ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ ТРУБ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВКИ УГЛЕВОДОРОДОВ

На сегодняшний день можно увидеть рост спроса на трубы из полимерных материалов. Во многом это связано с необходимостью замены отслуживший свой срок металлических труб для водоснабжения на новые. Не без дополнительных стимулов со стороны правительства  жилищно-коммунальные службы переходят на использования полимерных труб [9]. В сфере ЖКХ полимерные трубы имеют ряд достоинств, таких как более низкая итоговая стоимость за счет возможности их длительной эксплуатации (по заверениям производителей, труба из полимеров прослужит более полувека) и более быстрая скорость монтажа. Кроме как для замены стальных труб в сетях водоснабжения и канализаций, трубы из полимерных материалов применяют при строительстве нефтепроводом. Примером может послужить опыт ООО «ЛУКОЙ-КМН», у которой к концу 2018 года на собственных месторождениях суммарная длина выкидных линий и сборных нефтепроводов из труб марки ANACONDA^TM достигла 82,2 км [6, с. 78-79]. Трубы ANACONDA^TM производятся из полиэтилена и кроме нефтепромысла могут применяться при сооружении межпоселковых подземных газопроводов 1-ой категории (1,2 МПа) [11].

Если перейти непосредственно к определению материала данных труб, то полимерами называют высокомолекулярные химические соединения, состоящих из мономеров (маломолекулярные звенья одинакового строения). Для этих соединений характерной особенностью является огромная молекулярная масса. Полимеры делятся на природные, то есть образовавшиеся естественным путем, и синтетические, получаемые в лабораторных условиях в процессе химического синтеза из низкомолекулярных соединений [13, 601-603].

Для изготовления труб в основном используют следующие виды синтетических полимеров:

• Полиэтилен. Наиболее популярный материал для изготовления неметаллических труб. Делится в свою очередь на полиэтилен высокого и полиэтилен низкого давления, которые отличаются способом изготовления. Так, полиэтилен высокого давления (ПВД) образуются в результате полимеризации при высоком давлении, а полиэтилен низкого давления (ПНД), соответственно, производятся при низком давлении. Различие в производстве влияет на устойчивость материала к разрыву: ПНД способен выдерживать давления заметно большие, чем ПВД. Недостаток прочности ПВД компенсируется высокой эластичностью,  которая нужна для производства пленочных материалов. Для сооружения водопроводных напорных коммуникаций используют трубы из полиэтилена низкого давления, рассчитанные на давления до 16 атмосфер, для систем же газораспределения рабочее давление снижается до 12 атмосфер [16]. Трубы из ПНД имеют маркировку ПЭ-80 или ПЭ-100, где число указывает на значение показателя минимальной длительной прочности (MRS) [18, c. 42].

К общему недостатку всех полиэтиленовых труб можно отнести  охрупчивание материала под действием солнечных лучей и при отрицательных температурах. Этот материал является химически нейтральным и при нормальной работе трубы из полиэтилена никак не реагируют с транспортируемой средой, но при возможном горении полимера выделяются вредные для человека вещества [10].

• Сшитый полиэтилен (имеет маркировку PEX). В отличие от обычного полиэтилена, чьи молекулы обладают только продольными связями, молекулы сшитого также имеют поперечные связи. Различают следующие промышленные способы сшивки полиэтилена: пероксидный, силановый, радиационный, азотный. Изменения в структуре повышают прочность материала и дают возможность использовать его в системах горячего водоснабжения. Кроме того сшитый полиэтилен обладает полезным при монтаже свойством «эффектом температурной памяти». Суть данного эффекта заключается в восстановлении формы сечения первоначально деформированного участка трубы при его нагреве [1].
• Поливинилхлорид (ПВХ). По физическим свойствам ПВХ мало отличается от обычного полиэтилена. Существует несколько модификаций поливинилхлорида, в зависимости от добавок и метода изготовления он делится на: ХПВХ (ПВХ + атомы хлора) и НПВХ, или непластифицированный ПВХ. Трубы из поливинилхлорида, также как и из полиэтилена используются для строительства безнапорных канализаций и для напорного водо- и газоснабжения, но коммуникации из ПВХ обладают рядом преимуществ. Например, благодаря наличию атомов хлора полимер приобретает антибактериальные свойствами [12], лишающими транспортируемую жидкость в системах водоснабжения вредных элементов и неприятного запаха. В отличие от полиэтилена ПВХ не боится ультрафиолетовых лучей, что дает возможность использовать его как в закрытых, так и открытых системах трубопровода, кроме этого поливинилхлорид можно эксплуатировать при более высоких температурах, достигающих 95°С  [8]. Но так же, как и полиэтилен, этот полимер нельзя использовать при отрицательных температурах.

