ПОЛИМЕРНАЯ АРМИРОВАННАЯ ТРУБА СО СВЕТОПРОНИЦАЕМЫМ АРМИРУЮЩИМ КАРКАСОМ И СПОСОБ ЕЕ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ Российский патент 2025 года по МПК F16L9/12 F17D5/02 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к нефтегазовой отрасли, в частности к многослойным полимерным армированным трубам, которые могут быть использованы для сбора и транспортировки нефти, воды, газа, химических реагентов. Техническим результатом заявленного изобретения является конструкция трубопровода, которая позволяет проводить ее диагностирование, за счет чего повышается надежность эксплуатации. Полимерная армированная труба содержит последовательно нанесенные на наружную поверхность внутренней полимерной термопластичной оболочки армированный слой и внешнюю полимерную термопластичную оболочку, при этом армирующий слой выполнен из однонаправленных лент, состоящих из материалов, спеченных между собой полимерной матрицей.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известны композитные термопластичные трубы, описанные в API Specification 15S, «Spoolable Reinforced Plastic Line Pipe», 2-е издание, март 2016 г. и ГОСТ Р 59834-2021 «Промысловые трубопроводы. Трубы гибкие полимерные армированные и соединительные детали к ним. Общие технические условия». Трубы, изготавливаемые в соответствии с данными требованиями, представляют собой внутреннюю трубу, состоящую из термопластичного полимера, на которую нанесен композитный армирующий слой, имеющий когезионное соединение с внутренним слоем и внешним термопластичным слоем полимера. В некоторых случаях на внутреннюю трубу без образования связи, наматывается полимерная лента, армированная однонаправленными волокнами.

Согласно стандартам, срок эксплуатации трубы определяется на основании длительных гидростатических испытаний, условия проведения которых не покрывают все возможные условия эксплуатации трубопроводов и, соответственно, не могут обеспечить достоверность информации по фактическому сроку эксплуатации таких труб.

Наиболее вероятной причиной отказа данных трубопроводов является снижение прочности армирующего слоя в процессе эксплуатации, вызванной процессами деструкции армирующих волокон вследствие диффузии среды транспортирующего потока, которые могут проявиться как общее снижение прочности стекловолокна, либо в виде разрушения отдельных волокон.

Ввиду того, что основные напряжения, возникающие в процессе эксплуатации, воспринимает на себе армирующий каркас трубы, задача диагностирования технического состояния армирующего каркаса является наиболее значимой для оценки состояния полимерных армированных труб в целом.

Известна конструкция армированной полимерной нефтепромысловой трубы по патенту WO1995007428, которая состоит из сердечника на основе термопласта, к которому бесшовно присоединен композитный материал, состоящий из армирующих волокон и термопласта.

Известна конструкция армированной полимерной нефтепромысловой трубы по патенту RU 204558 U1, которая состоит из внутренней трубы из термопластичного полимера, окружающего ее композитного материала, состоящего из термопластичного полимера композитного материала и однонаправленных непрерывных армирующих волокон, и наружной полимерной оболочки, в которой внутренняя труба, композитный материал и наружная оболочка плавно сплавлены друг с другом посредством нагрева, отличающаяся тем, что композитный материал композитной трубы содержит по меньшей мере одну эластичную прослойку из термопластичного полимерного материала, модуль упругости которого меньше на 20…3600 МПа, чем модуль упругости термопластичного полимера композитного материала, причем эластичная прослойка сплавлена с композитным материалом посредством нагрева.

Известна конструкция гибкой магистрали для транспортировки различных сред и трубы для ее изготовления RU 7245550, которая предназначена для транспортировки различных сред по суше с укладкой на поверхности суши, в траншею, в насыпь, на эстакаде или в гильзу. Гибкая полимерная армированная труба содержит внутренний лайнер, армирующий слой, разделительный слой, надармировочную оболочку. Армирующий слой может содержать такие элементы как металлические ленты, металлические проволоки, полимерные ленты и полимерные нити в любом сочетании или состоять только из одного наименования. Дополнительно поверх надармировочной оболочки может быть расположена многослойная вспомогательная оболочка, содержащая по крайней мере один разделительный слой и защитную оболочку. Вспомогательная оболочка может содержать слой проводников и теплоизоляционный слой. Слой проводников может содержать электрические сигнальные, силовые, нагревательные, оптические проводники и канал связи, а также длинномерный датчик контроля наличия повреждения трубы.

