ГИБКАЯ МНОГОСЛОЙНАЯ ТРУБА
FLEXIBLE MULTILAYER PIPE

Изобретение относится к гибким многослойным трубам из полимерных материалов, предназначенным для транспортировки различных сред, в том числе сред с повышенной температурой, например, для теплоснабжения и горячего водоснабжения, нефтяной промышленности.
Известна (см. ЕР 2287587 А2, опубликовано 23.11.2003, заявитель STRUMANN WERNER EGEPLAST,
https://worldwide.espacenet.com/publicationDetails/biblio?II=0&ND=9&adjacent=true&locale=en_EP&FT=D&date=2()110223&CC=EP&NR=2287587A2&KC=A2#) труба из полимерных материалов, имеющая стенку, содержащую, по меньшей мере, один внутренний слой и внешний слой, в которой расположены, по меньшей мере, два металлических проводника электрического тока, навитые по спирали на внутренний слой вокруг продольной оси трубы так, что они не соприкасаются друг с другом. Один из проводников заземлен, а второй соединен с устройством, позволяющим контролировать протекание электрического тока - контроллером. В процессе прокладки и эксплуатации трубы возможны повреждения ее стенки. При разрыве внутреннего слоя трубы происходит высвобождение среды (чаще всего воды), которая замыкает электрическую цепь между первым и вторым проводниками. По образовавшейся цепи начинает протекать электрический ток, а факт появления тока регистрирует контроллер.
То же происходит и при разрыве внешнего слоя стенки трубы, когда влага, содержащаяся в окружающей среде, например, в почве, замыкает проводники. Место разрыва можно определить с помощью специального устройства. Однако разрыв внешнего слоя удается зафиксировать только после того, как в трубу поступит достаточное количество влаги (например, воды из грунта), чтобы замкнуть проводники.
При транспортировке по трубе среды с повышенной температурой происходит тепловое расширение полимерных материалов, из которых выполнен внутренний слой стенки трубы. Коэффициент линейного температурного расширения (КЛТР) полимерных материалов значительно превышает значения КЛТР, присущие металлам, поэтому изменение линейных размеров внутреннего слоя будет существенно выше изменения линейных размеров металлических проводников. В результате, укладка металлических проводников по спирали вокруг продольной оси трубы (далее такую укладку будем называть «одинарная спираль») не позволяет скомпенсировать тепловое расширение внутреннего слоя стенки трубы, на который они навиты, что может привести к разрыву металлических проводников или их такому глубокому вдавливанию во внутренний слой, которое может стать причиной нарушения его целостности.
Задачей, решаемой при создании изобретения, является защита слоев трубы и металлических проводников от разрушения, за счет чего повышается надежность трубы.
Технический результат от использования изобретения заключатся в повышении надежности трубы.
Технический результат достигается за счет того, что в гибкой многослойной трубе, имеющей продольную ось и стенку из полимерного материала, содержащую внутренний слой и внешний слой, на наружную поверхность внутреннего слоя по спирали вокруг продольной оси трубы уложены и закреплены на ней три металлических проводника, каждый из которых навит на отдельный полимерный сердечник, при этом проводники, навитые на сердечник, расположены таким образом, что они не соприкасаются между собой.
Внутренний слой служит для транспортировки среды по трубе, внешний слой защищает все слои трубы от воздействия внешней среды, повышая ее надежность. Укладка проводников по спирали вокруг продольной оси трубы позволяет контролировать разрыв стенки трубы по всему периметру трубы.
Возможно выполнение внутреннего слоя из нескольких подслоев. Эти подслои могут обладать различными свойствами, которые могут быть полезны в различных условиях эксплуатации трубы, повышая ее надежность.
Полимерный сердечник может быть выполнен из того же материала, что и наружная поверхность внутреннего слоя. В частности, наружная поверхность внутреннего слоя и полимерный сердечник могут быть выполнены из полипропилена или полиэтилена.
Металлические проводники могут быть частично погружены во внутренний слой. При этом они не нарушают целостности внутреннего слоя.
Гибкая многослойная труба может содержать слой тепловой изоляции, расположенный между внутренним и внешним слоями.
