БИПЛАСТМАССОВАЯ ТРУБА (ВАРИАНТЫ)

Область техники
Полезная модель относится к трубопроводной технике, а именно к области производства труб из пластических масс, используемых, преимущественно, на судах танкерного флота, предназначенных для перевозки наливных грузов. Суда танкерного флота среди всех типов грузовых судов по тоннажу перевозимых грузов занимают первое место. Основными видами грузов являются нефть и нефтепродукты, однако распространены и так называемые «химовозы», т.е. суда, в танках которых перевозятся кислоты, щелочи, удобрения и химические продукты для производства промышленных изделий. Важнейшим элементом танкера являются трубопроводы, которые обеспечивают погрузку и выгрузку грузов, очищение танков (пропаривание), нагрев груза для обеспечения его перекачки, пожаротушение, отопление, подачу пресной воды, балластировку судна и пр. Полезная модель может быть использована также в различных отраслях промышленности, где требуется высокая стойкость труб к агрессивным средам. При этом предлагается два варианта выполнения бипластмассовой трубы, различающихся материалом, из которого выполнен силовой слой трубы.
Уровень техники.
В настоящее время трубопроводы, преимущественно, изготавливаются из сталей, в т.ч. легированных, коррозия которых существенно снижает срок службы, а также надежность системы. Важнейшим фактором, отрицательно влияющим на эксплуатационные характеристики судна, как на транспортное средство, является масса танков и трубопроводов, в первую очередь, палубных.
С целью повышения надежности трубопроводов, увеличения срока их службы, а также улучшения экономических (грузоподъемность) и мореходных (скорость, остойчивость) характеристик танкеров все более широкое распространение находят трубопроводы из полимерных композиционных материалов (ПКМ) - стеклопластиков и стеклопластиков с футеровочным слоем из термопластов (бипластмассы). Бипластмассовые трубы для транспортировки нефтепродуктов, имеющие силовую оболочку из стекло- или базальтопластика, обладают исключительными физико-механическими свойствами, химической стойкостью и не имеют достойной альтернативы при создании трубопроводов, функционирующих в среде нефтепродуктов и морского климата. Рост объемов использования базальто- и стеклопластиков при создании коррозионностойких изделий объясняется их химической устойчивостью к большинству агрессивных сред, высокими, показателями физико-механических свойств, технологичностью переработки, надежностью в эксплуатации и возможностью их быстрого ремонта (см., например, Михайлин Ю.А. Конструкционные полимерные композиционные материалы. - СПб. Научные основы и технологии, 2008. с.822 или Альперин В.И. и др. Конструкционные стеклопластики. М. Химия, 1979. с.360)
Известны два основных направления создания коррозионностойких изделий с использованием стеклопластиков: 1. применение бипластмасс, в которых внутренний слой - футеровка обеспечивает требуемую герметичность и химическую стойкость изделия, а связанный с ним слой стеклопластика служит для обеспечения необходимой прочности и жесткости изделия; 2. применение только стеклопластиков на основе химически стойких связующих, стеклопластик одновременно обеспечивает коррозионную стойкость, прочность и жесткость изделия (см. Михайлин Ю.А. Специальные полимерные композиционные материалы. СПб. Научные основы и технологии. 2009, с.700 или Рогинский С.Л., Канович М.Э., Кастунов М.А. Высокопрочные стеклопластики. М. Химия, 1979. с.142). Многочисленные фирмы организовали выпуск труб и емкостей из стеклопластиков без футеровочного слоя, однако оказалось, что в связи с нестабильным качеством исходных материалов, гетерогенностью структуры стеклопластиков и недостатками технологии, изделия, выполненные из этих материалов, негерметичны при длительной эксплуатации и имеют пониженную, против ожидаемой, химическую стойкость. Поэтому был выбран путь создания коррозионностойких изделий из бипластмасс (Цыплаков О.Г. Конструирование изделий из композиционно-волокнистых материалов. - Л.: Машиностроение. Ленинградское отделение 1984. с.140).
Известна стеклопластиковая труба содержащая, по меньшей мере, два слоя стеклопластика, между которыми расположен слой связующего. Внутренняя поверхность трубы покрыта слоем фторкаучука (футеровочный слой). В слоях стеклопластика размещены металлические элементы, выполненные из коррозионно-стойкого металла и проходящие через указанные слои стеклопластика и слой фторкаучука (см. RU 2176349 С2).
Известна бипластмассовая труба, содержащая внутренний футеровочный слой, сформированный намоткой на дорн термопластичного материала с образованием Т-образных запорных колец, и несущий слой из стеклопластика, образованный намоткой стеклоткани, пропитанной фенолформальдегидной смолой с последующим отверждением смолы (см. RU 2263243 С1).
