МНОГОСЛОЙНАЯ ТРУБА С ТРУБОЙ-СЕРДЦЕВИНОЙ ИЗ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА
MULTILAYER PIPE WITH PIPE CORE FROM ALUMINIUM ALLOY

Область изобретения
Изобретение относится к многослойной трубе, включающей трубу из алюминиевого сплава, предпочтительно изготовленную из согнутого в трубу листа алюминиевого сплава, причем эта труба имеет внутреннюю поверхность и внешнюю поверхность, первый полимерный слой, связанный с внешней поверхностью, и, необязательно, второй полимерный слой, связанный с внутренней поверхностью. Кроме того, изобретение касается применения алюминиевого сплава в многослойных трубах.
Предпосылки изобретения
Далее, если не оговорено особо, обозначения сплавов и обозначения состояний поставки приведены в соответствии с обозначениями Алюминиевой ассоциации (Aluminum Association), указанными в Aluminum Standards and Data и Registration Records, опубликованными Алюминиевой ассоциацией в 2009 г., которые хорошо известны и понятны специалистам в области алюминиевых сплавов.
При отсутствии иных указаний, все процентные содержания при любом описании составов сплавов или предпочтительных составов сплавов приведены в весовых процентах.
Многослойные трубы, часто обозначаемые сокращением МСТ и называемые также «металлопластиковыми», состоящие из совместно экструдированных полимерных материалов, в частности, полиэтиленовых или полипропиленовых труб, связанных адгезивами с металлической сердцевиной, нашли широкое применение в строительной промышленности, например, в качестве канализационных труб, труб отопления, газораспределительных труб и т.д., а также в других отраслях промышленности, таких как фармацевтическая, химическая и пищевая промышленность. По сравнению с трубами, полностью изготовленными из пластмассы, многослойные трубы, имеющие слой сердцевины из алюминиевого сплава, непроницаемы для кислорода и имеют более высокую прочность и термостойкость, а также низкий коэффициент расширения. Такие многослойные трубы являются гибкими и легко устанавливаются, поскольку они могут быть согнуты и обрезаны до желаемой длины на месте. Они также являются более предпочтительными, чем трубы, изготовленные только из металла, поскольку пластмассовые внутренние и наружные слои улучшают коррозионную стойкость и служат в качестве шумового барьера. Они также уменьшают вес и имеют лучшую формуемость.
Такие многослойные трубы имеют наружный слой из полимерного материала, внутренний слой из полимерного материала и алюминиевый слой сердцевины в виде трубы для улучшения механической прочности и увеличения срока службы. Внутренний и наружный слои из полимерного материала связаны с алюминиевым слоем сердцевины посредством соответственно наружного и внутреннего адгезионного слоя.
Одним из наиболее критических свойств многослойных труб, используемых по обычным назначениям в отоплении и канализации, является стойкость к постоянному и длительно поддерживаемому внутреннему давлению при повышенных температурах. Такое сопротивление обычно испытывают при стандартизованных испытаниях на внутреннее давление согласно ASTM-F1281, ASTM-F1282 или DVGW-W542, во время которых трубу выдерживают при давлении 30 бар и температуре 95°С до тех пор, пока труба не разрушится. Исходя из периода времени до разрушения, можно экстраполировать ожидаемый срок службы трубы в условиях, встречающихся, например, в канализационной системе здания, например, при температуре 70°С и давлении 20 бар. Высокая стойкость к длительно поддерживаемому внутреннему давлению является особенно важной в том случае, если металлический слой сердцевины должен быть как можно более тонким, а также для труб с большими диаметрами.
Алюминиевыми сплавами, используемыми в настоящее время в качестве слоя сердцевины в многослойных трубопроводах, являются алюминиевые сплавы серий АА3003 и АА3005.
