СПОСОБ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО ИССЛЕДОВАНИЯ СИНТЕТИЧЕСКИХ ТРОСОВ И ПОДХОДЯЩИЙ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В НЕМ ТРОС
METHOD OF NON-DESTRUCTIVE TESTING OF SYNTHETIC FIBER ROPES AND ROPE SUITABLE FOR BEING USED IN IT

В процессе использования свойства троса ухудшаются. В некоторых областях применения, например, когда трос используется как швартов, трос подвергается усталости при растяжении-сжатии. То есть на трос воздействует циклическое увеличение и уменьшение натяжения, и было обнаружено, что это неблагоприятно влияет на свойства троса. В других применениях, например, где трос проходит над блоками, трос подвергается усталости при изгибе. То есть свойства троса ухудшаются, когда трос подвергается повторяющемуся изгибу.
Одну из основных проблем пользователя троса представляет собой определение времени замены троса. Однако с заменой троса связаны значительные расходы и усилия. Необходимо учитывать не только затраты на новый трос, но также и расходы, связанные с простоем устройства, в котором используется трос, и трудовые издержки, связанные с его заменой. Таким образом, оказывается нежелательной замена троса, осуществляемая преждевременно, то есть за значительное время до окончания его срока службы. С другой стороны, ситуация, в которой трос разрывается или иным образом выходит из строя, является неприемлемой и должна быть предотвращена.
Таким образом, в областях применения тросов были разработаны способы исследования свойств троса, находящегося в процессе использования, которые позволяют пользователю троса определять, когда требуется заменять трос. Для определения свойств троса, находящегося в процессе использования, в данной области предусмотрено неразрушающее исследование. Первый известный в технике способ неразрушающего исследования представляет собой исследование в магнитном поле, в котором исследуемый предмет помещается в магнитное поле, и присутствие дефектов обнаруживается в областях рассеяния магнитного потока в тросе. Следующий способ представляет собой исследование с использованием вихревых токов, в котором переменный электрический ток проходит через катушку, производя магнитное поле. Когда катушка помещается вблизи электропроводного материала, изменение магнитного поля вызывает токи, проходящие в материале. Эти токи проходят по замкнутым контурам и известны как вихревые токи. Вихревые токи производят свое собственное магнитное поле, которое можно измерять и использовать для определения присутствия дефектов в тросе.
Хотя описанные выше способы продемонстрировали свою пригодность для металлических тросов, их невозможно использовать непосредственно для синтетических тросов, потому что они основаны на магнитных и электропроводных свойствах троса. Синтетические тросы, в принципе, представляют собой весьма привлекательную альтернативу металлических тросов в многочисленных приложениях, поскольку они обладают рядом преимуществ, включая меньшую плотность при равной прочности, неподверженность коррозии и меньшие требования к обслуживанию. Однако для синтетических тросов, используемых в областях высокого риска, требуется наличие способа исследования свойств троса в процессе использования.
Известны способы неразрушающего исследования синтетических тросов. В патенте US №6886666 описано неразрушающее исследование металлических и синтетических несущих элементов. Несущий элемент содержит первый конструкционный материал (который может представлять собой синтетическое волокно) и по меньшей мере одну часть из второго материала, который имеет иные характеристики, чем первый материал.
Второй материал используется для обнаружения деформации в несущем элементе.
Недостаток использования индикаторного волокна, которое изготовлено из иного материала, заключается в том, что индикаторное волокно, которое используется для оценки состояния несущего элемента, обладает собственными характеристиками, которые отличают его от первого конструкционного материала.
Чтобы преодолеть этот недостаток, для оценки состояния троса было бы предпочтительным использование в составе троса второго материала, который имеет более или менее такие же характеристики и свойства (например, в отношении механических свойств и поведения в составе троса), как первый материал.
Настоящее изобретение предлагает такой способ.
Настоящее изобретение предлагает способ неразрушающего исследования синтетических тросов, в котором на трос в процессе использования воздействует рентгеновское излучение, терагерцевое излучение, постоянное магнитное поле или электромагнитное поле для определения изображения, результаты анализа сравниваются со стандартным изображением, определенным анализом, и результаты сравнения используются в определении того, является ли трос подходящим для использования, при этом трос содержит волокна по меньшей мере двух типов, где волокно первого типа имеет плотность, которая отличается от плотности волокна второго типа, и, где волокно второго типа состоит из такого же полимерного материала, как волокно первого типа, но имеет материал высокой плотности или низкой плотности.
Настоящее изобретение также предлагает трос, подходящий для использования в способе согласно настоящему изобретению, причем данный трос содержит волокна по меньшей мере двух типов, где волокно первого типа имеет плотность, которая отличается от плотности волокна второго типа, и где волокно второго типа состоит из такого же полимерного материала, как волокно первого типа, но имеет материал высокой плотности или низкой плотности.
Согласно одному варианту осуществления, стандартное изображение и изображение троса в процессе использования производятся из повторяющегося периодического изображения, связанного со структурой троса, и сравнение между двумя изображениями представляет собой меру изменения повторяющегося периодического изображения, связанного со структурой троса, которое вызвано использованием троса. Это можно объяснить следующим образом. По существу, имеются тросы двух различных типов, а именно параллельные тросы, в которых нити располагаются параллельно, и структурированные тросы, в которых образующие тросы нити соединяют, осуществляя плетение, переплетение, скручивание, свивание, вязание или их сочетания, а также другие способы, известные в технике. Согласно этим способам, нити образуют правильные периодические изображения в составе троса, причем точное изображение зависит от конструкции рассматриваемого троса.
