Многослойная металлополимерная труба

Полезная модель относится к трубопроводной технике, в частности, к многослойным трубам для транспортировки жидких сред, и может применяться в системах водоснабжения, канализации, в частности, в системах хозяйственного и хозяйственно-питьевого холодного водоснабжения, горячего водоснабжения, радиаторного отопления, водяного напольного отопления, водяного настенного безрадиаторного отопления, обвязки вентиляционных водяных калориферов и тепловых завес, обогрева открытых площадок с применением антифриза, полива и почвенного подогрева в теплицах, парниках, зимних садах, оранжереях, технологических трубопроводов для пищевых и непищевых продуктов.
Из уровня техники известна многослойная металлопластиковая труба по патенту RU 120182, опубликованному 10.09.2012, включающая слой металла, соединенного с внутренним и внешним слоями из полимера с помощью слоев адгезива, отличающаяся тем, что внешний слой выполнен из полимера, экструдированного совместно с концентратом антибактериальной добавки неорганического вещества.
Недостатками данной трубы является: низкая надежность трубы вследствие низкого сцепления металлического и полимерных слоев, расслоения трубы при использовании обычных адгезивов и при сгибании трубы, ускоренной деструкции полимерных слоев, в результате чего труба имеет небольшой срок эксплуатации.
Известна многослойная нанокомпозитная металлополимерная труба, по патенту RU 88311, опубликованному 10.11.2009, содержащая не менее чем один слой металла, слои адгезива и слои полимера, в которой слой металла выполнен из фольги - из алюминия или его сплавов, из меди или ее сплавов или из стали, причем не менее чем на одной поверхности фольги образован наноразмерный рельеф или субмикроразмерный рельеф, или наномикроразмерный рельеф.
Недостатками данной трубы является низкая надежность трубы вследствие недостаточного сцепления металлического и полимерных слоев, расслоения трубы при использовании обычных адгезивов и при сгибании трубы, ускоренной деструкции полимерных слоев, в результате чего труба имеет небольшой срок эксплуатации.
Известна многослойная труба по патенту RU 2538540, опубликованному 10.01.2015, включающая металлическую трубу с внутренней поверхностью и внешней поверхностью, первый полимерный слой, связанный с внешней поверхностью, и, предпочтительно, второй полимерный слой, связанный с внутренней 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.
Данное решение характеризуется наиболее близкой к заявляемому решению совокупностью существенных признаков и поэтому выбрано в качестве ближайшего аналога.
Недостатками ближайшего аналога является низкая надежность трубы вследствие низкого сцепления металлического и полимерных слоев, расслоения трубы при использовании обычных адгезивов и при сгибании трубы, ускоренной деструкции полимерных слоев, низкой устойчивости полипропилена к температуре, кислороду, низкой светостойкости полипропилена, в результате чего труба имеет небольшой срок эксплуатации.
Технической проблемой, решаемой полезной моделью, является расширение арсенала технических средств, а именно многослойных металлополимерных труб.
Технический результат: создание многослойной металлополимерной трубы повышенной надежности. Повышение надежности трубы является следствием улучшения сцепления металлического и полимерных слоев, исключения расслоения трубы, увеличения гибкости, исключения деструкции полимерных слоев, а также уменьшения светочувствительности полипропилена (повышения светостойкости полипропилена), уменьшения проникновения кислорода между алюминиевым сплавом и полипропиленом, увеличения стойкости полипропилена к температуре.
В результате повышения надежности увеличивается срок службы трубы: в системах холодного водоснабжения составляет не менее 50 лет, в системах горячего водоснабжения и отопления (при температуре не более 110°С) не менее 25 лет.
Для достижения технического результата в многослойной металлополимерной трубу, содержащей металлическую трубу, выполненную из алюминиевого сплава, имеющую внутреннюю и внешнюю поверхности, первый полимерный слой, выполненный из полипропилена, связанный с внешней поверхностью, и второй полимерный слой, выполненный из полипропилена, связанный с внутренней поверхностью, а также адгезионные слои для приклеивания к поверхностям металлической трубы полимерных слоев, согласно полезной модели в качестве материала металлической трубы применяется алюминиевый сплав, предварительно обработанный ультразвуком, в качестве адгезионного слоя используется расплав термостойкого клея.
