Трубы, футерованные полиэтиленом. Как совместить прочность стали и коррозионную стойкость пластика?

Стальная труба прочная, выдерживает высокое давление, не боится перепадов температур и механических нагрузок. Но у неё есть один враг, с которым она не справляется в одиночку, — коррозия. Вода, нефтепродукты, сероводород, кислород, углекислый газ, содержащиеся в транспортируемой среде, или просто влажный грунт снаружи трубы постепенно разрушают металл изнутри и снаружи. Итог один: трубопровод течёт, его меняют раньше срока, а ремонт обходится дороже, чем стоила бы изначально более качественная труба.

Задача, которую много лет решают инженеры-трубопроводчики, звучит просто: как сохранить прочность стали, но избавить её от контакта с агрессивной средой. Один из вариантов ответа — «одеть» стальную трубу в полиэтилен изнутри и снаружи. Именно так устроены футерованные трубы и соединительные детали, которые производит Инженерно-производственный центр в городе Бугульма.

Футерованная труба — это металлическая труба, во внутреннюю и (при необходимости) внешнюю полость которой вставлена и плотно закреплена полиэтиленовая труба-оболочка. Металл берёт на себя механическую работу — держит давление, вес, нагрузки при монтаже и эксплуатации. Полиэтилен берёт на себя контакт со средой — и с той, что течёт внутри, и с той, что окружает трубу снаружи (грунт, влага, химически активные вещества).

Разработка основана на патенте RU 135059 U1 «Металлическая труба, футерованная пластмассовыми трубами», автор — Вячеслав Михайлович Айдуганов, основатель и разработчик компании. Патент решает конкретную инженерную проблему, о которой стоит рассказать подробнее, потому что именно она объясняет, почему конструкция сделана так, а не иначе.

Какие решения применялись раньше и почему они не устраивали?

До появления этой конструкции существовали трубы с внутренней пластиковой оболочкой — они защищали от коррозии только изнутри, а снаружи оставались беззащитными. Наружную защиту пытались обеспечить отдельно: наносили на трубу горячий битум (разогретый выше +180 °C) или оборачивали её липкими полимерными лентами.

- Горячий битум нередко расплавлял внутреннюю пластиковую оболочку — особенно если установка для нанесения покрытия останавливалась хотя бы на короткое время. А срок службы самого битумного покрытия не превышал 10 лет.

- Полимерная лента заметно менее надёжна при укладке трубопровода в траншею: летом, разогреваясь на солнце, она рвётся. Даже в комбинированном варианте (битумно-каучуковый слой снизу, полимерная лента сверху) конструкция обладала низкой твёрдостью, и производителям приходилось дополнительно наматывать поверх ещё один слой полиэтиленовой ленты. Срок службы таких покрытий — до 30 лет.

При этом было замечено, что защита именно внутренней поверхности трубы пластиковой оболочкой продлевает срок службы трубопровода до 50 лет. Вывод напрашивался сам: если научиться так же надёжно защищать и наружную поверхность трубы, соединив оба слоя в единую конструкцию, можно получить трубу с гораздо большим ресурсом. Так появилась идея футеровки трубы полиэтиленом с двух сторон — изнутри и снаружи — с герметичным соединением на концах.

1. Металлическая труба — несущий элемент, отвечающий за прочность и герметичность под давлением.

2. Внутренняя полиэтиленовая труба — защищает металл от той среды, что течёт внутри (вода, нефтепродукты, сточные воды).

3. Наружная полиэтиленовая труба (устанавливается по мере необходимости) — защищает металл от почвы, влаги и внешних агрессивных факторов.

Самое уязвимое место любой футерованной трубы — это её торцы, где заканчивается защитное покрытие и оголяется металл. Именно здесь конструкция ИПЦ отличается от более ранних аналогов: концы полиэтиленовых труб закрепляются на металле с помощью втулок и затем свариваются между собой так, что сварной шов перекрывает материалом полиэтилена сами торцы металлической трубы и втулок. То есть открытого металла не остаётся вообще — ни на теле трубы, ни на её концах.

Втулки изготавливаются либо из углеродистой стали с антикоррозийным покрытием, либо сразу из нержавеющей (коррозионно-стойкой) стали — это добавляет надёжности узлу, который физически ближе всего к возможному контакту с агрессивной средой.

Процесс футеровки — это не покраска и не обмотка трубы плёнкой, а протяжка полиэтиленовой трубы через стальную с изменением её диаметра под нагрузкой:

- Внутренняя футеровка. Полиэтиленовую трубу, у которой наружный диаметр изначально больше внутреннего диаметра стальной трубы, протягивают лебёдкой через сужающий фильер — в этот момент её диаметр временно уменьшается. В таком «сжатом» виде она свободно проходит внутрь металлической трубы, а после протяжки стремится вернуться к исходному размеру. За счёт этого между полиэтиленом и сталью возникает плотное фрикционное соединение с заданным контактным давлением — труба-оболочка буквально прижимается изнутри к стенкам металла.

