ПОЛИМЕРНАЯ ТРУБА

Область техники
Полезная модель касается труб, в частности, предназначенных для использования в сетях водоснабжения, промышленных и коммунальных водоводов, хозяйственно-бытовой канализации и систем водоотведения. Преимущественно полезная модель может быть использована в трубах большого диаметра, например, с диаметром более 400 мм.
Предшествующий уровень техники
Известна полимерная труба, армированная путем намотки как минимум, двух, намотанных по спирали под одним и тем же углом, но в противоположных направлениях, синтетических нитей для повышения прочностных характеристик трубы (RU 12207, кл. МПК F16L 11/00, опубл. 16.12.1999 г.). Однако, такая труба не изготавливается диаметром более 250 мм, т.к. армирование труб большого диаметра путем намотки или переплетения нитей требует использования сложного дорогостоящего оборудования.
С учетом области применения и по совокупности признаков наиболее близким аналогом предполагаемой полезной модели является труба большого диаметра (WO 2005053933 кл. МПК B29C 47/10; F16L 9/16 опубл. 16.06.2005), содержащая внутренний слой, усиливающий слой спирально-намотанного на внутренний слой армирующего элемента из полимерного материала, смешанного с армирующим рубленым волокном и связующим, и наружный слой.
К недостаткам такой трубы относится ограничение прочностных характеристик трубы, а именно величины разрушающего давления трубы. Ограничение указанной величины, обусловлено неконтролируемой анизотропией прочности армирующего элемента в различных направлениях, приводящей к различию прочностных свойств трубы в осевом и радиальном направлениях. Кроме того, величину разрушающего давления трубы ограничивает возможность образования локальных участков трубы с пониженной прочностью, что, в свою очередь, обуславливает ограничение рабочего давления трубы.
Кроме того для изготовления такой трубы, а именно для изготовления армирующего элемента требуется специальное дорогостоящее экструзионное оборудование, устойчивое к жесткому абразивному износу.
Раскрытие полезной модели
Техническим результатом, достигаемым при создании настоящей полезной модели, является повышение величины разрушающего давления полимерной трубы. Разрушающее давление - это максимальное давление, при котором сохраняется герметичность трубы. Эта величина является одной из характеристик прочности полимерной трубы.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в полимерной трубе, содержащей внутренний слой, усиливающий слой в виде спирально-намотанного на внутренний слой армирующего элемента и наружный слой, армирующий элемент выполнен в виде армирующей сетки из нитей, скрепленных в местах пересечения и слоя полимера, контактирующего с сеткой;
Предпочтительно, нити сетки образуют ячейки одинаковой формы и размера по всей длине трубы;
Армирующая сетка может быть покрыта аппретирующим составом и погружена в контактирующий с сеткой слой полимера;
Усиливающий слой может быть снабжен, по крайней мере, одним дополнительным армирующим элементом.
Армирующие элементы могут быть распложены слоями, предпочтительно выполнение усиливающего слоя из армирующих элементов, расположенных в два слоя.
Возможно выполнение внутреннего слоя методом спиральной намотки, а также методом прямой экструзии из полиолефина. Предпочтительно, в качестве полиолефина используется полиэтилен высокой плотности.
Армирующая сетка может быть выполнена из нитей с удельной разрывной прочностью выше 40 г/текс. В качестве нитей армирующей сетки могут быть использованы стекловолоконные нити.
Возможно выполнение армирующей сетки из нитей с линейной плотностью 4800 текс по основе и 2400 текс по утку, предпочтительно, с одинаковым количеством нитей по основе и по утку.
Наружный слой может быть профилированным, например гофрированным, а также выполненным из профиля из навитых опорных шлангов, расположенных в один или два слоя. Возможно выполнение опорных шлангов из полипропилена, и покрытие их слоем полимерного материала.
Наружный слой может быть выполнен гладким, предпочтительно из полиолефиновой минералонаполненной композиции, например минералонаполненной композиции термо- и светостабилизированного сополимера пропилена.
