СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМБИНИРОВАННЫХ НАПОРНЫХ ТРУБ
METHOD OF MANUFACTURING COMBINED PRESSURE PIPES

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области изготовления неметаллических труб, рассчитанных на высокие внутренние давления от 20 атм и выше, предназначенных для транспортировки и хранения жидких и газообразных сред, а именно, к способам изготовления комбинированных напорных труб из полимеров и композиционных материалов.
Уровень техники
Известен способ изготовления комбинированной напорной трубы, включающий плазменную обработку внешней поверхности внутреннего герметизирующего слоя в виде трубной заготовки из полимерного материала, нанесение на него внешнего слоя из композиционного материала, включающего армирующие волокна и связующее, и отверждение связующего композиционного материала. Плазменную обработку трубной заготовки проводят в холодной плазме анормального тлеющего разряда в воздухе в проточном режиме при давлении 2÷10 Па. В качестве полимерного материала для трубной заготовки используют полиэтилен (Патент РФ 2488732. Опубл. 27.07.2013 г.).
Полученные с помощью известного способа изделия в виде комбинированных напорных труб представляют собой конструкции, состоящие из внутреннего герметизирующего слоя, изготовленного из полиэтиленовой трубной заготовки, и внешнего силового слоя, изготовленного известными технологическими способами из композиционного материала (композита). Этот способ изготовления изделия напорной комбинированной трубы включает три стадии: 1) плазменная обработка - прививка химически-активных групп и свободных радикалов на внешнюю поверхность полимерной трубной заготовки; 2) намотка на внешнюю поверхность полимерной заготовки слоя из композита; 3) отверждение связующего в композите.
2
Для осуществления стадии I проводили обработку полиэтиленовой трубной заготовки в холодной плазме анормального тлеющего разряда пониженного давления в воздухе в проточном режиме (режиме непрерывной смены рабочего газа - воздуха). Давление воздуха в вакуумной камере, в которой осуществляли обработку, поддерживали в пределах 2÷10 Па. Температура плазмы не превышала 50°С. Заготовку помещали в камеру таким образом, что ее внешняя поверхность находилась в области катодного падения разряда и обращена к цилиндрическому сеточному катоду, где концентрация активных частиц плазмы наиболее высока. Вкладываемая в плазму электрическая мощность на единицу поверхности заготовки составляла 0.03÷0.1 Вт/см, время экспозиции в плазме 15÷60 с. Для поддержания стабильных параметров плазмы по всей площади поверхности заготовки использовали сеточный катод.
Для получения комбинированной трубы на стадии II проводили спиральную намотку нитей жгута стеклоровинга на внешнюю поверхность трубной полимерной (полиэтиленовой) заготовки, предварительно смоченных связующим на основе полиэфирной смолы. Перед намоткой слоя композита, на поверхность вращающейся трубы наносился слой полиэфирного связующего наливом из емкости. Стадию III проводили методом холодного отверждения.
Достоинствами воздушного анормального тлеющего разряда пониженного давления, поддерживаемого в проточном режиме и равномерно распределенного по всей площади крупногабаритного образца, в сравнении с различными типами разрядов атмосферного давления является:
1) высокая экологическая чистота метода (отсутствие вредных химических веществ в техпроцессе);
2) возможность получать холодную плазму с активными частицами (температура газа в области плазмы существенно ниже температуры размягчения полимерного материала изделия и его термодеструкции), распределенную равномерно по всей площади электродов;
3) наиболее активная зона плазмы - оболочка плазмы, которая наблюдается в области катода, имеет достаточно большую толщину от 1 до 5 см, в зависимости от давления воздуха в вакуумной камере;
4) энергия ионов, атомов и молекул в зоне плазмы не превышает 0.028 эВ, а энергия электронов в зависимости от внешних параметров разряда (давление плазмообразующего газа, вкладываемая электрическая мощность) не превышает 15÷25 эВ, что позволяет проводить с высокой эффективностью обработку полимерного материала только на его поверхности (в атомарном слое - 10÷100 );
2
5) из пункта 2 вытекает возможность конструировать электроды, распределенные по всей поверхности изделия, имеющего большую площадь поверхности от единиц до десятков квадратных метров, что в свою очередь позволяет существенно снизить общее время экспозиции в плазме изделия до 15÷60 с, имеющего площадь поверхности более 10 м;
6) из пункта 3 вытекает отсутствие высоких требований к технологическим расстояниям между поверхностью изделия и электродами и отсутствие необходимости использования специальных оправок для полимерной трубной заготовки;
7) низкие электрические напряжения питания разряда 300÷600 В;
8) использование проточного режима позволяет существенно снизить и контролировать температуру газа в области холодной плазмы и непрерывно выводить из активной зоны летучие низкомолекулярные продукты взаимодействия поверхности полимерного материала с активными частицами плазмы.