После изготовления периодические изображения в составе троса являются регулярными по всей длине троса. В процессе использования периодические изображения в составе троса могут изменяться. Они могут, например, удлиняться при растяжении троса, или они могут становиться нерегулярными вследствие использования троса в блоках или других устройствах. Таким образом, разность между стандартным изображением, которое представляет собой повторяющееся периодическое изображение, связанное со структурой троса, и изображением, которое образуется в тросе в процессе использования, может служить в качестве показателя изменений в тросе и вместе с этим разрушения троса в процессе использования.
Согласно следующему варианту осуществления, изображение не производится непосредственно из конфигурации волокна второго типа в тросе, но производится из выходного сигнала детекторного устройства (например, в результате обработки изображения или импульсного анализа). Этот выходной сигнал может представлять собой, например, чертеж, спектр или вид, произведенный из измеренного сигнала, изменение амплитуды или частоты сигнала, полученное с применением электромагнитного поля или постоянного магнитного поля, рентгеновского или терагерцевого излучения. Это изображение сигнала можно сравнивать с изображением сигнала нового троса. Например, разрыв волокна второго типа прерывает измеряемый сигнал и, таким образом, получается иное изображение, чем изображение нового троса без разрывов. Преимущество данного варианта осуществления заключается в том, что способ согласно настоящему изобретению можно также использовать, чтобы исследовать тросы, содержащие параллельные нити, например так называемые тросы с однонаправленной ориентацией волокон (UD).
Согласно одному варианту осуществления, изображения производятся с использованием просвечивающего рентгеновского излучения. Использование просвечивающего рентгеновского излучения является предпочтительным, в частности, потому что его использование хорошо известно в других применениях, а также представляет собой доступную технологию. Кроме того, изображения, полученные с использованием просвечивающего рентгеновского излучения, могут непосредственно представлять собой повторяющееся периодическое изображение троса. Анализ данных, полученных с использованием просвечивающего рентгеновского излучения, основан на определении различий плотности. Кроме того, пригодность троса для использования в способе согласно настоящему изобретению может быть повышена посредством увеличения разности плотности между волокнами первого и второго типов в составе троса.
Согласно следующему варианту осуществления, изображения получаются методом терагерцевого анализа. В терагерцевом методе неразрушающего исследования используется терагерцевое электромагнитное излучение. Терагерцевому спектральному диапазону частот от 0,1 до 10 терагерц (ТГц) соответствует микроволновое и инфракрасное излучение. Соответствующая длина волны составляет от 3 мм до 30 мкм.
Терагерцевое излучение объединяет в себе преимущества двух прилегающих спектральных диапазонов: высокая проникающая способность и низкая степень рассеяния, с которыми сочетается хорошее пространственное разрешение, представляют собой характерные свойства терагерцевого излучения. В отличие, например, от ультрафиолетового или рентгеновского излучения, терагерцевое излучение не изменяет химическую структуру. Следовательно, оно не является вредным для человека и не представляет риска для здоровья.
Терагерцевый анализ основан на различных степенях поглощения, рассеяния и отражения терагерцевого излучения различными материалами. Кроме того, терагерцевый анализ может быть основан на зависящих от спектральной частоты свойствах различных материалов.
Согласно следующему варианту осуществления, постоянное магнитное поле используется для определения изображения троса. Постоянное магнитное поле производится волокном первого типа, которое содержится в составе троса. Для получения изображения можно использовать множество детекторов магнитного поля в непосредственной близости от троса. Пример такого множества представляет собой круговое расположение детекторов относительно троса. Следующий пример такого множества представляет собой ряд детекторов на протяжении длины троса. Кроме того, возможно любое сочетание этих конфигураций.
Согласно следующему варианту осуществления, для определения изображения используется электромагнитный анализ. Электромагнитный анализ представляет собой неразрушающее исследование с использованием электромагнитного поля в частотном диапазоне от 10 кГц до 5 ГГц. Электромагнитное поле производит передающая катушка в непосредственной близости от троса, причем в некоторых случаях трос может проходить через центр катушки. Электромагнитное поле может также производиться между двумя обкладками конденсатора, между которыми проходит трос. Можно предложить несколько конфигураций для получения информации о состоянии троса с использованием электромагнитного анализа. Следующие варианты осуществления представляют собой неограничительные примеры электромагнитного анализа.
Согласно одному варианту осуществления, катушка, которая создает электромагнитное поле, может представлять собой один из компонентов, которые определяют частоту электромагнитного поля, производимого катушкой. В этом случае на частоту электромагнитного поля влияет состав троса. Согласно второму варианту осуществления, можно использовать устройство для концентрации магнитного потока.
