Изолированная труба с многослойными рабочими трубами

Полезная модель относится к системам трубопроводного транспорта, а именно, к конструкции гидро-теплоизолированных труб и может быть использована для бесканальной прокладки систем отопления, горячего и холодного водоснабжения и др.
Из предшествующего уровня техники известны различные конструкции гидро-теплоизолированных труб и реализующие их линии: DE 3126505; DE 3724360; DE 10312700; DE 19629678; DE 3717020; DE 3724360; ЕР 0038974; DE 19629678; ЕР 01566587; ЕР 1612468; ЕР 2060843; ЕР 2138751; ЕР 1010933; FR 2578026; JP 58020424; JP 2002323194; JP 58020425; JP 58076235; SU 1449025; RU 2265517; RU 2289751; RU 2293247; RU 2320484; RU 2339869; RU 2355941; RU 2372551; RU 11585U1; RU 2052706; RU 2280809; RU 96123112; RU 2003117471; RU 2004139112; US 4844762; US 4929409; WO 0035657; WO 0207948; WO 0231400; WO 0047387.
Основным недостатком представленных выше гидро-теплоизолированных труб является сложность конструкции, требующая наличия специализированного оборудования и предполагающая изготовление теплоизолированных труб в несколько последовательных технологических этапов.
Известно техническое решение RU 2437025 от 17.12.2009 г., согласно которому в теплоизолированной трубе, по меньшей мере с одним внутренним водопропускным каналом (рабочей трубой), слоем теплоизоляции окружающим его, а также гофрированной внешней оболочкой из термопластичного полимера, стенки водопропускных каналов выполнены из термостойкого эластомера с температурой стеклования -45°C и термостойкостью 110-150°C, внешняя оболочка имеет толщину не более 5 мм и гофрировку с глубиной D/10-D/4 и с шагом гофра D/30-D/10, обеспечивающим кольцевую жесткость и гибкость трубы, где D - наружный диаметр внешней трубы, взятый по вершинам гофр.
Гладкие поверхности, внутренняя и наружная, водопропускных каналов (рабочих труб) определяют повышенную жесткость всего изделия, а наличие в конструкции одного элемента, в виде внешней оболочки с гофрировкой, недостаточно для обеспечения гибкости устройства.
Под жесткостью понимают способность тела или конструкции сопротивляться образованию деформации (растяжению, изгибу, кручению и т.д.). Жесткость зависит от геометрических характеристик сечения и физических свойств материала (модулей упругости).
Известно техническое решение многослойной трубы (KZ U 962, кл. F16L 11/10, опубл. 14.06.2013 г.), содержащая внутреннюю полимерную трубу, ее усиление армированием посредством высокопрочных нитей, наружную оболочку из олефинового полимера, снабженную протекторными слоями и теплоизоляционный слой. При этом внутренняя труба выполнена из сшитого олефинового полимера, характеризующегося сопротивлением раздиру при 115°C не ниже 15 Н/мм, армирование расположено между протекторными слоями, выполненными из полимера, выбранного из группы, включающей полипропилен, этиленпропиленовый сополимер, полибутен, сополимер этилена с октеном, сплавы олефиновых полимеров с различными полимерами, при этом первый протекторный слой расположен между наружной поверхностью внутренней трубы и армирующими нитями, а второй протекторный слой расположен между армирующими нитями и внутренней поверхностью теплоизоляционного слоя.
Известно техническое решение многослойной изолированной трубы, используемое для систем горячего водоснабжения и отопления, известное под названием «Изопрофлекс 135» http://www.polymerteplo.ru/products/ISOPROFLEX-135А/?SESS816ffece7b2e3b0e0dfdcb3f548ae9e9=4j21vh4bna5b7hu6166mqijnh, имеющее в своей основе рабочую трубу, представляющую собой многослойную конструкцию из высокотемпературных полимеров специальных марок, усиленную армированием из высокомодульных волокон, содержащую несколько протекторных слоев, заключенную в защитную оболочку из полиэтилена и размещенный, между ними, слой теплоизоляции.
