СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НАПОРНОЙ КОМБИНИРОВАННОЙ ТРУБЫ
METHOD OF MAKING COMBINED PRESSURE PIPE

Изобретение относится к области изготовления жестких труб, а именно к способам изготовления напорных комбинированных труб из полимеров и композиционных материалов, и может быть использовано для изготовления труб для транспортировки жидких и газообразных сред.
Известен способ изготовления напорной комбинированной трубы, включающий плазмохимическую обработку внешней поверхности внутреннего герметизирующего слоя в виде трубной заготовки из полимерного материала, нанесение на него внешнего слоя из композиционного материала, включающего армирующие волокна и связующее, и отверждение связующего композиционного материала (см. заявку RU 2010146804, кл. F16L 9/00, опубл. 27.05.2012). Недостатком известного способа является необходимость использования в качестве плазмообразующего газа воздушной смеси с парами органических соединений (бензола, толуола, ацетилена), некоторые из которых по характеру биологического воздействия принадлежат к веществам 3-го класса опасности (умеренно опасные вещества) по степени воздействия на организм.
Задачей изобретения является устранение указанного недостатка. Технический результат заключается в упрощении производственного процесса. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что согласно способу изготовления напорной комбинированной трубы, включающему плазменную обработку внешней поверхности внутреннего герметизирующего слоя в виде трубной заготовки из полимерного материала, нанесение на него внешнего слоя из композиционного материала, включающего армирующие волокна и связующее, и отверждение связующего композиционного материала, плазменную обработку трубной заготовки проводят в холодной плазме анормального тлеющего разряда в воздухе в проточном режиме при давлении 2÷10 Па. В качестве полимерного материала для трубной заготовки может быть использован полиэтилен, ПВХ или полипропилен. Армирующие волокна для внешнего слоя могут быть изготовлены из стекла, базальта, углерода или арамида и переработаны в виде нитей, жгутов, ровингов, лент, тканей или в виде рубленых волокон. В качестве связующего композиционного материала могут быть использованы реактивные синтетические полиэфирные, эпоксидные или винилэфирные смолы. Отверждение связующего композиционного материала предпочтительно проводят под воздействием температуры, светового облучения или химического катализатора.
Полученные с помощью предлагаемого способа изделия - комбинированные напорные трубы - представляют собой конструкции, состоящие из внутреннего герметизирующего слоя, изготовленного из полимерной трубной заготовки, и внешнего силового слоя, изготовленного известными технологическими способами из композиционного материала. Композиционные материалы представляют собой армирующие волокна (стеклянные, базальтовые, углеродные, арамидные), переработанные в виде нитей, жгутов, ровингов, лент, тканей или в виде рубленных волокон, пропитанных полимерными связующими, изготовленными из реактивных синтетических смол (полиэфирных, эпоксидных, винилэфирных и др.), отвержденных под воздействием температуры, светового облучения или химического катализатора.
Способ изготовления изделия напорной комбинированной трубы включает три стадии:
I. Плазменная обработка - прививка химически-активных групп на внешнюю поверхность полимерной трубной заготовки.
II. Намотка на внешнюю поверхность полимерной заготовки слоя из композиционного полимерного материала.
III. Отверждение связующего в композиционном материале.
Стадия I позволяет получить поверхность, содержащую макромолекулы с привитыми пероксидными группами, легко распадающимися на радикалы в присутствии катализаторов (ускорителей) или нагрева и приводящими к образованию химических связей - сшивок между макромолекулами связующего (синтетической смолы) композиционного материала и полимерного материала заготовки на границе их раздела.
2
Для осуществления стадии I проводят обработку полиэтиленовой трубной заготовки в холодной плазме анормального тлеющего разряда пониженного давления в воздухе в проточном режиме (режиме непрерывной смены рабочего газа - воздуха). Давление воздуха в вакуумной камере, в которой осуществляют обработку, поддерживают в пределах 2÷10 Па. Температура плазмы не должна превышать 50°С. Заготовку помещают в камеру таким образом, что ее внешняя поверхность находится в области катодного падения разряда и обращена к цилиндрическому катоду, где концентрация активных частиц плазмы наиболее высока. Вкладываемая в плазму электрическая мощность на единицу поверхности заготовки составляет 0.03÷0,1 Вт/см, время экспозиции в плазме 15÷60 с. Для поддержания стабильных параметров плазмы по всей площади поверхности заготовки используют сеточный катод. Размер ячейки металлической сетки составляет 5 мм. Для сохранения равномерности обработки поверхности полимерной заготовки эта величина не должна превышать расстояние от катода до оболочки плазмы, заключающее область катодного падения разряда.
