ПОЛИМЕРНАЯ ТРУБА (ВАРИАНТЫ)
POLYMERIC PIPE (VERSIONS)

Изобретение относится к полимерной трубе, стенка которой имеет наружный слой, внутренний слой и по меньшей мере один промежуточный слой, причем соседние слои соединены.
Такая многослойная труба может иметь диаметр как 10 или 30 см, так и несколько метров.
Как известно из ЕР 0360758 В1, трубы можно изготавливать, например, центробежным способом или способом центробежного литья. Причем возможно производство труб длиной от 6 м и больше. Основные вещества, например отверждаемые смолы (в частности, термореактивные смолы, такие как полиэфирные смолы), наполнители и стеклянные волокна в различном соотношении подаются через так называемый фидер (дозатор) на вращающуюся матрицу для образования отдельных слоев. Благодаря отверждению полимера образуется квазимонолитный корпус трубы, который больше не имеет отдельных слоев. После отверждения термореактивного полимера труба достигает своей прочности.
В ЕР 0360758 В1 приводятся примеры формирования различных слоев. Количество и состав отдельных слоев может, впрочем, зависеть от размеров трубы и ее применения. В частности, известный уровень техники проводит различия между "напорной трубой", через которую перекачивается жидкость под давлением, и "безнапорной трубой", к примеру, канализационной трубой.
В большинстве случаев применения трубы прокладываются под землей и находятся под воздействием различных механических нагрузок. Это приводит к необходимости придания жесткой трубе определенной гибкости для предотвращения, в частности, разрушения при ударной нагрузке.
Для этой цели известны трубы указанного типа, имеющие отдельные слои, армированные текстильными стекловолокнами и/или имеющие добавки или наполнители. Благодаря вращению матрицы при изготовлении происходит уплотнение отдельных слоев перед окончательным отверждением.
Благодаря таким мерам прочность труб в целом увеличивается. Такие трубы обладают также способностью сопротивления ударной нагрузке или прогибу, что является достаточным для различных сфер применения.
В связи с этим известно следующее испытание.
Труба укладывается на V-образный стол, который придает трубе устойчивость в поперечном направлении. На наружную поверхность трубы с различной высоты (обычно от 0,1 до 2,4 метров с промежутками в 0,1 метра) падают грузы различной массы (0,5 кг, 1 кг, 2 кг, 3 кг и т.д.).
При каждом испытании для каждой высоты осуществляется 15 повторов.
Видимая трещина на внутренней поверхности отрезка трубы оценивается как "разрушение". Причем различают линейные трещины (чаще всего вдоль трубы) и звездообразные трещины.
При максимальной высоте или максимальном грузе, при котором невозможно обнаружить на внутренней поверхности трубы ни одной трещины при всех 15 повторах, определяется 100%-ная удароустойчивость.
Полное несоответствие предполагается тогда, когда при всех 15 повторах испытания наблюдаются видимые трещины.
Принципиальная конструкция испытательного устройства приведена на фиг.1.
Целью изобретения является полимерная труба описанного вида, изготовленная центробежным способом, которая будет иметь большую ударопрочность, чем ранее известные трубы. Такие трубы востребованы для определенных применений, например для наземной прокладки.
Для решения этой задачи были проведены многочисленные опыты и испытания. Было проведено системное исследование формирования трубы, а также формирования отдельных слоев. Было проверено влияние исходных материалов на устойчивость к ударам, так же как и изменение толщины отдельных слоев или их последовательности.
Далее используется следующая терминология. Труба имеет наружный слой (= наружный покровный слой), внутренний покровный слой (= внутренний слой), а также по меньшей мере один структурный слой между ними, именуемый в дальнейшем промежуточные слои. Все слои содержат по меньшей мере часть термореактивного полимера и после отвердевания образуют квазимонолитный корпус трубы, у которого больше нет отдельных слоев, т.е. слои, последовательно наносимые при изготовлении, теперь между собой соединены.
В основе изобретения лежит установление того факта, что, например, изменение последовательности отдельных промежуточных слоев или изменение отдельных параметров технологии изготовления имеют относительно незначительное влияние на механические свойства трубы. Указанные свойства труб можно значительно улучшить за счет повышения ударной прочности путем изменения физических свойств по меньшей мере одного из слоев (наружного слоя, промежуточного слоя), за исключением внутреннего слоя.
