АРМИРОВАННАЯ ПОЛИМЕРНАЯ ТРУБА, АРМИРУЮЩАЯ СИСТЕМА И КОМПЛЕКСНАЯ АРМИРУЮЩАЯ НИТЬ ДЛЯ НЕЕ

Назначение и область применения.
Полезная модель относится к конструкции армированных полимерных труб, в том числе, многослойных, например, для транспортировки горячей воды или иных жидких и газообразных сред, в том числе, нефтепродуктов, а также конструкции армирующей системы.
Предшествующий уровень техники
Из уровня техники для систем теплоснабжения и горячего водоснабжения известно использование металлических (стальных и медных) труб. Однако их использование требует высоких расходов на транспортировку (высокая масса используемого материала) и на строительство систем водоснабжения (прокладка систем в специальных бетонных каналах, дорогостоящие опоры, компенсаторы теплового расширения, специальные сигнальные системы о протечках). Кроме этого медные трубы очень дороги, а стальные склонны к коррозии и зарастанию, срок службы их (особенно в условиях больших городов вследствие электрохимической коррозии) не превышает 10-15 лет.
Поэтому, в настоящее время наиболее широкое применение в данной области техники, а также в области транспортировки жидких и газообразных сред, получают полимерные трубы, преимущественно выполненные из термопластичных материалов, которые легче стальных, что существенно облегчает их транспортировку и монтаж, а также являются коррозионно-стойкими, экологически чистыми и гигиенически безопасными, не имеют склонности к зарастанию, устойчивы к замерзанию воды и др. аварийным ситуациям.
Например, известна двухслойная пластиковая труба, внутренний слой которой выполнен из термопластичного материала, в частности, сшитого полиэтилена, определяющего прочностные свойства трубы, а наружный слой является изолирующим и выполнен из полимера, препятствующего проникновению паров и газов (RU 2003122284, 2005)
При этом, проблемы, связанные с трубами из термопластов, обычно заключаются в низких механических прочностных свойствах и склонности к ползучести под нагрузкой. Кроме того, они обладают невысокой ударной прочностью при низких температурах, а чтобы трубы выдерживали давление, их необходимо изготавливать толстостенными.
Для решения вышеуказанных проблем, в настоящее время широко используют армирование конструкции полимерных труб из термопласта, а также выполнение их многослойными, состоящими из однородных полимерных слоев или обладающих разными физико-химическими свойствами.
Например, из предшествующего уровня техники известно решение полимерной трубы на основе термопласта, содержащее внутренний и наружный слои, между которыми расположены продольные нити из натурального или искусственного волокна и усиливающая ткань (заявка DE 3907785, МПК5 F16L 9/12).
К числу недостатков данного решения следует отнести сложность изготовления, 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, а также практическим отсутствием адгезии армирующего покрытия к полимерным слоям.
В другом известном из уровня техники варианте (RU 120739, F16L 11/10), реализации многослойной трубы для горячего водоснабжения и теплоснабжения, содержит внутреннюю оболочку из сшитого полиэтилена и защитную оболочку, при этом труба снабжена армирующей системой из высокопрочных нитей, в частности, арамидных, и адгезионным слоем для предварительного закрепления нитей и создания монолитной структуры трубы, нанесенным на внешнюю поверхность внутренней оболочки, причем армирующая система расположена между адгезионным слоем и защитной оболочкой и состоит из двух слоев нитей, навитых под углом к оси трубы, при этом армирующие нити второго слоя навиты в противоположную сторону по отношению к армирующим нитям первого слоя, а защитная оболочка включает слой теплоизоляции из вспененного полимера.
При этом, применение дополнительного адгезионного слоя для фиксации нитей армирующей системы и их сцепления с поверхностью смежного полимерного слоя существенно усложняет конструкцию и способ ее изготовления, а также ограничивает область применения данных конструкций за счет повышенного риска ее деформации при эксплуатации в условиях больших температурных перепадов, а также под нагрузкой, что вызвано разными коэффициентами теплового расширения используемых материалов и их прочностных характеристик. При этом, разрыв армирующей системы ведет к деформации конструкции трубы и выходу ее из строя.
В заявке FI 933877 описывается труба из термопласта и композиционного материала, которая составлена из слоя трубы из термопласта и окружающего ее композиционного материала, состоящего из термопласта и непрерывных армирующих волокон. Слой трубы из термопласта и окружающий ее композиционный материал, состоящий из термопласта и непрерывных армирующих волокон, термически сплавляют друг с другом без образования швов.
Термопластичный полимер матрицы композиционного материала и, при желании, слой трубы из термопласта нагревают в месте их соединения до температуры плавления или сплавления с тем, чтобы образовать бесшовное соединение.
Трубу из термопласта и композиционного материала изготавливают намоткой композиционного материала, состоящего из термопласта и непрерывных армирующих волокон, вокруг сердцевинной трубы из термопласта, используя угол намотки 0-180° или разные углы в выбранных слоях, предпочтительно угол намотки, посредством которого наматываемый композиционный материал мог бы быть намотан в виде равномерного слоя.
