ГИБКИЙ ТРУБОПРОВОД ИЗ ПОЛИМЕРНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА
FLEXIBLE PIPE FROM POLYMER COMPOSITE MATERIAL

Изобретение относится к устройствам в виде гибких трубопроводов из полимерных композиционных материалов (ПКМ), предназначенным для применения в системах изделий аэрокосмической техники и других отраслей, например в системах кондиционирования воздуха и вентиляции и других. Основные требования, предъявляемые к подобным конструкциям - соответствие техническим условиям по герметичности, массе, пожарной безопасности, экологическим нормативам, минимуму гидравлических потерь.
Известен способ изготовления эластичных трубчатых изделий, армированных спиралью жесткости (RU 2460645 С2, F16L 11/10, опубл. 10.09.2012). Этот способ включает навивку на дорн спирали жесткости, распределение поверх спирали эластичной трубчатой оболочки, при этом в качестве спирали жесткости используют пружинный элемент диаметром в спокойном состоянии больше диаметра эластичной трубчатой оболочки, в качестве дорна используют дорн с диаметром меньше диаметра эластичной трубчатой оболочки, навивку на дорн пружинного элемента осуществляют с закручиванием пружинного элемента до диаметра дорна, затем закрепляют концы пружинного элемента на дорне, а распределение поверх спирали жесткости эластичной трубчатой оболочки осуществляют натягиванием готовой эластичной трубчатой оболочки с освобождением после натягивания концов пружинного элемента.
Недостатком конструкции гибкого трубопровода, полученной в результате применения данного известного способа, является то, что внутреннее давление среды, заполняющей трубопровод при его работе, воспринимается только оболочкой, размещенной поверх спирали жесткости. Таким образом, спираль жёсткости не участвует в обеспечении прочности трубопровода, а служит только для сохранения геометрии сечения. Кроме того, спираль жесткости, размещенная внутри оболочки, создает дополнительное сопротивление движению среды внутри трубопровода.
В качестве прототипа принята известная конструкция гибкого шланга, содержащего оболочку из эластичного материала и установленный в ней по всей длине усиливающий элемент в виде открытой винтовой спирали, которая выполнена из материала, обладающего эффектом памяти формы (RU 2015916 C1, F16L 11/10, опубл. 15.07.1994), где в качестве усиливающего элемента используется металлическая винтовая спираль, изготовленная из материала, обладающего «эффектом памяти», например, никелида титана. В качестве оболочки используется эластичный материал типа полихлорвинила.
Недостатками данной известной конструкции является:
- сложность технологического процесса изготовления, включающего термообработку намотанной спирали до температуры 400-500°С, охлаждения, перенавивки спирали и повторного нагрева выше 70°С;
- использование эластичной оболочки из термопластичного материала типа полихлорвинила, не обладающего свойствами пожарной безопасности и пониженными механическими свойствами из-за отсутствия армирования тканью;
- повышенные массовые характеристики металлической спирали по сравнению со спиралью из ПКМ.
Технической задачей и техническим результатом заявленного изобретения является получение гибкого трубопровода из ПКМ, при этом повышая надежность и безопасность в случаях повреждения или отказа оборудования, обеспечивая работу при максимальной границе диапазона рабочей температуры не менее 300°С и максимальной границе диапазона рабочего внутреннего давления не менее 50 КПа, также обеспечивая оптимальную гибкость и минимум гидравлического сопротивления при деформациях трубопровода.
Технический результат достигается заявленным гибким трубопроводом из полимерного композиционного материала, включающим эластичную оболочку, выполненную из материала, армированного одним слоем стеклоткани и усиленную спиралью жесткости, причем эластичная оболочка выполнена из негорючего эластичного материала с углом расположения нитей основы и утка к продольной оси трубопровода 45°±10°, при этом поверх оболочки приклеена на эластичном клее спираль жёсткости, состоящая из шнура с нитями, пропитанного низкоконцентрированным раствором термореактивного связующего, причем шнур просушен до приклейки к оболочке, а связующее после приклейки шнура отверждено при температуре от +50°С до +140°С, а по открытым сторонам концов трубопровода приклеены на эластичном клее манжеты из эластичного материала.