Известные по патентам RU 2176349 и 2263243 технические решения являются аналогами к первому варианту заявляемой полезной модели.
В качестве аналога ко второму варианту полезной модели принята композитная труба, содержащая внутренний слой (футеровочный) из полиолефина с последовательно нанесенными на него в виде оболочек слои из сэвилена, химического волокна, и силовой слой, выполненный из базальтопластика (см. RU 57864 U1)
В известных пластиковых трубах силовой несущий слой сформирован на основе стеклоткани или базальтоткани, что не позволяет получить готовое изделие с достаточной механической прочностью из-за возможности переломов и заминов полос ткани при намотке.. Кроме того, указанные выше известные пластиковые трубы не могут быть успешно применены в условиях действия высоких температур и пожароопасности, т.к. имеют малый предел огнестойкости, а также в условиях внешнего воздействия влаги, что ограничивает возможности их использования в трубопроводных системах на судах танкерного флота, предназначенных для перевозки наливных грузов, в том числе нефти и нефтепродуктов.
Раскрытие полезной модели
Предлагаемая полезная модель направлена на решение задачи по разработке конструкции трубы, которая может быть эффективно использована при формировании трубопроводных систем, работающих в указанных выше условиях.
Технический результат, достигаемый при реализации каждого из вариантов заявляемой полезной модели, заключается в повышении надежности и долговечности трубы с обеспечением безопасности ее работы в широком диапазоне температурного режима, в обеспечении высокой механической прочности и стойкости к внешним нагрузкам, в частности, внутреннего давления, возникающего при транспортировке внутри нее нефти, газа и других агрессивных сред, в повышении огнестойкости, и, как следствие достижения указанных выше эксплуатационных характеристик, в расширение области ее применения.
Для достижения указанного технического результата по первому варианту выполнения предлагается бипластмассовая труба, содержащая внутренний футеровочный слой из термопласта и охватывающий его несущий слой из стеклопластика. На несущий слой последовательно нанесены огнезащитный слой и слой влагозащитной краски на основе органического полимера. Футеровочный слой выполнен из поливинилхлорида, а несущий слой образован намоткой пропитанного эпоксидной смолой ровинга из волокна Е-стекла или из высокомодульного стекловолокна.
Бипластмассовая труба по второму варианту выполнения содержит внутренний футеровочный слой из термопласта и охватывающий его несущий слой из базальтопластика, при этом на несущий слой последовательно нанесены огнезащитный слой и слой влагозащитной краски на основе органического полимера. Футеровочный слой выполнен из поливинилхлорида, а несущий слой образован намоткой пропитанного эпоксидной смолой ровинга из базальтового волокна.
Полезная модель иллюстрируется чертежом, на котором показана конструкция предлагаемой трубы в разрезе.
Осуществление полезной модели
Предлагаемая бипластмассовая труба содержит внутренний футеровочный слой 1 из термопласта, охватывающий его силовой несущий слой 2 из стеклопластика (по первому варианту выполнения) или силовой несущий слой из базальтопластика (по второму варианту выполнения), огнезащитный слой 3, нанесенный на силовой несущий слой 2, и завершающий наружный слой влагозащитной краски 4, покрывающий огнезащитный слой 3.
Получение стеклопластикового силового слоя 2 трубы осуществляют методом спиральной «мокрой» намотки, используя ровинги (жгуты) из резаных стеклянных волокон. При использовании ровингов для получения силового слоя обеспечивается наивысшая степень реализации упруго-прочностных свойств соответствующего исходного волокна в материале. При намотке ровинга исключена возможность переломов и заминов, причем намотка ровинга может производиться под любым необходимым углом для придания определенной (варьируемой) схемы армирования при формировании несущего слоя. Перед намоткой ровинг пропитывают эпоксидной смолой, пропуская его через наполненную смолой ванну (т.е. под «мокрой» намоткой понимается намотка ровинга, поступившего в зону намотки непосредственно из зоны пропитки его смолой).
При формировании несущего слоя 2 из стеклопластика могут быть использованы: ровинг ЕС (из Е-стекла), например, марки ЕС13-1260Н (252) или ровинг намоточный из высокомодульного высокопрочного стекловолокна (ВМП), например, марки РВМПН-1260-78. При этом стекловолокно ВМП имеет преимущество, поскольку его прочность на растяжение в 1,4-1,5 раза выше прочности волокон из стекла марки Е. Модуль упругости волокон ВМП почти на 30% превышает аналогичный показатель волокон из стекла Е. Стеклопластики на основе волокон ВМП характеризуются одновременно высокими механическими и тепловыми свойствами, имеют увеличенный ресурс эксплуатации при многоразовом использовании при температуре до 600°С.