В качестве термостойкого клея применяется клей с параметрами: температура размягчения по Вика (153-156)°C, температура плавления по ДСК (122-125)°C.
В качестве термостойкого клея применяется клей «Bynel 50E571», имеющий оптимальные параметры температуры размягчения по Вика и температуры плавления по ДСК.
В состав полимерной смеси полимерных слоев (полипропилена) входят добавки антиоксидантов.
В качестве добавок могут использоваться добавки, увеличивающие стойкость полипропилена к кислороду и/или добавки, увеличивающие стойкость полипропилена к температуре и/или добавки, увеличивающие  светостойкость полипропилена.
Применение в многослойной металлополимерной трубе алюминиевого сплава, предварительно обработанного ультразвуком, термостойкого клея, позволяет усилить сцепление металлического и полимерного слоев, увеличить гибкость трубы, исключить расслоение трубы, исключить разрушение (деструкцию) полимерных слоев, что приводит к повышению надежности трубы и увеличению срока ее службы.
Для достижения технического результата достаточно применения алюминиевого сплава, предварительно обработанного ультразвуком и применения в качестве адгезионного слоя расплава термостойкого клея.
Еще более повышает надежность трубы применение в составе полипропилена добавок антиоксидантов, а именно увеличивающих стойкость полипропилена к кислороду и/или увеличивающих стойкость полипропилена к температуре и/или светостойкость полипропилена. Применение указанных добавок по отдельности или одновременно повышает надежность трубы вследствие уменьшения проникновения кислорода между алюминиевым сплавом и полипропиленом, увеличения стойкости полипропилена к температуре, увеличения светостойксти полипропилена (стойкости к ультрафиолетовому излучению).
Применение указанных признаков в многослойной металлополимерной трубе позволяет использовать трубу для более высоких температур: 100–110 °С.
Сущность технического решения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена многослойная металлополимерная труба, общий вид; на фиг. 2 – многослойная металлополимерная труба, разрез.
Многослойная металлополимерная труба содержит металлическую трубу 1, имеющую внутреннюю и внешнюю поверхности, первый полимерный слой 2, связанный с внешней поверхностью, и второй полимерный слой 3, связанный с внутренней поверхностью, а также адгезионные слои 4 и 5 для приклеивания к поверхностям металлической трубы 1 полимерных слоев 2 и 3.
Металлическая труба 1 является основным несущим элементом конструкции и выполнена из предварительно обработанного ультразвуком алюминиевого сплава, который может быть в виде листа, готовой трубы, полосы, ленты, фольги. Таким образом, металлическая труба 1 из алюминиевого сплава обработана ультразвуком с внешней и внутренней стороны.
Обработка алюминиевой заготовки для трубы с помощью ультразвука применяется для очистки поверхностного слоя металла от оксидной пленки с целью лучшей адгезии при нанесении клеевого слоя, таким образом улучшается сцепление металлического и полимерных слоев.
Алюминиевый сплав должен обладать высокими прочностными характеристиками.
Металлическая труба 1 должна быть обязательно сварена любым известным способом, в частности, может быть сварена ультразвуком.
Полимерные слои 2 и 3 могут быть выполнены из термостойкой полимерной смеси, например, из термостойкого полипропилена,  статического сополимера полипропилена (тип 3) PP-R. В состав полимерной смеси могут входить добавки специальных антиоксидантов, полностью исключающих ускоренную деструкцию полипропилена при высоких температурах эксплуатации.
В качестве добавок могут использоваться добавки для увеличения стойкости полипропилена к кислороду, для увеличения стойкости полипропилена к температуре, добавки для светостойкости полипропилена.
Полимерные слои 2 и 3 защищают алюминий от окисления, что продлевает срок службы трубы.
Адгезионные (клеевые) слои 4 и 5 необходимы для приклеивания к поверхности металлической трубы 1 полимерных слоев 2 и 3.
В качестве адгезионных слоев 4 и 5 применяется расплав термостойкого клея. Термостойкий клей должен обладать следующими параметрами:
1) Температура размягчения по Вика (153-156)°C
2) Температура плавления по ДСК (122-125°)C.
Параметры клея выбраны опытным путем и являются оптимальными параметрами для использования трубы при максимально возможной температуре.
