CC BY-NC
38
Ильин A.A., Джиоева Т.Б.
Филиал «ЦНИИ СЭТ» ФГУП «Крыловскпн государственный научный центр». Санкт-Петербург. Россия
АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ, С ЦЕЛЬЮ СНИЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ ПРИ ПЕРЕКАЧКЕ УГЛЕВОДОРОДОВ
Статья посвящена анализу материалов, применяемых для изготовления трубопроводов современных судов, выявлению их преимуществ и недостатков, а также определению перспективных материалов и покрытий, пригодных для изготовления трубопроводов для перекачки углеводородов с точки зрения электростатической искробезоиасностп. Анализ произведен на основе определения токов заряжения жидкости, электрического сопротивления материалов с учетом таких факторов, как плотность материла и коррозийная стойкость.
Ключевые слова: статическое электричество, трубопроводы, композитные материалы, металлы, покрытия. Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
Для цитирования: Ильин A.A.. Джноева Т.Е. Анализ характеристик материалов, применяемых для изготовления трубопроводов. с целью снижения электризации при перекачке углеводородов. Труды Крылове кого государственного научного центра. 2018: специальный выпуск 1: 000-000.
УДК 629.5.063.6/. 7 DOI: 10.24937/2 542-2324-2018-1-S-I-55-61
Ilin A., Dzhioeva T.
Ship Electric Engineering & Technology Research Institute (TSNII SET), affiliated branch of Kiylov State Research Centre. St. Petersburg. Russia
ANALYSIS OF MATERIAL PROPERTIES FOR FABRICATION OF PIPELINES AIMED AT REDUCING ACCUMULATION OF STATIC ELECTRICITY IN THE PROCESS OF HYDROCARBONS PUMPING
This paper is concerned with the analysis of materials used for fabrication of modern ship pipelines to identify their merits and disadvantages, as well as to find advantageous materials and coatings for pipelines intended for transfer of hydrocarbons to ensure electrostatic sparking safety. The analysis is based oil determination of charging currents in fluids, electric resistance of materials taking into consideration material density and corrosion resistance.
Key words: static electricity, pipelines, composite materials, metals, coatings. Authors declare lack of the possible conflicts of interests.
For citations: Din A.. Dzhioeva T. Analysis of material properties for fabrication of pipelines aimed at reducing accumulation of static electricity in the process of hydrocarbons pumping. Transactions of the Kiylov State Research Centre. 2018; special issue 1: 000-000 (in Russian).
UDC: 629.5.063.6/.7
DOI: 10.2493 7/2542-2324-201S-1-S-I-55-61
Введение
Introduction
В реальных условиях при совершешш погрузочных операций в трубопроводе происходит преимущественно генерация электрических зарядов, т.е. электронизация топлива за счет преобладания токов заряжения жидкости над токами релаксации (обрат-нон утечки заряда на стенки трубы).
В грузовых танках происходит накопление и релаксация заряда. Таким образом, электростатическое поле в танке формируется в зависимости от величины поступающего из трубопровода электрического заряда, скорости его релаксации на заземленные стенки сосудов и пространственного распределения объемного заряда [1].
С целью повышения надежности трубопроводов, снижения массы и повышения грузоподъемности и увеличения срока их службы, а также улучшения экономических и мореходных (скорость, остойчивость) характеристик танкеров за рубежом применяют трубопроводы in полимерных композиционных материалов (ПКМ). Основная цель данной работы - сравнение токов заряжения топлива при движении по круглому трубопроводу в зависимости от материала и выбор наиболее безопасного материала.
Современное состояние
State of the art
В соответствии с ГОСТ и ОСТ на отечественных судах применяют трубопроводы из различных видов материалов. Как правило, для перекачки углеводородов и масел применяются виды труб, указанные в табл. 1.
Для судовых трубопроводов наиболее часто применяются стальные бесшовные трубы. К материалам этих труб относятся марки углеродистой стати 10 и 20 обычной точности изготовления. Помимо этих марок
в зависимости от климатических условий эксплуатации и с ограничением по отраслевому стандарту, на судах могут применяться и другие марки стали. Помимо очевидных достоинств таких труб - невысокой стоимости, надежности, стойкости к высоким и низким температурам, широкому распространению - существуют и их очевидные недостатки - коррозийная стойкость и большая масса.
