Дренажная емкость

Полезная модель  относится к емкостям, устойчивым к агрессивным средам, которые могут быть использованы для хранения и/или транспортировки жидкостей, в том числе химически активных веществ, а также промышленных и бытовых отходов. Заявляемое техническое решение также может использоваться в качестве подземной или надземной дренажной емкости.
3
3
Из уровня техники известна емкость из композитного материала, содержащая дно и боковую стенку, соединенную с дном и расположенную таким образом, что она проходит вверх от основания, расположенного под дном, и образует вместе с дном находящуюся между ними внутреннюю область для хранения продукта, где дно и боковая стенка вместе образуют монолитный элемент, содержащий внутренний полимерный слой, образующий границу внутренней области для хранения продукта, наружный полимерный слой, расположенный на расстоянии от внутреннего полимерного слоя с образованием между ними внутренней камеры, и промежуточный пористый неароматический полимерный материал, расположенный во внутренней камере так, что он находится между наружным полимерным слоем и внутренним полимерным слоем, и где промежуточный пористый неароматический полимерный материал имеет плотность в пределах от приблизительно 0,01 г/см до приблизительно 0,19 г/см. (Заявка на изобретение РФ № 2015143424, МПК: B32B 1/02, опубликована 19.04.2017.).
Заявленное техническое решение от вышеописанного аналога отличается выполнением слоев из материала, армированного стекловолокном, между которыми закреплен слой геотекстиля, волокна которого скреплены отвержденным полимерным связующим.
Известно техническое решение, выбранное в качестве ближайшего аналога, представляющее собой полимерно-композитную емкость с защитным покрытием для топлива, канализационных стоков, кислот и щелочей с концентрацией до 25%, морской и речной воды, при этом соответствующая емкость выполнена из многослойных внутреннего и наружного слоев стекло- или углеткани, соединенных между собой с помощью пропитки связующим веществом методом вакуумной инфузии под воздействием отрицательного давления, расположенных по отношению друг к другу под углом 45°, где количество слоев стекло- или углеткани определяется нагрузкой, которую будет испытывать емкость, и слоя пористого неароматического полимерного материала плотностью от 0,01 до 0,91 г/см3, толщиной 15 мм, расположенного в средней части между внутренним и наружным слоями стекло- или углеткани, при этом внешние стороны жесткой полимерной матрицы содержат слой праймера, нанесенного на наружную и внутреннюю поверхность полимерной матрицы, и эластичного полимерного материала, напыленного поверх праймера холодным способом (Патент на изобретение РФ № 2757654, МПК: B32B 1/02; опубликован 19.10.2021).
Заявляемое техническое решение отличается от ближайшего аналога тем, что между двумя слоями, армированными стекловолокном, вместо пористого неароматического материала закреплен слой геотекстиля, волокна которого скреплены отвержденным полимерным связующим.
Задачей заявленного технического решения является создание емкости, обладающей высокой надежностью и устойчивой к агрессивным средам, которая может получить широкое распространение как в промышленности, так и в домашнем хозяйстве.
Технический результат заявляемого технического решения проявляется в повышении надежности емкости.
Повышение надежности емкости, в частности, достигается благодаря повышению прочности и жесткости емкости, повышению устойчивости емкости к агрессивным средам, а также долговечности и износостойкости.
Технический результат достигается тем, что дренажная емкость, включает корпус, содержащий стенки, образующие пространство внутреннего объема емкости, выполненный из жесткого многослойного композитного материала, при этом материал включает слои, армированные стекловолокном, между которыми закреплен слой геотекстиля, волокна которого скреплены отвержденным полимерным связующим, при этом слои выполнены скрепленными друг с другом.
Преимуществом композитных материалов является возможность сочетания в составе одного многокомпонентного материала нескольких материалов, обладающих существенно различающимися физическими свойствами. Например, композитные материалы позволяют сочетать высокие изолирующие свойства одного материала с высокой прочностью другого. Таким образом становится возможно создание многокомпонентных материалов, обладающих высокой надежностью, в которых реализованы преимущества каждого из материалов и, в то же время, взаимно компенсированы их недостатки.
