СПИРАЛЬНОВИТАЯ ТРУБА

Область техники
Полезная модель касается спиральновитых труб, предназначенных для строительства трубопроводов, преимущественно для систем водоотведения, а также для устройства резервуаров и колодцев различной конструкции и назначения.
Предшествующий уровень техники
Известна цилиндрическая труба, стенки которой выполнены из термопласта (ГОСТ 52134-2003). Недостатком такой трубы является то, что увеличение диаметра трубы требует значительного увеличения толщины стенки трубы, что приводит к увеличению веса трубы при заданных прочностных характеристиках.
Наиболее близким аналогом предложенной полезной модели является спиральновитая труба из термопласта (RU 72036 U кл. МПК F16L 9/133, F16L 9/16 опубл. 27.03.2008), имеющая стенку, выполненную из замкнутого прямоугольного полого профиля, образованную витками полого профиля, боковые поверхности которых соединены между собой швом из термопласта с образованием внутренней и внешней поверхностей трубы. Такая труба обеспечивает прочность без увеличения толщины стенки и веса трубы.
Однако практика эксплуатации показывает существенные недостатки конструкции трубы, представленной в вышеуказанной полезной модели. Труба недостаточно защищена от действия внешних факторов. Так, например, в месте стыка шва и внешней поверхности витка профиля наблюдается уменьшение толщины стенки профиля. В случае критической нагрузки на внешнюю поверхность трубы по месту уменьшения толщины может происходить нарушение целостности наружной стенки профиля. Причиной нарушения целостности может послужить также износ внутренней поверхности трубы в случае отведения стоков с большим количеством твердых включений.
Раскрытие полезной модели
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение устойчивости трубы к воздействию разрушающих факторов, в том числе повышение кольцевой жесткости.
Техническим результатом, достигаемым при создании настоящей полезной модели, является повышение прочности трубы. Повышение прочности достигается повышением способности сопротивляться внешним воздействиям, в том числе, и увеличением кольцевой жесткости.
Указанный технический результат достигается за счет того, спиральновитая труба, содержащая стенку, образованную витками замкнутого полого прямоугольного профиля из термопласта, боковые поверхности которых соединены между собой швом из термопласта, имеющая внешнюю и внутреннюю поверхности, снабжена наружным слоем, навитым на внешнюю поверхность трубы, а отношение суммарной толщины боковых поверхностей смежных витков и соединяющего их шва к высоте профиля составляет от 0,2 до 0,40.
Наружный слой может быть навит на внешнюю поверхность с перехлестом, образуя цельную поверхность.
Отношение толщины наружного слоя к толщине стенки профиля может составлять составляет 0,5-0,8; предпочтительно 0,6-0,7.
Наружный слой может быть выполнен из термопластов, например, из полиэтилена или полипропилена, или полиамида, или из их смесей.
Возможно выполнение наружного слоя из минералонаполненной композиции на основе термопласта, в частности из тальконаполненной композиции термо- и светостабилизированного полипропилена.
В отдельных случаях наружный слой выполнен профилированным.
Отношение толщины стенки полого прямоугольного профиля к внутреннему диаметру спиральновитой трубы составляет от 0,005 до 0,007.
В другом варианте исполнения технический результат достигается за счет того, что спиральновитая труба, содержащая стенку, образованную витками замкнутого прямоугольного полого профиля из термопласта, боковые поверхности которых соединены между собой швом из термопласта, и имеющая внешнюю и внутреннюю поверхности, снабжена внутренним слоем, сопряженным с внутренней поверхностью трубы, а отношение суммарной толщины боковых поверхностей смежных витков и соединяющего их шва, к высоте профиля составляет от 0,2 до 0,40.
Возможно выполнение внутреннего слоя из полиэтилена или из полипропилена, или из полиамида, или из их смесей, или из композиций на их основе.
Отношение толщины внутреннего слоя к толщине стенки профиля может быть выбрано в интервале от 0,1 до 0,5, предпочтительно 0,2-0,4.
Внутренний слой может быть выполнен сглаженным, возможно его выполнение сплошным, покрывающим всю внутреннюю поверхность трубы.
Как правило, отношение толщины стенки полого прямоугольного профиля к внутреннему диаметру спиральновитой трубы выбирают в интервале 0,005 до 0,007.
