КОМПОЗИТНАЯ ТРУБА

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Полезная модель относится к трубопроводной технике, в частности, к многослойным композитным термопластичным трубам с армированием волокнами, изготовленных методами экструзии, или формования, и/или намотки, применяемых в нефтяной и газовой промышленности используемых для транспортировки газообразных и жидко-образных веществ, при устройстве газовых и нефтяных скважин, и для ремонтных и спускоподъемных работ.
Другие области применения включают: транспортировку технологических газов, жидкостей, сред и суспензий, трубопроводные системы водоснабжения, отопления, газоснабжения, систем подачи сжатого воздуха, технологические трубопроводы судов и железнодорожного подвижного состава, систем противопожарного водоснабжения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Хорошо известны стальные трубы, используемые при эксплуатации газовых и нефтяных месторождений, для транспортировки газообразных и жидкообразных веществ, а так же для ремонтных и спускоподъемных работ.
В процессе эксплуатации стальные трубы подвергаются воздействию внутренних напряжений, возникающих в теле труб от различных силовых нагрузок, например, внутреннего давления транспортируемой среды и собственного веса. Действие внутренних напряжений усиливается коррозионными процессами под влиянием агрессивных компонентов в добываемых флюидах (смесь нефти, попутного газа, пластовой воды, сероводорода, углекислоты и т.п.) или нагнетаемой в нефтесодержащие пласты пластовой или речной воды. Действия силовых нагрузок и коррозионных процессов на металл труб часто носит противонаправленный характер, что обуславливает соответствующий характер мер, направленных на повышение долговечности и надежности труб.
Например, для восприятия больших нагрузок от внутреннего давления и веса труб необходимо увеличивать прочностные характеристики труб (предел текучести, предел прочности), что вызывает одновременное повышение твердости металла. Однако повышение твердости металла приводит к увеличению хрупкости, и значительному снижению его вязкости к разрушению, сопротивляемости коррозионным процессам по механизму сероводородного растрескивания.
Значительная шероховатость внутренней поверхности, обусловленная технологией изготовления горячекатаных труб, инициирует процессы асфальтосолепарафинистых отложений (АСПО) внутри НКТ, что сопряжено с необходимостью очистки труб от отложений, а следовательно и с увеличением затрат, связанных с обслуживанием трубопроводных систем.
Известны жесткие стальные насосно-компрессорные трубы, футерованные пластмассовой трубой RU 91129 U1 от 26.08.2009 г., F16L 9/14, F16L 57/00, F16L 58/00) которые состоят из металлической трубы и внутренней пластмассовой трубы, концы пластмассовой трубы закреплены относительно металлической трубы тонкостенными патрубками, имеющими наружные фланцы. Такая конструкция защищает трубу от коррозии, за счет существенно меньшей шероховатости поверхности пластмассовой трубы не происходят процессы асфальтосолепарафинистых отложений. Однако, этим трубам свойственны недостатки жестких стальных труб: большая масса; ограниченная длина отрезков труб, требует большого количества соединений, что приводит к уменьшению надежности и увеличению стоимости трубопроводных систем.
В последнее время все большее применение находят гибкие стальные трубы большой длины.
Известны гибкие стальные трубы, применяемые в нефтегазовой отрасли которые изготавливаются из непрерывной ленты из углеродистой или нержавеющей стали, сформованной в трубу и сваренной по краям. (US 4863091 от 05.09.1989 г., В21С 37/083, В21С 37/08, В23К 31/02 В23К 037/00, В23К 031/00. Гибкие стальные трубы выпускаются с различной длиной отрезков доходящих до 6000 и более метров намотанные в бухты. Это позволяет использовать эту трубу в искривленных скважинах, снижают затраты на транспортировку труб, ускоряет процесс спуска трубы в скважину. Однако, эти трубы подвержены коррозии, имеют большую массу, и характерная для всех стальных труб высокая шероховатость поверхности инициирует процессы асфальтосолепарафинистых отложений внутри насосно-компрессорной трубы. Кроме того, для изготовления этих труб используется дорогие сплавы, производимые ограниченным количеством производителей, что затрудняет распространение этих труб и тиражирование производственных комплесов для их производства.
Высокой стойкостью к коррозии и образованию отложений обладают полимерные трубы, но в однослойном варианте их не высокая стойкость к давлению не отвечает требованиям конечных потребителей нефтегазовой отрасли.
