ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение............................................................5
Глава 1. ПОЛИЭТИЛЕНОВЫЕ ГАЗОПРОВОДЫ (ОБЗОР).
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 7
1.1. Полиэтиленовые материалы для производства труб..............7
1.2. Сравнительный анализ полиэтиленового газопровода...........11
1.3. Основные геокриологические факторы воздействия грунта на
подземный газопровод....................................13
1.4. Основы подходов и направлений работы.......................14
1.5. Актуальность темы..........................................20
1.6. Объекты исследований.......................................21
1.7. Цель и задачи исследований.................................22
Глава 2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ, ИСПЫТАТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И
СТЕНДЫ.....................................................26
2.1. Методы определения физико-механических свойств материала
ПЭ труб.....................................................26
2.1.1. Линейная дилатометрия...............................26
2.1.2. Испытания на растяжение образцов-лопаток............26
2.1.3. Определение гибкости................................27
2.1.4. Ударные испытания...................................27
2.1.5. Температура хрупкости...............................28
2.1.6. Одноосное растяжение трубчатых образцов.............30
2.1.7. Двухосное растяжение трубчатых образцов.............31
2.1.8. Испытания труб на внутреннее давление...............31
3
2.2. Разработка технических средств для испытаний труб.............32
2.2.1. Установка двухосная низких давлений (УДОНД)............32
2.2.2. Установка для создания внутреннего давления в трубчатых образцах (УВД-40).....................................36
2.2.3. Стенды для измерения осевых перемещений и усилий в трубе при температурных
перепадах..............................38
2.3. Измерительный комплекс для мониторинга полиэтиленового газопровода подземного заложения..........................40
2.3.1. Разработка зондов для комплексного исследования перемещений газопровода...............................40
2.3.2. Конструкция репера....................................43
2.3.3. Разработка аппаратуры для автоматизированной регистрации температур............................................44
2.3.4. Методика проведения измерительных работ...............45
2.4. Статистическая обработка данных..............................46
Выводы к главе 2......................................................50
Глава 3 УПРУГО-ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА ПЭ80 ПРИ
КЛИМАТИЧЕСКИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ............................51
3.1. Испытания образцов - лопаток.................................51
3.2. Испытания трубчатых образцов.................................53
3.3. Ударные испытания............................................60
3.4. Температура хрупкости........................................62
3.5. Испытания трубчатых образцов на внутреннее давление..........62
3.6. Осевые температурные деформации и напряжения в полиэтиленовых трубах.........................................................66
3.6.1. Осевые температурные деформации.......................67
3.6.2. Осевые температурные напряжения.......................71
4
Оц 3.7. Натурные испытания труб на консольный изгиб.................75
3.8. Сварные соединения труб.....................................77
Выводы к главе 3....................................................85
Глава 4. МОНИТОРИНГ ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННОГО
ГАЗОПРОВОДА.................................................87
4.1. Основные геокриологические факторы воздействия грунта на
подземный газопровод........................................87
4.2. Результаты исследований опытно-промышленного полиэтиленового
газопровода.................................................88
4.2.1. Характеристики грунтов в местах контрольных точек.....88
<0. 4.2.2. Измерения температур..................................90
4.2.3. Вертикальные перемещения..............................92
4.2.4. Осевые перемещения....................................94
4.3. Критический радиус изгиба трубопровода при снижении
температуры.................................................96
4.4. Оценка запаса прочности при снижении глубины заложения
газопровода.........................................................97
Выводы к главе 4...................................................102
Общие выводы.......................................................103
0 Использованная литература..........................................104
Приложения.........................................................122
Ш
5
Введение
К настоящему времени в России сложились экономические предпосылки для осуществления планов формирования в районах Восточной Сибири и Дальнего Востока нового центра газовой промышленности и Единой системы газоснабжения. Основу сырьевой базы для этого составляют, прежде всего, углеводородные месторождения в Иркутской и Сахалинской областях, Республике Саха (Якутия), Красноярском крае и Эвенкийском автономном округе. Эти регионы характеризуются низкими климатическими температурами и наличием многолетнемерзлых грунтов. В Республике Саха (Якутия) приняты две программы: «Государственная программа развития нефтяной и газовой промышленности РС(Я) до 2002 года и основные направления до 2005 г.» и «Газификация населенных пунктов РС(Я) в 2002-2006 г.г. и основные направления газификации до 2010 г.» [76]. Основные задачи программ - обустройство и освоение газоконденсатных месторождений РС(Я), газификация сельских районов.