В следующем варианте исполнения спиральновитая труба, содержащая стенку, образованную витками замкнутого прямоугольного полого профиля из термопласта, боковые поверхности которых соединены между собой швом из термопласта, и имеющая внешнюю и внутреннюю поверхности, снабжена внутренним слоем, сопряженным с внутренней поверхностью трубы и наружным слоем, навитым на внешнюю поверхность трубы, а отношение суммарной толщины боковых поверхностей смежных витков и соединяющего их шва, к высоте профиля составляет от 0,2 до 0,40.
Наружный слой предложенной трубы может быть навит на внешнюю поверхность с перехлестом, образуя цельную поверхность.
Отношение толщины наружного слоя к толщине стенки профиля может составлять 0,5-0,8; предпочтительно 0,6-0,7.
Возможно выполнение наружного слоя из термопластов, например, из полиэтилена или полипропилена или полиамида или из их смесей.
Также возможно выполнение наружного слоя из минералонаполненной композиции на основе термопласта, в том числе из тальконаполненной композиции термо- и светостабилизированного полипропилена.
Наружный слой может быть выполнен профилированным.
Возможно выполнение внутреннего слоя из полиэтилена или из полипропилена, или из полиамида, или из композиции на их основе, а отношение толщины внутреннего слоя к толщине стенки профиля составляет 0,1 до 0,5, предпочтительно 0,2-0,4.
Внутренний слой может быть выполнен сглаженным, при этом он может быть сплошным, покрывающим всю внутреннюю поверхность трубы.
Внутренний и наружный слои могут быть выполнены как из одинаковых, так и из разных термопластов, а отношение толщины стенки полого прямоугольного профиля к внутреннему диаметру спиральновитой трубы может быть выбрано из интервала от 0,005 до 0,007.
Во всех перечисленных вариантах полый профиль может быть квадратным.
Описание чертежей
На фиг. 1 показан продольный разрез стенки спиральновитой трубы с полой стенкой 1 из замкнутого прямоугольного профиля, образованной витками 2 профиля, боковые поверхности 3 витков скреплены между собой швом 4. Труба имеет внутреннюю 5 и внешнюю 6 поверхности, и снабжена внутренним слоем 7, сопряженным с внутренней поверхностью (5) трубы.
На фиг. 2 показан продольный разрез стенки другого варианта исполнения спиральновитой трубы с полой стенкой 1 из замкнутого прямоугольного профиля, образованной витками 2 профиля. Боковые поверхности 3 витков скреплены между собой швом 4. Труба, имеющая внутреннюю 5 и внешнюю 6 поверхности, снабжена наружным слоем 8, навитым на внешнюю поверхность 6 трубы.
На фиг. 3 показан продольный разрез стенки еще одного варианта спиральновитой трубы с полой стенкой 1 из замкнутого прямоугольного профиля, образованной витками 2 профиля. Боковые поверхности 3 витков скреплены между собой швом 4. Труба, имеющая внутреннюю 5 и внешнюю 6 поверхности, снабжена внутренним слоем 7 и наружным слоем 8, навитым на внешнюю поверхность 6 трубы.
На всех фигурах: k - суммарная толщина стенок смежных витков профиля и соединяющего их шва; h - высота витка профиля; f - толщина наружного слоя; b - толщина стенки профиля; (9) место соединения стенки профиля со сварным швом.
Осуществление полезной модели
Спиральновитая труба имеет стенку (1), выполненную из замкнутого полого прямоугольного профиля, образованную витками (2) этого профиля. Боковые поверхности (3) витков профиля соединены между собой швом (4) из термопласта. Такое выполнение трубы позволяет создать оболочку для транспортировки среды, обладающую существенно меньшим весом по сравнению с трубой того же диаметра, имеющей монолитную стенку. В то же время выполнение трубы из витков замкнутого полого профиля позволяет придать трубе необходимую прочность за счет достаточной кольцевой жесткости. Прямоугольная форма сечения профиля позволяет наиболее прочно соединить стенки профиля за счет максимальной площади шва при минимальном объеме шовного материала.
Соединенные между собой боковыми поверхностями, витки (2) полого профиля образуют внутреннюю (5) и внешнюю (6) поверхности трубы.