Передающая катушка получает от высокочастотного источника электропитание, которое модулируется по амплитуде низкочастотным сигналом. Катушка располагается перпендикулярно тросу, причем между тросом и катушкой находится датчик, который является чувствительным к электромагнитному полю, например, датчик Холла (Hall) или вторая приемная катушка. В зависимости от близости компонентов троса, которые влияют на электромагнитное поле, воспринимаемое датчиком, напряженность поля увеличивается или уменьшается. Сигнал от приемной катушки можно преобразовывать, используя синхронное детектирование, посредством которого остается только низкочастотный сигнал. В этом случае амплитуда низкочастотного сигнала содержит информацию о состоянии троса.
Согласно следующему варианту осуществления, трос проходит через передающую и приемные катушки. Приемные катушки располагаются по обеим сторонам от передающей катушки. Сигналы от обеих приемных катушек можно использовать отдельно, создавая разностный сигнал для получения информации о состоянии троса.
Согласно следующему варианту осуществления, трос проходит между двумя обкладками конденсатора. В том случае, когда конденсатор представляет собой один из определяющих частоту компонентов, близость компонентов троса, которые влияют на электромагнитное поле, будет воздействовать на производимую частоту. Частота электромагнитного поля будет содержать информацию о состоянии троса.
Анализ с использованием электромагнитного и постоянного магнитного поля согласно настоящему изобретению отличается от способа рассеяния магнитного потока, который широко используется для исследования тросов из стальной проволоки.
В зависимости от природы троса, может оказаться желательным приспособление состава троса, которое делает его особенно подходящим для одного из способов, используемых согласно настоящему изобретению.
Анализ данных, получаемых при воздействии рентгеновского или терагерцевого излучения, постоянного магнитного поля или электромагнитного поля, основан на обнаружении различия между волокном первого типа и волокном второго типа. Для рентгеновского излучения оно представляет собой различие плотности, в то время как для терагерцевого излучения оно представляет собой различие спектров поглощения, рассеяния или отражения; для анализа с использованием постоянного магнитного поля оно представляет собой различие магнитной проницаемости, и для анализа с использованием электромагнитного поля оно представляет собой различие магнитной проницаемости и диэлектрических свойств, в зависимости от конкретной выбранной технологии обнаружения. Кроме того, пригодность троса для использования в способе согласно настоящему изобретению можно улучшать посредством увеличения различий в отношении измеренных характеристик троса. Многие материалы, которые имеют большую или меньшую плотность, чем волокно второго типа, также обладают различными свойствами в отношении поглощения, отражения или рассеяния терагерцевого излучения, электромагнитного и постоянного магнитного поля. Для осуществления этого, трос содержит волокна по меньшей мере двух типов, причем волокно первого типа имеет плотность, которая отличается от плотности волокна второго типа.
В настоящем описании термин «трос» используется в отношении конечного изделия. Термин «волокно» используется, чтобы описывать мельчайший отдельный элемент троса, например полимерное волокно или лента. Термин «шнур» используется, чтобы обозначать продольное объединение волокон, которые соединяются друг с другом, например, посредством скручивания. Термин «нить» используется для обозначения одного и нескольких шнуров, которые вместе с другими нитями объединяются, образуя структурированный трос.
В контексте настоящего описания термин «волокно» означает продольный элемент, у которого максимальный размер (длина) составляет более чем второй по величине размер (ширина) и минимальный размер (толщина). Более конкретно, соотношение между длиной и шириной, как правило, составляет по меньшей мере 10. Максимальное соотношение не имеет значения для настоящего изобретения и зависит от технологических параметров. Соответственно, волокна, используемые согласно настоящему изобретению, включают моноволокна, а также волокна, которые содержат нити (так называемые «многоволоконные нити»), ленты, полоски и другие продольные элементы, имеющие поперечное сечение правильной или неправильной формы.
Существуют разнообразные способы изготовления тросов, содержащих волокна по меньшей мере двух типов, где волокно первого типа имеет плотность, которая отличается от плотности волокна второго типа. Согласно одному варианту осуществления, волокно первого типа присутствует в количестве, составляющем по меньшей мере 60 масс. % троса, и влияет на свойства троса, и волокно второго типа присутствует в количестве, составляющем не более чем 40 масс. % троса, и влияет на возможности определения изображения с использованием рентгеновского излучения, терагерцевого излучения, постоянного магнитного поля или электромагнитного поля. Согласно данному варианту осуществления, волокно второго типа можно рассматривать как «индикаторное волокно».
Следует отметить, что назначение волокна второго типа, которое должно влиять на возможности определения изображения с использованием рентгеновского излучения, терагерцевого излучения, постоянного магнитного поля или электромагнитного поля, не означает, что оно не может или не должно влиять также и на свойства троса. Может оказаться предпочтительным трос, который содержит волокно первого типа в количестве, составляющем по меньшей мере 70 масс. %, в частности, по меньшей мере 80 масс. %. Как правило, в качестве максимального значения можно упомянуть 99,99 масс. %. Согласно некоторым вариантам осуществления волокно второго типа может присутствовать в количестве, составляющем не более чем 30 масс. %, в частности, не более чем 20 масс. %. Как правило, в качестве минимального значения можно упомянуть по меньшей мере 0,01 масс. %. Определение количества индикаторного волокна, подходящего для конкретной ситуации, зависит от ряда параметров. Первый параметр представляет собой количество волокна, которое требуется для обеспечения того, чтобы распределение волокна второго типа в объеме троса было таким, что изменения изображений, полученных с использованием рентгеновского, терагерцевого или электромагнитного анализа, происходящие вследствие волокна второго типа, представляют изменения свойств троса. Чем больше число нитей, тем большее количество волокна может потребоваться для обеспечения того, чтобы волокно можно было ввести в достаточное число нитей для получения подходящего изображения. Для относительно небольшой разности плотности между волокном первого типа и волокном второго типа может также потребоваться большее количество волокна второго типа для обеспечения получения подходящего изображения.