Реализация программ позволит повысить уровень жизни населения, создаст благоприятную экологическую обстановку, увеличит производство товаров народного потребления. За период с 1992 по 2001 г.г. в РС(Я) газифицировано 37 населенных пунктов в пяти районах.. Введено газопроводов-отводов 37,1 км, межпоселковых и внутрипоселковых газовых сетей 479,8 км. Отметим, что в 2003 году осуществлен подводный переход газопровода через реку Лена в заречные районы республики - самый протяженный переход в мире в условиях многолетней мерзлоты. Это также приведет к интенсификации строительства подземных межпоселковых газопроводов среднего и низкого давления.
Для осуществления этих программ необходимо применение не только стальных труб, но и полиэтиленовых [105]. Последние позволяют снизить стоимость строительно-монтажных работ и увеличить срок эксплуатации
подземных газопроводов, т.к. их расчетная долговечность более 50 лет. Кроме того, комплекс конструкционно-монтажных преимуществ, таких как гибкость, малый удельный вес, простота технологии сварки позволяет значительно сократить сроки строительства, что немаловажно в условиях короткого лета Севера.
С экономической точки зрения использование полиэтиленовых труб в газораспределительных сетях среднего и малого даааения является выгодным благодаря малой себестоимости по сравнению с металлическими трубами [200,201] и высокой технологичности [44,45,47]. Хороший пример применения данных труб в России - Западная Сибирь [97,98,119,129].
7
Глава 1. ПОЛИЭТИЛЕНОВЫЕ ГАЗОПРОВОДЫ (ОБЗОР). АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ
1.1. Полиэтиленовые материалы для производства труб
Наиболее распространенные трубные термопласты - это полиэтилен, поливинилхлорид и полипропилен. Каждая труба из указанных материалов обладает своими уникальными свойствами и особыми преимуществами перед другими. Эти преимущества определяют область их конкретного применения. Поливинилхлорид и полипропилен применяются в области положительных температур. Не обладают достаточной хладостойкостью, поэтому не пригодны для транспортировки природного газа. Марки полиэтилена, в свою очередь, разделяются по способу получения и технологии производства, которые сильно зависят от химического состава исходных продуктов - этилена и сополимеров.
В промышленности производят полиэтилен (ПЭ): при разных технологических давлениях: полиэтилен высокого давления (ПЭВД) -синтезируется полиэтилен низкой плотности, полиэтилен среднего давления (ПЭСД) - синтезируется полиэтилен средней плотности, полиэтилен низкого давления (ПЭНД) - синтезируется полиэтилен высокой плотности. Полиэтилен, получаемый по двум последним способам, иногда называется полиэтиленом высокой плотности. Эти три типа ПЭ различаются по степени разветвленности и, следовательно, по степени кристалличности и плотности, а также по молекулярной массе, молекулярно-массовому распределению и другим показателям [202].
Исследования последних десятилетий показали, что управление свойствами термопластов возможно изменением не только их молекулярной массы (в зависимости от степени полимеризации), но и пространственного расположения групп мономерных звеньев в пределах каждой
макромолекулы. Одним из способов регулирования свойств термопластов является сополимеризация, при которой происходит одновременная полимеризация мономерных групп двух или нескольких исходных веществ.
При полимеризации чистого этилена образуется линейный полиэтилен без боковых ответвлений, называемый гомополимером. В случае сополимеризации этилена с бутеном (две связи углерода) образуются боковые ответвления от основной цепи длиной в два атома углерода, с гексеном - в четыре атома углерода, с октеном - в шесть атомов углерода (Рис. 1.1) [46]. Из-за этих боковых соединений, в зависимости от количества добавляемого сомономера, изменяется и количество образующихся ответвлений от основной цепи и, соответственно, по-разному формируется кристаллическая структура полиэтилена, а, следовательно, и свойства.
