ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛИЭТИЛЕНОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ

APPLICATION OF POLYETHYLENE TECHNOLOGIES IN OIL AND GAS INDUSTRY

Alexandra Sergeeva

student, Department of heat and gas Supply, ventilation and hydraulics, Vladimir state University,

Russia, Vladimir

Vladimir Melnikov

candidate of Sciences in technical, associate professor, Vladimir state University,

Russia, Vladimir

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрены вопросы происхождение полиэтилена, маркировка, виды. Применение полиэтиленовых технологий в нефтегазовой промышленности.

ABSTRACT

The article deals with the origin of polyethylene, labeling, types. Application of polyethylene technologies in oil and gas industry.

Ключевые слова: полиэтилен, трубопроводы, модификация.

Keywords:  polyethylene, pipelines, modification.

С прогрессирующем развитием нефтегазовой отрасли потребность в эффективных материалах для изготовления труб нефтяного и газового сортаментов резко возрастает. Поэтому в последние годы особенно усилилась тенденция более широкого использования при производстве труб новых коррозионностойких материалов, в частности различных полимеров. Перспективы развития производства труб из пластмасс в мировом масштабе позволяют предположить создание огромного рынка сбыта и потребления.

При производстве пластмассовых труб используются эффективные коррозионностойкие материалы, в частности различные полимеры, выпускаемые промышленностью высокоразвитых стран. К ним относятся: полиэтилен, акрилонитрилбутадиенстирол, полипропилен, полибутилен, телефталат, эпоксидные винилэфирные смолы. Наиболее универсальным материалом является полиэтилен (ПЭ).

Первое упоминание об изобретении полиэтилена относится к 1899 году. Родина возникновения химического соединения – Германия. Однако это открытие не получило распространения. Заслуга практичного применения и распространения материала в его современном виде принадлежит инженерам Эрику Фосету и Реджинальду Гибсону. С середины прошлого столетия для производства кабельной продукции, позднее для выработки упаковочного материала широкое использование получил синтетический полимерный материал. Так применение полиэтилена в промышленности позволило создавать новые виды продукции. 

Исходным материалом для получения является этен – простейший представитель ряда алкенов. Полиэтилен получают путем полимеризации этилена. Первоначально полиэтилен производится в гранулах от 2 до 5 мм, окончательную форму он приобретает в процессе термической обработки на специальном оборудовании, рис. 1.

Рис. 1. Первоначальный вид полиэтилена

На сегодняшний день существует большое количество разновидностей полиэтилена, которые обладают определенными свойствами и техническими характеристиками. В зависимости от способа получения, различаются не только свойства, но и маркировка полиэтилена:

• полиэтилен низкого давления (ПЭНД, HDPE). В процессе поляризации газообразного этилена благодаря определенному уровню давления, молекулярные связи имеют более плотную структуру и минимум ответвлений. Благодаря этому, материал имеет высокую прочность на разрыв. Другое название такого материала – полиэтилен высокой плотности (ПЭВП);
• полиэтилен высокого давления (ПЭВД, LDPE). Отличается наличием длинных молекулярных цепей с большим количеством ответвлений. Обладает большей эластичностью, но меньшей прочностью на разрыв;
• вспененный полиэтилен (ППЭ). По структуре полимер имеет большое количество закрытых пор, заполненных газом. Материал отличается низкой теплопроводностью, благодаря чему получил широкое применение в качестве утеплителя, звуко и гидроизолятора. Из него изготавливаются различные строительные пленки и мембраны;
• сшитый полиэтилен (XPE, XPLE, PEX). Такой материал получают методом сшивки поперечных звеньев молекул. В итоге получается единая трехмерная структура, обладающая повышенной прочностью. Изделия из сшитого ПЭ получили высокий уровень жесткости и термостойкости, благодаря чему из полимера производят различные трубы;
• линейный полиэтилен (ЛПЭНП, ПЭСП, LLDPE). Эту разновидность получают благодаря полимеризации молекул этилена с олефинами. По внутренней структуре линейный ПЭ отличается наличием большого числа коротких ответвлений и высокой прочностью молекулярной цепочки.

Каждый вид полиэтилена получают различными способами.

Полиэтилен низкой плотности (высокого давления, ПЭНП, ПЭВД, ПВД, LDPE) образуется в автоклавном или трубчатом реакторах при:

• температуре 200-260 °C,
• давлении 150-300 МПа,
• в присутствии инициатора (кислород или органический пероксид).

Реакция происходит по радикальному механизму в расплаве. Жидкий продукт впоследствии гранулируют. Получаемый по этому методу полиэтилен имеет молекулярную массу 80 000 – 500 000 г/моль и степень кристалличности 50-60 %.