Соответственно, количество индикаторного волокна в тросе зависит от диаметра троса, типа материала высокой плотности или низкой плотности и количества такого материала на волокне. Чем выше плотность материала, тем лучше он обнаруживается, например, с использованием рентгеновского излучения. Возможность обнаружения можно также регулировать, используя одно индикаторное волокно на трос, множество индикаторных волокон в нити троса, нити, полностью состоящие из индикаторных волокон, или даже индикаторные волокна, содержащиеся в нескольких нитях троса.
Индикаторное волокно можно включать в трос разнообразными способами. Согласно одному варианту осуществления, оно включается в нить вместе с волокном первого типа. Согласно следующему варианту осуществления, оно используется как отдельная нить. Трос может включать один или несколько таких нитей.
Трос можно изготавливать, например, осуществляя плетение, сучение, скручивание, свивание нитей, закручивание по спирали, однонаправленное расположение параллельных нитей или любое сочетание этих процессов. Например, скрученные и параллельно уложенные волокна или нити можно объединять в один трос.
Плотность волокна второго типа может быть выше или ниже, чем плотность волокна первого типа. Согласно одному варианту осуществления, плотность волокна второго типа составляет более чем плотность волокна первого типа. Волокно второго типа получается при нанесении на волокно первого типа материала низкой плотности или высокой плотности.
Материал низкой плотности означает материал, который имеет меньшую плотность, чем материал волокна первого типа. Материал высокой плотности означает материал, который имеет более высокую плотность, чем материал волокна первого типа.
3
3
Если, например, волокно первого типа представляет собой арамид, плотность материала высокой плотности составляет более чем 1,4 г/см, и, предпочтительно, материал высокой плотности имеет плотность, составляющую более чем 2 г/см.
3
Если само волокно первого типа имеет пониженную плотность, как, например, полиэтиленовая лента, плотность которой составляет приблизительно 0,8 г/см, материал высокой плотности, нанесенный на волокно первого типа, может иметь меньшую плотность, при том условии что она составляет более чем плотность волокна первого типа.
3
3
3
3
Однако для лучшего обнаружения оказывается предпочтительным, чтобы материал высокой плотности имел плотность, составляющую по меньшей мере 1,5 г/см, предпочтительно, по меньшей мере 1,8 г/см, предпочтительнее, по меньшей мере 2 г/см и, еще предпочтительнее, по меньшей мере 3 или 4 г/см.
Данный вариант осуществления в настоящее время рассматривается как предпочтительный, поскольку считается, что он обеспечивает повышенную способность обнаружения волокна второго типа. Плотность материала низкой плотности или высокой плотности означает плотность материала, который наносится на волокно первого типа, а не плотность волокна второго типа, включающего данный материал.
Согласно одному варианту осуществления, материал низкой плотности наносят на волокно первого типа, чтобы получать волокно второго типа. Это может оказаться особенно предпочтительным для обнаружения с использованием терагерцевого излучения.
Волокно второго типа состоит из такого же полимерного материала, как волокно первого типа, но его покрывает материал высокой плотности или низкой плотности. Когда волокно второго типа состоит из такого же полимерного материала, как волокно первого типа, считается, что поведение волокна второго типа является весьма близким к поведению волокна первого типа. Считается, что в результате этого получается хорошее соответствие между изображением, полученным с использованием рентгеновского излучения, терагерцевого излучения, постоянного магнитного поля или электромагнитного поля, для волокна второго типа троса в процессе использования и повреждением, которому подвергается волокно первого типа в процессе использования троса.
Материал высокой плотности или низкой плотности можно наносить на волокно второго типа, изготовленное из такого же полимерного материала, как волокно первого типа, разнообразными способами. Согласно одному варианту осуществления, материал высокой плотности или низкой плотности прикрепляется к волокну первого типа, например, с использованием клея или в процессе покрытия. Согласно одному варианту осуществления, волокна, шнуры или нити покрываются материалом высокой плотности или низкой плотности. В качестве материала высокой плотности можно наносить металлы и/или их производные или сплавы. Примеры подходящих металлов представляют собой щелочные металлы, щелочноземельные металлы, переходные металлы, лантаниды и актиниды, такие как церий, медь, никель, церий, рубидий, цинк, железо, цирконий, тантал, барий, серебро, золото, платина, титан или иридий. Производные таких металлов включают соли (такие как, например, нитриды, карбиды, сульфаты), мыла, оксиды и металлоорганические комплексы.
Согласно одному варианту осуществления, можно использовать металлы, оксиды металлов или соли металлов. Подходящие металлы, оксиды металлов и соли металлов представляют собой, например, чистый диоксид циркония, стабилизированный диоксид циркония, нитрид циркония, карбид циркония, оксид тантала(V), сульфат бария, йодид серебра, оксид железа(III) или оксид цинка.
