СТЕКЛОПЛАСТИКОВАЯ ТРУБА С ПОЛИУРЕТАНОВОЙ ФУТЕРОВКОЙ

Полезная модель относится к области горного машиностроения, производящего технологическое оборудование для горно-обогатительных предприятий. Изготовляемые футерованные полиуретаном стеклопластиковые трубы служат для транспортировки абразивных пульп, содержащих в своем составе тонко и мелкоизмельченные породные зерна. Пульпа движется в трубах самотеком или подается под давлением насосом.
Температура пульпы зависит от режима работы предприятия: технологический подогрев пульпы и без подогрева, а также от климатических условий (суточные и сезонные колебания температуры) и может изменяться в широких пределах. Для увеличения срока службы шламопроводов внутренняя поверхность труб покрывают слоем износостойкого материала, среди которых наибольшим сопротивлением износу обладает полиуретан.
Известна футерованная полиуретаном стеклопластиковая труба фирмы «Прогресс-Инвест» г. Пермь.(http//progress-invest.ru/.)
Труба состоит из внешней оболочки из стекловолокна и внутренней из полиуретана, связанных между собой адгезией контактных поверхностей в неразъемное соединение (прототип предлагаемой авторами полезной модели).
Примечание. Термины: внешняя оболочка материально представлен изогнутым слоем стеклопластика, внутренняя оболочка - слоем полиуретана, поэтому в тексте равнозначно обозначаются эти элементы как внешние и внутренние оболочки и соответственно как слои стеклопластика, слои полиуретана.
Недостатком данной конструкции стеклопластиковой трубы с полиуретановой футеровкой является низкий эксплуатационный ресурс из-за деформаций и повреждений оболочек трубы вследствие высоких тангенциальных напряжений, развивающихся в контактирующих стеклопластиковом и полиуретановом слоях.
Критические напряжения в удерживаемых адгезией от деформации слоях возникают за счет сил теплового сжатия или расширения полиуретана при колебаниях температуры нагрева трубы от внешней среды или перекачиваемой пульпы в связи с весьма высокой разницей в коэффициентах теплового расширения между полиуретановым и стеклопластиковым оболочками. Слой стеклопластика, соединенный адгезией с полиуретановым слоем, препятствует его тепловому расширению или сжатию, создавая тангенциальное напряжение в полиуретане усилием стеклопластикового торможения. Из анализа условий работы трубопроводов следует, что начальной причиной их аварийного вывода из строя является тепловое усталостное напряжение оболочек и разрушение адгезионной связи.
Общая картина силового взаимодействия внешнего, внутреннего и адгезионного слоев трубы следующая. Показателями, определяющими интенсивность динамических нагрузок на составляющие элементы трубы, являются сила линейного теплового расширения или сжатия слоя полиуретановой футеровки, как сила воздействия на адгезионный и стеклопластиковый слои, и величина его линейной деформации (расширения, сжатия), как характеристика сопротивления адгезионного соединения этой деформации. Физически процессу разрушения адгезива предшествует его деформация с достижением предельных величин напряжений.
Установлено, что при сдвиге склееных пластиковых поверхностей деформация напрягаемого слоя адгезии происходит до момента разрыва адгезионных связей. (См. Берлин А.А., Басин В.Е. Основы адгезии полимеров. М. Химия. 1974)
Деформация адгезива и напряжения в контактирующих слоях зависят от силы воздействия на них и их физико-механических параметров.
Сила воздействия расширяющегося слоя полиуретана на адгезионный слой и стеклопластиковую оболочку Р увеличивается пропорционально приросту линейного размера полиуретана:
,
где  - прирост линейного размера слоя полиуретана,
, где α - коэффициент теплового расширения полиуретана, Т - перепад температур, Е - модуль Юнга, F - площадь поперечного сечения слоя полиуретана.