Наружный слой (8), навитый на внешнюю поверхность (6) трубы, закрывает поверхность трубы, включая шов и угол профиля, от внешних механических воздействий и, таким образом, увеличивает прочность трубы в целом, при этом повышая кольцевую жесткость на 5-15%.
Внутренний слой (7), сопряженный с внутренней поверхностью (5) трубы, защищает трубу от механического воздействия разрушающих факторов изнутри трубы, и, таким образом, повышает прочностные характеристики трубы, и также повышает кольцевую жесткость трубы на 1-10%.
Шов (4) между витками полого профиля выполняет функцию скрепления витков полого профиля с получением стенки трубы.
При воздействии на шов, соединяющий витки трубы, механических нагрузок, например давления грунта, ударов и сдвиговых нагрузок, возникающих при монтаже и эксплуатации трубопровода, возможен разрыв шва, что приводит к повреждению трубы.
Кроме этого шов и соединяемые им витки должны выдерживать без разрыва растягивающие нагрузки, возникающие при монтаже и эксплуатации трубопровода, особенно в зонах с подвижным грунтом, то есть обеспечивать высокие прочностные характеристики трубы.
Исходя из воздействия этих факторов, определено отношение суммарной толщины боковых поверхностей смежных витков и соединяющего их шва - k, к высоте витка профиля - h, позволяющее выдерживать без разрыва указанные нагрузки. Это соотношение составляет от 0,2 до 0,40.
Если указанное соотношение составляет, по крайней мере, 0,2, то шов и контактирующие с ним поверхности витков обеспечивают минимальные необходимые прочностные характеристики трубы. При увеличении толщины шва прочностные характеристики увеличиваются, в том числе и кольцевая жесткость. Но дальнейшее увеличение толщины шва ведет к нежелательному увеличению веса трубы и возрастанию цены трубы, поэтому отношение суммарной толщины боковых поверхностей смежных витков и соединяющего их шва не должно превышать 0,40. Оптимальным соотношением по прочностным и стоимостным показателям является 0,22.
В процессе монтажа и эксплуатации трубы наибольшему воздействию внешних нагрузок подвергаются участки на углах профиля, то есть в месте соединения (9) внешней стенки профиля со швом. Наружный слой предлагаемой полезной модели, закрывая стенку профиля, защищает его от разрушения от внешних механических воздействий и, таким образом, способствует увеличению прочности трубы в целом.
Навивка наружного слоя (8) с перехлестом обеспечивает образование цельной внешней поверхности трубы, что увеличивает защиту всей поверхности трубы от внешнего механического воздействия и способствует увеличению кольцевой жесткости трубы.
Толщина f наружного слоя выбирается таким образом, чтобы обеспечить защиту трубы от механического разрушения при воздействии внешних разрушающих факторов. Увеличение толщины наружного слоя ведет к нежелательному увеличению веса трубы. Оптимальное отношение толщины наружного слоя к толщине стенки профиля b составляет 0,5-0,8; предпочтительно 0,6-0,7.
Максимальное значение толщины f наружного слоя выбирается из условий соотношения стоимости затрат на дополнительную защиту и повышения прочностных показателей трубы.
Материал, из которого выполнен наружный слой предлагаемой трубы, обеспечивает защиту трубы от механических повреждений при транспортировке и монтаже трубопровода, особенно при бестраншейной прокладке трубопровода, а также при эксплуатации трубы. Наружный слой выполнен из термопласта, выбранного из полиэтилена, полипропилена, полиамида, или из их смесей, или из композиций на их основе. Указанные полимеры устойчивы к процарапыванию, растрескиванию и действию точечной нагрузки, что обеспечивает сохранность трубы и, следовательно, увеличивает ее прочность.
В наибольшей степени защитная функция реализуется при выполнении наружного слоя из минералонаполненной композиции на основе термопласта, например тальконаполненной композиции термо- и светостабилизированного полипропилена. В связи с тем, что минеральный наполнитель обладает большим модулем упругости по сравнению с ненаполненным полимером, минералонаполненная полимерная композиция способна воспринять большую нагрузку по сравнению с композицией без минерального наполнения. Следовательно, наружный слой из этого материала обладает большей устойчивостью к разрушающему воздействию грунта и обеспечивает повышение прочности трубы.