Вышеуказанные технические решения KZ U 962, опубл. 14.06.2013 г., и «Изопрофлекс 135» сходны по технической сущности и направлены на обеспечение прочностных характеристик рабочей трубы, однако также имеют повышенную жесткость. Это обусловлено тем, что в данных технических решениях рабочая труба, имеющая круглое поперечное сечение, изготавливается с гладкими поверхностями (внутренней и наружной), что, во-первых, значительно снижает ее гибкость, несмотря даже на то, что для снижения толщины стенки рабочей трубы предусмотрено ее усиление за счет армирования. Во-вторых, внутренний слой теплоизоляции, примыкающий к поверхности рабочей трубы, тоже выполняется гладким, что ведет к нарастанию негативного эффекта - к увеличению жесткости, при этом наличие в конструкции труб лишь одного элемента в виде внешней оболочки, имеющей гофрировку, недостаточно для обеспечения гибкости.
Обусловленная вышеуказанными факторами повышенная жесткость всей конструкции устройства усложняет процесс монтажа трубопровода, повышает трудоемкость и увеличивает время на проведение данной операции. Для устранения вышеназванных недостатков, в отдельных случаях, многослойную рабочую трубу изнутри прогревают, что влечет за собой дополнительные временные потери и увеличивает расход энергии.
Также недостатком названных конструкций является то, что на практике, с целью обеспечения эффективности хранения и транспортировки, тепло-гидроизолированную трубу, в процессе изготовления, сматывают в кольцо и фиксируют в таком виде, например, при помощи стяжек, а в процессе монтажа - снимают стяжки и разворачивают трубу. Приобретаемые в процессе намотки напряжения изгиба несут опасность здоровью персонала, осуществляющего ее монтаж (развертывание) в полевых условиях и могут привести к несчастным случаям. Стоит отметить, что описанный способ производства, хранения или транспортировки применяют для всех видов гибких труб, в том числе и для труб с металлической рабочей трубой.
Известен ряд устройств, имеющих в своей конструкции металлическую рабочую трубу для теплоносителя, слой теплоизоляции, покрывающий рабочую трубу и гофрированную полимерную оболочку. Примером такой конструкции могут служить RU 2450926 от 28.06.2010 г.; RU 2494870 от 20.09.2010 г., а также подобные ей BY 9475 от 20.11.2012 г.; KZ U 989 27.06.2012 г или трубопроводная система, представленная на рынке под названием «Casaflex» (www.pipesystems.com).
Указанные устройства, содержащие в конструкции металлическую гофрированную рабочую трубу, имеют ряд недостатков и ограничений связанные с высокой электропроводностью материала рабочей трубы и тем самым, нуждаются в защите от блуждающих токов. Материал рабочей трубы (металл), обладающий высоким коэффициентом теплопроводности, в процессе эксплуатации нагревается за счет теплопередачи получаемой от теплоносителя, и тем самым деструктирует прилегающий слой изоляции, отчего теплопроводность трубопроводной системы увеличивается и повышаются ее теплопотери.
Дополнительными недостатками вышеизложенных конструкций также является: зарастание внутренней полости трубы солями жесткости и низкая стойкость к агрессивным средам. Кроме того, изготовление металлической трубы, как правило, подразумевает наличие сварного шва, который подвержен коррозии и тем самым снижаются эксплуатационные свойства устройства в целом.
Задачей, решаемой полезной моделью, является устранение указанных выше недостатков при повышении гибкости изолированной трубы.
Технический результат, на достижение которого направлена полезная модель, заключается в получении конструкции изолированной многослойной трубы повышенной гибкости, обеспечивающей снижение напряжений изгиба, как в процессе производства, так и при ее хранении, транспортировке и развертывании на месте монтажа трубопровода. Повышение гибкости изолированной трубы, обусловленное предлагаемой конструкцией и материалом рабочей трубы, не ухудшает основных эксплуатационных, прочностных характеристик и параметров, например таких как стойкость к агрессивным воздействиям внешней и внутренней среды. Вследствие повышенной гибкости изолированной трубы ускоряется проведение монтажных работ в полевых условиях, так как снижаются трудозатраты и повышается удобство работы при монтаже трубопровода.
Заявленная конструкция изолированной трубы включает следующие признаки, общие с наиболее близким аналогом RU 2450926: наружную гидрозащитную оболочку, стенка которой выполнена с гофрами винтообразной формы, по крайней мере, одну рабочую трубу с гофрированной наружной стенкой и слой изоляции расположенный между ними.
Отличительными признаками заявленной конструкции является то, что изолированная труба содержит две рабочие трубы или более двух рабочих труб, при этом гофрированная стенка каждой рабочей трубы выполнена, как и стенка наружной гидрозащитной трубы-оболочки, с гофрами винтообразной формы, расположенными только по наружной поверхности или по наружной и внутренней поверхностям, а заключенный между ними слой изоляции, поверхности которого, обращены к внешней поверхности рабочих труб и внутренней поверхности гидрозащитной оболочки, повторяет винтообразный контур поверхностей рабочих труб и внутренней поверхности гидрозащитной оболочки, кроме того, каждая рабочая труба выполнена многослойной из пластмассы, т.е. стенка рабочей трубы содержит несколько слоев пластмассы и, кроме того, усилена посредством армирования.
