МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНАЯ АРМИРОВАННАЯ ТРУБА ПОВЫШЕННОЙ ПРОЧНОСТИ

Полезная модель относится к полимерным трубам, армированным металлическим каркасом. Прочность металлического каркаса и химическая стойкость полимерной матрицы позволяет использовать металлополимерные (металлопластовые) трубы в различных областях народного хозяйства, в частности, для транспортировки нефти и газа, кислот, щелочных продуктов, питьевой и технической воды, а высокая стойкость к абразивному износу позволяет использовать их для транспортировки агрессивных и нейтральных пульп, а также в качестве обсадных труб, например при подземном выщелачивании породы.
Из уровня техники известна Металлополимерная армированная труба, содержащая сварной металлический каркас и полимерную матрицу, описанная в авторском свидетельстве СССР: SU 1366757, опубликованном 15.01.1988. Недостатком данной трубы является сложная составная конструкция полимерной матрицы, которую получают в два этапа. Сначала формируют внутренний слой полимерной матрицы, в который погружают металлический каркас, а затем формируют верхний покрывающий слой термопласта. При этом внутренний и внешний слой трубы снабжают сложным рельефом поверхности с обеспечением взаимного зацепления рельефов для фиксации одного слоя на другом.
Более простой и прочной является Металлополимерная армированная труба, известная из патента Великобритании: GB 2277975, опубликованного 16.11.1994. Указанная труба имеет монолитную термопластичную полимерную матрицу, преимущественно, кристаллического строения, полученную путем экструзии, и армирующий металлический каркас, выполненный из продольных армирующих элементов и, как минимум из двух, поперечных спиральных армирующих элементов. Недостатком данной трубы является невысокая длительная прочность при термоциклических нагружениях.
Наиболее близким аналогом заявленной полезной модели является Металлополимерная армированная труба, описанная в авторском свидетельстве SU 929951, опубликованном 23.05.1982, содержащая сетчатый металлический каркас, жестко скрепленный сваркой в точках пересечения, и полимерную матрицу, полученную методом экструзионного формования, отличающаяся тем, что с целью увеличения сопротивления радиальным нагрузкам, толщина внутренней и наружной стенки выбрана в интервале 0,2-0,8 от толщины каркаса.
Однако, как установлено на практике, прочность металлополимерной армированной трубы, в частности, ее способность к сопротивлению радиальным нагрузкам, определяется не столько соотношением толщины армирующего каркаса и толщины стенки трубы, сколько способностью пары «металл-полимер» релаксировать внутренние напряжения, возникающие под действием на трубу нагрузок, что позволяет сохранить целостность полимерной матрицы, не допуская растрескивания в теле трубы.
В процессе производства трубы металлический каркас и полимер нагревают до одинаковой температуры. При последующем охлаждении их с равными (близкими по величине) градиентами происходит усадка и металла, и полимера, причем, усадка полимера в процентном отношении выше. Таким образом, после охлаждения остается зазор между металлическим каркасом и полимерной матрицей, который позволяет элементам конструкции находиться во взаимно сбалансированном состоянии, то есть, в частности, при воздействии нагрузок на каркас, полимер позволяет каркасу упруго деформироваться, релаксируя возникающие напряжения. Кроме того, наличие зазора позволяет полимеру релаксировать, не образуя крупные сферолиты в течение длительного времени. В этой связи, чем больше полимера в поперечном сечении трубы, тем ниже его относительная способность релаксировать возникающие напряжения. То есть, увеличивая толщину внутреннего и/или внешнего слоя полимера, как написано в авторском свидетельстве SU 929951, не удастся повысить или сохранить необходимые прочностные качества трубы.
С другой стороны, уменьшение толщины слоя полимера не допускается, так как определенный минимальный габарит тела полимерной матрицы необходим для технологических целей, например, монтажа трубопровода или колонны труб, а также для возможности ремонта трубопровода.
В дополнение к критике данного изобретения можно указать, что на основании проведенных экспериментальных работ установлено, что радиальная прочность трубы определяется физическими свойствами и параметрами металлического каркаса, такими как: размер ячейки каркаса, размеры продольных и поперечных элементов арматуры, прочность сварочного соединения, а не выбором толщины стенки трубы.
Заявленная полезная модель направлена на решение задачи по созданию высокопрочной и качественной металлополимерной армированной трубы.
Техническим результатом является повышение качества и длительной прочности в радиальном направлении металлополимерной армированной трубы.