Наружный слой может быть выполнен профилированным. При этом профилированный внешний слой способствует лучшей заделке трубы в грунте, обеспечивая повышение прочности трубы в условиях эксплуатации.
Включение в структуру трубы внутреннего слоя, сопряженного с внутренней поверхностью трубы, защищает трубу от механического воздействия разрушающих факторов, и, таким образом, повышает прочностные характеристики трубы, в том числе обеспечивает увеличение кольцевой жесткости трубы на 1-10%.
Выполнение внутреннего слоя из полиэтилена или полипропилена, или полиамида, или их смесей, или композиций на их основе позволяет повысить защищенность трубы от абразивного воздействия твердых частиц, присутствующих в транспортируемой жидкости и, таким образом, повысить устойчивость трубы к воздействию разрушающих факторов и увеличить прочность трубы.
Выполнение внутреннего и наружного слоев возможно как из одинаковых, так и из разных термопластов, что позволяет в широких пределах варьировать эксплуатационные свойства трубы.
Внутренний слой может быть выполнен сглаженным, а также может быть выполнен непрерывным, покрывающим всю внутреннюю поверхность трубы. Такой слой образует гладкую внутреннюю поверхность трубы, что обеспечивает уменьшение сопротивления прохождению жидкости по трубе и уменьшает износ трубы абразивными частицами и повышает ее прочность.
Исходя из защитной функции внутреннего слоя, получено оптимальное значение толщины внутреннего слоя. Отношение толщины внутреннего слоя к толщине стенки профиля составляет 0,1 до 0,5. Ниже нижней границы интервала защитные функции слоя не отмечаются. Превышение верхней указанной величины практически не приводит к увеличению защитных свойств в заданных условиях эксплуатации.
Предпочтительно отношение толщины внутреннего слоя к толщине стенки профиля составляет 0,2-0,4.
Проведенные экспериментальные исследования показали, что трубы, выполненные с использованием различных вариантов полезной модели, обеспечивают повышение кольцевой жесткости от 1% до 25% по сравнению с ближайшим аналогом. Также отмечено увеличение способности сопротивляться внешним воздействиям.
Процесс производства трубы заключается в следующем:
Экструдируемый полый профиль из термопласта с нанесенным методом соэкструзии внутренним слоем подается при помощи протяжного устройства к узлу навивки, где осуществляется навивка профиля на барабан за счет натяжного усилия, создаваемого барабаном. При этом внутренний слой покрывает поверхность витков профиля, образующую внутреннюю стенку трубы. Смежные витки профиля на барабане соединяются между собой швом из расплава термопласта, подаваемого через экструзионную головку, расположенную между смежными витками. Расположение витков профиля на необходимом для получения качественного соединения расстоянии друг от друга обеспечивается прижатием к гладкой опорной поверхности. Зона шва предварительно прогревается горячим воздухом для повышения качества соединения и лучшего распределения полимера в шве. Сглаживание внутренней поверхности шва осуществляется на поверхности барабана.
Вслед за навивкой термопластичного профиля спиральновитой трубы производится изготовление наружного защитного слоя путем навивки ленты расплава из композиций на основе термопласта. Лента навивается с перехлестом для образования цельной поверхности. Для обеспечения качественного соединения с трубой лента навивается с продольным натяжением и во время навивки производится ее прокатка прижимным роликом.
При изготовлении трубы со сплошным внутренним слоем экструдируемый полый профиль из термопласта подается при помощи протяжного устройства к узлу навивки, где на барабан навивают экструдируемую ленту расплава термопластичного полимера до получения монолитного слоя. На барабан с горячим навитым слоем термопластичного полимера осуществляют навивку экструдируемого полого профиля за счет натяжного усилия, создаваемого барабаном. Смежные витки профиля на барабане соединяются между собой швом из расплава термопласта, подаваемого через экструзионную головку, расположенную между смежными витками. Далее, при необходимости, возможно нанесение наружного слоя, как указано выше.
Труба, изготовленная согласно предложенной полезной модели может иметь внутренний диаметр от 300 до 3000 мм.
В дополнение к преимуществам предложенной полезной модели следует отметить, что наличие наружного слоя, особенно из минералонаполненного термопластичного материала позволяет снизить требования к грунту засыпки и таким образом уменьшить затраты на строительство трубопровода.