МНОГОСЛОЙНАЯ ТРУБА

Полезная модель относится к многослойным трубам и может быть использована в трубопроводах для транспортировки жидких и газообразных сред, к которым материал трубы устойчив в условиях эксплуатации, в том числе в распределительных тепловых сетях коммунальных и промышленных предприятий, предпочтительно для транспортировки сред с рабочей температурой до 115°C.
Для систем теплоснабжения с рабочей температурой выше 95°C используются металлические (стальные) теплоизолированные трубы. Важнейшим недостатком этих труб является подверженность коррозии и отсутствие гибкости, вызывающее большие трудности при транспортировке труб и строительстве систем водоснабжения.
Наиболее близким аналогом заявляемой полезной модели является многослойная труба, включающая внутреннюю полимерную трубу, армирующую систему, и наружную защитную оболочку, (RU 90523, кл. МПК F16L 9/00, опубл. 10.01.2010 г.). Такая труба характеризуется хорошей гибкостью, однако она имеет ограниченный температурный диапазон применения, поскольку может быть использована при температуре транспортируемой среды, не превышающей 95°C.
Техническим результатом, достигаемым при создании настоящей полезной модели, является обеспечение прочностных параметров трубы достаточных для транспортировки среды с температурой до 115°C и давлением до 1 МПа.
Указанный технический результат достигается за счет того, что многослойная труба, включающая внутреннюю полимерную трубу, армирующую систему из высокопрочных нитей, и наружную оболочку из олефинового полимера, снабжена первым и вторым протекторными слоями и теплоизоляционным слоем, внутренняя полимерная труба выполнена из сшитого олефинового полимера, характеризующегося сопротивлением раздиру армирующим элементом при 115°C не ниже 15 Н/мм, а армирующая система расположена между первым и вторым протекторными слоями, выполненными из полимера, выбранного из группы, включающей полипропилен, этиленпропиленовый сополимер, полибутен, сополимер этилена с октеном, сплавы олефиновых полимеров с различными полимерами, при этом первый протекторный слой расположен между наружной поверхностью внутренней трубы и армирующей системой, а второй протекторный слой расположен между армирующей системой и внутренней поверхностью теплоизоляционного слоя, покрытого наружной оболочкой.
Внутренняя полимерная труба заявленной многослойной трубы может быть выполнена из сшитого олефинового полимера, предпочтительно из сшитого полиэтилена либо из сшитых сополимеров этилена с бутеном, гексеном или октеном.
Первый и второй протекторные слои могут быть выполнены из одинаковых или разных полимеров.
Армирующая система может быть выполнена из высокопрочных полимерных нитей с удельной разрывной нагрузкой не ниже 0,5 Н/текс (ГОСТ 6611.2-73), преимущественно арамидных или полиэфирных. Нити армирующей системы могут быть объединены в группы, формирующие ленты на основе высокопрочных нитей с удельной разрывной нагрузкой не ниже 0,5 Н/текс, преимущественно арамидных, полиэфирных, углеродных, стеклонитей, а также лент на основе различных сочетаний перечисленных нитей.
Армирующая система может быть выполнена в виде структуры из навитых в противоположном направлении под углом друг к другу и оси трубы нитей или лент или в виде структуры из переплетенных нитей или лент, а также дополнительно содержать продольные нити или ленты, в том числе вплетенные в переплетение нитей или лент, расположенных под углом к оси трубы. Армирующая система может быть выполнена наложением нескольких последовательных пар слоев из навитых и/или переплетенных нитей и/или лент.
Между первым протекторным слоем и внутренней трубой или между вторым протекторным слоем и теплоизоляционным слоем может располагаться барьерный кислородо-защитный слой для защиты от диффузии и насыщения теплоносителя кислородом воздуха. Барьерный слой может быть изготовлен из материала, обладающего барьерными свойствами по отношению к кислороду, предпочтительно из сополимера этилена с виниловым спиртом, полиамида или из алюминия.
Теплоизоляционный слой может быть выполнен из ячеистого полимера, предпочтительно, пенополиуретана, пенополиэтилена высокой плотности, а наружная оболочка трубы, защищающая от механических повреждений, может быть выполнена из олефинового полимера, предпочтительно из полиэтилена, сополимеров этилена. Теплоизоляционный слой и наружная оболочка могут быть гофрированными.