Увеличение прочностных показателей металлополимерной армированной трубы складывается из увеличения прочности металлического каркаса в осевом и радиальном направлении, а также из улучшения структуры полимерной матрицы, которая обладает повышенной гибкостью и пластичностью при снижении адгезионных свойств полимера к каркасу, что в свою очередь ведет к отсутствию растрескивания при термоциклическом нагружении образцов (термоциклировании).
Для решения поставленной задачи заявлена металлополимерная армированная труба, содержащая сварной металлический каркас и полимерную матрицу, полученную методом экструзионного формования, причем полимерная матрица сформирована из полимера, имеющего молекулярную структуру на основе аморфной фазы, предпочтительно, содержащую аморфную фазу в количестве 60-90% от общего объема полимера, а металлический каркас выполнен с прочностью на срез каждого сварного соединения продольных и поперечных армирующих элементов не менее 35 кгс.
Заявленная металлополимерная армированная труба получена путем экструзионного формования при одновременной подаче в формующую полость расплава полимера и армирующего металлического каркаса с последующим интенсивным охлаждением внутренней и внешней поверхности формуемой трубы.
Сетчатый армирующий каркас изготовлен путем навивки элементов поперечной арматуры на элементы продольной арматуры с использованием по меньшей мере одного роликового электрода, совмещающего в себе функции сварки и ковки, а также обеспечивающего прижим элементов поперечного армирования к элементам продольного армирования с усилием от гидропривода. При изготовлении армирующего каркаса во время сварки на роликовый электрод передавались ударные импульсы от гидропривода, синхронизированные с моментом пересечения между собой элементов продольной и поперечной арматуры, а также с моментом подачи импульса тока на роликовый электрод.
Заявленная металлополимерная армированная труба, предпочтительно, имеет следующие конструктивные параметры: ее внешний диаметр составляет 50-1000 мм, расстояние между элементами поперечной арматуры, то есть шаг между витками спирали, составляет - s…6s, мм, где s - размер сечения элементов продольной и поперечной арматуры, выбираемый в диапазоне 0,2…16 мм, с шагом 0,1 мм.
При эксплуатации металлополимерная армированная труба характеризуется высокой долговременной прочностью при термоциклических нагрузках, ее долговременная стойкость превышает 1200 циклов при циклических изменениях температуры от -40°С до +80°С.
В качестве продольных и поперечных армирующих элементов сварного металлического каркаса заявленная металлополимерная армированная труба может содержать различные варианты металлического проката, например, выбранные из группы, включающей: металлическую проволоку круглого сечения, металлический прокат квадратного сечения, металлический прокат трапециевидного сечения, металлический прокат овального сечения, металлический прокат переменного радиуса поперечного сечения и плоский металлический прокат в виде ленты. При этом следует отметить, что прочность соединения элементов каркаса повышается, если для его изготовления выбирают армирующие элементы, соединяемые между собой по плоским граням, например, армирующие элементы квадратного сечения.
В качестве продольных и поперечных армирующих элементов сварного металлического каркаса металлополимерная армированная труба содержит металлический прокат, выполненный из стали или из сплавов на основе цветных или черных металлов, в частности, из сплавов на основе железа, хрома, никеля или меди.
В качестве полимерной матрицы металлополимерная армированная труба может содержать как термопласты, так и реактопласты, в частности, любой полимер, выбранный из группы, включающей: полиэтилен, фторопласт, полиэфиркетон, полиэфирсульфон, полиуретан, поливинилхлорид, термопластичный вулканизированный эластомер.
2
Если заявленная металлополимерная армированная труба в качестве полимерной матрицы содержит полиэтилен, то ее ударная вязкость композита составляет не менее 427 кДж/м, рабочее давление трубы составляет не менее 40 atm, а температурный режим эксплуатации находится в интервале от минус 50 до +95°С.
Если заявленная металлополимерная армированная труба в качестве полимерной матрицы содержит фторопласт, ее рабочее давление составляет не менее 40 atm, a температурный режим эксплуатации находится в интервале от минус 150 до +260°С.
Если заявленная металлополимерная армированная труба в качестве полимерной матрицы содержит полиэфиркетон, то рабочее давление составляет не менее 40 atm, a температурный режим эксплуатации находится в интервале от минус 90 до +260°С.
Если заявленная металлополимерная армированная труба в качестве полимерной матрицы содержит полиэфирсульфон, то ее рабочее давление составляет не менее 40 atm, а температурный режим эксплуатации находится в интервале от минус 100 до +200°С.
Если заявленная металлополимерная армированная труба в качестве полимерной матрицы содержит полиуретан, то ее рабочее давление составляет не менее 40 atm, a температурный режим эксплуатации находится в интервале от минус 70 до +170°С.