Полиэтилен среднего давления (высокой плотности, ПЭСД) образуется при:

• температуре 100-120 °C,
• давлении 3-4 МПа,
• в присутствии катализатора (например, катализаторов Циглера-Натта).

В результате реакции продукт выпадает из раствора в виде хлопьев. Получаемый по этому методу полиэтилен имеет молекулярную массу 300 000 – 400 000 г/моль и степень кристалличности 80-90 %.

Полиэтилен высокой плотности (низкого давления, ПЭНД, ПЭВП, ПНД, HDPE) образуется при:

• температуре 120-150 °C,
• давлении ниже 0,1-2 МПа,
• в присутствии катализатора (например, катализаторов Циглера-Натта).

Полимеризация происходит в суспензии по ионно-координационному механизму. Получаемый по этому методу полиэтилен имеет молекулярную массу 80 000 – 300 000 г/моль и степень кристалличности 75-85 %.

В процессе полимеризации полиэтилена последний может быть химически модифицирован. Благодаря чему получаются новые виды. Например, металлоценовый линейный полиэтилен низкой плотности, биоразлагаемый полиэтилен, квантовый полиэтилен.

Основные свойства и характеристики.

Вне зависимости от маркировки и способа получения, полиэтилен, свойства и применение которого немного отличаются, обладает целым рядом общих характеристик:

• абсолютная водонепроницаемость. Полимер не смачивается водой и не впитывает ее, если к нему не были применены различные химические реагенты, в основном кислоты и окислители;
• высокая химическая стойкость. Материал не взаимодействует с водными растворами любых щелочей, кислот и солей, при комнатной температуре не поддается воздействию любых органических растворителей. При повышении температуры выше +60 градусов, легко растворяется под действием серной и азотной кислот;
• имеет небольшой вес и различную плотность. Показатели зависят от разновидности и способа получения определенного вида полиэтилена;
• кристаллизация полимера наступает в диапазоне температур от -60 до -296 градусов Цельсия.

Благодаря широкому распространению, техническим характеристикам и невысокой стоимости получения, полиэтилен применяется во многих отраслях промышленности и народного хозяйства, рис. 2. Основными сферами использования можно считать следующие:

• строительство. Сегодня существует масса специальных монтажных пленок и мембран, которые широко используют при постройке объектов в качестве паро и гидроизоляции. Для прокладки различных инженерных коммуникаций (в основном, магистрали подачи холодной воды), широко используются трубы из сшитого полиэтилена. В качестве изоляции проводов также применяют специальные защитные короба из полиэтилена;
• упаковка. Наиболее распространенная область применения ПЭ. Мы уже не можем себе представить альтернативу пластиковым бутылкам, в которых мы регулярно покупаем напитки, масло, бытовую химию и многие другие товары. Существует масса полиэтиленовых контейнеров, для технического использования и пищевой промышленности. Упаковочный скотч и стретч-пленка изготавливаются также из полиэтилена. Пакеты для продуктов, которые продаются в любом супермаркете – это тоже продукт полимеризации этилена;
• сельское хозяйство. Большой выбор различных пленок и мембран из полиэтилена дает возможность быстро и недорого изготовить парники и теплицы, системы полива и орошения с полиэтиленовыми насадками также получили широкое распространение;
• товары народного потребления. Начиная от детских игрушек (используется только пищевой ПЭ) и, заканчивая бытовыми приборами, полиэтилен широко используется в нашей жизни.

Кроме того, некоторые разновидности этого полимера применяют в автомобилестроении и медицине. Низкая стоимость, легкий и быстрый процесс получения, позволили полиэтилену получить широкое распространение во многих отраслях промышленности и быта, что по праву ставит этот полимер на первое место по популярности.

Рис. 2. Область применения полиэтилена

Трубопроводы из полимерных материалов нашли широкое применение в нефтегазовой индустрии. Стой-кость к коррозии у них исключительно высока. Благодаря высокой химической инертности их можно применять практически в любой среде при заглублении, не опасаясь коррозии. Наиболее значительны преимущества пластмассовых труб в случае, когда в расчет принимаются затраты на их монтаж. Установленный срок службы пластмассовых труб составляет не менее 50 лет, а стальных - не более 33 лет. Прочность полиэтиленовых труб в 15 раз ниже, чем стальных, однако под нагрузкой эта величина у них понижается медленнее. Чем ниже испытательное давление, тем дольше не наступает разрушение. Такие трубы могут эксплуатироваться при различных температурах, они устойчивы к воздействию различных сред, в том числе сырой нефти, которая оказывает наибольшее влияние на свойства полиэтилена, при этом стоимость трубопровода в среднем на 20% меньше аналогичного стального; увеличивается скорость монтажа трубопровода, снижается объем сварочных работ, при замерзании с жидкостью трубы не разрушаются. Кроме того, достигается высокий экономический эффект за счет большой строительной длины труб и транспортировки их в бухтах.

