Современные стеклопластиковые трубы: материалы, свойства, технологии изготовления и области применения (обзор)

Введение

Полимерные композиционные материалы (ПКМ) все шире применяются в самых различных областях и их потребление постоянно растет [1–3].

На рис. 1 показан рост применения ПКМ по оценкам различных экспертов. На рис. 2 представлена структура рынка ПКМ по типам армирующего волокна и полимерной матрицы. Доля рынка стекловолокна в 2024 г. в общем объеме композитов составила 87 %, а в строительстве достигла ~31 %.

В настоящее время продолжаются работы по созданию новых композиционных материалов и проводятся исследования по изучению их технологических и эксплуатационных свойств [5–7].

Большой объем конструкций из ПКМ изготавливают из стеклопластиков, что объясняется теми свойствами, которыми они обладают:

• высокие удельные механические свойства – прочность при растяжении 150–750 МПа, а у однонаправленных стеклопластиков может превышать и 1700 МПа, модуль упругости 15–55 ГПа;
• высокая устойчивость к воздействию кислот и щелочей;
• объемное электрическое сопротивление 10¹²–10¹⁴ Ом·см, диэлектрическая проницаемость 3,5–5,0 [8].

Для современной инфраструктуры – нефтегазопроводов, систем водоснабжения и водоотведения, химической промышленности и энергетики – требуются трубопроводы, устойчивые к коррозии, агрессивным средам, обладающие долгим сроком службы, легкостью монтажа и эксплуатации [9–12].

Стеклопластиковые трубы (композиты на основе стекловолокна и полимерной матрицы), особенно изготовленные методом непрерывной намотки, являются основной альтернативой традиционным металлическим и железобетонным трубам.

Первая стеклопластиковая труба была изготовлена в 1961 г. (рис. 3) и она до сих пор эксплуатируется в деривационном водоводе в сложных условиях окружающей среды, хотя прошло уже более 65 лет [13].

Стеклопластиковые трубы, представляют собой композитные конструкции на основе полимерной матрицы, армированной стекловолокном, и разработаны из-за острой потребности в коррозионностойких и долговечных трубопроводных системах. В середине XX в. их промышленное применение неразрывно связано с развитием химии термореактивных смол (прежде всего – эпоксидных и полиэфирных) и технологий переработки стекловолокна. Первооткрывателем стала американская компания Ameгon, разработавшая в 1960-х гг. первые напорные трубы для нефтедобычи, способные работать при давлении до 30 МПа в агрессивных средах, содержащих сероводород (H₂S) и солевые рассолы. Эта технологическая революция позволила решить проблему катастрофической коррозии стальных трубопроводов, особенно актуальную для транспортировки агрессивных сред. К 1980-м гг. стеклопластиковые трубы перешли из категории экзотических решений в разряд стандартизованных изделий, чему способствовала разработка международных (ISO, ASTM) и национальных (ГОСТ) стандартов, регламентирующих их производство и применение.

Таким образом, применение в будущем стеклопластиковых труб в различных отраслях – только вопрос времени [14–17].

Материалы и технология

Для изготовления стеклопластиков применяются различные связующие (в основном – полиэфирные и эпоксидные), а в качестве наполнителей используются стеклонити и стекложгуты, при этом основным видом изготовления является намотка [18, 19].

Для стеклопластиковой трубы, изготовляемой методом непрерывной намотки, применяются следующие материалы:

• непрерывный стеклоровинг E-glass, который широко используется в производстве стеклопластиковых изделий, обладает высокой прочностью и хорошей адгезией к полимерным матрицам; угол 3–5 градусов обеспечивает оптимальную ориентацию волокон для восприятия осевых и кольцевых нагрузок;
• рубленый стеклоровинг, который используется для армирования структурного слоя и обеспечивает хорошую вязкость, а также повышает прочность при сдвиге;
• кварцевый песок, который используется в качестве наполнителя для снижения стоимости и придания плотности структурному слою, обеспечивает достаточную прочность и износостойкость; фракция песка 0,2‒0,8 мм обеспечивает оптимальное соотношение между прочностью и технологичностью;
• ненасыщенная полиэфирная смола, главными параметрами которой являются вязкость 450±50 мПа·с (при температуре 25 °C) и время гелеобразования 23±2 мин.

