СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ТРУБ
METHOD FOR INCREASE OF PIPES LEAK-TIGHTNESS

Изобретение относится к области производства изделий из композиционных материалов, в частности к производству стеклопластиковых труб методом намотки непрерывными нитями.
В используемых традиционно способах намотки стеклопластиковых нитей герметичность обеспечивается за счет первого слоя, контактирующего с транспортируемой средой. При этом для восприятия внутреннего давления намотка ведется окружными слоями под углами, близкими +54 и -54°, симметрично, создавая при этом ортотропную конструкцию, исключающую возникновение крутящих напряжений в стенке трубы. При этом количество жгутов стеклоровинга таково, что обеспечивается сплошность каждого окружного слоя. При необходимости восприятия осевых нагрузок возможна укладка осевых слоев под углами, близкими к 0.
Недостатком этих способов является тот факт, что при нарушении целостности первого слоя, контактирующего с транспортируемой средой, происходит образование трещин и разгерметизация трубы (сосуда) в целом. Разгерметизация характеризуется выпотеванием жидкости, каплеобразованием или локальным нарушением герметичности, при этом труба или сосуд становятся непригодными к использованию.
Так, известен способ изготовления трубы (патент RU №2323827, 13.03.2006), включающий непрерывную намотку материала с нитераскладчика на оправку и перемещение трубы по ней через камеру полимеризации.
В целях повышения износостойкости и надежности труб некоторые способы включают армирование.
Известна многослойная труба и способ ее изготовления (патент RU №2293897, 10.10.2005). Труба содержит футеровочный слой, герметизирующий слой, продольный слой арматуры и поперечный слой арматуры, расположенные последовательно по толщине стенки трубы. Слои арматуры выполнены из непрерывных волокон, погруженных в блок полимерного связующего. Футеровочный слой, герметизирующий слой и продольный слой арматуры выполнены в виде отдельной трубы-заготовки, при этом на ее внешней поверхности имеется шероховатость со средней высотой неровностей не менее 2,5 микрон. При этом герметизирующий слой и футеровочный слой выполнены в виде отдельных полос, расположенных вдоль оси трубы, а продольные края полос каждого слоя соединены между собой внахлест. Поперечный слой трубы располагается на внешней поверхности трубы-заготовки, при этом между шероховатой внешней поверхностью трубы-заготовки и поперечным слоем арматуры расположен слой адгезива, угол наклона волокон в поперечном слое арматуры составляет от ±89,9° до ±45°. Соотношение толщин продольного слоя арматуры и поперечного слоя арматуры составляет от 1:5 до 5:1. В указанном способе изготовления многослойной трубы футеровочный, герметизирующий и продольный слои арматуры формируют методом пултрузии, при этом волокна продольной арматуры, полосы герметизирующего и футеровочного слоев подаются с отдельных накопителей, проходят через пропиточную ванну с раствором связующего, а затем они совместно протягиваются через разогретую фильеру пултрудера с помощью тянущего устройства, в результате чего получается отвержденная герметичная труба непрерывной длины с преимущественно продольным армированием, которая затем нарезается на отрезки заданной длины, после чего на пултрузионной трубе-заготовке организуется шероховатость, затем труба-заготовка устанавливается в намоточное устройство, состоящее из накопителя волокон продольной арматуры и привода, и производится намотка поперечных слоев арматуры, пропитанных полимерным связующим с помощью пропиточной ванночки, а оправкой служит упомянутая пултрузионная труба-заготовка.
Известен способ изготовления высокопрочного композитного баллона (патент RU №2100200, 1994.12.13), характеризующийся тем, что на цилиндрическую оправку наматывают внутреннюю часть слоев баллона, проводят их полимеризацию и отверждение, устанавливают в выдувную машину, образованную цилиндрическую оболочку, затем внутреннюю полимерную оболочку выдувают в цилиндрическую оболочку, являющуюся формой, а потом производят намотку внешней части композитных слоев на отвержденные внутренние композитные слои с размещенной внутри них внутренней полимерной оболочкой. Композитные слои наматывают с повышенным натяжением.
Наиболее близким по совокупности признаков к предлагаемому является способ изготовления комбинированной трубы (RU №2150629, 19.10.1998), включающий установку на оправке полиолефиновой (полиэтиленовой) трубчатой заготовки, нанесение на нее слоя сэвилена, намотку стеклопластикового материала, последующую термообработку с полимеризацией и охлаждением, и снятие готовой трубы, при этом трубчатую заготовку берут с внутренним диаметром, меньшим диаметра оправки с натягом, устанавливают на ней или сначала калибруют на размер, больший диаметра оправки, и с зазором устанавливают на ней, после чего выдергивают до беззазорного сопряжения с оправкой.
К недостаткам известного способа следует отнести низкую адгезию слоя сэвилена к стеклопластику. Коэффициент линейного термического расширения полиолефинов на два порядка выше, чем у стеклопластиков. Поэтому при положительных температурах внутренний полиолефиновый слой, расширяясь, оказывает давление на внешний слой из стеклопластика. При отрицательных температурах внутренний слой уменьшается в диаметре, что приводит к отрыву внешнего слоя и, как следствие, расслоению конструкции трубы. Указанные обстоятельства приводят к снижению сроков эксплуатации и надежности труб.
Целью изобретения является повышение герметичных свойств труб (сосудов) и надежности изделий за счет уменьшения разрушающих напряжений в первом слое.
Указанная цель достигается за счет несимметричной намотки окружных слоев, то есть неравенства количества спиральных проходов с положительными и отрицательными углами намотки. Таким образом, в конструкции стенки трубы при нагружении внутренним давлением создаются крутящие напряжения, препятствующие появлению трещин в первом слое и преждевременной разгерметизации трубы. Разгерметизация трубы происходит из-за разрушения целостности конструкции на границе между фазами: армирующий материал - связующее, за счет действия напряжений нормальных к армирующей нити и касательных напряжений. Напряжения возникают как следствие воздействия внутреннего давления, осевых и иных возможных механических нагрузок. Разгерметизация начинается при нарушении целостности первого слоя, контактирующего с транспортируемой средой. Вследствие неравенства количества слоев, намотанных с положительными и отрицательными углами, в стенке трубы возникают крутящие напряжения. При этом соотношения слоев подбираются таким образом, чтобы крутящие напряжения уменьшали нормальные и касательные напряжения в первом слое трубы, который контактирует с транспортируемой средой. Таким образом, улучшаются герметичные свойства трубы (сосуда). Предлагаемый способ также уменьшает трудоемкость процесса изготовления трубы и уменьшает затраты на производство, так как уменьшается количество спиралеобразных проходов и снижается вес трубы.
Осуществление изобретения
Изготовление насосно-компрессорной трубы для работы в скважинах производится методом намотки со следующими параметрами:
- внутренний диаметр 2 1/2 дюйма,
- каждый слой состоит из 90 жгутов стеклоровинга 735 tex., одновременно наматываемых на намоточную оправку,
- смола - эпоксидная,
- отвердитель - ароматические амины.
Условная схема намотки:
13 поперечных (спиралеобразных) слоев под углом 54,75°,
5 продольных (осевых) слоев под углом 6°.
Эксплуатационные параметры для трубы: рабочее давление - 10 МПа, давление испытательное - 15 МПа, давление разгерметизации - 32-35 МПа.