МНОГОСЛОЙНЫЙ ПОЛИМЕРНЫЙ РУКАВ

Полезная модель относится к облицовочному материалу для трубопроводов, в частности, к полимерному рукаву, предназначенному для проведения текущего и капитального ремонта газопроводов посредством бестраншейной санации.
Санация трубопроводов - это бестраншейная технология ремонта, которая подразумевает протаскивание и выворот в старые трубы полимерного рукава, который выполнен из армирующего материала, пропитанного составом связующих веществ. После установки изделия внутрь трубопровода полимерный рукав отверждается под воздействием температуры и избыточного давления.
Использование таких гибких полимерных рукавов позволяет получить новую прочную трубу, плотно примыкающую к стенкам ремонтируемого трубопровода на любом сложном участке и в точности повторяющую его геометрию. При этом сам рукав может представлять собой самонесущую конструкцию.
По системе U-Liner известен полимерный рукав, представляющий собой полиэтиленовую трубу с эффектом термической памяти (например, http://zvt.abok.ru/articles/86/Bestransheinaya sanatsiya, просмотрено 01.06.2020 г.). В заводских условиях при производстве осуществляется «складывание» тонкостенной трубы в U-образный профиль, что меньший по габаритам, чем исходная труба, что позволяет заводить ее в санируемую трубу методом протаскивания. Затем лайнер наполняется горячим воздухом и под действием избыточного давления и высокой (до 100°С) температуры расправляется, принимая эксплуатационную форму.
Данный рукав не является самонесущим, то есть он не способен самостоятельно выдерживать эксплуатационные внешние нагрузки в случае разрушения стенок трубопровода. При этом из-за относительно толстой стенки полимерного рукава существенно снижается проходное сечение
трубопровода, что при пропускании доремонтного потока носителя приводит к дополнительной нагрузке на стенки санированного трубопровода и вероятности их последующего разрушения, которое может произойти в любой момент и привести к аварийной ситуации. К тому же, такой рукав предназначен по большей части для ремонта водопроводных труб и труб с другими неагрессивными носителями. Для использования в трубопроводах с более агрессивными средами его применение невозможно.
Известно покрытие внутренней поверхности трубопровода (патент РФ №2184304, опубликовано 27.06.2002 г.), содержащее две коаксиально расположенные трубчатые пленочные оболочки на основе термопластичного полимерного материала, одна из которых - внешняя прилегает к внутренней поверхности трубопровода, а другая - внутренняя отделена от нее коаксиальным армирующим слоем, пропитанным отверждаемым полимерным связующим, при этом внутренняя трубчатая пленочная оболочка совместно с армирующим слоем выполнена из полотна, боковые кромки которого герметично соединены друг с другом, а термопластичный полимер выбран из группы, содержащей полиэтилен низкой плотности, полиэтилен сверхвысокомолекулярный, полипропилен, сополимер пропилена с винилацетатом, поливинилхлорид и термопластичный полиуретан. Армирующий слой представляет собой синтетический волокнистый нетканый материала, например, синтетический войлок на основе полиэфирных и/или полипропиленовых волокон. Между внешней трубчатой пленочной оболочкой и основным армирующим слоем коаксиально размещают дополнительный армирующий слой из стеклоткани. Основной и дополнительный армирующие слои пропитывают связующим на основе ненасыщенной полиэфирной смолы.
Также известен полимерный рукав, используемый для реконструкции газопроводов по технологии «Феникс» (http://www.mos-gaz.ru/technology/sanatsiva/. просмотрено 01.06.2020 г.), который
изготавливается из полиэфирных и нейлоновых нитей, пропитанных полиэтиленом. Бесшовный полимерный рукав протягивается в полость трубы на всю длину ремонтного участка с плотной фиксацией его внутренней оболочки к внутренней поверхности газопровода с помощью предварительно нанесенных клеевых составов (эпоксидной смолы) и давления воздуха (пара) или воды.
Указанные полимерные рукава являются самонесущими, то есть при разрушении трубопровода какое-то время способными удерживать нагрузку и поддерживать работоспособное состояние трубы. Также данные полимерные рукава могут быть использованы в газопроводах и трубопроводах, по которым протекают другие агрессивные среды и для транспортировки которых предъявляется больше требований к безопасности.
