Почти на любом промышленном предприятии сразу бросается в глаза сеть трубопроводов — огромная паутина из множества труб разного диаметра, хитро переплетающихся между собой и идущих через все предприятие по эстакадам, сквозь цеха, коридоры, а порой и по фасадам зданий. Любой завод состоит из производств, которые, в свою очередь, состоят из различных технологических установок, а установки — из аппаратов. И все они связываются между собой в единую систему с помощью сети трубопроводов. На долю трубопроводов приходится до 25% стоимости всего оборудования предприятия. А в общем объеме монтажных работ стоимость монтажа трубопроводов может достигать 65%.

В кажущемся на первый взгляд хаотическом переплетении множества труб различного диаметра на самом деле царит строгая, выверенная расчетами закономерность. Ведь сначала одни специалисты рассчитали диаметр каждого трубопровода, подобрали марку стали или тип полимерного материала, нашли толщину тепловой изоляции, потом другие специалисты проложили каждую трубу на бумаге в проекте или монтажном задании, а затем в игру вступают монтажники, соединяющие нужными трубопроводами все аппараты между собой, согласно полученному от коллег заданию. По данным за 2014 год, общая протяженность трубопроводов в 120 странах мира составляла чуть менее 3 500 000 км, причем подавляющая часть (76%) приходилась на США, Россию и Канаду. Для сравнения, на тот момент:

• США обладали самой разветвленной сетью в мире (более 2,2 млн км)
• Россия занимала второе место по общей протяженности магистральных трубопроводов;
• Основную часть мировой сети составляли газопроводы, за которыми следовали нефтепроводы и продуктопроводы.

А к 2026 году эти показатели значительно выросли в связи с активным строительством энергетической инфраструктуры в Азии (особенно в Китае и Индии), а также модернизацией и развитием производств в Российской Федерации и странах Америки.

История создания и развития

Первыми трубами, использование которых существенно облегчило жизнь и быт древних людей, были трубчатые растения — именно полые стебли этих растений и стали первыми природными трубопроводами, которые люди адаптировали для своих нужд. Наиболее часто для этих целей использовались бамбук, тростник и камыш. Бамбук, благодаря своей прочности и природной полой структуре, стал основой для первых водопроводов в Азии (особенно в Древнем Китае), где его использовали для орошения полей и подачи воды в поселения, а в некоторых сельских районах эти технологии используется до сих пор (рис. 1)! А тростник и камыш применялись для создания простейших сифонов, дыхательных трубок или легких соединительных элементов — фактически это были первые фитинги!

Рис. 1. Система ирригации при помощи бамбукового трубопровода

Но в цивилизации долины Инда (в настоящее время это территория Пакистана), датируемой примерно 2500–2000 годами до н. э., бамбука не знали и один из самых ранних водопроводов мира в древнем городе Мохенджо-Даро был сделан из дерева, глины и камня. Эта система трубопроводов по сей день считается одной из самых совершенных инженерных сетей Древнего мира (рис. 2). В отличие от многих других культур того времени, в долине Инда массово применяли обожженный кирпич и керамику. Трубы изготавливались из глины, а магистральные каналы выкладывались кирпичом и обмазывались битумом (природной смолой) для водонепроницаемости. Почти в каждом доме в Мохенджо-Даро был предусмотрен сток для воды и фактически организован отдельный санузел. Сточные воды по керамическим трубам попадали в общественные крытые желоба, которые имели специальный уклон для самотека. На сегодняшний день остатки этой инфраструктуры, найденные в Пакистане, включены в список Всемирного наследия ЮНЕСКО.

Рис.2. Система водопроводов в древнем городе Мохенджо-Даро

Прообраз же современного трубопровода появился в середине XVII века. Строительство дворцов и обустройство на прилежащих территориях парков (например, Версальский дворец — рис. 3), украшением которых становились фонтаны, заставило инженеров задуматься о создании систем, способных выдержать достаточно большое давление: строились первые насосные станции, поднимающие воду на определенную высоту, а используемые в то время трубы, не выдерживая нагрузки, прорывались, а иногда даже разрывались под давлением жидкости. Ведь традиционные материалы, такие как дерево (часто использовавшееся в виде просверленных бревен) и глина, вследствие возросших нагрузок при повышении рабочего давления трубопровода , не могли обеспечить ни необходимую герметичность, ни прочность. Решение было найдено в использовании чугуна. Именно чугунные трубы, соединенные свинцовыми уплотнителями (рис. 4), стали "прообразом" современных трубопроводов высокого давления.