Заявленное устройство содержит в своем составе несколько элементов, конструкция которых, позволяет снизить жесткость и увеличить гибкость. Технический результат достигается за счет отличительных признаков, к которым относится: во-первых, винтообразная форма внешней поверхности стенки каждой рабочей трубы, что повышает ее гибкость по сравнению с ближайшим аналогом, во-вторых, многослойность рабочей трубы и выбор в качестве материала рабочей трубы пластмассы, что также положительно влияет на гибкость; в-третьих, образование при изготовлении трубы слоя изоляции с винтообразными поверхностями - внутренней, прилегающей к поверхности рабочей трубы, и наружной, прилегающей к поверхности гидрозащитной трубы-оболочки, повторяющими форму, за счет чего повышается гибкость слоя изоляции и изолированной трубы в целом.
Приведенные выше отличительные признаки связаны причинно-следственной связью с техническим результатом - повышением гибкости изолированной трубы без потери изоляционных свойств и прочностных характеристик. Указанный технический результат достигается за счет введения винтообразной формы поверхности каждой рабочей трубы в дополнение к винтообразной форме стенки наружной гидрозащитной оболочки, причем винтообразный профиль имеет плавный переход чередующихся вершин и впадин. Замена круглого поперечного сечения рабочей трубы и поперечного сечения прилегающей к ней поверхности слоя изоляции на переменное поперечное сечение повышает гибкость изделия, позволяет стенкам изолированной трубы легче изгибаться, т.е. одновременно растягиваться / сжиматься. Наличие чередующихся вершин и впадин винтообразной поверхности, с плавным переходом между ними, обеспечивает равномерность и стабильность восприятия нагрузок, а слой изоляции, выполненный из закрытоячеистого эластичного или полужесткого пенополиуретана (ППУ), дополнительно повысит указанный технический эффект.
Достижение технического результата обусловлено следующими причинами, которые придают гибкость конструкции многослойной изолированной трубе (снижают ее жесткость), что особенно важно при наличии двух (или более) рабочих труб.
Выполнение рабочей трубы с винтообразной наружной поверхностью стенки за счет наличия равномерно чередующихся выступов и впадин, во-первых, изменит геометрические характеристики ее сечения, тем самым, снизит жесткость и одновременно повысит гибкость рабочей трубы. Во-вторых, уменьшение жесткости рабочей трубы снизит напряжения изгиба, возникающие в процессе намотки многослойной изолированной трубы для ее транспортировки, и соответственно обезопасит работу персонала в полевых условиях при размотке трубы. В-третьих, заявленная форма рабочей трубы не вызовет затруднений при выполнении неразъемных соединений рабочих многослойных труб между собой известными способами, например, сваркой, а выполнение поверхности винтообразной (с чередующимися последовательно расположенными выступами и впадинами) на рабочей трубе не повлияет на снижение ее прочностных и эксплуатационных характеристик вследствие того, что при такой форме стенки рабочей трубы она изготовлена многослойной, и усилена армированием.
Технический результат достигается одновременным повышением гибкости слоя изоляции, за счет получения на его соответствующих поверхностях, примыкающих к рабочей трубе и к наружной гидрозащитной оболочке, идентичных винтообразных поверхностей, охватывающих и повторяющих внешний контур рабочей многослойной трубы и примыкающих к внутренней поверхности наружной гидрозащитной оболочки.
Рабочая труба имеет толщину стенки не менее 1 мм, а в качестве материалов для изготовления рабочей трубы преимущественно выступают сшитые (РЕХ) пластмассы или полимерные сплавы, с температурой начала окислительной деструкции не ниже 240°C, имеющие степень сшивки не менее 65% и минимальную длительную прочность (MRS) от 0,6 МПа, например, сшитые полиолефины.
