Применение эффекта «Памяти формы» у эпоксидных полимеров при создании муфто-клеевых соединений трубопроводов

И. В. Строганов, В. Ф. Строганов, О. В.Стоянов

ПРИМЕНЕНИЕ ЭФФЕКТА «ПАМЯТИ ФОРМЫ»

У ЭПОКСИДНЫХ ПОЛИМЕРОВ ПРИ СОЗДАНИИ МУФТО-КЛЕЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ТРУБОПРОВОДОВ

Ключевые слова: эпоксидные полимеры, эффект «памяти формы».

Показано создание простого в применении, прочного и надежного муф-то-клеевого соединения трубопроводов.

Key words: epoxy polymers piping effect «shape memory».

Displaying a simple to use, durable and reliable clutch-adhesive joint pipeline.

Ранее нами показана возможность создания у эпоксидных полимеров (ЭП), являющихся реактопластами, эффекта «памяти формы» (ЭПФ) реализующийся в процессе термической усадки [І]. Это новое свойство ЭП позволяет существенно расширить диапазон их применения, в том числе при создании муфто-клеевых соединений (МКС) трубопроводов. Однако при создании подобных МКС необходимо учитывать упруго-деформационные характеристики клея и удобность его применения в сочетании с приданием муфтоклеевому соединению необходимой прочности. МКС удовлетворяющие таким условиям позволяют соединять трубопроводы даже из разнородных материалов.

При соединении ТП, эксплуатирующихся в сложных инженерных условиях, желательно усилить места соединения - стыки труб, так как возможно возникновение в муфте мест повышенных концентраций напряжений (условия длительной эксплуатации при наличии изгибных деформаций, процесс монтажа), что может привести к потере герметичности и преждевременному разрушению трубопровода.

Следовательно для достижения цели - создания простого в применении, прочного и надежного муфто-клеевого соединения трубопроводов необходимо выбрать клей, удовлетворяющий упруго-деформационным характеристикам термоусаживающейся муфты (ТУМ) с «памятью формы», одновременно упростить процесс монтажа МКС и снизить возможные изгибные и гидродинамические деформации, неизбежно возникающие при гидроударах давления.

В качестве объектов исследования мы выбрали ТУМ диаметром 60 мм [2], поскольку он самый распространенный например в газовом хозяйстве и несколько видов клеев для сравнения одно- (УП 16-06) и двухупаковочных (ОУК), ранее применявшихся в подобных соединениях [3], а также клеи для склеивания металлических образцов и стеклопластиков К-147 и К-139.

Экспериментальная часть

Испытания, заранее изготовленных МКС при сдвиге производили с использованием устройства (рис. 1) при скорости движения толкателя 10 мм/мин. [4, 5]

1З9

Для сравнения испытывали МКС, полученных при использовании двух вариантов клеев: выбранный нами серийно выпускаемый одноупаковочный клей УП16-06 и опытный Украинский клей (ОУК).

Для подтверждения преимущества применимости одноупаковочного клея необходимо было определить и сравнить модули сдвига и упругости клеевого шва у обоих клеев.

Модуль сдвига клеевого шва 0к определяется по формуле: бк = Т/Ук,

где т -разрушающее напряжение; vк -относительный сдвиг;

Разрушающее напряжение определяли также при испытаниях на сдвиг, склеенных внахлестку различных металлов (табл. 1), поскольку МКС могут применяться для соединения разнородных трубопроводов.

Модуль упругости клеевого шва Ек находили по формулам:

Ек = о/£к,

где о - среднее напряжение, £к - деформация клеевых швов

По установленным в эксперименте значениям (табл. 2) бк и Ек находили коэффициент Пуассона клеевого шва по формуле:

Vk = (Ек/20к)-1.

Для усиления стыков - мест соединений труб нами разработан способ соединения, заключающийся в следующем - внутри соединяемых труб устанавливают с натягом центрирующую втулку, например, стеклопластиковую.

На соединяемые поверхности (концы труб и поверхность муфты) наносят эпоксидный клей, жизнеспособность которого в диапазоне температур термоусадки муфты значительно больше времени, необходимого для термоусадки муфты. Концы труб, муфт состыковывают и фиксируют, и затем места контакта соединяемых поверхностей нагревают до температуры термоусадки муфты. Время нагревания должно обеспечить полную усадку муфты, отверждение клея может происходить как без подвода тепла (~24часа), так и при повышении температуры.

Используемая центрирующая втулка изготавливается навивкой псевдоленты, представляющей собой жгут, например из стекловолокна, обвивающий две крайние нити, при этом угол между жгутом и образующей втулки составляет 5-10о. Модуль упругости изготовленной таким образом стеклопластиковой втулки составляет в осевом направлении 25000 - 30000 МПа, в тангенциальном - 10000 Мпа. Оеспечение угла намотки меньше 5о трудноосуществимо технологически. Увеличение угла больше 10о изменяет необходимое соотношение прочности (2,5-3) втулки в осевом и тангенциальном направлениях.

Длина центрирующей втулки выбрана в пределах 1,1-1,5 длины термоусаживающейся муфты. При длине менее 1,1 краевые эффекты или повышение концентрации напряжений существенно не снижаются. Увеличение длины втулки более 1,5 длины муфты не приводит к выигрышу в прочности, но увеличивает расход материала.