Если заявленная металлополимерная армированная труба в качестве полимерной матрицы содержит термопластичные вулканизированные эластомеры на основе полиолефинов, то рабочее давление составляет не менее 40 atm, а температурный режим эксплуатации находится в интервале от минус 60 до +130°С.
Если заявленная металлополимерная армированная труба в качестве полимерной матрицы содержит поливинилхлорид, то рабочее давление составляет не менее 40 atm, a температурный режим эксплуатации находится в интервале от минус 10 до +70°С.
Полезная модель иллюстрируется фигурами 1-4.
На фигуре 1 показана структура заявленной металлополимерной армированной трубы в продольном и поперечном разрезе.
На фигуре 2 показан общий вид устройства для непрерывного изготовления металлополимерной армированной трубы.
На фигуре 3 показана в разрезе экструзионная головка с размещенным на ней сварочным агрегатом.
На фигуре 4 показаны кривые охлаждения расплава полимера при получении заявленной трубы и по прототипу.
Металлополимерная армированная труба, как показано на фиг.1, имеет полимерную матрицу 1 и сварной металлический каркас, выполненный из элементов продольной арматуры 2 и из элементов поперечной арматуры 3. Каркас получен путем спиральной навивки элементов поперечной арматуры 3 на элементы продольной арматуры 2 и сварки их между собой в каждой точке пересечения. Для изготовления трубы армирующий каркас подают в формующую полость при одновременной подаче в указанную полость расплава полимера, а после выхода из формующей полости трубу интенсивно охлаждают изнутри и снаружи.
Устройство для непрерывного изготовления металлополимерной армированной трубы, показанное на фиг.2 и 3, включает в себя экструдер 4, установленный на основании 5, с экструзионной головкой 6, катушки 7 и 8 для подачи соответственно продольной и поперечной металлической арматуры (проволоки). На экструзионной головке 6 (фиг.2) смонтированы кондуктор 9 с пазами, по которым перемещаются элементы продольной арматуры 2, дорн 10, имеющий постоянное жидкостное охлаждение изнутри, закрепленный на головке 6 через термостойкую шайбу 11. На корпусе сварочного агрегата установлен барабан 12 с отдельным приводом вращения (на чертеже не показан), на котором свободно вращаются катушки (шпули) 8 для элементов поперечной арматуры 3, направляющий механизм 13, роликовый электрод 14 для приварки поперечных элементов арматуры 3 к продольным элементам арматуры 2. Внутри барабана 12 неподвижно размещена формующая гильза 15, образующая совместно с дорном 10 кольцевую формующую полость 16 для формовки выходящего из экструдера полимера. Генератор хладагента 17 размещен неподвижно снаружи формующей гильзы 15. На барабане 12 размещен вращающийся совместно с ним сварочный узел, состоящий из одного или нескольких роликовых электродов 14, соединенных с размещенными на раме сварочной машины источниками питания (на чертеже не показаны), эксцентрикового рычага 18 и привода. Для непрерывной подачи продольных элементов арматуры 2, сматываемой с катушек 7 и вывода экструдата из экструзионной головки 6, после нее последовательно в направлении перемещения формируемой металлополимерной трубы 19 расположено тянущее устройство 20 с регулируемым усилием прижима траков 21.
Для изготовления труб определенной длины предусмотрено отрезное устройство 22. Сигнал к началу процесса отрезания мерной трубы подается датчиком положения 23, расположенном на рольганге 24. Рольганг 24 имеет несколько направляющих роликов и служит опорой для готовой продукции, также в его конструкции предусмотрена система сбора охлаждающей жидкости и возврата ее в систему охлаждения.
Экструдат - расплав экструдируемого полимера, выходящий из экструзионной головки 4, попадает на постоянно перемещающийся металлический каркас, сваренный из элементов продольной 2 и поперечной 3 арматуры. Процесс заполнения экструдатом каркаса происходит в формующей полости 16, ограниченной по внутренней поверхности охлаждаемым дорном 10 и расположенной перед ним втулкой 11, а по внешней поверхности формующей гильзой 15.
Для получения необходимого качества внутренней поверхности трубы (геометрическое расположение - соосность внутренней окружности, внешней окружности и каркаса, шероховатость поверхности) наружная поверхность дорна отполирована, а в конструкции дорна заложена возможность позиционирования его на экструзионной головке за счет увеличенного посадочного диаметра.