Использование жесткого многослойного композитного материала в конструкции емкости позволяет, сочетая свойства отдельных слоев, описанные ниже, добиваться обеспечения высоких показателей жесткости и прочности емкости; простоты и удобства ее изготовления; повышения степени изоляции содержимого емкости и окружающей среды друг от друга; высокой степени защищенности емкости от действия электрических, акустических, тепловых и химических воздействий. Таким образом, достигается повышение надежности и безопасности емкости, обеспечивается возможность долгосрочного ее использования, не требующего постоянного технического обслуживания.
При использовании жесткого материала уменьшается склонность емкости к деформациям и вероятность образования трещин, проколов, что увеличивает ее надежность.
Стекловолокно используется в качестве армирующего материала, потому что его нити и волокна сами по себе обладают высокой прочностью на сжатие и растяжение, а также химической инертностью ко множеству агрессивных сред, стойкостью к термическим и вибрационным воздействиям. Данная совокупность качеств позволяет повысить надежность готового изделия. Высокая гибкость стекловолокна позволяет легко формировать изделия с разной геометрией поверхности, не нанося повреждений армирующему материалу при его изгибе и тем самым избегая формирования участков с уменьшенной прочностью, что увеличивает надежность готового изделия. Стекловолокно также обладает высокими теплоизоляционными, звукоизоляционными и электроизоляционными свойствами, благодаря чему обеспечивает надежную изоляцию содержимого емкости от внешней среды. Удельная прочность волокон стекловолокна также высока. Некоторые стеклопластики, армированные стекловолокном (например, при намотке стекловолокна в разных направлениях под натяжением на цилиндрическую емкость), имеют удельную прочность на растяжение, превышающую таковую у нержавеющей стали. Данная совокупность свойств обосновывает использование материалов, армированных стекловолокном, в составе как внутренних, так и внешних стенок емкости, обеспечивая одновременно повышение прочности, улучшение изолирующих свойств стенок емкости и уменьшение ее массы.
Высокие прочностные характеристики стекловолокна делают емкость более устойчивой к механическим повреждениям, которые могут возникать в результате действия статических и динамических нагрузок во время изготовления, транспортировки, установки и эксплуатации емкости.
Улучшение изолирующих свойств позволяет емкости безотказно функционировать на протяжении длительного времени, не требуя при этом постоянного инспектирования, сложного и трудоемкого ремонта, тем самым повышая надежность. Помимо этого, улучшение изолирующих свойств позволяет надежно содержать внутри емкости едкие и отравляющие вещества, в том числе летучие, которые при попадании в грунт, водоемы или атмосферу могут вызывать негативные последствия для окружающей среды.
Уменьшение массы позволяет упростить транспортировку емкости, а также минимизировать вероятность ее повреждения при перемещении: обладая меньшей массой (и, следовательно, меньшей инерцией), емкость, включающая армирующий материал в виде стекловолокна, легче перемещается при помощи подъемного крана, менее подвержена раскачиванию при перемещении, требует меньшего количества точек крепления при подъеме и опускании. Благодаря небольшому весу стенок, емкость также менее подвержена деформациям под действием собственного веса и оказывает меньшее давление на опоры, что обеспечивает ей долговечность и надежность.
Помимо этого, слой, армированный стекловолокном, дополнительно защищает слой геотекстиля от повреждений как со внешней стороны емкости, так и со внутренней ее стороны, что повышает надежность емкости.
Между слоями, армированными стекловолокном, закреплен слой геотекстиля. Как и стекловолокно, геотекстиль является материалом с высокими прочностными характеристиками, что повышает надежность емкости. Также геотекстиль, в том числе полипропиленовый и полиэфирный, экологичен в эксплуатации и производстве. Для создания жесткой пространственной конфигурации емкости, которая сохраняет форму под воздействием как внешних, так и внутренних деформирующих усилий, которые могут возникать в процессе изготовления, транспортировки, установки и заполнения емкости, а также при ее долговременном пребывании под толщей грунта, волокна слоя геотекстиля скреплены отвержденным полимерным связующим. Таким образом, благодаря скреплению волокон геотекстиля отвержденным полимерным связующим повышается надежность емкости. Применяя геотекстиль можно сократить количество слоёв, при тех же прочных характеристиках, тем самым повышая материалоемкость.