Виды намотки и другие способы изготовления стеклопластиковых труб

По видам укладки материала при намотке можно дать следующую классификацию:

- спирально-кольцевая – укладочный механизм перемещается вдоль оси вращающейся оправки, обеспечивая укладку непрерывных волокон по винтовым траекториям (рис. 4). Угол армирования регулируется соотношением скорости вращения мандрели и поступательного движения укладчика – от 5 до 88 градусов относительно оси трубы. Такая укладка позволяет получать трубы устойчивые к высокому давлению;

продольно-поперечная – стеклянная лента с нахлестом укладывается на оправку с одновременной прикаткой роликом (рис. 5). Такая схема обеспечивает плотную укладку и минимальную толщину слоя связующего между волокнами;

- поперечная (кольцевая) – препрег в виде лент укладывается в плоскости, перпендикулярной оси вращения оправки;

- продольная (осевая) – арматура укладывается вдоль оси изделия.

Содержание стекловолокна достигает 75–85 % (по массе).

Рассмотрим другие способы изготовления труб:

- центробежное формование применяется преимущественно для безнапорных и слабонапорных труб большого диаметра (канализация, коллекторы). Связующее с рубленым волокном (и часто песком) заливается во вращающуюся форму, где под действием центробежных сил формируется плотная, часто многослойная стенка (рис. 6). Такая технология характеризуется высокой производительностью и хорошей геометрической точностью, но ограниченной прочностью;

- другим видом технологии является плутрузия, которая используется для труб относительно малых диаметров постоянного сечения (опоры, корпуса). Процесс заключается в непрерывном протягивании пропитанных волокон через нагретую фильеру. Получают изделия с высоким содержанием волокна и отличными продольными характеристиками, но небольшой кольцевой прочностью. Схема пултрузионной установки представлена на рис. 7;

- аддитивные методы (включая 3D-печать) позволяют создавать сложные геометрические формы с высокой точностью. Для стеклопластиковых труб это может означать возможность изготовления изделий с нестандартными сечениями, встроенными элементами или переменной толщиной стенки. Технологии FDM (Fused Deposition Modeling) или SLS (Selective Laser Sintering) с использованием композиционных материалов на основе стекловолокна и полимеров могут стать решением для прототипирования и мелкосерийного производства. Преимущества включают сокращение времени на подготовку производства и минимизацию отходов.

Отдельно рассмотрим процесс непрерывной намотки. Непрерывная (филаментная) намотка – основная технология для изготовления напорных труб средних и больших диаметров (50–4000 мм), при которой непрерывные нити стеклоровинга, пропитанные связующим, укладываются на вращающуюся оправку (мандрел) под заданным углом и натяжением.

Технология непрерывной намотки (рис. 8) хорошо освоена в РФ и за рубежом. На рис. 9 представлено фото стеклопластиковой трубы, изготовленной по технологии непрерывной намотки.

Технология изготовления стеклопластиковой трубы методом непрерывной намотки определяется ее конструктивной особенностью. Схема слоев стеклопластиковой трубы и ее структура приведены на рис. 10.

Основанием для намотки композита служит оправка, которая может быть изготовлена из стали, алюминия или композиционных материалов. На рис. 10 показаны слои стеклопластиковой трубы:

• внутренний барьерный слой предотвращает проникновение связующего в оправку и обеспечивает гладкую поверхность для последующих слоев, содержит стеклоровинг, намотанный под углом 5 градусов. Этот слой толщиной 4–10 мм обеспечивает прочность и жесткость трубы под действием внутренних и внешних нагрузок;
• средний структурный слой (массовая доля песка 60 %) толщиной 4–80 мм обеспечивает необходимую толщину и жесткость стенки трубы, наполнение песком снижает стоимость и плотность композита;
• внешний армирующий слой толщиной 4–10 мм (угол намотки непрерывного стеклоровинга 5 градусов) обеспечивает прочность и жесткость трубы под действием внутренних и внешних нагрузок. Оптимальный угол намотки 5 градусов обеспечивает максимальную прочность при кольцевых нагрузках. Наружный слой покрыт полимерным связующим для защиты от ультрафиолета и влаги.