Величина тангенциального напряжения адгезионного слоя τ изменяется пропорционально силе Р:
τ=Р/F,
Серьезные различия в физико-механических свойствах комбинируемых оболочек трубы усложняют динамику процесса силового нагружения элементов трубы. Для разработки способов управления им необходимо учесть все особенности эксплуатации стеклопластиковой трубы с полиуретановой футеровкой, в том числе:
- при изменении температуры нагрева в соответствии с коэффициентом теплового расширения происходит продольное удлинение или сжатие полиуретанового слоя относительно стеклопластикового оболочки, имеющей практически нулевой коэффициент теплового расширения.
- направленность тепловой деформации: растяжение-сжатие зависит от изменения температуры нагрева трубы относительно температуры образования адгезионной связи между поверхностями стеклопластика и полуретана: при превышении - на растяжение, при снижении - на сжатие.
- адгезионная связь между внешней стеклопластиковой и внутренней полиуретановой оболочками трубы не имеет предельного значения, обеспечивающего достаточное сопротивление критическим нагрузкам, аналогичное пределу и запасу прочности деталей в механике.
- нагреваемый слой полиуретана за счет адгезионной связи деформирует адгезионный слой, создавая тангенциальное напряжение сопротивления деформации в нем, последняя при достижении критических величин приводит к разрыву связи.
Анализируя находим, что снижение тангенциальных нагрузок на комбинированные контактные слои можно конструктивно достичь путем уменьшения деформации полиуретанового слоя, остающегося в напряженном состоянии, с помощью механических приемов, независимых от адгезионной связи. Изменяя приемами механического торможения допустимую величину деформации полиуретана, может быть установлена предельная нагрузка на адгезив независимо от колебаний температуры.
Предельной величиной может служить режим при полном отсутствии деформации полиуретана и тангенциальной нагрузки на адгезив, реализуемый в предлагаемой полезной модели трубы с полиуретановой футеровкой с двойными фланцами.
К числу недостатков применяемых футерованных труб относится также высокий абразивный износ футеровки при перекачке пульпы с зернистой твердой фазой, что также снижает эксплуатационный ресурс трубы.
Задачей настоящей полезной модели является повышение ресурса эксплуатации трубы как составной части промышленного трубопровода.
Поставленная задача решается путем применения в конструкции трубы устройств, осуществляющих новые приемы взаимодействия полиуретановой футеровки и внешней защитной стеклопластиковой оболочки. Достигается снижение тангенциальной нагрузки на адгезив и напряжений в связанных адгезией контактирующих оболочках из полиуретана и стеклопластика путем максимального уменьшения деформации полиуретанового слоя, вызываемой теплом. Это осуществлено с помощью механических приемов одерживающих полиуретан в исходных линейных размерах самостоятельно, независимо от адгезии. Деформация полиуретана останавливается препятствиями в виде упоров на пути линейного расширения или сжатия полиуретанового слоя. Упоры запирают полиуретан в определенном объеме с сохранением длины слоя при изменяющемся от тепла напряжении в нем. Благодаря этому предотвращаются повреждения контактных покрытий трубы. В качестве упоров могут служить фланцы на торцах стеклопластиковых и полиуретановых оболочек.
Технический результат полезной модели достигается тем, что в трубе состоящей из внешней оболочки из стекловолокна и внутренней из полиуретана, связанных между собой адгезией поверхностей в неразъемное соединение, к внешней и внутренней оболочкам прикреплены с торцов с двух сторон контактирующие, соединяемые между собой внутренние и внешние фланцы, препятствующие при недостаточности адгезионной связи тепловому продольному расширению или сжатию полиуретанового слоя, устраняя тем самым деформирующую нагрузку на адгезионный слой. В этих условиях адгезионная связь удерживает полиуретановую оболочку лишь от поперечных внутренних деформаций при сжатии, требующих меньшее адгезионное сопротивление, т.к. расширению полиуретановой оболочки при поперечной деформации препятствует радиальное сопротивление стеклопластикового слоя.
