Основы резервуаров и трубопроводов из стекловолокна

Стеклопластиковые трубы: прошлое, настоящее и будущее

Сегодня термореактивный пластик, армированный стекловолокном («FRP»), используется во многих промышленных продуктах, включая хранение и транспортировку коррозионно-активных материалов или обращение с другими материалами в коррозионно-активных средах. Несмотря на то, что трубы из стеклопластика имеют 65-летнюю историю, они считаются современным материальным продуктом со многими новыми появляющимися областями применения, в которых используются преимущества его коррозионной стойкости, отношения прочности к весу, низких эксплуатационных расходов и стоимости жизненного цикла. В этом документе обсуждается история производства труб из стеклопластика, текущие области применения труб из стеклопластика и появляющиеся будущие технологические достижения для новых применений в нефтехранилищах и на объектах по переработке нефти.

II. Вступление

Не путайте трубы из стеклопластика с обычными трубами из термопластика, такими как ПВХ и полиэтилен. В этих термопластических системах обычно используются неармированные экструдированные трубы и литые под давлением фитинги и фланцы. Их сила исходит из огромной массы материала. Напротив, материалы для труб из стеклопластика изготавливаются методом намотки, в котором используются эпоксидные смолы, армированные непрерывными стеклянными нитями. Используемые смолы являются термореактивными, то есть они подвергаются необратимым химическим реакциям по мере отверждения, что приводит к превосходным температурным характеристикам, в то время как армирование волокном делает компоненты трубопровода механически более прочными, чем обычные неармированные термопласты. В результате повышается производительность и снижается вес.

Кроме того, не путайте ручную укладку с изделиями из стеклопластика, изготовленными машинным способом. Количество производителей ручной укладки исчисляется тысячами и включает в себя небольшие магазины, которые обычно специализируются на потребительских товарах, таких как туалетные столики или прогулочные катера. Однако производителей машинных труб относительно немного. Это крупные производители, которые массово производят имеющиеся в наличии или на заказ трубы для нефтяной, коммерческой, промышленной и муниципальной промышленности как для внутреннего, так и для зарубежных рынков. FRP машинного производства может иметь более высокое содержание стекла, т.е. более плотный продукт из стекловолокна/смолы, который более воспроизводим в среде с контролируемым качеством. Таким образом, эта статья ограничена достижениями в области машинного производства труб и фитингов, которые будут применяться в нефтяной промышленности.

III. Первые дни

В первые дни, сразу после открытия полковником Дрейком возле Титусвилля, штат Огайо, в 1859 году, трубка вообще не использовалась! Эта ранняя добыча нефти была перекачана непосредственно в деревянные бочки для отправки. Первые трубы были деревянными, позже их заменили стальными. Однако стальные трубопроводы быстро подвергались коррозии из-за сочетания соленой воды и высокосернистой сырой серы. Хотя технология FRP была разработана во время Второй мировой войны, позже первая труба была изготовлена ​​​​из FRP путем ручного нанесения ткани из стекловолокна и смолы на охватываемую оправку. Этот метод «ручной укладки» подходил для некоторых применений в химической промышленности, но не обладал сочетанием прочности и экономической эффективности, необходимыми для замены стали в нефтяной промышленности.

IV. Трубопровод машинного производства

В конце 1940-х годов центробежное литье было первым машинным методом производства труб, подходящих для химического и коммерческого применения, а также для трубопроводов нефтепромыслов. Затем был разработан процесс намотки нитей для производства труб с натянутыми стекловолокнами, ориентированными на комбинацию кольцевых и осевых сил. Намотка нити с двухугольной конструкцией потребовала слоев стекловолокна с почти осевой ориентацией и привела к разработке скважинных насосно-компрессорных труб высокого давления (до 2,000 фунтов на квадратный дюйм) для добывающих скважин. Некоторые из этих более ранних колонн насосно-компрессорных труб из стеклопластика остаются в эксплуатации после более чем 35 лет производства.

