Рынок углеводородов не только играет важнейшую роль в экономике, но и определяет основные принципы мировой политики. Зачастую именно энергоносители дают толчок к развитию целых регионов и направлений бизнеса. В нашем проекте «ТЭК 360» мы рассмотрим ключевые тренды отрасли, перспективы ее развития, влияние на другие сферы экономик.
Тема
месяца
Трубопроводы: новый взгляд

Технологии трубопроводов

Большинству из нас магистральный трубопровод представляется аналогом привычного квартирного газопровода или водопровода, только очень длинным и большим. Но это тот самый случай, когда размер имеет значение. Создание современных магистральных трубопроводов потребовало внедрения новейших технологий, и процесс «совершенствования трубы» происходит постоянно.

Свой вклад в развитие трубопроводного транспорта внесли и российские и советские ученые и инженеры. Как бы ни были хороши импортные технологии, их применение, особенно в условиях Севера, без доработки часто было просто невозможно. К тому же, естественно, они были достаточно дорогими. А в ряде случаев именно отечественные технологии открывали новые возможности для развития трубопроводного транспорта.

Как сделать трубу

Трубопровод невозможен без своего основного конструкционного элемента — собственно трубы. Известно, что эффективность трубопровода зависит от того, как быстро через него можно перекачать заданный объем. Скорость перекачки связана с давлением на подающем конце трубы, трением жидкости или газа о стенки трубы и внутренним трением самого передаваемого вещества.

В случае с перекачкой нефти эти вопросы стоят особенно остро. Нефть заметно густеет при понижении температуры. К тому же она липнет к стенкам. Чтобы «пропихнуть» нефть, надо нагреть ее и приложить давление в трубе. А это значит, что труба должна выдерживать очень высокое давление, сейчас нефтепроводы работают с давлением до 75 атмосфер. С другой стороны, прокачка продукта ускорится, если увеличить диаметр трубы, но тогда и нагрузка на стенки трубопровода в абсолютных цифрах увеличится и они могут не выдержать.

Поэтому инженеры всего мира постоянно прилагали усилия, чтобы решить вопрос изготовления прочных труб большого диаметра. Большой диаметр — это примерно полметра и более. Здесь нужно было решить две важных проблемы: изготовить нужного качества сталь и сварить трубы надлежащим способом.

Особенно важно качество стали при прокладке трубопровода в условиях Крайнего Севера, в зонах вечной мерзлоты. И когда в 50-е ⎯ 60-е годы началось освоение северных месторождений, потребовались трубы, которые могли бы выдержать давление в десятки атмосфер без угрозы разрыва. Такие трубы производили в США и Японии из легированных сталей, но они были весьма дорогими.

Разработка отечественных сталей такого качества потребовала бы много времени и средств. Решение предложил знаменитый Институт электросварки в Киеве (известный еще как Институт Патона). Именно здесь была разработана уникальная технология сварки танков в годы Великой Отечественной. И патоновцы нашли решение: они предложили делать трубу из обычной рулонной стали толщиной всего 4 мм, но намотанной в много слоев и сваренной по торцам. Сталь такой малой толщины не склонна к хрупкому разрушению, и даже в случае превышения предельного давления труба не лопается, а как бы раскручивается, что сокращает длину разрушенного участка.

Сейчас российские производители металла выпускают стальной лист требуемых прочностных свойств, а производители труб используют самые передовые технологии по производству труб из этого листа, делая всего один шов ⎯ продольный. Но труба — это не только металл, это еще и сварка металла.

В пламени

Сварка металла применяется при строительстве трубопровода дважды: при изготовлении самой трубы и при соединении отдельных труб в окончательную нитку. И если на заводе можно создать самые лучшие условия для проведения сварочного процесса, то «в поле» это сделать достаточно сложно.

В СССР вплоть до 1948 года сварка труб в нитку проводилась вручную. Затем появились первые импортные и отечественные автоматы сварки под флюсом, то есть с изоляцией от действия внешней среды. Но процесс был все еще достаточно медленным. К тому же при работе в зимних условиях мало того, что увеличивался расход рабочего времени, — страдало само качество швов. И в 1952 году при строительстве трубопроводов впервые в мире была применена очередная советская разработка — установка контактно-стыковой сварки непрерывным оплавлением, созданная трудами Института электросварки, НИИ строительства трубопроводов и конструкторского бюро «Главстроймашина».