Основные параметры, влияющие на вешгчину тока заряжения:
■ шероховатость внутренней стенки материала;
■ удельное объемное электрическое сопротивление.
Композитные материалы: сравнительная характеристика
Composite materials: comparison
Благодаря развитию технологий производства современных композитных материатов и своим «первоклассным» характеристикам, они все чаше встречаются в производстве трубопроводной арматуры для судов, однако пока лишь в ограниченных количествах
Стеклопластиковые трубы
Стеклопластик - материал с малым удельным весом и заданными свойствами, имеющий широкий спектр применения. Стеклопластики обладают очень низкой теплопроводностью (примерно как у дерева), прочностью как у стати, биологической стойкостью, влагостойкостью и атмосферостойкостью полимеров, не обладая недостатками, присущими термопластам.
Стеклопластики уступают стали по абсолютным значениям предела прочности, но в 3,5 раза легче ее и превосходят сталь по удельной прочности. При изготовлении равнопрочных конструкций из стали и стеклопластика стектошюстиковая конструкция будет в несколько раз легче. Плотность стеклопластика, полученного путем прессования шш намотки, составляет 1,8-2,0 г/см.
Таблица 1. Трубы, применяемые в судовых системах и трубопроводах Table 1. Shipboard pipes and piping systems
Проводимая среда Судовые системы или трубопроводы Трубы
Масло Трубопроводы: приемные, переливные, сточные напорные, циркуляционные, гидравлического управления Стальные бесшовные. Стальные бесшовные, допускаются медные и биметаллические
Не фтепродукты Трубопроводы: приемные, переливные, спускные Трубопроводы: напорные перекачивающие и напорные к форсункам дизелей и котлов легкого топлива (керосин, бензин) Стальные бесшовные, допускаются сварные Стальные бесшовные или биметаллические Медные, биметаллические, из нержавеющей стали
Стекл о б а з а льто п л а сти ко вы e тру бы
С текло баз альтоппа с тиковые трубы (СБПТ) выдерживают давление до 200 атм и температуру до 130 °С. Срок службы СБПТ значительно дольше стальных труб, пропускная способность - на 30 % выше, а теплопотери - на порядок ниже, чем у труб из стали. Данные трубы по прочности превосходят также полиэтиленовые и полипропиленовые трубы, имеют класс огнестойкости до Г-1 (самозатухаю-ший трудногорючий строительный материал).
СБПТ, изготовленные на эпоксидной основе, по прочности, надежности и долговечности значительно превосходят стекл ©пластиковые трубы. В напорных трубопроводах (от 12 атм) СБПГ сопоставимы или дешевле стальных, чугунных и пластиковых труб на диаметрах от 150 мм и на 1030 % дешевле аналогичных стекло пластиковых труб большинства российских и зарубежных производителей. Данные трубы в 4-10 раз легче аналогичных стальных труб и в 2 раза легче полиэтиленовых труб. Сравнительные характеристики металлов и композитов представлены в табл. 2.
Современные покрытия
Modern coatings
Антикоррозионные покрытия применяются дня внутренней изоляции труб, транспортирующих коррозионно-агрессивные среды. В нефтегазовой промышленности к таким средам относятся водо-нефтегазовые эмульсии, пластовая вода, оборотная вода системы поддержания пластового давления.