Использование в качестве материала внутренней трубы сшитого олефинового полимера, обладающего сопротивлением раздиру армирующим элементом при 115°C не ниже 15 Н/мм, обеспечивает прочность трубы достаточную для транспортировки среды с температурой до 115°C при давлении до 1 МПа.
Показатель «Сопротивление олефинового полимера раздиру армирующим элементом при 115°C» определяется по СТО 73011750-009-2012 и позволяет рассчитать давление во внутренней трубе, которое продавливает материал внутренней трубы через армирующую систему. Сущность метода заключается в измерении силы, необходимой для раздира образца проволокой, моделирующей армирующий элемент. При испытании измеряют силу, необходимую для раздира образца при разрастании в образце надреза или разреза, для поперечного раздира образца по всей толщине. Сила, необходимая для раздира, прикладывается при помощи разрывной машины, работающей без остановок при постоянной скорости движения траверсы обеспечивающей разрушение образца. Для расчета сопротивления раздиру используют среднюю по медиане достигнутую силу, в соответствии с ISO 6133: 1998 метод А.
Однако использование в качестве материала внутренней трубы полимерного материала, а именно сшитого олефинового полимера, обладающего сопротивлением раздиру армирующим элементом при 115°C не ниже 15 Н/мм, требует изготовления стенки внутренней трубы большой толщины, что приводит к нежелательной потере гибкости трубы и существенному увеличению веса трубы. Армирующая система из высокопрочных нитей или лент на основе высокопрочных нитей позволяет достичь прочности трубы достаточной для транспортировки среды с температурой до 115°C при давлении до 1 МПа с существенным уменьшением толщины стенки, обеспечивающим гибкость трубы необходимую для намотки на барабан.
При транспортировке по трубе среды с температурой выше 95°C при давлении до 1 МПа армирующая система может оказывать разрушающее воздействие на внутреннюю трубу из олефинового полимера, что приводит к снижению прочности трубы. С целью предотвращения этого воздействия и обеспечения должной прочности трубы для транспортировки среды, имеющей температуру до 115°C при давлении до 1 МПа в предлагаемой полезной модели используется первый протекторный слой из полимера, выбранного из группы, включающей полипропилен, этиленпропиленовый сополимер, полибутен, сополимер этилена с октеном, сплавы олефиновых полимеров с различными полимерами, и расположенный между наружной поверхностью внутренней трубы и армирующей системой.
Второй протекторный слой из полимера, выбранного из группы, включающей полипропилен, этиленпропиленовый сополимер, полибутен, сополимер этилена с октеном, сплавы олефиновых полимеров с различными полимерами, покрывающий армирующую систему, необходим для обеспечения постоянства позиционирования нитей или лент армирующей системы в ходе технологического процесса изготовления многослойной трубы и в процессе эксплуатации трубы. Четкое позиционирование нити обеспечивает повышение прочности трубы благодаря исключению ослабленных зон в армирующей системе, и, в конечном итоге, повышения прочности трубы. По соображениям удобства технологического процесса изготовления предпочтительно выполнение второго протекторного слоя из того же полимера, из которого выполнен первый протекторный слой. Второй протекторный слой расположен между армирующей системой и внутренней поверхностью теплоизоляционного слоя. Таким образом, армирующая система располагается между двумя протекторными слоями.
Для равномерного распределения армирующих нитей по поверхности внутренней трубы, а, следовательно, равномерного распределения нагрузки в процессе эксплуатации трубы, армирующая система выполнена в виде структуры из навитых в противоположном направлении, то есть «по часовой стрелке» и «против часовой стрелки» под углом друг к другу и к оси трубы нитей или лент или в виде структуры из переплетенных нитей или лент, а также может дополнительно содержать продольную нить или ленту, в том числе вплетенную в переплетение нитей или лент, расположенных под углом к оси трубы. Давление, которое выдерживает армирующая система, определяется прочностью нитей и их числом. Количество нитей выбирается из условия, что армирующая система должна выдерживать разрушающее давление, по меньшей мере, 3,0 МПа (с учетом трех кратного запаса прочности при рабочем давлении до 1 МПа). Для обеспечения требуемых прочностных характеристик армирующая система может быть выполнена либо, по крайней мере, в виде пары слоев армирующих нитей или лент, расположенных под углом друг к другу и к оси трубы с противоположным направлением навивки, либо наложением нескольких последовательных пар слоев из нитей и/или лент. Выполнение армирующей системы так, как указано выше, повышает прочность многослойной трубы в целом.
