УДК 624

Анализ применения труб из композитных материалов взамен стальных технологических на промышленных предприятиях

Мозговая Елизавета Максимовна – магистр кафедры «Проектирование и строительство объектов нефтяной и газовой промышленности» Уфимского государственного нефтяного технического университета

Аннотация: В данной статье проводится анализ применения инновационных композитных труб с распределенным газовым барьером в сравнении с традиционными стальными трубами на установках гидроочистки на примере НПЗ в Уфе. Особое внимание уделено критическому аспекту безопасности при транспортировке водорода, учитывая его высокую взрывоопасность и способность к быстрому распространению через микропоры и трещины в материале. Исследование освещает ключевые преимущества использования композитных материалов, такие как устойчивость к коррозии, низкая газопроницаемость, высокая прочность и долговечность, что делает их идеальными для использования в экстремальных условиях эксплуатации. Также рассмотрены экономические аспекты, включая снижение затрат на обслуживание и увеличение срока службы трубопроводов по сравнению со стандартными стальными аналогами.

Ключевые слова: композитные трубы, гидроочистка бензина каталитического крекинга, нефтеперерабатывающий завод, водородная безопасность, газопроницаемость.

Введение

В современной промышленности активно идет поиск и внедрение новых материалов и технологий, направленных на повышение эффективности и безопасности производственных процессов. Одним из ключевых элементов в этом направлении является использование композитных материалов в конструкции оборудования, в частности, в трубопроводах.

Установки гидроочистки бензина представляют собой сложные и высокотехнологичные системы, где трубопроводы подвергаются значительным механическим, температурным и химическим нагрузкам. Традиционно в этих установках используются стальные трубы, однако развитие композитных материалов открывает новые перспективы для повышения эффективности и безопасности производственных процессов. Композитные материалы, обладающие высокой прочностью и устойчивостью к коррозии, могут стать альтернативой стали, учитывая их потенциальные преимущества в долговечности и снижении затрат на обслуживание.

Цель данного исследования – оценить потенциал применения труб из композитных материалов в установках гидроочистки бензина, сравнив их характеристики с традиционно используемыми стальными трубами. Это включает в себя анализ механических свойств, устойчивости к высоким температурам и агрессивным химическим веществам, а также экономической эффективности и эксплуатационной надежности. Результаты исследования могут способствовать оптимизации технологических процессов на предприятиях нефтеперерабатывающей отрасли и обеспечить новые подходы к проектированию оборудования.

Актуальность исследования

В современных условиях промышленного производства, особенно в нефтеперерабатывающей отрасли, актуальность повышения эффективности и надежности технологического оборудования приобретает особое значение. Установки гидроочистки бензина являются ключевым элементом в процессе переработки нефти, где требования к качеству оборудования особенно высоки из-за экстремальных рабочих условий, включая высокие температуры, давления и агрессивную химическую среду.

Внедрение труб из композитных материалов представляет собой перспективное направление для решения этих проблем. Композиты, благодаря своим уникальным свойствам, таким как высокая прочность, устойчивость к коррозии и химически активным веществам, могут значительно увеличить срок службы трубопроводов и снизить затраты на их обслуживание и замену. Кроме того, использование композитных материалов может способствовать улучшению экологической безопасности процессов и снижению общего воздействия производства на окружающую среду.

Тем не менее, несмотря на потенциальные преимущества, применение композитных материалов в установках гидроочистки бензина требует детального изучения их свойств и поведения в условиях эксплуатации. Важно провести комплексный анализ, сравнивая композитные материалы с традиционными стальными трубами, чтобы оценить их пригодность и выявить возможные ограничения или проблемы, которые могут возникнуть при их использовании.

Анализ применения труб из композитных материалов

Рассмотрим применимость композитных материалов на установке Гидроочистки бензина каталитического крекинга (ГОБКК) в г. Уфа. Данная установка использует в своих технологических процессах водород с концентрацией 99%. Поступающий по стальным трубопроводам с установки производства водорода.

Трубопроводы для транспортировки водорода работают в условиях высокого давления (4 МПа) и умеренной температуры (40°C), при этом подвергаются значительным температурным колебаниям в диапазоне от -40°C зимой до +40°C летом. Эти условия требуют использования материалов, способных выдерживать не только механические нагрузки от давления, но и температурные экстремумы без потери структурной целостности и функциональности. Важность применения композитных материалов в этом контексте заключается в их способности обеспечивать повышенную долговечность, устойчивость к коррозии и низкую газопроницаемость, что критически важно для безопасности и эффективности транспортировки водорода.

