СПОСОБ НЕПРЕРЫВНОГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛИМЕРНОЙ АРМИРОВАННОЙ ТРУБЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR CONTINUOUS PRODUCTION OF REINFORCED POLYMER PIPE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Заявляемое изобретение относится к нефтегазовой отрасли, предназначено для строительства подземных и наземных трубопроводных систем, обеспечивающих транспортировку продуктов нефтяных скважин и водоводов, в частности, нефти, воды, газа, химических реагентов посредством трубопроводов на основе длинномерных многослойных полимерных труб.
Из уровня техники известен способ непрерывного изготовления металлополимерной трубы путем экструзионного формования, при котором сварку металлического армирующего каркаса производят одновременно несколькими парами роликовых электродов по числу пар спиралей, а сварочный ток подают на каждую пару роликовых электродов автономно, при этом количество пар роликовых электродов равно n/2, где n - количество армирующих спиралей, а центральный угол α в каждой паре между точками контакта электродов с поперечными армирующими спиралями равен 120-240°, причем сварочный ток подают на каждую пару роликовых электродов через свою пару токоподводящих коллекторов поочередно.
Установка для непрерывного изготовления металлополимерной трубы дополнительно снабжена бобинами, роликовыми электродами и токоподводящими коллекторами, при этом количество пар бобин взято по количеству пар армирующих спиралей, пар роликовых электродов и пар токоподводящих коллекторов, механизмом подачи экструдированной трубы, причем количество пар роликовых электродов равно n/2, где n - количество армирующих спиралей, а центральный угол α в каждой паре между точками контакта электродов с поперечными армирующими спиралями равен 120-240°, а каждый роликовый электрод пары установлен на рычаге, который имеет эксцентриковую опору вращения, при этом в каждой паре рычаги с одной стороны эксцентриковых опор вращения имеют противовесы, а с другой стороны соединены между собой пневмоцилиндром с указателем и регулятором сварочного усилия, причем роликовые сварочные электроды в каждой паре соединены друг с другом, оправкой и источником тока последовательно (патент № 2319886 на изобретение «Способ непрерывного изготовления металлополимерной трубы и установка для его осуществления», дата подачи 26.02.2006 г., опубликовано 20.03.2008 г.).
Известен способ получения армированной полимерной трубы, включающий спиральную навивку окружной арматуры на продольные армирующие элементы, соединение их в местах пересечения с получением решетчатого армирующего каркаса и последующее экструзионное нанесение на каркас полимерной матрицы для формирования корпуса трубы, охлаждение и нарезку трубы на отрезки заданной длины, причем перед операцией спиральной навивки осуществляют подачу окружной арматуры на обводной ролик, выполненный с возможностью осуществления окружной арматурой по меньшей мере одного витка по поверхности указанного ролика соосно виткам спиральной навивки, а после выхода с обводного ролика окружную арматуру последовательно подают сначала на направляющий ролик, затем на прижимной ролик укладчика, при этом продольные армирующие элементы и окружную арматуру выполняют на основе неметаллических волокон, пропитанных жидким полимерным связующим, причем после пропитки как продольные армирующие элементы, так и окружную арматуру пропускают через формующую горячую фильеру и через зону нагрева для предварительной неполной полимеризации поверхностного слоя связующего; продольные армирующие элементы в зону формирования каркаса направляют через отверстия в опоре подшипника обводного ролика, при этом соединение между собой продольных армирующих элементов и окружной арматуры в местах взаимного пересечения осуществляют под действием прижимного ролика за счет выдавливания на поверхность жидкого связующего и смачивания им места соединения; после чего армирующий каркас подают во вторую зону нагрева, где осуществляют окончательное склеивание каркаса путем окончательной полимеризации связующего; склеенный армирующий каркас направляют в формующую полость экструдера, образованную дорном и наружной формующей гильзой, при этом инжекцию полимера осуществляют через офсетную головку, установленную над дорном.