Изготовление труб по технологии непрерывной намотки предусматривает постоянное армирование будущей трубы стекловолокном по окружности при продвижении оправки. Эта технология позволяет получать более качественный продукт по более низкой цене. При этом создается очень плотный ламинат, в котором максимально используется потенциал трех основных видов сырья: непрерывного ровинга из стекловолокна, рубленого ровинга и кварцевого песка, которые обеспечивают высокую прочность при кручении и осевом армировании, а песчаный наполнитель повышает жесткость за счет увеличения толщины. Благодаря системе подачи смол, на оборудовании можно наносить специальную внутреннюю полимерную прослойку для защиты от сильной коррозии, используя при этом стандартную смолу для структурной и внешней частей ламината. Для повышения износостойкости, химической стойкости и улучшения внешнего вида трубы можно использовать другие материалы, например стеклянную или полиэфирную пленку.

Установка для непрерывной намотки состоит из цельной стальной оправки, поддерживаемой цилиндрическими балками. При вращении балок стальная лента натягивается за счет трения, а роликовый подшипник позволяет ленте двигаться в продольном направлении, благодаря чему вся оправка непрерывно движется по спиральной траектории к выходному узлу. По мере вращения оправки на нее непрерывно с помощью электронных датчиков подаются композиционные материалы в точных количествах. Сначала наносится разделительная пленка, затем – стекловолокно различных форм и узоров, пропитанное матрицей из полиэфирной смолы. Конструкционные слои состоят только из стекла и смолы, а средний слой – из рубленного стекловолокна, кварцевого песка и смолы. После того как труба сформирована на оправке, ее отверждают, а затем обрезают до нужной длины. Концы трубы калибруют под муфту.

На рис. 11 показана установка для изготовления стеклопластиковых труб.

Свойства стеклопластиковых труб

Рассмотрим, какие свойства имеют стеклопластиковые трубы.

Рабочее давление (Pressure Nominal – PN) – стандартизованный ряд (PN4, PN6, PN10, PN16, PN25), указывающий на максимально допустимое рабочее давление при температуре 20 °С – например, параметр PN16 соответствует давлению 16 бар (1,6 МПа). Выбор параметра PN зависит от гидравлического расчета системы. Долговременные (Long Term Hydrostatic Pressure – LTHP) и кратковременные (Rapid Tank Pressure – RTP) испытания материала доказывают способность выдерживать рабочее давление в течение всего срока службы (50 лет и более) без разрушения или существенной деформации.

Прочность при растяжении и сжатии критична для напорных труб:

• для эпоксидных стеклопластиковых труб высокого давления при растяжении 180–240 МПа, при сжатии 200–300 МПа;
• для полиэфирных труб с песком при растяжении 80–120 МПа, при сжатии 150–200 МПа.

Ударная вязкость (по Шарпи) важна для стойкости к транспортировке и монтажу в диапазоне значений 70–120 кДж/м² [11].