Схема заявленной конструкции гибкого трубопровода из ПКМ показана на фигуре 1, где:
1 - оболочка;
2 - эластичный клей;
3 - спираль жесткости в виде шнура из нитей, пропитанного термореактивным связующим;
4 - продольная ось трубопровода;
5 - манжета.
В заявленном изобретении предлагается конструкция гибкого трубопровода из ПКМ с эластичной оболочкой (1), выполненной из негорючего эластичного материала типа известных прорезиненных тканей, например марок «Атом - 2», «ткань 500» и аналогичных, армированного одним слоем стеклоткани с углом расположения нитей основы и утка к продольной оси трубопровода (4) 45°±10°, что обеспечивает оптимальную гибкость и минимум гидравлического сопротивления при деформациях трубопровода. Поверх оболочки приклеена на эластичном клее (2) спираль жесткости из шнура из нитей, пропитанного низкоконцентрированным раствором термореактивного связующего (3), например, фенолформальдегидного или полиимидного, отвержденного после приклейки при температуре от +50°С до +140°С. Концентрация раствора подобрана максимально низкой, что исключает хрупкое разрушение шнура при его изгибе, что произошло бы, если бы концентрация раствора соответствовала известным пропорциям для данного известного типа связующего. Но подобранная низкая концентрация такова, что после отверждения связующего она придаёт упругие свойства данной спирали жёсткости и обеспечивает сохранение геометрической формы сечения трубопровода при его изгибе и восприятие нагрузки от внутреннего и внешнего давления. Следствием этого принципа является то, что до намотки и приклейки спираль жёсткости имеет вид мягкого шнура и приобретает упругие свойства только после заключительной термообработки. По открытым сторонам концов трубопровода приклеены на эластичном клее манжеты (5) из эластичного материала, армированного тканью с углом расположения нитей основы и утка к продольной оси трубопровода 45°±10°, что обеспечивает легкое герметичное соединение со стандартными патрубками известных конструкций. Ткань, которой армированы оболочка и манжеты, снаружи покрыта слоем эластичного материала для исключения местных разрушений ткани при многократных изгибах трубопровода во время эксплуатации. Кроме того, материалы оболочки, шнура, эластичного клея, раствора связующего, манжет и шаг намотки спирали жёсткости подобраны для обеспечения известных требований по пожарной безопасности, экологии, герметичности, работы при максимальной границе диапазона рабочей температуры не менее 300°С и максимальной границе диапазона рабочего внутреннего давления не менее 50 КПа, с целью возможной замены на трубопроводы из ПКМ металлических трубопроводов участков систем кондиционирования воздуха (СКВ), систем антиобледенения и других, отходящих от зон отбора горячего сжатого воздуха от компрессоров авиадвигателей и других подобных источников.
Тем самым обеспечивается легкий и быстрый способ изготовления заявленной конструкции гибкого трубопровода с помощью намотки на разборную цилиндрическую оправку из клинообразных элементов и приклейки с использованием известного оборудования типа намоточного или токарного станка с простыми приспособлениями типа катушки со шнуром, пропитанным раствором низкоконцентрированного термореактивного связующего, резервуара с жидким эластичным клеем и фильеры, обеспечивающей необходимый нанос клея или аналогичных устройств, с возможностью автоматизации процесса (при необходимости изготовления крупной серии).
В случаях возможного повреждения или отказа оборудования, приводящих к повышению рабочей температуры свыше указанной в технических условиях, эластичная оболочка, выполненная из негорючего материала и усиленная спиралью жёсткости, состоящей из шнура из стеклянных нитей, пропитанного низкоконцентрированным раствором термореактивного связующего, например, фенолформальдегидного или полиимидного, не расплавится и не разрушится в силу химических особенностей используемого термореактивного связующего.
Спираль жёсткости в случае возможных значительных внешних усилий, например, сильного случайного нажатия рукой или ногой, не может необратимо деформироваться и потерять упругие свойства из-за того, что её площадь поперечного сечения значительно больше площади поперечного сечения металлической проволоки одинаковой массы и потому что шнур, пропитанный термореактивным связующим после его отверждения представляет собой упругую объёмную пористую систему.