Натяжение и перемещение элементов продольной арматуры 2 осуществляется при помощи тянущего устройства 20. Геометрическое положение элементов продольной арматуры 2 относительно тела трубы определяется концентрично расположенными пазами на кондукторе 9. Наружная спираль армирующего каркаса, образуется одновременным вращением барабана 12 и поступательным перемещением продольной арматуры 2. Она имеет определенный шаг в соответствии с технологией в пределах s-6s (где s - поперечный размер наружной арматуры) и приваривается к соответствующим последовательно пересекаемым элементам продольной арматуры 2 роликовым электродом 14. Профиль продольной и поперечной арматуры может быть любого сечения и выбирается в зависимости от заданных свойств формируемой трубы. Поперечная арматура 3 сматывается с катушек 8, расположенных на корпусе барабана 12, свободно вращающихся на подшипниках, и подводится к сварочным роликам 14 через систему направляющих. Гидропривод и гидрораспределители совместно с эксцентриковым рычажным механизмом 18 выполняют функцию прижима роликового электрода 14 к спирали поперечной арматуры. Прижим сварочного ролика 14 и подача импульса сварочного тока производятся одновременно для осуществления контактной сварки. При этом моменты подачи импульсов сварочного тока от трансформаторов на роликовый электрод может устанавливаться несколькими путями, например:
а) механическим путем, при помощи счетного устройства и датчиков положения;
б) автоматизированным путем, основанным на определении и согласовании скорости протягивания формуемой трубы, частоте вращения барабана, напряжении и силе тока, поступающего на электрод 14. С помощью датчиков обратной связи определяются наиболее эффективные параметры тока, установленные ранее на основании испытаний. Для синхронизации ударных импульсов и импульсов сварочного тока на сварочном агрегате установлены датчики обратной связи, соединенные с процессором для автоматического определения оптимальных параметров тока.
Для получения оптимальной структуры полимерной матрицы (на основе аморфной фазы) во время производства металлополимерной трубы необходимо постоянное охлаждение экструдата после выхода его из формующей полости 16. Для охлаждения внутренней поверхности формируемой металлополимерной трубы 19 предусмотрена система подачи хладагента в дорн 10, по которому происходит калибровка внутреннего диаметра изготавливаемой трубы. Хладагент подается по трубке 25, проходящей внутри экструзионной головки 6. По мере наполнения полости внутри экструдированной металлополимерной трубы 19 в ней создается необходимое давление, которое поддерживается спускным клапаном, расположенным в пробке 26, установленной внутри указанной трубы. Для наружного охлаждения используется генератор хладагента 17, подающий на внешнюю поверхность формируемой металлополимерной трубы 19 хладагент, состоящий из сжатого газа и охлаждающей жидкости. После того, как расплав полимера заполнит кольцевую полость 16, находящуюся внутри барабана 12, ограниченную снаружи формующей гильзой 15, непосредственно на сформированную металлополимерную трубу 19 снаружи подается хладагент, распыляемый из отверстий, расположенных с внутренней стороны по всей длине спирали генератора 17. В условиях применения полимеров не из группы полиолефинов возможно использование в качестве хладагента смеси, включающей сжатый газ с температурой ниже 0°С.
После выхода из сварочного агрегата произведенная металлополимерная труба 19 проходит тянущее устройство 20, прижим траков 21 которого во избежание дефектов геометрии трубы или недостаточного усилия, регулируется в ручном или автоматическом режиме. Далее труба 19 поступает на рольганг 24 и, перемещаясь по роликам, доходит до датчиков положения 23, местоположение которых на рольганге определяется необходимой длиной трубы. От датчиков 23 сигнал подается на отрезное устройство 22, которое, перемещаясь одновременно с трубой по направляющим, отрезает готовую металлополимерную трубу.
Весь технологический процесс непрерывен и цикличен.
Температура плавления полимеров, наиболее часто используемых для непрерывного изготовления металлополимерной армированной трубы, лежит в интервале 130°С-280°С.Для получения расплава полимера и последующего его формования необходимо нагреть его выше температуры плавления. Армированные металлополимерные трубы, полученные в соответствии с заявленной полезной моделью, обладают повышенной долговременной прочностью и в то же время сохраняют гибкость в системе «металлический каркас-полимер». Новые свойства являются результатом быстрого и глубокого охлаждения расплавленного полимера после того, как он попал в формующую полость и был нанесен на металлический каркас.
