СТАЛЬНАЯ ТРУБА С УПРОЧНЕННОЙ ПОЛИУРЕТАНОВОЙ ФУТЕРОВКОЙ

Полезная модель относится к области машиностроения, производящего технологическое оборудование горно-обогатительных предприятий в том числе трубы для транспортировки пульп внутри и вне обогатительных фабрик. Для увеличения срока службы труб их внутренняя поверхность покрывается слоем износостойкого материала, служащего футеровкой стального корпуса трубы. Известен ряд модификаций стальных труб с полиуретановой футеровкой, отличающихся между собой конструктивными элементами, в том числе с однослойным и многослойным внутренним покрытием стенки трубы полиуретаном.
Известны стальные трубы ООО «Еврогомма Раше», г. Челябинск, с однослойным покрытием стенки напылением полиуретана. Недостатком такого покрытия являются высокие напряжения, возникающие при изменениях температуры в слое полиуретана вследствие большой разницы в коэффициентах теплового расширения стальной стенки и полиуретана. Слой стали, соединенный адгезией с полиуретановым слоем, препятствует его тепловому расширению или сжатию усилием торможения, создавая напряжение в полиуретане. При нагрузках, приводящих к упруго-пластическим и пластическим деформациям полиуретанового слоя, снижается износостойкость полиуретана и соответственно эксплуатационный ресурс трубы.
Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели является стальная труба с многослойным, элементами упрочнения, покрытием полиуретановым компаундом внутренней поверхности трубы (патент РФ 2252978, прототип). В данной трубе увеличение сопротивляемости многослойного покрытия внешним воздействиям (упрочнение) достигается снижением тепловых деформаций слоев, оказывающих разупрочняющее действие на полиуретан. С целью снижения термических напряжений в стальной стенке и полимерных слоях футеровки последовательно наносимые слои полимерных композиций имеют разные коэффициенты теплового расширения с увеличением к центру трубы за счет целевых добавок и наполнителей, оказывающих влияние на коэффициенты термического расширения полимеров. Основным недостатком данной конструкции трубы является то, что в ней из средств повышения износотойкости реализуется лишь прием упрочнения покрытия путем снижения тепловых напряжений в слоях, без реализации более эффективного физического упрочнения собственно полиуретанового вещества, образующего футеровочные слои. Кроме этого внесение в состав полиуретанового композита предлагаемых добавок и наполнителей вместе с изменением коэффициента теплового расширения снижает износостойкость слоя покрытия, изготовленного из этого композита (патент РФ 2252978).
Задачей настоящей полезной модели является повышение износостойкости и ресурса работы трубы с увеличением межремонтного периода в условиях транспортировки абразивных пульп, в том числе хвостов обогатительных фабрик. Поставленная задача решается путем физико-механического упрочнения слоев полиуретана (полиуретанового композита), футерующих внутреннюю поверхность трубы. Согласно проведенным авторами исследований полиуретановое полотно упрочняется при его относительной продольной упругой деформации в пределах 2-3% от его начального размера. При упругой деформации происходит напряжение в слое и изменение межатомных и межмолекулярных расстояний, увеличивается его износостойкость. При соединении слоев полиуретана адгезией или клеем упругая деформация слоев возникает при увеличениях температуры за счет разницы в коэффициентах теплового расширения этих слоев: в слое с высоким тепловым коэффициентом - деформация сжатия, в слое с низким коэффициентом - деформация растяжения из-за сопротивления большим деформациям смежных слоев.
Коэффициенты теплового расширения применяемых литьевых полиуретанов изменяются в широком диапазоне, что позволяет достигнуть заданных величин упругих деформаций путем подбора марок полиуретанов с требуемыми коэффициентами теплового расширения.
Технический результат полезной модели достигается тем, что в стальной трубе с упрочненной полиуретановой футеровкой, состоящей из трех слоев полиуретана с разными коэффициентами теплового расширения, для создания упругих деформаций и упрочнения полиуретановых слоев первый полиуретановый слой и стальная стенка трубы, второй и третий полиуретановые слои соединены адгезией попарно между собой, внутренняя поверхность первого слоя покрыта антиадгезионной смазкой, а слои футеровки изготовлены из марок полиуретана, имеющих коэффициенты теплового расширения с разностью величин, определяемых по зависимостям:
; ,
1
2
3
4
где α, α, α, α - соответственно коэффициенты теплового расширения первого, второго, третьего слоев полиуретана и стальной стенки трубы,
- относительная упругая продольная деформация слоя полиуретана, упрочняющая полиуретан ,
- интервал температуры нагрева полиуретана от 20°C до температуры отверждения.