Усиливающий слой может быть намотан под углом 84° к оси трубы.
Внутренний слой может быть выполнен гладким.
Предложенная конструкция полимерной трубы может быть использована в трубах диаметром 400 мм и более.
Описание чертежей
На Фиг.1 показан послойный продольный разрез предлагаемой полимерной трубы, включающей внутренний слой (1), усиливающий слой в виде спирально-намотанного на внутренний слой слоя армирующего элемента, выполненного в виде армирующей сетки из нитей (2), скрепленных в местах (7) пересечения, и контактирующего с сеткой слоя полимера (3), наружный слой (4), выполненный из навитых опорных шлангов (5), покрытых слоем полимера (6).
Места (7) пересечения нитей (2) показаны увеличено.
На фиг.2-6 показана структура стенки трубы в разрезе вдоль оси трубы в различных вариантах реализации:
Фиг.2 иллюстрирует полимерную трубу с профилированным наружным слоем с использованием одного слоя опорных шлангов.
Фиг.3 иллюстрирует полимерную трубу с профилированным наружным слоем с использованием двух слоев опорных шлангов.
Фиг.4 иллюстрирует пример полимерную трубу с гладким наружным слоем,
Фиг.5 иллюстрирует примерную трубу, в которой армирующие элементы уложены в два слоя.
На Фиг.6 показана труба, выполненная в соответствии с ближайшим аналогом. На данном чертеже позицией 2 показаны рубленные волокна.
Осуществление полезной модели
Полимерные трубы, состоящие из внутреннего и наружного слоев, способны выдерживать невысокое разрушающее давление. Включение в структуру трубы усиливающего слоя, спирально-намотанного на внутренний слой, позволяет повысить прочность трубы. Усиливающий слой в виде спирально-намотанного на внутренний слой армирующего элемента, изготовленного из полимера, наполненного рубленым волокном, позволяет увеличить величину разрушающего давления в 2-3 раза и обеспечить увеличение рабочего давления транспортируемой по трубе среды. Однако, анизотропия прочности армирующего элемента в различных направлениях, возникающая вследствие частичной ориентации рубленого волокна при изготовлении армирующего элемента, ограничивает возможность увеличения прочностных характеристик трубы. При изготовлении армирующего элемента путем экструзии полимера, смешанного с рубленым волокном, волокна преимущественно располагаются вдоль оси экструзии, т.е. вдоль оси армирующего элемента. При спиральной намотке такого армирующего элемента на внутренний слой армирующие волокна усиливают трубу преимущественно в поперечном (радиальном) направлении.
Однако при эксплуатации трубы, например в зонах с сейсмической активностью или в горной местности при прокладке трубы со значительным уклоном труба должна выдерживать повышенные механические нагрузки в осевом направлении.
Выполнение армирующего элемента в виде сетки из нитей, скрепленных в местах пересечения, позволяет повысить прочность трубы, как в радиальном, так и осевом направлении, в том числе прочность в осевом направлении может быть повышена до уровня прочности в радиальном направлении, что обеспечивает увеличение разрушающего давления трубы независимо от расположения трубы и особенностей условий эксплуатации.
В местах пересечения нити могут быть скреплены различными способами, например, склеены, переплетены, связаны. Скрепление нитей обеспечивает стабильность формы и размера ячеек сетки, что позволяет избежать появления участков, свободных от армирования, и, следовательно, ослабленных. Отсутствие этих участков повышает величину разрушающего давления трубы.
Использование сетки с одинаковой формой и размером ячеек по всей длине трубы обеспечивает равномерное распределение армирующих нитей по всей длине трубы, исключая появление ослабленных участков трубы и, таким образом, обеспечивая повышение величины разрушающего давления трубы., что, как показано выше, повышает величину разрушающего давления.
Слой полимера, контактирующий с сеткой, необходим для защиты сетки от механических повреждений, например разрывов, и для обеспечения постоянства позиционирования сетки в ходе технологического процесса изготовления трубы и в процессе эксплуатации трубы. Механическая защита сетки и ее четкое позиционирование обеспечивает повышение прочности трубы благодаря исключению ослабленных зон в армирующей системе и, в конечном итоге повышение величины разрушающего давления трубы.