Эта технология с успехом используется до сих пор. Если максимально упростить ее описание, то это подача электротока на сами трубы, которые с помощью специального станка особым способом совмещаются с высокой точностью. В момент «почти касания» концы труб начинают кипеть, и образуется качественное соединение металла. Эта технология отличается высокой производительностью, качеством независимо от погодных условий, высоким уровнем автоматизации процесса.

Сварочный комплекс «Север-1» Института электросварки им. Е. О. Патона, который позволяет сваривать один стык трубы диаметром 1420 мм за пять минут, стал прототипом новых эффективных систем, которые используются в наше время. Но сварка бывает не только электрической, и ее уже просят подвинуться конкуренты.

Лучевое соединение

Нобелевскую премию за изобретение квантового генератора, известного широкой публике как лазер, Николай Басов, Александр Прохоров и Чарльз Таунс получили еще в середине 50-х годов прошлого века. И очень скоро возник вопрос практического применения новой технологии.

В начале 70-х годов российский физик Евгений Велихов занялся вопросами использования физики лазерного излучения в практических целях. Начиная с 1976 года на заводе ЗИЛ и ряде авиационных заводов заработали специальные лаборатории, которые использовали газовые лазеры мощностью до 15 кВт. Основными направлениями исследований были резка и сварка металлов.

В 1988 году появились серийные промышленные лазеры. Преимущества лазерной сварки заключаются в ее скорости, глубине проплавления при малой ширине шва, что обеспечивает высокое качество соединения. Мало того, лазер может находиться на удалении от места сварки, что важно при ремонтных работах. Зеркала и волоконная оптика позволяют маневрировать лучом.

И уже в начале нового века, в 2002–2003 гг., НПО «Лазерный технологический центр» совместно с Челябинским трубопрокатным заводом разработали и испытали технологию одно- и многолучевой лазерной сварки газо- и нефтепроводных труб. Эта технология постепенно входит в арсенал как изготовителей труб, так и строителей трубопроводов.

Пока что эта технология не стала повсеместной в связи со сложностью и высокой стоимостью оборудования, тем не менее работы по ее совершенствованию в России ведутся целым рядом предприятий и можно надеяться, что скоро ее позиции укрепятся. Но кроме изготовления труб и сбора нитки трубопровода есть еще задачи — обеспечить его сохранность и качественное управление.

Как сохранить и использовать

Трубопроводы ржавеют. И борьба с воздействием внешней среды началась очень давно: их красили, покрывали битумной мастикой, затем пришла очередь многослойных ленточно-битумных покрытий, которые сменили покрытия полимерные, наносимые прямо на заводе. Надо признать, что долгое время строители предпочитали старые способы — так казалось дешевле и проще.

Но время тасует карты. Требования к надежности трубопроводов все растут. Поэтому технологи разрабатывают все новые защитные материалы, призванные уберечь трубу от внешних воздействий, которые могли бы повлечь разрушение внешней гидроизоляции и способствовать развитию коррозии. Одним из таких изобретений является покрытие, созданное в России из нетканой синтетической материи, которая пропитана формальдегидной смолой с отвердителем. Застыв, этот материал надежно защищает гидроизоляцию труб от повреждений при укладке.

Российские инженеры постоянно разрабатывают всевозможные ремонтные конструкции и аварийное технологическое оборудование. Благодаря этому срок службы трубопроводов большого диаметра растет: если полвека назад считалось, что они могут эксплуатироваться около 30 лет, то современные трубопроводы могут безаварийно отработать в полтора-два раза дольше.

Но эффективность и надежность будут обусловлены не только качеством самого трубопровода, но и качеством управления и обслуживания. Именно для этого российские специалисты разработали «Единую автоматизированную систему управления трубопроводом», которая должна обеспечить работу новых российских магистральных систем. Так трубопроводный транспорт в XXI веке становится центром притяжения высоких технологий.