- Наружная футеровка. Здесь процесс зеркальный: полиэтиленовую трубу с меньшим, чем у стальной трубы, внутренним диаметром протягивают лебёдкой через дорн, который, наоборот, расширяет её диаметр. В таком расширенном состоянии она свободно надевается на металлическую трубу снаружи, а весь процесс ведётся так, чтобы не выйти за пределы упругости материала — иначе полиэтилен потеряет способность плотно «сесть» обратно на металл.

- Закрепление концов. Концы обеих полиэтиленовых труб намеренно оставляют выступающими за торцы металла. Внутренний конец закрепляется втулкой методом раздачи или запрессовки, наружный — обжимом или запрессовкой. После этого выступающие концы полиэтилена сваривают между собой, перекрывая место стыка металла и втулок.

Результат — цельная конструкция, в которой сталь полностью изолирована от внешней и внутренней среды, включая монтажные стыки.

Футерованные трубы — длиной до 12 000 мм, а также немерной длины, диаметрами DN 65, 80, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400 мм.

Патрубки, футерованные полиэтиленовой трубой — предназначены для соединения между собой труб и соединительных деталей одного диаметра. Изготавливаются от 800 до 6000 мм с шагом 1000 мм. Отдельный вариант патрубка — концевик, который служит переходником от муфтового соединения труб к сварному.

Отводы гнутые, футерованные полиэтиленовой трубой — используются для поворотов трассы трубопровода. Их получают методом гибки уже готовых футерованных труб в холодном состоянии (без нагрева, что важно для сохранности полиэтиленового слоя). Выпускаются условными проходами DN 80, 100, 150 мм с углом гиба от 3° до 90°.

Патрубки, отводы и трубы объединены общим сокращением СДТ — соединительные детали трубопровода.

Рабочее давление — показатель того, насколько сильно жидкость или газ давят на стенки трубы изнутри. Чем выше рабочее давление, тем прочнее должна быть труба и надёжнее соединения, иначе трубопровод может дать течь или разрушиться. Изделия с муфтовым соединением делятся на два исполнения: исполнение I рассчитано на давление до 4,0 МПа, исполнение II — до 25,0 МПа.

Для сравнения: 4 МПа — это давление, характерное для систем водоснабжения и отопления, а 25 МПа применяется там, где трубопровод работает в более тяжёлых условиях, например на нефтепромыслах. Муфтовым соединением монтируются трубопроводы диаметрами DN 80, 100, 150, 200, 250, 300 мм. Для труб с фланцевым соединением допустимое давление определяется типом и размером самого фланца, а для остальных типоразмеров — материалом и толщиной стенки стальной трубы.

Температура эксплуатации. Здесь речь идёт о температуре воздуха и грунта вокруг трубопровода, а не о температуре того, что течёт внутри. Трубопровод из футерованных труб и СДТ может работать при температуре окружающей среды от −60 °C до +40 °C. Этот диапазон важен, потому что трубопроводы часто прокладывают в регионах с холодными зимами, включая районы Сибири, где почва зимой сильно промерзает. Полиэтилен при низких температурах может терять эластичность и трескаться, поэтому способность материала сохранять свои свойства в сильный мороз — это конкретное инженерное требование, а не формальность. Строительно-монтажные и укладочные работы допускаются при температуре от −45 °C до +40 °C: диапазон немного уже, потому что при монтаже трубу гнут, сваривают и стыкуют, а слишком сильный мороз делает полиэтилен хрупким именно в момент механического воздействия.

Температура рабочей среды — характеристика того, что течёт внутри трубы, например воды или нефтепродуктов. Она не должна превышать +60 °C в постоянном режиме, кратковременно допускается до +90 °C. Ограничение связано с тем, что полиэтилен при нагреве постепенно теряет прочность и способность плотно прилегать к стенкам металла. Если температура среды долго будет выше нормы, защитный слой начнёт деформироваться и потеряет свои свойства раньше срока.

Типы соединений. В зависимости от подготовки концов труба и СДТ монтируются одним из четырёх способов: муфтовым (детали соединяются через промежуточный элемент — муфту, без сварки), сварным (концы труб сваривают напрямую), фланцевым (трубы стягивают через фланцы болтами, соединение можно разобрать) или резьбовым (детали вкручиваются друг в друга). Выбор способа зависит от условий монтажа, необходимости последующего обслуживания и требуемого давления.

Наружная изоляция. По требованию заказчика трубы и СДТ дополнительно могут изготавливаться с различными видами наружных изоляционных покрытий, если конкретный проект требует дополнительной защиты сверх стандартной полиэтиленовой оболочки.