Устройство для получения армированного полимерного цельнотянутого полого изделия, включающее катушки с материалом продольных армирующих элементов и окружной арматуры, опору для укладки окружной арматуры и перемещения продольных армирующих элементов, выполненную в виде кондуктора, укладчик окружных армирующих элементов, содержащий направляющий ролик и прижимной ролик, установленные на планшайбе с возможностью вращения вокруг продольной оси устройства, и расположенные последовательно в направлении перемещения формируемого изделия экструдер, систему охлаждения, а также тянущий и отрезной механизмы, отличающееся тем, что перед кондуктором соосно установлен обводной ролик, а катушка с материалом окружной арматуры расположена сбоку от него с возможностью подачи окружной арматуры на указанный обводной ролик в направлении, приблизительно перпендикулярном оси формируемого изделия, и выполненный с возможностью осуществления окружной арматурой по меньшей мере одного витка по поверхности указанного ролика соосно виткам последующей спиральной навивки, при этом экструдер установлен сбоку от продольной оси устройства и снабжен офсетной головкой, выполненной с возможностью инжекции жидкого полимера в формующую полость экструдера, образованную дорном и наружной формующей гильзой, установленными на продольной оси устройства (патент № 2626039 на изобретение «Способ формирования окружного армирования цельнотянутого полого изделия, способ получения армированной полимерной трубы (варианты) и устройства для осуществления указанных способов», дата подачи 28.06.2016 г., опубликовано 21.07.2017 г.).
Ближайшим аналогом по отношению к заявляемому изобретению является группа изобретений «Способ непрерывного изготовления металлополимерной армированной трубы повышенной прочности и устройство для его осуществления» по патенту № 2492047 (дата подачи 14.03.2012 г., опубликовано 10.09.2013 г.).
Известный способ включает подачу расплава полимера из экструзионной головки в формующую полость, образованную охлаждаемым дорном и наружной формующей гильзой, при одновременной подаче в указанную полость сварного армирующего каркаса. При формировании трубы перед дорном устанавливают термостойкую неметаллическую втулку, а внутреннюю и внешнюю поверхности формуемой трубы подвергают охлаждению. При изготовлении армирующего каркаса в качестве средства для формирования спирали из элементов поперечной арматуры используют роликовый электрод, ролик которого обеспечивает постоянный прижим элементов поперечного армирования к элементам продольного армирования с усилием от гидропривода. Во время сварки армирующего каркаса на роликовый электрод передают ударные импульсы, синхронизированные с момента пересечения между собой элементов продольной и поперечной арматуры, а также с моментом подачи импульса тока на роликовый электрод.
Устройство для непрерывного изготовления металлополимерной армированной трубы, содержащее экструдер с экструзионной головкой, имеющей канал для вывода расплава полимера в формующую полость, образованную охлаждаемым дорном и наружной формующей гильзой, закрепленными на экструзионной головке, сварочный агрегат, охватывающий экструзионную головку и связанный с катушками для размещения элементов продольной и поперечной арматуры, а также с направляющими средствами для подачи арматуры в зону сварки и сварного каркаса в формующую полость, систему охлаждения, а также тянущий механизм и отрезное устройство, расположенные последовательно в направлении перемещения формируемой металлополимерной трубы, отличающееся тем, что дорн закреплен на экструзионной головке через последовательно установленные рассекатель и термостойкую неметаллическую втулку, а сварочный агрегат содержит, по меньшей мере, один роликовый электрод, связанный с прижимным устройством и с ударным механизмом, соединенными с гидроприводом для передачи прижимного усилия и ударных импульсов от гидропривода на роликовый электрод во время сварки элементов продольной и поперечной арматуры, средства для синхронизации ударных импульсов с моментом пересечения между собой элементов продольной и поперечной арматуры, а также с моментом подачи импульса тока на роликовый электрод, при этом средством для формирования спирали из элементов поперечной арматуры является указанный роликовый электрод, ролик которого установлен с возможностью вращения вокруг своей оси и вокруг оси армирующего каркаса, а также с возможностью прижима элементов поперечного армирования к элементам продольного армирования с усилием от гидропривода, а система охлаждения дополнительно включает в себя генератор хладагента, размещенный снаружи от формующей гильзы, и пробку с клапаном, установленную внутри формируемой металлополимерной трубы с образованием в ней замкнутой полости.
Недостатки известных решений связаны с узким диапазоном эксплуатационных свойств изготавливаемой трубы, получаемой в виде простой системы «металлический каркас - полимерная матрица», в которой полимерная матрица однородна по применяемым материалам, и, соответственно, по своим свойствам, что, в свою очередь, ограничивает область и условия применения готового изделия, а также исключает возможность создания трубы с регулируемыми вариативными свойствами, расширяющими не только сферу ее использования, но и позволяющими эксплуатировать трубу в различных средах и условиях. Упомянутые недостатки обусловлены невозможностью разделения потоков расплавов для нанесения дополнительных или иных слоев полимерных материалов, в том числе изменяющих и/или влияющих на свойства самой трубы.