Труба из термопласта и композиционного материала может быть изготовлена способом с применением т.н. препрега, описанным в FI 933877 и заключающимся в нанесении на выбранный слой трубы из термопласта композиционного материала, состоящего из термопласта и непрерывной армирующей фазы, таким образом, что лентообразный композиционный материал соответствующей ширины, выбранный согласно диаметру полимерного слоя трубы, под выбранным углом намотки направляют с рулона на периферию вращающейся сердцевинной трубы. Бесшовное сплавление ленты из композиционного материала и слоя трубы из термопласта достигается тем, что композиционный материал перед его направлением на поверхность полимерного слоя трубы нагревают до его температуры размягчения или плавления. Кроме того, можно также нагревать поверхность полимерного слоя трубы в месте соединения, так чтобы наружная поверхность трубы находилась при температуре, при которой может происходить размягчение и/или плавление. Сплавление термопластичных фаз друг с другом в расплавленном состоянии обеспечивается натяжением ленты из Композиционного материала, наматываемой вокруг сердцевинной трубы. Натяжение создает давление, благоприятное для сплавления, в месте, в котором соприкасаются указанные расплавленные фазы. Сплавление происходит в месте контакта расплавленного композиционного материала, при этом сердцевинная труба охлаждается ниже температуры плавления тогда, когда указанная лента из композиционного материала все еще находится под натяжением. После нанесения первого слоя из композиционного материала на периферию прочной трубчатой заготовки из термопласта соответственным образом наплавляют последующие слои из композиционного материала. Сплавление можно также обеспечить сжатием трубы в месте плавления нажимным роликом и т.п.
Как известно, пластмассовые канализационные трубы, как, например, полихлорвиниловые трубы изготавливают с использованием экструдера. Прочность такой канализационной трубы определяется добавками, используемыми в экструдированном материале, и количествами таких добавок. Однако при использовании, например, обычного осевого одночервячного экструдера, армирующие волокна укладываются только в продольном направлении трубы, и по этой причине прочность трубы на изгиб будет оставаться низкой.
При способе намотки, описанном в FI 933877, армирующие волокна, например стекловолокно, являются короткими волокнами, обычно длиной порядка долей миллиметра. Кроме того, такой многостадийный способ изготовления - сравнительно дорогостоящий, и по этой причине он не является наилучшим возможным способом изготовления напорных труб.
Аналогичные решения также известны из публикаций CN 102328374, CN 202241749, CN 102935712, CN 202597940U фирмы Guangzhou Advance-Tech Co., Ltd., Китай, когда пара-арамидные волокна пропускают через специальную экструзионную головку, в которой под воздействием высокого давления (свыше 100 бар) расплав полиэтилена проникает между нитями волокна заполняя все пустоты. Полиэтилен, заполняет все пустоты, создает поднутрения и зацепляется за нити волокна. Полученный таким образом профиль с равномерно распределенными и вплавленными волокнами имеет высокую механическую адгезию волокон к материалу профиля. Затем поверхность такого профиля нагревают и профилем обматываю трубу в один или два слоя. Профиль приплавляется к трубе и образует монолитную структуру с вплавленными в трубу волокнами пара-арамида. Армированная таким образом труба имеет высокую адгезию волокон к материалу трубы. Такая технология позволяет изготовить трубу работающую под высоким давлением свыше 250 бар.
Но реализация такой технологии требует применения дорогого уникального оборудования и весьма сложного процесса предварительного изготовления армирующего профиля. Также при армировании изделий по такой технологии образуется большое количество не перерабатываемых повторно отходов, поскольку намотка армирующего профиля ограничена физическими размерами намоточного устройства и составляет ориентировочно длину до 500 метров.
Известны также конструкция и способ изготовления пластмассовой трубы по патенту РФ №2205318 от 19.02.2001, в соответствии с которым между внутренним и наружным слоями из термопластичного материала расположен армирующий наполнитель из намотанных по спирали в двух взаимно противоположных направлениях непрерывных полимерных или минеральных нитей, углубленных в наружную поверхность внутреннего слоя и внутреннюю поверхность наружного слоя. Намотку армирующих нитей осуществляют на трубу, пластифицированную путем разогрева, после чего с помощью дополнительного экструдера наносят наружный термопластичный слой. Данное решение по совокупности существенных признаков является наиболее близким к заявленному полезной моделью и принято за прототип.
Недостатками данного решения являются неудовлетворительное качество адгезии армирующего материала к полиэтиленовым слоям, а также опасность локальных нарушений целостности стенок трубы (образования свищей) в результате развития пластической деформации (внутри ячеек, образованных армирующими нитями) при превышении возникающих напряжений модуля упругости материала трубы в результате существенного повышения давления рабочей среды. При изготовлении необходим разогрев трубы для армирования, что повышает энергозатраты производства, а необходимость использования дополнительного экструдера для нанесения наружного слоя трубы существенно усложняет процесс производства трубы и ее стоимость.
Некоторые полимерные материалы, из которых изготавливаются трубы, такие как полиэтилен (LDPE/ПЭВД, HDPE/ПЭНД, LLDPE/ЛПЭНП, PEX/ПЭС, PERT/ПЭРТ и т.п.), полипропилен, полибутен и т.п. являются неполярными и не имеют химической или диффузионной (межмолекулярной) адгезии к полярным полимерам, таким как арамид, пара-арамид из которых изготавливаю высокопрочные высокомодульные нити и волокна (KEVLAR, TWARON и др.). По этой причине межмолекулярное взаимодействие таких полимеров трудно или совсем не достижимо. Поэтому для создания надежного соединения изделий друг с другом выполненных из таких материалов необходимо рассматривать другие способы, например, механическую адгезию, которая, согласно теории адгезии, осуществляется за счет затекания адгезива (в данном случае полиэтилена) в поры, неровности, поднутрения, трещины, микрошероховатости на поверхности субстрата (в данном случае армирующей п-арамидной нити) с последующим затвердеванием. При этом считается, что между адгезивом и субстратом образуются «заклепки», связывающие компоненты адгезионного соединения путем механического заклинивания. Таким образом, прочность адгезионного соединения определяется пористостью субстрата и прочностью пленки адгезива.