Результаты измерений параметров клея и зависимости от этих параметров максимальной температуры использования трубы представлены в таблице:
Температура плавления по ДСК, °С
Температур размягчения по Вика, °С
Максимальная температура использования трубы, °С
107°C
142°C
85°C
120°C
147°C
90°C
122°C
148°C
95°C
125°C
156°C
110°C
Клей с такими параметрами способствует применению трубы для более высоких температур 100–110°С при давлении рабочей среды 1,8 МПа, а также обеспечивает гибкость трубы с радиусом изгиба 80-160 мм без расслоения трубы с наружным диаметром 8,12,16,20,25,26 мм.
Клей с большими параметрами (температура размягчения по Вика более 156°C и температура плавления по ДСК более 125°C) не применяется.
В качестве адгезионного слоя может использоваться расплав термостойкого клея «Bynel 50E571» или его полного аналога.
Стойкость к давлению при высоких температурах от 75-110°С в большей мере обеспечивает слой алюминия, при более низких температурах стойкость значительно повышается за счет несущей способности слоев полипропилена.
Слои полипропилена защищают алюминий от окисления, что обуславливает долгий срок службы.
Пример выполнения полезной модели.
Многослойная металлополимерная труба содержит металлическую трубу 1, выполненную из алюминиевого сплава с высокими прочностными характеристиками, предварительно обработанного ультразвуком для очистки поверхностного слоя металла от оксидной пленки с целью лучшей адгезии при нанесении клеевого слоя, таким образом улучшается сцепление металлического и полимерных слоев. Заготовка для металлической трубы 1 из алюминиевого сплава выполнена в виде полотна, которое сваривается ультразвуком для получения трубы. Металлическая труба 1 имеет внутреннюю и внешнюю поверхности. Многослойная металлополимерная труба имеет первый полимерный слой 2, связанный с внешней поверхностью металлической трубы 1, и второй полимерный слой 3, связанный с внутренней поверхностью металлической трубы 1, а также адгезионные слои 4 и 5 для приклеивания к поверхностям металлической трубы 1 полимерных слоев 2 и 3.
Полимерные слои 2 и 3 выполнены из термостойкого полипропилена, а именно из статического сополимера полипропилена (тип 3) PP-R. В состав полимерной смеси входят добавки специальных антиоксидантов, полностью исключающих ускоренную деструкцию полипропилена при высоких температурах эксплуатации.
В качестве добавок применяются: добавка для увеличения стойкости полипропилена к кислороду, добавка для увеличения стойкости полипропилена к температуре, добавка для светостойкости.
Адгезионные слои 4 и 5 представляют собой расплав термостойкого клея, который обладает следующими параметрами:
1) температура размягчения по Вика 156°C,
2) температура плавления по ДСК 125°C.
Клей с такими параметрами способствует применению трубы для более высоких температур 100–110°С при давлении рабочей среды 1,8 МПа, а также обеспечивает гибкость трубы с радиусом изгиба 80-160 мм без расслоения трубы с наружным диаметром 8,12,16,20,25,26 мм.
В качестве адгезионного слоя используется расплав термостойкого клея «Bynel 50E571».
Адгезионные (клеевые) слои 4 и 5 необходимы для приклеивания к поверхности металлической трубы 1 полимерных слоев 2 и 3.
Указанная конструкция трубы реализована на предприятии и имеет следующие показатели.