Недостатками известного способа являются:
1) Использование полиэтилена в качестве внутреннего герметизирующего слоя, который обладает высокими герметизирующими свойствами только при сравнительно низких температурах, не превышающих 90-120°С, в зависимости от надмолекулярной структуры данного полимера, определяющей температуру плавления его кристаллитов.
2
2) Использование на стадии I (плазменной обработки) в качестве катода пространственно распределенного по всей внешней поверхности трубной полиэтиленовой заготовки электрода - цилиндрического катода, что, например, при вкладываемой в плазму минимальной электрической мощности на единицу поверхности заготовки 0.03 Вт/см и внешнем диаметре стандартной трубной заготовки 315 мм и длине 6 м приводит к высокой общей электрической мощности процесса плазменной обработки одной заготовки - 2000 Вт и более. Этот факт, в свою очередь, создает высокие требования к номинальным параметрам источника тока и элементам электрической цепи для питания разряда (изоляция, токовводы вакуумной рабочей камеры, элементы резистивного балласта).
Сущность изобретения
Задача, решаемая заявленным изобретением, заключается в создании способа изготовления комбинированной напорной трубы, устраняющего отмеченные недостатки.
Технический результат заключается: в повышении адгезионной прочности по границе «полимер/композит», приводящей к повышению устойчивости к температурным и климатическим перепадам в широком интервале:
Технический результат достигается за счет того, что изготавливают напорную комбинированную трубу, путем: во-первых, плазменной обработки внешней поверхности внутреннего герметизирующего слоя в виде трубной заготовки из полимерного материала, которую проводят в холодной плазме анормального тлеющего разряда в воздухе при вращении трубной заготовки вокруг собственной оси; во-вторых, нанесения на него внешнего слоя из композиционного материала, включающего армирующие волокна и связующее; в-третьих, отверждения связующего композиционного материала.
В частном случае реализации заявленного способа в качестве полимерного материала для трубной заготовки используют полипропилен, или поливинилхлорид, или фторопласт.
В частном случае реализации заявленного способа на внешнюю обработанную поверхность трубной полимерной заготовки наматывают спирально нити жгута стеклоровинга, предварительно смоченные связующим на основе полиэфирной смолы.
В частном случае реализации заявленного способа отверждение связующего композиционного материала проводят под воздействием температуры, светового облучения или химического катализатора.
Раскрытие изобретения
Способ изготовления комбинированной напорной трубы включает три стадии:
1) плазменная обработка - прививка химически-активных групп и свободных радикалов на внешнюю поверхность полимерной трубной заготовки;
2) намотка на внешнюю поверхность полимерной заготовки слоя из композита;
3) отверждение связующего в композите.
В качестве полимерного материала для трубной заготовки использован полипропилен, или поливинилхлорид, или фторопласт, а на стадии I плазменной обработки, трубную заготовку приводят во вращательное движение с помощью встроенного в рабочую плазмохимическую вакуумную камеру механизма вращения, обеспечивая тем самым поступательное последовательное прохождение каждого участка внешней поверхности заготовки через активную область плазмы тлеющего разряда.