В целом применение двойных фланцев на торцах футерованных полиуретаном стеклопластиковых труб, препятствующих продольной деформации полиуретановой, оболочки, позволяет получить следующие преимущества такой конструкции:
1. Двойные фланцы удерживают полиуретановую оболочку в пределах длины трубы при малых адгезионных сцеплениях со стеклопластиком и силой воздействия на адгезив.
2. Снижают тангенциальные напряжения в контактирующих слоях за счет удержания полиуретана от теплового расширения или сжатия независимо от адгезионной связи и температуры нагрева трубы
3. Двойные фланцы эффективны при колебаниях температуры, надежно препятствуя переменным деформациям полиуретанового слоя.
4. Позволяют предотвращать образование радиальных вогнутостей в полиуретановой оболочке за счет подбора прочных на разрыв клеев.
В результате снижается вероятность порывов контактирующих поверхностей стеклопластика и полиуретана, увеличивается износостойкость труб и срок их службы.
Новизна данной полезной модели заключается в применении фланцевого соединения между внешней стеклопластиковой оболочкой трубы и ее внутренней оболочкой, в виде полиуретановой футеровки, обеспечивающего равенство и постоянство их длин независимо от температуры нагрева трубы. Это достигается за счет прочности практически не подверженной тепловой деформации стеклопластиковой оболочки, к которой жестко фланцами прикрепляется слой полиуретановой футеровки. При этом усилия торможения теплового линейного расширения или сжатия полиуретана осуществляют фланцы, а не поверхности контактирующих слоев, как при адгезионном их сцеплении. За счет этого снижается тангенциальное напряжение в них и сохраняется исходная поверхность слоев. В данном случае осуществляется торможение линейной деформации полиуретана препятствием в виде фланцев в отличие от торможения сцепленной с ним поверхностью стеклопластика. Таким образом функции полезного сочетания оболочек трубы с высокими различиями в коэффициентах теплового расширения реализуются с помощью двойных фланцев с возможностью частичного или полного исключения адгезионной связи между напрягаемыми слоями.
Известны стеклопластиковые трубы с одиночным фланцами на торцах внешней оболочки (Фирма «Прогресс-Инвест, г. Пермь).
Эти фланцы служат для соединения отдельных труб между собой и не могут выполнять функции торможения деформаций полиуретановой оболочки трубы независимо от стеклопластикового покрытия. Одиночные фланцы на торце полеуретановой трубы могут тормозить продольное расширение полиуретанового слоя, но не препятствуют его сжатию, кроме того конструктивно не обеспечено надежное сопротивление фланцев нагрузкам тепловой деформации полиуретанового слоя при высоких колебаниях температуры в составе трубопровода; отдельно в трубе такое торможение при расширении полиуретана осуществить нельзя из-за его слабой связи с поверхностью стеклопластикового покрытия.
С целью увеличения сопротивления поперечной деформации и абразивной устойчивости внутренняя поверхность полиуретановой футеровки предлагаемой модели пополняется продольными упрочняющими рифлями, имеющими в сечении форму прямоугольника шириной 40-60 мм при интервале 50-100 мм. Рифли повышают ресурс футеровки при транспортировке высокоабразивных пульп за счет заиливания промежутков между рифлями и защиты песками пульпы полиуретановой поверхности. Сектор заиливания меняется вращением трубы.
На фиг. 1а, 1б, 2а, 2б показаны схемы новых деталей, внесенных в предлагаемую полезную модель стеклопластиковой трубы с полиуретановой футеровкой, раскрывающие сущность данной конструкции. На фиг. 1а приведен продольный разрез, на фиг. 1б - вид с торца трубы с гладкой футеровкой.
