Битумно-мастичные и ленточные покрытия для трубопроводов нефтегазового сектора.

Освоение запасов углеводородного сырья в нашей стране во второй половине прошедшего столетия привели к значительным изменениям в технологической основе, производстве, способах нанесения изоляционных покрытий и монтажных работах проектируемых и прокладываемых в новых природно-климатических зонах трубопроводах, ставших основой экономики страны на многие десятилетия существования как СССР, так и его наследницы – Российской Федерации. В середине двадцатого века основным антикоррозионным покрытием магистральных нефтегазопроводных труб были два вида изоляции - битумная и изоляция полимерными липкими лентами. Эти покрытия наносились в полевых условиях на свариваемые тут же стальные трубы, защитные покрытия трубопроводов имели низкую механическую прочность и обеспечивали защиту труб от коррозии не более, чем на 10 - 12 лет.

Основным недостатком данных защитных покрытий являлось прежде всего низкая степень защищенности трубопровода при работе в условиях вечной мерзлоты, длительных периодов с низкими температурными режимами функционирования трубопроводной системы. Поскольку в зимнее время, при отрицательных температурах воздуха, битумные покрытия охрупчиваются и разрушаются при незначительных механических нагрузках и деформациях, эксплуатируемый магистральный нефтегазопровод в короткие сроки лишался наружной гидроизоляции и процессы коррозии стальной трубы начинали развиваться значительно раньше нормативных сроков, разработанных для применяемых типов полимерной защиты, рассчитанных для других климатических зон. В летний же период, а также при температурах выше плюс 30°С, битумно-мастичные покрытия наоборот размягчаются и переходят в вязко-текучее состояние и могут оплывать и продавливаться как под воздействием грунта, так и под весом трубопровода. Кроме того, битумные покрытия обладают высоким водопоглащением, что приводит к ухудшению их диэлектрических характеристик, к снижению переходного сопротивления покрытия, в результате чего со временем в значительной степени возрастают расходы на катодную защиту эксплуатируемых трубопроводов.

По сравнению с битумно-мастичными покрытиями пришедшие вслед за ними полимерные ленточные покрытия гораздо более технологичны при нанесении, обладают более широким температурным диапазоном применения (от -20°С до +40°С), с незначительным водопоглащением, крайне низкой влаго-кислородопроницаемостью, высокими диэлектрическими характеристиками, переходным сопротивлением, повышенной стойкостью к катодному отслаиванию. Однако данное новшество все-равно не обеспечивало требуемой по уровню и продолжительности и надежности своих физико-механических характеристик свойств. Накопленный к этому времени практический опыт применения данных покрытий на трубопроводах больших диаметров показал, что из-за пониженной адгезии покрытия к стали (1,5-2,0 кг/см ширины) и естественной ползучести бутилкаучукового клеевого подслоя полимерной ленты под воздействием оседающего в траншее грунта происходит сдвиг покрытия по поверхности трубы. Это в свою очередь неизбежно приводит к растрескиванию покрытия под напряжением или даже к его полному механическому разрушению и, как следствию, ускорению коррозионных процессов.

Комбинированное ленточно-полиэтиленовое покрытие трубопроводов.

Проблема преждевременного износа трубопроводов нефтегазового сектора поставила перед отраслью широкий спектр научных и научно-технических вопросов, только решив которые можно было бы в кратчайшие сроки создать технологию и материалы, позволяющие существенно повысить качество наносимой на данный тип трубопроводов антикоррозионный слой и защитить трубы на длительный срок работы в разных природно-климатических зонах их пролегания. Первоначально исследования в данной области были направлены на разработку однослойных полиэтиленовых покрытий, которые наносились на предварительно очищенные и нагретые до заданной температуры стальные трубы посредством напыления порошковых полимерных композиций. Однако, из-за недостаточной водостойкости адгезии и низкой стойкости к катодному отслаиванию при повышенных температурах эти покрытия так и не получили широкого практического применения в нашей стране.

В 60-е годы прошлого века были разработаны и внедрены в практику строительства трубопроводов гидроизоляционные покрытия комбинированного типа, сочетавшие в себе отдельные преимущества типов покрытий, применяемых ранее. Речь идет о мастично-полиэтиленовых покрытиях, конструкция которых состоит из слоя экструдированного полиэтилена, наносимого по мастичному подслою (так называемому "мягкому" адгезиву), а в качестве адгезионного подслоя в таких покрытиях использовались изоляционные мастики на основе битумных композиций и асфальто-смолистых соединений. Таким образом получалась изоляция в несколько слоев, более стойкая как к низким, так и к высоким температурным режимам эксплуатации трубопроводов.

По причине недостаточности производимых промышленностью и высокой стоимостью применяемых полимерных лент для некоторых категорий трубопроводов был также разработан комбинированный способ нанесения гидроизоляции с использованием заменителя липких полимерных лент. В том числе и с целью повышения устойчивости покрытий к продавливанию и к воздействию ударных нагрузок в АО "ВНИИСТ" г. Москва было разработано комбинированное ленточно-полиэтиленовое покрытие для труб до 530 диаметра, в конструкции которого вместо дополнительных слоев полимерной ленты и защитной обертки используется ударопрочный слой на основе экструдированного полиэтилена.