Рис.3. Версальский дворец, гравюра XVII века

Рис.4. Корродированные чугунные трубы из шахты Лейн-Энд, Великобритания

Ряд ученых того времени, занимавшихся вопросами механики жидкости и газов, стали основоположниками новой науки — гидравлики. Для нашей темы самыми важными являются два великих ума того времени.

Первый — Эванджелиста Торричелли (рис. 5), выдающийся итальянский математик и физик, ученик Галилео Галилея, описавший в 1644 году зависимость скорости вытекания жидкости от давления. Величайшим достижением Торричелли стало доказательство существования атмосферного давления и создание первого в истории барометра. Работы Торричелли имели прямое отношение к проблемам водоснабжения — именно он объяснил почему всасывающие насосы не могут поднять воду выше, чем на 10,3 метра. — именно потому, что это предел давления земной атмосферы.

Рис.5. Эванджелиста Торричелли (1608–1647)

Второй великий ум — Блез Паскаль (рис. 6), французский математик, физик, литератор и философ, которого часто называют «отцом гидравлики», т.к. в 1648 году он провел эксперимент, доказавший, что в трубопроводной системе главным является давление рабочей среды. Паскаль сформулировал фундаментальный закон, согласно которому давление, оказываемое на жидкость, передается одинаково во всех направлениях. Закон Паскаля— это принцип, на котором работают все гидравлические системы — тормоза, прессы, лифты и т.д.

Рис.6. Блез Паскаль (1623–1662), “отец гидравлики”

Плоды трудов этих ученых лежат в основе гидравлики и используются при создании систем водопроводов, канализации, перекачки нефти и нефтепродуктов, да и всех других жидкостей, а также всего, что связано с преобразованием энергии сжатой жидкой среды в механическую энергию.

XIX век — эпоха бурной индустриализации, колониализма, урбанизации, а также расцвета науки, искусства и техники — подарил миру множество выдающихся деятелей. Один из них — нефтяник из Пенсильвании, Дж. Л. Хатчинсон, в 1862 году первым построил реальный трубопровод, работавший по принципу сифона.

Хатчинсон построил трубопровод длиной около 6 км от месторождения Тарр Фарм до НПЗ Хаммел. Из-за перепадов высот и плохой герметичности труб нефть постоянно вытекала, а внутри образовывались воздушные пробки. Поэтому проект признали провальным и многие «умы и кошельки» того времени всерьез засомневались в эффективности затеи транспортировки нефти по трубам как попытки заменить гужевой транспорт (перевозку нефти в бочках на телегах).

Год спустя Хатчинсон, установив насосы для принудительной перекачки нефти на расстояние около 3 км, предпринял новую попытку. Однако главная проблема осталась прежней — соединения: трубы в то время или соединялись примитивными муфтами с использованием кожаных прокладок, которые разъедались нефтью, или просто вставлялись друг в друга. Несмотря на то, что Хатчинсон понес финансовые убытки, а его инженерные решения оказались крайне несовершенными, он доказал саму возможность перекачки нефти по трубам, а его неудачи подтолкнули других изобретателей к поискам решения этой важной задачи.

И уже в 1865 году Самуэль Ван Сикл (рис. 7), используя кованые трубы с резьбовым соединением, смог построить первый по-настоящему герметичный нефтепровод длиной 8 км (Oil Creek — железнодорожная станция Миллер). Новый тип соединений нивелировал проблему протечек, что позволило наглядно продемонстрировать экономическую выгоду трубопроводов: транспортировка нефти по трубам оказалась в несколько раз дешевле, чем перевозка на лошадях. Так промышленники поняли, что трубопроводы — это самый дешевый и надежный способ транспортировки жидких сред.

Рис.7. Самуэль Ван Сикл (1813-1894)

В 1878 году Владимир Шухов по заказу «Товарищества братьев Нобель» спроектировал и построил первый в Российской империи нефтепровод, который соединил район Балаханы (Бакинские нефтяные промыслы) с нефтеперерабатывающими заводами в «Черном городе» (окраина Баку), что стало поворотным моментом в истории российской промышленности. Протяженность линии составила около 10 км, диаметр трубы — 3 дюйма (76 мм). Нефть перекачивалась с помощью парового насоса. Стоит отметить, что Шухов не просто скопировал успешный американский опыт, но заложил научные основы гидравлики нефти — он первым разработал математические формулы для расчета трения вязкой жидкости о стенки труб, которые используются в инженерии до сих пор.