В связи с тем, что форма стенки рабочих труб изменилась на винтообразную, для обеспечения ее гибкости, при сохранении требуемых эксплуатационных и прочностных характеристик, предусмотренное для них армирование повысит прочность, уменьшит толщину стенки, соответственно и не снизит ее гибкость. Армирование рабочей трубы, выполненной из пластмассы с винтообразным профилем поверхности стенки, позволяет эксплуатировать изолированную трубу при внутреннем давлении трубопровода до 5 МПа. Армирование проводится посредством использования высокопрочных волокон, нитей или лент, или их сочетанием, например, нить-волокно, волокно-лента, нить-лента и др. выполненных из полимерных материалов, например, полиэфирных, арамидных. Армирование проводится известными способами, например, путем плотного охватывания поверхности рабочей трубы, причем толщина армированного слоя может достигать до 5 мм.
В зависимости от условий эксплуатации допустимо армирование многослойной рабочей трубы с винтообразным профилем поверхности, не менее чем в один слой, с толщиной армированного слоя до 3 мм, что вполне достаточно для эксплуатации трубопровода до 2,5 МПа включительно.
Кроме того, с целью повышения качества рабочей трубы на нее могут дополнительно наноситься известные промежуточные слои толщиной до 1 мм, не влияющие на изменение гибкости, например, для объединения слоев и поверхностей (клеевой), препятствующие диффузии газов (барьерный) или др.
Целесообразно, чтобы слой теплоизоляции имел закрытоячеистую структуру и выполнялся из вспененных композиций, например из эластичного или полужесткого пенополиуретана (ППУ) для гибких трубопроводов (например продукции фирм BASF, Dow Chemical и др.) или из полиизоцианурата (ГПТР). Слой теплоизоляции, выполненный из указанных материалов, способен длительное время работать без проявления деструкции. При использовании эластичного или полужесткого ППУ или ПИР для изготовления слоя теплоизоляции образуется единая, неразборная, конструкция в виде изолированной многослойной трубы, у которой слой изоляции повторяет соответствующие контуры примыкающих поверхностей рабочих труб и гидрозащитной оболочки.
Для повышения гибкости, при обеспечении необходимых физико-механических и эксплуатационных свойств, наружная гидрозащитная оболочка, выполненная из полимерных материалов, также может быть многослойной. Например, стенка наружной гидрозащитной оболочки может содержать в своем составе как минимум один барьерный слой, защищающий от диффузии газов или проникновения других веществ, а также как минимум один клеевой для объединения смежных слоев или гидрозащитой оболочки со слоем изоляции.
Местоположение барьерного и клеевого слоев выбирается таким образом, чтобы исключить их повреждение, например, их располагают в среднем слое гидрозащитной оболочки, а именно, по диаметру средней линии гидрозащитной оболочки, или на внутренней поверхности гидрозащитной оболочки, при этом толщина вышеназванных слоев не должна превышать 1 мм.
В соответствии с пунктом 3.6 ГОСТ P 53630-2009 «Трубы напорные многослойные для систем водоснабжения и отопления» барьерный слой - это слой с низкой кислородопроницаемостью. Преимущественно выполняется из сополимеров этилена и винилового спирта EVOH (англ. Ethylene-vinyl alcohol) и проводится за один проход одновременно с процессом экструзии наружной гидрозащитной оболочки или многослойной рабочей трубы.
Каждая многослойная рабочая труба может быть выполнена со стенкой винтообразной формы или комбинированной формы с наружной поверхностью винтообразной формы и внутренней гладкостенной поверхностью.
Выполненная таким образом конструкция трубы, имеет переменное поперечное сечение, что повышает ее гибкость и уменьшает жесткость устройства в целом, снижает напряжения изгиба, возникающие при намотке и развертывании, позволяет вследствие гибкости изолированной трубы использовать менее энергоемкое оборудование в процессе намотки, обеспечивает безопасность в полевых условиях для технического персонала, снижая риск производственных травм при развертывании. При этом, заявленная конструкция позволяет использовать ее как полноценный участок трубопровода, с высокими теплоизолирующими свойствами, двумя точками подключения для теплоносителя (вход и выход), компенсирующий линейные деформации при изменении температуры теплоносителя.
Немаловажным преимуществом предлагаемой конструкции изолированной многослойной трубы является то, что она может быть использована в качестве трубопроводной магистрали высокого давления для транспортировки жидкостей или газов, при этом работоспособность и ее срок эксплуатации, например, в условиях высокого давления, сводится к количеству нанесенных на рабочую трубу армированных слоев и на практике, преимущественно используется в диапазоне от 0,6 МПа до 2,5 МПа.
Сущность заявляемой полезной модели с различными вариантами реализации иллюстрируется чертежами.
Фиг. 1 - изолированная многослойная труба с двумя рабочими трубами, выполненными со стенкой винтообразного профиля по наружной и внутренней поверхности, общий вид.