Достоинствами воздушного анормального тлеющего разряда пониженного давления, поддерживаемого в проточном режиме и равномерно распределенного по всей площади крупногабаритного образца, в сравнении с различными типами разрядов атмосферного давления является:
1) высокая экологическая чистота метода (отсутствие вредных химических веществ в техпроцессе);
2) возможность получать холодную плазму с активными частицами (температура газа в области плазмы существенно ниже температуры размягчения полимерного материала изделия и его термодеструкции), распределенную равномерно по всей площади электродов;
3) наиболее активная зона плазмы - оболочка плазмы, которая наблюдается в области катода, имеет достаточно большую толщину от 1 до 5 см, в зависимости от давления воздуха в вакуумной камере;
4) энергия ионов, атомов и молекул, в зоне плазмы не превышает 0.028 эВ, а энергия электронов в зависимости от внешних параметров разряда (давление плазмообразующего газа, вкладываемая электрическая мощность) не превышает 15÷25 эВ, что позволяет проводить с высокой эффективностью обработку полимерного материала только на его поверхности (в атомарном слое - 10÷100 Å);
2
5) из пункта 2 вытекает возможность конструировать электроды, распределенные по всей поверхности изделия, имеющего большую площадь поверхности от единиц до десятков квадратных метров, что, в свою очередь, позволяет существенно снизить общее время экспозиции в плазме изделия до 15÷60 с, имеющего площадь поверхности более 10 м;
6) из пункта 3 вытекает отсутствие высоких требований к технологическим расстояниям между поверхностью изделия и электродами и отсутствие необходимости использования специальных оправок для полимерной трубной заготовки;
7) низкие электрические напряжения питания разряда 300÷600 В;
8) использование проточного режима позволяет существенно снизить и контролировать температуру газа в области холодной плазмы и непрерывно выводить из активной зоны летучие низкомолекулярные продукты взаимодействия поверхности полимерного материала с активными частицами плазмы.
Пример
Для получения тестовых образцов на стадии II проводили спиральную намотку нитей жгута стеклоровинга на внешнюю поверхность трубной полимерной (полиэтиленовой) заготовки, предварительно смоченных связующим на основе полиэфирной смолы. Перед намоткой стеклопластикового слоя на поверхность трубы наносился слой полиэфирного связующего наливом из емкости на поверхность вращающейся трубы. Стадию III проводили методом холодного отверждения.
В результате получили комбинированную напорную трубу с внутренним герметизирующим слоем из полиэтилена и силовым слоем из стеклопластика.
Для испытаний на внутреннее давление разрушения, циклические нагрузки внутренним давлением, испытаний адгезионных характеристик по границе полиэтилен/стеклопластик и испытаний на кольцевую жесткость были изготовлены трубы длиной 2 м, внутренним диаметром 300 мм, толщиной внутреннего полиэтиленового слоя 5,9 мм и внешнего силового стеклопластикового слоя 5 мм с фланцевыми соединениями.
2
В табл.1 приведены результаты механических испытаний труб на давление разрушения до и после воздействия циклической нагрузки внутренним гидравлическим давлением, меняющейся от 5 до 60 кгс/см.
В табл.2 приведены результаты климатических испытаний образцов комбинированных труб на образование дефектов (отслоений по границе раздела силового и герметизирующего слоев), влияющих на ухудшение их эксплуатационных характеристик, после 10 циклов охлаждения в термокамере с последующим хранением в течение 1 суток при температуре 70°С и нагрева с последующим хранением в течение 1 суток при +70°С. Области искусственных дефектов - непроклеев - получали с помощью предварительной укладки в этих областях фторопластовой ленты перед стадиями получения силового стеклопластикового слоя. Дефект - сварной шов - получали свариванием двух образцов труб длиной по 1 м каждый с последующими стадиями II и III получения силового слоя.
Для определения адгезионных характеристик между элементами стенки трубы проводились испытания на отрыв в радиальном направлении. В табл.3 приведены результаты этих испытаний. Испытания проводились на образцах, прошедших и не подвергавшихся испытаниям термоциклирования, произвольно вырезанных из разных частей труб. Образцы вырезались из труб в направлении образующей. На наружной поверхности образцов (со стороны силового слоя) прорезались канавки на глубину силового слоя. После этого на наружную поверхность силового слоя компаундом холодного отверждения приклеивались «грибки», представляющие собой цилиндрические диски из алюминиевого сплава диаметром 25 мм.
Испытания на отрыв проводились на машине УТС 110М-100 (машина для испытаний конструкционных материалов), с помощью ЭВМ в ходе испытаний фиксировавшей усилие отрыва.