Очевидно, что от того, насколько хорошо пропитывается материал, будут зависеть механические характеристики готового изделия: при недостаточно глубокой пропитке в структуре материала могут оставаться участки, более склонные к деформации и обладающие уменьшенной прочностью на разрыв; может быть даже нарушена герметичность слоя, что критично для емкостей, предназначенных для долговременного надежного хранения текучих сред. Геотекстильный материал, в свою очередь, достаточно прост в пропитке, поскольку содержит множество полостей между волокнами. Полимерное связующее заполняет полости между волокнами геотекстильного материала и при отверждении обеспечивает прочность и жесткость слоя геотекстиля и, соответственного, повышает его надежность. В результате изготовления прототипов изделия установлено, что наиболее прочное и надежное скрепление слоев композита достигается при контакте слоев, армированных стекловолокном, со слоями геотекстиля. При этом применение геотекстиля, благодаря его достаточно высокой плотности, а также способности впитывать и удерживать влагу, позволяет добиться высоких прочностных характеристик композитного материала, снижая при этом затраты связующего, уменьшая вес композита и обеспечивая достаточную толщину стенки, высокую прочность и надежность емкости.
Полимерное связующее также увеличивает стойкость композитного материала и, в частности, слоя геотекстиля ко внешним воздействиям: огнестойкость, стойкость к ультрафиолетовому излучению и агрессивным средам, что повышает его надежность.
Все слои композитного материала скреплены друг с другом, что исключает проскальзывание слоев материала относительно друг друга, истирание контактирующих поверхностей слоев, повреждение их структуры и расслоение композитного материала. При этом также увеличивается общая жесткость композита, благодаря чему уменьшается его склонность к деформациям и вероятность образования трещин, проколов, что увеличивает его надежность.
Дополнительное увеличение надежности емкости может быть достигнуто выполнением материала из чередующихся слоев, армированных стекловолокном и слоев геотекстиля, при котором внешние слои являются слоями, армированными стекловолокном. Подобная многослойная структура дополнительно повышает прочность, герметичность и жесткость конструкции емкости, повышая надежность готового изделия. В результате изготовления прототипов и тестирования их механических характеристик установлено, что наиболее прочное и надежное скрепление слоев композита достигается при контакте слоев, армированных стекловолокном, со слоями геотекстиля, а геотекстиль, благодаря его прочности и простоте пропитки, обеспечивает достижение высоких прочностных характеристик готового композита, набора необходимой толщины стенки и уменьшение его веса. Более того, слои, армированные стекловолокном, защищают размещенные между ними слои геотекстиля от повреждений.
Для дополнительного улучшения механических характеристик, в частности прочности на разрыв, и надежности, слой геотекстиля может быть выполнен из термоскрепленного нетканого материала. Волокна или нити скрепляются при нагреве друг с другом в точках контакта, благодаря чему прочность материала возрастает.
Слой геотекстиля может быть выполнен из иглопробивного нетканого материала, что позволяет получать материал, который одновременно обладает дополнительной прочностью и проницаемостью для полимерных связующих, которые при отверждении дополнительно повышают жесткость слоя геотекстиля и герметизируют полости в толще слоя геотекстиля, благодаря чему повышается надежность емкости
В составе геотекстильного слоя могут быть использованы полипропиленовые или полиэфирные волокна, представляющие собой легкий, эластичный, высокопрочный материал, обладающий высокой химической инертностью. Геотекстильный нетканый материал, выполненный на основе полипропиленовых или полиэфирных волокон, также хорошо пропитывается полимерным связующим, что дополнительно повышает надежность готового изделия.