Таким образом, при армировании полимерных (например, полиэтиленовых или полибутеновых) труб методами плетения или оплетки на плетельных или оплеточных машинах, например, пара-арамидными нитями или волокнами невозможно добиться адгезии волокна с полимерными материалами из которых изготовлены трубы. В этом случае армирующая система не является элементом конструкции, а является самостоятельным независимым армирующим слоем, имеющим возможность перемещения при наложении нагрузки. По этой причине, можно вручную удалить одно или несколько армирующих волокон из полимерной трубы.
Также перемещение волокон можно наблюдать, например, при экспандировании (расширении) трубы перед монтажом пресс-фитингов. Когда экспандер увеличивает внутренний диаметр трубы, стенка трубы уменьшается, а армирующие волокна, целью которых является сдерживать внутреннее давление на трубу и, как следствие, не дать увеличиться трубе в диаметре, начинают раздвигаться и перемещаться в осевом направлении от торца трубы. Это свидетельствует об отсутствии адгезии армирующих волокон к материалам трубы.
Как уже было отмечено выше, причина отсутствия адгезии лежит в физической и химической природе материалов изделия и армирующих волокон.
Поэтому, при армировании полиэтиленовых труб пара-арамидным волокном, невозможно добиться сплавления волокна с материалом трубы, т.к. пара-арамид не плавится, а температура его разложения составляет около 450°C, в отличие от полиэтилена, температура плавления которого составляет 106-135°C. Или, например, при армировании полиэтиленовых труб лавсановым (полиэтилентерефталатным) волокном, невозможно добиться сплавления материалов, т.к. температуры их плавления существенно различаются (у лавсана около 260°C).
Таким образом, в описанном выше примере можно допустить только, так называемую механическую адгезию материалов, т.е. их сцепление за счет шероховатости или неровности поверхностей сцепляемых материалов. Например, расплавленный полиэтилен зацепляется за микрошероховатости пара-арамидных волокон на их поверхности или проникает между ними создавая тем самым так называемое поднутрение (заклепки), за счет которого полиэтилен удерживается на пара-арамидном волокне. Но, как известно из уровня техники, полимеры являются не смачиваемыми материалами и имеют низкое значение поверхностного натяжения. Таким образом, например, полиэтилен в силу таких свойств, не может проникнуть между элементарных нитей волокна (ленты, жгута, шнура и т.п.) без дополнительных средств в виде приложения давления (фиг. 1). Это подтверждается методом разрушающего контроля, когда пара-арамидное волокно без усилий может быть извлечено из стенки полиэтиленовой трубы. При визуальном осмотре полости (канавки) в стенке трубы, образованной извлеченным волокном при производстве трубы, можно обнаружить остаточные следы отдельных волокон в виде коротких отрезков микроскопических нитей. Это доказывает тот факт, что некоторые волокна, расположенные на поверхности пучка волокна, которым армируется труба, в силу наличия неровностей зацепляются за материал трубы. Но, по причине того, что полиэтилен не может проникнуть внутрь пучка волокна и не соприкасается с нитями расположенными в центре пучка, волокно может быть без усилий удалено из материала трубы, при этом некоторые внешние нити пучка волокна, которые соприкасаются с материалом трубы могут быть разрушены и остаться на поверхности канавок образованных в материале самими волокнами при армировании трубы. Описанный выше недостаток при армировании не позволяет сделать армирующий слой элементом конструкции изделия и существенно снижает прочность изделия. Армирующий слой в таких трубах является независимым (может перемещаться внутри стенки трубы), что также не позволяет выполнить качественное и надежное соединение труб между собой или с элементами соединительной арматуры. Соединительные узлы, которыми должны соединяться такие трубы должны быть не типовыми (которые используются для соединения монослойных труб) и тем более не муфты с нагревательным элементом (электромуфты), а специально разработанные с возможностью надежно фиксировать армирующий слой со стенкой трубы в таких соединительных узлах. На практике хорошо известны случаи, когда армирующие волокна не надежно фиксируются соединительными узлами и перемещаются из области обжатия узла, что влечет разрыв трубы, и называются концевым эффектом трубы. Этот факт также свидетельствует об отсутствии адгезии между армирующим волокном и стенкой трубы.
Также известен из уровня техники существенный недостаток, связанный с тепловым расширением полимерных изделий или различным линейным расширением самого изделия и армирующего это изделие материала, приводящий к расслоению или разрушению всей конструкции.
Указанные недостатки известных решений ограничивают сферу применения армированных термопластичных труб и существенно снижают надежность и долговечность использования.
Сущность полезной модели
Техническая задача, решаемая заявленной полезной моделью, заключается в преодолении вышеуказанных недостатков конструкции и создании простой конструкции монолитной многослойной армированной трубы.
Технический результат, достигаемый заявленной полезной моделью, заключается в повышение прочности и упругости трубы за счет закрепления армирующих нитей или волокон в материале армируемого слоя трубы, и как следствие - повышение рабочего давления трубопровода, амортизация гидроударов, устранение концевого эффекта и надежная фиксация в соединительном узле, снижение материалоемкости и уменьшение стоимости труб, увеличение производительности технологических линий при производстве труб, при сохранении эксплуатационных параметров трубопровода (рабочее давление, температура эксплуатации) и срока его службы.
