РУКАВ ДЛЯ РЕМОНТА ТРУБОПРОВОДА БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА

Полезная модель относится к области ремонта бестраншейным методом трубопроводов диаметром от 400 до 1600 мм, имеющих различную конфигурацию, с помощью гибкого многослойного рукава, отверждаемого на месте.
Из уровня техники известен многослойный рукав для ремонта трубопроводов, раскрытый в RU 2227860 С2, 27.04.2004, содержащий наружный композитный слой, состоящий из термореактивного связующего полимера, внутренний защитный слой, выполненный из термопластичного пленочного материала, и размещенную между ними армирующую оболочку в виде ткани из различных волокон.
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является рукав для ремонта трубопроводов, раскрытый в RU 2362678 С2, 27.07.2009, который содержит размещенные последовательно оболочку из нетканого материала на основе синтетических волокон, армирующую оболочку в виде ткани, например из арамидного волокна, и защитную оболочку, выполненную из термопластичного пленочного материала, причем все оболочки соединены между собой сварным швом, расположенным в продольном направлении рукава, а оболочка из нетканого материала и армирующая оболочка пропитаны термореактивным отверждаемым на месте ремонта полимерным связующим.
Недостатками известных ремонтных рукавов является их невысокая прочность при достаточной гибкости, а при попытке увеличения прочности - их недостаточная гибкость, затрудняющая процесс монтажа при санации трубы.
Технология ремонта (санации) трубопроводов с использованием полимерного композитного рукава применяется для рабочего давления в трубопроводе, как правило, до 1,6 МПа. Однако есть необходимость в ремонтах трубопроводов, особенно технологических, и с более высоким рабочим давлением (до 3 МПа и более). Кроме того, при санации безнапорных канализационных трубопроводов часто возникают ситуации, когда свод коллектора близок к разрушению, и тогда от санирующего рукава требуется возможность воспринимать внешние нагрузки от грунта над трубой, размещенных на поверхности земли предметов (временные сооружения, транспорт и пр.) и противостоять им. Таким образом, требуется обеспечить определенную кольцевую жесткость и прочность конструкции, при этом следует сохранить необходимую эластичность и гибкость рукава, обеспечивающую его монтирование в трубе существующими методами.
Техническая проблема заключается в ограниченной области применения существующих полимерных композитных рукавов при ремонте (санации) трубопроводов различного назначения, в том числе трубопроводов большого диаметра, имеющих сужения и повороты.
Технический результат, достигаемый полезной моделью, заключается в повышении прочностных характеристик ремонтного многослойного композитного рукава при его отверждении в ремонтируемой трубе с одновременным сохранением эластичности рукава при его транспортировке и установке в ремонтируемую трубу в эксплуатационное положение.
Указанный технический результат достигается тем, что в многослойном рукаве для ремонта трубопровода, содержащем размещенные последовательно с чередованием две оболочки из нетканого материала на основе синтетических волокон и две армирующие оболочки в виде ткани из армирующего волокна, и защитную оболочку, выполненную из термопластичного пленочного материала, в котором оболочки соединены швом, расположенным в продольном направлении рукава, а оболочки из нетканого материала и армирующие оболочки пропитаны термореактивным отверждаемым полимерным связующим, в соответствии с предлагаемой полезной моделью термореактивное полимерное связующее содержит наполнитель из рубленных армирующих волокон, длина которых составляет 0,5-2,0 мм, при этом армирующие волокна равномерно распределены в материале пропитанных связующим оболочек.
Толщина каждой оболочки из нетканого материала составляет 4-12 мм. Толщина защитной оболочки составляет 1-5 мм. Толщина каждой армирующей оболочки составляет 2-4 мм.
Защитная оболочка имеет клеевой шов, укрытый защитной лентой, а остальные слои - оверлочные продольные швы.
Ткань армирующей оболочки выполнена из арамидного, или углеродного, или базальтового, или стеклянного волокна.
В качестве наполнителя могут быть использованы арамидные, стеклянные, базальтовые или углеродные рубленные волокна.
Для изготовлении оболочки из нетканого материала на основе синтетических волокон может быть использован полипропилен или полиэфир.
В качестве термопластичного пленочного материала защитной оболочки может быть использован полиэтилен, или полипропилен, или поливинилхлорид, или полиамид, или полиуретан, или латекс.
