Футеровка - эффективная защита поверхности трубопровода
В процессе эксплуатации трубы подвергаются различным разрушающим воздействиям. Продлить срок их службы, обеспечить длительную эффективность и безотказность оборудования позволяет футеровка труб.
Футеровка труб – это защитная облицовка внутренней или внешней поверхности трубопроводов, которая предохраняет их от тепловых, механических, химических, других разрушающих воздействий сред, контактирующих с ними. Эта технология помогает значительно продлить срок функционирования нового, только вводимого в работу оборудования и сэкономить средства на замене поврежденного, пришедшего в негодность путем его частичной или полной реставрации в процессе футеровки. Эксплуатационная надежность и прочность, высокая эффективность работы систем трубопроводов во многом зависит именно от качества проведения их защитной облицовки.
Футеровочные материалы должны надежно защищать трубопроводы от внутренней коррозии (образуется из-за воздействия транспортируемых сред и веществ) и внешней (из-за контакта с землей, водой или атмосферой).
Перед облицовкой стальные трубы предварительно раскраивают на отрезки мерной длины, соответствующие их назначению. Затем на концах труб делают резьбу, вкручивают кольца и устанавливают фланцы. В случае монтажа без фланцев производят обработку краев с последующим снятием фаски. Затем выполняют футеровку:
- изнутри – для труб с фланцами;
- изнутри и снаружи – для труб без фланцев.
По завершении этих работ на концах труб, имеющих фланцевые соединения, производят отбортовку защитного слоя на кольца с резьбой. Тройники и концентрические переходы трубопроводов футеруют посредством литья под давлением с использованием специального литьевого оборудования. Гнутые отводы изготовляют из небольших отрезков футерованных труб на трубогибочных станках.
Если говорить о применимости различных материалов, то для футеровки широким применением пользуется фторопласт, обладающий повышенной химической стойкостью, низкими показателями износа и коэффициента трения, хорошими диэлектрическими характеристиками и негорючестью. Покрытия из него можно применять при достаточно высоких температурах.
В современных производствах также применяется сверхвысокомолекулярный полиэтилен. Это инновационный материал с уникальными характеристиками: повышенной стойкостью к износу, коррозии, высоким температурам. Покрытия из него идеально подходят для особенно суровых условий эксплуатации и не подвержены воздействию открытого огня – поэтому они используются в химической, газовой, нефтеперерабатывающей промышленности, а также в водных трубопроводах.
Исключительно надежной является стеклопластиковая футеровка. Получают ее путем многослойного нанесения стеклопластикового ламината на металл. Готовое покрытие представляет собой цельный слой, который плотно сцеплен с поверхностью трубопровода. На нем нет трещин и стыков. Срок службы такого футерующего слоя, если соблюдать правила эксплуатации, составляет не одно десятилетие.
Если говорить исключительно об огнеупорной футеровке, то она тоже является частым попутчиком трубопроводов. Трубы с внутренней огнеупорной футеровкой используются во многих случаях. Например, некоторые технологические жидкости могут быть просто слишком горячими для труб любого типа без внутренней защиты. Даже если температура жидкости находится в пределах применимого диапазона температур доступного материала, очень часто слишком дорого использовать такой материал, когда температура находится на верхней границе применимого диапазона.
Помимо проблем с материалом, другой важной причиной использования труб с внутренним огнеупором является уменьшение степени теплового расширения за счет снижения температуры стенки трубы. Небольшое расширение устраняет необходимость в компенсаторе или компенсационном контуре, который может быть нелегко разместить из-за ограничений конструкции или пространства.
И все же, при всех положительных характеристиках футеровки, мы, инженеры- прочнисты, сталкиваемся с основной проблемой использования труб с футеровкой - моделированием комбинированной жесткости трубы и футеровочного материала.
В отличие от внешней теплоизоляции, жесткостью которой обычно пренебрегают, жесткость внутреннего покрытия нельзя игнорировать при расчете на прочность трубопроводов.
Обычная практика, которой придерживаются организации для анализа напряжений труб с футеровкой, заключается в использовании эквивалентного модуля упругости с фактической толщиной стенки трубы. Этот метод позволяет избежать недооценки напряжения из-за увеличения модуля сечения за счет увеличения толщины стенки.
Вес системы рассчитывается на основе фактического веса материала трубы, веса жидкости и веса покрытия. Анализ напряжения выполняется на основе фактического поперечного сечения и геометрии трубы, которая применяется с учетом общего веса и эквивалентного модуля упругости.
Расчет эквивалентного модуля упругости предполагает, что материал покрытия, как и материал трубы, имеет одинаковые свойства на растяжение и сжатие. Это предположение не совсем верно, поскольку материал футеровки обычно прочнее на сжатие, чем на растяжение. Однако трубопроводы являются трехмерными системами. Невозможно предугадать на первый взгляд, какая часть трубопроводной системы будет испытывать растягивающее напряжение, а какая — сжимающее.
Допущение о равных характеристиках растяжения и сжатия представляется единственно возможным.
Стеклопластиковые трубы (FRP) обычно имеют полиуретановую футеровку. Стеклопластиковая труба с полиуретановой футеровкой, состоящая из внешней оболочки из стекловолокна и внутренней из полиуретана, связанных между собой адгезией в неразъемное соединение, отличается тем, что к внешней и внутренней оболочкам прикреплены с торцов с двух сторон контактирующие соединяемые между собой внутренние и внешние фланцы. При недостаточности адгезионной связи они препятствуют тепловому продольному расширению или сжатию полиуретановой оболочки.
Практика показала, что для таких труб нельзя в явном виде задавать в расчете эквивалентный модуль упругости без использования дополнительных фланцевых соединений.
Дело в том, что слой стеклопластика, соединенный адгезией с полиуретановым слоем, препятствует его тепловому расширению или сжатию, создавая тангенциальное напряжение в полиуретане усилием стеклопластикового торможения. Из анализа условий работы трубопроводов следует, что начальной причиной их аварийного вывода из строя является тепловое усталостное напряжение оболочек и разрушение адгезионной связи. Именно эту проблему и решает применение двойных фланцев на торцах футерованных полиуретаном FRP труб.
Возвращаясь к прочностному анализу, обращаю ваше внимание на то, что, используя программные продукты по расчетам на прочность трубопроводных систем, необходимо корректно указывать местонахождение футеровки. Это не просто материал, вес которого нужно учитывать.
Футеровка, наносимая на внутреннюю часть трубы, включается не только в собственный вес системы, но и уменьшает внутреннюю площадь трубы, которая влияет на вес продукта в трубопроводной системе.
1 – диаметр трубы
2 – толщина стенки
3 – тепловая (внешняя) изоляция
4 – внутреннее покрытие (футеровка)
Итак, мы увидели, что, несмотря на кажущуюся простоту использования футеровки, сколько труб – столько особенностей. Не забывайте об этом во время проектирования и проведения прочностного анализа!
Работайте с нами, работайте с удовольствием, и вы узнаете много полезной информации!
За дополнительной информацией о том, какие программы позволяют сформировать корректные исходные данные, обращайтесь к специалистам Группы компаний «Русский САПР».
Мы поможем вам определиться с программным комплексом и при необходимости получить дополнительные сведения о проведении прочностного анализа.
Автор: Наталья Гаврилина
Руководитель направления по системам инженерного анализа
АО "Бюро САПР"