Известна конструкция армированной полимерной нефтепромысловой трубы по патенту RU 7245550, которая обеспечивает высокотемпературные армированные волокнами полимерные нефтепромысловые трубы и способ выполнения таких труб. Нефтепромысловые трубы образуются из композитного материала, содержащего высокопрочный волоконный материал и высокотемпературную термоотверждаемую смолу. Способ содержит стадии, на которых совмещают высокопрочный волоконный материал и высокотемпературную термоотверждаемую смолу для создания высокоэффективного композитного материала, и навивают такой композитный материал вокруг сердечника при подведении достаточного тепла к этому материалу в месте наматывания для поддержания температуры термоотверждаемой смолы выше ее температуры плавления. Дополнительно, в конструкции могут быть использованы материалы покрытия, которые наносятся на композитный материал таким образом, что предотвращает внешнее и внутреннее воздействие среды на композитный материал. Между материалом покрытия и композитным материалом могут быть встроены датчики, включающие беспроводные датчики, провода, оптоволокна и другие устройства.

Известные конструкции не позволяют достоверно диагностировать состояние трубы на всем его протяжении. Оптические волокна, применяемые в конструкции трубопровода, расположены над армирующим кордом и служат для передачи информации между датчиками.

Задачей настоящей полезной модели является разработка конструкции трубы, которая обеспечит возможность диагностировать армирующий каркас.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей изобретения является разработка конструкции полимерной армированной трубы, позволяющей своевременно диагностировать деструкцию армирующего каркаса, как наиболее ответственной части конструкции.

Техническим результатом заявленного изобретения является полимерная армированная труба, состоящая из внутренней и внешней полимерной термопластичных оболочек и расположенного между оболочками армирующего каркасом, состоящего из сплавленных между собой армирующих лент. Армирующий каркас образован повивом армирующих лент вокруг внутренней оболочки. Армирующие ленты состоят из однонаправленных волоконных материалов (стекловолокна, углеволокна, карбона, кевлара, арамида, но не ограничиваясь) находящегося в термопластичной матрице, схожей по составу с внутренней и внешней оболочкой, для обеспечения спекания. Для обеспечения возможности диагностирования в состав армирующей ленты включены оптические светопроницаемые волокна (кварцевые, пластиковые, но не ограничиваясь), которые обеспечивают светопропускание на протяжении всего участка трубы. В результате получается армирующий каркас, в который равномерно интегрированы оптические волокна.

Включение оптических волокон в армирующие ленты происходит в процессе изготовления путем чередования армирующих и оптических волокон.

Прочность и диаметр армирующих и оптических волокон необходимо выбирать максимально соответствующие друг другу, для обеспечения равнозначных напряжений, испытываемых армирующими и оптическими волокнами в процессе эксплуатации трубы.

В зависимости от необходимого уровня контроля армирующего корда количество интегрированных оптических волокон в препрег может варьироваться.

Угол повива армирующих от 1 до 89° к оси трубы армирующие препреги (по крайней мере, один повив армирующего препрега имеет противоположное к оси трубы направление намотки).

Количество слоев армирующих лент и направления повивов выбирается исходя из требуемых характеристик трубы.