Изменения физических свойств такого слоя, именуемого в дальнейшем функциональным слоем, можно добиться за счет того, что функциональный слой содержит термореактивный полимер, который отличается от полимера по меньшей мере одного радиально следующего внутрь слоя по меньшей мере по одному из следующих физических параметров: меньший модуль упругости, большее относительное удлинение при разрыве, меньшая температура размягчения, и того, что функциональный слой содержит по меньшей мере один наполнитель, который при приложении энергии удара на наружный слой трубы необратимо, в частности пластично, деформируется.
В другом варианте осуществления изобретения достаточно того, чтобы функциональный слой содержал по меньшей мере один наполнитель, который при приложении энергии удара на наружный слой трубы необратимо, в частности пластично, деформируется.
Изменение термореактивного полимера и состава слоя дает одинаково проявляющиеся последствия. Ударная прочность трубы в целом значительно улучшается. Дуктильность (деформируемость) трубы под нагрузкой оптимизируется. Непосредственно при механической нагрузке, особенно при ударной нагрузке, наблюдаются следующие эффекты:
- в функциональном слое образуются трещины, особенно микротрещины или отслоения между наполнителем и окружающим полимером,
- в функциональном слое деформируются зоны, заполненные пористым или способным к деформации наполнителем,
- поверхностное соединение между функциональным слоем и соседним слоем по меньшей мере частично прерывается.
Образование трещин, особенно образование микротрещин, происходит, как правило, в результате того, что соответствующий функциональный слой содержит полимер, у которого модуль упругости, относительное удлинение при разрыве и/или температура размягчения в определенной степени отличаются от соответствующих значений полимера по меньшей мере одного, радиально следующего внутрь слоя.
Микротрещины - это трещины длиной до 1 мм, в частности до 500 микрон.
При этом модуль упругости в одном из вариантов выполнения изобретения должен быть по меньшей мере на 25% меньше, чем модуль смежного внутрь слоя. Упомянутое уменьшение может составлять согласно примерам выполнения изобретения более 33%, более 50%, более 66%, более 75% и даже более 90%.
Так, например, полимер для промежуточного слоя, рассматриваемого как функциональный слой, должен иметь модуль эластичности исключительно около 100 МПа, а полимер (сложный полиэфир) для смежного внутреннего направления промежуточного слоя - модуль эластичности около 2000-4000 МПа. Получаемый при этом согласно изобретению эффект заключается среди прочего в следующем. Возникающая в результате удара деформационная волна при переходе из функционального слоя с небольшим модулем эластичности в следующий слой с большим модулем эластичности частично отражается так, что дальше передается только часть энергии деформации.
Выбор полимера для функционального слоя может осуществляться альтернативно или суммарно на основе его относительного удлинения при разрыве, которое должно быть больше, чем у полимера слоя, следующего далее внутрь. Причем полимер функционального слоя должен иметь относительное удлинение при разрыве, большее по меньшей мере на 30%. Относительное удлинение при разрыве может, однако, быть также более 50% или более 100%, чем относительное удлинение при разрыве полимера смежного, следующего "внутрь", слоя.
В конкретных примерах относительное удлинение при разрыве внутреннего промежуточного слоя трубы может, например, составлять 2-2,5%, в то время как относительное удлинение при разрыве смежного наружного промежуточного слоя (функционального слоя) составляет не менее 5%, однако оно может составлять 10, 20 и даже 50%.
Следующим возможным критерием для решения поставленной задачи является выбор полимера для функционального слоя (слоев), температура размягчения которого меньше температуры размягчения полимера радиально следующего внутрь слоя. В то время как обычная полиэфирная смола (сложный полиэфир) для полученных центрифугированием труб имеет (в соответствии с ISO 75) температуру размягчения 100-130°С, температура размягчения для полимера в выполненном согласно изобретению функциональном слое должна быть меньше по меньшей мере на 20%, при этом предпочтительно уменьшение более чем на 30% или более чем на 50%. Полимер этого функционального слоя меньше сшит и имеет такие температуры размягчения, как менее 80°С, менее 50°С или менее 25°С соответственно.