В предшествующем уровне техники замедленное охлаждение трубы после выхода полимера из экструзионной головки способствовало протеканию процесса кристаллизации, в результате чего на выходе структура полимера трубы, выбранной за прототип, и аналога состояла на 70-90% из кристаллитов и только на 10-30% из аморфных зон. Такая структура полимера отличается низкой пластичностью и гибкостью, следовательно, при высоких радиальных и осевых нагрузках на трубу из полимера с такой структурой происходит его растрескивание. Во взаимодействии металлического каркаса с телом трубы, как упоминалось выше, решающее значение имеет способность полимера релаксировать напряжения, возникающие в трубе при изменениях температуры и давления. Металлический каркас при воздействии на него осевых и радиальных нагрузок подвержен упругим деформациям, которые также передаются и на полимер, и при недостаточной упругости полимера указанные деформации ведут к разрушению его кристаллической макроструктуры.
Быстрое глубокое охлаждение, используемое при изготовлении заявленной трубы, позволяет получить структуру полимера, состоящую на 10-30 об.% из мелкозернистых кристаллитов и на 70-90 об.% из аморфных зон. С течением длительного времени процент содержания в структуре полимера кристаллитов незначительно повысится за счет увеличения размера кристаллитов, но это не повлечет существенных изменений свойств изготовленной трубы, поскольку диффузионные процессы в твердых полимерах происходят очень медленно. Полученная макромолекулярная структура готовой трубы имеет достаточную гибкость, т.к. основной объем занимают аморфные зоны, которые при воздействии на них нагрузок ведут себя пластично, они деформируются, но не разрушаются.
Заявленное изобретение иллюстрируется примерами его осуществления.
Пример 1.
Изготовлена металлополимерная армированная труба методом непрерывного экструзионного формования при помощи устройства, показанного на фиг.2 и 3.
Для подготовки расплава полимера к формованию в экструдер 4 загрузили гранулированный полиэтилен, а подачу расплава полимера осуществляли из экструзионной головки 6 по каналу для вывода полимера в формующую полость 16, образованную охлаждаемым дорном 10 и наружной формующей гильзой 15, при одновременной подаче в указанную полость сварного армирующего каркаса, изготовленного с помощью по меньшей мере одного роликового электрода. Перед входом в формующую полость 16 установлен рассекатель, на котором закреплена термостойкая неметаллическая втулка 11, установленная перед дорном 10. Втулка 11 изготовлена из материала с низкой теплопроводностью и отделяет охлаждаемый дорн 10 от прямой теплопередачи от выходящего из канала расплава.
После выхода из формующей полости 16 внутреннюю и внешнюю поверхность формуемой трубы 19 подвергли интенсивному охлаждению. Кривые охлаждения расплава полимера при формировании трубы показаны на фиг.4. Кривая 1 соответствует прототипу, кривая 2 заявленному способу. Время охлаждения полимера от температуры формования до комнатной температуры по прототипу составило 245 сек, а по заявленному способу 86 сек. Быстрое охлаждение позволило сформировать, преимущественно, аморфную структуру полимерной матрицы армированной трубы, в результате чего долговременная прочность трубы, изготовленной по примеру 1, измеренная при циклических изменениях температуры от -40°С до +80°С превысила 1200 циклов, а трубы по прототипу составила от 130 до 245 циклов.
Кроме того, следует отметить, что для обеспечения повышенной прочности во время сварки армирующего каркаса на роликовый электрод 14 передавали прижимное усилие и ударные импульсы от гидропривода, которые были синхронизированы с моментом пересечения между собой элементов продольной 2 и поперечной 3 арматуры, а также с моментом подачи импульса тока на роликовый электрод 14.
Для передачи ударных импульсов использовали ударный механизм, который содержит гидроцилиндр, соединенный с гидроприводом. Во время сварки на ударный механизм от гидропривода подается ударный импульс, указанный импульс преобразовывается в поступательное перемещение штока, на противоположном конце которого закреплен рычажной механизм с роликовым электродом 14. Таким образом, процесс сварки совмещается с ковкой, что повышает прочность каждого сварного соединения армирующего каркаса. Прочность на срез сварного соединения продольных и поперечных элементов армирующего каркаса в каждом месте соединения составила не менее 35 кгс.
Кроме того, для постоянного прижима ролика электрода 14 к свариваемым элементам армирующего каркаса использовали прижимное устройство, выполненное в форме пружины, установленной на штоке гидроцилиндра, опирающейся на рычаг роликового электрода 14.
В качестве элементов поперечной и продольной арматуры использовали стальную проволоку (Ст.3) круглого сечения диаметром 3 мм.
Размерный диапазон произведенной металлополимерной армированной трубы составляет по наружному диаметру от 50 мм до 1000 мм с шагом 1 мм (на диаметр).
