ТРУБА ИЗ КОМПОЗИЦИОННО-ВОЛОКНИСТОГО МАТЕРИАЛА (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к созданию изделий из композиционных материалов, в частности герметичных изделий из армированных материалов, имеющих форму тел вращения, и может быть использована в различных отраслях техники, например, в химической, нефтехимической и авиационной.
Известны трубы из композиционных материалов с внутренним герметизирующим слоем (авт.св. 885680, опубл. 30.11.81). Однако в процессе эксплуатации таких труб герметизирующий слой может нарушаться под действием различных эксплуатационных факторов, например под действием гидроабразивного износа при наличии в транспортируемой жидкости твердой фазы.
По числу совпадающих признаков прототипом предлагаемой полезной модели является техническое решение согласно патенту №2221183 (опубл. 2004.01.10). По этому изобретению трубы из композиционно-волокнистого материала выполнены в виде чередующихся монослоев с поперечной продольной укладкой армирующего материала, пропитанного, например, термореактивным связующим, при этом в продольном направлении армирующий материал уложен зигзагом, вершины каждой петли зигзага зафиксированы прижимными стеклонитями, образуя косослойную продольно-поперечную структуру, при которой продольно и поперечно уложенный армирующий материал образует слоистую структуру, в которой каждый последующий монослой смещен относительно предыдущего в продольном направлении и по окружности, причем она состоит из внутреннего и наружного конструкционных слоев, разделенных барьерным слоем с повышенным содержанием связующего, толщина барьерного слоя
составляет 0,5-1 мм, а толщина внутреннего конструкционного слоя равна 25-40% от оставшейся толщины трубы, барьерный слой образован намоткой низкоплотной тканой или нетканой ленты или намоткой кольцевого ровинга. Организация многослойной конструкции благоприятно сказывается на надежности и долговечности конструкции. Наличие защитного слоя надежно предохраняет барьерный слой от непосредственного агрессивного воздействия транспортируемой жидкости. Благодаря послойной полимеризации отвержденное связующее в процессе изготовления трубы не перетекает из одного слоя в другой.
Недостатками труб, описанных в прототипе, является недостаточная надежность и долговечность в различных специфических условиях эксплуатации.
Во всех конструктивных элементах трубы по прототипу используется один и тот же вид связующего. Между тем, к различным слоям трубы предъявляются разные требования. Для защитного слоя необходимо, чтобы материал сопротивлялся агрессивному воздействию транспортируемой среды, как то: химическое, температурное, гидроабразивное или комбинированное воздействие разных факторов. Для барьерного слоя важно иметь повышенное относительное удлинение с тем, чтобы препятствовать появлению трещин. В наружном слое желательно обеспечить высокие прочностные показатели, чтобы обеспечить несущую способность трубы от воздействия внутреннего давления или изгибающим моментам, действующим на трубу. Кроме того, недостатком рассматриваемой конструкции является опасность отслоения защитного слоя от трубы в ее законцовках.
Технической задачей является создание конструкции трубы, обладающей повышенной надежностью и долговечностью в различных специфических условиях эксплуатации.
Получение указанного технического результата по первому варианту обеспечивается в трубе из композиционно-волокнистого материала,
содержащей внутренний и наружный слои с армирующим волокнистым материалом, пропитанным полимерным связующим, и располагаемый между ними барьерный слой с повышенным содержанием полимерного связующего.
В отличие от прототипа в предлагаемой полезной модели по первому варианту внутренний слой выполнен с применением связующего, обладающего повышенной стойкостью в контакте с транспортируемой средой, в барьерном слое применяется связующее, имеющее повышенное относительное удлинение, а наружный слой выполнен с применением связующего, обеспечивающего повышенные физико-механические свойства композиционно-волокнистого материала.
Получение указанного технического результата по второму варианту обеспечивается использованием защитной втулки в законцовке трубы. Указанный технический признак объединен единым замыслом с предыдущим признаком. Использование в защитном слое связующего, обладающего повышенными эксплуатационными свойствами в контакте с транспортируемой средой, позволяет увеличить надежность трубы при воздействии транспортируемой среды на ее внутреннюю поверхность. Однако при этом возникают проблемы сохранности материала на торцевой поверхности трубы, где образованы срезы всех слоев композиционно-волокнистого материала, находящихся в контакте с транспортируемой средой. В этом месте наряду с защитным слоем агрессивному воздействию среды (химическому, температурному или гидроабразивному), подвергаются барьерный и наружный слои, снижая тем самым надежность и долговечность конструкции.