Возникающие в функциональном слое при механической нагрузке микротрещины приводят к значительному гашению энергии и вместе с этим к значительному снижению эластичной ударной энергии, которая передается в соседний внутренний слой. Эти функциональные слои не оказывают влияния на другие основные структурные свойства трубы. Микротрещины или отслоения не имеют в целом отрицательного влияния на эксплуатационные свойства трубы, так как все остальные слои сформированы таким образом, что необходимые структурные характеристики сохраняются, как если бы функционального слоя не было.
Для описанного вначале ударного испытания это означает, что на внутренней стенке трубы наблюдается значительно меньшее количество трещин при одинаковых условиях испытаний по сравнению с известными трубами.
Наружный слой и промежуточный слой (слои) могут (может) включать в себя наряду с полимером (связующим средством), по крайней мере, один из следующих компонентов.
2
3
3
2
3
4
3
4
В слое может быть распределен наполнитель, например, на основе диоксида кремния (SiO), оксида магния (MgO), оксида кальция (СаО), карбоната магния (MgCO), карбоната кальция (СаСО), оксида алюминия (AlO), сульфата бария (BaSO), талька, каолина, гидроксида алюминия (Al(ОН)), сульфата кальция (CaSO) или их смесей. Этот наполнитель должен иметь обычно размеры частиц менее 1,0 мм, причем размеры частиц менее 0,1 мм являются более предпочтительными.
Доля наполнителя (в соответствующем слое) составляет в зависимости от варианта выполнения изобретения от 25 до 250% по массе относительно доли полимера в соответствующем слое.
Наружный и промежуточные слои также могут содержать в себе стекловолокна (отдельно или вместе с наполнителем), например стекловолокна длиной менее 60 мм, причем более короткие стекловолокна (менее 30 мм или менее 15 мм) также могут найти применение. Доля стекловолокна составляет в зависимости от варианта выполнения от 5 до 70% по массе по отношению (к массе) соответствующего слоя.
В качестве наполнителя для функционального слоя (слоев) подходит: вспученное стекло, пустотелое стекло, пористый перлит, пористый вермикулит, пемза, каучук, эластомеры, термопластичный полимер или подобные вещества, предпочтительно с размерами частиц менее 10 мм. При всех этих добавках речь идет об объемных, пористых, легких по весу или легко деформируемых продуктах не большой механической прочности. Прочности, с одной стороны, должно быть достаточно, чтобы добавки были распределены по матрице полимера неразрушенными и недеформированными по всему объему. Однако, с другой стороны, прочность/стабильность настолько мала, что при соответствующей ударной нагрузке добавка разрушается или деформируется. При этом в слое образуются новые дефекты (пустоты) измененной геометрии, особенно тогда, когда добавка разрушается. В случае деформируемой эластичной добавки под нагрузкой происходит деформация структурных зон, в которых находится добавка. Оба структурных изменения являются необратимыми. В последнем указанном случае вызывается пластичная (объемная) деформация добавки. Может также происходить отделение частиц добавок от окружающего материала матрицы.
В различных вариантах выполнения размеры частиц наполнителя могут быть значительно меньше 10 мм, например менее 6 мм, менее 4 мм, менее 2 мм, менее 1 мм или также менее 0,5 мм.
Принципиальным считается следующее утверждение: большое количество маленьких трещин, соответственно, большое количество малых новых полостей или структурных деформаций обеспечивают большее гашение энергии, чем небольшое количество больших трещин и небольшое количество больших полостей/зон.
Доля упомянутых добавок составляет от 5 до 50 вес.%, либо до 90 объемных процентов относительно соответствующего (всего) промежуточного слоя, причем 60-80 объем. % будут достаточными. Но и меньшие объемные доли (до 10, 20 или 30%) приводят, хотя и в меньшей степени, к описанному эффекту.
Упомянутая добавка, которая отделяется от окружающей полимерной матрицы или деформируется или, соответственно, разрушается под воздействием силы, применяется согласно изобретению для образования функционального слоя независимо от полимера.