При этом размерные диапазоны армирующего каркаса для получения указанной трубы выбраны следующие:
- размер сечения арматуры - 0,2…16 мм, с шагом 0,1 мм;
- шаг между элементами поперечной арматуры (спирали) - s…6s, где s - размер сечения поперечной арматуры (спирали), мм.
Необходимо отметить, что калибрование размера трубы производится по ее внутреннему диаметру, в отличие от традиционных технологий производства полимерных труб и профилей, в которых калибровка производится по внешнему диаметру изделия.
Проведенные эксперименты на образцах труб, полученных в соответствии с примером 1, а также анализ макромолекулярной структуры полимерной матрицы трубы, позволили сделать вывод, что одновременное использование интенсивного внутреннего и наружного охлаждения, сделало возможным регулирование скорости и глубины охлаждения полимера с получением заданной структуры полимерной матрицы на основе аморфной фазы формуемого полимера.
Разрушающая нагрузка при осевом растяжении полученной трубы, превышает нормативную величину для металлополимерных труб более чем в 2 раза.
Долговременная стойкость изготовленной по примеру 1 металлополимерной армированной трубы при циклических изменениях температуры от -40°С до +80°С превышает 1200 циклов.
Долговременная стойкость полученной трубы, изготовленной со стыковым сварным соединением, при испытании с напряжениями в стенке 6 МПа и температуре +80°С составляет не менее 1000 часов; при напряжениях 13,4 МПа - не менее 170 часов; а при напряжениях 19 МПа - не менее 100 часов.
3
3
Полученные, как описано выше, металлополимерные армированные трубы показали высокую стойкость к воздействию коррозионноактивных агентов природного и промышленного происхождения типа сернистого газа с концентрацией от 20 до 250 мг/м в сутки, хлоридов с концентрацией менее 0,3 мг/м в сутки, различных кислот и щелочей, а также к воздействию морской воды и почвенно-коррозионной среды.
Металлополимерные армированные трубы, изготовленные в соответствии с примером 1 с толщиной стенки 11,0-12,5 мм, характеризуются рабочим давлением 40 atm, температурным режимом эксплуатации в интервале от -50 до +95°С, ударной вязкостью на
О Т
6
уровне 427,4 кДж/м, коэффициентом усталости не менее 0,46х10 циклов, количеством циклических нагрузок при 0,4 МПа с частотой 25 Гц не менее 3х10 циклов, коэффициентом термического расширения 2х10, герметичностью при постоянном давлении в течение часа не менее 5-10 МПа (в зависимости от диаметра трубы) и запасом прочности от 2 до 4,75 (в зависимости от диаметра трубы в диапазоне 95-225 мм).
Физико-механические свойства труб, изготовленных в соответствии с примером 1, показаны в таблице 1.
Пример 2.
Изготовление металлополимерных труб, армированных сварным металлическим каркасом, осуществили так же, как было показано в примере 1. В качестве материала для формирования полимерной матрицы трубы использовали полиэтилен, соответствующий ГОСТ 16338-85, а в качестве элементов продольной и поперечной арматуры использовали разные варианты металлического проката и проволоки.
2
2
В качестве элементов продольной и поперечной арматуры использовали металлическую проволоку круглого сечения диаметром 3 мм, металлический прокат квадратного сечения со стороной квадрата 2,7 мм, металлический прокат трапециевидного сечения с основанием 3 мм и с площадью сечения 7,1 мм, металлический прокат овального сечения с минимальным диаметром 2,5 мм. В качестве материала для изготовления элементов продольной и поперечной арматуры использовали сталь различных марок или сплавы на основе цветных и черных металлов, в частности, сплавы на основе хрома, никеля или меди. Выбор сплава для изготовления арматуры осуществляется с условием пригодности для электроконтактной сварки и зависит, в основном, от назначения готового изделия.
Свойства металлополимерных труб, армированных сварным металлическим каркасом, изготовленным в соответствии с примером 2, показаны в таблицах 2-4.
Анализ полученных данных показывает, что наличие у элементов продольной и поперечной арматуры хотя бы одной плоской грани увеличивает площадь контакта при сварке армирующих элементов между собой и повышает прочность всего сварного каркаса, а также показатели допустимой растягивающей осевой нагрузки и предельного разрушающего давления изготовленной трубы.
Заявленный способ изготовления металлополимерных труб, армированных сварным металлическим каркасом, как показано ниже, может быть осуществлен с использованием различных видов полимеров для формирования тела (матрицы) трубы, в частности с использованием фторопласта, полиэфиркетона, полиэфирсульфона, полиуретана, термопластичных вулканизированных эластомеров и других полимеров.
Пример 3.