В качестве термореактивного отверждаемого полимерного связующего используются эпоксидные, полиэфирные, фенольные смолы.
Как известно, повышение прочности ремонтного рукава возможно за счет проведения следующих мероприятий:
- увеличение толщины стенки рукава
- повышение прочности армирующего слоя
- повышение прочности применяемого связующего (смолы).
Однако увеличение толщины оболочки из нетканого материала (синтетического войлока) незначительно сказывается на повышении прочностных характеристик конструкции и при этом приводит к резкому удорожанию и снижению гибкости и эластичности рукава, что может воспрепятствовать нормальному его введению в санируемый трубопровод и расправлению там.
Повышение прочности армирующего слоя можно обеспечить за счет применения ткани из более толстых волокон или за счет применения более прочных материалов, например, металлической сетки и т.д. Однако при этом резко возрастает цена изделия, а также его жесткость.
Целесообразно повышение прочности ремонтного рукава за счет увеличения прочности применяемого связующего (эпоксидных, полиэфирных, фенольных и других смол), которое можно обеспечить применением более прочных, принципиально новых материалов, причем тот же результат можно обеспечить путем введения в связующее наполнителя из различных материалов.
Были проведены работы по исследованию различных наполнителей связующего. Реакция отверждения (полимеризации) полимерных смол - экзотермическая, ее скорость зависит от температуры смеси. Чем выше температура, тем быстрее реакция. Реакция полимеризации идет наиболее интенсивно в приграничном слое.. При использовании для связующего наполнителя в виде микросфер, цемента, гипса, опилок поверхность этого приграничного слоя резко возрастает и процесс полимеризации идет быстрее, чем без наполнителя. Кроме того, отвод тепла с этого приграничного слоя ограничен и наблюдается саморазогрев смеси, что повышает ее текучесть, т.е. существенно снижается вязкость, а это важно для наиболее качественной пропитки материала рукава. Однако возросшая скорость полимеризации нивелирует этот эффект, и очень скоро смола начинает активно полимеризоваться, что неприемлемо для целей пропитки рукава, т.к. после пропитки в заводских условиях готовый рукав необходимо доставить к месту монтажа и смонтировать (поместить в санируемую трубу) и только после этого запустить процесс ускоренной полимеризации путем нагрева до 80-95°С и выше в зависимости от применяемой смолы.
Использование наполнителя из рубленных волокон, в соответствии с предлагаемой полезной моделью, в частности арамидных волокон, придает связующему (смоле) высокие тиксотропные свойства, обеспечивающие проявление "сверхтекучести" смеси при механических воздействиях, что позволяет нивелировать отрицательный для технологии изготовления рукава эффект ускорения полимеризации при разогреве смолы. В начале пропитки, когда температура смеси повышена, достигается максимальное проникновение смолы в межволоконное пространство нетканого материала на основе синтетических волокон (синтетического войлока) и армирующей ткани. При введении в смолу наполнителя ее вязкость повышается, а затем смола слегка "застывает". Это положительно влияет на процесс транспортировки готового ремонтного рукава.
При начале работ по введению рукава в санируемый трубопровод, при активном механическом воздействии, сказывается упомянутый выше тиксотропный эффект, и смола снова становится текучей (резко снижается ее вязкость), а рукав - эластичным, что позволяет свободно работать с ним до момента его фиксации в эксплуатационном положении и подачи высокотемпературной среды (воды, пара) для запуска финального процесса полимеризации связующего (отверждения смолы).
кр
кр
кр
кр
кр
Эффективность применения волокон в отвержденной смоле зависит от их длины. Существует понятие критической длины волокна L, до которой напряжение, воспринимаемое собственно волокном в смоле, возрастает и при L=L становится равным прочности волокна. При разрушении отвердевшей смолы, наполненной волокном L<L наблюдается выдергивание коротких волокон из полимерной матрицы, т.е. смола разрушается по границе волокно - полимер. Прочность полимера, наполненного волокном L>L значительно больше, чем для волокон с L<L. Критическая длина волокон в зависимости от их природы меняется от 100 мкм (углеродное волокно) до 400 мкм (стеклянное волокно).