В 1960-х годах был разработан эффективный процесс непрерывного производства больших объемов труб малого диаметра, рассчитанных на давление (до 450 фунтов на квадратный дюйм). Широкомасштабное использование этой трубы началось в 1964 году и в основном устанавливалось на двухдюймовых линиях сбора сырой нефти.

V. Разработка кодексов и стандартов

В 1959 году Американское общество по испытанию материалов (ASTM) опубликовало первые признанные на национальном уровне стандарты и методы испытаний для труб из стеклопластика. Эта первая спецификация была ASTM D1694, Стандартная спецификация для резьбы для труб из термореактивной смолы, армированной стекловолокном, и была разработана группой, состоящей из представителей производителей стеклопластиковых труб, нефтяных компаний и других отраслей.

В 1968 году Американский институт нефти («API») опубликовал свой первый стандарт на трубы из стеклопластика. Первым стандартом API был API 15LR, Спецификация трубопроводных труб из термореактивной смолы, армированной стекловолокном. Сегодня ASTM и API публикуют многочисленные стандарты, спецификации и методы испытаний для трубопроводов из стеклопластика.

VI. Сегодня

Сегодня использование труб из стеклопластика, изготовленных машинным способом, расширилось от их первоначального основного использования в линиях сбора нефтяных месторождений до приложений, варьирующихся от обработки легковоспламеняющихся и горючих жидкостей на розничных потребительских объектах до канализационных и водопроводных сетей на муниципальном и промышленном рынках. Ниже приведены примеры текущих применений трубопроводов из стеклопластика:

В нефте- и газодобывающей промышленности приложения с высоким давлением включают до 4,000 фунтов на квадратный дюйм. В таких холодных условиях, как за Полярным кругом и в пустынях Ближнего Востока. Трубопроводы из стеклопластика используются как над землей, так и под землей и используются в системах от добычи до методов повышения нефтеотдачи, включая гидравлический разрыв пласта до соленой воды и CO.₂ инъекции.

Обращение с легковоспламеняющимися и горючими жидкостями включает подземные трубопроводы автомобильного топлива, в том числе спирта (этанола) с высокой концентрацией, а также авиационного и судового топлива на большинстве национальных предприятий по заправке розничных и коммерческих транспортных средств. С тех пор, как в конце 1960-х годов FRP-трубы были внесены в список Лаборатории андеррайтеров, было успешно установлено более 150 миллионов футов, которые обслуживают автомобилистов страны.

В то время как в канализационных и дренажных трубах по-прежнему преобладает бетон, есть много областей, где FRP является предпочтительным выбором. Например, бетонная труба быстро разрушается в сточных водах из-за воздействия сероводорода. Сероводород разрушает верхнюю поверхность трубы и в конечном итоге вызывает обвал. FRP не подвержен влиянию сероводорода или продувке щелочью или гипохлоритом для подавления запаха сульфида. В результате труба FRP использовалась в качестве вкладыша в бетонную трубу большого диаметра (от 48 до 60 дюймов).

VII. Будущее

Архитектурные и инженерные фирмы теперь могут использовать компьютерные программы, разработанные для усовершенствования конструкции трубопроводных систем из стеклопластика. Программа включает анализ потока жидкости, анализ потока газа, анализ свободного пролета, конструкцию упорного блока, химический состав и информацию по установке. Программа позволяет легко выполнять сложные расчеты и анализ при проектировании новой системы трубопроводов из стеклопластика или при устранении неполадок в существующей системе трубопроводов из стеклопластика.