При проведении испытаний по определению кольцевой жесткости напорной комбинированной трубы за основу был взят стандарт ASTM D 2412-08 «Стандартная методика испытаний для определения внешней нагрузочной характеристики пластмассовой трубы с использованием параллельных обжимных плит». Для проведения испытаний были изготовлены 5 (пять) испытательных образцов, из них 3 из труб, прошедших термоциклические испытания, 2 образца вырезались из труб, не подвергавшихся таким испытаниям. Все образцы помещались между двумя параллельными плитами и подвергались нагружению на машине УТС 110М-100 (машина для испытаний конструкционных материалов), в ходе испытаний измерялось усилие нагружения и перемещение нагрузочной плиты (величина прогиба). Нагружение осуществлялось со скоростью 10 мм/мин. Образец 1 нагружался до величины прогиба 30%, изменений в комбинированном материале стенки трубы отмечено не было. Остальные образцы 2, 3, 4 и 5 нагружались до разрушения стенки трубы, при этом изменения в состоянии комбинированного материала стенки отмечались сначала акустически, затем визуально: во всех случаях произошло разрушение внутри стеклопластикового слоя (расслоение), разрушений в комбинированном материале стенки трубы по границе «полиэтилен-стеклопластик» обнаружено не было. Данные по образцам и результаты испытаний приведены в табл.4 и 5.
Результаты испытаний показали, что предлагаемый способ позволяет изготовить напорную комбинированную трубу с внутренним герметизирующим слоем из полиэтилена и силовым слоем из стеклопластика, обладающую следующими свойствами и характеристиками:
1) гарантированной сплошностью сшивки и высокой адгезионной прочностью по границе «полимер-стеклопластик» по всей площади испытанных образцов трубы;
2
2) высокой адгезионной прочностью между силовым стеклопластиковым и герметизирующим полимерным слоями выше межслоевой прочности внутри стеклопластика, превышающей 15 кг/см;
3) сохранением адгезионной прочности соединения силового и герметизирующего слоев в местах сварных стыков герметизирующей оболочки и дефектов в виде отсутствия адгезии между слоями;
4) возможностью эксплуатации при высоких рабочих давлениях, величина которых зависит от типа наполнителя и толщины силового слоя;
2
5) давление эксплуатации изготовленного по предлагаемому способу образца трубы с учетом коэффициента безопасности 3 составило 80 кгс/см;
6) высокой устойчивостью к температурным климатическим перепадам в интервале от -70°С до +70°С;
7) высокой устойчивостью к кольцевым деформациям.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет производить напорные комбинированные трубы с высокими эксплуатационными характеристиками при высокой технологичности производственного процесса.
Таблица 1
Результаты испытаний труб внутренним давлением
Вид образца трубы
Давление разрушения, кгс/см<sup>2</sup>
Характер и место разрушения
Сразу после изготовления
246,5
Разрушение силовой оболочки
После 500 циклов нагружения внутренним давлением
239,3
Разрушение силовой оболочки
Таблица 2
Результаты климатических испытаний труб
Вид исходного образца трубы
Образование дефектов после климатических испытаний образца
Без дефектов
Нет
С искусственными дефектами в виде непроклеев по границе раздела силовой-герметизирующий слой
1) нет увеличения размеров искусственных дефектов
2) образуются новые дефекты в виде межслоевых расслоений внутри стеклопластика
С искусственным дефектом в виде сварного шва в полиэтиленовом герметизирующем слое
Нет
Таблица 3
Результаты механических испытаний адгезионной прочности между элементами стенки напорных комбинированных труб.
№ обр.
Место разрушения
Адгезионная прочность, кгс/см<sup>2</sup>
Термоциклирование образца (+)
1
В объеме стеклопластика
15,24
+
2
В объеме стеклопластика
22,6
+
3
В объеме стеклопластика
20,8
+
4
В объеме стеклопластика
19,26
+
5
отрыв образца от грибка
20,8
-
6
В объеме стеклопластика
26,14
-
7
В объеме стеклопластика
20,06
-
8
В объеме стеклопластика
18,52
-
9
отрыв образца от грибка
17,58
+
10
В объеме стеклопластика
14,84
+
11
В объеме стеклопластика
20,2
-
12
В объеме стеклопластика
13,44
-
13
В объеме стеклопластика
19,6
+
14
В объеме стеклопластика
27
+
15
отрыв образца от грибка
21,4
+
16
В объеме стеклопластика
22
+
17
отрыв образца от грибка
13,2
+
18
В объеме стеклопластика
23,8
+
Таблица 4
Результаты испытаний по определению кольцевой жесткости образцов труб
№ образца
Длина образца, мм
Усилие при деформации 5%, Н
Усилие разрушения, Н
Величина прогиба при разрушении
мм
%
1
170
990
До разрушения не доведен
-
-
2
300
2000
13000
178
55,65
3
300
1500
11000
185
57,81
4
300
1500
9750
185
57,81
5
300
1500
10500
195
60,94
Таблица 5
Жесткость и фактор жесткости образцов труб
№ образца
PS, kPa
SF
1
363
0,214
2
416
0,245
3
312
0,184
4
312
0,184
5
312
0,184