Кольцевая жесткость (Stiffness Nominal – SN) определяет способность трубы сопротивляться внешним нагрузкам (грунта, транспорта) без чрезмерной деформации. Кольцевая жесткость выражается в Н/м² (ГОСТ Р 54560–2015: SN2500, SN5000, SN10000) или в psi (ASTM: PS20, PS40, PS80). Например, SN10000 означает, что труба выдерживает внешнюю нагрузку, вызывающую деформацию не более 5 % при нагрузке 10000 Н/м². Для разных условий эксплуатации предъявляются различные требования к кольцевой жесткости – например, классов SN5000 и SN10000. Требуется строгое соответствие заявленному классу, так как отклонения от нормы могут привести к потере несущей способности трубы и аварийным ситуациям. Обеспечение кольцевой жесткости позволяет применять трубы в различных условиях прокладки, включая подземную бестраншейную прокладку, надземную прокладку с опорами и подводную эксплуатацию. Подбор труб с соответствующей кольцевой жесткостью требует учета геологических условий, глубины заложения и предполагаемых нагрузок.

Температурный рабочий диапазон эксплуатации труб определяется типом связующего: полиэфирные смолы общего назначения работоспособны от –60 до +80 °С, винилэфирные – от –60 до +110 °С, эпоксидные – от –60 до +130 °С. Однако длительное воздействие температур, близких к верхнему пределу, приводит к деградации матрицы и снижению прочности.

Химическая стойкость – характеризует способность материала сохранять свои физико-механические свойства при длительном контакте с транспортируемой средой, а также критична для труб, используемых при транспортировке агрессивных сред, таких как кислоты, щелочи, растворители, нефть. Разрушение материала под действием химически активной среды может происходить в результате коррозии, растворения, набухания или других химических реакций. Материалы обязательно должны тестироваться на стойкость к конкретным транспортируемым средам при рабочих температурах и концентрациях. Потеря прочности не должна превышать 20–30 % после длительной экспозиции. Важно учитывать изменение не только прочности, но и других параметров, таких как модуль упругости и температурный коэффициент линейного расширения.

Диффузионная стойкость – характеризует способность материала препятствовать проникновению транспортируемой среды через стенку трубы, что особенно важно для газов и летучих углеводородов, так как проникновение среды может приводить к утечкам, загрязнению окружающей среды и снижению давления в системе. Диффузия зависит от пористости материала, типа полимера и характеристик транспортируемой среды. Недопустимо чрезмерное проникновение среды через стенку трубы. Коэффициент проницаемости должен быть ниже установленных норм. Высокая диффузионная стойкость гарантирует герметичность трубопровода, отсутствие утечек транспортируемой среды и сохранение ее чистоты. Для достижения высокой диффузионной стойкости необходимо применять материалы с низкой пористостью и создавать барьерные слои, препятствующие проникновению газов и жидкостей.

Стойкость к ползучести – характеризует способность материала сохранять свою форму и размеры под действием постоянной нагрузки в течение длительного времени, что особенно важно для трубопроводов, эксплуатируемых под высоким давлением и при повышенных температурах, где деформации ползучести могут приводить к изменению геометрической формы трубы и снижению ее пропускной способности. Обеспечение высокой стойкости к ползучести позволяет использовать трубы в системах, работающих под постоянной нагрузкой, гарантируя сохранение их геометрической формы и функциональности в течение всего срока эксплуатации. Для достижения высокой стойкости к ползучести необходимо использовать материалы с высокой термостойкостью и низкой скоростью релаксации напряжений.

Области применения стеклопластиковых труб

Актуальность применения стеклопластиковых труб, полученных методом непрерывной намотки, перед металлическими и железобетонными трубами определяют следующие основные преимущества:

• выдающаяся коррозионная стойкость – не подвержены ржавчине, электрохимической коррозии, устойчивы к широкому ряду химикатов;
• высокая удельная прочность (прочность/масса), поэтому снижаются затраты на транспортировку и монтаж;
•  долговечность – срок службы более 50 лет при правильной эксплуатации;
• экологическая безопасность – инертность и отсутствие выделения вредных веществ.

Благодаря тем свойствам, которые присущи стеклопластику по сравнению с металлом или железобетоном, стеклопластиковые трубы нашли широкое применение в различных отраслях промышленности.

Так, в нефтегазовой отрасли они обеспечивают надежную работоспособность при воздействии высоких давлений и агрессивных сред, применяются в наземных и подземных трубопроводах для сырой нефти, газового конденсата, пластовой воды, ингибиторов коррозии. Успешно используются для насосно-компрессорных труб в добывающих скважинах и технологических линиях на нефтеперерабатывающих заводах.