Дополнительно увеличение величины разрушающего давления трубы обуславливается выполнением армирующего элемента в виде сетки, погруженной в контактирующий с сеткой слой полимера и сцеплением сетки со слоем полимера благодаря нанесению на сетку аппретирующего состава, что дополнительно обеспечивает монолитность трубы и исключает образование локальных ослабленных участков трубы.
Давление, которое выдерживает труба, а, следовательно, и величина разрушающего давления трубы определяется прочностью нитей, применяемых в сетке, и их числом. Для обеспечения повышения прочностных характеристик, в том числе величины разрушающего давления, армирующая сетка может быть выполнена, предпочтительно, из нитей с удельной разрывной прочностью выше 40 г/текс, например из стекловолокна. При этом усиливающий слой может быть выполнен из 2 слоев армирующего элемента. В этом случае достигается оптимальное соотношение прочности и стоимости трубы. Выполнение армирующего слоя из трех и более слоев армирующего элемента нежелательно, т.к. не ведет к существенному увеличению величины разрушающего давления трубы и, в то же время, сопровождается нежелательным увеличением толщины стенки трубы и расхода сырья.
Экспериментально показано, что выполнение армирующей сетки из нитей с линейной плотностью 4800 текс по основе и 2400 текс по утку с одинаковым количеством нитей по основе и по утку позволяет изготовить трубу, характеризующуюся разрушающим давлением 1,8 МПа при 1 слое армирующего элемента в усиливающем слое, и 2,3 МПа - при двухслойном исполнении усиливающего слоя. Таким образом, разрушающее давление трубы полезной модели превышает этот показатель для трубы, выполненной в соответствии с ближайшим аналогом, в 1,2-1,8 раз.
Использование в полезной модели внутреннего слоя, выполненного методом спиральной намотки, а также методом прямой экструзии из полиолефина, предпочтительно из полиэтилена высокой плотности, позволяет минимизировать толщину стенки трубы при сохранении величины разрушающего давления.
Выполнение наружного слоя профилированным, например гофрированным или с выполнением профиля из навитых опорных шлангов, например полипропиленовых, расположенных в один или два слоя обеспечивает высокую кольцевую жесткость трубы, что увеличивает сопротивление трубы воздействию внешних разрушающих факторов и обеспечивает высокий уровень разрушающего давления при длительной эксплуатации. Покрытие опорных шлангов наружного слоя полимерным материалом обеспечивает монолитность и повышает прочность трубы.
Выполнение гладкого наружного слоя из полиолефиновой минералонаполненной композиции, характеризуемой повышенной ударопрочностью, обеспечивает защиту трубы от механических повреждений при транспортировании, монтаже и эксплуатации и таким образом повышает общую прочность трубы.
Это обеспечивается также выполнением внутреннего слоя гладким, поскольку обеспечивает лучший контакт сетки с этим слоем, расположение нитей по всей длине трубы.
Реализация полезной модели может быть продемонстрирована на следующих примерах трубы.
Пример 1. Фиг.2
Полимерная труба, состоит из внутреннего слоя (1), слоя армирующего элемента, включающего армирующую сетку из нитей (2), погруженную в слой контактирующего с сеткой полимера (3), навитого на внутренний слой, и наружного профилированного слоя (4) из навитых в один слой опорных шлангов (5), покрытых слоем полиэтилена (6). Труба характеризуется разрушающим давлением 1,77 МПа
Пример 2. Фиг 3
Полимерная труба, состоит из внутреннего слоя (1), слоя армирующего элемента, включающего армирующую сетку из нитей (2), погруженную в контактирующий с сеткой слой полимера (3), навитого на внутренний слой, и наружного профилированного слоя (4) из навитых в два слоя опорных шлангов (5), покрытых слоем полиэтилена (6). Труба характеризуется разрушающим давлением 1,82 МПа
Пример 3. Фиг.4
Полимерная труба, состоит из внутреннего слоя (1), слоя армирующего элемента, навитого на внутренний слой, включающего армирующую сетку из нитей (2), контактирующий с сеткой слой полимера (3), и наружного гладкого слоя, из минералонаполненной композиции термо- и светостабилизированного сополимера пропилена. Труба характеризуется разрушающим давлением 1,50 МПа.
