Текущее состояние. Развитие нефтегазового комплекса неразрывно связано с совершенствованием способов транспортировки добываемых углеводородов. Одним из способов повышения эффективности работы систем, транспортирующих природный газ, является использование внутренних гладкостных покрытий. Данные покрытия позволяют снижать затраты на транспортировку газа и дополнительно защищают внутреннюю полость трубы от коррозионных повреждений. В связи с развитием добычи природного газа в условиях Крайнего Севера и повышением доли более тяжелых углеводородных компонентов в транспортируемом газе, требуются новые технические решения, позволяющие обеспечить эффективную работу магистральных газопроводов в новых условиях.

Решаемая научная проблема. В условиях Крайнего Севера на применяемые эпоксидные покрытия дополнительное воздействие может оказывать фактор низких температур, ускоряя процесс охрупчивания покрытия в связи с ослабеванием межмолекулярных связей. Охрупчивание покрытий и потеря их эластичности может привести к потере адгезии со стальной подложкой и отслаиванием от её поверхности, в особенности в процессе монтажа и укладки трубопровода.

В связи с вышеперечисленными факторами, в данных специфичных условиях требуется применение новых гладкостных покрытий, которые будут обладать высокими антифрикционными, физико-механическими и защитными свойствами. К одним из перспективных вариантов можно отнести покрытия на основе фторсодержащих полимеров.

В данной работе проводился сравнительный анализ физико-механических характеристик эпоксидных покрытий и фторопластовых покрытий для подтверждения большей эффективности применения фторопластовых покрытий при обеспечении его прочной адгезионной связи со стальной поверхностью в рассматриваемых условиях.

Методы исследования. В ходе работы был проведён комплекс исследований физико-механических характеристик покрытий, включающий определение ударной прочности покрытий при нормальной и отрицательной температуре, определение эластичности методом Эриксона, определение прочности на изгиб, определение эквивалентной шероховатости.

Детали исследования. Для эпоксидного покрытия (ЭП) и фторопластового покрытия (ФП) определялась высота падения бойка, после которой происходит разрушение покрытия, максимальная высота падения бойка в исследовании составляла 50 см. Результаты исследования представлены на рисунке 1.

При изучении деформированных после удара частей пластин выявлено, что фторопластовое покрытие не подверглось разрушению при нормальной и отрицательной температуре после 5 параллельных измерений в разных частях испытуемых пластин.

При этом разрушение эпоксидного покрытия произошло при нормальной температуре при высоте падения бойка 35 см, и при отрицательной температуре при высоте падения бойка 30 см. Уменьшение высоты падения бойка до разрушения покрытия можно связать, по всей видимости, с охрупчиванием покрытия по причине торможения процесса релаксации напряжений.

После проведения испытаний были получены следующие результаты:

• разрушение образцов эпоксидных покрытий произошло при глубине вдавливания пуансона 5,5 мм по среднему значению;

• разрушение образцов фторопластового покрытия не произошло при максимальном вдавливании пуансона на 8,5 мм.

Эпоксидное покрытие разрушилось при меньшей величине вдавливания пуансона. Меньшую эластичность эпоксидного покрытия, по всей видимости, можно объяснить составом и внутренним строением полимера, которые обуславливают большую склонность к накоплению внутренних напряжений и возникновению очагов значительных перенапряжений, приводящих к образованию трещин.

Испытание на изгибную прочность проводились для оценки максимальной величины изгиба, которую покрытия может получить до деформации и разрушения, а также для дополнительной оценки эластичности рассматриваемых покрытий.

Для проведения испытания были подготовлены по 3 пластинки из черной жести, покрытые рассматриваемыми покрытиями, для каждого из диаметров стержней.

При испытании пластинки изгибались вокруг стержней от самого наибольшего диаметром 20 мм. По результатам проведённых испытаний на 3-х контрольных пластинках установлено, что эпоксидное покрытие выдерживает изгиб в 5 мм, в то время как покрытие на основе фторопластовых полимеров способно выдержать минимальную величину изгиба, составляющую 1 мм. Меньшая максимальная величина изгиба эпоксидного покрытия может быть обусловлена теми же причинами, что и его меньшая эластичность по сравнению с фторопластовым покрытием.

Также были определены коэффициенты эквивалентной шероховатости для каждого из типов покрытий: для эпоксидного покрытия значение составило Кээ=0,631 мкм, а для фторопластового Кэф=0,539 мкм. 

Известно, что гидравлический предел шероховатости труб большого диаметра составляет 3-4 мкм. Таким образом, дополнительное уменьшение средней величины шероховатости не приносит эффекта. Из этого можно заключить, что эпоксидные и фторопластовые покрытия обладают примерно одинаковым потенциалом для обеспечения гидравлической эффективности газопровода. 

По известной методике была проведена оценка потерь давления для двух типов газа: природный газ (ПГ) с содержанием метана 98% и более, и природный этансодержащий газ (ПГ этансодержащий), доля транспортировки которого растёт. На рисунке 2 представлен график падения давления по длине газопровода, с установленной длиной участка 100 км, в зависимости от его суточной производительности при использовании гладкостного покрытия и без покрытия. Коэффициент эквивалентной шероховатости для труб без покрытия был принят равным Кэ=0,01 [38], для труб с гладкостным покрытием Кэг=0,003 (равным толщине вязкого ламинарного подслоя).

Из графика видно, что потери давления по длине трубопровода при использовании внутреннего гладкостного покрытия уменьшаются примерно в 1,5 раза, что особенно актуально при транспортировке газа с повышенным содержанием этана и компонентов далее по углеводородному ряду.

Заключение. В результате работы проанализированы физико-механические характеристики эпоксидных и фторопластовых покрытий. Проведенный анализ позволяет однозначно сказать, что фторопластовые покрытия обладают более высокими механическими характеристиками по сравнению с эпоксидными покрытиями.

В результате оценки коэффициента эквивалентной шероховатости установлено, что покрытия имеют примерно одинаковый потенциал для обеспечения гидравлической эффективности газопровода, ограниченный толщиной вязкого ламинарного подслоя потока. Применение гладкостных покрытий при транспортировке природного газа с повышенным содержанием этана и более тяжелых компонентов позволяет снизить потери давления по длине примерно в 1,5 раза.