Силовой несущий слой 2 трубы из базальтопластика формируют методом «мокрой» намотки ровинга (жгута) из базальтовых волокон, обеспечивая перед намоткой пропитку ровинга из базальтовых волокон эпоксидной смолой. Для несущего слоя из базальтопластика может быть использован ровинг класса НРБ, например, марки НРБ13-1200-КВ12
В таблице 1 приведены характеристики ровингов, которые могут быть использованы при изготовлении намоткой предлагаемой бипластмассовой трубы.
Таблица 1
Наименование, марка
Линейная плотность, текс
Прочность при растяжении, МПа
Модуль упругости, ГПа
Замасливатель
Ровинг намоточный
270-4800
2200-2700
70-75
Силан
из волокна ЕС (Е) ЕС13-1260Н(252)
Ровинг намоточный из стекловолокна ВМП РВМПН-1260-7 8
420-2520
3900-4200
80-95
78 (силан)
Ровинг намоточный базальтовый НРБ 13-1200-KB 12
270-4800
2800-3200
85-90
Силан
Все приведенные в таблице 1 ровинги, как отмечалось выше, могут быть успешно использованы при изготовлении методом «мокрой» намотки оболочек бипластмассовых труб для нефтеналивных судов, при этом:
- требованиям экологичности и доступности в большей степени отвечают ровинги на основе стекла ЕС с силановым замасливателем;
- требованиям высокой прочности отвечают ровинги на основе стекла ВМП (S), но они достаточно дороги и ограничены в производстве;
- требованиям химической стойкости и высокого модуля упругости отвечают ровинги из базальтовых волокон, однако, они имеют нестабильные свойства, зависящие от применяемого сырья.
В Таблице 2 показаны технологические параметры выпускаемых серийно эпоксидных связующих, которые могут быть использованы для «мокрой» намотки ровингов при формировании силового несущего слоя предлагаемой трубы.
Таблица 2
- Технологические параметры и эксплуатационные свойства эпоксидных связующих для намотки труб
Технологические и
Марки связующих
эксплуатационные параметры
ЭТАЛ-50
ЭТАЛ-245
ЭТАЛ-670
ВСЭ-21
ВСЭ-15
ЭДТ-10
Количество компонентов
2
2
2
2
2
2
Вязкость, Па·с
при 20°С
-
-
-
-
-
7
при 50°С
0,35
0,3
0,7
0,15
0,65
0,4
Жизнеспособность, час
при 20°С
4
8
10
50
50
50
при 50°С
0,5
2
4
4
4
6
Режим отверждения, час
или
при80°С
4
-
-
-
-
-
при 110°С
-
2
-
-
-
-
-
при 120°С
-
-
1
2
2
8
-
при 130°С
2
-
-
-
-
-
-
при 150°С
-
2
3
-
-
-
-
при 160°С
-
-
-
4
4
-
3
Теплостойкость, °С
125
140
190
170
180
90
Водо-химостойкость
высокая
высокая
высокая
высокая
высокая
Средняя
Как видно из Таблицы 2 эпоксидные связующие имеют широкий диапазон технологических параметров, на основании анализа которых производится подбор эпоксидных связующих, имеющих достаточно высокую водо-химическую стойкость, обеспечивающую необходимую работоспособность стеклопластикового и базальтопластикового несущего слоя для предлагаемой трубы.
Разработчики и поставщики связующих марок: ЭТАЛ - ЗАО «ЭНПЦ ЭПИТАЛ», ЭДТ-10, ВСЭ - ФГУП ВИАМ.
Сведения по технологическим и физико-химическим свойствам частично взяты из источников [1-4], частично определены экспериментально. Вязкость связующих при различных температурах определялась на вибровискозиметре SV-10 фирмы A&D. Исследование жизнеспособности композиций и теплостойкости композиций осуществлялось динамическим механическим анализом на приборе DMA Q800 фирмы ТА Instruments по методикам [5].
Однако, следует обратить внимание, что все показанные в Таблице 2 марки эпоксидного связующего имеют температуру отверждения в интервале 120-160°С. Это существенно ограничивает выбор материала футеровочного слоя. В качестве такого материала предпочтение отдается такому термопласту как масло-химостойкий термопласт - поливинилхлорид (ПВХ), как материалу наиболее приемлемому к применению в трубопроводах, имеющих заявленную область использования (ПВХ не растворим в воде, устойчив к действию кислот, щелочей, спиртов, минеральных масел, стоек к окислению и практически не горюч. Для повышения теплостойкости ПВХ подвергается хлорированию).