3
Изготовление металлополимерных труб, армированных сварным металлическим каркасом, осуществили так же, как было показано в примере 1. Однако в качестве материала для формирования полимерной матрицы трубы использовали фторопласт-4, имеющий плотность 2,12… 2,17 кг/м и предел текучести при растяжении 12… 20 МПа. Фторопласт выбрали как полимер, обладающий наиболее высокой химической стойкостью и термостойкостью по сравнению с другими полимерами. В процессе переработки фторопласта-4 к нему добавляются компоненты, позволяющие повысить предел холодной текучести полимера, не ухудшая его физико-химических свойств. Такой добавкой может быть графит, сульфиды некоторых металлов и другие антифрикционные материалы.
Изготовили трубу с наружным диаметром 115 мм, которая может работать при температуре эксплуатации от -150 до +260°С.Предельное разрушающее давление для данной трубы составило 7,0 МПа, допустимая растягивающая осевая нагрузка составила 14,6 те. Свойства трубы представлены в таблице 5.
Пример 4.
Способ изготовления металлополимерных труб, армированных сварным металлическим каркасом, осуществили на устройстве (фиг.2-3) так же, как было показано в примере 1. При этом в качестве материала для формирования полимерной матрицы трубы использовали полиэфиркетон марки РЕКК, имеющий плотность 1,28…1,31 кг/м и предел текучести при растяжении 91…112 МПа.
Изготовили трубу с наружным диаметром 160 мм, которая может работать при температуре эксплуатации от -90 до +260°С. Предельное разрушающее давление для данной трубы составило 14,0 МПа, допустимая растягивающая осевая нагрузка составила 20,4 те. Свойства трубы представлены в таблице 6.
Пример 5.
3
Способ изготовления металлополимерных труб, армированных сварным металлическим каркасом, осуществили на заявленном устройстве (фиг.2-3), как было показано в примере 1. При этом в качестве материала для формирования полимерной матрицы трубы использовали полиэфирсульфон марки ПЭС, имеющий плотность 1,36…1,58 кг/м и - предел текучести при растяжении 83… 126 МПа.
Изготовили трубу с наружным диаметром 140 мм, которая может работать при температуре эксплуатации от -100 до +200°С. Предельное разрушающее давление для данной трубы составило 16,0 МПа, допустимая растягивающая осевая нагрузка составила 16,0 те. Свойства трубы представлены в таблице 7.
Пример 6.
3
Способ изготовления металлополимерных труб, армированных сварным металлическим каркасом, осуществили так же, как было показано в примере 1. Однако в качестве материала для формирования полимерной матрицы трубы использовали полиуретан марки ТПУ, имеющий плотность 1,12… 1,28 кг/м и предел текучести при растяжении 12… 70 МПа.
Изготовили трубу с наружным диаметром 115 мм, которая может работать при температуре эксплуатации от -70 до +170°С.Предельное разрушающее давление для данной трубы составило 14,1 МПа, допустимая растягивающая осевая нагрузка составила 15,0 те. Свойства трубы представлены в таблице 8.
Пример 7.
3
Способ изготовления металлополимерных труб, армированных сварным металлическим каркасом, осуществили на заявленном устройстве так же, как было показано в примере 1. Причем в качестве материала для формирования полимерной матрицы трубы использовали термопластичные вулканизированные эластомеры TPV (на основе полиолефинов), имеющие плотность 0,97 кг/м и предел текучести при растяжении 2…28МПа.
Изготовили трубу с наружным диаметром 200 мм, которая может работать при температуре эксплуатации от -60 до +130°С.Предельное разрушающее давление для данной трубы составило 9,4 МПа, допустимая растягивающая осевая нагрузка составила 24,0 те. Свойства трубы представлены в таблице 9.
Пример 8.
3
Способ изготовления металлополимерных труб, армированных сварным металлическим каркасом, осуществили на заявленном устройстве так же, как было показано в примере 1. Однако в качестве материала для формирования полимерной матрицы трубы использовали поливинилхлорид суспензионный ПВХ С (PVC S), имеющий плотность 1,13… 1,58 кг/м и предел текучести при растяжении 4…7 МПа.
Изготовили трубу с наружным диаметром 115 мм, которая может работать при температуре эксплуатации от -10 до +70°С. Предельное разрушающее давление для данной трубы составило 14,4 МПа, допустимая растягивающая осевая нагрузка составила 13,8 те. Свойства трубы представлены в таблице 10.
Таблица 1
Физико-механические свойства трубы, полученной заявленным способом.
Наружный диаметр трубы,мм
Растягивающая осевая нагрузка, тс (кН), не менее
Предельное разрушающее давление, МПа (кгс/см<sup>2</sup>)
Масса кг 1 п/м,
1.
