Перспективы применения композиций на основе сверхмолекулярного полиэтилена (СВМПЭ)

Полимерные композиционные материалы (ПКМ) являются одними из самых многочисленных и разнообразных видов материалов. Их классификация приведена на рис.1.

Рис. 1. Классификация ПКМ

Мощное развитие полимерная промышленность получила в 30-е годы прошлого столетия, когда началось производство таких полимеров как ПС, ПВХ, бутадиенстирольного каучука, полиэтилентерефталата, силиконовых полимеров. В начале 90‐х годов мировое производство пластмасс достигло 102 млн. м3/год, что составило 300 млрд. долл. США. В то же время производство стали составляло 50 млн. м3/год стоимостью около 125 млрд. долл. США.

В настоящее время за рубежом наметилась тенденция к замене традиционных материалов композиционными, в частности полимерными. Существенное значение внедрения композиционных материалов связано с ростом требований по массе и прочности изделия. В частности, в трубопроводной отрасли наметилась тенденция к широкому внедрению изделий из полимерных композиционных материалов.

Планы российского правительства в освоении оффшорных месторождений углеводородного сырья привели к вовлечению в технологию более агрессивных жидкостей, требующих от трубопроводных систем необходимости работать при повышенных температурах и в присутствии высокой концентрации газов H₂S и С0₂.

Обычные трубопроводы изготавливаются из нержавеющей стали или других коррозионностойких сплавов, что приводит к повышению стоимости материалов, стоимости изготовления и установки системы. Использование гибких труб, изготовленных из ПКМ, приобретает важную роль, поскольку выбор совместимых металлических и полимер-композитных компонентов приводят к экономически эффективным альтернативам.

За рубежом трубопроводы из полимерных композиционных материалов находят применение при использовании систем для подъема нефти и газа с глубоководных месторождений, для производства трубопроводов и хранилищ нефти и газа на нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятиях, а также в насосном и компрессорном оборудовании. Широкое применение находят полимерные композиционные материалы, выполненные с использованием стекло- или углеводородного волокна. Структура применения конструкционных материалов приведена в таблице 1.

Применение ПКМ в различных областях дает значительный экономический эффект. Например, использование ПКМ при производстве космической и авиационной техники позволяет сэкономить от 5 до 30% веса летательного аппарата. А снижение веса, например, искусственного спутника на околоземной орбите на 1 кг приводит к экономии 1000 долларов.

В настоящее время всё большее применение находят сверхвысокомолекулярные полимеры и композиционные материалы на их основе или с их «участием» . Основные из сверхвысокомолекулярных полимеров и их молекулярная масса приведены в таблице 2.

Одними из наиболее перспективных полимерных композиционных материалов являются материалы, выполненные с применением сверхмолекулярного полиэтилена (СВМПЭ). Это связано прежде всего со сверхвысокой молекулярной массой этого материала, что
определяет его уникальные свойства. В качестве основных преимуществ СВМПЭ можно отметить:

·         сверхпрочность волокон 300-380 cН/текс;

·         стойкость к абразивному воздействию;

·         ударопрочность до 170 кДж/м2;

·         низкий коэффициент трения;

·         широкий интервал рабочих температур ( материал может работать при глубоких отрицательных температурах);

·         физиологическая инертность;

·         стойкость к агрессивным средам;

·         стойкость к гамма-излучению.

Общая мировая потребность в СВМПЭ составляет порядка 140–150 тыс. тонн в год.

СВМПЭ используется там, где обычные марки ПНД и многих других полимеров не выдерживают жестких условий эксплуатации. СВМПЭ может выступать в качестве заменителя других, более дорогостоящих материалов (сталь, бронза, полиамид, фторопласт и др.), а может являться технически необходимым, т.е. единственно пригодным для выполнения данной цели материалом. В качестве основных областей применения СВМПЭ можно выделить: производство бронезащитных материалов, футеровок горнорудного оборудования, антифрикционных и высокопрочных деталей узлов машин, тонкослойных покрытий и др. Одним из потенциальных потребителей СВМПЭ может выступать нефтегазовый комплекс, где он может быть применен для изготовления трубопроводов, к которым предъявляются высокие требования по прочности и температурной стойкости.

В отечественной промышленности согласно ТУ 2211-068-70353562-2006, СВМПЭ подразделяются на 6 марок:

·         СВМПЭ-10 с молекулярной массой (ММ) менее 1,0·106 г/моль;

·         СВМПЭ-20 с ММ (1,1-2,0)·106 г/моль;

·         СВМПЭ-30 с ММ (2,1-3,5)·106 г/моль;

·         СВМПЭ-40 с ММ (3,6-5,0)·106 г/моль;

·         СВМПЭ-50 с ММ (5,1-7,0)·106 г/моль;

·         СВМПЭ-60 с ММ более 7,0·106 г/моль.

