Rurociągi
starożytność Znane są wzmianki o Egipcjanach używających miedzianych rur do transportu wody w trzecim tysiącleciu p.n.e. Kreteńczycy używali glinianych rur do transportu wody w latach 2000-1500 p.n.e. Starożytni Grecy używali rur glinianych (1), ołowianych, brązowych i kamiennych od 1600 r. p.n.e. Metalowe rury były wówczas produkowane przez kowali, skuwających rozgrzane do czerwoności końce. Także Persowie i Rzymianie używali rur do transportu płynów.
W Chinach korzystano z systemów rurowych wykonanych z wydrążonego bambusa. W okolicach 400 roku p.n.e. Chińczycy używali rur bambusowych nawet do przesyłania gazu ziemnego do oświetlania Pekinu. Kamionkowe rurociągi były używane przez chińską dynastię Han do dostarczania wody do ich cesarskich pałaców około 189 roku naszej ery. Niektóre cywilizacje, jak np. Majowie, używały rurociągów w ciśnieniowych systemach wodno-kanalizacyjnych.
XIV–XVIII w. Podstawy techniki wytwarzania rur z żelaza zostały stworzone, gdy rozpoczęto produkcję armat i dział, których konstrukcja była i jest zasadniczo również rurą. Opanowanie techniki wykonywania coraz większych i dłuższych rur z żelaza lub stopu zbliżonego składem i właściwościami do żeliwa (choć wówczas nie rozróżniano jeszcze precyzyjnie tego stopu) umożliwiało wykorzystanie rur żeliwnych do przesyłania wody lub np. piwa. Znaczne udoskonalenie techniki rurociągów z żeliwa nastąpiło w XVIII wieku.
1820 W Wielkiej Brytanii odnotowano użycie żeliwnych bębnów muszkietowych pozostałych po wojnach napoleońskich do transportu gazu, który był wykorzystywany m.in. do powstających wtedy pierwszych publicznych latarni gazowych.
1824–25 Anglik James Russell wynajduje i patentuje maszynę do łączenia żelaznych rur. Rury powstawały poprzez łączenie przeciwległych krawędzi płaskiego listwy żelaznej. Listwa żelazna była najpierw podgrzewana. Następnie krawędzie były łączone za pomocą młota spadowego i spajane w kuźni. Potem następowało walcowanie. Rok później Cornelius Whitehouse (2) wynajduje metodę produkcji rur poprzez przeciąganie długich, płaskich pasków gorącego żelaza przez matrycę w kształcie dzwonu. Wynalazki te otworzyły drogę dla masowej produkcji rur żelaznych. Żelazna rura miała znacznie większą wytrzymałość i trwałość niż rury z gliny czy bambusa.
1830 W Stanach Zjednoczonych powstaje pierwszy piec do produkcji rur z kutego żelaza. Zapotrzebowanie ten produkt było ogromne z powodu konieczności dystrybucji wody w szybko rozwijających się miastach. Rury z kutego żelaza charakteryzowały się zwykle niewielkimi średnicami.
lata 50. XIX wieku Po opanowaniu techniki produkcji stali (proces Bessemera i późniejsze wynalazki) opracowano nową technikę wytwarzania rur, polegającą na formowaniu blachy stalowej w rury z podłużnymi nitowanymi szwami. Jeden koniec odcinka rury był zagniatany, aby można go było wbić w następny odcinek. Sekcje były łączone przez zwykłe kucie młotkiem. Do końca XIX wieku większość rur, z których budowano wodociągi, były formowane na zimno z blach stalowych i nitowane.
lata 60. XIX w. W USA powstaje zbudowany z drewna pierwszy rurociąg transportujący ropę naftową. Wcześniej powszechnym sposobem transportu tego surowca był przewóz beczek z ropą koleją na pokładzie płaskich barek. Uważa się, że pierwszy "ciąg naftowy", zbudowany z dwu drewnianych desek połączonych w kształt litery V, powstał w 1862 r. przy odwiercie Phillips No. 2 w Oil Creek Valley w Pensylwanii. Grawitacyjnie ropa spływała nim na odległość około 300 metrów. W 1863 roku w Pensylwanii ułożono dwuipółkilometrowy żelazny ropociąg, wyposażony w pompy pomagające przemieszczać ropę na wzniesieniu o wysokości ponad 150 metrów. Rurociąg ten nazwano "eksperymentalnym" - pompa okazała się wadliwa i przeciekała na łączeniach. Pierwszy w pełni udany rurociąg, wykorzystujący kute żelazo i wzmocnione połączenia do transportu do 2 tys. baryłek ropy dziennie na odległość ok. ośmiu km, powstał w 1865 roku.
