Пресс-центр
  • Новости
  • Интервью
  • Вопросы прочности резьбовых соединений стеклопластиковых труб

    Вопросы прочности резьбовых соединений стеклопластиковых труб

    Резьбовые конические самоуплотняющееся соединения типа API 5B 8rd, используемые для соединения СП труб по ГОСТ Р 53201-2008 (ТУ 2296-001-26757545-2008), хорошо зарекомендовали себя на практике. В частности, подобные соединения на НКТ выдерживают на растяжение более 40 т и давление до 60 и более МПа. По крайней мере, при краш-тестах разгерметизация проходит по телу трубы, а не по соединению.

    Тем не менее, именно соединение остается одним из наиболее чувствительных элементов при монтаже трубопроводов, и именно по соединению происходит наибольшее количество осложнений, особенно при приемо-сдаточных испытаниях. Рассмотрим факторы, влияющие на надежность резьбового соединения.

    Прежде всего, стоит отметить, что данная резьба полностью заимствована у металлических резьбовых соединений и является взаимозаменяемой, то есть позволяет соединять металлическую трубу с стеклопластиковой. Однако при рассмотрении надежности соединений следует учитывать как минимум три отличия характеристик резьб стеклопластиковых от металлических: значительно меньший модуль упругости, меньшая твердость материала и расположение резьбы в зоне концевых эффектов.

    По последнему моменту стоит сделать пояснение. Если считать трубу бесконечным сосудом под давлением (работа трубы по схеме «свободные концы»), то осевые и кольцевые нагрузки соотносятся как 1 к 2. Нити, намотанные под углом 54.5 град в Декартовой системе координат (соответствуют 60 град в цилиндрической системе координат), расположены по направлению результирующей от внутреннего давления. Однако на торце трубы, строго говоря, нити исключены из работы и вовлекаются в работу по мере удаления от торца. Условно считается что концевой эффект распространяется на полтора диаметра от торца, в дальнейших рассуждения будем исходить из этого.

    Совершенно очевидно, что наиболее оптимальной намоткой на торце трубы будет намотка под углами 0 - 90 град с плавным переходом к 54.5 к полутора диаметрам от торца трубы, а раздельные муфты вообще лучше наматывать с углами 0-90 град. Эти рассуждения пригодятся нам в дальнейшем.

    Таким образом мы определили, что стеклопластики по своим упругим свойствам и в своем «поведении» где-то сдвигаются в сторону резины. Что это означает на практике.

    Прежде всего, мы используем для контроля качества нарезки резьбы те же методы контроля, что и для стальной, но в реальном случае, к примеру при закручивании, при прочих равных условиях стеклопластиковая муфта значительно дальше набежит на ниппель.

    С этим нам довелось столкнуться, когда по просьбе заказчика был уменьшен внешний диаметр муфты, что привело к периодическому наползанию муфтовой резьбы на выбег резьбы ниппельной. В данной связи были доработаны резьбы в нескольких вариантах, включая завершение ниппельной резьбы цилиндрической или конической проточкой (хороший вариант для НКТ), а также нарезание резьбы по типу заточки карандаша. Будучи дополненными применением современных смазок на синтетической основе и соблюдением момента завинчивания, эти решения исключили схватывание резьб, что ранее являлось серьезной проблемой для НКТ в случаях, когда потребитель часто спускает и поднимает трубы.

    Почему важны смазки и моменты, легко понять, если представить, что соединение выполнено из резины. Его, очевидно, трудно будет раскрутить, если оно было закручено «на сухо» или если проявлено «излишнее усердие» с моментом завинчивания. Хотя это довольно условно, но мы еще будем возвращаться к подобной «аллегории» для облегчения понимания работы соединений в сложнонапряженном состоянии.

    Другим существенным решением является дополнительная подмотка муфтовой части резьбы с углами намотки, близкими к 90 град., что значительно уменьшает величины растяжений при восприятии различных нагрузок. Такое конструктивный ход получил название «раструб муфтового типа» («РМТ») и сочетает в себе преимущества интегрального соединения, формируемого заодно с цилиндрическим телом трубы, и традиционного соединения «ниппель-муфта», позволяющего использовать стандартное оборудование, например элеваторы для спуска НКТ, для чего подмотка имитирует форму стандартной муфты.

