Труба слоистая комбинированная композитная армированная с повышенной размерной стабильностью

Область техники
Полезная модель относится к жестким комбинированным армированным трубам большого диаметра с повышенной размеростабильной эффективностью, предназначенным для использования в трубопроводах при транспортировании жидких продуктов под высоким давлением.
Уровень техники
При определении изменения длины надземного трубопровода для компенсации его продольных деформаций учитывают деформации от изменения температуры стенок труб и изменения давления в трубопроводе. Технологические решения по компенсации линейных расширений на трубопроводах подразумевают собой решения проблем, связанных с нежелательными деформациями конструкции высоконагруженного трубопровода из полимерных композиционных материалов, вызванными значительными температурными перепадами. Преимущества полимерных композиционных материалов по сравнению с традиционными конструкционными материалами (металлами, полимерами и керамиками) хорошо известны, - композиты превосходят их по многим удельным целевым характеристикам. Например, углепластик - это весьма дорогой материал, и его применение в трубах может быть оправдано лишь тогда, когда требуются экстремально высокие характеристики, в то же время, стеклопластик при относительной дешевизне не может обеспечить такие высокие технические характеристики. Все это приводит к необходимости разработки номенклатуры Парето-оптимальных решений по составу и структуре комбинированного (или гибридного) композитного материала стеклоуглепластика, т.е. решений, одновременно обеспечивающих как высокие технические показатели, так и низкую экономическую стоимость этих решений. Правильный выбор решения по замене традиционного материала на композитный обеспечивает совершенствование целевых характеристик конечного изделия, что создает для него конкурентное технико-экономическое преимущество по сравнению с существующими аналогами.
Известна слоистая труба (Патентная заявка Японии 4-14870, В29В 23/22, 1992 г.), которая состоит из внутреннего, промежуточного и внешнего слоев. Внутренний слой образован из препрега, представляющего собой листовой материал, в котором высокоэластичные и высокопрочные волокна расположены под углом 85-90° относительно осевой линии, и который пропитан синтетической смолой. Промежуточный слой образован из препрега, выполненного из высокопрочных и высокоэластичных волокон, расположенных только в осевом направлении, крученных в одном направлении и пропитанных синтетической смолой. Внешний слой навит в один или несколько слоев на внешнюю поверхность промежуточного слоя под определенным углом к оси.
Эта конструкция не позволяет получить стабильные параметры структуры трубы из-за высоких требований при намотке и несбалансированности натяжения волокон спиральных и продольных слоев при намотке и выкладке в процессе формования трубы.
Известна также слоистая труба (см. патентная заявка Японии 6024791, В32В 1/08, 1994 г.), выполненная из высокопрочных, высокоэластичных волокон и термореактивной, термопластичной смол и имеющая конечную часть в виде конуса с небольшим диаметром, среднюю часть в виде короткого конуса и основную часть в виде конуса с большим диаметром. Данная труба имеет внутренний слой, полученный намоткой под углом 45-90° на вставку ленты, полученной пропиткой листового препрега из одного вида волокон и тканого препрега; промежуточный слой, полученный приклеиванием к внешней поверхности слоя без промежутков шести сегментов, выполненных из однонаправленного листа и тканого препрега и состоящих из трех длинных сегментов и трех коротких сегментов; внешний слой, полученный намоткой на промежуточный слой с определенным шагом ленты, выполненной пропиткой смолой листового препрега из высокопрочного, высокоэластичного волокна одинакового или отличного от волокна внутреннего слоя, из фольги, проволоки или ленты, и тканого препрега.
Недостатками указанных аналогов является то, что эти конструкции не обеспечивают стабильности формы и размеров трубы в требуемом интервале температур (-60°С) - (+110°С), что связано с их структурами армирования, они трудоемки в изготовлении и имеют недостаточно высокую размеростабильность.
Ближайшим аналогом, выбранным в качестве прототипа, можно признать слоистую трубу (патент РФ №2197670, МПК F16L 9/12, Опубликовано: 27.01.2003), содержащую выполненные из спирально навитого ленточного волокнистого материала, пропитанного полимерным связующим, внутренний и наружный слои и расположенный между внутренним и наружным слоями и соединенный с ними средний слой, выполненный из уложенных один возле другого отформованных элементов из однонаправленного волокнистого материала, пропитанного полимерным связующим. При этом внутренний и наружный слои выполнены из однонаправленного волокнистого материала, пропитанного полимерным связующим, намотанного по спирали в двух противоположных направлениях под углом 5÷89° к оси трубы, а средний слой образован из соединенных между собой элементов одинакового прямоугольного поперечного сечения, выполненных из материала, идентичного материалу внутреннего и наружного слоев или отличного от него, и уложенных по образующей трубы под углом 0° к ее оси.