1869 Wprowadzenie metody hydraulicznego testowania rur w celu zapewnienia jakości, głównie szczelności i odporności ciśnieniowej.
1872–78 Powstają pierwsze długie rurociągi. Firma Natural Gas Light Company buduje pierwszy długodystansowy gazociąg, ok. 40-kilometrowy rurociąg z miejscowości Bloomfield do Rochester (3). Rury były zbudowane w kłód sosny kanadyjskiej sosny białej. Sześć lat później bracia Nobel budują w Baku ropociąg o długości 10 km i średnicy 76 mm.
1883 Wprowadzenie w branży rurociągów tzw. liczby Reynoldsa (Re). Osborne Reynolds badał warunki, w których przepływ płynu w rurach przechodzi z przepływu laminarnego do przepływu turbulentnego. W swojej pracy Reynolds opisał eksperyment, demonstrujący zachowanie przepływu wody o różnej prędkości przepływu przy użyciu wtryskanego do środka przepływu czystej wody w większej rurze strumienia zabarwionej wody (4). Liczba, o której mowa, jest stosowana w mechanice płynów i pozwala oszacować występujący podczas ruchu płynu stosunek sił bezwładności do sił lepkości. Ma znaczenie jako podstawowe kryterium stateczności ruchu płynów. Nie uznaje się jej za kryterium doskonałe, jednak nie udało się jej jak dotąd zastąpić żadnym innym, bardziej precyzyjnym kryterium.
W praktyce wielkość liczby Reynoldsa pozwala na określenie kiedy ruch płynu jest laminarny, a kiedy może pojawić się turbulencja. Pierwotnie Reynolds ustalił wartość liczby krytycznej na 2000. Współcześnie przyjmuje się zazwyczaj wartość 2300. Szczegółowe badania wykazały, że przy zaawansowanych metodach unikania turbulencji udało się utrzymać przepływ metastabilny (laminarny) w rurach nawet dla wartości Re przekraczających 10000. Jednakże najmniejsze zaburzenie prowadzi wówczas do natychmiastowego zerwania przepływu laminarnego.
1897–1904 Szybki postęp w technice produkcji rur spawanych. W 1897 roku powstaje pierwsza rura o średnicy 30 cali, spawana na zakładkę. Dwa lata później powstaje pierwsza bezszwowa rura o dużej średnicy (20”) i grubości ścianki 5/8”. Kolejnym przełomowym produktem była stalowa rura Lock-Bar w odcinkach o długości ok. 10 metrów. Została ona po raz pierwszy wyprodukowana w 1905 roku w Nowym Jorku. Dwie półokrągłe połówki rur zostały połączone przez wsunięcie krawędzi każdej z nich w dwa podłużne pręty blokujące o kształcie litery H przekroju poprzecznym. Krawędzie połówek rur były strugane i wyrównywane do nieco większej grubości, aby utworzyć łopatkę do zaczepienia. Wnętrze tego typu rury było gładsze niż rury nitowanej. Zdolność przenoszenia została, jak podawał producent, zwiększona w niej 15-20 proc. Dane z lat 1915-30 wskazują, że łączna długość tego typu rur przekroczyła w krótkim czasie ponad dwukrotnie długość instalacji nitowanych.
1906 W USA powstaje długi na 755 km rurociąg naftowy z Oklahomy do Teksasu. Coraz dłuższe ropociągi zaczynają oplatać USA i Kanadę. Głównym czynnikiem rozwoju przemysłu budowy rurociągów był wzrost popytu na paliwo wraz z powstaniem i rozwojem przemysłu samochodowego. W latach 20. XX wieku łączna długość wybudowanych rurociągów zbliżała się już do dwustu tysięcy kilometrów. Rurociągi układano wciąż w głównej mierze ręcznie (5).