    Таким образом мы установили, что резьба на стеклопластике отличается от металлической по закономерностям своей работы в напряженном состоянии, и это надо учитывать как при разработке конструкции труб, так и при проектировании и монтаже трубопроводов.

    Второй важный фактор, который может вызвать осложнения при эксплуатации стеклопластиковых труб, - это сочетание сравнительно низкого модуля упругости (модуль упругости стекла в 3-4 раза ниже, чем у стали) и малой высоты профиля резьбы 1,81 мм. Надо понимать, что, например, для трубы Ду 50 мм такая высота составляет «солидные» 7,24% от радиуса, а для 200 мм - это уже всего лишь 1,81%. Данный момент важен для понимания того, на что необходимо обратить внимание при разработке конструкции трубы и монтаже трубопроводов, и что будет происходить при одновременном воздействии внутреннего давления и изгибающего момента.

    Эксперименты, проведенные на нашем предприятии, показывают, что резьбовые соединения даже на трубах Ду 200 мм при воздействии перпендикулярной к оси нагрузки на соединение приводят к изгибу трубы. При этом нам не удалось «сломать» трубопровод по соединению - фактически, трубы работают как единое целое.

    Другое дело, когда трубы находятся под давлением. Первое и важное: трубы под давлением работают раздельно. Они напоминают, если пользоваться нашей аллегорией, резиновый шланг, надетый на металлическую трубу. Происходит следующее: «раздувается» муфтовая часть трубы, ослабляется зацепление резьб. Это приводит к нагнетанию жидкости в пространство между резьбами. Возникает вероятность, что резьба начнет пропускать жидкость, а если раскрытие существенно, то может произойти и вырыв трубы. При воздействии на соединение изгибающих нагрузок ситуация усугубляется.

    Очевидный выход - усилить кольцевой подмоткой муфтовую часть резьбы. Такое решение упоминалось выше и применено нами в «РМТ». Оно позволяет уменьшить как деформации муфты в зоне сопряжения с ниппелем, так и эллиптическую деформацию торца трубы, усилив таким образом площадь эффективного соприкосновения, «защемления» труб для противодействия изгибающему моменту и разрушению соединения.

    Другой напрашивающийся выход – это заставить работать трубы совместно (пользуясь нашей аллегорией – «резиновый шланг в резиновом шланге»). Необходимо устранить вероятность разделения труб жидкостью в межрезьбовом пространстве, чего можно достичь тремя способами (или их комбинацией):

    1. Увеличить момент завинчивания, то есть создать в соединении преднапряжение, которое отодвинет момент раскрытия резьбы.

    2. Ввести кольцевую уплотнительную прокладку в начале сопряжения резьб.

    3. Использовать в наиболее нагруженных случаях неразъемное резьбо-клеевое соединение.

    Первое используется на практике. Существенно важно в этом случае излишне не превысить момент и не превышать испытательное давление. Надо понимать, что при испытаниях трубопроводов поверяются соединения, а сами трубы поверяются только на возможность механических повреждений при перевозках, хранении и монтаже. Поэтому испытательное давление не должно превышать 125% от рабочего на малых диаметрах и 110-115% - на больших. (Приемные заводские испытания труб - 150%).

    В данной статье мы постарались обобщить опыт нашей компании и надеемся, что она может быть полезна при проектировании трубопроводов высокого давления (упомянутое в данной статье наиболее актуально для давлений выше 10 МПа и диаметров выше 100 мм). Эти моменты особенно важны в преддверии принятия Свода правил по проектированию нефтепромысловых трубопроводов.

    Все упомянутые в статье решения защищены патентами.

    Статья носит познавательный характер. По конкретным вопросам и проблемам стеклопластиковых труб обращайтесь к нашим специалистам. 

    Генеральный директор С.А.Волков