В настоящее время в России СВМПЭ не производится. Ранее производством СВМПЭ занимались:

·         Томскнефтехим", проектная мощность 1000 т/год;

·         "Казаньоргсинтез" (управляющая компания "Полинит", г. Москва), проектная мощность 1000 т/год.

Оба предприятия производили СВМПЭ в виде порошка.

Несмотря на высокие физико-механические свойства СВМПЭ, в том числе и при воздействие высоких температур, получение изделий из него сопряженно с рядом непреодолимых трудностей. В связи со сверхбольшой молекулярной массой, и свехвысокой вязкостью, СВМПЭ практически непригоден для переработки его в изделия литьём под давлением и экструзией. Получение изделий из него другими методами связано с большими затратами. Одним из вариантов выхода из данной ситуации является применение не “чистого” СВМПЭ, а композиций с его «участием», что позволяет значительно улучшить технологические свойства и получать изделия методами как литья под давлением, так и  экструзией, тем самым расширив область применения полимерных материалов. Одним из возможных потребителей композиционного материала на основе СВМПЭ может стать нефтегазодобывающая отрасль. Трубопроводы, изготовленные из термопластичного  нанокомпозита, содержащим в своем составе СВМПЭ (ТПНК СВМПЭ) могут стать полноценной заменой как металлическим, так и существующим полимерным трубопроводам. По сравнению с существующими полимерными трубопроводами трубопроводы из ТПНК СВМПЭ способны сохранять работоспособность при воздействии более высоких температур, что позволяет значительно расширить их условия эксплуатации и завоевать лидерские позиции в конкурентной борьбе как на отечественном, так и на зарубежном рынке. На данный момент в крупнейшей газодобывающей компании России ОАО «Газпром» насчитывается порядка 8168 скважин, на 300 из которых условия эксплуатации позволяют заменить стальные трубы полимерными (например, ПНД трубами). Применение ТПНК СВМПЭ для изготовления труб, позволит существенно расширить их эксплуатационные характеристики и обеспечит их широкое внедрение на нефтегазовых промыслах. По оценкам экспертов применение таких труб будет возможным на более чем 2000 скважинах.

К композиционному материалу, содержащим СВМПЭ должны предъявляться следующие требования:

-быть стойким к воздействию, как высоких, так и низких температур;

-иметь высокие физико-механические свойства в широком диапазоне температур;

-возможность экструдирования;

Создание нового композиционного материала, как и любой другой инновационной наукоемкой продукции, требует значительной научно-исследовательской работы, связанной с анализом существующих материалов, выявлением их недостатков, определения требований к новому композитному материалу, проведения большого объема теоретических и экспериментальных исследований. В связи с отсутствием рекомендаций и методик по изготовлению гранул ТПНК СВМПЭ их необходимо разработать.

Предполагается, что одним из основных потребителей ТПНК СВМПЭ будет нефтегазовый комплекс, где найдут широкое применение трубы, изготовленные из ТПНК СВМПЭ. Такие трубы смогут эксплуатироваться в более жестких условиях, чем применяемые на данный момент трубы из ПНД. Таким образом в качестве основных направлений проекта можно выделить: «рациональное природопользование», «новые материалы и технологии». Согласно прогнозу научно-технологического развития Российской Федерации на период до 2030 года (http://government.ru/news/9800) эти направления выделены в качестве приоритетных. В данном документе в качестве возможного пути развития данных направлений выделен следующий – повышение коэффициента извлечения углеводородов на эксплуатируемых месторождениях, что соответствует направленности проекта.  Актуальность проведения исследований в области создания композитов подтверждается распоряжением правительства Российской Федерации от 24.07.2013 №1307-р «Об утверждении отраслевой программы «Развитие отрасли производства композитных материалов», утвержденного указанным Постановлением Правительства Российской Федерации, приказом Минэнерго России от 22 июля 2013г. №382 «Об утверждении отраслевой программы внедрения композиционных материалов (композитов), конструкций и изделий из них в топливно-энергетическом комплексе».

Несмотря на высокие физико-механические свойства СВМПЭ и ТПНК СВМПЭ, в России их рынок не сформирован, что связано с отсутствием промышленного синтеза, мощностей по переработке, культуры потребления и другими факторами. В тоже время за рубежом отмечается значительный рост производства СВМПЭ. Производством СВМПЭ за рубежом занимаются фирмы DSM, Allied, Mitsui Petrochemicals,; Ticona (Celanese); Braskem и др.

Исследования и получение композиционных материалов с применением СВМПЭ позволят не только разработать технологию производства ТПНК СВМПЭ высокопроизводительным методом экструзии, но и покажут перспективность использования изделий из
данного материала в нефтегазовом комплексе для производства трубопроводов, столь необходимых нашей Родине.