Предпочтительно, но не обязательно, использование слоя геотекстиля с поверхностной плотностью 200 г/м2. В результате испытаний установлено, что меньшая поверхностная плотность геотекстиля в ряде случаев может отрицательно сказываться на прочности геотекстильного слоя на разрыв в связи с тем, что геотекстильный слой содержит в своей структуре недостаточное количество волокон, воспринимающих нагрузку, что дополнительно снижает надежность слоя геотекстиля. В то же время, геотекстиль с более высокой поверхностноай плотностью заметно хуже поддается пропитке полимерным связующим в связи с уменьшением объема полостей между волокнами, что усложняет процесс производства изделия и в конечном счете может негативно сказываться на прочности, жесткости и герметичности геотекстильного слоя композитного материала. Тем не менее, при использовании геотекстиля с поверхностной плотностью, лежащей за пределами обозначенного диапазона, данные недостатки могут быть компенсированы иными способами, например, изменением конфигурации слоя, армированного стекловолокном, увеличением его поверхностной плотности, термоскреплением и/или иглопробиванием геотекстильного слоя перед пропиткой.
В частных случаях реализации слой, армированный стекловолокном, представляет собой стекломат - нетканый мат из волокон (зачастую - в виде рубленного стеклоровинга), скрепленных химическим или механическим способом. Скрепление волокон материала между собой позволяет дополнительно увеличить его прочность на разрыв и лучше переносить разнонаправленные механические нагрузки, что повышает надежность емкости.
Для дополнительного улучшения надежности, слой, армированный стекловолокном, может быть выполнен в виде стеклополотна, которое обладает высокими прочностными характеристиками, хорошо пропитывается связующим.
Прочность, жесткость и герметичность стенок емкости также могут быть дополнительно увеличены путем пропитки слоя, армированного стекловолокном, полимерным связующим, с последующим его отверждением, что обеспечивает повышение надежности и долговечности емкости.
Выполнение стекловолокна возможно в виде армирующего стеклоровинга, который хорошо пропитывается полимерными связующими и после его отверждения формирует прочное и надежное покрытие, устойчивое к механическим и химическим воздействиям. В частности, стеклоровинг представляет собой некрученый жгут из множества волокон и обладает большей прочностью, нежели отдельные волокна, что также положительно сказывается на надежности готового изделия.
При этом армирующая обмотка из стеклоровинга может быть нанесена, например, методом филаментной намотки с контролируемым натяжением и варьирующимся углом намотки для улучшения прочности слоя, армированного стекловолокном. Также могут быть использованы тканые и нетканые полотна, выполненные из жгутов стеклоровинга, например, стеклоткань, которая обладает высокой прочностью, коррозионной устойчивостью, и изоляционными свойствами, благодаря чему повышается надежность готового изделия.
В качестве полимерного связующего может быть использована полиэфирная смола, которая при отверждении образует высокопрочный полимер, обладающий высокими диэлектрическими и водозащитными свойствами, устойчивый к широкому ряду химически агрессивных сред, в том числе кислот и щелочей. Таким образом, применение подобных полимерных связующих позволяет емкости безотказно функционировать на протяжении длительного времени, не требуя при этом постоянного инспектирования, сложного и трудоемкого ремонта, тем самым повышая надежность. Помимо этого, обеспечивается надежная изоляция содержимого емкости от внешней среды и внешней среды от содержимого емкости.
В результате испытаний механических характеристик нескольких прототипов заявляемого решения, которые осуществлялись в условиях, максимально приближенным к условиям эксплуатации, были установлены оптимальные диапазоны значений параметров, в состав которых вошли длина емкости, диаметр емкости и толщина ее стенок. Диапазон оптимальных значений механических характеристик был определен при помощи сопоставления затрат материала и целевых показателей прочности, жесткости и внутреннего объема готового изделия. Предпочтительно корпус емкости выполнен в форме цилиндра, так как данная форма широко используется в конструкции резервуаров, поскольку одновременно сочетает в себе компактность, высокую прочность, низкую материалоемкость. Толщина стенки корпуса предпочтительно лежит в пределах 0.005-0.03 м. Толщина стенки менее 0,005  не обеспечивает достаточной прочности и жесткости емкости, делает его более уязвимым к механическим повреждениям и ухудшает его изолирующие качества, что в дополнение снижает надежность. Толщина стенки корпуса более 0,03 м приводит к неоправданному расходу материала на его изготовление, увеличивает его вес и, соответственно, статические нагрузки, действующие на корпус емкости, что дополнительно снижает надежность. Длина корпуса предпочтительно лежит в диапазоне от 2 до 30 м, а диаметр корпуса составляет 0.8-6 м. Изготовление емкостей размером более 30 м в длину и 6 м в диаметре приводит к снижению надежности, поскольку при прочих равных условиях слишком большую емкость проще повредить при транспортировке и установке. Более того, со временем возможны ее деформации под собственным весом или под весом толщи грунта в случае закапывания емкости.