3
Оксид цинка (ZnO) представляет собой подходящий материал высокой плотности, его плотность составляет приблизительно 5,6 г/см и значительно превышает плотность арамидного волокна или полиэтиленовой (PE) ленты.
Однако неметаллические материалы, такие как, например, галогены, имеющие более высокую плотность, чем волокно первого типа, можно также использовать в качестве материала высокой плотности. Они включают также производные, такие как соли, в том числе карбоксилаты, оксиды и галогенорганические соединения. Например, соединения йода или брома, такие как, например, йодиды щелочных металлов, йодированные ароматические соединения, йодированные алифатические соединения, йодированные олигомеры, йодированные полимеры, а также смеси и сплавы таких веществ. Можно также использовать любое сочетание различных материалов высокой плотности.
Материалы низкой плотности, которые можно наносить на волокно первого типа, могут представлять собой, например, кофеин или аспирин.
Согласно одному варианту осуществления, на волокно первого типа наносят более чем один материал высокой плотности или низкой плотности. Это означает, что волокно второго типа содержит волокно первого типа и более чем один материал низкой плотности или высокой плотности. Преимущество данного варианта осуществления заключается в том, что одно и то же волокно второго типа можно использовать для анализа различными способами. Согласно следующему варианту осуществления, трос содержит более чем одно волокно второго типа, причем все волокна второго типа покрывают различные материалы низкой плотности или высокой плотности. Кроме того, согласно данному варианту осуществления, один и тот же трос можно подвергать анализу различными способами.
Согласно следующему варианту осуществления, материал высокой плотности или низкой плотности выбирается таким образом, чтобы его можно было обнаруживать путем анализа различными способами. Например, если металл или производное металла наносится на волокно первого типа, этот металл или производное металла может обнаруживать рентгеновский анализ вследствие разности плотности, но также терагерцевый анализ вследствие разности поглощения, рассеяния или отражения между волокном первого типа и металлом или производным металла. Если такой металл или производное металла имеет ферромагнитные или парамагнитные свойства, его можно также обнаруживать, используя электромагнитный анализ, как описано выше, или используя постоянное магнитное поле.
Магнетизм представляет собой класс физических явлений, в которых на магниты действуют силы, создаваемые другими магнитами. Его происхождение составляют электрические токи и основные магнитные моменты элементарных частиц. Они создают магнитное поле, которое действует на другие токи и моменты. Магнитное поле влияет в некоторой степени на все материалы. Наиболее сильное воздействие производится на постоянные магниты, которые имеют постоянные магнитные моменты, создаваемые ферромагнетизмом. У большинства материалов отсутствуют постоянные магнитные моменты. Некоторые из них притягиваются магнитным полем (парамагнетизм); другие отталкиваются магнитным полем (диамагнетизм); третьи проявляют значительно более сложное поведение при воздействии магнитного поля (антиферромагнетизм или ферримагнетизм).
Особенно предпочтительным является вариант осуществления, согласно которому волокна второго типа, содержащие различные материалы высокой или низкой плотности, присутствуют в тросе, или может быть получено различными способами изображение, возникающее вследствие материала высокой или низкой плотности. В таком случае трос, содержащий волокно первого и второго типов, можно подвергать анализу различными описанными способами согласно настоящему изобретению. Например, электромагнитный анализ можно использовать для быстрого исследования, в то время как рентгеновский анализ можно использовать для более подробного исследования троса. В первую очередь, оказывается предпочтительным использование способа, который можно использовать при более высокой скорости непрерывного исследования в оперативном режиме. Это исследование можно осуществлять в процессе использования троса. Затем для более углубленного и подробного исследования можно использовать менее быстрый способ.
Материал, имеющий иную плотность, можно использовать в различных формах, что также зависит от способа нанесения, например, в форме растворов в органических растворителях или в форме водного раствора, или порошка, диспергированного в (отверждаемых) полимерах или расплавах для нанесения покрытия. Согласно одному варианту осуществления, дисперсию материала высокой плотности или низкой плотности в среде, такой как воск или смола, изготавливают и объединяют с воском или смолой второй эмульсии. Эмульсию и дисперсию можно затем объединять, получая в результате композиции, имеющие различные концентрации материала высокой или низкой плотности, которые затем наносят на волокно первого типа для получения волокна второго типа.
Для нанесения на волокна материала высокой или низкой плотности или композиции, содержащей вышеупомянутый материал, подходящим является каждый способ, посредством которого на волокна можно наносить желательное количество твердого материала.
Материал различной плотности можно наносить на волокно первого типа, используя ряд способов, включая, без ограничения, приклеивание, покрытие, нанесение поверхностного слоя, распыление или ламинирование, которое является особенно предпочтительным для лент.
Например, материал или композицию можно наносить в течение процесса изготовления волокон, используя сопло, аппликатор или валик для нанесения покрытия, после промывания и перед высушиванием, а затем волокна высушивают и сматывают. Нанесение покрытия с помощью валика означает, что вращающийся валик частично погружается в ванну, в которой находится материал повышенной или пониженной плотности, например, в форме водного раствора. Образуется пленка на части валика, выступающей из ванны. Волокна приводятся в контакт с пленкой, и в результате этого она наносится на них.
