 2650 кг/м³); g – ускорение свободного падения (9,81 м/с²); h – высота сбрасывания грунта экскаватором на трубопровод на стадии его засыпки, м; d_гр – средний диаметр частицы грунта.

Сопротивление истиранию

Сопротивление истиранию (стойкость к истиранию) можно определить как способность покрытия сопротивляться истиранию в случае, когда оно подвергается повторяющемуся механическому трению. Стойкость покрытия к истиранию является весьма важным фактором при прокладке трубопроводов методом протаскивания и бестраншейными методами укладки.

Классически лабораторные исследования осуществляются на круге истирания G₁ в г/см², характеризуемую потерей массы образца, определяют с погрешностью до 0,1 г/см² для отдельного образца по формуле:

G₁ = (m₁ – m₂) / F

где m₁ – масса образца до испытания, г; m₂ – масса образца после 4 циклов испытания, г; F – площадь истираемой грани образца, см².

Для оценки истираемости грунта также используется коэффициент истираемости образцов крупных обломков грунта K_fr, который определяется по формуле:

K_fr = q₁ / q₀

где q₁ – масса частиц размером менее 2 мм после испытания крупнообломочных фракций грунта (частицы размером более 2 мм) на истирание в полочном барабане; q₀ – начальная масса пробы крупнообломочных фракций (до испытания на истирание).

Таблица. Коэффициент истираемости крупных обломков
Разновидность крупнообломочных грунтов	Коэффициент истираемости K_fr
Очень прочный	K_fr ≤ 0,05
Прочный	0,05 < K_fr ≤ 0,20
Средней прочности	0,20 < K_fr ≤ 0,30
Малопрочный	0,30 < K_fr ≤ 0,40
Пониженной прочности	K_fr > 0,40

Выводы

Отсутствие единой методики оценки прочностных параметров защитных покрытий трубопроводов вызывает необходимость определения защитных свойств различных покрытий по оригинальным методикам испытания, разработанным индивидуально для каждого покрытия, что в свою очередь определяет необходимость создания специализированных испытательных стендов для определения прочностных параметров, применительно к каждому защитному покрытию.

Применяемые методы оценки прочностных параметров защитных покрытий трубопроводов носят в значительной степени субъективный характер, поскольку их результаты зависят от принятых схем испытаний, алгоритмов и параметров нагружения, формы и размеров используемых инденторов и резцов.

При таком подходе оценка и практическое использование значения внешнего воздействия, которое способно выдержать каждое конкретное защитное покрытие, определяется производителем покрытия опытным путем, а полученные прочностные характеристики защитных покрытий, подтвержденные в установленном порядке, в дальнейшем используются для разработки проектных требований как к данному защитному покрытию, так и в целом к технологии прокладки трубопровода.

Для возможности замены технологий подсыпки и присыпки минеральным грунтом на альтернативные конструкции защитных покрытий должны быть сформулированы и регламентированы требования по прочностным характеристикам таких покрытий, которые гарантировали бы безопасную работу антикоррозионных покрытий в различных условиях прокладки трубопровода.

Список литературы

Васильев Г. Г., Ревазов А. М., Леонович И. А. Предотвращение и ликвидация последствий аварий и чрезвычайных ситуаций на объектах магистрального трубопроводного транспорта: учебное пособие. М.: РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина, 2022. 238 с.
Мацюк Р. А., Володченкова О. Ю. Анализ и разработка классификации причин возникновения дефектов защитных покрытий подземных трубопроводов // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. 2021. № 3. С. 47–51.
Агиней Р. В., Исупова Е. В. Исследование факторов, приводящих к повреждению изоляционного покрытия длительно эксплуатируемого участка магистрального газопровода // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. 2021. № 5. С. 73–81.
Максименко А. Ф., Васильев А. А. Снижение риска возникновения аварийной ситуации как следствие механического повреждения изоляционного защитного покрытия трубопровода // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. 2017. № 4. С. 31–34.
Запевалов Д. Н., Маянц Ю. А., Глазов Н. Н. Магистральные газопроводы в условиях интенсивных механических воздействий: особенности строительства и защиты от коррозии // Научно-технический сборник «Вести газовой науки». 2019. № 3. С. 104–111.
Лободенко И. Ю., Федоренко А. А. Методы инженерной защиты объектов магистральных трубопроводов от опасных природных процессов и явлений // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. 2016. № 6. С. 72–78.
Обоснование допустимого размера фракций грунта, применяемого для газопровода, оснащенного средствами защиты от механических повреждений / Ю. А. Маянц [и др.] // Газовая промышленность. 2020. № 1. С. 82–91.
Маркочев В. М. Обратная задача прочности для оценки изгибных напряжений в трубопроводах при подвижках грунта // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2021. Т. 87. № 9. С. 68–76.
Таран В. Д. Сооружение магистральных трубопроводов. М.: Недра, 1964. 544 с.
Славуцкий А. К., Волков В. Г., Курденков Б. И. Дорожные одежды из местных материалов. М.: Транспорт, 1977. 264 c.