Предлагаемым устройством по второму варианту решается задача повышения надежности и долговечности трубы путем организации дополнительной защиты ее торцевого среза. Для достижения указанного технического результата используется устройство трубы, содержащей внутренний и наружный слои с армирующим волокнистым материалом,
пропитанным полимерным связующим, и располагаемый между ними барьерный слой с повышенным содержанием полимерного связующего.
Отличительным признаком предлагаемой полезной модели по второму варианту по сравнению с устройством-прототипом является то, что на внутреннюю поверхность концевой части трубы насажена защитная втулка, содержащая бурт и выступающую в наружную сторону от торца трубы цилиндрическую поверхность, при этом бурт опирается на торец трубы, а наружная цилиндрическая поверхность имеет диаметр, соответствующий диаметру внутренней поверхности трубы.
При выполнении труб композиционно-волокнистых по первому варианту тип связующего в различных слоях трубы, выбирается в зависимости от специфических факторов воздействия транспортируемой среды. Для химически агрессивной среды в защитном слое выбирается связующее, обладающее повышенной химической стойкостью в этой среде. Для транспортировки теплоносителя применяется связующее, имеющее повышенную теплостойкость и гидролитическую устойчивость в контакте с транспортируемой средой. Для транспортировки жидкости, содержащей твердую фазу, используется связующее, имеющее высокую гидроабразивную стойкость в контакте с этой средой.
При выполнении труб композиционно-волокнистых по второму варианту для защитной втулки может применяться композиционно-волокнистый материал, аналогичный материалу защитного слоя трубы. Защитная втулка может быть также выполнена из другого материала, обладающего необходимыми эксплуатационными свойствами в контакте с транспортируемой средой. Например, для перекачки жидкости с твердой фазой может быть использован материал с высокой стойкостью от истирания, например, полиуретан или полифениленсульфид.
Благодаря наличию перечисленных отличительных признаков полезная модель по первому и второму вариантам по сравнению с прототипом имеет
более высокую надежность и долговечность в различных условиях эксплуатации.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежами.
На фиг.1 показана труба из композиционных материалов по первому варианту.
На фиг.2 показана труба из композиционных материалов по второму варианту.
Труба из композиционных материалов по первому варианту состоит из внутреннего слоя 1, барьерного слоя 2 и наружного конструкционного слоя 3.
Труба из композиционных материалов по второму варианту состоит из наружного конструкционного слоя 1, барьерного слоя 2, внутреннего слоя 3 и втулки 4. На чертеже также схематично показана муфта соединительная 5 и соединяемая труба 6.
Труба по первому варианту выполняется намоткой из композиционно-волокнистого материала с раздельным отверждением каждого слоя, исключающим перетекание связующего из одного слоя в другой. При этом связующее наружного слоя должно способствовать реализации высокой прочности композита. Связующее барьерного слоя должно иметь высокое относительное удлинение и приближаться по своим свойствам к резине. В том случае, если применяется эпоксидная диановая смола, то желательно производить ее модификацию путем введения в состав пластификаторов, например, дибутилфталата или эпоксидной алифатической смолы ДЭГ-1.
Связующее защитного слоя должно способствовать стойкости материала в специфических условиях эксплуатации. В зависимости от них оно должно иметь высокую химическую стойкость, повышенную теплостойкость или гидроабразивную стойкость. Например, в том случае, если основным эксплуатационным фактором, определяющим надежность и долговечность трубы, является высокая температура жидкости, то связующее защитного и барьерного слоя целесообразно модифицировать добавками, обеспечивающими их гидролитическую устойчивость в контакте с
жидкостью. К таким добавкам, относится, например, циклоалифатические смолы ДОДЦП. Для труб, служащих для перекачки жидкости, содержащей твердую фазу, необходимо обеспечить высокую гидроабразивную стойкость материала, контактирующего с этой жидкостью. Она может быть достигнута за счет введения в эпоксидное связующее защитного слоя модификаторов, повышающих ударную вязкость, адгезионную прочность и относительное удлинение при разных видах нагрузок. Именно эти характеристики во многом предопределяют износостойкость полимерного связующего, которое сопротивляется «бомбардировке» внутренней поверхности трубы твердыми частицами, содержащимися в перекачиваемой жидкости. Известна, например, модификация эпоксиолигомера полисиксолановыми, карбоксилсодержащими, уретановыми, полибутадиеновыми и другими видами каучуков. Введение в композицию тиокола повышает сопротивление удару в 5 раз, предельную растяжимость - в 5-10 раз.