Однако в процессе эксплуатации таких полимерных рукавов на их стенки могут воздействовать разнонаправленные напряжения, возникающие от избыточного давления прокачиваемого газа и/или внешних нагрузок на газопровод. В случае использования стандартных слоев стеклоткани и слоев полиэфирных и нейлоновых нитей в составе армирующего слоя полимерных рукавов указанные конструкции оказываются не способными обеспечить необходимую компенсацию избыточных разнонаправленных напряжений, что приводит к тому, что излишняя нагрузка перегружает стенки трубопровода и постепенно разрушает их.
Известен трубчатый облицовочный материал для укрепления трубопроводов (патент РФ №2317474, опубликовано 20.02.2008 г.), принятый за наиболее близкий аналог к заявляемому решению, который наносится на внутреннюю поверхность трубопровода, связующее вещество размещается между трубопроводом и трубчатым облицовочным материалом. Указанный материал содержит внешний слой из непроницаемого материала и расположенную внутри него.
армирующую трубчатую оболочку, которая содержит, по меньшей мере, два листа волокон с высокой прочностью на разрыв. В частности, материал содержит текстильный нетканый материал, нетканый литьевой материал или текстильное полотно с густым ворсом, или тканую, плетеную или вязаную текстильную структуру или гибкий, пористый и абсорбирующий слой, такой как пена с открытыми порами. Материал внешнего слоя представляет собой материал, выбранный из группы, которая включает природные и синтетические каучуки, полиэстеровые эластичные полимеры, полиолефиновые полимеры, полиолефиновые сополимеры, полиуретановые полимеры, поливинилхлоридные полимеры или их смесь. Связующее вещество представляет собой смолу или клей, выбранные из группы, состоящей из отверждающегося при нагревании материала или материала холодного отверждения, такого как полиуретан и другие смолы и эфиры.
Рассмотренная конструкция является самонесущей и может быть использована для транспортировки газа. Кроме того, полимерный рукав предполагает использование в качестве внешней оболочки, контактирующей с пропускаемой средой, полиуретанового слоя, а в качестве связующего вещества, пропитывающего армирующий слой - полиуретановой смолы. Учитывая химическую родственность материалов связующего и герметизирующего слоя, в данном случае обеспечивается полная адгезия связующего не только с основой из нетканого материала, как это происходит при всех известных технологиях полимерного рукава, но и непосредственно с герметизирующим слоем, образуя единый комплекс.
Однако указанной конструкции присущи те же недостатки, которые были рассмотрены выше для аналогов. Использование стандартного армирующего слоя не позволяет компенсировать разнонаправленные избыточные нагрузки, воздействующие на стенки полимерного рукава, а также внешние нагрузки на газопровод.
Технической проблемой, решаемой настоящей полезной моделью, является создание многослойного полимерного материала, выгодно расширяющего линейку аналогичной продукции на рынке, а также позволяющего получить высоконадежное изделие, которое при простоте монтажа позволит обеспечить длительный межремонтный срок службы трубопровода.
Техническим результатом настоящей полезной модели является повышение надежности при эксплуатации полимерного рукава и трубопровода за счет обеспечения компенсации разнонаправленных напряжений при избыточном давлении перекачиваемого газа и внешних нагрузках на трубопровод.
Технический результат достигается при использовании многослойного полимерного рукава, содержащего газонепроницаемый эластомер, расположенный со стороны транспортируемой среды по трубопроводу, слой мультиаксиального полотна из стеклянных ровинговых нитей, слой нетканого материала на основе синтетических волокон, при этом слои мультиаксиального полотна и нетканого материала на основе синтетических волокон пропитаны связующим веществом, а стеклянные ровинговые нити расположены в слое мультиаксиального полотна в соответствии с направлением разрушающих усилий в полимерном рукаве.
В контексте настоящей заявки под осевой нагрузкой понимается нагрузка, параллельная оси трубопровода. Под радиальной нагрузкой понимается нагрузка, направленная вдоль вектора радиуса от оси трубопоровода.
В контексте настоящей заявки под мультиаксиальной тканью (полотном) понимается текстильный нетканый материал, один слой которого состоит из нескольких слоев нитей, ориентированных в различных направлениях в соответствии с заданной схемой армирования, рассчитанной исходя из оказываемой на материал нагрузки.
При преимущественно радиальных предполагаемых нагрузках на полимерный рукав углы укладки ровинговых нитей будут ближе к 90°, а при преимущественно осевых нагрузках - ближе к 0° или 180°.