Технический результат, на достижение которого направлена группа изобретений, заключается в повышении эксплуатационных свойств полимерной армированной трубы, а также ее технологичности.
Эксплуатационные свойства – это свойства, которые определяют длительность рабочего ресурса и надежность изделий в соответствии с их функциональным назначением и условиями эксплуатации.
Указанный технический результат достигается тем, что способ непрерывного изготовления полимерной армированной трубы методом экструзионного формования, включающий формирование системы «металлический каркас - полимерная матрица» путем одновременной подачи в формующую кольцевую полость расплава полимера и устанавливаемого на нее армирующего каркаса, выполненного путем сварки продольной и поперечной арматуры, при этом  момент подачи импульсов сварочного тока, передаваемых на роликовые сварочные электроды, синхронизирован с моментом взаимного пересечения продольной и поперечной арматуры, согласно изобретению после формирования системы «армирующий каркас - полимерная матрица» на нее в формующей полости угловой экструзионной головки наносят слой полимерного расплава, поступающего в виде отдельного потока из дополнительно установленного экструдера, при этом прижим роликовых электродов к поперечной арматуре реализуется с помощью эксцентрикового рычага, соединяющего роликовые электроды между собой, при этом каждый из роликовых электродов снабжен системой охлаждения и подключен к размещенному на раме сварочного агрегата источнику питания.
Устройство для осуществления способа непрерывного изготовления полимерной армированной трубы, включающее экструдер с экструзионной головкой для подачи расплава полимера в формующую полость, образованную неподвижно установленной формующей втулкой и изнутри охлаждаемым калибрующим цилиндром, закрепленным через термостойкий элемент на экструзионной головке, которую охватывает сварочный агрегат, содержащий сварочный узел и связанный с катушками, барабанами для размещения продольной и поперечной арматуры и с направляющими средствами для подачи арматуры в зону сварки, а сварного каркаса - в формующую полость, систему охлаждения с размещенной внутри формируемой трубы пробкой с клапаном, тянущий механизм и отрезное устройство, последовательно установленные по ходу перемещения трубы, при этом сварочный узел содержит роликовые электроды, связанные с прижимным устройством и с соответствующим приводом, средства синхронизации ударных импульсов с моментом взаимного пересечения продольной и поперечной арматуры и моментом подачи импульса тока на роликовые электроды, согласно изобретению дополнительно содержит размещенный после сварочного агрегата экструдер с угловой головкой, служащий для нанесения дополнительного слоя полимерного расплава на систему «металлический каркас - полимерная матрица», при этом сварочные роликовые электроды соединены между собой эксцентриковым рычагом, осуществляющим прижим сварочных электродов к поперечной арматуре в момент ее взаимного пересечения с продольной арматурой, при этом каждый из роликовых электродов  автономно охлаждается и подключен к источнику питания.
Заявляемая группа изобретений поясняется чертежами, где
Фиг. 1 – линия непрерывного изготовления полимерной армированной трубы в разрезе;
Фиг. 2 – вид сверху линии непрерывного изготовления полимерной армированной трубы;
Фиг. 3 – схема размещения сварочных роликов на сварочном узле (план-шайбе) сварочной машины.
