ПОЛИМЕРНАЯ ТРУБА

Полезная модель касается полимерных труб, предпочтительно для систем теплоснабжения и водоснабжения, в особенности, для транспортировки среды с температурой до 125°С.
До настоящего времени для систем тепло- и водоснабжения с рабочей используются металлические трубы, например медные или стальные с присущими им недостатками, такими как дороговизна, подверженность коррозии, отсутствие гибкости, затрудняющее строительство трубопроводов и др.
Однако в последнее 25-30 лет широко нашли применение полимерные трубы, которые не подвержены коррозии и обладают химической стойкостью.
В частности, для изготовления полимерных труб используется полиэтилен. Однако его использование имеет температурные ограничения. Указанный недостаток преодолевается сшиванием полиэтилена, что приводит к расширению температурного диапазона -до 95°С, и прочностных характеристик труб, в том числе рабочего давления до 1 МПа.
Но изготовление труб из сшитого полиэтилена приводит к тому, что технологический процесс изготовления трубы дополняется операцией сшивания.
В качестве альтернативы сшитому полиэтилену в качестве материала, из которого изготавливается полимерная труба, может быть использован полиэтилен повышенной температуростойкости - PERT. Свойства труб из PERT описаны в Стандарте ISO 22391-2. Основной характеристикой PERT является длительная прочность при температуре 110°С, которая для PERT первого тина составляет более 1 МПа после воздействия указанного давления более 10000 часов (на базе 10000 часов). Для PERT второго типа составляет более 2 МПа на базе 10000 часов. Такие высокие прочностные показатели при температуре 110°С достигнуты за счет преодоления склонности материала к хрупкому разрушению благодаря структуре, полученной при синтезе сополимера.
Известны полимерные трубы, содержащие, по крайней мере, одну внутреннюю оболочку для транспортировки среды, выполненную из PERT, в частности, из сополимера этилена с альфа-олефинами, (см. http://meto.ru/analiz/publ_4.htm). Такие трубы обладают прочностными характеристиками на уровне сшитого полиэтилена и работают при температуре 70-95°С. Однако эта труба не может использоваться для транспортировки среды с рабочей температурой превышающей 95-100°С. Ограничения обусловлены тем, что при повышении рабочей температуры транспортируемой среды выше указанного значения, материал внутренней оболочки превращается в расплав с потерей прочности вплоть до слипания стенок оболочки. Слипание стенок оболочки приводит к необратимым последствиям, заключающимся в потере транспортирующей способности трубопровода и невозможности его дальнейшего использования. В результате этого требуется полная замена трубопровода на всем участке, где произошло аварийное превышение температуры. Кроме того, такие аварийные ситуации крайне опасны для людей, особенно в местах с высокой плотностью населения.
С учетом структуры материала внутренней оболочки, наиболее близким аналогом предложенной полезной модели является труба, содержащая внутреннюю оболочку для транспортировки среды из молекулярно сшитого полиэтилена типа RERT, известная под торговым названием «ThermoTech PERT» (см. http://www.teppol.ru/articles/detail.php?ID=10187).
Указанная труба обладает всеми преимуществами PERT, но имеет ограничения по рабочей температуре транспортируемой среды.
Применение в качестве материала внутренней оболочки полимерной трубы молекулярно сшитого PERT не обеспечивает требуемый уровень прочностных свойств, так как он не имеет поперечных химических связей между молекулами и превращается в жидкость в диапазоне температур плавления 130-135°С.
При этом рабочая температура транспортируемой среды, которая по условиям безопасности должна быть на 20-25°С ниже температуры плавления, не может превышать 110-115°С.
Задачей полезной модели является создание полимерной трубы, имеющей рабочую температуру до 125°С.
Технический результат заключается в расширении арсенала технических средств и расширении диапазона рабочих характеристик трубы, в частности рабочей температуры и давления.
Указанный результат достигается за счет того, что в полимерной трубе, имеющей как минимум одну внутреннюю оболочку, внутренняя оболочка выполнена из PERT второго типа, сшитого сшивающим агентом.
Возможно выполнение внутренней оболочки из PERT второго типа, сшитого сшивающим агентом, и имеющего сопротивление раздиру армирующим элементом при температуре 125°С не менее 25 Н/мм.
В одном из случаев выполнения полезной модели в качестве сшивающего агента может быть использован пероксид.
В другом случае выполнения сшивающим агентом является пероксид и ионизирующее излучение.
Полимерная труба может быть снабжена армирующей системой, охватывающей внутреннюю оболочку.
Дополнительно полимерная труба может содержать, по крайней мере, один фиксирующий слой.