Алюминиевый сплав серии АА3003 имеет следующий химический состав, вес.%:
Si<0,6
Fe<0,7
Cu от 0,05 до 0,20
Mn от 1,0 до 1,5
Zn<0,10,
примеси <0,05 каждой, всего <0,15,
остальное - алюминий.
Данный алюминиевый сплав ранее использовали в многослойных трубах, потому что он относительно недорог и имеет достаточную прочность. Однако, как показывают испытания на длительно поддерживаемое давление, он не обладает хорошими рабочими характеристиками.
В патентном документе WO-2008/057608-A1 описаны изделие из алюминиевого сплава и многослойная труба, стенка которой изготовлена из упомянутого алюминиевого сплава, содержащего, вес.%:
Si от 0,2 до 1,4
Fe+Mn от 1,1 до 1,8
Cu от 0,15 до 0,5
Mg< 0,20
Ti<0,20
Zn<1,5
и другие примеси или случайные элементы <0,05 каждого, всего <0,2,
а остальное - алюминий.
Этот алюминиевый сплав имеет повышенную стойкость к длительно поддерживаемому давлению при испытании на ползучесть согласно ASTM-F1281 после более чем 100 часов при 95°С и внутреннем давлении 30 бар по сравнению со сплавами серий АА3003 и АА8006.
Существует потребность в многослойных трубах с сердцевиной из алюминиевого сплава, обладающих еще более лучшими свойствами ползучести, в частности стойкостью к постоянному и длительно поддерживаемому внутреннему давлению, в идеале при повышенной температуре.
Описание изобретения
Задачей настоящего изобретения является разработка многослойной трубы, включающей трубу из алюминиевого сплава с внутренней поверхностью и внешней поверхностью, первый полимерный слой, связанный с внешней поверхностью, и обладающей улучшенными свойствами ползучести. Другой задачей является разработка многослойной трубы, включающей трубу из алюминиевого сплава с внутренней поверхностью и внешней поверхностью, первый полимерный слой, связанный с внешней поверхностью, и при этом алюминиевый сплав обладает улучшенной стойкостью к длительно поддерживаемому внутреннему давлению по сравнению с традиционными алюминиевыми сплавами, используемыми в многослойных трубах.
Эти и другие задачи, и дополнительные преимущества решаются или достигаются настоящим изобретением, в котором предложена многослойная труба, включающая металлическую трубу с внутренней поверхностью и внешней поверхностью, первый полимерный слой, связанный с внешней поверхностью, и при этом металлическая труба изготовлена из алюминиевого сплава, содержащего, вес.%:
Si от 1,5 до 2,45
Fe от 0,5 до 1,2
Mn от 0,5 до 1,2
Cu от 0,3 до 1
Mg от 0,04 до 0,3
Ti<0,25
Zn<1,2
и другие примеси или случайные элементы <0,05 каждого, включая Cr<0,05 и Zr<0,05, всего <0,25, а остальное - алюминий.
Такой алюминиевый сплав продемонстрировал очень хорошее сопротивление ползучести, благодаря чему стойкость к длительно поддерживаемому внутреннему давлению существенно повышена. Это улучшенное свойство делает алюминиевый сплав идеальным кандидатом на применение в качестве металлической трубы в гибких многослойных трубах.
Предполагается, что улучшенные свойства являются результатом оптимизированного химического состава сплава, в частности высокого содержания Si в сочетании с добавками Cu и Mg.
Содержание Si должно составлять в диапазоне от 1,5% до 2,4 5%. Предпочтительный нижний предел содержания Si составляет примерно 1,7%, а более предпочтительно примерно 1,8 5%. Слишком низкое содержание Si оказывает отрицательное влияние на чувствительность к растрескиванию в горячем состоянии во время сварки алюминиевого сплава, в частности, при относительно высоком содержании Fe в алюминиевом сплаве. Слишком высокое содержание Si ухудшает механические свойства, в частности относительное удлинение в О-состоянии поставки и формуемость сварного шва. Предпочтительный верхний предел содержания Si составляет 2,4%, а наиболее предпочтительный - примерно 2,25%.