Известны гибкие полимерные трубы, выполненные из сплошного слоя полимерного материала, внутри которого размещены продольные армирующие элементы в виде металлической ленты, уложенные под углом 70-85 градусов к оси трубы, и поперечные армирующие элементы в виде двух противоположных повивов металлических проволок, имеющих форму спирали и угол повива к оси трубы 15-30 градусов (RU 2315223 С1 от 13.04.2006 г., F16L 11/08). Подобные трубы так же описаны в API Recommended Practice 17В, «Recommended Practice for Flexible Pipe», 3-е издание, март 2002 г., а также в API Specification 17J, «Specification for Unbonded Flexible Pipe», 2-е издание, ноябрь 1999 г. Такие трубы обладают высокой стойкостью к коррозии и образованию отложений. Однако, из-за армирования металлическими лентами и проволокой такие трубы имеют большую массу. Кроме того, отсутствие адгезии между стальным металлокордом и полимерной матрицей тела трубы также ограничивает возможность получения труб с высокой стойкостью к давлению, приводит к расслаиванию трубы, а проникновение через фитинговые соединения жидких сред из полости трубы до стального армирования по капиллярам на границе "проволока-полимер" подвергает поражению армирующую систему трубы по механизму "щелевой коррозии.
Известны гибкие трубы из композиционного материала в которых полимерная матрица композита выполнена из поперечно сшитого полиэтилена, а наполнитель - в виде внедренной внутрь матрицы объемной армирующей системы из высокопрочных непрерывных нитей из арамидного волокна, выполненной в виде комбинации продольных и расположенных под углом друг к другу и к оси трубы нитей, образующих несколько переплетенных спиралей (RU 171221 U1 от 13.03.2017, F16L 9/12). Подобные трубы обладают высокой стойкостью к коррозии и образованию отложений, обладают гибкостью. Однако, из-за отсутствия адгезии между армирующими нитями такие трубы имеют не высокую стойкость к давлению, в пределах 4,0…10,0 МПа.
Наиболее близким решением к настоящей полезной модели являются известные композитные термопластичные трубы (WO 1995/007428 от 16.03.1995 г., МПК В32В 1/08, В32В 27/08, F16L 9/128), описанные также в API Specification 15S, «Spoolable Reinforced Plastic Line Pipe», 2-е издание, март 2016 г.
Они представляют собой трубы, имеющие внутреннюю трубу, состоящую из термопластичного полимера на которую нанесен композитную слой, имеющий когезионного соединения с внутренней трубой, или в некоторых случаях на внутреннюю трубу без образования связи, наматывается полимерная лента, армированная однонаправленными волокнами.
Обычной проблемой этих труб является то, что соединение между полимерной лентой армированная однонаправленными волокнами и контактной поверхностью внутренней полимерной трубы, в случае близкой к оптимальной комбинации материалов является недостаточным, чтобы выдерживать нагрузки при установке и эксплуатации в жестких условия, которым подвергают трубы данного типа. Это, например, приводит к расслоению композитной термопластичной трубы в условиях быстрого снижением давления газа или под воздействием значительных изгибающих усилий. Поэтому в этих трубах предпринимаются попытки применять полимер одного типа для внутренней трубы, и композитной матрицы из полимерных лент армированных однонаправленными волокнами, (см., например, «Thermoplastic Composite Pipe: An Analysis And Testing Of A Novel Pipe System For Oil & Gas»; презентация J.L.C.G. de Kanter и J. Leijten на 17-й конференции ICCM в Эдинбурге, Великобритания, 2009 г. ). При этом для достижения высокой стойкости композитной трубы к давлению принимаются попытки применять для внутренней трубы и композитной матрицы из полимерных лент армированных однонаправленными волокнами один и тот же прочные полимеры с низкой вязкостью к разрушению, это приводит к образованию трещин в композитной матрице трубы особенно при низких температурах или под воздействием значительных изгибающих усилий.
Задачей настоящей полезной модели являются повышения гибкости и вязкости разрушения композитных термопластичных труб.
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Поставленная задача решается тем, что композитная труба, которая состоит из внутренней трубы из термопластичного полимера, окружающего ее композитного материала, состоящего из термопластичного полимера композитного материала и однонаправленных непрерывных армирующих волокон, и наружной полимерной оболочки, в которой внутренняя труба, композитный материал и наружная оболочка плавно сплавлены друг с другом посредством нагрева, отличающаяся тем, что композитный материал композитной трубы содержит по меньшей мере одну эластичную прослойку из термопластичного полимерного материала, модуль упругости которого меньше на 20…3600 Мпа, чем модуль упругости термопластичного полимера композитного материала, причем эластичная прослойка сплавлена с композитным материалом посредством нагрева.