Таким образом, изобретение относится к трубе, функциональный слой которой в соответствии с уровнем техники содержит обычный полимер с модулем эластичности, например 2.000-8.000 МПа, в котором, однако, распределена по меньшей мере одна из указанных добавок. Вид добавки, размер ее (частиц) и ее доля в массе всего функционального слоя может соответствовать вышеуказанным значениям.
При рассмотрении процесса в направлении "снаружи вовнутрь" изобретательский замысел реализуется для случая, когда за первым функциональным слоем описанного типа будет следовать либо второй функциональный слой описанного типа и/либо следующий слой (промежуточный слой или внутренний слой), который особым образом подходит для остановки распространения трещин из радиально внешнего слоя. Это относится, прежде всего, к слоям, которые наряду с полимером содержат также и стеклянные волокна. Причем преимущества будут наблюдаться в тех случаях, когда часть стеклянных волокон последующих слоев будет располагаться в осевом направлении трубы. В качестве полимера для следующего внутреннего слоя может применяться обычный, по отношению к вышеизложенному, полимер.
В качестве внутреннего слоя применяется, как правило, слой из чистого полимера, так как для этого внутреннего слоя требуется очень гладкая поверхность, соприкасаясь с которой течет жидкость, например вода. Для этого внутреннего слоя может применяться как обычный термореактивный полимер вышеуказанного типа, такой как полиэфирная смола (сложный полиэфир) на базе ортофталевой кислоты, изофталевой кислоты, терефталевой кислоты или тетрагидрофталевой кислоты, так и, например, полимер на основе бисфенола, полимер на основе винилового эфира, эпоксидная смола или полиуретан.
Последующие признаки изобретения следуют из признаков зависимых пунктов формулы изобретения, а также из других документов заявки.
Далее изобретение более подробно рассматривается со ссылкой на различные примеры выполнения.
При этом на чертежах, соответственно в сильно схематичном изображении и не в масштабе, показано:
на фиг.2 - сечение стенки трубы в первом варианте выполнения полимерной трубы,
на фиг.3 - сечение стенки трубы во втором варианте выполнения полимерной трубы,
на фиг.4 - сечение стенки трубы в третьем варианте выполнения полимерной трубы.
На каждом из фиг.2-4 изображено сечение стенки полимерной трубы. Каждая из этих полимерных труб состоит, в данном случае для примера из пяти слоев, а именно из наружного слоя 10, внутреннего слоя 12 и расположенных между ними слоев 14, 16, 18.
Во всех примерах наружный слой 10 состоит из смеси 30 вес.% полиэфирной смолы А (модуль упругости: 3.000 МПа, предел прочности при растяжении около 60 МПа, относительное удлинение при разрыве около 2,5%) с 70 вес.% кварцевого песка гранулометрической фракции менее 1 мм.
Внутренний слой 12 состоит во всех примерах исключительно из полиэфирной смолы В с модулем эластичности около 200 МПа, пределом прочности при растяжении около 20 МПа и относительным удлинением при разрыве около 50%.
В примере выполнения в соответствии с фиг.2 промежуточные слои имеют следующую структуру.
Смежный с наружным слоем 10 промежуточный слой 14 состоит примерно из 35 вес.% полиэфирной смолы В и примерно 65 вес.% карбоната кальция гранулометрической фракции менее 0,5 мм.
Следующий за ним промежуточный слой 16 образован из смеси 40 вес.% специального полимера С и 60 вес.% карбоната кальция гранулометрической фракции менее 0,5 мм. Специальный полимер С является полиэфирной смолой с модулем упругости около 500 МПа, пределом прочности при растяжении около 30 МПа и относительным удлинением при разрыве около 20%.
Между этим промежуточным слоем 16 и внутренним слоем 12 образован следующий промежуточный слой 18, состоящий из примерно 50 вес.% полиэфирной смолы А, 10 вес.% мелкоизмельченного доломита (менее 1 мм) и 40 вес.% стекловолокна диаметром около 10 микрон и длиной 25 мм. Причем стекловолокна уложены преимущественно в тангенциальном направлении трубы.