Для перекачки агрессивных сред с высоким окислительным потенциалом, например, раствора азотной кислоты, для связующего композиционного материала защитного слоя и защитной втулки целесообразно использовать смолы на основе сложных диэфиров винилкарбоновых кислот, например, смол типа «Деракан», разработанных американской фирмой «Дау Кемикал».
Труба по второму варианту выполняется намоткой из композиционно-волокнистого материала с раздельным отверждением каждого слоя, исключающим перетекание связующего из одного слоя в другой. В трубе используется защитная втулка, которая является эффективной конструктивной мерой, препятствующей контакту торцевого среза трубы с транспортируемой средой, а также отслоению защитного слоя от композитной трубы. Защитная втулка, как правило, посажена на клеевой состав и опирается на торец трубы.
Примеры выполнения предлагаемой полезной модели для разнообразных условий эксплуатации по первому варианту приведены в таблице.
Условные обозначения в таблице материала связующего:
1. Эпоксидное связующее на основе диановой эпоксидной смолы ЭД-20 и ангидридного отвердителя ИзоМТГФА.
2. Эпоксидное связующее на основе диановой эпоксидной смолы ЭД-20 и аминного отвердителя Этал-370, модифицированное добавкой смолы ДОДЦП.
3. Эпоксидное связующее на основе диановой эпоксидной смолы ЭД-20 и ангидридного отвердителя ИзоМТГФА, модифицированное добавкой смолы Этал-181.
4. Эпоксидное связующее на основе диановой эпоксидной смолы ЭД-20 и аминного отвердителя Этал-370, модифицированное добавкой дибутилфталата.
5. Дивинилкарбоновое связующее на основе смолы Деракан-370 (производство США), инициатора ПМЭК (перекись метилэтилкетона) и ускорителя НК-2 (нафтенат кобальта).
6. Эпоксидное связующее на основе диановой эпоксидной смолы ЭД-20 и ангидридного отвердителя ИзоМТГФА, модифицированное добавкой тиокола.
Таблица
Транспортируемая среда
Материал связующего в конструктивных элементах трубы
защитныйслой
барьерный слой
наружный слой
Азотная кислота, концентрация 20%, температура 50°С
5
3
1
Вода, температура 115°С
2
4
2
Водопесчаная пульпа, температура 15°С
6
3
1
В предлагаемой полезной модели по второму варианту втулка выполнена из полиуретана СКУ-ПФЛ-100.
В организации ООО «Базальт-Инвест» проведены сравнительные испытания двух видов труб, применяемых для тепловых сетей, при температуре 135°С и давлении 0,6 МПа.
Ниже приведены результаты лабораторных испытаний шести образцов стеклопластиковых труб. Все они имели одинаковые геометрические и структурные параметры за исключением связующего защитного слоя:
- Внутренний диаметр 80 мм.
- Толщина стенки 3±0,15 мм, при этом толщина внутреннего защитного слоя 1 мм, толщина барьерного слоя - 0,3...0,4 мм, остальное - толщина конструкционного слоя.
- Длина образца 500 мм.
- Армирующий материал - стеклоровинг на основе волокон из стекла марки «Е», линейная плотность 420 текс.
- Связующее барьерного и наружного слоя на основе эпоксидной смолы ЭД-20 и аминного отвердителя Этал-370.
- Содержание связующего в защитном и конструкционном слоях - 28-32%, в барьерном слое - 70...80%.
- Соотношение продольной и поперечной арматуры 1:1,5.
В образцах 1, 2 и 3 защитный слой был образован с применением того же связующего, что и в других слоях (ЭД-20+Этал-370). В образцах 4, 5 и 6 связующее модифицировалось добавкой циклоалифатической смолы ДОДЦП (диэпоксид дициклопентадиена) в соотношении 67 весовых частей ДОДЦП на 100 весовых частей ЭД-20. Во время испытаний образец 1 был разрушен после 850 часов, образец 2 - после 670 часов и образец 3 - после 1020 часов воздействия перегретой воды. Образцы 4, 5 и 6 прошли успешные испытания без разрушения после воздействия перегретой воды в течение 4320 часов (в соответствие с программой испытаний). Указанное время соответствует шестимесячной эксплуатации тепловых сетей.
Полезная модель по второму варианту с использованием втулки выполненной из полиуретана СКУ-ПФЛ-100 прошла успешные испытания в образцах 4, 5 и 6.
Трубы, выполненные по обоим вариантам, имеют более высокую надежность и долговечность в различных условиях эксплуатации.