Как установлено нами экспериментально, наиболее полно реализуют требование высокой прочности полимерной матрицы и рукава в целом рубленные армирующие волокна длиной 0,5-2,0 мм, введенные в полимерное отверждаемое связующее (смолу) с получением композитного связующего. Было подтверждено увеличение более чем 2 раза прочностных характеристик отвержденного в санируемой трубе полимерного композитного рукава по сравнению с рукавом, содержащим связующее без упомянутых волокон. Одновременно такой наполнитель позволяет сохранить эластичность ремонтного рукава за счет упомянутых выше тиксотропных свойств связующего с наполнителем, в том числе обеспечивают наиболее полную пропитку оболочек рукава смолой при его изготовлении.
С учетом большого диаметра ремонтируемого трубопровода (до 1600 мм), требующего повышенной прочности ремонтного рукава, обуславливающей кольцевую жесткость отвержденного изделия, в предлагаемой полезной модели были использованы две армирующие оболочки и, соответственно, две оболочки из нетканого материала на основе синтетических волокон (синтетический войлок). Все четыре упомянутые оболочки содержат полимерное отверждаемое связующее (смолу) с наполнителем из рубленных армирующих волокон длиной 0,5-2,0 мм, равномерно распределенных в материале упомянутых оболочек. Упомянутые характеристики обеспечивают высокую прочность отвержденного рукава и его эластичность при транспортировке и монтаже.
Указанные в формуле полезной модели диапазоны толщин каждой из оболочек ремонтного рукава наиболее оптимальны для получения приведенного технического результата.
При изготовлении многослойного рукава в соответствии с предлагаемой полезной моделью рубленное волокно вводили в исходную смолу перед началом работ по пропитке рукава в стационарных условиях. Затем производили перемешивание смолы с наполнителем для обеспечения равномерного распределения наполнителя в объеме смолы, при этом смешивание гомогенизированной композиции с отвердителем осуществляли непосредственно перед пропиткой.
Слои подготовленного рукава предварительно соединяли в продольном направлении: защитную оболочку клеевым швом, а остальные - оверлочными швами. Пропитку осуществляли традиционным способом: методом окунания рукава в подготовленную смесь или введением смеси внутрь подготовленного сшитого рукава и пропусканием через вальцы на пропиточном столе. Затем производили окончательную формовку пропитанного рукава и подготовку его к транспортировке к месту монтажа.
Использование предлагаемой полезной модели для ремонта трубопровода осуществляется на месте монтажа путем протягивания многослойного рукава с его выворачиванием или путем введения ремонтного рукава внутрь трубы сразу в положении ремонтируемого трубопровода и накачивания рукава.
После введения рукава внутрь санируемого участка исходной трубы и распирания избыточным давлением жидкости или газа (воздуха) до непосредственного контакта со стенками труб санируемого участка по всему периметру, внутри рукава увеличивается температура носителя (пара, горячей воды) до установленного уровня и ускоряется процесс полимеризации. После полной полимеризации смолы получаем готовый санированный предложенным рукавом участок трубопровода.
Полезная модель поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлен предложенный рукав для ремонта трубопровода, установленный в трубе.
1 - стенка санируемой трубы
2 - оболочка из нетканого материала (синтетический войлок)
3 - оболочка из армирующей ткани (полотно)
4 - оболочка из нетканого материала (синтетический войлок)
5 - оболочка из армирующей ткани (полотно)
6 - защитная оболочка (герметизирующий слой) из пленки термопласта - ПЭ, ПП, ПВХ и др.)
7 - ось трубы.
8 - оболочки, пропитанные смолой с наполнителем из рубленных волокон.
В табл. 1 представлены характеристики исходных материалов оболочек рукава для ремонта трубопровода и их функциональное назначение.
За счет выполнения отверждаемого полимерного связующего с наполнителем из рубленных армирующих волокон указанной длины, предлагаемый многослойный рукав для ремонта трубопровода обладает необходимой прочностью для его эксплуатации при высоких рабочих давлениях прокачиваемой среды и внешних нагрузках, а также достаточной эластичностью (гибкостью), что облегчает его использование при санации длинных (более 100 м) участков трубопроводов диаметром от 400 до 1600 мм, имеющих разную конфигурацию, в том числе повороты, уклоны, отводы, дефекты поверхности.