Обсуждение результатов

При проведении испытаний разрушающего напряжения тСр при сдвиге необходимо было понять, насколько повышается тСр при обработке поверхностей пескоструйным устройством и имеются-ли технологические и экономические необходимости применения этого вида обработки. Результаты (табл. 1) наглядно свидетельствуют, что применяя и

Рис. 1 - Образец муфто-клеевого соединения: 1 -оправки; 2 - ТУМ; 3 - клеевая прослойка; 4 -толкатель; 5 - цилиндрический упор

ОУК и УП 16-06 опескоструивание повышает разрушающее напряжение незначительно. В гораздо большей степени тСр зависит как от самих склеиваемых субстратов (разрушающие напряжения различны), так и от применяемого клея (на клее УП 16-06 значения разрушающих напряжений превышают значения клея-аналога для всех рассмотренных субстратов).

Таблица 1 - Результаты испытания МКС на растяжение

Склеиваемые материалы Вид обработки поверхности Марка клея Разрушающие напряжения при сдвигетср, МПа

Сталь о ОУК 6,2

Сталь п+о ОУК 6,4

Сталь о УП 16-06 7,2

Сталь п+о УП 16-06 7,5

Дюралюминий о ОУК 5,7

Дюралюминий п+о ОУК 5,9

Дюралюминий о УП 16-06 7,1

Дюралюминий п+о УП 16-06 7,3

Чугун о ОУК 7,1

Чугун п+о УП 16-06 8,6

Бронза о ОУК 4,3

Бронза п+о УП 16-06 5,6

Вид обработки : о-обезжиривание; п-опескоструивание.

В результате проведенных испытаний мы остановили выбор на клее УП 16-06, который также удобен в применении, являясь одноупаковочным. Для него определены модули сдвига, упругости и коэффициент Пуассона (см.табл 2). В качестве сравнения в табл. 2 приведены характеристики двух известных клеев: К-147 и К-139 для склеивания металлических образцов и стеклопластиков.

После того как бал выбран клей для МКС необходимо было провести гидравлические испытания муфто-клеевого соединения [2]. Результаты гидравлических испытаний показали, что в контрольной серии трубных соединений исследуемый стык выдержал максимальное внутреннее давление жидкости (воды) величиной 8 МПа. Потеря герметичности происходила вследствие разрушения клеевого слоя. Для усиления стыка при использовании центрирующей втулки муфто-клеевое соединение сохраняло герметичность при многократном (более 10 циклов) нагружении в интервале давлений 4-8 МПа. Давление разрушения клеевого слоя составило 13 МПа.

Таблица 2 - Характеристики клеев

Марка клея Gk, МПа Ek, МПа Vk

УП 16-06 В91 21ВВ 0,22В

К-147 660 1В00 0,35

К-139 1200 3100 0,25

Как видно, совместное применение термоусаживающейся муфты из эпоксидного полимера и центрирующей втулки, условия изготовления которой обуславливают соотношение жесткости в тангенциальном (окружном) и осевом направлении равное 1 : 2.5-3, позволяет существенно увеличить предельное давление жидкости в трубах. Одновременно с этим достигается повышение прочности соединения при изгибе.

Таким образом, поставленная задача по достижению разрушающих напряжений, не уступающих опытному клею-аналогу (ОУК) достигнуто на серийно выпускаемом одноупаковочном клее УП 16-06, а в результате применения центрирующей стеклопластиковой втулки расширяются функциональные возможности муфто-клеевого соединения и улучшаются его эксплуатационные характеристики.

Литература

3. Строганов, В. Ф.Сетчатые полимеры с «памятью формы» / В.Ф. Строганов [и др.]// Науч.-техн. сб. Всероссийск. конф. «Техн. химия. Достижения и перспективы». - Пермь, 2006. - С. 22-27.

4. Строганов, И.В. Экспериментальное исследование механических характеристик термоусажи-вающихся муфт и муфто-клеевых соединений. Механика композиционных материалов и конструкций / И.В. Строганов [и др.]. - Москва, 2005. Т.ІІ, №3 - с. 321-336

5. Страхов, Д.Е. Разработка эпоксидных композиций, технологий получения термоусаживающих-ся муфт, муфто-клеевых соединений на их основе: дисс. ... канд. техн. наук / Д.Е. Страхов. - Казань, 2004. - 150 с.

6. Пат. РФ № 2216679 приор. 10.11.2003 Опубл. БИ № 32 от 20.11.2003 Способ неразъемного соединения труб / В.А. Белошенко [и др.].

7. Пат. РФ №2253659, приор. 27.02.03, Опубл. БИ №16 10.06.05 Композиция для изготовления термоусаживающихся изделий / И.В. Строганов [и др.].

© И. В. Строганов - канд. техн. наук, доц. каф. промышленной безопасности КГТУ, e-mail -tarhankut68@mail.ru; В. Ф. Строганов - д-р хим. наук, проф., зав каф. химии и экологии в строительстве КазГАСУ; О. В. Стоянов - д-р техн. наук, проф., декан полимерного ф-та КГТУ.