В жилищно-коммунальном хозяйстве стеклопластиковые трубы используются в магистральных и распределительных сетях холодного и горячего водоснабжения, в безнапорной и напорной канализации, ливневых стоках, в системах пожаротушения и мелиорации.

В отличие от металлических материалов, полимерные композиты, используемые в стеклопластиковых трубах, не подвержены электрохимической коррозии, так как не содержат свободных электронов, обеспечивающих протекание окислительно-восстановительных реакций на поверхности материала. Это устраняет необходимость в катодной защите и других методах предотвращения коррозии. Полимерная матрица композиционного материала химически инертна к большинству агрессивных сред: H₂S и CO₂, кислоты, щелочи, соли. Это обусловлено высокой химической стойкостью полимера и отсутствием металлических включений, которые могли бы подвергаться химической деградации. Данное свойство представляет существенное преимущество по сравнению с металлическими материалами.

Благодаря этому они применяются в химической промышленности при транспортировке концентрированных кислот (H₂SO₄, HCl, HNO₃), щелочей и солевых растворов; в энергетике и строительстве.

Пористость и способ ее снижения методом вибрации

Несмотря на все достоинства стеклопластиковых труб и технологию непрерывной намотки, существует такая проблема, как пористость.

Повышенное значение объемной доли пор (пористости) в стеклопластиковых трубах – распространенная причина возникновения дефектов. Причины возникновения высокой пористости в стеклопластиковых трубах следующие:

• неполная пропитка плотных пучков волокон или хаотичного мата;
• захват воздуха между слоями нитей или на границе слоев с разным составом (особенно между структурным и наполненным песком слоями);
• испарение летучих компонентов связующего или усадка при полимеризации.

Поры являются концентраторами напряжений, снижая прочность (особенно межслойную и усталостную долговечность) на 20–50 %, ухудшают герметичность (риск протечек, диффузии газов), служат каналами для проникновения агрессивных сред, ускоряя деградацию материала. Наполненные песком слои особенно уязвимы из-за высокой вязкости смеси и сложности удаления воздуха.

Поры также могут являться причиной, приводящей к расслоениям (деламинации). Отслоение слоев друг от друга происходит из-за плохой адгезии, остаточных напряжений или технологических нарушений. При этом резко снижается прочность при сдвиге и стойкость к циклическим нагрузкам.

Неправильная ориентация волокон – отклонение от заданных углов укладки при намотке – ведет к анизотропии свойств и несоответствию проектным нагрузкам [18, 19].

Традиционные методы борьбы с пористостью при непрерывной намотке (оптимизация вязкости связующего, точный контроль натяжения и скорости, вакуумная обработка) имеют свои пределы эффективности и технологические сложности, особенно для наполненных слоев. Это создает предпосылки для поиска и разработки новых физических методов воздействия на процесс формования, таких как вибрационное воздействие на оправку.

Заключения

Анализ научно-технических литературных данных однозначно свидетельствует о том, что стеклопластиковые трубы являются высокотехнологичным и востребованным продуктом, с помощью которого можно решать сложные инженерные задачи в жилищно-коммунальном хозяйстве и нефтегазовой промышленности благодаря уникальному сочетанию коррозионной стойкости, долговечности и гидравлической эффективности. Однако их широкое внедрение (особенно при наличии высокого давления и агрессивных сред) сдерживается ограничениями по жесткости, температурной стойкости и, что наиболее критично с технологической точки зрения, проблемой пористости и расслоения, возникающих в процессе изготовления, особенно в сложных многослойных структурах с наполнителями типа кварцевого песчаного.

Для снижения пористости в дальнейшем будет рассмотрена технология вибрационного воздействия на оправку, направленная на интенсификацию дегазации и уплотнения структуры на этапе пропитки и укладки слоев.