Климатическое исполнение подбирается по показателям ударной вязкости стали в соответствии с ГОСТ 15150. Ударная вязкость показывает, насколько металл устойчив к разрушению при резком механическом воздействии в условиях низких температур. Для регионов с холодным климатом подбирается сталь с более высокими показателями ударной вязкости, чтобы труба не становилась хрупкой на морозе.

Полиэтилен устойчив к контакту не со всеми веществами, поэтому область применения футерованных труб определяется тем, к каким средам он химически стоек:

- хозяйственно-питьевое водоснабжение;

- транспортировка нефтепродуктов;

- нефтепромысловые сточные воды, содержащие сероводород, кислород, углекислый газ;

- другие жидкие и газообразные среды, агрессивные к металлу, но нейтральные для полиэтилена.

Все перечисленные вещества со временем разрушают незащищённую сталь, но не вступают в реакцию с полиэтиленом. Поэтому там, где трубопровод транспортирует именно такие среды, футерованная труба служит дольше, чем обычная стальная.

Технология рассчитана в первую очередь на среды, к которым полиэтилен химически устойчив:

- хозяйственно-питьевое водоснабжение;

- транспортировка нефтепродуктов;

- нефтепромысловые сточные воды, содержащие сероводород, кислород, углекислый газ;

- другие жидкие и газообразные среды, агрессивные к металлу, но нейтральные для полиэтилена.

Нефтегазовая отрасль. Речь идёт о подземных и надземных трубопроводах на месторождениях. Среда там особенно агрессивна: в составе нефтепромысловых стоков часто присутствует сероводород, который активно разрушает металл, а также кислород и углекислый газ, ускоряющие коррозию. Двойная защита трубы, снаружи и внутри, здесь особенно важна, потому что и грунт, в котором проложен трубопровод, и сама транспортируемая среда одинаково опасны для незащищённой стали.

Жилищно-коммунальное хозяйство. Это сети холодного и горячего водоснабжения, а также отопление. Здесь трубопроводы обычно прокладывают под землёй в городской застройке, где авария означает не только замену трубы, но и вскрытие дорог, дворов и коммуникаций. Увеличенный срок службы футерованной трубы снижает частоту таких работ и связанные с ними затраты и неудобства для жителей.

Конструкция футерованной полиэтиленом трубы

Конструкция объединяет сильные стороны стали и полиэтилена, позволяя не искать компромисс между материалами: сталь надёжно держит нагрузку, а полиэтилен эффективно защищает от коррозии. Благодаря повышенной стойкости покрытий к механическим повреждениям футеровка меньше страдает от ударов и царапин при перевозке, погрузке и монтаже — в отличие от внешних изоляционных лент или битумных покрытий.

Гладкая полиэтиленовая внутренняя поверхность снижает гидравлическое сопротивление по сравнению с незащищённой стальной трубой: на ней не образуются такие же отложения и шероховатость, как на металле, подверженном коррозии. За счёт устойчивости покрытий к коррозии существенно увеличивается срок службы трубопровода. Важное преимущество — защита по всей длине трубы, включая монтажный стык, который традиционно считается самым слабым местом изоляции: у ИПЦ это решается за счёт сварки концов и втулок. Кроме того, конструкция отличается высокой устойчивостью к абразивному износу — это особенно актуально для сред с механическими примесями, например, для нефтепромысловых стоков.

Соответствие нормативам

Продукция изготавливается по техническим условиям ТУ 24.20.00-028-05608841-2022 «Трубы и фасонные детали, футерованные полиэтиленовой трубой». На изделия действуют сертификат соответствия ЕАЭС ТУ 028 В.06283-22 (срок действия — до 2027 года) и свидетельство о государственной регистрации (СГР) ТУ 028, выданное бессрочно.

Требования безопасности при изготовлении и монтаже труб и СДТ соблюдаются в соответствии с:

- Руководством по безопасности «Рекомендации по устройству и безопасной эксплуатации технологических трубопроводов» № 784;

- Федеральными нормами и правилами «Правила безопасности в нефтяной и газовой промышленности» (редакция от 01.01.2017);

- Федеральными нормами и правилами «Правила промышленной безопасности при использовании оборудования, работающего под избыточным давлением» (ФНП № 536 от 15.12.2020);

- ГОСТ 12.2.003 «Система стандартов безопасности труда. Оборудование производственное. Общие требования безопасности».

Инженерное решение, в котором два материала работают в паре по своим сильным сторонам: сталь несёт нагрузку, полиэтилен полностью изолирует металл от агрессивной среды изнутри и снаружи, а узел на концах трубы — исторически самое слабое место любой защиты — закрыт сваркой и втулками так же надёжно, как и вся остальная поверхность.

Именно поэтому такие трубы и соединительные детали применяются там, где надёжность трубопровода особенно важна: в нефтегазовой отрасли и в системах водоснабжения и отопления жилищно-коммунального хозяйства.