Добавка Cu является существенным легирующим элементом в данном алюминиевом сплаве. Было продемонстрировано, что добавка 0,3% Cu в сочетании с добавкой Mg оказывает существенное влияние на сопротивление ползучести. Было установлено, что добавка Cu также оказывает положительное влияние на свариваемость алюминиевого сплава. Нижний предел содержания Cu предпочтительно составляет 0,4%, а более предпочтительно 0,5%. Слишком высокое содержание Cu оказывает отрицательное влияние на механические свойства и поэтому должно быть ограничено до 1%, предпочтительно до примерно 0,9%. Повышенное содержание Cu обеспечивает повышенное сопротивление ползучести, однако слишком высокое содержание Cu оказывает отрицательное влияние на стойкость к точечной коррозии.
Было установлено, что добавка некоторого количества Mg в сочетании с Cu оказывает существенное влияние на сопротивление ползучести. Должно быть введено, по меньшей мере, 0,04% Mg, а более предпочтительно по меньшей мере, 0,05%. Содержание Mg должно быть ограничено до 0,3%, а предпочтительно до примерно 0,2%.
Предпочтительно, суммарное содержание Fe и Mn также поддерживают относительно высоким, а именно, по меньшей мере 1,4%, но не слишком высоким для того, чтобы избежать преждевременной кристаллизации крупных частиц во время литья, поэтому суммарное содержание Fe и Mn должно быть ограничено 2,3%. В том случае, если трубу изготавливают, используя методы литья с относительно низкими скоростями охлаждения, например, литье с прямым охлаждением (DC-casting) по сравнению с ленточным литьем, предпочтительно, чтобы суммарное содержание Fe и Mn не превышало 1,95% для того, чтобы избежать образования крупных интерметаллических соединений. Точное содержание Fe и Mn подбирают, исходя из требований к формуемости, коррозионной стойкости и свариваемости при конкретном применении.
Ti может быть введен в изделие из сплава наряду с прочими в целях измельчения зерен во время литья заготовки сплава. Добавка Ti не должна превышать примерно 0,25%. Предпочтительный нижний предел добавки Ti составляет 0,01%. Ti может быть введен как таковой либо вместе с бором или углеродом, служащих в качестве присадки для литья с целью регулирования размера зерен. Ti может быть также введен для улучшения прочности и коррозионной стойкости, и с данной целью предпочтительно присутствует в количестве примерно от 0,06% до 0,25%, а более предпочтительно примерно от 0,07% до 0,18%.
Zn может быть допустимым до значительного уровня, не оказывая отрицательного влияния на улучшенное сопротивление ползучести, обнаруженное согласно данному изобретению. Настоящим изобретением установлен верхний предел Zn в 1,2%, предпочтительно примерно 0,5%, а более предпочтительно примерно 0,3%.
Zr предпочтительно не вводят в алюминиевый сплав по изобретению, но он присутствует в качестве неизбежного примесного элемента на уровне <0,05%, а более предпочтительно <0,02%. Таким образом, предпочтительно алюминиевый сплав может быть по существу свободен от Zr.
Cr предпочтительно не вводят в алюминиевый сплав по изобретению, но он присутствует в качестве неизбежного примесного элемента на уровне <0,05%, а более предпочтительно <0,02%. Таким образом, предпочтительно алюминиевый сплав может быть по существу свободен от Cr.
Остальное в алюминиевом сплаве составляют алюминий и обычные и/или неизбежные случайные элементы и примеси. Как правило, такие случайные элементы или примеси присутствуют на уровне <0,05% каждый, в целом <0,25%.