Возможно использование, по крайней мере, одного фиксирующего слоя как защитного слоя.
Армирующая система может быть выполнена из высокопрочных нитей, имеющих удельную разрывную нагрузку не ниже 0,5 Н/текс, выполненных, преимущественно, из арамидного волокна или из углеродного волокна или из стекловолокна.
Возможно объединение нитей армирующей системы в группы, формирующие ленты.
Ленты могут быть выполнены из нитей из арамидного волокна, или углеродного волокна или из стекловолокна или из различных сочетаний этих волокон.
Армирующая система может быть образована нитями, навитыми под углом друг к другу и оси трубы или лентами, навитыми аналогичным образом.
В другом случае, армирующая система может быть образована переплетенными нитями, расположенными под углом друг к другу и к оси трубы.
В отдельных случаях армирующая система полимерной трубы снабжается либо отдельными нитями, расположенными вдоль оси трубы, либо аналогичным образом расположенными лентами.
Возможно выполнение армирующей системы наложением, по крайней мере, одной пары слоев армирующих нитей или одной пары слоев армирующих лент.
Полимерная труба может быть снабжена кислородо-защитным слоем, выполненным из материала, обладающего барьерными свойствами по отношению к кислороду и выбранным из группы, включающей сополимер этилена с виниловым спиртом, полиамид, алюминий.
При использовании трубы в условиях, требующих сохранения температуры теплоносителя, она может быть снабжена теплоизоляционным слоем, выполненным из ячеистого полимера, предпочтительно, из пенополиуретана или пенополиизоцианурата.
Один из защитных слоев (оболочек) является наружной оболочкой трубы и может быть выполнен полиэтилена или сополимеров этилена.
Теплоизоляционный слой и наружная оболочка могут быть выполнены гофрированными.
Предпочтительно, полимерная труба может быть использована в сетях теплоснабжения с рабочей температурой до 125°С при давлении до 1 МПа.
PERT, как термопластичный материал, имеет ясно выраженный недостаток - полную потерю механических свойств при температуре 135°С, поскольку при этой температуре материал плавится и превращается в жидкость.
Теоретически преодолеть процесс плавления возможно путем сшивания полимеров, как это было сделано с другими видами полиэтилена. Однако, поскольку сшивание вносит большие изменения в структуру полимера, невозможно спрогнозировать сохранение сшитым PERT высокого уровня механических свойств при температуре выше 110-П5°С.
Экспериментально установлено, что при изготовлении внутренней оболочки из PERT второго типа сшитого сшивающим агентом, возможна транспортировка среды с рабочей температурой до 125°С без слипания стенок внутренней оболочки.
Использование PERT второго типа обусловлено тем, что он имеет большую долговременную прочность по сравнению с PERT первого типа, что обеспечивает требуемые прочностные характеристики трубы,
Примерами PERT второго типа являются такие материалы как Hostalen 4731B, Dowlex 2388 и другие сополимеры этилена.
Преимущественно, внутренняя оболочка полимерной трубы может быть изготовлена из PERT второго типа, сшитого сшивающим агентом, и имеющего сопротивление раздиру армирующим элементом при температуре 125°С не менее 25 Н/мм.
Показатель «Сопротивление полимера раздиру армирующим элементом при 125°С» определяется по СТО 73011750-009-2012 и позволяет рассчитать давление во внутренней трубе, которое продавливает материал внутренней трубы через армирующую систему. Сущность метода заключается в измерении силы, необходимой для раздира образца проволокой, моделирующей армирующий элемент. При испытании измеряют силу, необходимую для раздира образца на две части. Сила, необходимая для раздира, прикладывается при помощи разрывной машины, работающей при постоянной скорости движения траверсы, обеспечивающей разрушение образца. Для расчета сопротивления раздиру используют среднюю достигнутую силу, в соответствии с ISO 6133: 1998 метод А.
Сопротивление раздиру армирующим элементом, измеренное при температуре 125°С, позволяет оценить работоспособность трубы при температуре транспортируемой среды до 125°С.
Экспериментальным путем установлено, что при показателе сопротивления раздиру 25 Н/мм и выше при 125°С, труба может эксплуатироваться при транспортировке среды с температурой до 125°С при давлении до 1 МПа.
В качестве сшивающего агента могут быть использованы пероксиды. Использование пероксидов на практике в качестве сшивающих агентов характеризуется двумя основными особенностями:
- пероксиды должны распадаться на свободные радикалы, способные отрывать атомы водорода от макромолекулы полиолефина, тем самым приводя к образованию макрорадикалов, благодаря чему протекают все последующие необходимые реакции;
- процессы происходят в расплаве полимера, т.е., температура является высокой (130-300°С), а реакционное время - коротким (несколько минут).