Номинальное давление композитных (армированных) термопластичных труб всегда было основным требованием к техническим свойствам с точки зрения конечного пользователя.
Однако, в настоящее время, востребованы и другие существенные требования, которые конечные пользователи также ожидают от используемых ими композитных термопластичных труб.
Гибкость и способность противостоять разрушению композитных термопластичных труб имеют большое значение для конечных пользователей и в настоящее время являются наиболее востребованными техническими свойствами.
Точная целевая настройка эксплуатационных характеристик позволит производителям композитных термопластичных труб успешно продвигать новые предложения (решения) на рынке конечных пользователей, и поможет им получить конкурентное преимущество на рынке композитных термопластичных труб.
Для достижения высоких значений номинального давления композитных термопластичных труб предпринимаются попытки применять полимер одного типа для внутренней трубы, и композитной матрицы из полимерных лент армированных однонаправленными волокнами, (см., например, «Thermoplastic Composite Pipe: An Analysis And Testing Of A Novel Pipe System For Oil & Gas»; презентация J.L.C.G. de Kanter и J. Leijten на 17-й конференции ICCM в Эдинбурге, Великобритания, 2009 г.). При этом для достижения высоких показателей стойкости композитной армированной термопластичной трубы к давлению принимаются попытки применять в полимерной матрице композитного материала (слоя) трубы прочные связующие полимеры с высокими показателями модуля упругости и низкой вязкостью к разрушению (так же называемой трещиностойкостью).
В армированных полимерных матрицах прочность в существенной степени ограничены прочностными характеристиками связующего полимера и величиной связи между связующим полимером и армирующим наполнителем. Увеличение прочности связующего, в частности, приводит к малой стойкости изделий с армированными полимерными матрицами к возникновению и распространению трещин, вызывающих разрушения в межслойном пространстве под действием нормальных и тангенциальных нагрузок, возникающих в процессе эксплуатации изделий [1]. Еще до достижения критической нагрузки (нагрузки, при которой происходит начало роста макротрещины) зона поврежденности в многослойной армированной волокнами полимерной матрице с высоким значением модуля упругости связующего полимера может пересекать нескольких слоев композитного материала [2].
Образование трещин и микротрещин в композитной матрице трубы в конечном итоге приводит к разрушению трубы под воздействием высокого давления и/или под воздействием значительных изгибающих усилий (особенно при низких температурах окружающей среды).
Причем для достижения высокой стойкости к давлению, требуется увеличивать толщину композитного материала (слоя) трубы, а это дополнительно уменьшает вязкость разрушения композитной термопластичной трубы [3].
В настоящей полезной модели для увеличения вязкости разрушения (трещиностойкости) предлагается разделить композитный материал композитной термопластичной трубы по меньшей мере одним эластичным слоем (эластичной прослойкой) из термопластичного полимерного материала, модуль упругости которого меньше на 20…3600 Мпа, чем модуль упругости термопластичного полимера композитного материала. Это с одной стороны повышает вязкость к разрушению композитного материала композитной термопластичной трубы за счет уменьшения единичной толщины композитного материала трубы (слоев композитного материала). С другой стороны, позволит остановить разрастание трещин композитного материала на границе раздела фаз когезионно связанных слоев композитного материала трубы и прослойки(ек) из более эластичного полимерного материала, полимер которого имеет более низкий модуль упругости и более высокую вязкость разрушения чем термопластичный полимер композитного материала.
Также, другим механизмом повышения вязкости разрушения трубы является и отклонения первоначального направления развития трещин, образовавшихся в композитном материале, в эластичной прослойке из более эластичного полимерного материала, что вызывает потребление энергии (и, следовательно, увеличивает вязкость разрушения композитного материала) Фиг. 1, [4]. Например, исследование [5] показало высокую эффективность механизма увеличения вязкости разрушения за счет отклонения трещин в эластичных слоях многослойных композитных пластинах с полимерной матрицей на основе термореактивньгх эпоксидных смол.
Дополнительно прослойка(ки) из более эластичного термопластичного полимерного материала на основе полимера с более низким модулем упругости, чем полимер композитного материалам позволяет не только увеличить вязкость разрушения композитной термопластичной трубы, а также увеличить гибкость композитной термопластичной трубы в целом, особенно при эксплуатации трубы при низких температурах.