Труба состоит из внешней стекловолокновой конструктивной оболочки 1, придающей жесткость конструкции, с закрепленными на ее торцах внешними фланцами 2, внутренней полиуретановой оболочки (футеровки) 3 с внутренними фланцами 4. Фланцы имеют совпадающие между собой отверстия 5 для крепежных болтов, 6 - контактные поверхности оболочек, скрепленные между собой адгезией.
На фиг 2а, - приведен вешний вид, на 2б - поперечный разрез трубы с полиуретановой футеровкой с рифлями, где 7 - полиуретановая футеровка с продольным прямоугольными рифлями 8.
Новыми элементами, внесенными в конструкцию прототипа, являются двойные фланцы, скрепляющие существенно различающиеся по коэффициенту теплового расширения стеклопластиковую и полиуретановую оболочки трубы и полиуретановая футеровка, снабженная упрочняющими прямоугольными рифлями.
Основные элементы трубы выполняют следующие функции.
Стеклопластиковая оболочка благодаря своей прочности защищает трубу от внешних механических нагрузок и сохраняет в период эксплуатации конструктивные параметры, сечение и очертания трубы; полиуретановая футеровка за счет прочности полиуретана и рифленой формы покрытия предохраняет поверхностный стеклопластиковый слой от его износа, деформаций и разрушения, сохраняя при этом неизменность поперечного сечения пульпового канала.
Двойные фланцы на оболочках из стеклопластика и полиуретана сопротивляются внутренним силам деформации оболочки трубы, не допуская продольных перемещений полиуретановой футеровки относительно стеклопластиковой оболочки. Таким образом двойные фланцы выполняют функции противодействия деформации полиуретана относительно стеклопластиковой поверхности полностью вместо адгезии при высокой жесткости полиуретана и недопущении продольных его движений или частично при существенном снижении сил адгезии при работе по схеме: предотвращение продольных деформаций двойными фланцами, поперечных - за счет адгезии.
При снижении сил адгезии обратно пропорционально силам сопротивления двойных фланцев полиуретановой деформации снижаются тангенциальное напряжение в контактных поверхностях оболочек. Соответственно снижаются динамические нагрузки на полотно оболочек.
Практически с помощью двойных фланцев снижаются два вида тангенциальных нагрузок, проявляющихся при адгезионном торможении деформаций полиуретана: тепловое расширение полиуретанового полотна при нагреве трубы выше температуры адгезии; тепловое сжатие полиуретанового полотна при охлаждении трубы ниже температуры адгезии. При применении предлагаемой полиуретановой футеровки с упрочняющими рифлями, скрепленной двойными фланцами со стеклопластиковой оболокой без адгезионной связки, тангенциальные напряжения в контактных слоях отсутствуют. Такая конструкция имеет значительные экономические преимущества благодаря увеличению срока службы за счет максимально возможного снижения деформирующих нагрузок на поверхность оболочек.
Изготовление предлагаемой конструкции трубы с полиуретановой футеровкой производится с помощью известных способов и приемов. Внутренняя полиуретановая оболочка изготовляется способом формования расплавленного полиуретана с применением литьевой формы, придающей футеровке и проточному каналу заданную конфигурацию и размеры, внешняя оболочка образуется послойным нанесением на поверхность полиуретанового покрытия, служащего оправкой, стекловолокновых нитей, пропитанных связующим.
После намотки стеклопластиковой оболочки труба отверждается в термокамере со скреплением контактных поверхностей адгезией и снимается с оправки. Фланцы прикрепляются к торцам внешней и внутренней оболочек трубы способом структурного склеивания или высокочастотной сварки. Современные способы сварки контактных поверхностей позволяют обеспечить силу сопротивления фланцев на отрыв, превышающую силу тепловой деформации полиуретана.
Полезность предлагаемой полезной модели трубы, реализуемой при ее эксплуатации в составе шламопроводов обогатительных фабрик, заключается в повышении надежности и срока службы трубы, благодаря чему снижаются затраты на получение конечной продукции горнообогатительного производства.