В процессе анализа для выбора наиболее подходящего материала для трубопровода на установке ГОБКК в г. Уфа были рассмотрены 2 технологии.

Гибридная металлокомпозитная труба [1]. Предназначена для систем, подверженных значительным нагрузкам, включая нефтегазовую отрасль. Она состоит из металлической трубы, внешней и внутренней композитной оболочки, усиленной стеклянными, базальтовыми, углеродными или арамидными нитями, и полимерным связующим с минеральными добавками. Основным преимуществом является повышенная конструктивная прочность и коррозионная стойкость.

Композитная труба с распределенным газовым барьером [3]. Данная разработка включает внутреннюю трубу из термопластичного полимера, композитный материал с армирующими волокнами и наружную полимерную оболочку, а также барьерную прослойку из полимер-неорганического композита. Она эффективно снижает газопроницаемость и обеспечивает высокую стойкость к расслоению, что делает её особенно подходящей для транспортировки водорода при высоком давлении.

Также рассмотрены современные технологии композитных труб [2] и [4], но их возможности имеет ряд недостатков для данных технических условий трубопровода по которому движется водород.

На основе сравнительного анализа этих технологий был выбрана труба с распределенным газовым барьером из-за его уникальных свойств снижения газопроницаемости и высокой стойкости к расслоению, что критически важно для безопасности и эффективности транспортировки водорода в условиях высокого давления и температурных колебаний на установке ГОБКК.

На рисунке 1 показана принципиальная схема композитной трубы с распределенным газовым барьером, состоящей из многослойной внутренней трубы, окружающего ее композитного материала, разделенного барьерными слоями.

Рисунок 1. Композитная труба с распределенным газовым барьером.

Как показано на рисунке 1, композитная труба с распределенным газовым барьером состоит из многослойной внутренней трубы из термопластичного полимера 1 с внутренним барьерным слоем (Б) 2 и наружным слоем 3, окружающего многослойную внутреннюю трубу композитного материала 4, разделенного барьерными слоями (А) 5, и полимерной оболочки 6, которые сплавлены по граничащим поверхностям.

Эффективность данной технологии заключается в характеристике работы данной технологии при работе, с рабочей средой которая находится под высоким давлением. При транспортировке по композитной трубе с распределенным газовым барьером газообразной среды проникновению газов через стенки композитной трубы с распределенным газовом барьером на первом этапе препятствует барьерный слой (Б) многослойной внутренней трубы, затем прониканию газов до достижения необходимого уровня газопроницаемости последовательно препятствуют барьерные слои (Б), расположенные между слоев композитного материалы трубы. Благодаря тому, что барьерные свойства не сосредоточены в одном толстом слое трубы, а распределены по всему объему трубы в виде тонких слоев (барьерные слои (А) и барьерные слои (Б)), повышается гибкость композитной трубы. Распределение барьерных слоев по объему композитной трубы позволяет управлять балансом газонепроницаемости, прочности и гибкости композитной трубы с распределенным газовым барьером.

Для сравнения композитной трубы согласно [3] и традиционной стальной трубы сведем характеристики в таблицу 1.

Таблица 1. Сравнение (предположительные значения).

Параметр	Композитная труба (RU 210547 U1)	Традиционная стальная труба
Внешний диаметр (мм)	159	159
Толщина стенки (мм)	10	11
Максимальное рабочее давление (МПа)	4	4
Плотность (кг/м³)	2000	7850
Вес на метр (кг/м)	2,8	15
Коэффициент теплового расширения (×10⁻⁶/°C)	30	16

Одним из ключевых преимуществ композитных труб является их значительная устойчивость к коррозии по сравнению со стальными трубами. Это особенно важно в условиях транспортировки водорода, где коррозионные процессы могут ускоряться. Долговечность композитных материалов в агрессивных химических и операционных условиях значительно сокращает необходимость частой замены труб, что снижает как операционные расходы, так и перерывы в производстве.

Композитные трубы, особенно с распределенными газовыми барьерами, обеспечивают исключительно низкую газопроницаемость. Это критически важно для безопасности при транспортировке водорода, учитывая его высокую взрывоопасность и способность проникать через микропоры в материале.