Нельзя не отметить и отрицательные явления, связанные с использованием поливинилхлорида. Во-первых, при производстве поливинилхлорида происходят выбросы хлора, газа представляющего опасность для здоровья человека [15]. Во-вторых, проблема, связанная с утилизацией ПВХ, особенно остро стоит для нашей страны. Хоть поливинилхлорид является материалом пригодным для вторичной переработки, в России не налажена система селективного сбора полимеров. Немало проблем причиняет отсутствие маркировки на материалах, изготовленных из поливинилхлорида, также отсутствует система сертифицирования товаров, изготовленных из вторичного сырья. Поэтому до недавнего времени для утилизации отходов ПВХ их либо сжигали, либо подвергали захоронению [3]. Кроме перечисленных негативных тенденций, связанных с использованием поливинилхлорида, в интернете можно найти немало других предостережений об опасности его эксплуатации, большинство из которых опровергаются самими производителями данных полимеров [5].

• Полипропиленовые (ПП). В чистом виде полипропиленовые трубы рассчитаны примерно на те же давления, что и полиэтиленовые трубы, но обладают меньшей эластичностью, из-за чего полипропиленовые трубы могут поставляться только прямыми отрезками. Как и полиэтиленовые трубы их нельзя подвергать действию солнечных лучей и резкому перепаду температур. При нагревании трубы свыше 70°С существует риск ее деформации, кроме того полимер обладает большим линейным коэффициентом (примерно 2,5 миллиметра на один погонные метр [7]), что приводит к образованию изгибов на прежде прямом участке трубопровода. Но данный вид полимера является одним из самых популярных при производстве труб, связано это с тем, что физические свойства материала могут быть улучшены при его армировании, о котором будет сказано позднее. Кроме того полипропиленовые трубы выделяет их дешевизна и высокая химическая стойкость.
• Полибутен (ПБ). Самый молодой полимер из всех, что были описаны выше, был открыт около 60 лет назад. Он сочетает в себе полезные свойства других полимеров. В отличие от полипропилена полибутен менее хрупок, пластичен как при высоких (90°С), так и при низких (-20°С) температурах, хорошо выдерживает ударные механические нагрузки, устойчив к действию ультрафиолетовых лучей. Максимальное допустимое напряжение в стенке трубы для PB на 35% выше, чем для сшитого полиэтилена PEХ трубы, на 45% выше, чем для полипропилена при условии, что толщина стенок равны. Максимальная рабочая температура внутри полиэтиленовой трубы может достигать 110°С, а ее стенки отличаются непроницаемостью для кислорода [2].

При необходимости в дополнительной прочности полимерные материалы армируют, то есть добавляют внутрь стенки дополнительный слой. Чаще всего в качестве усиления используют алюминиевую фольгу или стекловолокно. Армированный слой добавляют в трубы из сшитого полиэтилена и полипропилена, что позволяет эксплуатировать их при больших силовых и температурных нагрузках, не теряя при этом других полезных свойств труб, таких как гладкость, эластичность, легкий вес и долговечность. Давление, при котором могут функционировать армированные полипропиленовые трубы, достигает 25 атмосфер.  К недостаткам армирования можно отнести возникающие дополнительные сложности при сварке усиленных труб: перед сваркой требуется предварительная зачистка стыков от металла, в противном случае это приводит к расслоению конструкции [17].

Выше мы рассмотрели основные полимеры, используемые для производства неметаллических труб. Из этих труб впоследствии сооружают системы водоснабжения, газоснабжения и канализации. Полимерные трубы обладают рядом преимуществ по сравнению со стальными.

1. Главное преимущество, выделяемое всеми производителями полимерных труб, это их устойчивость к коррозии, благодаря которой долговечность систем из полимерных материалов оценивается минимум в 50 лет;

2. Отсутствует эффект уменьшения  диаметра. Так как стенка трубы из полимера более гладкая, чем из стали, в течение эксплуатации на ней не образуются наросты и засоры, приводящие к уменьшению диаметра и пропускной способности;

3. Устойчивость к развитию биологически активных сред. По этому параметру опережают всех трубы из ПВХ: бактерии размножаются в 12 раз медленнее на поверхности поливинилхлорида, чем на аналогичной поверхности из полиэтилена, и в 9 раз медленнее по сравнению с полипропиленом [14];

4. Небольшой вес полимерных труб облегчает осуществление монтажных работ;

5. Полимерные трубы поставляются длинномерными отрезками, что уменьшает количество стыков при монтаже, как следствие уменьшает число участков, склонных к разрыву;

6. Высокая гибкость позволяет использовать полимерные трубопроводы для строительства сложных маршрутов без использования фасонных деталей,

7. Высокая стойкость труб при перекачке агрессивных сред позволяет без вреда для их целостности транспортировать сырую нефть.