Емкости малых габаритов - менее 0.8 м диаметром и менее 2 м длиной являются менее надежными: они более сложны в обслуживании, поскольку небольшие габариты доставляют неудобства при инспектировании внутреннего объема персоналом и осложняют очистку емкости от отложений. При горизонтальном размещении высота такой емкости составляет примерно половину роста среднего человека, что делает перемещение внутри нее неудобным и травмоопасным, увеличивая при этом вероятность случайного повреждения стенок. При вертикальном размещении резервуара присутствуют те же проблемы, но они также усугубляются необходимостью размещения лестницы внутри емкость, при том, что лестница занимает значительную часть и без того ограниченного внутреннего объема емкости.
Далее описана предпочтительная конструкция емкости.
Емкость включает корпус, состоящий из стенок, образующих пространство внутреннего объема, при этом стенки выполнены из жесткого композитного материала. В состав жесткого композитного материала входят слои, армированные стекловолокном, между которыми закреплен слой геотекстиля. Волокна слоя геотекстиля скреплены полимерным связующим. Слой геотекстиля и слои, армированные стекловолокном, скреплены друг с другом.
Частные варианты реализации подразумевают выполнение емкости со стенками, включающими чередующиеся слои, армированные стекловолокном и слои геотекстиля, причем, в структуре стенки внешними слоями композита всегда являются слои, армированные стекловолокном. Слой, армированный стекловолокном, не обязательно состоит исключительно из стекловолокна и может включать иные тканые или нетканые материалы в свой состав.
Геотекстильный слой предпочтительно выполнен на основе волокон из полипропилена или полиэфира. Также предпочтительно использование нетканого геотекстиля, который выполнен иглопробивным, термоскрепленным или иглопробивным с последующим термоскреплением. Поверхностная плотность геотекстильного слоя предпочтительно составляет 200 г/м2.
Слой, армированный стекловолокном, может быть выполнен, по существу, в виде любого тканого или нетканого материала, в составе которого присутствуют соответствующие стеклянные волокна, в частности, в виде стекломата или стеклополотна. Под стекломатом в рамках данного технического решения понимается нетканый мат из рубленых или непрерывных волокон, скрепленных химическим или механическим способом.
Слой, армированный стекловолокном, может быть выполнен в виде армирующей обмотки из стеклоровинга, которая, в свою очередь, может быть нанесена любым известным из уровня техники методом, например, методом филаментной намотки с контролируемым натяжением и варьирующимся углом намотки. Также в конструкции емкости могут быть использованы тканые и нетканые полотна, выполненные из жгутов стеклоровинга, например, стеклоткань. Слой, армированный стекловолокном, также, как и слой геотекстиля, может включать отвержденное полимерное связующее. В частности, при попадании полиэфирной смолы на стекломат, клей начинает распадаться, в следствие чего волокна приобретают гибкость, позволяющую сгибать стекломат.
Полимерное связующее может быть выполнено на основе полиэфирной смолы или быть многокомпонентным связующим, одним из компонентов которого является полиэфирная смола, физико-химические свойства которой позволяет изготовить армированное изделие для получения в последующем емкости с достаточно высокими прочностными характеристиками.
Предпочтительно емкость имеет форму цилиндра, длина которого составляет 2-30 м, диаметр которого составляет 0.8-6 м, а толщина стенок составляет 0.005-0.03 м.