В предпочтительном варианте осуществления металлическая труба изготовлена из алюминиевого сплава, состоящего из, вес.%:
Si от 1,5 до 2,45%, предпочтительно от 1,85 до 2,25%,
Fe от 0,5 до 1,2%,
Mn от 0,5 до 1,2%,
Cu от 0,3 до 1%, предпочтительно от 0,4 до 1%,
Mg от 0,04 до 0,3%, предпочтительно от 0,05 до 0,2%,
Ti<0,25%, предпочтительно от 0,01 до 0,25%,
Zn<1,2, предпочтительно <0,5%,
и другие примеси или случайные элементы <0,05 каждого, всего <0,25,
а остальное - алюминий.
В предпочтительном варианте осуществления многослойная труба включает металлическую трубу с внутренней поверхностью и внешней поверхностью, первый полимерный слой, связанный с внешней поверхностью, и второй полимерный слой, связанный с внутренней поверхностью.
Первый и второй полимерные слои предпочтительно изготовлены из полиэтилена (ПЭ), полипропилена или сшитого полиэтилена (СПЭ). Могут быть также использованы и любые другие имеющиеся в продаже пластмассы, подходящие для изготовления гибких трубопроводов.
Диапазон толщины металлической трубы из алюминиевого сплава обычно составляет примерно от 0,1 до 1 мм, а предпочтительно примерно от 0,15 до 0,6 мм, с целью повышения гибкости МСТ.
В целях настоящего изобретения металлическая труба из алюминиевого сплава предпочтительно лишена каких-либо металлических слоев; такой(ие) металлический(е) слой(и) обычно используют, среди прочего, в листах для пайки твердым припоем с целью улучшения коррозионных характеристик за счет обеспечения протекторной защиты сплаву сердцевины и/или обеспечения присадочного металла, обычно AlSi-го сплава, для операции пайки твердым припоем.
Металлическую трубу из алюминиевого сплава в идеале вначале получают в виде листового проката, который затем сгибают в форме трубы, после чего сваривают по шву. Например, металлическая труба может быть сварена внахлестку или встык. Сварка может быть осуществлена различными методами сварки, включая ультразвуковую сварку, сварку вольфрамовым электродом в инертном газе (TIG) и лазерную сварку.
Металлическая труба из алюминиевого сплава, используемая согласно настоящему изобретению, может быть получена литьем слитка, например литьем DC, литьем EMC, литьем EMS, а также слябов или слитков, получаемых в результате непрерывного литья, например, могут быть также использованы ленточные установки для литья или роликовые установки для литья; гомогенизацией и/или подогревом слитка после литья, горячей прокаткой слитка, холодной прокаткой до конечной толщины, отжигом холоднокатаного изделия при температуре примерно от 250°С до 550°С, предпочтительно при температуре примерно от 300°С до 400°С; необязательно, растяжением и/или старением готового изделия.
С целью улучшения формуемости алюминиевого сплава, необходимой для придания листовому прокату формы трубы, предпочтительно, чтобы изделие из алюминиевого сплава имело перекристаллизованную микроструктуру.
Многослойная труба согласно настоящему изобретению предпочтительно представляет собой канализационную трубу или трубу отопления для зданий, таких как, например, жилые дома и офисные здания. При таком использовании многослойная труба может быть согнута, поэтому она является гибкой и имеет длину несколько метров, например, примерно от 4 до 50 метров или более в длину.
Другой аспект настоящего изобретения касается применения или способа применения описанного здесь изделия из алюминиевого сплава в качестве трубного материала для гибкой многослойной трубы, включающей алюминиевый сплав в качестве металлической трубы с внутренней поверхностью и внешней поверхностью, первый полимерный слой, связанный с внешней поверхностью, и, предпочтительно, второй полимерный слой, связанный с внутренней поверхностью.
Далее настоящее изобретение будет пояснено с помощью нижеследующего неограничивающего примера.