Наилучший результат реализации композитной термопластичной трубы по настоящей полезной модели может быть получен в вариантах, когда композитный материал композитной термопластичной трубы содержит (разделен) несколькими эластичными прослойками (слоями) из термопластичного полимерного материала, модуль упругости которого меньше на 20…3600 Мпа, чем модуль упругости термопластичного полимера композитного материала. В этом варианте композитная термопластичная труба состоит из внутренней полимерной трубы из термопластичного полимера и окружающей ее армирующей системы из чередующихся зон (слоев) композитного материала из термопластичного полимера композитного материала и однонаправленных непрерывных армирующих волокон с эластичными прослойками из термопластичного полимерного материала (полимера) с более низким (на 20…3600 МПа) модулем упругости, чем термопластичный полимер композитного материала.
Предлагаемая в настоящей полезной модели архитектура композитной термопластичной трубы во многом схожа со структурой скелета глубоководной губки Euplectella aspergillum, в котором слои кремнезема разделенные тонкими органическими слоями. Эти тонкие органические слои значительно увеличивают вязкость разрушения, и являются эффективным механизмом остановки, отклонения и нейтрализации трещин [4].
Причем композитный материал композитной трубы может состоять из по меньшей мере одного слоя из ленты толщиной от 5 до 1800 мкм из армированного однонаправленными непрерывными волокнами термопластичного полимера композитного материала, намотанной на внутреннюю трубу или предыдущий слой под углами от 0° до 90° к оси внутренней трубы, и по меньшей мере одного слоя из ленты толщиной от 5 до 1800 мкм из армированного однонаправленными непрерывными волокнами термопластичного полимера композитного материала, намотанной на внутреннюю трубу или предыдущий слой под углами от 90° до 180° к оси внутренней трубы
Использование в композитном материале термопластичной композитной труба спаренных и намотанных в противоположных направлениях симметрично относительно оси внутренней трубы слоев лент из армированного однонаправленными непрерывными волокнами термопластичного полимера композитного материала позволяет снизить вероятность образование расслоений, нарушения цельности композитного материала вследствие воздействия скручивающих напряжений (нагрузок) в композитной трубе.
Причем в композитной термопластичной композитной трубе по меньшей мере одна эластичная прослойка может быть расположена между двух слоев из лент из армированного однонаправленными непрерывными волокнами термопластичного полимера композитного материала, и сплавлена с этими двумя слоями ленты из армированного однонаправленными непрерывными волокнами термопластичного полимера композитного материала посредством нагрева.
Причем в композитной термопластичной композитной трубе по меньшей мере одна эластичная прослойка может быть расположена между внутренней трубой и слоем из ленты из армированного однонаправленными непрерывными волокнами термопластичного полимера композитного материала, и сплавлена с внутренней трубой и слоем ленты из армированного однонаправленными непрерывными волокнами термопластичного полимера композитного материала посредством нагрева.
При этом по меньшей мере одна эластичная прослойка композитной трубы может состоять из по меньшей мере одного слоя ленты из термопластичного полимерного материала толщиной от 5 до 1500 мкм, намотанной под углами от 0° до 180° к оси внутренней трубы на по меньшей мере один слой ленты из армированного однонаправленными непрерывными волокнами термопластичного полимера композитного материала.
Причем по меньшей мере одна эластичная прослойка композитной трубы может состоят из по меньшей мере одного слоя ленты из термопластичного полимерного материала толщиной от 5 до 1500 мкм, намотанной на внутреннюю трубу под углами от 0° до 180° к оси внутренней трубы.
В одним из вариантов композитной трубы по меньшей мере одна эластичная прослойка может состоять из по меньшей мере двух слоев лент из термопластичного полимерного материала эластичной прослойки толщиной от 5 до 1500 мкм, намотанных симметрично в противоположных направлениях относительно друг друга под углами 0°…180° к оси внутренней трубы на по меньшей мере один слой ленты из армированного однонаправленными непрерывными волокнами термопластичного полимера композитного материала.
В одном из возможных вариантов композитной трубы по меньшей мере одна эластичная прослойка может состоять из по меньшей мере двух слоев лент из термопластичного полимерного материала эластичной прослойки толщиной от 5 до 1500 мкм намотанных на внутреннюю трубу симметрично в противоположных направлениях относительно друг друга под углами 0°…180° к оси внутренней трубы.
Причем в композитной термопластичной трубе слои лент из армированного однонаправленными непрерывными волокнами термопластичного полимера композитного материала и слои лент из термопластичного полимерного материала эластичной прослойки могут быть намотаны на внутреннюю трубу или предыдущий слой под разными углами относительно друг друга в диапазоне от 0° до 180° к оси внутренней трубы.