В том частном случае выполнения трубы, в котором она снабжена слоем тепловой изоляции, металлические проводники погружены в слой теплоизоляции.
Металлические проводники могут быть погружены в слой теплоизоляции частично или полностью.
При этом возможно выполнение трубы таким образом, что металлические проводники частично погружены как в слой теплоизоляции, так и во внутренний слой.
Погружение проводников в окружающие их слои обеспечивает их фиксацию и, следовательно, отсутствие соприкосновения между проводниками
Использование двойной спирали, образованной в результате того, что проводники навиты как на полимерный сердечник, так и вокруг продольной оси трубы на внутренний слой, позволяет не только компенсировать удлинение трубы, но и ее тангенциальное расширение. Для того, чтобы проводник был уложен по двойной спирали необходимо использование сердечника, вокруг которого проводник навит. Сердечник выполнен из полимерного материала и является диэлектриком. Проводник, уложенный по двойной спирали, существенно длиннее трубы. За счет этого он сохраняет свою целостность при температурном расширении трубы, а также не повреждает стенку трубы, приводя к повышению надежности трубы.
Использование сердечника из того же материала, что и наружная поверхность внутреннего слоя приводит к тому, что в процессе изготовления трубы под действием температуры сердечник приваривается к внутреннему слою, закрепляя и позиционируя металлические проводники в заданных позициях, не позволяя проводникам соприкасаться друг с другом. Например, наружная поверхность внутреннего слоя и сердечник могут быть изготовлены из полипропилена, который характеризуется высокой прочностью при ударе и многократном изгибе, износостойкостью, хорошими электроизоляционными свойствами в широком диапазоне температур, высокой химической стойкостью, низкой паро- и газопроницаемостью.
Два проводника замыкают на одном конце, делая петлю. На другом конце этой петли стоит контроллер, который замечает потерю проводимости петли при разрыве трубы, например, экскаватором. При этом, в отличие от трубы по ЕР 2287587 А2, контроллер сработает и в том случае, когда не будет проникновения влаги во внутрь трубы из окружающей среды, например, когда труба уложена в сухом грунте.
Третий проводник заземлен. Все три проводника подключают к одному и тому же контроллеру. При разрыве внутреннего слоя транспортируемая среда попадает в пространство между внутренним и внешним слоями, замыкая электрическую цепь, в результате чего контроллер регистрирует протекание электрического тока между проводниками.
Такое выполнение проводников повышает надежность и/или достоверность обнаружения нарушения целостности слоев трубы и/или металлических проводников и, следовательно, надежность трубы.
Внутренний слой заявленной трубы может быть выполнен из одного материала или состоять из нескольких подслоев, выполненных их разных материалов и обладающих различными свойствами, повышающими надежность трубы. Например, внутренний слой может содержать армирующий слой и/или слой, предотвращающий диффузию газов во внутрь слоя и из него, т.е. газобарьерный слой, и/или слой с повышенной температурной резистентностью.
Металлические проводники в одном из частных случаев выполнения трубы частично вдавлены в наружную поверхность внутреннего слоя, в том числе в наружный подслой, если внутренний слой состоит из нескольких подслоев. В одном из частных случаев выполнения трубы проводник может проникнуть в поверхность внутреннего слоя в процессе изготовления трубы, если наружная поверхность слоя выполнена из термопластичного материала.
В другом из частных случаев выполнения трубы проводники расположены на наружной поверхности внутреннего слоя без проникновения в него. Но в любом случае проводники закреплены на поверхности внутреннего слоя и образуют выступы на поверхности, расположенные по винтовой линии.
В том случае, когда труба содержит слой теплоизоляции, выступы на наружной поверхности внутреннего слоя, образованные металлическими проводниками частично или полностью вдавливаются в слой теплоизоляции. Выступы препятствуют смещению слоя теплоизоляции относительно внутреннего слоя при изгибе трубы, тепловом расширении внутреннего слоя и, следовательно, сминанию и нарушению целостности слоя теплоизоляции, повышая надежность трубы.