Заявленный способ отличается от наиболее близкого аналога тем, что для изготовления внутреннего герметизирующего слоя трубных заготовок используют более термостойкие полимеры, такие как полипропилен, поливинилхлорид и фторопласт, имеющие более высокие температуры плавления кристаллитов, чем полиэтилен; на стадии I в рабочую камеру плазмохимической установки встроен механизм вращения трубной заготовки относительно ее оси, позволяющий более чем в 10 раз снизить площадь электродов, используемых в качестве катода, и, соответственно, во столько же раз уменьшить общую электрическую мощность, вкладываемую в процесс плазменной обработки одной заготовки.
Получение тестовых образцов комбинированных труб в приведенных ниже примерах осуществляли следующим образом:
- Стадию I проводили с использованием двух длинных плоскопараллельных сплошных металлических электродов шириной 50 мм, длина которых выбиралась равной длине образца трубной полимерной заготовки. Процесс плазменной обработки внешней поверхности заготовки осуществлялся в режиме анормального тлеющего разряда при вращении образца вокруг собственной оси. Время обработки 2 мин.
- На стадии II проводили спиральную намотку нитей жгута стеклоровинга на внешнюю обработанную поверхность трубной полимерной заготовки, предварительно смоченных связующим на основе полиэфирной смолы. Перед намоткой стеклопластикового слоя на поверхность трубы наносился слой связующего наливом из емкости на поверхность вращающейся трубы.
- Стадию III проводили методом холодного отверждения.
В результате получили образцы комбинированных напорных труб с внутренним герметизирующим слоем из полимера и силовым слоем из композита.
Для механических испытаний на внутреннее давление разрушения, циклические нагрузки внутренним давлением были изготовлены трубы длиной 1500 мм, внутренним диаметром 300 мм, толщиной внешнего силового слоя композита 10 мм.
Для получения результатов климатических испытаний образцов комбинированных труб, влияющих на образование дефектов (в виде отслоений по границе раздела полимер/композит), ухудшающих эксплуатационные характеристики труб, проводили 10 циклов нагрев - охлаждение. Стадия охлаждения осуществлялась в термокамере до отрицательной температуры -70°С при последующем хранении в течение 1 суток, а стадия нагрева проводилась до температур, указанных в примерах, иллюстрирующих действие изобретения, с последующим хранением в течение 1 суток. Наличие дефектов внутри стенки трубы в виде пустот или отслоений фиксировали методом ультразвуковой дефектоскопии. Дефектоскопия проводилась при последовательном сканировании поверхности стенки трубы с помощью дефектоскопа УД2Н-П и преобразователей ИМ1-126М с частотой 200 кГц.
Для определения адгезионной прочности между элементами стенки комбинированной трубы проводились испытания на отрыв внешнего силового слоя от внутреннего герметизирующего в радиальном направлении. Испытания проводились на образцах, произвольно вырезанных из разных частей труб, исходных и подвергавшихся испытаниям термоциклирования. Образцы вырезались из труб в направлении образующей. На наружной поверхности образцов (со стороны силового слоя) прорезались канавки на глубину силового слоя. После этого на наружную поверхность силового слоя компаундом холодного отверждения приклеивались «грибки», представляющие собой цилиндрические диски из алюминиевого сплава диаметром 25 мм. Испытания на отрыв проводились на машине УТС 110М-100 (машина для испытаний конструкционных материалов) с помощью ЭВМ, в ходе испытаний фиксировавшей усилие отрыва.
В табл. 1 приведены марка и состав технологических компонентов в смоле, используемой в качестве полимерного связующего в композите, и параметры процессов ее отверждения для различных примеров согласно изобретению.
2
В табл. 2 приведены результаты механических испытаний труб на давление разрушения до и после воздействия циклической нагрузки в течение 500 циклов внутренним гидравлическим давлением, меняющейся от 5 до 60 кгс/см.
