Разработана уникальная методика прогнозирования скрытых дефектов в полимерных трубопроводах

Статья опубликована в журнале «Вестник пермского национального политехнического университета. Механика».

По всему миру, под землей и на дне морей, проложена гигантская, невидимая глазу сеть артерий-труб. По ним течет нефть, природный газ, вода и множество химических продуктов. Это трубопроводный транспорт — самый эффективный и часто единственный способ доставить огромные объемы ресурсов на тысячи километров. Благодаря ему в наших домах есть тепло, на заправках — топливо, а на заводах — сырье. Однако у стальных труб, из которых до сих пор делают большинство магистралей, есть один главный и неустранимый минус — они ржавеют. Со временем вода, соль и вещества внутри конструкций разъедают металл, делая его тоньше и слабее. Все это приводит к постоянной угрозе аварий: труба может дать течь или даже лопнуть. Чтобы этого не случилось, за стальными сетями нужен непрерывный и дорогой контроль: их регулярно осматривают, покрывают специальной защитой, а поврежденные участки — вырезают и заменяют. Это огромные расходы и риск для экологии.

Решением стали современные трубы из армированного пластика (ПАТ). По своей сути, это многослойные конструкции похожие на «сэндвич»: их внутренний и внешний слой сделан из особо прочного пластика, который не может заржаветь, а между ними находится силовой каркас из тончайших, но невероятно крепких стеклянных нитей — стекловолокна. Именно они, уложенные в несколько плотных слоев, и принимают на себя основную нагрузку, обеспечивая прочность. Такая конструкция делает трубы легкими, стойкими к коррозии и потенциально более долговечными, чем стальные. Если вторые в агрессивных средах служат 10–15 лет, то полимерные армированные рассчитаны на 30–50 и более лет.

Благодаря этим преимуществам технология набирает популярность. В мире подобные изделия наиболее распространены в США, Канаде и на Ближнем Востоке. В России их внедрение также активно развивается, и согласно данным, к 2030 году строительство трубопроводов из ПАТ в стране увеличится более чем в два раза.

Однако у данной технологии есть неочевидная проблема — ее практически невозможно полноценно проверить. Дело в том, что главные угрозы для армированного пластика невидимы: это могут быть непроклеенные участки между слоями, неравномерное распределение стекловолокна или микротрещины в самом пластике. Обычными методами, которые работают для металла, эти дефекты не обнаружить. Получается, что труба может выглядеть абсолютно целой и новой, но при постоянной нагрузке под давлением слабое место внутри нее может привести к расслоению или разрыву. И на сегодня в России и мире не существует эффективных методов диагностики такого типа скрытых угроз в ПАТ, что ставит под вопрос их повсеместное безопасное внедрение.

Следовательно, для обеспечения безопасности необходимо не искать дефекты в готовой трубе, а научиться заранее предсказывать и предотвращать их появление.

Решение предложили ученые Пермского Политеха. Они разработали специальную компьютерную программу, которая не ищет дефекты в уже изготовленных трубах, а заранее прогнозирует, появятся ли они. Эта система способна смоделировать виртуальную копию будущей трубы и точно рассчитать, возникнут ли в ней опасные напряжения, где и при каких условиях.

— Работа алгоритма разбита на три шага, которые соответствуют этапам реального производства. На первой стадии инженеры вводят в систему все исходные данные из проекта разработки: значения будущей трубы — содержание стекловолокна от 10% до 65%, угол укладки волокон и количество слоев (например, 2, 4 или 7), свойства связующего вещества — его эластичность и усадку при отверждении, а также технологическую температуру процесса. На основе этих параметров программа рассчитывает фундаментальные технические показатели будущей трубы — ее прочность, жесткость или упругость, а также поведение при растяжении, сжатии или нагреве, — рассказала Ляйсан Сахабутдинова, доцент кафедры «Вычислительная математика, механика и биомеханика», кандидат технических наук.

На следующем этапе программа начинает послойно, как конструктор, собирать трубу с заданными параметрами, рассчитывая те самые опасные внутренние напряжения, которые могут остаться в материале после производства.

Затем, на завершающей стадии, трубу проверяют на прочность. На нее подают такое же давление, как в реальном нефтепроводе. Алгоритм анализирует поведение материала в реальных условиях с учетом остаточных технологических напряжений. Для точного расчета компьютер разбивает трубу на миллионы мелких частей и проверяет, что происходит с каждой из них под нагрузкой. Путем такого моделирования различных конструкций ученые выяснили, например, что в трубе с семью слоями армирования напряжения гораздо опаснее, чем в двухслойной.

ПАТ является композиционной конструкцией, в которой слой стекловолокна оказывает максимальное влияние на эксплуатационные характеристики. Разработанный алгоритм позволяет прогнозировать влияние геометрической конфигурации армированного слоя на состояние трубы при монтаже/демонтаже и эксплуатации. Это в свою очередь позволит рационализировать технологический процесс производства, а также дает возможность подбирать геометрии труб для конкретных условий эксплуатации.

Именно на этой стадии становится ясно, как поведут себя в реальности трубы, которые по всем прежним расчетам считались надежными. Программа либо подтверждает их безопасность, либо, что гораздо важнее, находит скрытый изъян, показывая, в каком именно месте и при каких условиях конструкция может не выдержать. Этот результат превращает невидимую угрозу в конкретный, измеримый риск, которым можно управлять уже на этапе проектирования, меняя конструкцию или технологию производства, чтобы предотвратить будущие аварии.

— В отличие от многих существующих исследований, которые анализируют поведение труб только под эксплуатационной нагрузкой — то есть проверяют, что происходит с готовым изделием, когда по нему уже пускают нефть или газ под давлением, — наша методика работает гораздо глубже. Она начинает с самого начала, учитывая не только то, что происходит с трубой во время ее работы, но и то, что возникло в ней на этапе производства, — поделилась Анна Каменских, доцент кафедры «Вычислительная математика, механика и биомеханика», заведующий лабораторией цифрового инжиниринга машиностроительных процессов и производств, кандидат технических наук.

Таким образом, использование надежных полимерных труб позволит безопаснее и экономичнее осваивать месторождения, снижая аварийные и экологические риски. Программа ученых закладывает основу для будущих стандартов и методов диагностики. На ее основе можно будет создавать средства неразрушающего контроля, выявлять уязвимости на стадии проектирования и формировать рекомендации по монтажу и эксплуатации. В итоге это приведет к созданию более безопасных и долговечных трубопроводов, что укрепит энергетическую и экологическую стабильность.

На данном этапе разработку пермских ученых уже рассматривает к внедрению научно-проектный комплекс ООО «ЛУКОЙЛ-Инжиниринг» нефтяной компании ПАО «ЛУКОЙЛ».