Нефтегазодобывающая промышленность:

Нефтегазодобывающей промышленности потребуются трубопроводы с более высоким номинальным давлением и большего диаметра, чтобы контролировать проблемы с коррозией в трубопроводах добываемой жидкости (нередко «производить» и обрабатывать семь баррелей воды на каждый баррель сырой нефти, добытой из-под земли). ). В дополнение к решению проблем с коррозией, трубопроводы из армированного стеклопластика могут быть разработаны с добавлением антипирена для уменьшения распространения пламени в некритических зонах или в критических зонах, покрыты вспучивающейся краской или изолированы вспучивающимся материалом, т. е. краска и покрытие расширяются. для создания негорючей пеноизоляции. Эта последняя система будет поддерживать работоспособность трубопровода в течение как минимум трех часов в условиях потока. Противопожарные трубы из стеклопластика решают проблемы веса при проектировании морских нефтедобывающих платформ. Уменьшение веса конструкции платформы может сэкономить владельцу от 2.00 до 4.00 долларов на фунт затрат на строительство за счет уменьшения веса опорной конструкции (например, экономия до 750 тонн). В зонах, классифицированных как опасные, трубопроводы из стеклопластика могут быть изготовлены из проводящих волокон, смешанных со стеклянными волокнами, чтобы обеспечить электропроводность материала для заземления системы и предотвратить потенциальное накопление статического заряда.

Муниципальные и промышленные трубы:

Бестраншейный трубопровод: Бестраншейная прокладка трубопроводов — это быстро развивающаяся технология, при которой микротоннелирование для новых трубопроводов и скользящая облицовка для восстановления существующих трубопроводов не нарушают дорожное полотно или другие надземные сооружения.

Микротоннелирование: В то время как бурение туннелей использовалось в крупных туннельных проектах, микротоннелирование является новым применением для бестраншейной прокладки трубопроводов. При прокладке микротоннелей труба из стеклопластика гидравлически поднимается и проталкивает режущую головку через субстрат. Чтобы протолкнуть трубопровод большого диаметра на расстояние в сотни футов, требуются сотни тонн подъемного давления. Например, труба из стеклопластика диаметром 18 дюймов может быть поднята домкратом при давлении до 90 тонн, а труба из стеклопластика диаметром девять футов — при давлении до 1,750 тонн.

В прошлом втулки из нержавеющей стали использовались в качестве армирования вокруг стыков бетонных труб, чтобы выдерживать давление гидравлического домкрата. Тем не менее, втулочные соединения FRP оказались экономически эффективной заменой нержавеющей стали, используемой при подъеме бетонных труб.

Системы труб и соединений FRP оказались более рентабельными, чем их бетонные аналоги, благодаря более гладкой внешней поверхности и меньшему весу. Эти функции значительно снижают требуемое давление подъема и позволяют поднимать более длинные участки, чем бетон, что снижает затраты и время на установку.

Нескользящая подкладка: Прокладка – это бестраншейный метод восстановления существующей трубы с минимальными земляными работами. Новые и отремонтированные канализационные и дренажные трубы больше не ограничиваются методами скользящей облицовки из стеклопластика относительно небольшого диаметра. Технология производства центробежно-литых труб из стеклопластика усовершенствовалась и позволяет производить трубы машинного производства с жесткими допусками на наружный диаметр диаметром до 120 дюймов. Небольшой вес и гладкая внешняя поверхность позволяют вставить трубу в существующую трубу, таким образом восстанавливая протекающие бетонные канализационные трубы. Эта система восстановления сводит к минимуму давление подъема, необходимое для проталкивания трубы из стеклопластика через существующую бетонную трубу, и выполняется даже при продолжении потока сточных вод. Например, в настоящее время осуществляется бестраншейный проект по восстановлению 6,000 футов 102-дюймовой канализации в Лос-Анджелесе с минимальными земляными работами с использованием трубы из стеклопластика диаметром девять футов.

Промышленные применения: Химическая обработка обычно включает воздействие на трубопровод таких химических веществ, как ацетон, метиленхлорид, соляная кислота, этилендихлорид, фенол, толуол, ксилол, этилацетат и метилацетат. Специальные металлы, такие как титан, обычно используются для устойчивости к таким химическим веществам, но они чрезмерно дороги. Однако выбранные смолы, такие как материалы на основе фурана, чрезвычайно устойчивы к растворителям и экономически эффективны.