Технический результат достигается тем, что используют полимерную армированную трубу, по меньшей мере, один армируемый основной полимерный слой из термопластичного материала, снабженный армирующей системой на нитяной основе, причем нитяная основа выполнена из комплексных нитей, состоящих из пучка, соединенных между собой, по меньшей мере, нитей двух типов, включающих, по меньшей мере, одну высокопрочную высокомодульную базовую армирующую нить и одну заполняющую нить, выполненную из полимера с температурой плавления близкой к температуре плавления материала армируемого основного полимерного слоя, а соединение армирующей системы с армируемым основным полимерным слоем выполнено расплавом заполняющей нити и смежной с армирующей системой поверхности основного полимерного слоя при их нагреве до температуры плавления, с обеспечением одновременного равномерного распределения расплава заполняющей нити в пучке комплексной армирующей нити и формированием монолитной структуры армированной полимерной трубы.
Базовая армирующая нить и/или заполняющая нить могут быть выполнены в виде комплексной нити, состоящей из пучка элементарных нитей и/или волокон, и при этом могут быть многокомпонентными, включающими элементарные нити и/или волокна, выполненные из разных материалов, соответствующих типу нити, а заполняющая нить равномерно распределена в пучке комплексной армирующей нити нитяной основы армирующей системы
Предпочтительно, заполняющая нить выполнена из полиэтилена, полипропилена и т.п.. При этом, базовые армирующие нити нитяной основы могут быть выполнены из пара-арамида, и/или п-арилата, и/или полиоксадиазола (поли-пара-фенилен-1,3,4-оксадиазола), и/или ароматического полиамида, и/или полиэфира, и/или алифатического полиамида, и/или ароматического полиэфира, и/или поли-п-фениленбензо-бис-оксазола, и/или полиакрилонитрила, и/или поликапроамида, и/или иного полимерного неплавкого, и/или тугоплавкого материала, и/или полимера с высокой температурой плавления из которых изготавливают высокомодульные сверхпрочные элементарные нити или волокна, а также их сополимеры и модификации.
Заполняющая нить предпочтительно выполнена из термопласта с температурой плавления более низкой, чем температура плавления базовой армирующей нити и близкой к температуре плавления армируемого основного слоя, например, в качестве материала для выполнения заполняющей нити может быть использован полиэтилен или полипропилен.
Заполняющая и базовая армирующая нити предпочтительно соединены вместе трощением, или сопряжением, или сращиванием, или плетением, или круткой с формированием комплексной армирующей нити
В одном из вариантов осуществления полезной модели армирующая система может быть выполнена в виде плетеного бесшовного рукава или выполнена навивкой в один сой или в виде многослойной конструкции.
Соединение армирующей системы с армируемым основным полимерным слоем согласно заявленной полезной модели, выполнено вплавлением расплава заполняющей нити в наружную поверхность основного полимерного слоя и равномерным его распределением в пучке комплексной армирующей нити, с вплавлением нитей базовой армирующей нити, смежных с армируемым полимерным слоем в приповерхностный слой образованный расплавом заполняющей нити и армируемого полимерного слоя, либо с полным или частичным погружением на неполную высоту базовой армирующей нити в слой образованный расплавом заполняющей нити и армируемого полимерного слоя.
Кроме того, согласно полезной модели полимерная труба может быть выполнена многослойной и дополнительно содержать, по меньшей мере, один верхний покрывающий слой, смежный с наружной поверхностью армирующей системы и выполненный из полимерного материала, например, термопласта, с температурой плавления близкой к температуре плавления армируемого основного слоя и заполняющей нити, и/или содержащей дополнительно, по меньшей мере, один внутренний слой, выполненный, например, из полимерного материала, предпочтительно, тугоплавкого или не плавкого полимера, например, реактопласта.
При этом, в одном из вариантов осуществления полезной модели заполняющая нить может быть выполнена комплексной, многокомпонентной, содержащей элементарные нити или волокна из полимерного материала, например, термопласта с разной температурой плавления, при этом, более низкой, чем температура плавления базовой армирующей нити, и близкой к температуре плавления основного полимерного слоя и/или покрывающего слоя, выполненных из полимерных материалов, в частности, термопласта, с разными температурами плавления. При этом, основной слой и/или покрывающий слой могут быть, в частности, выполнены из полиэтилена, в том числе, сшитого полиэтилена, полипропилена или полибутэна.
Технический результат, при этом, достигается также тем, что используют в вышеуказанной конструкции трубы армирующую систему на нитяной основе характеризующаяся тем, что выполнена из комплексных нитей, состоящих из пучка, соединенных между собой, по меньшей мере, нитей двух типов, включающих, по меньше мере, одну высокопрочную, высокомодульную базовую армирующую нить, и, по меньшей мере, одну заполняющую нить из термопласта с температурой плавления более низкой по сравнению с базовой армирующей нитью и близкой к температуре плавления материала армируемой поверхности полимерного слоя, при этом заполняющая нить равномерно распределена по объему в пучке комплексной армирующей нити.
Заполняющая и базовая армирующая нити предпочтительно соединены вместе трощением, или сопряжением, или сращиванием, или плетением, или круткой с формированием комплексной армирующей нити.
При этом, базовая армирующая нить и/или заполняющая нить могут быть выполнены в виде комплексной нити, состоящей из пучка элементарных нитей и/или волокон, и при этом могут быть выполнены многокомпонентными, включающими элементарные нити и/или волокна, выполненные из разных материалов, соответствующих типу нити.