В заключение хотелось бы назвать основные причины, почему для сооружения протяженных магистральных газо- и нефтепроводов до сих пор используются стальные трубы. Главная причина – это высокая прочность стальных труб, позволяющая эксплуатировать их при очень высоких давлениях. Стандартное значение давления в магистральном нефтепроводе составляет около 7 МПа, полимерные же трубы производят с расчетом на максимальное давление в 2,5 МПа, что может подойти только для магистральных газопроводов первой категории. Кроме того отрицательно сказывается на внедрение труб из полимеров отсутствие актуальных нормативов и опыта в сварке полимерных труб большого диаметра.  Если говорить о сварке, то сегодня на рынке полимерных труб активно обсуждается проблема, заключающаяся в отсутствии методик по определению остаточного ресурса труб и качества сварных соединений [4, с. 65-66].

Список литературы:

1. Виды и свойства труб из сшитого полиэтилена [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://propolyethylene.ru/shitiy/trubi.html (дата обращения 28.04.2019)
2. Володин Н.В. Трубы из полибутена. Мифы и реальность [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://polybuten.com/ (дата обращения 08.05.2019)
3. Вторичное использование отходов ПВХ [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://vtorothodi.ru/pererabotka/otxody-pvx (дата обращения 04.05.2019)
4. Зайцева Е.И. Векторы развития полимерных трубопроводов в Германии. По итогам выставки IFAT 2018 / Е.И. Зайцева, И.П. Сафронова // Полимерные трубы. – 2018. – №3. – С. 64-66.
5. Коврига В.В. Поливинилхлорид – ясная экологическая перспектива [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.chemkor.ru/articles/polivinilxlorid-yasnaya-ekologicheskaya-perspektiva.html (дата обращения 04.05.2019)
6. Максимов А.Л. Опыт строительства и эксплуатации нефтепроводов ООО НК «ЛУКОЙЛ-КМН» из труб ANACONDA^TM // Инженерная практика. – 2018. – №6-7. – С. 78-79.
7. Недостатки полипропиленовых труб в отоплении дома [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://eurosantehnik.ru/nedostatki-polipropilenovyx-trub-v-otoplenii-doma.html (дата обращения 06.05.2019)
8. Особенности труб ХПВХ и правила их использования [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://trubaspec.com/vidy-trub/osobennosti-trub-khpvkh-i-pravila-ikh-ispolzovaniya.html (дата обращения 04.05.2019)
9. Полимерные трубы в помощь ЖКХ. Экономия и качество [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://alexbego.ru/inzheneriya/polimernye-tryby-v-pomosh-jkh-ekonomiia-i-kachestvo.html (дата обращения 01.05.2019)
10. Полиэтиленовые трубы: маркировка, диаметры, характеристики, применение [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://stroychik.ru/strojmaterialy-i-tehnologii/polietilenovye-truby#i-6 (дата обращения 27.04.2019)
11. Производство полиэтиленовых труб ANACONDA^TM [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://tk.perm.ru/anakonda/ (дата обращения 01.05.2019)
12. Разновидности труб из ПВХ и как правильно выбирать качественное изделие [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://infotruby.ru/plastikovye/raznovidnosti-trub-iz-pvh (дата обращения 04.05.2019)
13. Солнцев Ю.П. Материаловедение: учебник для вузов / Ю.П. Солнцев, Е.И. Пряхин – 4-е изд. перераб. и доп. – СПб.: ХИМИЗДАТ, 2007. – 784 с.
14. Трубы из ПВХ: плюсы и минусы [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://unitreid-group.com/poleznoe/truby-iz-pvh-plyusy-i-minusy/ (дата обращения 12.05.2019)
15. Утилизация отходов ПВХ: технология вторичной переработки [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://rcycle.net/plastmassy/pvh/pererabotka-othodov-polivinilhlorida#i-2 (дата обращения 04.05.2019)
16. Характеристика полиэтиленовых труб [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://trubyisantehnika.ru/характеристика-полиэтиленовых-труб.html (дата обращения 27.04.2019)
17. Что из себя представляют армированные полипропиленовые трубы? [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://infotruby.ru/polipropilenovye/armirovannye (дата обращения 10.05.2019)
18. Шурайц А.Л. Газопроводы из полимерных материалов: Пособие по проектированию, строительству и эксплуатации / А.Л. Шурайц, В.Ю.Каргин, Ю.Н. Вольнов – Саратов: Изд-во «Журнал Волга – XXI век», 2007. – 612 с.