1917–40 Spawanie elektryczne rur miało swoje początki jeszcze na przełomie drugiej i trzeciej dekady XX wieku, ale znaczący postęp nastąpił dopiero w latach 30., kiedy to opracowano urządzenia spawalnicze i topniki. W USA już w 1917 r. powstaje piętnastokilometrowy rurociąg zespawany techniką elektrycznego spawania łukowego. W latach 30. wynaleziono proces łączenia rur za pomocą elektrycznego spawania oporowego prądem stałym lub prądem o niskiej częstotliwości. Zastosowanie spawania do łączenia rur w latach dwudziestych XX wieku umożliwiło budowę szczelnych, wysokociśnieniowych rurociągów o dużej średnicy. Obecnie większość rurociągów wysokociśnieniowych składa się z rur stalowych z połączeniami spawanymi (6).
1939–45 Druga wojna światowa również wymusiła innowacje w technologii rurociągów. Około rok przed jej zakończeniem powstawać zaczął "Pluto" (skrót od nazwy "Pipeline Under The Ocean", z ang. "rurociąg pod oceanem"). Projekt ten polegał na budowie podmorskich rurociągów naftowych pod kanałem La Manche między Anglią a Francją, aby dostarczyć paliwo z Wielkiej Brytanii do sił alianckich we Francji (7). System rurociągów o stosunkowo niewielkiej średnicy (~75 mm) i o łącznej długości 800 km dostarczał 3,5 mln litrów paliwa dziennie.
rozwijanych z pływającego na morzu bębna
1944 Wprowadzenie wykres lub diagramu Moody’ego (zwanym także niekiedy diagramem Stantona). Lewis Ferry Moody wykreślił współczynnik tarcia Darcy-Weisbacha w zależności od liczby Reynoldsa Re dla różnych wartości chropowatości względnej ε/D. Diagram ten służy m.in. do przewidywania spadku ciśnienia lub natężenia przepływu w rurze, turbulencji w strefach pomiędzy gładkimi i szorstkimi rurami, określenia regionu niepełnej turbulencji i innych form opisu dynamiki płynów przepływających w rurach i różnych stopniach chropowatości. Odgrywa więc dużą rolę w projektowaniu rurociągów.
1948 Wprowadzenie do branży rurociągów metod inspekcji radiograficznej (8) spoin łączących odcinki. Na ten rok datuje się również wdrożenie spawania łukiem krytym w technice łączenia rur.
lata 50–80. XX wieku Gdy świat wyszedł z drugiej wojny światowej nastąpił szybki rozwój technik budowy wysokociśnieniowych, długodystansowych, ropociągów i gazociągów. W latach 50. i 60. ubiegłego wieku zbudowano ich tysiące kilometrów. Okres ten cechuje się wdrażaniem wielkiej liczby innowacji, m.in. początkiem stosowania do transportu wody rur ciśnieniowych z żeliwa sferoidalnego i betonu o dużej średnicy, zastosowaniem rur z polichlorku winylu do kanalizacji, wykorzystanie "tłoków" lub tzw. "smart pigs" (9), wprowadzanych do wnętrza rurociągu, w celu czyszczenia wnętrza lub wykonywania innych zadań. W tym okresie zainicjowano również "wsadowe" łączenie różnych produktów naftowych we wspólnym rurociągu. Zaczęto też stosować ochronę katodową w celu zmniejszenia korozji i wydłużenia żywotności rurociągu.
Potem wprowadzono komputery do sterowania rurociągami oraz stacje mikrofalowe i satelity do komunikacji między centralą a terenem, a także szereg nowych technik mających na celu zapobieganie i wykrywanie wycieków z rurociągów. Ponadto wynaleziono lub wyprodukowano wiele nowych urządzeń ułatwiających budowę rurociągu. Należą do nich duże wysięgniki boczne do układania rur, wielkie i wydajne maszyny do wiercenia pod wzniesieniami rzekami i drogami, rozwiązania umożliwiające zginanie dużych rur w warunkach terenowych, i w końcu rentgenowskie techniki prześwietlania rur i wykrywania np. wad spawalniczych.