Направление и взаимное расположение ровинговых нитей в мультиаксиальном полотне имеет определяющее значение для его способности воспринимать разнонаправленные нагрузки. Для определения углов взаимного расположения ровинговых нитей определяется преимущественное направление разрушающих усилий в полимерном рукаве. Чем больше проекция основной нагрузки на волокно в мультиаксильном полотне, тем больше компенсирующее свойство этого волокна в качестве армирующего агента. Направление и толщина ровинговых нитей в слое мультиаксильного полотна обеспечивают оптимальное распределение усилий внутри каждого мата.
Например, при радиальном распределении максимальных напряжений на полимерный рукав 4-направленное плетение ровинговых нитей внутри одного слоя мультиаксиального полотна выглядит как 90°-60°-120° и в итоге обеспечивает при одинаковом расходе ровинга большую прочность в радиальном направлении полимерного рукава. При равномерном распределении максимальных напряжений на полимерный рукав 4-хнаправленное плетение ровинговых нитей внутри одного слоя мультиаксиального полотна выглядит как 0°-90°-45°-135° и обеспечивает прочность как при осевой нагрузке, так и при радиальной нагрузке на полимерный рукав.
Таким образом, правильно выбранные углы укладки (плетения) ровинговых нитей позволяют компенсировать максимально возможные напряжения, возникающие в полимерном рукаве при его эксплуатации от избыточного давления прокачиваемого газа и/или внешних нагрузок на трубопровод.
В частном случае, полимерный рукав содержит несколько слоев мультиаксиального полотна и несколько слоев нетканого
материала на основе синтетических волокон, которые располагаются попеременно друг с другом, либо полимерный рукав содержит несколько последовательно расположенных слоев мультиаксиального полотна и только два слоя нетканого материала - со стороны стенки трубопровода и со стороны пропускаемого по трубопроводу носителя.
В частном случае, все слои мультиаксиального полотна из стеклянных ровинговых нитей и нетканого материала на основе синтетических волокон прошиты полиэфирной нитью иглопробивным способом, что обеспечивает надежную фиксацию всех слоев в необходимом положении до полимеризации связующего вещества.
В частном случае, в качестве нетканого материала на основе синтетических волокон используется синтетический войлок, который исключает прямой контакт между соседними слоями мультиаксиального полотна и предотвращает трение между разнонаправленными ровинговыми нитями внутри каждого слоя мультиаксиального полотна, а также создает дополнительное депо для связующего вещества.
При этом в качестве нетканого материала на основе синтетических волокон могут быть использованы любые другие материалы, которые выполняют аналогичную функцию в данной области техники.
В частном случае, в качестве связующего вещества используется полиуретановая смола, которая имеет высокие прочностные характеристики и близкий к стеклянному ровингу коэффициент линейного расширения.
Кроме того, для повышения прочностных характеристик связующего в связующее вещество может быть дополнительно введен наполнитель в виде рубленных стеклянных, базальтовых, арамидных или угольных нитей. Это также придаст связующему тиксотропные свойства, что позволит более качественно пропитывать полимерный рукав.
При этом в качестве связующего вещества могут быть использованы любые другие эпоксидные и полиэфирные смолы, которые стандартно используются в данной области техники.
В частном случае, в качестве газонепроницаемого эластомера, расположенного со стороны транспортируемой среды по трубопроводу, используется покрытие из термопластичного полиуретана. Данный материал обладает высокой газонепроницаемостью по отношению к природному газу (ГОСТ 5542-2014), полностью соответствующей требованиям ГОСТ Р 58096-2018 «Требования к сетям газораспределения» (Часть 6, п. 4.2, Таблица 2).
Кроме того, как и в случае наиболее близкого аналога, гарантируется полная адгезия связующего не только с основой из нетканого материала, но и непосредственно с герметизирующим слоем, образуя единый комплекс, что значительно повышает надежность функционирования полимерного рукава и газопровода.
При этом в качестве газонепроницаемого эластомера допускается применение других термопластичных материалов, например, полиэтилена, полипропилена, поливинилхлорида, полиамида и др.
На фиг. 1 изображен разрез газопровода с введенным в него заявляемым многослойным полимерным рукавом.
На фиг. 2а показан вариант расположения стеклянных ровинговых нитей в слое мультиаксиального полотна при 4-хнаправленном плетении и воздействии преимущественно радиальных нагрузок на полимерный рукав и стенки трубопровода, на фиг. 2б показан вариант расположения стеклянных ровинговых нитей в слое мультиаксиального полотна при 4-хнаправленном плетении и воздействии равномерных нагрузок на полимерный рукав и стенки трубопровода.