Внутренняя и внешняя оболочки могут быть изготовлены из термопластичных полимеров (полиэтилен (РЕ, HDPE, LDPE), полиэтилен высокой (повышенной) термостойкости PE-RT (Polyethylene of Raised Temperature resistance), сшитый полиэтилен (PE-X или XLPE, ПЭ-С), полипропилен (РР, PP-R), сополимеры полипропилена, полибутен (РВ, РВ-1), сополимеры полибутена, поливинилхлорид (PVC, HPVC), акрилонитрил бутадиен стирол (ABS), полиамид (РА), полифталамид (РРА), полиэтиленнафталат (PEN), полиэтилентерефталат (PET), полибутиленнафталат (РВТ), фторполимер (PFA), фторэтилен-пропилен (FEP), поливинилиденфторид (PVDF), а также смеси и композиции вышеперечисленных полимеров, но не ограничиваясь ими), химический состав которых выбирается исходя из требуемых температурных, механических и газобарьерных свойств. В случае необходимости комбинирования механических, температурных и эрозионных свойств, оболочки могут состоять из нескольких спеченных между собой слоев, количество которых может быть от 1 до 7 и толщина каждого слоя от 0,2 мм и более. Совокупная толщина как внутренней, так и внешней оболочек должна быть не менее 1 мм.

Ввиду того, что основным элементом, обеспечивающим прочность трубопровода, является армирующий каркас, его диагностирование позволит обеспечить высокую степень оценки остаточной прочности (долговечности) трубы.

Диагностирование армирующего каркаса заключается в оценке снижения светопропускаемости армирующего каркаса, которое происходит вследствие деструкции волокон или их разрыва. Величина снижения светопропускаемости определяется при квалификационных испытаниях на заводе-изготовителе.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Полимерная армированная труба (Фиг. 1) содержит последовательно нанесенные на наружную поверхность внутренней полимерной термопластичной оболочки (1) армирующий каркас (3) и внешнюю полимерную термопластичную оболочку (2), при этом армирующий каркас выполнен из спирально намотанных армирующих лент, в который встроены оптические светопропускаемые волокна (4). При этом оболочки и ленты армирующего каркаса спечены в единую конструкцию.

Угол намотки армирующих лент составляет от 1 до 89° и по крайней мере один повив армирующих лент имеет противоположное направление намотки по сравнению с ниже намотанным повивом. Армирующие ленты (Фиг. 2) состоят из однонаправленных армирующих нитей (5) и однонаправленных оптических волокон (4), спеченных с полимерной термопластичной матрицей (6). После нанесения армирующих лент осуществляется процесс термического спекания между лентами, внутренней и внешней оболочками.

Включение оптических волокон позволяет измерять изменение светового потока армирующего каркаса трубы, вследствие чего и обеспечивается диагностирование. Для обеспечения замеров светопропускаемости во время эксплуатации трубы (Фиг. 3) в соединительные фитинги (7, 9), которые устанавливаются в начале и конце трубы (8) (фитинги необходимы для соединения труб между собой), встроены источник света и датчики измерения светового потока соответственно. Световой поток проходит от фитинга, в котором расположен источник света (9) через армирующий каркас трубы (8) и принимается датчиками измерения светового потока, расположенными в фитинге, напрессованном на противоположный конец трубы (7). Для удобства передачи сигналов к источнику света и датчикам измерения светового потока, сигнальные и питающие кабели (10) выводятся на поверхность в шкафы управления (11).

Световой поток проходящий через армирующий каркас попадая в датчики измерения светового потока (как правило, используются фотоэлементы, но не ограничиваясь) преобразует его в электрический сигнал, который пропорционален интенсивности светового потока и более удобен для дальнейшей передачи данных и их интерпретации.

Для определения отбраковочных значений снижения светопропускаемости армирующего каркаса, после выпуска трубы на заводе-изготовителе необходимо провести замеры светопропускаемости армирующего каркаса, чтобы зафиксировать ее до начала эксплуатации, а затем определить разрушающее давление. Для оценки возможного снижения светопропускаемости армирующего каркаса базовой трубы, необходимо провести квалификационные испытания, для чего необходимо изготовить партии трубопроводов со снижением количеством армирующих слоев (или их толщины, при этом необходимо сохранить базовое соотношение количества армирующих и оптических светопропускаемых волокон в армирующей ленте), вследствие чего получится продукция с пониженной прочностью, относительно базовой трубы. Далее необходимо определить светопропускаемость и разрушающие давления для труб с сниженным количеством армирующих слоев, и на основании полученных данных построить зависимость снижения прочности трубопровода от светопропускаемости, которая позволить интерпретировать результаты снижения светопропускаемости на снижение разрушающего давления трубы.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Полимерная армированная труба (Фиг. 1) содержит последовательно нанесенные на наружную поверхность внутренней полимерной термопластичной оболочки (1) армирующий каркас (3) и внутреннюю полимерную термопластичную оболочку (2).