На фиг. 1 показано схематичное изображение заявленной трубы, показанной позицией 1. Позицией 2 обозначена стенка трубы, состоящая из внутреннего слоя 3 и внешнего слоя 4. На наружную поверхность 5 внутреннего слоя 3 по спирали вокруг продольной оси 6 трубы уложены три металлических проводника 7, 8 и 9, расположенные таким образом, что они не соприкасаются между собой, при этом каждый металлический проводник навит на полимерный сердечник 10. Два проводника, 7 и 8, замыкают на одном конце, делая петлю. На другом конце этой петли стоит контроллер 11. Третий проводник 9 заземлен. К нему и к проводникам 7 и 8 подключают контроллер 11.
На фиг. 2 показан частный случай выполнения заявленной трубы. Помимо всех деталей, показанных на фиг. 1, труба содержит слой теплоизоляции 12.
На фиг. 3 показан частный случай выполнения трубы 1, имеющей стенку 2, содержащую внутренний слой 3 и внешний слой 4, в котором внутренний слой 3 состоит из подслоев расположенных в порядке удаления от продольной оси трубы 6: подслой из терморезистентного материала 13, вспомогательный подслой 14, подслой из армирующего волокна 15 и защитный подслой 16, имеющий наружную поверхность 5, являющуюся наружной поверхностью внутреннего слоя, на который уложены три металлических проводника 7, 8 и 9, расположенные таким образом, что они не соприкасаются между собой, при этом каждый металлический проводник навит на полимерный сердечник 10. Два проводника, 7 и 8, замыкают на одном конце, делая петлю.
На другом конце этой петли стоит контроллер 11. Третий проводник 9 заземлен, к нему и к проводникам 7 и 8 подключают е контроллер 11. Металлические проводники образуют выступы 17 на поверхности внутреннего слоя, расположенные по винтовой линии. Слой теплоизоляции 12 расположен между внутренним слоем 3 и внешним слоем 4.
Многослойная труба работает следующим образом. Транспортируемая среда, например, вода для горячего водоснабжения или теплоноситель для отопления, либо нефть, поступают во внутрь внутреннего слоя 3 стенки 2 трубы 1. При этом, внутренний слой 3 и внешний слой 4 увеличиваются в размерах за счет теплового расширения как вдоль оси 6 трубы 1, так и перпендикулярно этой оси. Металлические проводники 7, 8 и 9, навитые на наружную поверхность 5 внутреннего слоя 3, имеют меньший коэффициент линейного теплового расширения, чем внутренний слой 3. Однако, за счет того, что каждый проводник навит на полимерный сердечник 10, он имеет такую длину, которая позволяет компенсировать меньшее тепловое удлинение металлического проводника по сравнению со внутренним слоем 3.
Таким образом, проводники защищены от разрыва, а внутренний слой от нарушения целостности из-за слишком глубокого погружения проводников 7, 8 и 9 во внутренний слой 3, что повышает надежность трубы.
Проводники 7, 8 и 9, соединенные с контролером 11, позволяют контролировать целостность трубы и утечку транспортируемой среды из внутреннего слоя. Два проводника 7 и 8 замыкают на одном конце, делая петлю. На другом конце этой петли стоит контроллер 11. В случае разрушения внешнего слоя 4 трубы 1, влага, из окружающей трубы среды, например, подземные воды, поступают внутрь стенки 2 трубы 1 и происходит замыкание проводников 7, 8, 9, которое фиксируется контроллером 11. Контроллер 11 может зафиксировать и разрыв проводника, например, при разрушении стенки трубы экскаватором или при незаконной врезке.
Сердечник 10 в процессе изготовления трубы закрепляется (т.е. фиксируется) на наружной поверхности 5 внутреннего слоя 3. Фиксация может осуществляется различными способами в зависимости от материала сердечника и материала наружной поверхности, а также от способа изготовления трубы. Если сердечник 10 выполнен из того же материала, что и наружная поверхность 5 внутреннего слоя 3 или из материала, способного образовать с материалом наружной поверхности ковалентные связи, то в процессе навивки проводов на горячую наружную поверхность сердечник приваривается к наружной поверхности, фиксируя проводник. Аналогичным образом проводник фиксируется при навивке на холодную поверхность с последующим нагревом. Возможен вариант фиксации проводника за счет адгезии сердечника к внутреннему слою. За счет фиксации сохраняется укладка проводников, при которой они не соприкасаются друг с другом, что исключает ложное срабатывание контроллера, повышая надежность трубы.