Приложения для сбыта нефти

Традиционно на предприятиях по сбыту нефти использовались стальные трубы, которые были недорогими и соответствовали требованиям пожарной безопасности в течение 2 часов при температуре 2,000 ° F для обращения с легковоспламеняющимися и горючими материалами. В то время как объекты розничной торговли адаптировались к новым достижениям в области материалов, например, к подземным резервуарам из стеклопластика, трубопроводам и гибким соединителям, проектировщики распределительных терминалов и подрядчики не спешили применять технологии, не связанные со сталью. Ниже приведены несколько областей, в которых проектировщик терминала должен рассмотреть применение трубопроводов из стеклопластика:

Подземный трубопровод: Лаборатория страховщиков имеет трубы из стеклопластика диаметром 971, 2, 3 и 4 дюймов, внесенные в список UL 6 для легковоспламеняющихся и горючих сред. Издание NFPA 2012 30 г. ссылается на UL 971 и разрешает использование этих диаметров труб из стеклопластика в распределительных терминалах. В то время как проектировщики терминала предпочитают размещать стальные трубопроводы над землей для облегчения экологических испытаний, т.е. визуального осмотра, а не периодических испытаний под давлением, Единый пожарный кодекс пересмотрел свое правило в 1995 году и теперь требует прокладки трубопровода под землей. Для подземных стальных трубопроводов потребуются системы катодной защиты и присущие им периодические испытания. Таким образом, экономически эффективной альтернативой подземным стальным трубопроводам и катодной защите являются трубы из стеклопластика, соответствующие диаметрам, указанным в списке UL.

Канализация и дренаж: Проекты, связанные с предотвращением загрязнения, включают локализацию, переработку, сокращение сбросов и очистку сточных вод. Бетонные трубы не подходят для обработки сточных вод, связанных с нефтью, из-за высокой степени утечки в доступных методах соединения труб, а стальные трубы будут подвергаться коррозии под землей. Трубы большого диаметра из стеклопластика доступны до двенадцати футов в диаметре и спроектированы с герметичными соединениями. Как описано выше, новые бестраншейные методы или методы восстановления трубопроводов со скользящей облицовкой являются экономически эффективными и обеспечивают минимальный перерыв в работе.

Коррозионно-активные химические вещества: Сегодня становится все более распространенным смешивание присадок к моторному топливу на терминале. Многие из этих добавок вызывают коррозию традиционной углеродистой стали. С системами смешивания, расположенными на эстакаде для загрузки грузовиков, подземные трубопроводы являются обычным явлением и подходят для трубопроводов из стеклопластика.

Противопожарная защита: Известно, что накипь от внутренней коррозии стальных трубопроводов в системе противопожарной защиты забивает форсунки и спринклерные головки. Для борьбы с последствиями коррозии и внутреннего образования накипи металлические системы требуют постоянного технического обслуживания. Даже в этом случае сомнительно, какая часть металлической системы находится в рабочем состоянии в данный момент. Были разработаны системы огнестойких материалов FRP, которые доказали свою рентабельность во многих приложениях противопожарной защиты.

Основы резервуаров и трубопроводов из стекловолокна

Введение
Армированный стекловолокном термореактивный пластик («стекловолокно») впервые стал жизнеспособной альтернативой защищенной стали, нержавеющей стали и экзотическим материалам в 1948 году. В том же году центробежнолитые стеклопластиковые трубы впервые были использованы в нефтедобывающей промышленности для решения проблем коррозии стальных трубопроводов. Именно в 1960-х годах производители начали разрабатывать признанные на национальном уровне стандарты и методы испытаний для систем хранения и трубопроводов из стекловолокна.