Армирующий каркас (Фиг. 2) состоит из армирующих лент, которые в свою очередь состоят из однонаправленных армирующих нитей (5) с оптических волокон (4) в полимерной термопластичной матрице (6).

Для обеспечения диагностирования во время эксплуатации трубы (Фиг. 3) в соединительные фитинги (7, 9), которые устанавливаются в начале и конце трубы (8) (фитинги необходимы для соединения труб между собой) встроены источник света и датчики измерения светового потока соответственно. Световой поток проходит от фитинга, в котором расположен источник света (9) через армирующий каркас трубы (8) и принимается датчиками измерения светового потока расположенные в фитинге, напрессованном на противоположный конец трубы (7). Для удобства передачи сигналов к источнику света и датчикам измерения светового потока сигнальные и питающие кабели (10) выводятся на поверхность в шкафы управления (11).

Изобретение относится к нефтегазовой отрасли, в частности к многослойным полимерным армированным трубам, которые могут быть использованы для сбора и транспортировки нефти, воды, газа, химических реагентов. Полимерная армированная труба содержит последовательно нанесенные на наружную поверхность внутренней полимерной термопластичной оболочки армированный слой и внешнюю полимерную термопластичную оболочку, при этом армирующий слой выполнен из однонаправленных лент, состоящих из материалов, спеченных между собой полимерной матрицей. Техническим результатом является конструкция трубопровода, которая позволяет проводить ее диагностирование, за счет чего повышается надежность эксплуатации. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Полимерная армированная труба, содержащая последовательно нанесенные на наружную поверхность внутренней полимерной термопластичной оболочки армированный каркас и внешнюю полимерную термопластичную оболочку, которые спечены между собой, при этом армирующий каркас выполнен из последовательно спирально намотанных и спеченных между собой и внутренней и внешней оболочками армирующих лент, которые, в свою очередь, состоят из однонаправленных армирующих волокон и светопропускающих оптических волокон, которые обеспечивают светопропускание на расстояние не менее длины трубы, при этом армирующие и оптические волокна включены в армирующий каркас путем чередования и спечены с полимерной матрицей.

2. Полимерная армированная труба по п. 1, отличающаяся тем, что внутренняя и внешняя оболочки состоят из слоев, количество которых может быть для каждой из оболочек от 1 до 7 и толщина каждого слоя составлять от 0,5 мм и более.

3. Полимерная армированная труба по п. 1, отличающаяся тем, что слои внутренней и внешней полимерных термопластичных оболочек связаны между собой (спечены).

4. Полимерная армированная труба по п. 1, отличающаяся тем, что угол намотки армирующих лент армирующего каркаса относительно оси трубы имеет величину от 1° до 89°.

5. Полимерная армированная труба по п. 1, отличающаяся тем, что по крайней мере один повив армирующих лент имеет противоположное к оси трубы направление намотки.

6. Полимерная армированная труба по п. 1, отличающаяся тем, что для соединения трубопроводов используются фитинги, в которые на противоположных концах трубы встроены источник света с одной стороны и датчики измерения светового потока с другой стороны.

7. Полимерная армированная труба по п. 1, отличающаяся тем, что толщина армирующей ленты составляет 0,1-4 мм, а ширина составляет от 20 до 500 мм.

8. Способ диагностирования армирующего каркаса полимерной армированной трубы, характеризующийся тем, что световой поток пропускается через армирующий каркас, выполненный из последовательно спирально намотанных и спеченных между собой и внутренней и внешней оболочками армирующих лент, состоящих из однонаправленных армирующих волокон и светопропускающих оптических волокон, от начального торца трубы до конечного торца трубы и оценивают снижение светопропускаемости армирующего каркаса, от начального значения, определенного для новой трубы при изготовлении, до фактической светопропускаемости, измеренной в процессе эксплуатации, которая соответствует степени деструкции волокон или количеству разрывов армирующих волокон.