Свойства пластмасс модифицируют с целью расширения области применения. В последнее время достигнуты успехи за счет облучения частицами высоких энергий, введения структурообразователей, наполнителей и др. В результате этого повышаются прочность и устойчивость полиэтилена к различным химическим и физическим воздействиям. Так, сетчатый полиэтилен отличается высокой стойкостью против растрескивания под напряжением, а также устойчивостью против ползучести.

Для повышения прочности труб из полимеров применяют армирование. Для их изготовления в качестве основы применяют эпоксидные и феноловые смолы, полиэфиры. Смолы обладают высокими механическими характеристиками (относительное удлинение при разрыве 5%) и химической стойкостью; максимальная рабочая температура - до 120°С. Пластмассовые трубы армируют металлом, стекловолокном и различными нитями: полиэфирными, арамидными и др. В настоящее время из них изготавливаются трубы нефтяного сортамента для различных видов работ на промысле. Армирование в 20-100 раз повышает прочность термопластика в направлении волокон. Армированные трубы устойчивы к воздействию различных агрессивных сред при повышении температуры до 100°С. По устойчивости к коррозии с пластмассовыми армированными трубами можно сравнить только нержавеющую сталь. Прочность материала определяется в основном прочностью волокон, а смола имеет значение, прежде всего, как коррозионностойкий материал. Армированные пластики применяют преимущественно для труб, эксплуатируемых в условиях приложения внутреннего гидростатического давления, которое создает растягивающие напряжения в кольцевом направлении. Труба состоит из внутреннего полиэтиленового слоя, среднего армирующего слоя и наружного полиэтиленового слоя. Трубы, предназначенные для транспортирования жидких сред и горючих газов, изготавливаются методом экструзии в прямых отрезках длиной от 5 до 12 м с кратностью 0,5 м. Коэффициент безопасности на нефть - 2,5; на газ - 3,0; при температуре до 60°С -1,5.

Большое распространение получили стеклопластиковые трубы различного назначения, которые производят как зарубежные фирмы, так и отечественные. Они используются как обсадные, бурильные, все типы фитингов, насосно-компрессорные трубы и трубы для прокладки трубопровода («скважинный трубопровод» с алифатическим амином, эпоксидной смолой, усиленной до 80% стекловолокном). Продукция приемлема для отведения и при закачивании глубиной до 3000 м для подводных насосов, газоподъемников или насосной штанги и для термического применения; для обсадных труб - цементированных или перфорированных через зону или максимальную глубину; обсадных труб для отведения химических отходов; для хвостовика со щелевидными продольными отверстиями; для оценки параметров продуктивности пласта и др. Трубопроводы используются для транспортировки агрессивных и абразивных жидкостей, суспензий и газов, трубы для монтирования «хвостовой» части обсадной колонны при строительстве скважин специальной конструкции.

Существуют и другие направления эффективного применения стекловолокна, стеклопластика в нефтяной и газовой промышленности: волокнистые сальниковые набивки, отсекающие клапаны, индикаторы в системах, основанных на фотоэлектрическом эффекте для позитивного немедленного отклика на аварийную ситуацию удаленного оборудования; различные коррозионностойкие ограждения из стеклопластика используют в нефтехимических производствах, в системах промышленных стоков и других областях. Область применения полимерных труб приведена на рисунке 3.

Рис. 3. Классификация труб из полимеров, используемых в нефтегазовой отрасли

Список литературы:

1. СП 42-103-2003 Проектирование и строительство газопроводов из полиэтиленовых труб и рекон-струкция изношенных трубопроводов.
2. ГОСТ Р 50838-95 Трубы из полиэтилена для газопро-водов.
3. Агапчев В.И., Виноградов Д.А., Фаттахов М.М. Тру-бопроводные системы из труб на основе полимер-ных материалов: строительство, эксплуатация, ре-конструкция, ремонт М: «ИНТЭР», 2007. - 339 с.
4. Агапчев В.И. Перспективы применения труб из по-лимерных материалов в нефтяной промышленности / В.И.Агапчев, В.А.Мартяшева, Н.Г.Михайленко и др. // Обзорная-информ. Сер. Борьба с коррозией и защита окружающей среды - М.: ВНИИ0ЭНГ, 1988, Вып. 3 (77). - с. 44.