-6
-6
-1
В прототипе обеспечивается только размеростабильность в температурном диапазоне минус 50 - плюс 50°С. В интервале температур минус 50 - плюс 50°С проведены испытания указанных слоистых труб со следующими параметрами: длины 917÷1308 мм, внутренние диаметры 100 и 75 мм; внутренний и наружный слои из материала КМУ-4Л толщиной 0,5 мм, средний слой из элементов с поперечным сечением 5×2 мм из материала КМУ-13. Максимальный термический изгиб составил 18 мкм, термическое закручивание - 5÷16 с. Коэффициент линейного термического расширения материала (КЛТР) составил -0,2⋅10÷-0,7⋅10 1/°С (прим.: одинаковые размерности 1/°С и К). При обеспечении повышенной стабильности формы и размеров в не столь большом интервале температур минус 50 - плюс 50°С, прототип трудоемок в изготовлении, что отрицательно сказывается на экономической эффективности при изготовлении, имеет достаточно низкую прочность и невысокую кольцевую жесткость, что делает его ограниченно пригодными для использования в высоконагруженных композитных трубах для экстремальных климатических условий.
Раскрытие полезной модели
Техническая задача предлагаемого технического решения полезной модели заключалась в разработке комплексного решения по выбору материалов и схемы армирования комбинированной композитной трубы для водоводов высокого давления, водосбросных систем, сооружений нефтегазодобывающих, перерабатывающих генерирующих предприятий; решения, обеспечивающего минимальный коэффициент линейного теплового расширения (КЛТР) трубы при обеспечении монолитности ее силовой оболочки с повышенной размеростабильной эффективностью и технологической рациональностью ее производства.
Повышение размерной стабильной эффективности достигается за счет изготовления трубы методом «мокрой» радиально-перекрестной намотки из нескольких конструкционных и функциональных материалов (функциональных полимерных слоев и конструкционных слоев из гибридного (комбинированного) композита - стеклоуглепластика), взятых в определенных соотношениях, пропитанных полимерным эпоксидным связующим, расположенных со строго определенной оптимизированной угловой структурой армирования, для снижения изменения трубопровода от изменения температуры стенок труб Δt и изменения давления в трубопроводе Δр.
у
-6
-1
Основной технический результат по сравнению с прототипной слоистой трубой - повышение размеростабильности (КЛТР α=0,1⋅10 К) высоконагруженной комбинированной трубы, при этом также обеспечивается требуемая прочность и жесткость при внутреннем высоком рабочем давлении в трубе, за счет использования комбинированного материала угле-стеклопластика со строго ориентированной структурой волокон.
65,2°
65,2°;
у
у
-6
-1
Технический результат достигается за счет использования в качестве силового несущего материала слоистой трубы комбинированного (или гибридного) композиционного материала - стеклоуглепластика со строгой структурой армирования волокон, при объемной доле волокна 60%. Полезная модель слоистой высоконагруженной комбинированной композитной армированной трубы большого диаметра с повышенной размерной стабильностью характеризуется конструктивной полой двухслойной цилиндрической схемой, в которой внутренний слой из комбинированного композиционного материала - стеклопластика - на основе стеклоровинга марки ЕС-17-1200-350 СТО 5952-002-83458713-20015 и полимерного эпоксидного связующего марки ЭХД-МД ТУ В3-734-87, внешний слой из комбинированного композиционного материала - углепластика - на основе углеродного волокна марки Toray T700SC и полимерного эпоксидного связующего марки ЭХД-МД ТУ В3-734-87, с внутренним диаметром от 400 до 3200 мм; с коэффициентом запаса по прочности трубы не менее 4,5; с возможностью эксплуатации при рабочем внутреннем давлении от 4 до 40 МПа; с возможностью эксплуатации при температурах от -60 до +110°С; с ограничением на прочность стенки трубы при растяжении в осевом направлении не менее 25% от прочности при растяжении в окружном направлении; со строго ориентированной структурой армирования волокон при объемной доле волокна 60% в комбинированном материале стенки высоконагруженной трубы, с соотношением слоев стеклопластика и углепластика соответственно 60% и 40%, с углами общей структуры армирования комбинированного композиционного материала - углестеклопластика (±35,3°/±)- относительно осевого направления трубы: при этом монослои стеклопластика (СП) -±35,3°, монослои углепластика (УП) -± с параметрами величин окружного КЛТР α=-0,1×10 К и окружного модуля упругости Е=35,6 ГПа.