Наименование показателя
Значение показателя
Внешний диаметр, мм
16
20
26
32
Внутренний диаметр, мм
12
16
20
26
Толщина стенки трубы, мм
2,0
2,0
3,0
3,0
Толщина слоя алюминия, мм
0,22
0,24
0,30
0,34
Длина бухты, м
200
150
100
50
Диаметр бухты, см
80
80
90
100
Масса 1 п.м. трубы, грамм
110
150
240
300
Объем жидкости в 1 п.м. трубы, литр
0,11
0,20
0,31
0,53
Рабочая температура при давлении 10 бар, °С
0-110
Температура, кратковременно допустимая при давлении 10 бар, °С
125-135
Кратковременно допустимое давление при температуре 110°С, МПа
15
Разрушающее давление при температуре 20°С, бар
96
82
79
75
Коэффициент линейного расширения, 1/°С
1,6х10<sup>-5</sup>
Изменение длины после прогрева при температуре 135°С в течение (60+1) мин, %
0,18
Коэффициент эквивалентной равномерно-зернистой шероховатости
0,0005
Диффузия кислорода, мг/л
0
Коэффициент теплопроводности, Вт/м⋅К
0,43
Прочность клеевого соединения, Н/10 мм
Не менее 65
Способ сварки алюминия
Ультразвуковая сварка внахлест
Стойкость к разрыву алюминиевой трубы в зоне сварного шва, Н
750
Стойкость при постоянном внутреннем давлении при температуре:20°С – в течение 1 ч, МПа (не менее)110°С – в течение 1 ч, МПа (не менее)110°С – в течение 100 ч, МПа (не менее)110°С – в течение 1000 ч, МПа (не менее)
5,521,81,6
5,521,81,6
5,521,81,6
5,521,81,6
Прочность кольцевых образцов при поперечном разрыве, Н
3050
3200
3520
3800
Срок службы при соблюдении паспортных условий эксплуатации, лет
25-100
Минимальный радиус изгиба вручную, мм
120
150
200
250
Радиус изгиба с применением кондуктора или трубогиба, мм
80
100
130
160
Указанная конструкция трубы реализована на предприятии и показала следующие результаты.
Термостойкий полипропилен не требует сшивки и не выделяет опасные канцерогенные вещества, которые применялись бы при сшивании.
Отсутствие кислорода в системе, высокая химическая инертность, малая шероховатость внутренней поверхности труб препятствует размножению бактерий и образованию отложений.
Трубы обладают в несколько раз большим сроком службы: в системах холодного водоснабжения составляет не менее 50 лет, в системах горячего водоснабжения и отопления (при температуре не более 110°С) не менее 25 лет.
Монтаж труб может производиться не только с металлическими фитингами, но и при помощи фитингов из полипропилена, что удешевляет систему в целом.
Увеличенная гибкость, сохранение формы.
Уменьшенный коэффициент линейного расширения (0,016 мм/м-К), что позволяет использовать трубы при высоких температурах без компенсаторов.
У труб отсутствует диффузия кислорода через стенку трубы в теплоноситель, что исключает процессы окисления в котельном оборудовании.
Не подвержены известковому отложению, размножению железобактерий и других микроорганизмов.
Морозоустойчивы: при замерзании жидкости в трубах, они не разрушаются, а увеличиваются в диаметре и при оттаивании принимают прежний размер.
Не нарушают химическую и биологическую структуру протекающей по ним среды.
Не подвержены воздействию кислот, растворителей и других химических реагентов.
Низкие гидравлические потери из-за малой шероховатости.
Акустическая изоляция (не возникает резонанса в связи с протеканием оды и шума от гидравлических ударов).
Отсутствие электрической проводимости (не проводят блуждающие токи).
Не подвержены химической коррозии (отсутствуют гальванические пары), что позволяет избежать зарастания внутренних стенок труб, и пропускная способность не уменьшается с течением времени.
Многослойная металлополимерная труба производится следующим образом. Из предварительно обработанного ультразвуком алюминиевого сплава с высокими прочностными характеристиками в виде полосы (ленты, листа) формируется труба 1, кромки полосы свариваются внахлест ультразвуком. В сформированную алюминиевую трубу 1 подается воздух под давлением 0,4 МПа, затем экструдируются с двух сторон тонкие слои 4 и 5 расплава термостойкого клея, после чего экструдируется внутреннее и наружное покрытие из полимерной смеси - слои 2 и 3.
Многослойная металлополимерная труба позволяет выполнять соединение широким спектром фитингов российского и импортного производства.
Многослойная металлополимерная труба универсальна, найдет применение в промышленности, быту, сельском хозяйстве в системах холодного, горячего водоснабжения, отопления, водяного напольного отопления («теплые полы»), водяного настенного безрадиаторного отопления («теплые стены»), обвязке вентиляционных водяных калориферов и тепловых завес, обогрева открытых площадок с применением антифриза, полива и почвенного подогрева в теплицах, парниках, зимних садах, оранжереях, технологических трубороводов для пищевых и непищевых продуктов.