Рис.8. Владимир Григорьевич Шухов (1853-1939)

Дальнейшее развитие науки и техники неуклонно продолжалось и продолжается. Появление все более совершенных сварочных технологий позволило создавать более прочные и герметичные соединения, кардинально улучшило качество, надежность, экономичность и скорость развертывания трубопроводных систем. А благодаря автоматизации (например, автоматической или полуавтоматической дуговой сварке) и новым аппаратам производительность выросла в разы. При этом снизились трудозатраты и уменьшилось количество дефектов, что критически важно для увеличения долговечности и повышения безопасности систем транспортировки жидких и сыпучих сред по трубопроводам.

Но сохраняющиеся риски тепловых деформаций и необходимость высокой квалификации сварщиков подтолкнула инженерное сообщество к поиску решений, исключающих сварку. Так разные компании, занимающиеся изготовлением труб и арматуры, стали все больше уделять внимание фитингам, что сначала привело к появлению фитингов с одним врезным кольцом. В 1934 году немецкая компания Ermeto впервые получила патент на эту технологию. А в 1947 году компания Crawford Fitting Company, изменившая вскоре свое название на Swagelok, запатентовала конструкцию фитинга с двумя врезными (или обжимными) кольцами (рис. 9). С развитием глобализации данную технологию смогли повторить и в других развитых и развивающихся странах — сначала в Европе, потом в Азии, и вот не так давно открылся завод ООО “Руслок” — первый в Российской Федерации производитель фитингов из нержавеющей стали с двумя врезными кольцами (рис. 10).

Рис.9. Конструкция фитинга с двумя врезными кольцами

Рис.10. ООО “РУСЛОК” — первый в РФ завод по производству фитингов с двумя врезными кольцами

В наше время трубопроводы — настоящие кровеносные сосуды современной цивилизации. В некоторых отраслях они превращаются в сложнейшие инженерные системы, где решаются задачи поддержания необходимого давления, стерильности и скорости потока. Например, в пищевой промышленности главными врагами являются бактерии и застойные зоны. Здесь все трубы должны быть идеально гладкими, и для этого их внутренние поверхности подвергаются различной дополнительной обработке: механической, химической или термической. А «золотым стандартом» для нержавеющих сталей, где требуется идеальная чистота и отсутствие бактерий, считается электрополировка (или электрохимическое полирование) — процесс «обратной гальваники», при котором под воздействием тока и специального электролита с поверхности трубы (анода) удаляется тончайший слой металла. В результате этого процесса достигается шероховатость поверхности на уровне значений Ra < 0,2–0,4 мкм (зеркальный блеск). На такой гладкой поверхности не задерживаются ни частицы продукта, ни бактерии, что критично для фармацевтики и пищевой промышленности. Помимо этого, гладкая внутренняя поверхность труб уменьшает трение потока, что повышает КПД всей системы. А также при этом процессе удаляется «свободное железо» и создается плотный обогащенный хромом защитный слой, что позволяет получить максимальную коррозионную стойкость обработанного материала.

Еще одним важным преимуществом электрохимического полирования является возможность обработки деталей сложной геометрии, т.к. данный метод позволяет полировать внутренние поверхности и швы, куда механический инструмент просто не доберется. Такие трубы (рис. 11) всегда есть в ассортименте на складе в Москве у компаний ООО “МВиФ” и ООО “Флюид-Лайн”.

Рис.11. Электрохимполированные трубы из стали 316L имеют шероховатость внутренней поверхности Ra от 0,13 до 1,0 мкм и внешней от 0,13 до 8,0 мкм в зависимости от марки трубы.

Много интересных и уникальных технических решений реализовало человечеством в пищевой промышленности к нашим дням, а в части трубопроводов к ним по праву можно отнести следующие:

• шоколадопроводы: вязкость шоколада сильно зависит от температуры. Чтобы он не застыл в трубах, используют «трубу в трубе» (рубашку). По внутренней трубе течет шоколад, а по внешней — теплая вода. Если система остановится и останется без обогрева, то вся линия превратится в гигантский «шоколадный батончик».
  