Несмотря на меньшую массу по сравнению со стальными трубами, композитные трубы демонстрируют высокую прочность и способность выдерживать высокие давления, что является ключевым параметром при работе с водородом под давлением 4 МПа. Уменьшение риска разрыва трубы повышает безопасность эксплуатации.

Композитные трубы обеспечивают лучшую устойчивость к температурным колебаниям, особенно в условиях резких изменений температуры, характерных для района расположения трубопровода. Это свойство предотвращает трещинообразование и другие деформации, что является проблемой для металлических труб.

Существенно меньший вес композитных труб по сравнению со стальными облегчает их транспортировку и установку. Это может сократить время монтажа и уменьшить общие трудозатраты на установку и обслуживание трубопроводов.

Хотя начальные затраты на композитные трубы могут быть выше, их долговечность и меньшие затраты на обслуживание делают их более экономически выгодными в долгосрочной перспективе, особенно учитывая стоимость простоев и ремонта при использовании традиционных стальных труб.

Применение композитных труб с распределенным газовым барьером, особенно в контексте транспортировки водорода, значительно повышает безопасность процесса. Водород известен своей высокой взрывоопасностью, особенно в условиях высокого давления и при наличии микротрещин или коррозии в металлических трубах. Композитные материалы, благодаря своей высокой герметичности и низкой газопроницаемости, значительно снижают вероятность утечек и, как следствие, риск взрыва. Это особенно важно на объектах нефтепереработки, где безопасность является приоритетом.

В отличие от стальных труб, композитные трубы обладают высокой устойчивостью к коррозии. Это критически важно для долгосрочной эксплуатации трубопроводов, особенно в условиях высокой влажности и при контакте с агрессивными химическими веществами. Стальные трубы, даже с антикоррозийным покрытием, со временем подвержены коррозии, что приводит к необходимости их регулярной замены и повышенным эксплуатационным расходам.

Композитные трубы обладают лучшими механическими характеристиками, такими как высокая прочность и устойчивость к деформациям, что особенно важно при высоких давлениях, характерных для трубопроводов водорода. Также они лучше адаптированы к температурным колебаниям, что снижает риск трещинообразования и повреждений при экстремальных температурах.

В эксплуатации трубопроводов на нефтеперерабатывающих заводах, особенно в установках гидроочистки, где безопасность, надежность и экономическая эффективность являются ключевыми критериями, применение композитных труб с распределенным газовым барьером значительно превосходит традиционные стальные трубы. Это обеспечивается за счет их улучшенных эксплуатационных характеристик, включая повышенную безопасность, долговечность и сниженные общие затраты владения.

Список литературы

1. Патент № 2770522 Российская Федерация МПК F16L 9/02 (2006.01). Гибридная металлокомпозитная труба: № 2020129193: заявл. 03.09.2020: опубл. 18.04.2022 / Сопляченко В. Н. Гильман А.А. – 10 с.
2. Патент № 204558 Российская федерация МПК B32B 1/08 (2006.01) F16L 9/128 (2006.01) B29C 70/02 (2006.01. Композитная труба: № 2020119805: заявл. 08.06.2020 : опубл. 31.05.2021 / Попов М. А. – 17 с.
3. Патент № 210547 Российская Федерация МПК B32B 1/08 (2006.01). Композитная труба с распределенным газовым барьером: № 2021137207: заявл. 14.12.2021: опубл. 20.04.2022 / Попов М. А. – 19 с.
4. Патент № 57863 Российская федерация МПК F16L 9/12 (2006.01). Композитная труба: № 2006118896/22 : заявл. 31.05.2006 : опубл. 21.10.2006 / Винарский В. С. Грачев А. А. Марцыновский В. В. Панаков А. И. – 7 с.
5. Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология: учеб. пособие / Кербер М.Л., Виноградов В.М., Головкин Г.С. и др. – СПб.: Профессия, 2008. – 560 с.:ил. – ISBN 5-209-016991-9.
6. Волков, А.С. Применение композитных труб в системах сбора и транспортировки нефти и агрессивных сред / А.С. Волков // Инженерная практика. – 2016. – № 12.
7. Густов, Д.С. Экспериментальное исследование прочности армированных труб для транспорта газа // Территория «НЕФТЕГАЗ». – 2016. – № 2. – С. 88-93.
8. Густов, Д.С. Экономическое обоснование сооружения газопроводов из композитных материалов // Территория «НЕФТЕГАЗ». – 2016. – № 3. – С. 154-159.