Кроме того, нанесение материала или композиции можно также осуществлять в процессе, происходящем после изготовления волокон. Для этой цели волокна можно, например, сматывать с рулона и приводить в контакт с материалом или композицией. Также можно наносить покрытие, осуществляя последовательно две или более стадий, где, например, первая стадия происходит в течение процесса изготовления волокон после промывания и перед высушиванием, и вторая стадия происходит в процессе после изготовления волокон.
Трос, подходящий для использования в способе согласно настоящему изобретению, содержит синтетические волокна. Для использования в тросе и способе согласно настоящему изобретению являются подходящими известные в технике высокопрочные полимерные волокна, такие как, например, волокна, содержащие полиамиды, полиарилаты, сложные полиэфиры, углерод, полиакрилонитрил (PAN, в том числе стабилизированный PAN), полибензазолы (в том числе полибензоксазолы и полибензотиазолы в форме гомополимеров и сополимеров), полипропилен, арамид и полиэтилен. Тросы можно также изготавливать, используя сочетание таких волокон, получая смешанные тросы, содержащие синтетические полимеры различных типов. Согласно одному варианту осуществления, используются арамидные волокна, т.е. пара-арамидные или мета-арамидные волокна, предпочтительно пара-арамидные волокна. Мета-арамид представляет собой краткое наименование мета-связанных ароматических полиамидов, таких как поли(м-фениленизофталамид). Пара-арамид представляет собой краткое наименование пара-ориентированных ароматических полиамидов, которые являются полимерными продуктами конденсации пара-ориентированного ароматического диамина и пара-ориентированного галогенангидрида ароматической дикарбоновой кислоты. В качестве типичных пара-арамидов упоминаются арамиды, у которых структуры имеют поли-пара-ориентированную форму или близкую к ней форму, такие как поли(парафенилентерефталамид), поли(4,4'-бензанилидтерефталамид), амид поли(парафенилен-4,4'-бифенилендикарбоновой кислота) и амид поли(парафенилен-2,6-нафталиндикарбоновой кислоты) или амид сополи(парафенилен/3,4'-оксидифенилентерефталевой кислоты). Поли(парафенилентерефталамид), также обозначаемый PPTA, может оказаться предпочтительным для использования. Пара-арамидные волокна имеются в продаже, в частности, под торговыми наименованиями Twaron и Technora; мета-арамидные волокна имеются в продаже, в частности, под торговым наименованием Teijinconex.
Согласно следующему варианту осуществления, полиэтилен используется в качестве волокна первого типа для способа или троса. Полиэтилен согласно настоящему изобретению включает гомополимеры этилена и сополимеры этилена и сомономера, который представляет собой другой альфа-олефин или циклический олефин, как правило, содержащий в каждом случае от 3 до 20 атомов углерода. Примеры включают пропен, 1-бутен, 1-пентен, 1-гексен, 1-гептен, 1-октен, циклогексен и т.д. Также является возможным использование диенов, содержащих до 20 атомов углерода, например, таких как бутадиен, 1,4-гексадиен или дициклопентадиен. Количество не представляющего собой этилен альфа-олефина в гомополимере или сополимере этилена, который используется в способе согласно настоящему изобретению, составляет, предпочтительно, не более чем 10 мол. %, предпочтительнее, не более чем 5 мол. % и, еще предпочтительнее, не более чем 1 мол. %. Если используется не представляющий собой этилен альфа-олефин, как правило, он присутствует в количестве, составляющем по меньшей мере 0,001 мол. %, в частности, по меньшей мере 0,01 мол. %, более конкретно, по меньшей мере 0,1 мол. %. Очевидно, это означает, что в тех случаях, где этилен упоминается в качестве мономера, этот мономер может также содержать не представляющий собой этилен альфа-олефин мономер или циклический олефин мономер в количестве, составляющем не более чем 10 мол. %, предпочтительно, не более чем 5 мол. % и, предпочтительнее, не более чем 1 мол. % по отношению к суммарному количеству мономеров. Предпочтительно, используется сверхвысокомолекулярный полиэтилен (UHMWPE). UHMWPE означает, что средняя молекулярная масса полиэтилена составляет более чем 500000 г/моль.
Хорошо известен способ, которым можно производить из полиэтилена обрабатываемые в твердом состоянии ленты. Например, EP 2385963 описан способ изготовления пленок и лент из полиэтилена. Такие ленты можно дополнительно обрабатывать, получая волокна или фибриллированные ленты, как описано, например, в EP 2300644. Полиэтиленовые ленты или волокна можно использовать в способе и тросе согласно настоящему изобретению в качестве волокна первого типа, которое впоследствии покрывает материал иной плотности, образуя волокно второго типа.
В зависимости от синтетического волокна, используемого в тросе, можно изменять способ анализа, чтобы получать оптимальные результаты. Например, когда используется терагерцевое излучение, оказывается предпочтительным использование терагерцевого излучения, имеющего такую длину волны или частоту, при которой это излучение не отражается, не рассеивается и не поглощается синтетическим волокном троса, т.е. волокном первого типа, но отражается, поглощается или рассеивается волокном второго типа. Для арамида это означает, что наиболее подходящим является излучение в диапазоне от 0,1 до 1 ТГц, причем в случае полиэтилена оптимальный диапазон составляет от 0,1 до 10 ТГц.