Антиадгезионная смазка внутренней поверхности первого слоя обеспечивает независимость тепловых деформаций второго и третьего слоев от малых деформаций стальной стенки трубы при формировании заданного напряжения в них.
В предлагаемой полезной модели стальной трубы упругая деформация смежных полиуретановых слоев футеровки происходит в процессе охлаждения и отверждения нагретого слоя полиуретана, покрывающего внутреннюю поверхность трубы. Создание условий для упругой деформации и упрочнения полиуретановых слоев обеспечивается путем последовательного образования внутри трубы слоев подачей следующей порции расплава после отверждения предыдущей, при этом имеют место индивидуальные особенности процессов: а) в сочетании первый полиуретановый слой - стальная стенка трубы: деформация полиуретана осуществляется в рамках тепловой деформации стали, при этом в трубе при изначальном тепловом расширении слоя полиуретана упругая деформация создается торможением его сжатия соединенной со слоем стальной стенкой трубы, с меньшим, чем у полиуретана коэффициентом теплового расширения, б) в сочетании второго и третьего слоев при их охлаждении происходит сжатие третьего слоя за счет большего коэффициента теплового расширения второго слоя, который свободно перемещается по покрытой смазкой поверхности первого слоя, при этом во втором слое возникают напряжения растяжения,
Таким образом в устройство трубы с упрочненной полиуретановой футеровкой внесены новые элементы: сочетание слоев полиуретановой футеровки с заданными коэффициентами теплового расширения, создающих постоянную упругую деформацию связанных адгезией слоев и упругое напряжение в них, упрочняющее полиуретановое полотно и увеличивающее износотойкость трубы. Изготовление данной модели трубы может осуществляться с применением известных приемов, включая изготовление стального корпуса трубы, приготовление полиуретана с расчетными коэффициентами теплового расширения и антиадгезионной мастики, термическую подготовку сырья с доведением до расплавленного состояния, покрытие внутренней поверхности трубы последовательно слоями после отверждения каждого предыдущего путем применения метода ротационного литья при смазке поверхности первого слоя мастикой.
С целью ускорения процесса футерования стальной трубы полиуретаном может самостоятельно изготовляться отформованная полиуретановая труба, состоящая из второго и третьего слоев полиуретана, и устанавливаться в разогретую стальную трубу с первым слоем футеровки.
На фиг. 1а, 1б - соответственно приведены схемы продольного и поперечного разрезов предлагаемой полезной модели трубы. Стальная труба состоит корпуса со стальной стенкой 4 и фланцами 5, внутренняя поверхность трубы покрыта тремя слоями полиуретана, обозначенными: первый слой - 1, второй слой - 2, третий слой - 3, с поверхностями, соединенными между собой адгезией, кроме поверхностей между первым и вторым слоями. Зазор между торцами второго и третьего слоев полиуретана и фланцем, с помещенной в него упругой кольцевой прокладкой 6, обеспечивает возможность свободного теплового продольного расширения второго и третьего слоев и формования достаточной продольной деформации третьего слоя за счет сжатия второго при охлаждении. При сниженной температуре до 20 С и ниже упругое напряжения в полиуретановых слоях и их упрочнение сохраняются. При подготовке к эксплуатации трубы с упрочненной полиуретановой футеровкой соединяются между собой посредством фланцев в шламопроводы. Новизна предлагаемой полезной модели стальной трубы заключается в применении с целью упрочнения ее полиуретановой футеровки трехслойного полиуретанового покрытия внутренней поверхности трубы, в котором первый слой и стальная стенка трубы, также второй и третий слои соединены попарно адгезией и имеют расчетные величины коэффициентов теплового расширения, при которых из-за их разницы в связанных адгезией полиуретановых слоях возникают заданная упругая деформация.
Промышленная полезность предлагаемой модели заключается в увеличении эксплуатационного ресурса трубы за счет упрочнения и повышения износостойкости полиуретановой футеровки.