Наличие теплоизоляционного слоя обеспечивает минимизацию потерь тепла при транспортировке высокотемпературной среды и амортизацию внешних механических воздействий на внутреннюю трубу, что приводит к повышению прочности конструкции многослойной трубы в целом.
Теплоизоляционный слой защищен от внешних воздействий наружной оболочкой, выполненной, например из полиэтилена. Наружная оболочка защищает трубу от воздействий окружающей среды и механических повреждений, что повышает прочность трубы.
Выполнение теплоизоляционного слоя и/или наружной оболочки гофрированными обеспечивает гибкость трубы, способствует устойчивому позиционированию трубы в траншее трубопровода, что также способствует повышению прочности трубы в процессе эксплуатации.
Наличие барьерного кислородо-защитного слоя, выполненного например, из сополимера этилена с виниловым спиртом, полиамида или алюминия, защищающего от диффузии кислорода воздуха и насыщения им теплоносителя, обеспечивает уменьшение скорости процессов старения внутренней полимерной трубы, приводящих к снижению прочностных характеристик полимерных материалов, особенно при повышенных температурах. Таким образом наличие кислорода-защитного слоя обеспечивает прочностные параметры трубы достаточные для транспортировки среды с температурой до 115°C и давлением до 1 МПа в течение длительного времени эксплуатации.
К достоинствам предлагаемой полезной модели следует также отнести гибкость трубы, позволяющую хранить и транспортировать трубу, намотанную на барабан.
На фиг.1 приведен общий вид трубы согласно предлагаемой полезной модели.
Высокотемпературная многослойная полимерная труба состоит из внутренней полимерной трубы 1, армирующей системы 2, первого протекторного слоя 3, второго протекторного слоя 4, теплоизоляционного слоя 6 и наружной защитной оболочки 7. Теплоизоляционный слой 6 и наружная защитная оболочка 7 показаны гофрированными. Позицией 5 показан один из вариантов расположения кислородо-защитного слоя.
В зависимости от типа трубы (внешний диаметр от 50 до 225 мм): толщина внутренней трубы составляет 3,0-7,5 мм, толщина теплоизоляционного слоя не менее 15 мм, толщина наружной защитной оболочки не менее 2 мм, толщина протекторных слоев - 1-2 мм.
На фиг.2-5 показана теплоизолированная труба в разрезе, выполненном перпендикулярно оси трубы в различных вариантах реализации, а именно:
На фиг.2 изображена структура трубы в соответствии с примером 1 и примером 5,
На фиг.3 изображена структура трубы в соответствии с примером 2,
На фиг.4 изображена структура трубы в соответствии с примером 3,
На фиг.5 изображена структура трубы в соответствии с примером 4.
Реализация полезной модели может быть продемонстрирована на следующих примерах трубы:
Пример 1.
Многослойная труба (Фиг.2) состоит из внутренней трубы 1, изготовленной из сшитого полиэтилена с сопротивлением раздиру армирующим элементом при 115°C - 21 Н/мм, армирующей системы 2 из арамидных нитей, выполненной в виде наложенных друг на друга двух слоев нитей, переплетенных под углом друг к другу и к оси трубы с вплетенными в них нитями, расположенными вдоль оси трубы, двух протекторных слоев 3 и 4, из этиленпропиленового сополимера, пенополиуретанового теплоизоляционного слоя 6, кислородо-защитного слоя, выполненного из алюминиевой фольги 5, и наружной оболочки 7 из полиэтилена. Слои 6 и 7 - гофрированы.
Пример 2.
Многослойная труба (Фиг.3) состоит из внутренней трубы 1, изготовленной из сополимера этилена с октеном с сопротивлением раздиру армирующим элементом при 115°C - 30 Н/мм, армирующей системы 2, из полиэфирных нитей, выполненной в виде наложенных друг на друга 2-х слоев из навитых под углом друг к другу и к оси трубы нитей, двух протекторных слоев 3 и 4 из полипропилена, теплоизоляционного слоя 6 из пенополиэтилена высокой плотности, кислородо-защитного слоя, выполненного из сополимера этилена с виниловым спиртом и наружной защитной оболочки 7 из сополимера этилена.