При этом также преимущество предлагаемой полезной модели заключается в монолитности силовой оболочки с повышенной размерной стабильностью, и технологическая рациональность ее производства.
Предлагаемое решение может быть преимущественно выполнено методом «мокрой» спирально-перекрестной намотки волокнистого материала, без укладывания волокнистого материала вдоль оси трубы, за счет чего есть возможность автоматизации технологического процесса при производстве предлагаемого решения трубы. При намотке предлагаемой трубы формируется лента из жгутов стеклоровинга (для формирования слоев стеклопластика) и нитей углеволокна (для формирования слоев углепластика. Таким образом, в предлагаемом решении в отличие от прототипа отсутствует срединный слой в связи с тем, что при формировании стенки трубы стеклопластиковая и углепластиковая составляющие формируются с определенной структурой (угол спирально-перекрестной намотки) для повышения размеростабильности.
Оптимизация структуры армирования материала стенки трубы для обеспечения повышенной размерной стабильности высоконагруженной комбинированной композитной трубы приводит к практическому отсутствию влияния на работоспособность трубопровода сложных и переменных термических деформаций, возникающих в условиях эксплуатации в экстремальных климатических условиях.
Перечень фигур
Сущность заявленной полезной модели поясняется графическими материалами:
Фиг. 1 - Структурная схема (поперечный разрез) предлагаемой двухслойной трубы.
Фиг. 2 - Границы предельных возможностей по приближению к двухосной размеростабильности для двухкомпонентных и гибридных материалов на основе связующего ЭХД-МД: 1 - 100% стеклопластик, 2 - 80% стеклопластика и 20% углепластика, 3-60 стеклопластика и 40% углепластика, 4 - 40% стеклопластика и 60% углепластика, 5 - 20% стеклопластика и 80% углепластика, 6 - 100% углепластик.
Фиг. 3 - Границы предельных возможностей по приближению к двухосной размеростабильности для двухкомпонентных и гибридных материалов на основе связующего ЭДТ 10: 1 - 100% стеклопластик, 2 - 80% стеклопластика и 20% углепластика, 3-60 стеклопластика и 40% углепластика, 4 - 40% стеклопластика и 60% углепластика, 5 - 20% стеклопластика и 80% углепластика, 6 - 100% углепластик.
Фиг. 4 - Границы предельных возможностей по приближению к двухосной размеростабильности для двухкомпонентных и гибридных материалов на основе связующего Этал 245 ПЭ: 1 - 100% стеклопластик, 2 - 80% стеклопластика и 20% углепластика, 3-60 стеклопластика и 40% углепластика, 4 - 40% стеклопластика и 60% углепластика, 5 - 20% стеклопластика и 80% углепластика, 6 - 100% углепластик.
Фиг. 5 - Границы предельных возможностей стеклопластиков при одновременной минимизации абсолютной величины КЛТР в окружном направлении и максимизации модуля упругости в том же направлении: 1 - стеклопластик ЕС-17-1200-350/ЭХД-МД, 2 - стеклопластик ЕС-17-1200-350/ЭДТ 10, 3 - стеклопластик ЕС-17-1200-350/Этал 245 ПЭ.
Фиг. 6 - Границы предельных возможностей стеклопластиков при одновременной минимизации абсолютной величины КЛТР в окружном направлении и максимизации прочности при растяжении в том же направлении: 1 - стеклопластик ЕС-17-1200-350/ЭХД-МД, 2 - стеклопластик ЕС-17-1200-350/ЭДТ 10, 3 - стеклопластик ЕС-17-1200-350/Этал 245 ПЭ (прим.: данные связующие выбраны, так как обладают средними характеристиками в своих классах и легко коммерчески доступны).