По основным показателям физико-механических, защитных и эксплуатационных свойств комбинированное ленточно-полиэтиленовое покрытие в значительной степени превосходит битумно-мастичные и ленточные покрытия трубопроводов. Трубы с этим покрытием могут храниться при температурах окружающей среды от -50°С до +50°С. Температурный диапазон эксплуатации данных трубопроводов от минус 20 до плюс 40°С, а прогнозируемый срок службы - 35 - 40 лет.

Полиэтиленовые покрытия трубопроводов нового поколения.

Необходимо заметить, что в этот период времени в развитых странах Запада интенсивно шло развитие нефтехимической отрасли, касающейся в том числе работ в области полимеров для использования их в производстве трубопроводов нового поколения – разнообразных полимерных труб для сфер коммунального хозяйства, промышленности, военных отраслях и в самой нефтехимии. Лаборатории передовых экономических держав буквально засыпали промышленность новыми открытиями в достаточно молодой и очень перспективной отрасли – разработке полимеров с новыми характеристиками. Так, например в конце 60-х годов фирмой "BASF" (Германия) был разработан сополимер этилена и эфира акриловой кислоты ("Lucalen"), который впервые стал применяться в качестве термоплавкого клеевого подслоя в конструкции двухслойного полиэтиленового покрытия. Позднее был разработан еще целый ряд термоплавких клеевых композиций на основе сополимеров, обеспечивающих высокую адгезию полиэтиленового покрытия к стали и позволивших производить трубопроводы с совершенно недостижимыми ранее характеристиками по защите от наружной коррозии, надежности и продолжительности эксплуатации прежде всего магистральных нефтегазопроводов, работающих в экстремальных природно-климатических условиях и в режиме высоких внутренних давлений на трубопроводе. Двухслойное полиэтиленовое покрытие получило очень широкое применение в Европе и на долгие годы стало по существу основным заводским антикоррозионным покрытием труб, широко применяемым во всем мире.

Достижения ведущих европейских химиков и технологов не остались незамеченными отечественными специалистами. Промышленность стала получать материалы с новыми и более высокими качественными характеристиками и уникальными потребительскими свойствами. В первую очередь нашли себе новое применение различные марки полиэтилена низкой и высокой плотности, имеющие хорошую механическую прочность, теплостойкость до 50 - 60°С, стойкость к различным агрессивным средам, незначительное водопоглащение и хорошую морозостойкость. Производство полиэтилена было самым крупнотоннажным во всей нефтехимической отрасли, стоимость его была низкой, и заводская полиэтиленовая изоляция получила широкое распространение. По своим защитным свойствам она более чем в двое превосходила трассовые типы изоляции, а по стоимости была ниже, чем полимерные липкие ленты. Нанесение полиэтилена осуществлялось методом боковой экструзии на трубы, двигающиеся поступательно-вращательно по специальным рольгангам. По сути дела внедрение данных материалов и технологий произвело революцию в отрасли нанесения на трубы защитных покрытий, поскольку теперь стало возможно наносить изоляцию не в трассовых полевых условиях, а изготавливать трубы с защитными покрытиями в заводских условиях, получив возможность по контролю за качеством и обеспечением недосигаемых до этого стабильных и надежных наружных покрытий трубопроводов.

Отечественный опыт заводской изоляции труб полимерными материалами на сегодняшний день насчитывает около 35 лет. Краткая летопись формирования отрасли такова. В 1976 году на Волжском трубном заводе на базе отечественного оборудования был сдан в эксплуатацию участок антикоррозионных эпоксидных покрытий спирально-шовных труб производительностью до 100 тыс. тонн в год. После модернизации оборудования в 1982 г. производительность линии изоляции составляла 120 тыс. тонн в год. В 1981 году в Альметьевске, а в декабре 1983 года в г. Харцызске (Украина), с использованием технологического оборудования "Demag-Meer" и "Mannesmann" (Германия), впервые в отечественной практике были введены в эксплуатацию производства по наружной заводской изоляции труб двухслойными покрытиями на основе экструдированного полиэтилена.

Для обеспечения нужд Москвы в 1986 г. Московским правительством была закуплена, а в 1987 г. запущена в производство на Московском опытно-экспериментальном трубозаготовительном комбинате линия двухслойной полиэтиленовой изоляции труб диаметром 630 - 2020 мм, поставленная голландской фирмой "Selmers". В 1988 - 89 гг. силами специалистов комбината были спроектированы, изготовлены и запущены в производство три линии изоляции труб малого диаметра (57 - 530 мм) на которых за восемь лет работы было выпущено 1500 км изолированных труб.

