Применение композитных материалов при ремонте технологических трубопроводов

Перспективным направлением в настоящее время является восстановление дефектных трубопроводов непосредственно на месте путем использования композитных материалов, обладающих высокой прочностью и высокой адгезией к металлическим материалам. Традиционный ремонт трубопроводов сваркой и врезкой ремонтных участков не всегда может быть выполнен на месте, и в большинстве случаев, приходится прибегать к полной замене целых участков трубопроводов. Следует отметить, что трубопроводы из металлов обладают всеми необходимыми характеристиками, но являются массивными и дорогостоящими элементами.

Перспективными в настоящее время являются материалы, обладающие прочностью, сопоставимой с металлами, но имеющие значительно меньший вес, а также стоимость [2]. К таким материалам относятся композиты — многокомпонентные материалы, изготовленные из двух или более компонентов. Перспективность использования таких материалов также подтверждается развитием технологий изготовления композитных элементов различных деталей с использованием различных наполнителей, которые придают материалу дополнительные улучшенные физические и химические свойства.

Рассмотрим возможность применения композитных материалов для ремонта технологических трубопроводов в нефтехимической промышленности методом «мокрого» ламинирования [3]. Данный технологический процесс подразумевает нанесение на поврежденную поверхность сухого стеклоармирующего материала (стекломат, стеклоткань) с последующей его пропиткой жидкой органической смолой (эпоксидной, фенолформальдегидной, полиэфирной, эпоксивинилэфирной и др.). Смола выполняет функции связующего, а стеклоармирующий материал обеспечивает механическую прочность конструкции. Для придания композиту специальных свойств в смолу вводят функциональные наполнители в виде минеральных или полимерных дисперсий.

Преимуществами данного вида ремонта являются: возможность работы «по месту», в том числе в труднодоступных и замкнутых пространствах; без огневой способ ремонта и ремонтопригодность наносимых покрытий; высокая прочность покрытия, возможность создания покрытий для различных рабочих сред и условий эксплуатации; возможность модернизации оборудования и интенсификации производственных процессов при нанесении специальных видов покрытия на существующие конструкции.

Выполним расчет стеклопластикового бандажа для ремонта стальных труб. Исходными данными для расчета являются основные геометрические размеры бандажа, физические свойства материала из которого изготовлен бандаж, основные действующие нагрузки на бандаж. Общий вид бандажа показан на рисунке 1.

Рисунок 1. Стеклопластиковый бандаж на трубопроводе: 1 — металлическая труба; 2 — стеклопластиковый бандаж

Бандаж изготовлен из композитного материала: стеклопластик (S-стекло), основные физико-механические свойства которого приведены в таблице 1.

Таблица 1. Физико-механические свойства композита – стеклопластик (S-стекло)

Расчет ремонтного бандажа выполнен на основании ГОСТ Р 59411-2021 «Трубопроводы промысловые из стеклопластиковых труб. Правила проектирования и эксплуатации» и ГОСТ 32388-2013 «Трубопроводы технологические. Нормы и методы расчета на прочность, вибрацию и сейсмические воздействия».

Расчет бандажа на прочность включает:

• расчет минимальной толщины исходя из действующего избыточного внутреннего давления и избыточного наружного давления;
  
• проведение проверочного расчета на прочность при условиях эксплуатации трубопровода (временные длительные нагрузки (внутреннее избыточное давление или вакуум в трубопроводе), кратковременные нагрузки (испытание трубопровода на прочность и проверка герметичности, гидравлический удар).
  

Результаты математического моделирования и проверочные расчеты показывают, что минимальная величина толщины ремонтного бандажа SR, выполненного из стеклопластика, без учета напуска на технологию производства и прибавки для компенсации эрозии материала при эксплуатации, составляет менее 1 мм для давления до 1,5 МПа и диаметра трубопроводов до 300 мм для температурных условий до 120°С (рис. 2). Данный результат показывает, что толщина ремонтного слоя в три раза меньше толщины трубы, выполненной из металла.

Рисунок 2. Зависимость минимальной расчетной толщины ремонтного стеклопластикового бандажа от избыточного давления для труб диаметром D_н: 1 — 300 мм; 2 — 200 мм; 3 — 100 мм

Условия прочности бандажа при воздействии гидравлического удара соблюдается для любых сочетаний его конструктивных форм.

Такими образом, предварительные исследования показывают, что применение композитов для ремонта стальных труб методом изготовления композитного бандажа на трубе способом «мокрого» ламинирования, позволяет достичь необходимых результатов. При этом стоимость ремонтных работ не превышает стоимости традиционных методов восстановления труб. А срок службы трубопровода увеличивается, так как бандаж из стеклопластика обладает высокой химической стойкостью к агрессивным условиям внешней среды. Данное решение может найти применение для восстановления изношенных трубопроводов и для других отраслей промышленности.

Список литературы

1. Бадьин Ю.А., Солоденков С.В., Феоктистов В.А. Предотвращение повышенного эрозионно-коррозионного износа в технологических трубопроводах нефтеперерабатывающих предприятий. – URL: chemtech.ru (дата обращения 2026-02-15).
   
2. Любимова О.Н., Любимов Е.В., Андреев В.В. Армирующие элементы на основе стеклометаллокомпозита: анализ целесообразности их внедрения: учебное пособие для вузов / Политехнический институт ДВФУ. – Владивосток: Изд-во Дальневост. федерал. ун-та, 2023. – 1 CD. [117 с.]. – Систем. требования: Acrobat Reader, Foxit Reader или любой другой их аналог. – ISBN 978-7444-5539-2. – Текст: электронный.
   
3. Холодников Ю.В., Альшиц Л.И., Дербыщев А.С. «Применение композитов в оборудовании для химических производств. Часть 1» // Композитный мир. №3, 2019 г. – С. 36-44.