  Рис.12. Элемент “шоколодапровода”
  
  
• пивные магистрали: в некоторых городах Европы, например, в бельгийском Брюгге, в голландском Амстердаме, в немецком Гельзенкирхене существуют настоящие подземные пивопроводы. Пивоварня De Halve Maan, чтобы не гонять грузовики по узким улочкам старого Брюгге, проложила трехкилометровую трубу длиной 3 км от завода в центре города до цеха розлива.
  
  Рис.13. Пивопровод De Halve Maan доставляет пенный напиток покупателям в Брюгге со скоростью 1000 галлонов в час
  
  
• пневмотранспорт для муки: вместо конвейерных лент муку и сахар часто «стреляют» по трубам с помощью сжатого воздуха. Это похоже на пневмопочту в старых банках, но только в промышленных масштабах.
  
  Рис.14. Система пневмотранспорта для сыпучих материалов.

В химической промышленности трубы и трубопроводы сталкиваются с веществами, которые могут растворить саму трубу, и тут надо быть готовым к экстремально агрессивным химическим и/или температурным воздействием со стороны рабочих сред. В зависимости от области применения используют разные технологии. Например, при перекачке концентрированной кислоты, когда обычная сталь сгорает за часы и простые трубы не годятся, решение предоставляют трубы с футеровкой или трубы-«бутерброды»: снаружи сталь для прочности, а внутри — слой тефлона (PTFE) или эмали.

Другой важный пример трубопроводов — криогенные линии для транспортировки сжиженных газов при криогенных температурах, т.е. от −153 °C (123 К) и до абсолютного нуля −273,15 °C. Здесь уже необходимо использовать трубы с вакуумной изоляцией. Это, по сути, огромный термос длиной в несколько километров. Без вакуума труба мгновенно покроется метровым слоем льда из воздуха. Подробнее мы уже раскрывали тему в публикации “Глубокий Холод и инновации. Трубопроводы и клапаны с экранно-вакуумной изоляцией” // Мир газов №102, 2024.

Также стоит отметить специализированные трубопроводы-реакторы: при некоторых процессах реакция может происходить прямо во время движения вещества по трубе. Тщательно спроектированный трубопровод точно рассчитанной длины и формы позволяет веществам смешаться и прореагировать ровно к тому моменту, когда они, передвигаясь с нужной скоростью, достигнут конца трубы.

Все безусловно знакомы с основой быта и городской цивилизации — трубопроводами в коммунальном хозяйстве. Но самое необычное использование труб в городе — это не транспортировка воды или газа, а вакуумный сбор мусора. В Стокгольме, Барселоне и некоторых районах Москвы (например, в Северном Чертанове) мусор уже не вывозят грузовиками. Жители выбрасывают пакеты в приемник, а затем мощные промышленные вентиляторы создают разрежение, и мусор несется по подземным трубам со скоростью до 70 км/ч на центральную станцию сбора!

Рис.15. Городской вакуумный мусоропровод

Но вернемся к воде, ведь скоро весна! Когда встает задача транспортировать огромный объем сточных вод или воды через реку, то трубы прокладывают по дну. Такие трубы называют дюкерами, это сложнейшие конструкции, которые должны выдерживать давление воды снаружи и не всплывать. Для изготовления дюкеров используются стальные, железобетонные и полиэтиленовые трубы. Лучшим вариантом являются трубы из полиэтилена низкого давления (ПНД), т.к. они имеют длительный срок службы (более 50 лет) и наиболее просты в монтаже.

Рис.16. Дюкер к Межгорному водохранилищу возле Симферополя

На этом закончим наш расширенный экскурс в историю трубопроводов, но обязательно вернемся к ним в будущем, чтобы, как минимум, разобраться в классификации. Если Вам нужно проложить трубопровод для транспортировки углекислоты, пищевых или сварочных газовых семей, сжатых газов в аналитической лаборатории, а также криогенный трубопровод для транспортировки жидких азота, аргона или кислорода, обращайтесь к специалистам компании ООО «Мониторинг Вентиль и Фитинг».

АВТОР СТАТЬИ
Сулига Василий, инженер отдела продаж ООО «Мониторинг Вентиль и Фитинг» (MV&F)