ПЛАСТМАССОВАЯ ТРУБА

Полезная модель относится к области труб из пластических масс, выполненных с армированием, и может быть использована при создании полимерных трубопроводов для транспортирования жидких и газообразных сред.
Известна армированная полиэтиленовая труба, в которой несущим элементом является арматура из стальной проволоки (К.И. Зайцев "Применение пластмассовых труб на объектах газовой промышленности", Строительство трубопроводов 3, 1996 г., с.34).
Такая труба имеет ряд недостатков: относительно высокие массовые характеристики, пониженные прочностные характеристики в осевом направлении, высокую жесткость, невысокую работоспособность из-за отсутствия адгезии стальной арматуры к полиэтиленовому слою.
5
Известна другая труба, содержащая внутренний и наружный слои, между которыми расположены продольные нити из натурального или искусственного волокна и усиливающая ткань (заявка DE 3907785, МПК F16L 9/12).
Такая труба имеет лучшие массовые и прочностные характеристики. Однако она сложна в изготовлении, что объясняется необходимостью нанесения двух слоев армирующего наполнителя (слоя нитей из натурального или искусственного волокна и слоя из усиливающей ткани), а для варьирования физико-механическими характеристиками необходимо изготавливать разные усиливающие ткани. Кроме того, такая труба имеет низкие прочностные характеристики в направлении армирования поперечными нитями ткани, что объясняется прерывистостью поперечных нитей ткани.
7
Наиболее близкой к заявляемой и принятой в качестве прототипа является пластмассовая труба (патент RU 2205318, МПК, F16L 9/12), содержащая внутренний и наружный слои из термопластичного материала и расположенный между ними армирующий наполнитель из полимерного или минерального материала, выполненный в виде непрерывных нитей, углубленных в наружную поверхность внутреннего слоя и внутреннюю поверхность наружного слоя.
Такая труба проста в изготовлении и позволяет при ее изготовлении варьировать физико-механическими характеристиками.
Однако, такая труба имеет ограниченное применение, так как ограничено давление текучей среды, транспортируемой по трубопроводу, собранному из таких труб, и возможна негерметичность сварного соединения труб.
Задачей предлагаемой полезной модели является создание конструкции пластмассовой трубы с армирующим наполнителем, обеспечивающей возможность длительной эксплуатации трубопроводов за счет повышения несущей способности трубы в радиальном направлении и разгрузки в осевом направлении нитей армирующего наполнителя от внутреннего давления, и обеспечения герметичности стыкового сварного соединения армированных труб за счет недопущения выхода концов армирующих нитей во внутренний грат сварного соединения.
Эта задача решается усовершенствованием пластмассовой трубы, содержащей внутренний и наружный слои из термопластичного материала и расположенный между ними армирующий наполнитель из полимерного или минерального материала, выполненный в виде непрерывных нитей, углубленных в наружную поверхность внутреннего слоя и внутреннюю поверхность наружного слоя.
Это усовершенствование заключается в том, что нити армирующего наполнителя расположены под углом 75±2° к образующей трубы, отношение наружного диаметра трубы к суммарной толщине внутреннего и наружного слоев находится в пределах 7,5-8,5, а толщина внутреннего слоя составляет не менее 55% от общей толщины стенки трубы.
Расположение нитей армирующего наполнителя под углом 75±2° к образующей трубы, при отношении наружного диаметра к суммарной толщине внутреннего и наружного слоев в пределах 7,5-8,5, позволяет практически полностью воспринимать радиальную нагрузку от внутреннего давления нитями армирующего наполнителя, а осевую полностью несут внутренний и наружный слои из термопластичного материала.
Выполнение пластмассовой трубы с толщиной внутреннего слоя, составляющей не менее 55% от общей толщины стенки трубы, позволяет обеспечить герметичность стыкового сварного соединения армированных труб, так как концы армирующих нитей не выходят во внутренний грат сварного соединения.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена предлагаемая труба, поперечный разрез, на фиг.2 - внутренний слой трубы с армирующим наполнителем, на фиг.3 - график зависимости давления, выдерживаемого трубой при 50-ти летней эксплуатации от угла наклона α нитей армирующего наполнителя к образующей трубы, на фиг.4 - график зависимости доли осевой нагрузки на нити армирующего наполнителя от угла наклона α нитей к образующей трубы, на фиг.5 показано перемещение нитей при сварке встык нагревательным инструментом.
Предлагаемая пластмассовая труба содержит внутренний 1 и наружный 2 слои из термопластичного материала и расположенный между ними армирующий 3 наполнитель из полимерного или минерального материала. Армирующий наполнитель 3 выполнен в виде непрерывных нитей, углубленных в наружную поверхность 4 внутреннего слоя 1 и внутреннюю поверхность 5 наружного слоя 2. Нити армирующего наполнителя 3 расположены под углом α=75±2° к образующей трубы. Отношение наружного диаметра D трубы к суммарной толщине Н внутреннего 1 и наружного 2 слоев находится в пределах 7,5-8,5, а толщина h внутреннего слоя составляет не менее 55% от общей толщины Н стенки трубы.