95
11 (110)
19,0 (190)
6,7
2.
115
14 (140)
15,0(150)
8,3
3.
125
15 (150)
14,2 (142)
9,1
4.
140
16 (160)
13,0 (130)
10,1
5.
160
20 (200)
11,5 (115)
11,8
6.
180
22 (220)
10,4 (104)
13,6
7.
200
24 (240)
9,0 (90)
15,2
8.
225
28 (280)
8,0 (80)
17,2
Таблица 2
Свойства трубы, полученной заявленным способом, при использовании в качестве армирующего каркаса металлической арматуры круглого сечения и матрицы из полиэтилена.
Наружный диаметр, мм
Растягивающая осевая нагрузка, тс (не менее)
Диаметр проволоки, мм
Предельное разрушающее давление, МПа
Температура эксплуатации, °С
Масса 1 п/м, кг
1
125
15
3
14,2
-50 - +95
9,1
2
180
22
3
10,4
-50 - +95
13,6
3
200
24,2
3
9
-50 - +95
15,2
Таблица 3
Свойства трубы, полученной заявленным способом, при использовании в качестве армирующего каркаса металлической арматуры квадратного сечения и матрицы из полиэтилена.
Наружный диаметр,мм
Растягивающая осевая нагрузка, тс
Размер стороны квадрата сечения проволоки, мм
Предельное разрушающее давление, МПа
Температура эксплуатации, °С
Масса 1 п/м, кг
1
125
18,2
2,7
15,1
-50 - +95
9,1
2
180
25,6
2,7
11,3
-50 - +95
13,6
Таблица 4
Свойства трубы, полученной заявленным способом, при использовании в качестве продольных элементов армирующего каркаса металлической арматуры трапециевидного сечения, в качестве поперечных элементов - металлической арматуры круглого сечения диаметром 3 мм и матрицы из полиэтилена.
Наружныйдиаметр,мм
Растягивающая осевая нагрузка, тс
Размер основания трапеции, мм
Предельное разрушающее давление, МПа
Температура эксплуатации, °С
Масса 1 п/м, кг
1
160
23,2
3
14,6
-50 - +95
11,7
2
225
31
3
9,3
-50 - +95
17,2
Таблица 5
Свойства трубы, полученной заявленным способом, при использовании в качестве полимерной матрицы фторопласта-4
Наружный диаметр, мм
Растягивающая осевая нагрузка, тс
Предельное разрушающее давление, МПа
Температура эксплуатации, °С
Масса 1 п/м, кг
1
115
14,6
7,0
-150 - +260
11,6
Таблица 6
Свойства трубы, полученной заявленным способом, при использовании в качестве полимерной матрицы полиэфиркетона марки РЕКК
Наружный диаметр, мм
Растягивающая осевая нагрузка, тс
Предельное разрушающее давление, МПа
Температура эксплуатации, °С
Масса 1 п/м, кг
1
160
20,4
14,0
-90 - +260
15,1
Таблица 7
Свойства трубы, полученной заявленным способом, при использовании в качестве полимерной матрицы полиэфирсульфона марки ПЭС
Наружный диаметр, мм
Растягивающая осевая нагрузка, тс
Предельное разрушающее давление, МПа
Температура эксплуатации, °С
Масса 1 п/м, кг
1
140
16,0
16,0
-100 - +200
14,2
Таблица 8
Свойства трубы, полученной заявленным способом, при использовании в качестве полимерной матрицы полиуретана ТПУ
Наружный диаметр, мм
Растягивающая осевая нагрузка, тс
Предельное разрушающее давление, МПа
Температура эксплуатации, °С
Масса 1 п/м, кг
1
115
15,0
14,1
-70 - +170
10,0
Таблица 9
Свойства трубы, полученной заявленным способом, при использовании в качестве полимерной матрицы термопластичных вулканизированных эластомеров
Наружный диаметр, мм
Растягивающая осевая нагрузка, тс
Предельное разрушающее давление, МПа
Температура эксплуатации, °С
Масса 1 п/м, кг
1
200
24,0
9,4
-60 - +130
15,2
Таблица 10
Свойства трубы, полученной заявленным способом, при использовании в качестве полимерной матрицы ПВХ С (поливинилхлорид суспензионный PVC S)
Наружный диаметр, мм
Растягивающая осевая нагрузка, тс
Предельное разрушающее давление, МПа
Температура эксплуатации, °С
Масса 1 п/м, кг
1
115
13,8
14,4
-10 - +70
10