При движении коррозионно-агрессивных жидкостей возникает общая и локальная коррозия. Скорость общей коррозии составляет порядка 0,010,4 мм/год. скорость локальной коррозии может досыпать 1,5-6 мм/год. Коррозионная агрессивность значительно повышается с появлением в продукшш скважин сероводорода как продукта жизнедеятельности сульфатво с с тана вливающих бактерий. Коррозионные разрушения стальных трубопроводов приводят к большим материальным потерям и ухудшению экологической обстановки в районах нефтедобычи вследствие порывов труб. Применение порошковых полимеров и лакокрасочных материалов с высоким сухим остатком позво.чяет улучшить санитарно-гигиенические условия труда, получать практически беспористые покрытия с более высокими защитными и физико-механическими свойствами, сократить производственный цикл окраски за счет возможности нанесения однослойного покрытая для получения требуемой толщины, сократить невозвратимые потери материала при нанесении по сравнению с лакокрасочными материалам!. содержащими растворитель. Отсутствие выбросов паров растворителя делает производство экологически более чистым. При сравнении покрытий на основе порошковых полимеров и лакокрасочных материалов с высоким сухим остатком предпочтение отдается последним, т.к. технологический процесс нанесения покрытая из порошковых полимеров яв.чяется более энергоемким и взрывоопасным. Критериями выбора покрытий для внутренней изоляции труб являются условия
Таблица 2. Сравнительные характеристики металлов и композитов Table 2. Comparison of metals and composites
Стеклопластик Стекло-
Характеристики СтЮ Ст20 Ст10пс Ст20пс базальто-шмстнк
Плотность (кг/м3) 7856 7859 7832 7834 1750-1888 1750-1888
Модуль упругости. ГПА 200-240 245 196 343 27-35 27-35
Удельный модуль упругости, км 2692 2692 2692 2692 2895-3056 -1-1-
Удельный предел прочности (для металлов, предел текучести), км 2,1 2,13 1.86 2,12 89-84 89-84
Тешопроводность при 20 °С Вт/м грЦ 64 63 60 62 0,3 0.4
Эквивалент шероховатости 0,04 0.0015
Удельное объемное электрическое сопротивление. Ом-м 140-109 219-Ю9 190-109 219-Ю9 Ю12 Ю12
Коррозионная стойкость He стойкий без спец. обработки Стойкий
Примечание: Характеристики по композитным материалам были взяты из ГОСТ Р 55068-2012.
эксплуатации трубопровода, защитные и технологические свойства покрытии. По всем параметрам наиболее подходящими для внутренней изоляции труб являются лакокрасочные материалы на основе эпоксидных, модифицированных эпоксидных и фе-нолформальдегидных смол. Из порошковых полимеров широко применяются покрытия на основе эпоксидных порошковых материалов. Толщина антикоррозионных покрытий, как правило, составляет 300-500 мкм. С точки зрения электрос таигле с кой искробезопасности нас интересует параметр удельного объемного электрического сопротивления (приведен в табл. 3).
Выбор оптимального материала
Choice of optimum material
В работе [2] представлены результаты экспериментов, проведенных в Московском энергетическом институте, учитывающие шероховатость трубы. Для бесконечно длинного трубопровода была выведена формула (1):
0,113е0£ж RsRTSc2V
nF \ 1,14-21g
(1)
может полностью характеризовать все очень разнообразные виды шероховатости, и с целью упрощения задачи вводится понятие о песочной шероховатости. образованной зернами одного и того же размера, рас преде ленными по поверхности с максимальной плотностью [3]. Формула для расчета размера эквивалентной песочной шероховатости -
hm= io°'5/^-0'37.
(2)
где ДЭК8 - эквивалент шероховатости труб (приведен в табл. 1).
Основные свойства жидкостей, применяемых для расчетов, приведены в табл. 4, а результаты вспомогательных и основных расчетов - в табл. 5.
Однако в случае использования неметаллических труб [4] и внутренних антикоррозионных покрытий ток вычисляется по следующей формуле:
1 = 10е
( ~л (
+4, 1-е ™
V
1 -i 1 1-е А —
— е.
'Здесь/о - входной ток; X = /(гт)-1 - гидравлическое сопротивление; 1 - длина трубы: А = -коэффициент: р/,=рж+рт - суммарная проводимость; рж = ТОу уи - проводимость жидкости в трубе на единицу длины: Рм = л;-22ут - проводимость единицы длины трубы.
Примем следующие допущения: /о=0, .г=0. Тогда (3) примет вид
„-Х.Л
(3)
где Re = dV/v - число Реннолъдса; ео - электр!гче-ская постоянная вакуума; еж - относительная диэлектрическая проницаемость жидкостей R - уни-в ер сальная газовая постоянная: Т - абсолютная температура жидкости; и — число переноса (п = 0,5); F - число Фарадея; ЪЭКв - размер зерна эквивалентной песочной шероховатости; d - внутренний диаметр фиксированный, составляет d = 100 мм: Sc = v/D - число Шмидта: v - кинематическая вязкость жидкости: D - коэффициент молекулярной диффузии, в см2/с для жидкостей, принимается равным 10~5; V= 0,8 м/с.