Пример
Было получено четыре алюминиевых сплава, имеющих химический состав, показанный в таблице 1. Сплавы №1 и 2 представляют собой коммерчески доступные алюминиевые сплавы, используемые для изготовления многослойных труб, при этом сплав №1 находится в пределах состава АА3003, а сплав №2 находится в пределах диапазонов, описанных в Международной заявке на патент WO-2008/057608. Сплав №4 представляет собой сплав согласно настоящему изобретению, в то время как не содержащий Mg сравнительный сплав №3 иллюстрирует влияние добавки Mg в сплаве №4 согласно изобретению и имеет намеренные добавки Cu и высокое содержание Si.
Все алюминиевые сплавы были обработаны для достижения оптимальных механических свойств и характеристик ползучести. Схема обработки включала литье, гомогенизацию/подогрев, горячую прокатку, холодную прокатку, отжиг до О-состояния поставки. Совместную гомогенизацию и подогрев осуществляли в течение 6 часов при 560°C, а затем в течение еще 4 часов при 500°C. Горячую прокатку осуществляли до толщины 3 мм с последующей холодной прокаткой до толщины 0,25 мм. Конечный отжиг осуществляли в течение 10 часов при 350°C.
Все составы алюминиевых сплавов приведены в вес.%, остальное составляют алюминий и неизбежные примеси
Таблица 1
Сплав
Легирующий элемент, вес.%
Si
Fe
Mn
Cu
Mg
Ti
1
0,2
0, 55
1,1
0,18
-
-
2
0,35
1,3
0,4
0,25
0,08
0,1
3
2,0
0,9
0,85
0,6
-
0,1
4
2,1
0,9
0,85
0,6
0,08
0,1
Механические свойства отожженных изделий из сплава при конечной толщине перечислены в таблице 2. Данные, приведенные в таблице 2, показывают, что предел текучести (YS) сплавов №3 и 4 на примерно 15-25 МПа выше, чем у коммерчески доступных изделий, представленных сплавами №1 и 2. Относительное удлинение несколько ниже, но все-таки находится на приемлемом уровне для применения в многослойных трубопроводах.
Другим важным свойством, приведенным в таблице 2, является долговечность при ползучести. Долговечность при ползучести определяют как ожидаемое время, необходимое алюминиевому сплаву для удлинения или деформации на 30% при условиях испытания на ползучесть при повышенной температуре. Условия испытания на ползучесть в данном примере заключаются в том, что образец подвергают воздействию длительно поддерживаемого напряжения в 85 МПа при температуре 95°С. Такие условия испытания имитируют обычные условия использования многослойных трубопроводов, и результат является показателем ожидаемого срока службы трубы.
Из сравнения сплавов №3 и 4 можно видеть, что долговечность при ползучести может быть увеличена на примерно три порядка величины за счет введения относительно небольшого количества Mg в состав сплава согласно настоящему изобретению.
Такое улучшение также проиллюстрировано на фиг.1, показывающей развитие деформации во время испытания на ползучесть. Через примерно 72 часа сплав №3 достиг деформации в примерно 9%, в то время как сплав № 4 достиг деформации всего лишь 0,2%.
Сплав № 4 по сравнению со сплавом №2 обеспечивает улучшенные характеристики долговечности при ползучести в сочетании с улучшенными механическими свойствами.
Такие улучшенные механические свойства, хорошая формуемость и высокая ожидаемая долговечность при ползучести делают алюминиевый сплав согласно изобретению идеальным кандидатом на применение в гибких многослойных трубах.
<b>Таблица 2</b>
<b>Механические свойства и долговечность при ползучести</b>
Сплав
Свойство
YS[МПа]
UTS[МПа]
A50[%]
Долговечность при ползучести [часы]
1
50
122
29
1244
2
52
120
29
26882
3
67
153
22
397
4
75
176
23
112082
После ознакомления с полным текстом описания изобретения рядовому специалисту в данной области техники будет понятно, что может быть проделано множество изменений и модификаций без отклонения от сущности или объема описанного здесь изобретения.