Предпочтительно, базовая армирующая нить выполнена из неплавкого, и/или тугоплавкого полимера, и/или полимера с высокой температурой плавления, существенно выше температуры плавления материала армируемого основного слоя трубы или смежного с ней верхнего покрывающего слоя. В частности, базовая армирующая нить нитяной основы может быть выполнена из пара-арамидного, и/или из полиоксадиазольных (поли-пара-фенилен-1,3,4-оксадиазола), и/или иного высокомодульного материала.
Тогда как заполняющая нить предпочтительно выполнена из термопластичных полимеров с температурой плавления ниже температуры плавления базовой армирующей нити. В частности, заполняющая нить согласно полезной модели, может быть выполнена из таких материалов, как полиэтилена или полипропилена, а армирующая система предпочтительно выполнена в виде плетеного бесшовного рукава.
Армирующая система, может быть также выполнена в виде навивки комплексной армирующей нити в один слой или в несколько слоев.
Технический результат, при этом, достигается также тем, что используют в вышеуказанной конструкции трубы комплексную армирующую нить армирующей системы характеризующуюся тем, что она состоит из пучка, соединенных между собой, элементарных нитей или волокон, по меньшей мере, двух типов, образующих, по меньшей мере, одну базовую армирующую нить из высокопрочного, высокомодульного материала и одну заполняющую нить из термопласта с температурой плавления более низкой по сравнению с базовой армирующей нитью и близкой к температуре плавления полимерного материала смежного слоя армируемого изделия, причем заполняющая нить равномерно распределена в пучке комплексной армирующей нити и по объему в базовой армирующей нити.
Предпочтительно базовая армирующая нить и/или заполняющая нить выполнена комплексной, состоящей из пучка элементарных нитей и/или волокон. При этом, базовая армирующая нить предпочтительно выполнена из неплавкого полимера или полимера с высокой температурой плавления, существенно выше температуры плавления полимерного материла смежного армируемого слоя изделия, например, пара-арамидных и/или, например, полиоксадиазольных (поли-пара-фенилен-1,3,4-оксадиазола) и/или полипропиленовых, и/или полиамидных и/или полиэфирных элементарных нитей или волокон, тогда как заполняющая нить предпочтительно из термопластичных полимеров с температурой плавления ниже температуры плавления базовой армирующей нити, например, их таких материалов, как полиэтилена и/или полипропилена.
В еще одном варианте осуществления полезной модели, базовая армирующая нить и/или заполняющая нить могут быть выполнены многокомпонентными, включающими элементарные нити и/или волокна, выполненные из разных материалов, соответствующих типу нити.
Заполняющая и базовая армирующая нити предпочтительно соединены вместе трощением, или сопряжением, или сращиванием, или плетением, или круткой с формированием комплексной армирующей нити.
Кроме того, технический результат достигается также тем, что используют способ армирования полимерной трубы по п. 1 включающий формирование армирующей системы на нитяной основе, нагрев наружной поверхности армируемого основного полимерного слоя трубы и нанесение на нее армирующей системы характеризующийся тем, что на предварительном этапе объединяют в пучок, по меньшей мере, одну высокопрочную высокомодульную базовую армирующую нить, и, по меньшей мере, одну заполняющую нить из термопласта с температурой плавления близкой к температуре плавления основного полимерного слоя, и формируют из него комплексную армирующую нить и армирующую систему на ее основе, которую наносят на пластифицированную путем разогрева наружную поверхность армируемого основного полимерного слоя трубы с формированием армирующего покрытия на его наружной поверхности, а процесс соединения армирующего покрытия с армируемым основным полимерным слоем осуществляют при нагреве основного полимерного слоя трубы с армирующим покрытием до температуры плавления заполняющей нити и наружной поверхности основного полимерного слоя трубы, с обеспечением вплавления расплава заполняющей нити в наружную поверхность основного полимерного слоя и равномерным его распределением в пучке комплексной армирующей нити по объему базовой армирующей нити, с последующим охлаждением и формированием монолитной структуры армированной полимерной трубы после остывания.
При этом, этап объединения заполняющей и базовой армирующей нитей включает их соединение вместе трощением, или сопряжением, или сращиванием, или плетением, или круткой.
Указанный выше процесс соединения армирующей системы с армируемым основным полимерным слоем предпочтительно осуществляют с обеспечением вплавления расплава заполняющей нити в наружную поверхность основного полимерного слоя и равномерным его распределением в пучке комплексной армирующей нити, с вплавлением нитей базовой армирующей нити, смежных с армируемым полимерным слоем в приповерхностный слой образованный расплавом заполняющей нити и армируемого полимерного слоя, либо с полным или частичным погружением на неполную высоту базовой армирующей нити в слой образованный расплавом заполняющей нити и армируемого полимерного слоя.
В одном из вариантов осуществления полезной модели способ дополнительно содержит этап нанесения соэекструзией на основной полимерный слой с армирующим покрытием покрывающего слоя из термопластичного материала с температурой плавления близкой к температуре плавления заполняющей нити, а нагрев осуществляют до температуры плавления заполняющей нити, наружной поверхности основного полимерного слоя и внутренней поверхности покрывающего слоя трубы, с обеспечением вплавления расплава заполняющей нити в наружную поверхность основного полимерного слоя и внутреннюю поверхность покрывающего слоя, с равномерным распределением расплава заполняющей нити в пучке комплексной армирующей нити, с полным погружением базовой армирующей нити в слой образованный расплавом заполняющей нити и армируемых полимерных слоев, с последующим охлаждением и формированием монолитной структуры армированной полимерной трубы после остывания.