Национально признанные стандарты и спецификации
Существует ряд признанных на национальном уровне стандартов и спецификаций для резервуаров и трубопроводов из стекловолокна. Хотя существуют стандарты, разработанные для военных приложений,
например, стандарты MIL для лопастей винта вертолета, ниже приведен список гражданских организаций с опубликованными стандартами и спецификациями:

• API Американский институт нефти
• ASME Американское общество инженеров-механиков
• ASTM Американское общество испытаний и материалов
• AWWA Американская ассоциация водопроводных сооружений
• Взаимные исследования фабрики FM
• Национальный санитарный фонд NSF
• UL Underwriters Laboratories Inc.

Что такое стекловолокно?
Резервуары из стекловолокна и трубопроводы из стекловолокна содержат армирование стекловолокном, залитое отвержденной термореактивной смолой; следовательно, термин «пластик, армированный стекловолокном» (FRP) описывает
система материалов из стекловолокна. Эта композитная структура обычно содержит добавки, такие как пигменты и красители. Выбрав правильную комбинацию смолы, стекловолокна, добавок и
дизайн, производитель может создать продукт, который соответствует стандарту производительности разработчика оборудования.

Стеклянные волокна: Все стекловолокно начинается с отдельных нитей стекла, вытягиваемых из печи с расплавленным стеклом. Много стеклянных нитей формируются одновременно и собираются в стеклянную «ровинг», когда добавляется обработка поверхности «проклейка» для сохранения свойств волокна. Стекловолокно предназначено для нескольких применений, некоторые из которых предназначены для применения в кислотных, щелочных или других химических средах. Механическая прочность изделия из стекловолокна зависит от количества, типа и расположения армирования из стекловолокна в системе материалов и увеличивается пропорционально количеству армирования из стекловолокна.

Термореактивные и термопластичные смолы: Термореактивные и термопластичные смолы представляют собой две основные группы смол, однако только термореактивные смолы используются с армированием стекловолокном для формирования системы термореактивных смол. Сравнение двух смоляных систем показано ниже:

Термонастройка пластмассы — это смолы, которые вступают в необратимую реакцию при отверждении в присутствии катализатора. Они не могут быть повторно расплавлены и нерастворимы. В изделиях из стекловолокна используются только системы термореактивных смол, из которых есть два основных типа: полиэфирные и эпоксидные смолы. Полимерная система выбрана из-за ее химических, механических и термических свойств. Полиэфирные смолы бывают разных вариаций с различными свойствами устойчивости к кислотам, щелочам и высоким температурам. Эпоксидные смолы используются в основном для изготовления труб малого диаметра, тогда как полиэфирные смолы обычно используются для труб большого диаметра и резервуаров для хранения.

Термопласты — это смолы, которые обычно твердые при комнатной температуре, но размягчаются при нагревании и могут течь под давлением. Типичные области применения включают бытовую посуду, детские игрушки, бутылки и другие обычные предметы.

Устойчивость к коррозии в агрессивных средах является одной из основных причин выбора резервуаров или трубопроводов из стекловолокна. Типичные виды коррозии не затрагивают стекловолокно. Это может включать гальваническую, аэробную, точечную и межкристаллитную коррозию, которая повреждает металлы, но не стекловолокно. Хотя стекловолокно устойчиво к широкому спектру химических веществ и температур, оно требует правильного проектирования, изготовления и установки, чтобы соответствовать соответствующему применению. Например, стекловолокно может подвергаться химическому воздействию из-за гидролиза, окисления или несовместимых растворов. Однако надлежащая матрица из смолы/стекла справится с этой химической атакой.

Сегодня стандартные или изготовленные на заказ резервуары из стекловолокна и трубопроводы из стекловолокна используются в агрессивных средах и при высоком давлении (например, 4,000 фунтов на квадратный дюйм). Эти системы из стекловолокна широко используются в розничной торговле нефтью, разведке и добыче, химической, муниципальной и промышленной промышленности.