Устройство для непрерывного изготовления полимерной армированной трубы (фиг. 1) содержит узел перемотки 1 арматуры (проволоки) с бухт на катушки 2 и барабаны 3, средство подачи продольных проволок 4, выполненное в виде магазина катушек 5, узел перемотки 6 спиральной (поперечной) проволоки 7 с барабанов 3 на барабаны 8 сварочной машины 9, экструдер 10, предназначенный для получения внутренней оболочки (лайнера) - основы трубы, прямоточную экструзионную головку 11, на которой размещен кондуктор 12 с концентрично расположенными пазами, по которым перемещаются продольные проволоки 4. На прямоточной экструзионной головке 11 через термостойкое кольцо 13 закреплен калибрующий цилиндр 14, постоянно водоохлаждаемый изнутри. На раме сварочной машины 9 размещен оснащенный приводом вращения (на чертеже не показан) ротор 15, на корпусе которого с возможностью свободного вращения на подшипниках закреплены барабаны 8 сварочной машины 9 для спиральной проволоки 7, а также механизм подачи 16 проволоки 7 с барабана 8 на спиралеобразователи 17. Внутри ротора 15 (фиг. 2) неподвижно установлена формующая втулка 18, образующая совместно с калибрующим цилиндром 14 кольцевую формующую полость, в которой осуществляется формование из полимерного расплава, выходящего из экструзионной головки 11, внутренней оболочки (основы) изготавливаемой трубы. В состав сварочного агрегата входит сварочный узел, в качестве которого используют план-шайбу 19, вращающуюся совместно с ротором 15. Сварочный узел 19 содержит, по меньшей мере, два роликовых электрода 20, с помощью которых осуществляется контактная сварка поперечной 7 и продольных 4 проволок в момент их взаимного пересечения, эксцентриковый рычаг 21 и привод (на чертеже не показан), при этом каждый из роликовых электродов снабжен автономными системой охлаждения и размещенным на раме сварочного агрегата источником питания (на чертеже не показаны). За сварочной машиной 9 установлен дополнительный экструдер 22 с угловой экструзионной головкой 23, в формующей полости которой на систему «металлический каркас - полимерная матрица» наносится слой полимерного  расплава, образующий внешнюю оболочку трубы. После угловой экструзионной головки в линии по направлению перемещения трубы последовательно размещены ванна охлаждения 24, тянущее устройство 25 с регулируемым усилием прижима траков 26, отрезное устройство 27 с датчиком положения 28, и рольганг 29.
Изготавливаемая полимерная армированная труба,  состоит из внутренней оболочки - лайнера 30, являющегося основой трубы, на которой установлен армирующий (усиливающий) каркас 31, образованный путем сварки продольной и поперечной арматуры в местах их взаимного пересечения, и внешней оболочки 32, при этом внутренняя и внешняя оболочки выполнены из расплавов полимерных материалов, в том числе отличающихся по своим свойствам и составу, а в качестве арматуры применяют проволоку.
В качестве полимерных материалов используют, преимущественно, нефтестойкие материалы, например, полиамиды.
Внутренний слой (лайнер) трубы получают методом экструзионного формования (фиг. 1), при котором расплав полимера из экструдера 10 поступает сначала в прямоточную экструзионную головку 11, а затем в формующую полость, образованную калибрующим цилиндром 14 и формующей втулкой 18. Для охлаждения внутренней поверхности слоя лайнера 30 предусмотрена система водоохлаждения (на чертеже не показана), с помощью которой осуществляется подача охлаждающей жидкости в калибрующий цилиндр 14, предназначенный для калибровки внутреннего диаметра формируемого лайнера. В калибрующий цилиндр охлаждающая жидкость подается по трубке 33 (фиг. 2), проходящей внутри прямоточной экструзионной головки 11. По мере наполнения внутренней полости лайнера в ней создается давление, которое поддерживается спускным клапаном, расположенным в пробке 34, закрепленным на трубке 33. Для получения необходимого качества внутренней поверхности лайнера 30 наружную поверхность калибрующего цилиндра 14 полируют.
Усиливающий каркас 31 из металлической арматуры образуется за счет навивки спиральной (поперечной) проволоки 7 на продольную 4 и контактной сварки между собой в каждой точке их взаимного пересечения. Натяжение и перемещение продольных проволок 7 осуществляется с помощью тянущего устройства 25. Геометрическое положение продольных проволок 4 относительно тела трубы определяется концентрично расположенными на кондукторе 12 пазами.
Наружная спираль армирующего каркаса создается за счет одновременной подачи спиральной проволоки 7 с барабанов 8 сварочной машины 9, вращающихся вместе с ротором 15, и поступательным перемещением продольных проволок 4. В местах взаимного пересечения навиваемая спиральная (поперечная) проволока 7 с помощью роликовых электродов 20 приваривается к продольным проволокам 4 (фиг. 3). Поперечная проволока 7 сматывается со свободно вращающихся на подшипниках  барабанов 8 сварочной машины 9, закрепленных на корпусе ротора 15, и подводится к роликовым электродам 20 с помощью механизма подачи 16 на спиралеобразователи 17. Эксцентриковый рычаг 21 прижимает роликовые электроды 20 к спиральным проволокам 7. Причем прижим сварочных электродов 20 к спиральным проволокам 7 и подача импульса сварочного тока для выполнения контакной сварки производятся одновременно. Время подачи импульсов сварочного тока от трансформаторов на сварочные электроды 20 определяется задатчиком 35 (фиг. 2).