Rodzaje rurociągów
I. Rurociągi można podzielić przede wszystkim ze względu na rodzaj przesyłanych mediów. W tej klasyfikacji mamy:
- Rurociągi transportujące ropę, zwane ropociągami.
- Rurociągi transportujące produkty naftowe (produkty rafinowane, takie jak benzyna, nafta, paliwo lotnicze i olej opałowy).
- Różne gatunki ropy naftowej lub różne produkty rafinowane są zwykle transportowane tym samym rurociągiem w różnych partiach. Mieszanie pomiędzy partiami jest niewielkie i może być kontrolowane. Uzyskuje się to poprzez stosowanie dużych partii (długich kolumn tej samej ropy lub produktu) lub umieszczanie pomiędzy partiami nadmuchanej gumowej kuli lub piłki w celu ich oddzielenia. Ropa naftowa i niektóre produkty naftowe przemieszczające się w rurociągach często zawierają niewielką ilość dodatków zmniejszających korozję wewnętrzną rur i redukujących opory, najczęściej polimerów.
- Rurociągi transportujące gaz, zwane gazociągami.
- Rurociągi wodne zwane wodociągami.
- Rurociągi kanalizacyjne.
- Ścieki zawierają zwykle 98 procent wody i 2 procent substancji stałych. Ścieki transportowane rurociągami (kanalizacją) są zwykle nieco korozyjne, ale znajdują się pod niskim ciśnieniem. W zależności od ciśnienia w rurze i innych warunków, rury kanalizacyjne są wykonane z betonu, PVC, żeliwa lub gliny. PVC jest szczególnie popularne w przypadku rozmiarów mniejszych niż 12 cali (30 centymetrów) średnicy. Kanały burzowe o dużych średnicach często wykorzystują faliste rury stalowe.
- Rurociągi parowe.
- Rurociągi powietrzne.
- Rurociągi do transportu innych płynów, nawozów sztucznych i roztworów chemicznych, mieszanek pyłowo-powietrznych itp.
II. Ze względu na położenie rurociągu w stosunku do terenu wyróżniamy:
- rurociągi podziemne,
- rurociągi zagłębione, gdy rurociąg leży poniżej poziomu terenu, ale nie jest zasypany,
- rurociągi naziemne,
- Rurociągi podmorskie,
- Do budowy rurociągu podmorskiego wykorzystuje się zwykle barkę, na której spawane są odcinki rur i łączone z końcem rury lądowej. W miarę spawania kolejnych odcinków do końca rury, barka przemieszcza się, a ukończona część rury jest opuszczana do morza za barką. Na głębokich morzach, gdzie występują duże fale, do układania rur używa się większych statków zamiast barek.
III. Inne rodzaje rurociągów - przykłady:
- Rurociągi pneumatyczne - transportują cząstki stałe wykorzystując powietrze jako medium nośne. Ze względu na duże zużycie energii oraz ścieralność rur i materiałów, rurociągi pneumatyczne są zwykle stosowane na dystansach nie większych niż kilkaset metrów. Są stosowane na całym świecie w obsłudze materiałów sypkich, z powodzeniem transportując setki różnych ładunków. Typowe zastosowania to ładowanie zboża z silosów lub elewatorów zbożowych do ciężarówek lub pociągów, transport odpadów ze stacji zbiorczych do zakładów przetwórczych lub z zakładów przetwórczych do miejsc utylizacji, transport cementu lub piasku na place budowy oraz transport węgla z zasobników do kotłów w elektrowni.
- Rurociągi kapsułowe transportują ładunek w kapsułach napędzanych przez płyn przemieszczający się przez rurociąg. Gdy ośrodkiem jest powietrze lub inny gaz, technologia ta nazywana jest pneumatycznym rurociągiem kapsułowym (PCP), a gdy zastosowana jest woda lub inna ciecz - hydraulicznym rurociągiem kapsułowym (HCP). PCP jest używany od XIX wieku do transportu poczty, drukowanych wiadomości telegraficznych, części maszyn, książek, próbek krwi i wielu innych rzeczy.
Mirosław Usidus