Погружение проводников 7, 8, 9 в слой теплоизоляции 12, и, в отдельных случаях выполнения, во внутренний слой, не нарушает целостности слоев, но препятствует перемещению слоя теплоизоляции 12 относительно внутреннего слоя 3, что не дает теплоизоляции смещаться относительно внутреннего слоя, сминаться при изгибах трубы, предотвращая разрушение слоя теплоизоляции и снизить надежность трубы.
Третий проводник 9 заземлен. К нему и к проводникам 7 и 8 подключают контроллер 11. При разрыве внутреннего слоя 3 среда попадает в пространство между внутренним 3 и внешним 4 слоями, замыкая цепь, в результате чего контроллер 11 регистрирует протекание электрического тока между проводниками. Таким образом, можно контролировать протечки трубы.
Возможность контролировать разрывы, незаконные врезки, протечки повышает надежность трубы.
Протечки могут привести к намоканию слоя теплоизоляции, если он содержится в трубе. Намокший слой теплоизоляции не может эффективно выполнять свою функцию, снижая надежность трубы в тех случая, когда труба выполнена с теплоизоляцией.
На фиг. 3 показана труба, внутренний слой 3 которой содержит терморезистентный подслой 13 и армирующий подслой 15, повышающие надежность трубы при транспортировке сред с повышенной температурой и давлением. Между ними расположен дополнительный подслой 14, увеличивающий общую толщину подслоев, расположенных ниже армирующего подстоя, выполняемого, как правило, из высокопрочных армирующих нитей, которые могут вдавливаться в подлежащий подслой при тепловом расширении трубы. Увеличенная совместная толщина подслоев, обеспечиваемая конструкционным подслоем, наряду с увеличением длины проводников за счет использования двойной спирали при их укладке, предотвращает нарушение целостности внутреннего слоя при вдавливании армирующего слоя и повышает надежность трубы. Армирующий подслой 15 покрыт наружным подслоем 16, защищающим его от повреждения, что также направлено на повышение надежности трубы.
Частные случаи выполнения трубы могут быть проиллюстрированы и другими примерами.
Пример 1.
Многослойная труба, имеющая стенку, содержащую внешний и внутренний слои, в которой внутренний слой содержит следующие подслои, расположенные в порядке удаления от продольной оси трубы: подслой из терморезистентного материала - полифениленсульфида, подслой из адгезивной композиции на основе полипропилена и дополнительный подслой из полипропилена, армирующий подслой из арамидного волокна и подслой из полипропилена, защищающий армирующий слой подслой из армирующего волокна. На наружную поверхность внутреннего слоя по спирали вокруг оси трубы уложены три медных проводника, расположенные без соприкосновения друг с другом, при этом каждый металлический проводник навит на полимерный сердечник из диэлектрического материала - полипропилена. Проводники покрыты слоем теплоизоляции из пенополиизоцианурата, окруженным внешним слоем из полиэтилена низкого давления. Использование двойной спирали, образованной в результате того, что проводники навиты как на полимерный сердечник, так и вокруг оси трубы на внутренний слой, позволяет компенсировать удлинение внутреннего слоя труба, которое в 8-12 раза больше, чем у медных проводников, обеспечивая целостность проводника и стенки трубы при тепловом расширении последней под действием теплоносителя.
В процессе изготовления трубы происходит укладка и фиксация проводников, навитых на сердечник, на горячий внутренний слой. Навитые на полимерный сердечник проводники образуют выступы на наружной поверхности внутреннего слоя, вдавленные в слой теплоизоляции. Выступы препятствуют смещению теплоизоляционного слоя.
Пример 2
Многослойная труба, имеющая стенку, содержащую внешний и внутренний слои, в которой внутренний слой выполнен из полиэтилена. На наружную поверхность внутреннего слоя по спирали вокруг оси трубы уложены три медных проводника, расположенные без соприкосновения друг с другом, при этом каждый металлический проводник навит на полимерный сердечник. Проводник навит на полимерный сердечник из полиэтилена.