Пример 4. Фиг.5
Полимерная труба, состоит из внутреннего слоя (1), усиливающего слоя, выполненного из двух слоев армирующего элемента, включающего армирующую сетку из нитей (2), погруженную в слой контактирующего с сеткой полимера (3) и наружного профилированного слоя (4) из навитого в один слой опорного шланга (5), покрытого слоем полиэтилена (6). Труба характеризуется разрушающим давлением 2,33 МПа
Пример 5. Фиг.6
Полимерная труба, состоит из внутреннего слоя (1), армирующего элемента, изготовленного из полимера (3), наполненного рубленым волокном (2), навитого на внутренний слой, и наружного гладкого слоя. Труба характеризуется разрушающим давлением 1,25 МПа.
Приведенные примеры не исчерпывают всех вариантов выполнения полезной модели. Указанный технический результат достигается при различных комбинациях конструктивных элементов трубы, приведенных в формуле полезной модели. Например, наружный слой может быть выполнен в виде гофрированного профиля.
К достоинствам предлагаемой полезной модели следует также отнести сокращение расхода армирующих нитей в 2-4 раза по сравнению с прототипом. Так содержание стекловолокна в трубе, армированной рубленым стекловолокном (по прототипу) составляет 5-40%,. Содержание стекловолокна в трубе, армированной стеклосеткой - 3-10%.
Процесс производства трубы заключается в следующем:
Гранулированное сырье подается в экструдер при помощи дозатора. В форсуночной головке происходит разделение пластифицированного материала, поступающего из главного экструдера, на два потока. В первой форсуночной головке формируется лента - основа внутреннего слоя. Во второй форсуночной головке формируется лента для наружного слоя. В случае изготовления трубы с профилированным наружным слоем во второй форсуночной головке формируется гофрированная лента или происходит обволакивание опорного шланга материалом, предпочтительно черного цвета.
Вращающийся барабан предварительно разогревается с использованием газовых горелок, после чего на него наносится внутренний слой намоткой под уголом ~84°. Возможно нанесение на барабан внутреннего слоя путем прямой экструзии. Далее, с помощью специальной размоточной машины на внутренний слой укладывается армирующая сетка. На армирующую сетку предварительно может быть нанесен аппретирующий состав. Сетка сверху закрывается расплавом полиолефина, далее возможно нанесение второго слоя сетки, который также закрывается расплавом полиолефина. На слой полимера путем намотки наносится полипропиленовый опорный шланг в оболочке из черного материала или слой гладкого ленточного профиля из минералонаполненной композиции термо- и светостабилизированного сополимера пропилена. Армирующая сетка укладывается с натягом. Натяг необходим для обеспечения монолитность структуры.
По окончании процесса намотки трубы, барабан с трубой транспортируется при помощи кран-балки на станцию охлаждения и фрезерования. После охлаждения производится фрезерная обработка наружной поверхности раструба и спигота трубы.
Далее барабан с трубой транспортируется на станцию снятия трубы с барабана. Барабан складывается внутрь, а труба перемещается на станцию окончательной обработки. После снятия трубы барабан готов к дальнейшему использованию.
На станции конечной обработки производится доработка внутренней поверхности трубы, устанавливается закладной электронагревательный элемент, проводится контроль размеров и внешнего вида готового изделия.
Данная полезная модель может быть использована, в частности, в сетях межрегионального водоотведения при повышенном давлении. Увеличение рабочего давления трубы до 1,4-1,9 МПа позволяет увеличить производительность водовода в 1,3-1,4 раза.