Пример 3
Многослойная труба (Фиг.4) состоит из внутренней трубы 1, изготовленной из сшитого полиэтилена, с сопротивлением раздиру армирующим элементом при 115°C - 21 Н/мм, армирующей системы 2. из арамидных нитей, выполненной в виде наложенных друг на друга 2-х пар слоев, навитых под углом друг к другу и к оси трубы в противоположном направлении с вплетенными в них нитями, расположенными вдоль оси трубы, первого протекторного слоя 3 из полибутена, второго протекторного слоя 4 - из сополимера этилена с октеном, пенополиуретанового теплоизоляционного слоя 6, и наружной оболочки из полиэтилена 7.
Пример 4
Многослойная труба (Фиг.5) состоит из внутренней трубы 1, изготовленной из сополимера этилена с октеном с сопротивлением раздиру армирующим элементом при 115°C - 30 Н/мм, армирующей системы 2. из лент на основе углеродных нитей, намотанных под углом друг к другу в противоположном направлении, первого протекторного слоя 3 из сплава полиэтилена с полиамидом, второго протекторного слоя 4 - из этиленпропиленового сополимера, пенополиуретанового теплоизоляционного слоя 6 и наружной оболочки из полиэтилена 7. Слои 6 и 7 - гофрированы.
Все описанные в примерах 1-4 многослойные трубы в процессе испытаний показали величину разрушающего давления не менее 3,5 МПа, что обеспечивает их использование для транспортировки воды с температурой до 115°C при давлении до 1 МПа. Следов коррозионного разрушения или зарастания внутренней трубы не выявлено. Расчетный срок службы составляет 40-50 лет. При этом предложенная многослойная труба обладает гибкостью, обеспечивающей ее намотку на барабан и облегчающей работы по монтажу трубопроводов.
Пример 5
Многослойная труба (Фиг.2) состоит из внутренней трубы 1, изготовленной из полибутена с сопротивлением раздиру армирующим элементом при 115°C - 9 Н/мм, армирующей системы 2 из арамидных нитей, выполненной в виде наложенных друг на друга двух слоев нитей, переплетенных под углом друг к другу и к оси трубы с вплетенными в них нитями, расположенными вдоль оси трубы, двух протекторных слоев 3 и 4, из этилен-пропиленового сополимера, пенополиуретанового теплоизоляционного слоя 6, кислородо-защитного слоя 5, выполненного из сополимера этилена с виниловым спиртом и наружной оболочки 7 из полиэтилена. Слои 6 и 7 - гофрированы.
В такой трубе через 2-3 года эксплуатации в условиях транспортировки воды с температурой 115°C при давлении до 1 МПа происходит нарушение герметичности внутренней рабочей трубы. Труба подлежит замене.
Приведенные примеры не исчерпывают всех вариантов выполнения полезной модели. Указанный технический результат достигается при комбинации конструктивных элементов трубы из различных материалов, приведенных в формуле полезной модели. Например, армирующая оболочка может быть выполнена путем последовательного наложения двух слоев намотанных в противоположных направлениях арамидных нитей на два слоя намотанных в противоположных направлениях лент на основе стеклонитей.
Процесс производства трубы заключается в следующем:
С помощью пултрудера или экструдера полимерная композиция в виде порошка или расплава гранул продавливается в кольцевой зазор между мундштуком и дорном, нагретыми до температуры выше температуры плавления композиции, в результате при движении по кольцевому зазору формируется внутренняя труба 1, которая затем проходит через охлаждающую ванну, где калибруется и охлаждается ниже температуры плавления. Далее внутренняя труба 1 проходит через угловую экструзионную головку, в которой на ее внешнюю поверхность наносится протекторный слой 3, возможно с предварительным нанесением кислородо-защитного слоя, поверх первого протекторного слоя в оплеточной машине или намоточной машине укладываются армирующие нити или ленты 2. Затем через угловую экструзионную головку наносится второй протекторный слой полимера 4. После чего внутренняя труба наматывается на барабан и поступает на теплоизоляцию, при которой наносится слой 6, а затем накладывается защитный слой 7. Многослойная труба проходит через охлаждающую вакуумную ванну, где приобретает окончательные геометрические размеры и наматывается на барабан. Перед нанесением теплоизоляционного слоя возможно наложение кислородо-защитного слоя 5.
Данная полезная модель может быть использована в сетях холодного и горячего водоснабжения и теплоснабжения, однако наиболее целесообразно ее использование в контурах тепловых сетей, работающих в диапазоне до 115°C при давлении до 1 МПа.