В табл. 3 приведены результаты климатических испытаний образцов комбинированных труб на образование дефектов.
В табл. 4 приведены результаты испытаний адгезионной прочности между элементами стенки комбинированной трубы.
Пример 1
Для получения образцов комбинированных труб использовали полимерную трубную заготовку из полипропилена. Формирование композитного слоя на внешней поверхности заготовки, обработанной на стадии I, проводили с использованием в качестве связующего смолы марки Polipol 385. После процесса отверждения, режимы которого приведены в табл. 1, получали образцы комбинированных напорных труб, стенка которых состояла из двух слоев: внутреннего из полипропилена и внешнего из композита.
Результаты испытаний образцов труб по примеру 1 приведены в таблицах 2, 3 и 4.
Пример 2
Получение образцов комбинированных труб проводили по примеру 1, но в качестве связующего в композите использовали смолу марки Депол Х-400.
Результаты испытаний образцов труб по примеру 2 приведены в таблицах 2, 3 и 4.
Пример 3
Для получения образцов комбинированных труб использовали полимерную трубную заготовку из поливинилхлорида. Формирование композитного слоя на внешней обработанной поверхности заготовки проводили с использованием в качестве связующего смолы марки Polipol 385. После процесса отверждения получали образцы комбинированных напорных труб, стенка которых состояла из двух слоев: внутреннего из поливинилхлорида и внешнего из композита.
Результаты испытаний образцов труб приведены по примеру 3 в таблицах 2, 3 и 4.
Пример 4
Получение образцов комбинированных труб проводили по примеру 3, но в качестве связующего в композите использовали смолу марки Депол Х-400.
Результаты испытаний образцов труб по примеру 4 приведены в таблицах 2, 3 и 4.
Пример 5
Для получения образцов комбинированных труб использовали полимерную трубную заготовку из фторопласта. Формирование композитного слоя на внешней обработанной поверхности заготовки проводили с использованием в качестве связующего смолы марки Polipol 385. После процесса отверждения получали образцы комбинированных напорных труб, стенка которых состояла из двух слоев: внутреннего из фторопласта и внешнего из композита.
Результаты испытаний образцов труб по примеру 5 приведены в таблицах 2, 3 и 4.
Пример 6
Получение образцов комбинированных труб проводили по примеру 5, но в качестве связующего в композите использовали смолу марки Депол Х-400.
Результаты испытаний образцов труб по примеру 6 приведены в таблицах 2, 3 и 4.
Результаты испытаний показали, что предлагаемый способ позволяет изготовить комбинированную напорную трубу с внутренним герметизирующим слоем из различных полимерных материалов и силовым слоем из композита, обладающую следующими свойствами и характеристиками:
1) гарантированной сплошностью сшивки и высокой адгезионной прочностью по границе «полимер/композит» по всей площади испытанных образцов трубы;
2
2) высокой адгезионной прочностью между полимерным и композитным слоями, близкой к межслоевой прочности внутри композита, превышающей 35 кг/см;
2
2
3) возможностью эксплуатации при рабочих давлениях более 100 кгс/см, величина которых зависит от типа наполнителя и толщины композитного слоя (рабочее давление эксплуатации образцов труб, изготовленных по предлагаемому способу, с учетом коэффициента безопасности 3 составило около 100 кгс/см);
4) высокой устойчивостью к температурным климатическим перепадам в широком интервале:
- для трубы полипропилен/композит от -70°С до +130°С,
- для трубы поливинилхлорид/композит от -70°С до +150°С,
- для трубы фторопласт/композит от -70°С до +200°С.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет производить напорные комбинированные трубы с высокими эксплуатационными характеристиками при высокой технологичности производственного процесса и при снижении более чем в 10 раз электрической мощности, вкладываемой в процесс плазменной обработки, значительно снижая тем самым требования к параметрам технологического оборудования.