Варианты волокон первого и второго типов, описанных для способа согласно настоящему изобретению, которые были описаны выше, являются применимыми также для волокон первого и второго типов, которые содержатся в тросе согласно настоящему изобретению.
Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, трос содержит материал высокой плотности, который содержит металл и/или его производное или сплав, предпочтительно, медь, никель, церий, рубидий, цинк, железо, цирконий, тантал, барий, серебро, золото, платину, титан, медь, никель или иридий, предпочтительнее, цинк.
Согласно следующему варианту осуществления настоящего изобретения, трос содержит волокно первого и второго типов, причем волокно первого типа присутствует в количестве, составляющем по меньшей мере 60 масс. % троса, и влияет на свойства троса, и при этом волокно второго типа присутствует в количестве, составляющем не более чем 40 масс. % троса, и влияет на возможности определения изображения.
Согласно следующему варианту осуществления настоящего изобретения, распределение волокна второго типа в объеме троса является таким, что изменения изображения, определяемого с использованием рентгеновского излучения, терагерцевого излучения, постоянного магнитного поля или электромагнитного поля, происходящие вследствие волокна второго типа, представляют изменения свойств троса.
Если это желательно, трос согласно настоящему изобретению или используемые в нем нити может окружать, например, покров, рубашка, рукав, обертка, связующая лента или полимерное покрытие, чтобы защищать трос от воздействия окружающей среды или придавать тросу механическую защиту.
Способ и трос согласно настоящему изобретению можно использовать в многочисленных применениях. Они являются особенно подходящими для тех применений, где на тросы воздействует усталость при растяжении-сжатии и усталость при изгибе, например, в горных работах или морских нефтегазодобывающих работах, например, когда они применяются как швартовы, буксиры, кермаки, а также в подъемных и установочных устройствах.
Следующие примеры и чертежи описывают настоящее изобретение более подробно, но не ограничивают объем настоящего изобретения.
Фиг. 1 представляет оптическое (верхний чертеж) и рентгенофлуоресцентное (XRF) изображение (нижний чертеж) скрученного пучка арамидных волокон, содержащих волокно, покрытое содержащей ZnO композицией.
Фиг. 2 представляет рентгеновское дифференциальное фазовое контрастное изображение (поглощение) троса, содержащего пучки арамидных волокон и пучок арамидных волокон, покрытый содержащей ZnO композицией.
Фиг. 3 представляет оптические (чертежи 1 и 3) и рентгенофлуоресцентные изображения (чертежи 2 и 4) пучков лент UHMWPE, содержащих ленты UHMWPE, покрытые содержащей ZnO композицией. Чертежи 1 и 2 представляют фибриллированные ленты, в то время как чертежи 2 и 4 представляют ленты шириной 2 мм.
Пример 1. Рентгеновское исследование пучков арамидных волокон
Для рентгеновского исследования изготавливали индикаторные волокна, т.е. волокна второго типа, имеющие покрытие из материалов высокой плотности. В этом случае индикаторное волокно представляет собой арамидное волокно, покрытое материалом высокой плотности. Покровную композицию изготавливали, используя первую эмульсию, содержащую воск, и вторую дисперсию ZnO. Первая эмульсия представляла собой содержащую 35 масс. % воска эмульсию, поставляемую на продажу под наименованием Aquacer 1547 компанией BYK CERA. Вторая дисперсия представляла собой содержащую 34 масс. % ZnO дисперсию, поставляемую на продажу под наименованием PI VP Disp ZnO 20 DW компанией Evonik. Первую эмульсию и вторую дисперсию смешивали друг с другом при различных концентрациях (8,16 и 24 масс. % по отношению к массе композиции) ZnO в качестве материала высокой плотности в композиции. Композицию доводили до суммарного содержания твердой фазы, составляющего 32 масс. %.
Описанную выше композицию наносили на волокна Twaron 1000 (1680 дтекс/1000) волокон), используя устройство для нанесения жидкостей. Композицию наносили на волокна в количестве, составляющем 12 масс. % по отношению к массе волокон, что соответствовало концентрации ZnO, составляющей 3, 6 и 9 масс. % по отношению к массе волокон, соответственно.
Немедленно после нанесения композиции волокно высушивали в печи при 160°C в течение приблизительно 10 секунд.
Это «индикаторное волокно» затем исследовали в отношении возможности его обнаружения с помощью рентгеновского излучения. Для этой цели изготавливали пучок, содержащий одно индикаторное волокно и 20 необработанных арамидных волокон такого же типа. Этот пучок скручивали, чтобы получить периодическую структуру пучка, образующую периодический рисунок в конструкции троса. Пучок волокон помещали в держатель для образцов рентгенофлуоресцентного прибора (XRF). Рентгеновская флуоресценция широко используется для элементного анализа и химического анализа, в частности, для обнаружения металлов. Сканирование пучка волокон в определенной области дает изображения пучка и положение индикаторного волокна. Такое изображение с использованием индикаторного волокна, содержащего ZnO, представлено на фиг. 1 на нижнем чертеже (представленный образец содержит на волокне 9 масс. % ZnO). На верхнем чертеже представлено оптическое изображение того же пучка волокон.