i
При изготовлении трубы на пластифицированную путем разогрева наружную поверхность 4 внутреннего термопластичного слоя 1 намоткой с натяжением по спиральным линиям в двух взаимно противоположных направлениях наносят армирующий наполнитель 3 в виде непрерывных нитей из полимерного или минерального материала (при этом армирующие нити углубляются в наружную поверхность 4 внутреннего слоя 1 и образуют с ним надежное соединение), после чего наносят наружный термопластичный слой 2 (при этом частично выступающие над наружной поверхностью 4 внутреннего слоя 1 армирующие нити 3 углубляются во внутреннюю поверхность 5 наружного слоя 2, образуя прочное соединение, а между внутренним 1 и наружным 2 слоями образуется адгезионное соединение с высокими прочностными характеристиками). При этом за счет расположения нитей армирующего наполнителя под углом 75±2° к образующей трубы при отношении наружного диаметра к суммарной толщине внутреннего и наружного слоев в пределах D/h=7,5-8,5, позволяет практически полностью воспринимать радиальную нагрузку от внутреннего давления нитями армирующего наполнителя 3, а осевую полностью несут внутренний 1 и наружный 2 слои из термопластичного материала.
За счет выполнения пластмассовой трубы с толщиной внутреннего слоя 1, составляющей не менее 55% от общей толщины стенки трубы исключается выход концов армирующих нитей 3 во внутренний грат сварного соединения при сварке встык нагревательным инструментом 6, что обеспечивает герметичность стыкового сварного соединения армированных труб. Во время сжатия нагретых торцов свариваемых труб, концы нитей вместе с расплавленным пластическим материалом мигрируют в сторону наружной поверхности, обеспечивая герметичность внутреннего слоя (фиг.5).
50
Предлагаемой конструкции изготовили полиэтиленовые армированные полиэфирными нитями трубы, предназначенные для транспортировки жидких и газообразных сред под давлением до 4 МПа. Предельное давление разрушения трубы при непрерывной эксплуатации в течение 50 лет при запасе прочности 1,25 должно составлять не менее Р≥5 МПа.
Исходные материалы:
пэ
- полиэтилен трубный, категории ПЭ80 (предел длительной прочности на базе 50 лет σ=8 МПа),
н
- нить полиэфирная высокой прочности с пределом длительной прочности на базе 50 лет σ=540 МПа.
Нити уложены под углами ±α=75±2° к образующей с разрядкой не менее е=3 мм для обеспечения сварки между наружным и внутренним слоями.
Предельное давление разрушения трубы рассчитано по формуле:
н
где N=σ·А - разрывная нагрузка нити при длительном (50 лет) нагружении, А - площадь поперечного сечения нити, для нити 675 текс N=396 Н
D - наружный диаметр трубы, h - толщина стенки трубы.
d=D-2h - внутренний диаметр трубы.
50
Например, для D=110 мм, h=13 мм, d=84 мм зависимость Р (α) представлена на графике (фиг.3)
50
Наиболее рациональным значением угла α=75°±2°, т.к. выполняется требование P≥5 МПа.
При таком угле армирования нити практически не воспринимают осевую нагрузку от внутреннего давления, ее должен полностью нести полиэтилен.
Толщину трубы выбирают из условия:
Решением этого уравнения относительно величины D/h, характеризующей толщину трубы, является выражение:
50
пэ
подставив численные значения Р и σ, получим D/h=9,2.
Σ
Учитывая, что армированный слой не несет осевой нагрузки, толщину следует увеличить на 1…1,5 мм в зависимости линейной плотности нити. Так для D=110 мм суммарную толщину следует выбирать равной h=D/9,2+1=13 мм, и характеризуется параметром D/h=8,4.
Для труб с наружным диаметром D=160 мм используются нити с линейной плотностью 944 текс N=498 Н, D/h=9,2.
Учитывая, что армированный слой не несет осевой нагрузки, толщину следует увеличить на 1…1,5 мм в зависимости линейной плотности нити. Так для D=160 мм суммарную толщину следует выбирать h=D/9,2+1,5=19 мм, и характеризуется параметром D/h=8,4. Толщина h должна быть не менее D/8,4=19 мм, но не более D/7,5=21,3 мм. Разброс толщин регламентируется ГОСТ на полиэтиленовые трубы. Толщина внутреннего слоя должна быть от 10,5 до 11,7 мм, наружного слоя от 7 до 7,6 мм при толщине армированного слоя 1,5 мм.
На графике (фиг.4) приведена зависимость доли осевой нагрузки (создаваемой внутренним давлением), которую воспринимают нити армирующего наполнителя от угла расположения нитей армирующего наполнителя к образующей трубы.
Угол 75°±2° выбран исходя из того, что с одной стороны нити почти полностью освобождаются от несения осевой нагрузки (6-8%) и сосредотачиваются на восприятии радиальной нагрузки. Таким образом, повышается давление разрушения, полиэтилен при этом почти полностью воспринимает осевую нагрузку. SDR8,4 - максимальное значение (т.е. минимальная толщина), при котором обеспечивается прочность в осевом направлении, a SDR7,5 - получается за счет минимального разброса толщин при экструзии наружного и внутреннего слоев. Делать трубу толще (SDR≤7,5) - значит дополнительный расход материала и снижение проходного сечения трубы.
Таким образом, предлагаемая пластмассовая труба обеспечивает возможность длительной эксплуатации высоконапорных трубопроводов за счет повышения несущей способности трубы в радиальном направлении и разгрузки в осевом направлении нити армирующего наполнителя от внутреннего давления и обеспечивает герметичность стыкового сварного соединения армированных труб за счет недопущение выхода концов армирующих нитей во внутренний грат сварного соединения.