Коэффициент сопротивления шероховатости труб зависит от состояния их поверхности, которое принято оценивать по относительной высоте бугорков (шероховатости) А3„. Однако эта величина не
1 = 1„-ЛТ
1-е
(4)
Результаты вычислении для композитных материалов и покрытий приведены в табл. б.
Из формул (1) и (3), а также табл. 6 можно сделать важные выводы о том. что значение тока для бесконечно длинного трубопровода зависит от: ■ выбранного материала - от размера зерна его песочной шероховатости и удельной проводи-
Таблица 3. Сравнительная характеристика антикоррозионных покрытий Table 3. Comparison of anticorrosion coatings
Свойство Пакойл 6/0 Пакойл 6/3 Scotckote226N Hempadur S5671
Удельное объемное электрическое сопротивление. Ом м 109 109 1,8-1013 10s
мости, особенно в случае неметаллических трубопроводов и покрытий:
■ физических свойств перекачиваемой жидкости;
■ диаметра трубопровода;
■ скорости погрузки.
В качестве доказательства безопасности использования композитных труб рассмотрим изменение значение токов в зависимости от скорости
погрузки дня одного вида топлива - керосин ТС1 (табл. 7). Данный вид топлива выбран для примера. Аналогичные расчеты можно произвести дня любого вида топлива. Для большей наглядности построим график зависимости / = /(г) (рис. 1), а также покажем на примере больших скоростей отклонения значения токов заряжения жидкости между металлом и композитами (рис. 2).
Таблица 4. Основные свойства жидкостей, применяемых для расчета Table 4. Main properties of fluids used in calculations
Топливо Номер р. кг/м3 еж уш. пСм/м р, сСт
Керосин ТС-1 1 780 1.8 0,48 1,3
Бензин А-72 2 700 2 0,651 0.6
Бензин АИ-93эт 3 725 2 4,02 0,5254
Дизельное топливо летнее 4 860 2,1 3 3
Дизельное топливо зимнее 5 840 2,1 10.8 1.8
Таблица 5. Результаты основных и вспомогательных расчетов Table 5. Results of main and auxiliary estimations
Номер Постоянная времени релаксации, т Число Рейнольде a. Re Число Шмидта. Se Величина тока для бесконечно длинного трубопровода у металлов I, мкА
1 33,188 5,938-107 1,3-Ю3 12,3029545567
2 27,189 1,28 10s 6,013-103 63,38209047
3 4,403 1.469-10s 5,254-103 67,997545294
4 6,195 2,573-107 3-103 9.448588624
5 1,859 5,147-107 1.8-103 14.637690554
Таблица б. Результаты вычисления для токов заряжения композитных материалов и покрытий Table 6. Results of estimations for charging currents in composite materials and coatings
Материалы и покрытия
Топливо Стеклопластик. 1м а мкА Стеклобазальто-п ластик. 1м21 мкА Пакойл 6/0 Пакойл 6/3 Inl I МКА 1п21 мкА Scotckofe 226 N Inn мкА Hempadur 85671 In41 мкА
Керосин ТС-1 12,14805088 12,14804316 12,30294535 12,30289345 12,3029445
Бензин А-72 62,58414504 62,58412992 63,386209005 63,38198844 63,38209037
Бензин АИ-93эт 67,14151541 67,14151312 67.99754523 67,99752985 67,99754528
ДТЛ 9,329635658 9,329633103 9.448588554 9.448571383 9.448588606
дтз 14,45341462 14.45341403 14,63769054 14.63768655 14.63769055
Примечание: для большей наглядности числа не округляются после выполнения расчетов.