В формующую полость, образованную калибрующим цилиндром 14 и неподвижно установленной в роторе 15 формующей втулкой 18, одновременно подаются из экструзионной головки 11 расплав полимерного материала для формирования лайнера 30 и устанавливаемый на него усиливающий каркас 31. После выхода из формующей полости система «металлический каркас - полимерная матрица» проходит в формующую полость угловой экструзионной головки 23 дополнительно установленного экструдера 22, где на нее наносится расплав полимерного материала, например, иного состава или иных свойств, для формирования внешней оболочки 33 трубы. После нанесения внешнего слоя полимерную армированную трубу интенсивно охлаждают в ванне охлаждения 24 путем распыления охлаждающей жидкости через форсунки, расположенные по всей внутренней поверхности ванны.
Благодаря наличию выделенного потока полимерного расплава, выходящего из дополнительного обособленного экструдера 22, реализуется возможность нанесения на систему внешнего слоя из иного полимерного материала по сравнению с внутренней оболочкой (лайнером), что, в свою очередь, реализует возможность создания изделия с заданными изменяемыми свойствами, в том числе, предназначенными для работы в определенных условиях или среде.
Изготовленная труба, проходя через тянущее устройство 25, поступает на рольганг 29, направляющие ролики которого служат опорой для готовой продукции. Кроме того, в роликовом конвейере предусмотрена система сбора и возврата в систему охлаждающей жидкости (на чертеже не показана).
Сигнал от датчика положения 28 подается на отрезное устройство 27, которое одновременно с трубой перемещаясь по направляющим, отрезает готовую полимерную армированную трубу заданной длины. Весь процесс непрерывен и цикличен.
Примеры конкретного осуществления изобретения.
Параметры эксплуатации трубопроводов, выполненных из полимерной армированной трубы, рассчитаны на температуру  транспортируемой среды до + 90°С и рабочее давление трубопровода до 4,0 МПа.
Полимерную трубу в соответствии с предлагаемым к защите изобретением производят путем экструзии основы трубы - лайнера с одновременным его армированием металлическим сетчатым каркасом и последующим нанесением на него экструзией внешней оболочки из любого иного или однородного полимерного материала.
Для выполнения лайнера  в качестве полимерного материала используют полиэтилен минимальной длительной прочности MRS 10,0 МПа (ПЭ 100) или полиэтилен повышенной термостойкости минимальной длительной прочности MRS 10,0 Мпа (PE- RT тип II), или нефтестойкого полимера, например, полиамида марок ПА 12; ПА 11; ПА 6.10; ПА 6.12.
Известно, что полиамидные полимеры отличаются высоким относительным разрывным усилием, стойки к истиранию, многократному изгибу, обладают высокой химической стойкостью, морозоустойчивостью, устойчивостью к действию микроорганизмов. Выполнение основы трубы из полиамида значительно повышает ее прочностные свойства, а также надежность изделия в целом.
Для изготовления армирующего металлического сетчатого каркаса, воспринимающего и осевую, и радиальную нагрузки, возникающие при эксплуатации трубопроводов, используют проволоку стальную общего назначения термически необработанную, 2-й группы диаметром от 2,5 до 4,0 мм, поставляемую без смазки в соответствии с ГОСТ 3282-74 «Проволока стальная низкоуглеродистая общего назначения. Технические условия». Образование армирующего металлического каркаса выполняют с помощью сварочной машины.
Внешнюю оболочку полимерной трубы, защищающую армирующий каркас от повреждений и воздействий окружающей среды, выполняют экструзией полиэтилена минимальной длительной прочности MRS 10,0 МПа (ПЭ 100) или полиэтилена повышенной термостойкости минимальной длительной прочности MRS 10,0 Мпа (PE- RT тип II). Как вариант, в качестве материала для внешней оболочки может быть использован огнестойкий полимер, например, огнестойкий полипропилен.
Заявляемая группа изобретений позволяет получить полимерную армированную трубу с заданными свойствами, повышенной прочности, надежности и технологичности.