Обозначенная стрелкой на фиг.2 ударная энергия гасится промежуточными слоями 14, 16, 18, и здесь, прежде всего, благодаря выбору полимеров с различными модулями упругости каждый раз возрастающими от "наружных" слоев к "внутренним". Промежуточные слои 14, 16 являются тем самым функциональными слоями в смысле вышеизложенного. При этом, к примеру, в области промежуточного слоя 16 происходит образование микротрещин, которые в дальнейшем останавливаются промежуточным слоем 18 так, что внутренний слой 12 даже при высоких ударных нагрузках остается в значительной степени целым.
На фиг.2 микротрещины схематически обозначены увеличенными символами в области слоя 16. Увеличенным является также символическое изображение стекловолокон в зоне слоя 18 и их расположение.
В примере выполнения согласно фиг.3 промежуточный слой 14, следующий за наружным слоем 10, выполнен в качестве гасящего энергию функционального слоя и состоит из упомянутого специального полимера С, в котором распределены пустотелые стеклянные шарики диаметром менее 2 мм, при этом объемная доля пустотелых стеклянных шариков по всему слою составляет около 70%.
За этим промежуточным слоем 14 следует функциональный слой 16, который выполнен аналогично промежуточному слою 16 согласно фиг.2. Это справедливо также для выполнения промежуточного слоя 18, следующего перед внутренним слоем 12.
В еще большем объеме, чем в примере выполнения согласно фиг.2, может поглощать ударную энергию труба со структурой стенки согласно фиг.3. При этом существенную роль играет функциональный слой 14 с пустотелыми стеклянными шариками. При наружной, к примеру, радиальной ударной нагрузке происходит разрушение изображенных увеличенными пустотелых стеклянных шариков и, как следствие, деформация или разрушение ограниченных пустотелыми шариками пустот в структуре слоя 14, благодаря чему могут снижаться напряжения, вызванные ударом.
Это снижение напряжения продолжается в слое 16.
Благодаря "предварительному гашению" ударной энергии в слое 14, по сравнению с примером выполнения согласно фиг.2, образуется меньше трещин (символически различимо в виде лишь только четырех изображений трещин). В результате такая труба может противостоять существенной и продолжительной ударной нагрузке без обнаружения образования трещин во внутреннем слое 12.
Поперечное сечение трубы согласно фиг.4 соответствует в отношении наружного слоя 10 и функционального слоя 14 соответствует примеру на фиг.2.
В противоположность этому промежуточный слой 16 состоит из чистого специального полимера С указанного типа, в то время как другой промежуточный слой 18, образуемый между промежуточным слоем 16 и внутренним слоем 12, выполнен из специального полимера С (с температурой размягчения 50°С) в сочетании со стекловолокнами.
Как только труба подвергается соответственной ударной нагрузке, в зоне промежуточного слоя 16 снова происходит образование трещин, при этом продвижение трещин в направлении внутреннего слоя 12 останавливается очередным промежуточным слоем 18.
Кроме того, в данном примере выполнения можно наблюдать частичное отслаивание промежуточного слоя 18 от внутреннего слоя 12, которое происходит в зонах поверхностей раздела слоев так, как схематически изображено символом 19.
2
Каждое отдельное из этих отделений граничных поверхностей находится в области максимум несколько мм. Благодаря многим таким отделениям (отслаиваниями) вдоль граничной поверхности между слоями 18, 12 останавливается развитие начинающегося снаружи распространения трещин во внутреннем слое 12.
Вместо схематически изображенных на чертежах трех промежуточных слоев можно также предусмотреть только два или значительно больше трех промежуточных слоев, при этом в качестве функционального слоя создается по меньшей мере один, а лучше два промежуточных слоя.
Благодаря описанным мероприятиям, выполненные в соответствии с изобретением трубы превосходят известные из уровня техники по своей способности противостоять ударным нагрузкам.
Поскольку выше указывался модуль упругости, то его определение проводилось в соответствии с ISO 527.
Указанные пределы прочности при растяжении определялись в соответствии с ISO 178.
Данные относительного удлинения при разрыве были получены в соответствии с ISO 527, ISO 178.
Температура размягчения определялась в соответствии с ISO 75 А.