Осуществление полезной модели
Предлагаемое техническое решение высоконагруженной комбинированной композитной армированной трубы большого диаметра с повышенной размерной стабильностью было получено в ходе выполнения научно-исследовательской работы с получением совокупности комплексных решений высоконагруженных труб.
Комплексные решения разрабатывались:
а) для следующих конструкций высоконагруженных труб:
- легкая (рабочее внутреннее давление до 4 МПа);
- средняя (рабочее внутреннее давление от 4 МПа до 10 МПа);
- тяжелая (рабочее внутреннее давление от 10 МПа до 40 МПа).
Типоразмер для всех серии труб (внутренний диаметр): от 400 до 3200 мм (400-1000 мм - шаг типоразмера 100 мм, 1000-3200 мм - шаг: 200 мм). Длина труб -9 м;
б) при следующих требованиях и ограничениях:
Эксплуатация при температурах от -60 до +110°С.
Коэффициент запаса по прочности не менее 4,5.
Кроме условия прочности при внутреннем давлении, к конструкциям предъявляются следующие требования:
2
- при относительной деформации 3% удельная кольцевая жесткость S согласно ГОСТ Р 55071-2012 (ISO 7685:1998) должна составлять не менее 15000 Н/м;
- ограничение на прочность стенки трубы при растяжении в осевом направлении - как правило, не менее 25% от прочности при растяжении в окружном направлении;
в) с использованием в качестве связующих наполнителей стекло- и углепластиков полимерных эпоксидных связующих со средними характеристиками в своих классах следующих недорогих, коммерчески доступных марок: ЭХД-МД ТУ В3-734-87; ЭДТ 10 ТУ В3-779-2010; Этал 245 ПЭ ТУ 2257-245-18826195-99.
Основным условием проектирования размеростабильных конструкций является определение структурных параметров композита, которые обеспечивают равенство нулю тех или иных компонент вектора деформаций при температурных воздействиях. Эта задача сводится к задаче управления характеристиками термического расширения материала - коэффициентами линейного термического расширения (КЛТР). Если температурный интервал, в котором работает конструкция, невелик, то достаточно оперировать со средними КЛТР материала. При больших температурных интервалах необходимо учитывать температурную зависимость как КЛТР, так и жесткостных характеристик композита.
В рамках поставленной задачи структурная схема трубы показана на фиг. 1: внутренний слой 1 выполнен из стеклопластика (в таблице обозначено СП), а внешний слой 2 - из углепластика (в таблице обозначено УП).
Основные имитационные компьютерные расчеты в ходе выполнения НИР выполнялись с помощью программ для ЭВМ, зарегистрированных в Роспатенте:
1. Программа анализа и проектирования однонаправленных волокнистых композитов Designer of Layers (DeLay) / Смердов A.A. // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2012612828, РФ от 21.03.2012 г.
2. Программа анализа и проектирования многослойных композитов Designer of Laminates (DeLam) / Смердов A.A. // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2012613529, РФ от 13.04.2012 г.
3. Программа анализа процессов деформирования и разрушения многослойных композитных материалов WinSTRAN / Смердов А.А. и др. // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2012613542, РФ от 13.04.2012 г.
4. Программа анализа и проектирования многослойных композитных стержней и оболочек Designer of Composite Bars & Shells (DeBarS) / Смердов A.A. // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2012613294, РФ от 06.04.2012 г.