В 1999 г. взамен третьей линии совместно с голландской фирмой "Selmers" была изготовлена, смонтирована и запущена в производство линия для нанесения 3-х слойной полиэтиленовой изоляции. Впервые же конструкция трехслойного полиэтиленового покрытия была разработана и запатентована специалистами фирмы "BASF" и "Mannesmann" (Германия) в начале 80-х годов. И на сегодняшний день трехслойное покрытие является наиболее эффективным наружным антикоррозионным покрытием труб заводского нанесения.

Конструкция трехслойного покрытия отличается от двухслойного покрытия наличием еще одного слоя - эпоксидного праймера. Эпоксидный праймер (толщина слоя от 70 до 20 мкм) наносится на предварительно очищенные и нагретые до заданной температуры методом напыления в электростатическом поле порошковой эпоксидной краски, после чего по праймеру экструзии наносятся расплав термоплавкой композиции адгезива и расплав полиэтилена.

В планах строительства нефтегазопроводов на период 1985 - 1990 гг. подчеркивалось, что сооружение объектов нефтяной и газовой промышленности будет отличаться выполнением самых крупных строительных программ за весь период существования отрасли, в том числе по обустройству промыслов на газовых и нефтяных месторождениях, расположенных в исключительно сложных природно-климатических условиях на севере Западной Сибири.

В качестве одной из основных задач планировалось повысить уровень защиты трубопроводов от коррозии путем широкого применения изоляции труб на трубопрокатных заводах и доведения их выпуска к 1990 г. до 2,45 млн. тонн; создать к 1988 г. крупнотоннажное отечественное производство изоляционных полимерных лент и оберток в Миннефтегазстрое на 60 тыс. т и в Минхимпроме на 30 тыс. т, чтобы полностью отказаться от импорта изоляционных материалов; организовать выпуск термостойких изоляционных лент типа ЛЭТСАР-ЛТМ с 1987 г. по 1000 т/год на основе радиационно-модифицированного полиэтилена, с 1988 г. по 1000 тыс. т/год автономных катодных станций, протяженных протекторов из деформируемых магниевых сплавов.

Полимерные покрытия и технологии в трубопроводах системы газификации.

Многими специалистами подчеркивалось, что качественно новым и кардинальным решением проблемы защиты от коррозии стальных газопроводов был бы переход на сооружение их из пластмассовых труб. В СССР этап развития внедрения пластиковых труб (конец 50-х - 60-е годы) характеризуется поиском способов соединений труб и термопластов, пригодных для сооружения газопроводов. Так ВНИИСТ приступил к разработке технологии стыковых сварных соединений полиэтилена. Полиэтиленовые трубы стали применяться при строительстве водопроводов, канализационных, дренажных и технологических трубопроводах. В конце 70-х годов полиэтиленовые трубопроводы стали применяться в нефтяной, а затем и в газовой промышленности.

В это время ВНИИСТом была сконструирована и изготовлена на Киевском экспериментально-механическом заводе серия контактно-сварочных машин УСПТ-7 для сварки полиэтиленовых трубопроводов диаметрами 63 - 630 мм в полевых условиях. Эта оригинальная автоматизированная установка выполняла все подготовительные и сварочные процессы по программе механизированным способом, так как имела гидро- и электропривод. По трассе она перемещалась как прицеп к автотранспорту. Установка УСПТ-7 отлично зарекомендовала себя при сварке полиэтиленовых трубопроводов в 1982 г. на обустройстве Астраханского ГНЗ и промыслах, где газ содержит до 30% сероводорода, губительного для стальных труб.

Позднее в ИЭС им. Патона были сконструированы трубосварочные установки для сварки пластмассовых труб диаметрами 10 - 1200 мм и налажен их серийный выпуск в Армении. Однако ограниченный выпуск пластмассовых труб в стране, а главное, специализированных для транспортирования газа, значительно ограничивал объемы строительства полиэтиленовых газопроводных сетей.

С началом выпуска в 1986 г. заводом ОАО "Казаньоргсинтез" полиэтиленовых газовых труб значительно увеличивается доля этих труб в газификации страны. К этому времени ГИПРОНИИГАЗом были разработаны государственные строительные нормы и правила на проектирование и строительство полиэтиленовых газопроводов. Все это позволило сооружать газопроводы не только низкого давления - до 0,003 МПа, но и межпоселковых на давление 0,6 МПа. Таким образом, в 80-х и начале 90-х годов отечественное машиностроение и трубное производство, применительно к строительству систем газификации, находилось в динамичном развитии. С распадом государства прекратился выпуск трубосварочных установок, сократился объем выпуска труб. Многие заводы, производящие полиэтиленовые трубы, остались в ставших самостоятельными государствами республиках.

Уже в конце 90-х годов российский рынок стал активно заполняться сварочно-монтажным оборудованием и полиэтиленовыми газовыми трубами зарубежного производства. ГИПРОНИИГАЗ и ВНИИСТ разработали СП 42-101-96 на проектирование и строительство распределительных газопроводов на давление до 0,6 МПа, в том числе с учетом труб, соединительных деталей и сварочных машин зарубежного производства. На очереди встал вопрос о повышении давления газа в системах газификации.