Пример 2. Рентгеновское дифференциальное фазовое контрастное изображение арамидного троса
Содержащее ZnO индикаторное волокно из примера 1 использовали для изготовления арамидного троса диаметром 10 мм. Трос состоит из 12 скрученных нитей, и каждая нить содержит по 32 волокна. Одна нить, содержащая 32 волокна, состоит только из индикаторных волокон. Образец троса затем сканировали, используя технологию рентгеновского дифференциального фазового контрастного изображения (XPCI). Для измерения использовали следующие параметры: напряжение рентгеновской трубки 40 кВ; ток рентгеновской трубки 22,5 мА; размер пикселя 45 мкм; время облучения 1,5 минуты на изображение; расстояние между источником и детектором около 1,4 м. Изображение образцов троса, включающего содержащее ZnO индикаторное волокно, полученное методом XPCI в режиме поглощения, представлено на фиг. 2 (представленный образец содержит на нити 9 масс. % ZnO).
Как четко показывают эти изображения, рисунок индикаторного волокна хорошо обнаруживается. Это также означает, что из данных изображений может быть также получена информация об отклонениях пространственной фазы между нитями. Данную информацию можно использовать, чтобы оценивать состояние (например, обрывы и удлинение) троса.
Покрытое индикаторное волокно и непокрытое волокно исследовали в отношении их механических свойств. Оба образца исследовали, используя стандартный прибор для исследований при растяжении согласно стандарту ASTM-D7269-07 «Стандартные методы исследования при растяжении арамидных нитей» в следующих условиях: частота сканирования 50 Гц, предварительное натяжение 20 мН/текс, скорость зажимов 250 мм/мин, базовая длина 500 мм.
Результаты представлены в таблице 1. Эти результаты показывают, что свойства волокна первого типа (в данном случае Twaron 1000) и индикаторного волокна (в данном случае Twaron 1000 с ZnO) отличаются лишь незначительно. Таким образом, их механические свойства являются близкими, и ожидается, что индикаторное волокно (волокно второго типа) должно быть хорошим индикатором состояния волокна первого типа.
Таблица 1
Сравнение механических свойств волокна первого типа (непокрытое волокно Twaron 1000) и волокна второго типа (индикаторное волокно, покрытое материалом высокой плотности, ZnO)
Механические характеристики
Twaron 1000
Покрытое ZnO индикаторное
волокно на основе Twaron 1000
Прочность при разрыве [Н]
375
381
Удельная прочность при разрыве [мН/текс]
2187
1988
Модуль упругости [ГПа]
53
45
Удлинение при разрыве [%]
3,5
3,7
Ударная прочность при изломе [Дж/г]
36
34
Пример 3. Рентгеновское исследование тросов из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (UHMWPE)
Таким же образом, как описано в примерах 1 и 2, содержащие материалы высокой плотности композиции наносили на образцы UHMWPE. Для этой цели использовали ленты UHMWPE (Endumax от компании Teijin Aramid). Эксперименты осуществляли, используя стандартные ленты шириной 2 мм, а также фибриллированные ленты из полиэтилена (PE).
Композицию изготавливали из первой эмульсии, содержащей среду из блок-сополимера стирола и изопрена, и второй дисперсии ZnO. Первая эмульсия представляла собой содержащую 36 масс. % твердых веществ эмульсию, которую поставляет на продажу под наименованием Tecpol KW 2401/20 компания Trub Emulsions. Вторая дисперсия представляла собой содержащую 34 масс. % ZnO дисперсию, поставляемую на продажу под наименованием PI VP Disp 20 DW компанией Evonik. Первую эмульсию и вторую дисперсию смешивали друг с другом при различных концентрациях (8, 16 и 24 масс. % по отношению к массе композиции) ZnO в композиции. Композицию доводили до суммарного содержания твердой фазы, составляющего 32 масс. %.
Аналогичным способом, как в случае волокон, композицию наносили на ленты UHMWPE и фибриллированные ленты. Для рентгенофлуоресцентных измерений, как упомянуто в случае арамидных волокон, одну индикаторную ленту вводили в пучок вместе с 20 непокрытыми полиэтиленовыми лентами. Это осуществляли отдельно для лент и фибриллированных лент. Пучок затем скручивали, чтобы получать периодическое изображение индикаторного волокна в структуре пучка. Пучки исследовали с использованием рентгенофлуоресцентного изображения. Фиг. 3 представляет изображения пучков UHMWPE, содержащих одно индикаторное волокно/ленту (представленный образец содержит 24 масс. % ZnO в покровной композиции). На первом и третьем чертежах представлены оптические изображения пучков, а на втором и четвертом чертежах представлены рентгенофлуоресцентные изображения пучков. Первый и второй чертежи представляют результаты для фибриллированных лент (компиляция множества изображений), а третий и четвертый чертежи представляют результаты для лент (компиляция множества изображений). Эти результаты показывают, что индикаторное волокно можно отличать от непокрытых волокон, и рентгенофлуоресцентное изображение представляет хорошо наблюдаемый рисунок. Таким способом можно обнаруживать обрывы или другие дефекты индикаторного волокна.