В еще одном варианте осуществления полезной модели заполняющая нить выполнена комплексной и многокомпонентной, включающей, по меньшей мере, элементарные нити из термопласта с разной температурой плавления, более низкой, чем температура плавления базовой армирующей нити, и близких к температуре плавления основного полимерного слоя и покрывающего слоя, выполненных из термопласта с разными температурами плавления, а нагрев осуществляют до температуры плавления заполняющей нити с более высокой температурой плавления.
Краткое описание чертежей.
Полезная модель поясняется чертежами, где
фиг. 1 - схемное представление расположения армирующих элементарных нитей или волокон в конструкции армированной полимерной трубы, известной из предшествующего уровня техники, где 1 - сечение нитей или волокон армирующей системы, 2 - пустоты между нитями или волокнами армирующей системы, 3 - основной полимерный слой, 4 - верхний (покрывающий) дополнительный полимерный слой;
фиг. 2 - схемное представление комплексной нити согласно полезной модели, в разрезе, где 5 - сечение базовой армирующей нити, 6 - сечение заполняющей нити.
фиг. 3 - схемное представление расположения комплексной нити армирующей системы в конструкции армированной полимерной трубы согласно полезной модели, где 7 - сечение комплексной нити армирующей системы, 8 - монолитная армированная полимерная труба, в которой основной и покрывающий слои соединены с комплексной армирующей нитью и между собой расплавом заполняющей нити.
Фиг. 4 - схемное представление вариантов обеспечения монолитной структуры армированной трубы: а) размещение комплексной армирующей нити на внешней поверхности основного армируемого слоя, до расплава материала основго слоя и заполняющей нити; б) с вплавлением базовых армирующих нитей в приповерхностный слой основного полимерного слоя; в) с частичным погружением базовых армирующих нитей в основной полимерный слой; 7) с полным погружением базовых армирующих нитей в основной полимерный слой.
Следует отметить, что прилагаемые чертежи иллюстрируют только один из наиболее предпочтительных вариантов выполнения полезной модели и не могут рассматриваться в качестве ограничений содержания полезной модели, которое, очевидно для специалиста в данной области техники, может включать другие варианты осуществления.
Пример осуществимости полезной модели.
Как следует из представленного на фиг 1 и фиг. 3 чертежей, согласно заявленному решению полезной модели, полимерная труба содержит основной полимерный слой 3, снабженный армирующей системой (на чертежах не представлена), состоящей из комплексных армирующих нитей 7. Словосочетание «комплексная армирующая нить» в контексте полезной модели относится к комбинации, по меньшей мере, двух нитей, состоящих из элементарных нитей или волокон различных материалов, которые были объединены, сложены, скручены или свиты вместе в одну нить, по меньшей мере, за одну операцию соединения или смески. Как показано на фиг. 2, относительные размеры данных нитей могут быть примерно одинаковыми, но и другие относительные размеры также не выходят за рамки настоящей полезной модели.
Согласно полезной модели (фиг. 2) комплексные армирующие нити армирующей системы состоят, по меньшей мере, из нитей двух типов: базовой армирующей нити 5, выполненной из неплавкого и/или тугоплавкого полимера, и/или полимера с высокой температурой плавления, и заполняющей нити 6, выполненной из термопластичного материала, с температурой плавления близкой к температуре плавления материала основного слоя 3 и более низкой по сравнению с данным параметром базовой армирующей нити. В частности, в случае выполнения основного слоя из сшитого полиэтилена (PEX) любой модификации, заполняющие нити 6 могут быть выполнены из полиэтилена.
В свою очередь, базовая армирующая нить 5 несет всю основную нагрузку на армирующую систему и может быть выполнена из высокопрочных высокомодульных полимерных материалов в частности, данные нити могут быть выполнены, например, из волокон полиоксадиазола (поли-пара-фенилен-1,3,4-оксадиазола), арамидного материала, предпочтительно пара-армидных волокон. Под арамидным материалом подразумевается длинная цепочка синтетического ароматического полиамида, имеющего амидные связи, прикрепленные непосредственно к двум ароматическим кольцам или в пара- или мета-положении. При этом пара-арамиды, например, включают поли(пара-фенилентерефталамид)(PPD-T), поли(п-бензамид) или им подобные и волокна, которые продаются, например, под торговой маркой KEVLAR от фирмы E.I. DuPont de Nemours and Company и под торговой маркой TWARON от фирмы Teijin Ltd. Однако, очевидно, что перечень материалов, которые могут быть применены в качестве армирующей нити, согласно полезной модели не ограничивается пара-арамидными волокнами.
В настоящей полезной модели размер нитей, формирующих композиционную нить не имеет ограничений, и может быть ограничен только ассортиментом данных нитей производителя. При этом согласно настоящей полезной модели, окончательный размер комплексной армирующей нити также не имеет специальных ограничений, и может устанавливаться по желанию для конкретного применения подходящим выбором материала базовой армирующей и заполняющей нитей. Вместе с тем, для достижения заявленного технического результата предпочтительно формирование комплексной армирующей нити с равномерным распределением заполняющей нити в пучке комплексной армирующей нити, по объему базовой армирующей нити, что обеспечивает максимально надежное сцепление армирующей системы с основным полимерным слоем и/или дополнительным внешним, покрывающим слоем и обеспечивает монолитность конструкции.