1
1
21
2
2
12
х
у
1
2
1
2
х
у
Материалы, обладающие двухосной размеростабильностью, не испытывают никаких деформаций в плоскости при изменении температуры (Зиновьев П.А., Смердов А.А. Оптимальное проектирование композитных материалов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006). Такие материалы могут быть созданы не из любых монослоев, а только из таких, которые удовлетворяют условию: αE(1+ν)+αE(1+ν)=0. Это условие не может быть выполнено ни для двухкомпонентных, ни для гибридных материалов, на основе заданных углеродных и стеклянных волокон. Таким образом, создание структур, обладающих одновременно нулевыми коэффициентами в осевом и окружном направлениях, из данных материалов невозможно. Речь может идти только о приближении к условиям двухосной размеростабильности. Это приближение может быть исследовано в рамках анализа предельных возможностей двухкомпонентных и гибридных (комбинированных) материалов. Результатом такого анализа является построение границ предельных возможностей композитных структур с варьируемыми параметрами. Эти границы строятся в пространствах требований к различным свойствам проектируемого объекта и отделяют области с доступными значениями данных свойств от областей, в которых одновременное выполнение всех требований невозможно. Такие области в координатах «Минимум абсолютной величины осевого КЛТР α - Минимум абсолютной величины окружного КЛТР α» построены на фиг. 2-4. При этом исследовались как предельные возможности двухкомпонентных структур типа [±ϕ/±ϕ] (слои из одного материла), так и гибридные (комбинированные) структуры, у которых слои с углами ϕ и ϕ выполнены из различных материалов. Каждая линия на графике соответствует таким структурам с фиксированным соотношением относительных толщин слоев углепластика и стеклопластика, так что стоимость такого материала вдоль каждой линии остается постоянной. При анализе приведенных данных следует обратить внимание на то, что структуры, приближающиеся к двухосной размеростабильности, имеют достаточно низкую прочность и невысокую кольцевую жесткость, что делает их ограниченно пригодными для использования в высоконагруженных композитных трубах. При необходимости минимизации КЛТР как в окружном, так и в осевом направлении толщина труб вследствие низкой прочности получается слишком большой, и даже добавление значительного количества углепластика, что влечет существенное повышение стоимости, не может исправить ситуацию. Однако ситуация меняется в том случае, если требовать минимизации не двух КЛТР, а только одного из них - того, который отвечает за изменение диаметра труб при нагреве-охлаждении. При наличии компенсаторов осевой силы в трубопроводах требования по минимизации величины α являются факультативными, и при проектировании труб можно сосредоточиться только на минимизации КЛТР α.
В отличие от требований двухосной размеростабильности, условие одноосной размеростабильности для обычных углепластиков может быть выполнено множеством способов. Однако для стеклопластиков возможно лишь некое приближение к этому условию, и вопрос о возможностях гибридных (комбинированных) композитов нуждался в дополнительном научно-техническом исследовании.
у
Таким образом, определение структуры, обеспечивающей максимальную размеростабильность трубы при расчетном температурном диапазоне от минус 60 до +110°С, сводилось к определению структуры, обеспечивающей минимум абсолютной величины окружного КЛТР α, что обеспечивает снижение циклических термических деформаций трубы и соответственно,- снижает накопление микроповреждений в материале стенки трубы от термических изменений диаметра при нагреве-охлаждения, что соответственно повышает ресурс трубопровода.
-6
-1
Размеростабильные структуры, используемые в композитных трубах, должны иметь как можно большую жесткость и прочность. Эти требования могут быть конфликтными. Так, на фиг. 5 приведены границы предельных возможностей исследуемых стеклопластиков при одновременной минимизации абсолютной величины КЛТР в окружном направлении и максимизации модуля упругости в том же направлении, а на фиг. 6 - аналогичные границы, построенные при одновременной минимизации абсолютной величины КЛТР в окружном направлении и максимизации прочности при растяжении в том же направлении. Прочность рассчитывалась по первому разрушению. При использовании чистого стеклопластика не удается достичь величины КЛТР меньше, чем 6,6×10 К, причем это значение соответствует довольно низкой жесткости и особенно - прочности.
-6
-1
Результаты решения задачи максимизации жесткости и прочности для размеростабильных комбинированных (гибридных) структур приводятся в таблицах 1÷3. Слои углепластика выделены жирным шрифтом. Величины пределов прочности приводятся как по первому разрушению, так и по предельной несущей способности. Как и ранее, при оптимизации ставились ограничения на окружной КЛТР (в пределах ±0,5×10 К и осевую прочность. Последнее составляло не менее 200 МПа по первому разрушению кроме таблицы 3, для которой такая прочность оказалась невыполнимой, и было принято ограничение 100 МПа.
у
у
-6
-1
УП 65,2°
Для обеспечения технического результата полезной модели был выбран вариант трубы с осевым КЛТР α=-0,1×10 К и окружным модулем упругости Е=35,6 ГПа из таблицы 1 со связующим ЭХД-МД и структурой СП 35,3°/ .
При этом также преимущество предлагаемой полезной модели заключается в монолитности силовой оболочки с повышенной размерной стабильностью, и технологическая рациональность ее производства.