Примерами таких пероксидов являются Di-t-butylperoxide или 2,5 dimethyl-2,5di(t-butyl-peroxy)hexyne-3. В качестве сшивающих агентов может быть использовано ионизирующее излучение.
Использование этих сшивающих агентов обеспечивает стабильные поперечные связи между молекулами PERT, что повышает температуру экструдации материала внутренней оболочки и обеспечивает повышение рабочей температуры среды, транспортируемой по оболочке.
Эксплуатация трубы из PERT второго типа, сшитого сшивающим агентом, при давлении 1 МПа, требует изготовления стенки трубы большой толщины, что приводит к снижению гибкости трубы и существенному увеличению ее веса. Армирующая система позволяет достичь прочности трубы достаточной для транспортировки среды при рабочем давлении до 1 МПа и рабочей температуре до 125°С, с существенным уменьшением толщины стенки, обеспечивающим гибкость трубы необходимую для намотки на барабан.
Возможно включение в конструкцию трубы, по крайней мере, одного фиксирующего слоя. Фиксирующий слой обеспечивает постоянство позиционирования нитей или лент армирующей системы в ходе технологического процесса изготовления и в процессе эксплуатации трубы. Четкое позиционирование нити обеспечивает повышение прочности трубы благодаря исключению дефектных зон в армирующей системе, и, в конечном итоге, позволяет транспортировать среду с более высокими параметрами (температура и давление).
Фиксирующий слой может быть расположен между внутренней оболочкой и армирующей системой. В этом случае он выполняет функции протектора, защищающего внутреннюю оболочку, нагреваемую транспортируемой средой, от режущего воздействия армирующей системы, что позволяет транспортировать среду с более высокой температурой и давлением.
Если фиксирующий слой расположен поверх армирующей системы, то он служит для защиты системы от внешних воздействий, в частности, в процессе изготовления трубы.
Наличие указанных слоев повышает прочностные характеристики полимерной трубы и рабочую температуру транспортируемой среды.
Для равномерного распределения армирующих нитей по поверхности трубы, а, следовательно, равномерного распределения нагрузки в процессе эксплуатации трубы, армирующая система выполнена в виде структуры из навитых в противоположном направлении, то есть «по часовой стрелке» и «против часовой стрелки», под углом друг к другу и к оси трубы нитей или лент, или в виде структуры из переплетенных нитей или лент. Армирующая система также может дополнительно содержать продольную нить или ленту, в том числе вплетенную в переплетение нитей или лент, расположенных под углом к оси трубы. Давление, которое выдерживает армирующая система, определяется прочностью нитей и их числом. Количество нитей выбирается из условия, что армирующая система должна выдерживать разрушающее давление, по меньшей мере, равное рабочему давлению, умноженному на коэффициент запаса прочности. Для обеспечения требуемых прочностных характеристик армирующая система может быть выполнена либо в виде пары слоев армирующих нитей или лент, расположенных под углом друг к другу и к оси трубы с противоположным направлением навивки, либо наложением нескольких последовательных пар слоев из нитей и/или лент. Выполнение армирующей системы так, как указано выше, повышает прочность трубы в целом, позволяя транспортировать среду с более высокими давлением и температурой, в том числе с температурой до 125°С.
Выполнение армирующей системы из высокопрочных синтетических нитей, имеющих удельную разрывную нагрузку не ниже 0,5 Н/текс, преимущественно, из арамидного волокна или из углеродного волокна или из стекловолокна позволяет транспортировать среду с высокой температурой и давлением.
Нити армирующей системы в группы, объединенные в группы, формируют ленты. Ленты могут быть выполнены из синтетических нитей, преимущественно, из арамидного волокна, или углеродного волокна или из стекловолокна или из различных сочетаний этих волокон. Ленты способствуют более равномерному распределению нагрузки на нити, что еще более повышает диапазон рабочих характеристик трубы, в том числе рабочее давление и температуру.
В отдельных случаях армирующая система полимерной трубы снабжается либо отдельными нитями, расположенными вдоль оси трубы, либо аналогичным образом расположенными лентами. Нити или ленты, расположенные таким образом, повышают продольную прочность трубы.