Комплексная армирующая нить, согласно полезной модели формируется из заполняющей нити и базовой армирующей нити соединенных вместе трощением, или сопряжением, или сращиванием, или плетением, или круткой. Способы и оборудование, используемые для скручивания и сложения нитей с целью получения комплексной нити, не имеют особых ограничений. Подходящие для этого текстильные крутильные машины включают, например, кольцекрутильную машину, крутильную машину «2 в 1», прямую тростильную машину и любую другую крутильную машину, известную в данной области техники. При этом нити, формирующие комплексную армирующую нить могут быть смешаны друг с другом, сложены друг с другом или скручены друг с другом на любом подходящем этапе процесса изготовления данной нити или трубы. Например, в вязальную машину могут быть заправлены обе нити, где из них формируется комплексная нить по мере выполнения процесса вязки армирующей системы на трубном элементе.
Базовая армирующая и/или заполняющая нити могут содержать как элементарные нити, так и волокна вышеуказанных материалов. При этом, каждая из них может быть представлена в качестве комплексной нити, состоящей из пучка соответствующих элементарных нитей или волокон, а также может быть выполнена в виде многокомпонентной нити, включающей элементарные нити или волокна разных материалов, но относящихся к соответствующему нити типу. При этом, например, такая комплексная и многокомпонентная заполняющая нить может включать, по меньшей мере, элементарные нити из термопласта с разной температурой плавления, с одной стороны, более низкой, чем температура плавления базовой армирующей нити, и, с другой стороны, близких к температуре плавления основного полимерного слоя и покрывающего слоя, например, выполненных из термопласта с разными температурами плавления. Возможность выполнения базовой и/или заполняющей нити комплексной, а также, комплексной и многокомпонентной, позволяет обеспечить максимально высокую степень адгезии между армирующей системой и армируемыми основным и покрывающим слоем, за счет равномерного распределения расплава заполняющей нити по объему базовой комплексной армирующей нити, охватывая расплавом каждую элементарную нить или волокно базовой армирующей нити, тем самым исключая создание пустот и зон с ослабленной прочностью или, напротив, излишне преднапряженных. Возможность выбора заполняющих нитей с разными температурами плавления, в случае выполнения основного и покрывающего слове из разных полимерных материалов, также обеспечивает возможность достижения максимально высокую степень адгезии соединяемых материалов элементов конструкции, вследствие беспрепятственного вплавления расплава соответствующих элементарных нитей или волокон заполняющей нити в расплав смежных с армирующей системой армируемых слоев, что обеспечивает монолитность конструкции в целом. В силу широкой известности способов производства каждого и вышеуказанных вариантов формирования нитей, выбор структуры базовой армирующей или заполняющей нитей зависит от технологических возможностей производства.
Армирующая система может быть вывязана вокруг трубного элемента с использованием при этом любого из многочисленных способов вязания, известных в данной области. Этот способ вязания может, например, содержать гладкую петлю или петлю, образуемую перенесением на прилегающую иглу. При этом может использоваться любое подходящее число кордных нитей, игл и/или вязальных головок. Согласно данной полезной модели размер петли не имеет особых ограничений. Хотя предпочтение отдается вязаному армированию, предусматривается также, что в альтернативном варианте композиционная нить может с успехом быть представлена в виде плетеного шнура или фасонной штопорной пряжи, или же представлять собой армирующий обвитый тканый материал, нетканый материал или шинную кордную ткань. При этом, армирующая система может содержать один или большее количество слоев.
Согласно полезной модели, полимерная труба может дополнительно содержать, по меньшей мере, один верхний (покрывающий) и внутренний слои. При этом, верхний, покрывающий, слой, может быть выполнен из термопластичного материала с температурой плавления близкой к температуре плавления заполняющей нити и основного полимерного слоя, что обеспечивает формирования монолитной структуры армированной полимерной трубы, так как в процессе ее изготовления и нагрева основного полимерного слоя трубы с армирующим покрытием и нанесенным верхним слоем, осуществляется равномерный расплав заполняющей нити и смежных с армирующей системой поверхностей полимерных слоев, с последующим вплавлением заполняющей нити в данные поверхности. Так как элементарные нити ли волокна заполняющей нити равномерно распределены в комплексной армирующей нити, по объему базовой армирующей нити, соединение слоев между собой также осуществляется равномерно.
Осуществление полезной модели возможно на существующем типовом оборудовании, производимым машиностроительной отраслью в области переработки полимеров и не требует применения дополнительных специальных средств, существенно повышающих стоимость производства изделия. При этом, способ армирования состоит из 2-х стадий.
Первая стадия заключается в подготовке комплексной армирующей нити. Комплексная армирующая нить изготавливается, по меньшей мере, из двух типов элементарных нитей или волокон, на типовом оборудовании методами: трощения, сопряжения, сращивания, плетения, крутки и т.п. Один тип нити, это базовая армирующая нить (например, выполненная из пара-арамида), которая несет всю нагрузку изделия, и может быть выполнена из высокопрочных неплавких или с высокой температурой плавления полимерных материалов, второй тип - это заполняющая нить (например, выполненная из полиэтилена), которая преимущественно является термопластом с более низкой температурой плавления, чем базовая армируюшая нить и такой же или близкой к температуре плавления материалов самого армируемого изделия. Базовая армирующая нить, также как и заполняющая нить могут быть выполнены комплексными и представлять собой пучок элементарных нитей или образующих нить волокон, выполненных из соответствующих их назначению материалов. Заполняющая нить равномерно распределяется в комплексной армирующей нити по объему базовой армирующей нити, в количестве приближенным к объему пустот между элементарными нитями или волокнами базовой армирующей нити (фиг. 2).