Таблица 7. Результаты сравнительных вычислений для металлов и композитов в зависимости от скорости движения топлива
Table 7. Results of comparative estimates for metals and composites versus fuel flow rate
Применяемый материал
Топливо погрузки. V, м/с Металлы. In. мкА Стекло пластик, lull, мкА Стеклобазальто-п ластик. 1м21 , мкА А/—Iii — lull А/ — 111 — 1м21
0.1 0,1922335 0,189813295 0,189813174 0,0024202 0,00242035
0,2 0,7592539 0,75925318 0,759252698 7,471-10"7 1,2297-10"6
0,3 1,7301017 1,708319655 1,708318569 0,0217820 0,02178315
0.4 3,0757363 3,03701272 3,03701079 0,0387236 0,03872560
Керосин 0.5 4.8058381 4,745332376 4.805838029 0.0605057 8,3 10"6
ТС-1 0.6 6,9204068 6,833278621 6,833274277 0,0871282 0,08713260
0.7 9,4194426 9,300851457 9,300845544 0,1185912 0,11859715
0.8 12,302945 12,14805088 12,14804316 0,1548946 0,15490241
0.9 15,570915 15,3748769 15,37486712 0,1960385 0,19604836
1 19.223352 18.9813295 18.98131744 0.2420229 0.24203501
Рис. 2. Отклонение lu ОТ Imi 1 И !'•:.' Fig. 2. Deviation of In from Inn and I„iz
18 16
14 12 10
8 6 4 2 О
ОД 0,2 0,3 0,4
Рис. 1. Зависимость I Fig. 1. Relation / = ЛС10
0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
= f{V)
Вывод
Conclusion
На основе имеющихся данных был проведен анализ токов заряжения жидкости для применяемых материалов. По результатам расчетов наиболее электро-стаыгчески безопасным следует считать стеклоба-залъто пластиковые трубы.
Библиографический список
References
1. Галка В.Л. Вопросы электростатической искробез-опасностп наливных судов. СПб.: Элмор. 2003. [V. Galka. Issues of electrostatic spark safety on tankers. SPb.: Elmor. 2003. (In Russian)].
2. Исследование электризации светлых нефтепродуктов и разработка рекомендации для проектирования и безопасной эксплуатации эстакад н резервуаров. Отчетные материалы. М.: МЭИ. 1983. [Study on electrostatic charging of light oil products and recommendation for design and safe service of loading racks and tanks. M.: MEI. 1983. (InRussian)].
3. Потехин B.M Основы теории химических процессов технологии органических веществ и нефтепереработки. СПб: Хнмиздат. 2007. [V. Potekhin. Fundamentals of chemical processes in organic material processing and oil refining technologies. SPb.: Khimizdat. 2007. (In Russian)].
4. Максимов Б.К., ОдухАА., Тихонов A.B. Электростатическая безопасность при заполнении резервуаров нефтепродуктами. М.: Энергоатомиздат. 1989. [В. Maksimov, A. Obukh, A. Tikhonov. Electrostatic safety during filling of tanks with oil products. Energoizdat. 1989. (In Russian)].
Сведения об авторах
Ильин Артем Александрович, инженер филиала «ЦНИИ СЭТ» ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196128. Санкт-Петербург, ул. Благодатная. д. 6. Тел.: +7 (999) 216-89-58: E-mail: artem. ilin1994@gma il.com.
Джиоева Тэона Бащровна. специалист филиала «ЦНИИ СЭТ» ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196128. Санкт-Петербург, ул. Благодатная, д. 6. Тел.: +7 (911) 136-12-35: E-mail: tTOnaamina@mail.m.
Abo lit the authors
Ilm A., Engineer of TSNII SET. affiliated branch of Krylov State Research Centre. Address: Ul. Blagodatnaya 6. St. Petersburg 196128, Russia. Tel.: +7 (999) 216-89-58: E-mail: artem. ilin1994@gma il.com.
Dzhioeva Т., Specialist of TSNII SET. affiliated branch of Kiylov State Research Centre. Address: Ul. Blagodatnaya 6, St. Petersburg 196128, Russia. Tel.: +7(911) 136-12-35; E-mail: teonaamiiia@mail.ru.
Поступила / Received: 01.03 1S Принята в печать / Accepted: 18.04ЛЕ © Ильин АА, Джиоева Т.Е., 201Ё