с
с
с
с
с
с
с
с
с
с
с
с
с
с
с
с
с
с
с
с
с
1
с
с
ссс
с
с
с
с
с
с
с
ссс
с
с
с
с
с
с
с
ссс
с
с
2
с
ссссс
с
с
с
с
с
с
ссссс
с
с
с
с
с
с
с
с
ссссс
с
с
с
3
с
ссссссс
с
с
с
с
с
с
ссссссс
с
с
с
с
с
с
с
с
ссссссс
с
с
с
4
Рис.1.1. Схема строения макромолекул полиэтилена (гомополимер, 1) и сополимеров этилена с бутеном (2), гексеном (3) и октеном (4).
Существуют и применяются классификационные обозначения по IS012162. Для классификации марок материалов используется Международный стандарт IS04437 GEN ТС 155 PrEN 1555, заметим, что газовые компании используют свои собственные классификации для материала. В мировой практике в трубах указывается внешний диаметр (по
диаметру экструдера), отсюда идет расчет SDR (отношение номинального наружного диаметра трубы к номинальной толщине стенки).
Минимальная длительная прочность MRS, напряжение, полученное путем экстраполяции на срок 50 лет при температуре 20 °С данных испытаний труб на стойкость к внутреннему гидростатическому давлению с нижним доверительным интервалом 97,5 % и округленное до ближайшего нижнего значения ряда RIO по ГОСТ 8032.
Коэффициент запаса прочности С выбирают при проектировании газораспределительных трубопроводов из ряда R20 по ГОСТ 8032 с учетом условий эксплуатации в соответствии с таблицей 1.1.
Таблица 1.1
С PMSy МПа
ПЭ63 (MRS 6,3) ПЭ80 (MRS 8,0)
SDR 17,6 SDR 11 SDR 17,6 SDR 11
2,50 0,30 0,50 0,39 0,64
2,80 0,27 0,45 0,34 0,57
3,15 0,24 0,40 0,31 0,51
Максимальное рабочее давление PMS (МПа), рассчитывают по формуле [75];
2-MRS -.
C*(SDR-\)
Структура. Полимерные цепи складываются в пластинчатые структуры (ламели), между которыми расположены нерегулярные складки цепей и проходные цепи, соединяющие все слои в единую структуру. Ламели образуют более сложные сферолитные структуры, в которых они располагаются по радиусу от центра их роста. При медленном охлаждении в полимере создаются благоприятные условия для образования крупносферолитных образований, при резком охлаждении - наоборот [32,202]. Характеристика кратковременной прочности растет, когда
10
относительное удлинение от увеличения размеров структурных образований (сферолитов) снижается, и изменение длительной прочности сварного шва от размеров структурных образований тоже снижается [94].
В области стеклования ползучесть и релаксация напряжения аморфных полимеров сильно зависят от молекулярной массы, а в высокоэластическом состоянии, выше температуры стеклования, механические свойства определяются длиной цепи. Для аморфных линейных полимеров механические характеристики определяются; вязкостью и высокоэластичностыо, которые обусловлены зацеплениями макромолекул [31,32].
Сварка полиэтилена. Вопросы изучения сварных соединений полиэтиленовых труб рассмотрены в работах К.И. Зайцева [85-87,89], Л.К. Успенского и М.Н. Кауфмана [183], где на основе предположения о существовании остаточных напряжений и соответствующего теоретического подхода рассчитаны опасные напряжения в области сварных соединений.
Существуют проблемы, связанные как с производством сварочных работ при низких температурах, так и с механической стойкостью сварного шва при этих температурах. Поэтому исключительно большое значение имеет задача определения температурного режима всего процесса сварки. В работе Н.П.Старостина [146] с точки зрения тепловых процессов рассмотрена задача о распределении температур по оси трубы с учетом теплообмена с внешней средой, полученные результаты хорошо согласуются с замерами температур на поверхности сварного соединения [23].
Вопросам длительной прочности сварных соединений уделяется большое внимание [25,52,96,132,183]. При испытаниях на длительную прочность разрушение полимеров проходит через стадии вязкого, хрупкого разрушения, а затем доминирующим становится процесс старения. Таким образом, долговечность материала, является критерием для классификации качества ПЭ труб, включая зоны сварного соединения.
- Київ+380960830922