Газопровод содержит стенку стальной трубы 1, которая подвергается ремонту. Многослойный рукав содержит слой нетканого материала на основе синтетических волокон (синтетический войлок) 2, мультиаксиальный слой из ровинговых стеклянных нитей 3, слой нетканого материала на основе синтетических волокон 4, защитную пленку в виде газонепроницаемого эластомера 5. Внутри газопровода перемещается транспотируемая среда 6 - газ (фиг. 1).
Каждый слой мультиаксиального полотна формируется за счет послойного наложения друг на друга ровинговых нитей с их возможной последующей фиксацией за счет сквозной прошивки. Внутри каждого слоя может быть расположено 4 или 6 слоев ровинговых нитей.
При воздействии преимущественно радиальных нагрузок на полимерный рукав и стенки трубопровода слой мультиаксиальной ткани формируется следующим образом.
При 4-хнаправленном плетении первый слой нитей укладывается под углом 0°, то есть его направление укладки совпадает с направлением оси трубопровода. Второй слой нитей укладывается под углом 90°, то есть его направление укладки совпадает с поперечной (радиальной) нагрузкой, которая может воздействовать на полимерный рукав и стенки трубопровода. Третий и четвертый слои ровинговых нитей укладываются под углом 60° и 120°. То есть эти два слоя имеют расположение, близкое к 90° и таким образом позволяют дополнительно компенсировать возможные отклонения при воздействии радиальной нагрузки (фиг. 2а).
При воздействии равномерных нагрузок на полимерный рукав и стенки трубопровода слой мультиаксиальной ткани формируется следующим образом.
При 4-хнаправленном плетении первый слой нитей укладывается под углом 0°, то есть его направление укладки совпадает с направлением оси трубопровода. Второй слой нитей укладывается под углом 90°, то есть его направление укладки совпадает с поперечной (радиальной) нагрузкой, которая может воздействовать на полимерный рукав и стенки трубопровода. Третий и четвертый слои ровинговых нитей укладываются под углом 45° и 135°. То есть эти два слоя расположены равномерно между осевым и радиальным направлением нагрузки, что позволяет компенсировать разнонаправленные возникающие напряжения (фиг. 2б).
В многослойном полимерном рукаве несколько слоев мультиаксиального полотна из ровинговых стеклянных нитей и несколько
слоев нетканого материала на основе синтетических волокон чередуются друг с другом и прошиваются полиэфирной нитью иглопробивным способом. Такая прошивка производится до установки полимерного рукава в трубопровод.
Далее все вышеуказанные слои пропитываются связующим веществом, в частности полиуретановой смолой. Затем полимерный рукав вводится в проектное (эксплуатационное) положение. Внутрь него нагнетается пар при температуре 105-130°С или горячая вода при температуре 85-95°С для запуска ускоренной полимеризации связующего. При этом, с учетом времени на прогрев стенки старой трубы (которая для полимерного рукава при полном контакте будет являться радиатором с отведением части тепла в окружающий грунт), время полной полимеризации полиуретановой смолы в рукаве составляет не более 2-3 часов.
Для повышения тиксотропных свойств в связующее вещество может быть дополнительно введен наполнитель в виде рубленных стеклянных, базальтовых, арамидных или угольных нитей.
2
2
Газонепроницаемый эластомер, в частности покрытие из термопластичного полиуретана, наносится наливкой (прямой экструзией через щелевую головку) на нетканую основу из синтетических волокон. Плотность полотна составляет 150-200 г/м (в зависимости от требований к рабочему давлению санируемого участка и прочности конструкции рукава). Плотность наливки - 600±100 г/м. При этом толщина полиуретанового герметизирующего слоя составляет достигает 0,6±0,1 мм.
Заявляемое решение позволяет выдерживать любые внутренние и внешние нагрузки, компенсируя и амортизируя внутри слоев полимерного рукава все неравномерные напряжения, что значительно повышает надежность и срок службы газопровода, минимизируя риск возникновения аварийной ситуации.
Кроме того, заявляемое решение позволяет уменьшить расходы на земляные и восстановительные работы и увеличить скорость проведения
работ. При этом уменьшается размер строительной площадки, не требуется перекрытия движения транспорта в районе проведения работы, использования громоздкого оборудования. Также обеспечивается полная безопасность для коммуникаций, расположенных рядом с санируемым газопроводом.