Вторая стадия - армирование основного слоя трубы подготовленной комплексной армирующей нитью на типовом оборудовании и нанесение покрывающего слоя (слоев) или без слоя, при условии, что температура плавления верхнего (покрывающего) слоя близка к температуре основного слоя и/или заполняющей нити. Армирующую систему на основе комплексной армирующей нити наносят на пластифицированную путем разогрева наружную поверхность армируемого основного полимерного слоя трубы (фиг. 4) с формированием армирующего покрытия на его наружной поверхности. Процесс соединения армирующего покрытия с армируемым основным полимерным слоем осуществляют при нагреве основного полимерного слоя трубы с армирующим покрытием до температуры плавления заполняющей нити и наружной поверхности основного полимерного слоя трубы (фиг. 4б) - 4г)). Под воздействием температуры, заполняющая нить плавится. Расплавленный материал равномерно распределяется между элементарными нитями или волокнами базовой армирующей нити и заполняет все пустоты. За счет межмолекулярной адгезии (диффузии) между однотипными материалами расплавленный материал приплавляется к внешней поверхности основного слоя и к внутренней поверхности покрывающего расплавленного слоя, тем самым формируя монолитную структуру армированной полимерной трубы с надежно закрепленной армирующей системой внутри материала трубы (фиг. 3). Процесс нагрева заготовки осуществляется на типовом оборудовании, широко применяемом при традиционных методах армирования полимерных изделий и не требует его доработки или модификации.
Процесс соединения армирующей системы с армируемым основным полимерным слоем, при этом, осуществляют с обеспечением вплавления расплава заполняющей нити в наружную поверхность основного полимерного слоя и равномерным его распределением в пучке комплексной армирующей нити, с вплавлением нитей базовой армирующей нити, смежных с армируемым полимерным слоем в приповерхностный слой образованный расплавом заполняющей нити и армируемого полимерного слоя (фиг. 4б)), либо с полным (фиг. 4г)) или частичным (фиг. 4в)) погружением на неполную высоту базовой армирующей нити в слой образованный расплавом заполняющей нити и армируемого полимерного слоя.
Различная глубина погружения армирующей нити достигается путем регулирования температуры нагрева армирующего слоя и усилия натяжения армирующей нити. Чем выше температура и больше усилие натяжения, тем больше возможно достигать погружения армирующей нити в армирующий слой. И соответственно, чем ниже температура армируемого слоя и меньше усилие натяжения, тем меньше армирующая нить погружена в армирующий слой и может быть зафиксирована на поверхности армируемого слоя.
Таким образом, согласно полезной модели, возможно формирование полимерных армированных труб, с разным расположением базовых армирующих нитей по отношению к армируемому слою, в зависимости от требований к эксплуатационным параметрам трубы, и соответственно конструкции трубы (с покрывающим слоем, с дополнительным покрывающим слоем, без покрывающего слоя, с дополнительным внутренним слоем и т.п.). В частности, возможны различные варианты армирования, среди которых например: базовая армирующая нить не погружается в армируемый слой трубы; базовая армирующая нить частично погружается в армируемый слой трубы; базовая армирующая нить полностью погружена в армируемый слой трубы.
Согласно полезной модели, также возможно наносить один или несколько последовательных армирующих слоев состоящих из армирующих систем на основе комплексных армирующих нитей, которые будут приплавляться к нижнему предыдущему слою также образуя монолитность конструкции. Таким образом, можно производить монолитные многослойные трубы, с заданной прочностью трубы, достигая ее существенного увеличения до 250 бар и более.
Трубы, армированные согласно полезной модели, могут быть соединены обычными соединительными узлами для монолитных труб и широко применяемыми в настоящее время электромуфтами, что существенно упрощает процесс монтажа и эксплуатации трубопроводов.
Технология изготовления основного слоя с формированием трубного элемента, а также нанесения дополнительных верхнего и внутреннего слоев известна из предшествующего уровня техники, и не является предметом рассмотрения данной полезной модели.
Таким образом, за счет применения в конструкции системы армирования комплексной армирующей нити, содержащей базовые армирующие нити из неплавких, тугоплавких материалов или полимеров с высокой температурой плавления и заполняющие нити, с температурой плавления близкой к температуре плавления смежных с армирующей системой полимерных слоев, обеспечивается монолитность структуры многослойной полимерной трубы, образованной вплавлением заполняющей нити в поверхность смежных полимерных слоев с одновременным равномерным распределением расплава заполняющей нити между нитями комплексной армирующей нити, по объему базовой армирующей нити. Монолитность конструкции трубы обеспечивает повышение прочности и упругости трубы за счет закрепления армирующей системы в материале армируемого основного слоя трубы, и как следствие - повышение рабочего давления трубопровода, амортизацию гидроударов, снижение материалоемкости, увеличение срока эксплуатации, устранение концевого эффекта армированных труб при линейном расширении. Простота процесса армирования подготовленной комплексной армирующей нитью обеспечивает также уменьшение стоимости труб и увеличение производительности технологических линий при их производстве, при сохранении эксплуатационных параметров трубопровода (рабочее давление, температура эксплуатации) и срока его службы.
Фиг 4а). - схемное представление армирования при котором базовая армирующая нить не погружается в армируемый слой трубы.
фиг. 4б) - схемное представление армирования при котором базовая армирующая нить частично погружается в армируемый слой трубы.
фиг. 4в) - схемное представление армирования при котором базовая армирующая нить полностью погружена в армируемый слой трубы.