На несущий силовой слой 2 трубы нанесен огнезащитный слой 3 огнестойкого покрытия, сформированного из огнезащитного состава Ферум-Вент. Состав не содержит органических растворителей и поэтому является пожаровзрывобезопасным. При воздействии огня покрытие вспучивается и образует негорючую пену с низкой теплопроводностью, которая образует корку, покрывающую всю трубу и защищающую другие слои. Огнезащитный слой выбирается из условия обеспечения адгезии стеклопластику и с температурой нанесения до 90°С, при которой не будет деформироваться футеровочный слой.
Наружным слоем заявляемой бипластмассовой трубы является слой 4 влагозащитной краски, прилегающий к огнезащитному слою 3. В качестве влагозащитной краски использована краска Ферум-АС на основе органического полимера.
Ниже приведен один из примеров конкретного выполнения бипластмассовой трубы, слои которой образованы следующими материалами:
- футеровочный слой из поливинилхлорида (ПВХ); после выдержки материала в рабочей среде в течение 28 суток химическая стойкость материала футеровочного слоя труб и фитингов характеризуется следующими показателями:
изменение разрушающего напряжения при изгибе, МПа, - 13%,
изменение массы образца, г, - 0,9%,
изменение линейных размеров, мм, - 0,28%;
- силовой несущий слой, образованный «мокрой» намоткой пропитанного эпоксидной смолой марки Этал-50 ровинга из высокомодульного волокна ВМ-1;
физико-механические характеристики материала силового слоя труб и фитингов соответствуют следующим показателям:
модуль упругости, МПа - 6·104,
разрушающие напряжения при растяжении, МПа - 1200,
разрушающие напряжения при межслойном сдвиге, МПа - 50,
плотность, кг/м3 - 200,
относительное удлинение труб:
при давлении 1,6 МПа - 0,033%, при давлении 2,4 МПа - 0,05%,
твердость наружной поверхности стеклопластика силового слоя - 200- 220 НВ,
ударная вязкость образцов без надреза материала силового слоя при 20°С - 3 кгс·м/см2, при - 20°С - 2 кгс·м/см2;
- огнезащитный слой на основе огнезащитного состава Ферум-Вент обеспечивает огнестойкость при температуре 1100°С;
- слой влагозащитной краски с использованием краски Ферум-АС;
эксплуатационные характеристики краски Ферум-АС:
атмосферостойкость, износостойкость, влаго-водостойкость, стойкость к действию масел, топлив, высокая эластичность пленки покрытия,
устойчивость к перепадам температур от - 600°С до+600°С,
при эксплуатации на улице не требует дополнительного покрывного слоя,
успешно эксплуатируется в условиях воздействии морской и пресной воды, пара, минеральных и нефтяных масел, бензина,
высокая адгезия к поверхностям большинства материалов.
Технология изготовления трубы сводится к следующему.
На жесткую оправку наносят антиадгезионный слой, например фторопластовую ленту, на котором формируют внутренний футеровочный слой трубы из поливинилхлорида (ПВХ). На футеровочный слой наносят силовой несущий слой путем намотки предварительно пропитанного эпоксидным связующим ровинга из стекловолокна и подвергают его термообработке с целью отверждения эпоксидного связующего. На полученный силовой слой последовательно наносят огнезащитный слой и слой влагозащитной краски.
Применение трубопроводных систем, разработанных на основе заявляемой полезной модели для судов танкерного флота по сравнению с существующими показателями позволит:
- повысить грузоподъемность на 30% и увеличит срок службы трубопровода в 2 раза;
- улучшить требования по экологичности в большей степени за счет применения ровингов на основе стекла ЕС с силановым замасливателем;
- улучшить химическую стойкость труб и фитингов к нефтепродуктам;
- улучшить физико-механические характеристики трубы;
- нанесение покрытия позволит обеспечить огнестойкость при температуре 1100°С.
Использованная литература:
1 Авиационные материалы, Том 7, часть 1 Полимерные композиционные материалы. Справочник / под ред. чл. корр. АНСССР А.Т.Туманова, ОНТИ ВИАМ, 1976.
2 Физико-механические свойства эпоксидных материалов и стеклопластиков. / Лапицкий В.А, Крицук А.А. - Наук. думка, 1986. - 96 с.
3 Эпоксидная композиция. Патент РФ RU2447104 от 05.10.2010 г., МПКС08К5
4 Инфрмация ЗАО «ЭНПЦ Эпитал», http://www.epital.ru/
5 Алексашин В.М., Александрова Л.Б., Матвеева Н.В., Машинская Г.П. Применение термического анализа для контроля технологических свойств термореактивных препрегов конструкционных материалов. Авиационная промышленность, 1997, №5-6, 38-43