Внутренний слой покрыт слоем теплоизоляции из пенополиуретана, окруженным внешним слоем из полиэтилена низкой плотности. Использование двойной спирали, образованной в результате того, что проводники навиты как на полимерный сердечник, так и вокруг оси трубы на внутренний слой позволяет компенсировать удлинение внутреннего слоя труба, которое в 8-12 раз больше, чем у медных проводников, обеспечивая целостность проводника и стенки трубы при тепловом расширении последней под действием теплоносителя.
В процессе изготовления трубы происходит укладка проводников, навитых на сердечник, на горячий внутренний слой. За счет того, что медный проводник навит на полимерный сердечник из полиэтилена происходит приваривание сердечника на внутренний слой и надежное позиционирование проводника в приподнятом положении относительно внутреннего слоя с частичным заглублением проводника в материал внутреннего слоя. Навитые на полимерный сердечник проводники образуют выступы на наружной поверхности внутреннего слоя, вдавленные в слой теплоизоляции. Выступы препятствуют смещению теплоизоляционного слоя.
Пример 3.
Многослойная труба, имеющая стенку, содержащую внешний и внутренний слои, в которой внутренний слой выполнен из полиэтилена. На наружную поверхность внутреннего слоя по спирали вокруг оси трубы уложены три алюминиевых проводника, расположенные без соприкосновения друг с другом, при этом каждый металлический проводник навит на полимерный сердечник из полиэтилена.
Внутренний слой покрыт слоем теплоизоляции из пенополиуретана, окруженным внешним слоем из полиэтилена низкой плотности. Использование двойной спирали, образованной в результате того, что проводники навиты как на полимерный сердечник, так и вокруг оси трубы на внутренний слой позволяет компенсировать удлинение внутреннего слоя трубы, которое в 6-9 раз больше, чем у алюминиевых проводников, обеспечивая целостность проводника и стенки трубы при тепловом расширении последней под действием теплоносителя.
В процессе изготовления трубы происходит укладка проводников, навитых на сердечник, на холодный внутренний слой, и расплавление сердечника. За счет того, что алюминиевый проводник навит на полимерный сердечник из полиэтилена происходит приваривание сердечника на внутренний слой и надежное позиционирование проводника в приподнятом положении относительно внутреннего слоя без частичного заглубления проводника в материал внутреннего слоя.
Пример 4.
Многослойная труба, имеющая стенку, содержащую внешний и внутренний слои, в которой внешний слой выполнен из полиэтилена низкой плотности. Внутренний слой состоит и двух подслоев: внутреннего из полиэтилена и наружного из сополимера этилена и винилового спирта (EVOH), обладающего газобарьерными свойствами. На этот подслой по спирали вокруг оси трубы уложены три проводника из алюминиевого сплава, расположенные без соприкосновения друг с другом, при этом каждый металлический проводник навит на полимерный сердечник. Проводник навит на полимерный сердечник из полиэтилена, содержащего привитые группы малеинового ангидрида.
Внутренний слой покрыт слоем теплоизоляции из пенополиуретана, окруженным внешним слоем из полиэтилена низкой плотности. Использование двойной спирали, образованной в результате того, что проводники навиты как на полимерный сердечник, так и вокруг оси трубы на внутренний слой позволяет компенсировать удлинение внутреннего слоя трубы, которое в 6-9 раз больше, чем у проводников из алюминиевого сплава, обеспечивая целостность проводника и стенки трубы при тепловом расширении последней под действием теплоносителя.
В процессе изготовления трубы происходит укладка проводников, навитых на сердечник, на холодный внутренний слой, и расплавление сердечника. За счет того, что проводник из алюминиевого сплава навит на полимерный сердечник из полиэтилена, содержащего привитые группы малеинового ангидрида, происходит адгезивное связывание сердечника с наружным подслоем внутреннего слоя и надежное позиционирование проводника в приподнятом положении относительно внутреннего слоя без частичного заглубления проводника в материал внутреннего слоя.
В примерах и по тексту описания - ось трубы - это продольная ось трубы, на чертежах она показана позицией 6.
Приведенные примеры не исчерпывают всех частных случаев выполнения трубы.