В зависимости от целевого назначения, емкость может иметь дверцы или люки для доступа вовнутрь и осуществления очистных и профилактических работ. Допускается наличие в горизонтально ориентированной емкости вертикальных горловин, имеющих люки, обеспечивающие доступ ко внутреннему объему емкости квалифицированного обслуживающего персонала. Возможно включение емкости в трубопроводы разной степени сложности в качестве коллектора, дренажной емкости, стационарного резервуара для хранения жидкости. В зависимости от функционального назначения емкости, места установки и режима ее эксплуатации, внутри нее могут быть размещены перегородки, фильтры, клапаны, насосы различных конструкции и различного принципа действия, а также лестницы, упрощающие доступ обслуживающего персонала во внутреннюю полость для контроля состояния стенок или их очистки от затвердевших осаждений. Наличие технических отверстий, входных и выходных патрубков, их количество и расположение в емкости никак не ограничено объемом заявленной формулы.
Дренажная емкость может быть изготовлена следующим образом.
На формовочный цилиндр наносится слой материала, армированного стекловолокном, выполненного в виде стеклоткани. Материал подвергается пропитке полимерным связующим перед намоткой, после намотки или во время намотки (путем заблаговременного нанесения связующего на формовочный цилиндр).
Далее наносится слой геотекстиля. Геотекстиль предварительно проходит термоскрепление путем прокатки через валки каландра под давлением и при рабочей температуре, позволяющей частично расплавлять геотекстильные волокна и скреплять их в местах пересечения, уплотняя слой геотекстильного материала. Геотекстиль также подвергается пропитке полимерным связующим либо предварительно, либо после намотки на слой, армированный стекловолокном.
Поверх слоя геотекстиля наносится следующий слой, армированный стекловолокном, например, методом намотки ровинга, с пропиткой полимерным связующим. Угол намотки и количество ее слоев может меняться с целью достижения приемлемых механических характеристик для выбранных габаритов резервуара и способа его применения. После намотки внешнего слоя полученное цилиндрическое тело остается на корпусе формовочного цилиндра до полного отверждения полимерного связующего.
Вместо стеклоткани могут быть использованы листы стеклополотна или стекломата.
После отверждения связующего изготовленное цилиндрическое тело снимается с формовочного цилиндра и его торцевые части герметично закрываются крышками. Крышки изготавливаются из многослойного композитного материала, включающего два слоя, армированные стекловолокном и слой геотекстиля между ними, в специальных формах, при этом слои композитного материала в процессе производства пропитываются связующим и выдерживаются до его отверждения. Крышки присоединяются к корпусу емкости любым известным из уровня техники способом, например посредством адгезивных составов, предварительно нанесенных на контактные поверхности.
Один из предпочтительных вариантов использования емкости продемонстрирован на примере. На месте установки емкости при помощи экскаватора или любой другой подходящей землеройной машины подготавливается котлован, границы которого позволяют вместить габариты емкости и провести сопутствующие работы по ее закреплению. Емкость, оснащенная горловиной с люком, устанавливается на бетонной плите и фиксируется на ней в горизонтальном положении так, чтобы горловина располагалась выше уровня земли, обеспечивая свободный доступ для проведения профилактических и очистных работ. Далее емкость подключается к трубопроводу дренажной системы, после чего вся конструкция, за исключением верхней части горловины и люка, засыпается грунтом. После этого емкость готова к использованию - сбору и хранению воды, нефтепродуктов и других жидкостей, отводимых дренажной системой. Благодаря высоким прочностным характеристикам и высокой жесткости стенок из композитного материала, емкость не деформируется под слоем грунта, а благодаря использованию слоев, армированных стекловолокном, также предотвращается коррозия как контактирующей с грунтом стенки емкости, так и стенки емкости, контактирующей с жидкостями. По мере необходимости опорожнение емкости производится погружным насосом через люк горловины либо через выходной патрубок. В случае образования отложений с более высокой плотностью и вязкостью, опорожнение емкости может также осуществляться, например, с применением илососной машины.
Представленные описание конструкции и примеры использования емкости не исчерпывают возможные варианты исполнения и не ограничивают каким-либо образом объем заявляемого технического решения. Возможны иные варианты исполнения и использования в объеме заявляемой формулы. В зависимости от назначения, емкость может быть изготовлена разных размеров, цветов и конфигураций.