Наличие барьерного кислородо-защитного слоя, выполненного например, из сополимера этилена с виниловым спиртом, полиамида или алюминия, защищающего от диффузии кислорода воздуха и насыщения им теплоносителя, обеспечивает уменьшение скорости процессов старения полимерной трубы, приводящих к снижению прочностных характеристик полимерных материалов, особенно при повышенных температурах. Таким образом наличие кислородо-защитного слоя обеспечивает прочностные параметры трубы достаточные для транспортировки среды с температурой до 125°С и давлением до 1 МПа в течение длительного времени эксплуатации. Толщина данного слоя, преимущественно, составляет 0,1-0,35 мм
Наличие теплоизоляционного слоя, выполненного предпочтительно из пенополи-уретана или пенополиизоцианурата, обеспечивает минимизацию изменения температуры транспортируемой среды и амортизацию внешних механических воздействий на трубу, что приводит к повышению прочности трубы в целом и обеспечивает возможность эксплуатации трубы при высоких температурах транспортируемой среды.
Теплоизоляционный слой защищен от внешних воздействий наружной оболочкой, выполненной, например, из полиэтилена или сополимеров этилена. Наружная оболочка защищает трубу от воздействий окружающей среды и механических повреждений, что повышает прочность трубы и необходимо для обеспечения безопасной эксплуатации трубы при повышенных температурах транспортируемой среды.
Выполнение теплоизоляционного слоя и/или наружной оболочки гофрированными обеспечивает гибкость трубы, способствует устойчивому позиционированию трубы в траншее, что также способствует эксплуатации трубы при повышенных температурах транспортируемой среды без ее разрушения.
Полимерная труба предпочтительно используется в сетях теплоснабжения с рабочей температурой до 125°С при давлении до 1 МПа.
На фиг.1 показано продольное сечение одного из вариантов трубы согласно предлагаемой полезной модели.
Полимерная труба содержит внутреннюю оболочку 1, снабженную армирующей системой 2, кислородо-защитным слоем 3, первым и вторым фиксирующими слоями 4, теплоизоляционным слоем 5 и наружной защитной оболочкой 6. Теплоизоляционный слой 5 и наружная защитная оболочка 6 показаны гофрированными.
Процесс производства трубы заключается в следующем:
С помощью пултрудера или экструдера полимерная композиция в виде порошка или расплава гранул, включающая PERT второго типа, например, Hostalen 4731B или Dowlex 2388, и сшивающий агент, продавливается в кольцевой зазор между мундштуком и дорном, нагретыми до температуры выше температуры плавления композиции. В результате при движении по кольцевому зазору формируется внутренняя оболочка 1 из сшитого полимера, которая затем проходит через охлаждающую ванну, где калибруется и охлаждается ниже температуры плавления.
Далее, в соответствии со стандартной технологией изготовления многослойной трубы, на внутреннюю оболочку последовательно наносятся следующие слои: кислородо-защитный слой 3, один фиксирующий слой 4, поверх которого укладываются армирующие нити или ленты 2, и второй фиксирующий слой 4. Затем формируется слой теплоизоляции 5 и наружная защитная оболочка 6.
Многослойная полимерная труба проходит через охлаждающую вакуумную ванну, где приобретает окончательные геометрические размеры, и наматывается на барабан.
Реализация полезной модели может быть продемонстрирована на следующем примере.
Пример 1.
Труба, изготовленная из сополимера этилена класса PERT тип 2, а именно HOS-TALEN 4731 В, имеющего сопротивление раздиру армирующим элементом при температуре 125°С не менее 25 Н/мм, сшитого сшивающим агентом, снабжена армирующей системой 2 из арамидных нитей, расположенной между фиксирующими слоями 4 из этиленпропиленового сополимера, и выполненной в виде наложенных друг на друга двух слоев нитей, переплетенных под углом друг к другу и к оси трубы с вплетенными в них нитями, расположенными вдоль оси трубы, кислородо-защитным слоем 3, выполненным из сополимера этилена с виниловым спиртом, пенополиуретановым теплоизоляционным слоем 5, и наружной оболочкой 6 из полиэтилена. Слои 5 и 6 - гофрированы. Труба характеризуется показателем долговременной прочности 2,0 МПа при воздействии среды с температурой 110°С в течении не менее 1000 часов и отсутствием слипания стенок трубы при температуре до 170 С. Труба может использоваться для транспортировки среды с температурой до 125°С при аварийном повышении температуры - до 170°С.
Данная полезная модель может быть использована в сетях холодного и горячего водоснабжения и теплоснабжения, однако наиболее целесообразно ее использование в контурах тепловых сетей, работающих в диапазоне до 125°С при давлении до 1 МПа. Возможно использование полимерной трубы и для транспортировки других сред, к воздействию которых труба химически устойчива.