Фиг. 2 - изолированная многослойная труба с двумя рабочими трубами, выполненными со стенкой, имеющей винтообразную наружную и винтообразную внутреннюю поверхность рабочей трубы, разрез по рабочей трубе.
Фиг. 3 - вариант исполнения многослойной изолированной трубы с винтообразной наружной и гладкой внутренней поверхностью, показан по рабочей трубе.
Фиг. 4 - изолированная многослойная труба с тремя рабочими трубами, выполненными со стенкой винтообразного профиля по наружной и внутренней поверхности, общий вид.
Фиг. 5 - изолированная многослойная труба с четырьмя рабочими трубами, выполненными со стенкой винтообразного профиля по наружной и внутренней поверхности, общий вид.
Многослойная изолированная труба содержит две или более рабочие трубы 1 и гидрозащитную трубу-оболочку 4, при этом у каждой из рабочих труб 1 стенка имеет винтообразную поверхность. Рабочие трубы 1 заключены в слое изоляции 2 из вспенивающихся композиций (ППУ, ПИР), заполняющем межтрубное пространство между гидрозащитной трубой-оболочкой 4 и рабочими трубами 1, - см. фиг. 1.
В слое изоляции 2 могут дополнительно устанавливаться проводники 3 системы оперативного дистанционного контроля (СОДК) размещенные внутри наружной гидрозащитной трубы - оболочки 4. Стенка гидрозащитной трубы-оболочки 4 имеет винтообразную форму и выполнена из полимерного материала. При этом каждая рабочая труба 1 может иметь как гофрированную винтообразную внутреннюю поверхность 5, так и гладкостенную внутреннюю поверхность 6. Рабочая труба 1 выполнена многослойной и включает усиление посредством армирования 7, а также промежуточные слои 8, например, клеевой - клеевой, или клеевой - барьерный, но не менее одного клеевого и не менее одного барьерного.
Армирование 7 рабочей трубы 1 выполняют высокопрочными нитями, волокнами, лентой, или их сочетанием.
Производство изолированной многослойной трубы проводится непрерывным способом, предпочтительно за один этап в общем составе линии.
Рабочие трубы 1 изготавливают экструзией, с образованием на их стенках винтообразного профиля поверхности накаткой. В составе линии проводят сшивку материала рабочей трубы, наносят как минимум один клеевой, не менее одного барьерного слоя и усиливают армированием 7. Армирование всегда проводят между нанесенными слоями, при этом в зависимости от условий и характера эксплуатации, на рабочую трубу возможно последующее нанесение дополнительных слоев.
Рабочие трубы получают в одной, либо в составе отдельных экструзионных линий, или, ранее изготовленные многослойные рабочие трубы, намотанные на катушки, подают через направляющее устройство, установленное за проходной экструзионной головкой формируя, при этом, пучок из двух или более рабочих труб. Один конец каждой многослойной рабочей трубы, неподвижно фиксируют во внутренней полости гидрозащитной оболочки, к торцу которой после завершения фиксации рабочих труб прикрепляют подготовленный полимерный расплав и начинают экструдировать наружную гидрозащитную оболочку, одновременно формируя на ее поверхности гофры винтообразной формы. Через направляющее устройство и проходную экструзионную головку, одновременно проводят подачу рабочих труб, а из заливочной машины, компонентов, формирующих слой теплоизоляции. Скорость экструзии гидрозащитной оболочки устанавливают слегка больше скорости подачи рабочих труб, что позволяет провести натяжение труб, а подача рабочих труб, через направляющее устройство, позволяет разместить сформированный пучок рабочих труб, в требуемом положении во внутренней полости гидрозащитной оболочки. Одновременно с этим, во внутреннюю полость гидрозащитной оболочки подают компоненты, которые вспениваясь заполняют внутреннее пространство между рабочими трубами и гидрозащитной оболочкой, а после охлаждения и завершения процесса полимеризации, образуют слой теплоизоляции. После этого готовую изолированную трубу с многослойными рабочими трубами наматывают на катушки, и, для исключения разматывания, изолированную трубу фиксируют стяжками. Наматывание на катушку улучшается благодаря повышенной гибкости предлагаемой конструкции многослойной трубы.
После транспортировки, на месте монтажа, многослойную изолированную трубу размещают в предварительно подготовленную траншею и развертывают. Последние две операции также значительно упрощаются благодаря повышенной гибкости предлагаемой конструкции многослойной изолированный трубы.