Причем в термопластичной композитной трубе непрерывные однонаправленные армирующие волокна могут быть выбраны из группы волокон: стеклянные волокна, углеродные волокна, арамидные волокна, борные волокна, керамические волокна, базальтовые волокна, карбидокремниевые волокна, полиамидные волокна, волокна из сложного полиэфира, волокна из жидкокристаллического сложного полиэфира, полиакрилонитрильные волокна, волокна из полиимида, волокна из полиэфиримида, волокна из полифениленсульфида, волокна из полиэфиркетона, волокна из полиэфирэфиркетона, волокна из поликетона, волокнам из сверхмолекулярного полиэтилена.
При этом в термопластичной композитной трубе объемная доля армирующих однонаправленных непрерывных волокон в термопластичном полимере композитного материала составляет 15…93%.
Причем в термопластичной композитной трубе термопластичный полимер внутренней трубы, термопластичный полимер композитного материала и полимер наружной полимерной оболочки когезионно совместимы, и выбраны из группы полимеров: полиэтилен (РЕ, HDPE, LDPE), полиэтилен высокой (повышенной) термостойкости PE-RT (Polyethylene of Raised Temperature resistance), сополимер полиэтилена с октеном, сополимер полиэтилена с октеном-1, сополимер полиэтилена с гексеном, сополимер полиэтилена с гексеном-1, металлоценовый полиэтилен высокой плотности, полипропилен (РР, PP-R), сополимеры полипропилена, полибутен (РВ, РВ-1), сополимеры полибутена, поливинилхлорид (PVC, HPVC), акрилонитрил бутадиен стирол (ABS), полиамид (РА), полифталамид (РРА), полиэтиленнафталат (PEN), полиэтилентерефталат (PET), полибутиленнафталат (РВТ), фторполимер (PFA), фторэтилен-пропилен (FEP), поливинилиденфторид (PVDF), полифениленсульфид (PPS), полиэфирсульфон (PES), полифенилсульфон (PPSU), полиимид (PI), полиэфир имид (PEI), полиоксиметилен (РОМ), полиариленэфиркетон (РАЕК), полиэфирэфиркетон (РЕЕК, РЕК), поликетон (РК, Polyketon), а также смеси и композиции вышеперечисленных полимеров.
Причем в термопластичной композитной трубе термопластичный полимерный материал эластичной прослойки когезионно совместим с термопластичным полимером композитного материала и термопластичным полимером внутренней трубы, и выбран из группы полимеров: полиэтилен (РЕ, HDPE, LDPE, LLDPE), полиэтилен высокой (повышенной) термостойкости РЕ-RT (Polyethylene of Raised Temperature resistance), сополимер полиэтилена с октеном, сополимер полиэтилена с октеном-1, сополимер полиэтилена с гексеном, сополимер полиэтилена с гексеном-1, металлоценовый полиэтилен высокой плотности, полипропилен (РР, PP-R), сополимеры полипропилена, полибутен (РВ, РВ-1), сополимеры полибутена, поливинилхлорид (PVC, HPVC), акрилонитрил бутадиен стирол (ABS), полиамид (РА), полифталамид (РРА), полиэтиленнафталат (PEN), полиэтилентерефталат (PET), полибутиленнафталат (РВТ), фторполимер (PFA), фторэтилен-пропилен (FEP), поливинилиденфторид (PVDF), полифениленсулъфид (PPS), полиэфирсульфон (PES), полифенилсульфон (PPSU), полиимид (PI), полиэфир имид (PEI), полиоксиметилен (РОМ), полиариленэфиркетон (РАЕК), полиэфирэфиркетон (РЕЕК, РЕК), поликетон (РК, Polyketon), а также смеси и композиции вышеперечисленных полимеров.
В одном из предпочтительных вариантов термопластичной композитной трубы термопластичный полимерный материал по меньшей мере одного слоя ленты эластичной прослойки выбран из группы полимеров: полиэтилен повышенной термостойкости (PE-RT, Polyethylene of Raised Temperature resistance), сополимер полиэтилена с октеном, сополимер полиэтилена с октеном-1, сополимер полиэтилена с гексеном, сополимер полиэтилена с гексеном-1, металлоценовый полиэтилен высокой плотности, поливинилиденфторид.
Причем в композитной термопластичной трубе термопластичный полимерный материал эластичной прослойки может содержать армирующие однонаправленные непрерывные волокна в объемной доли 3…40%.
Причем в композитной термопластичной трубе термопластичный полимерный материал эластичной прослойки может содержать армирующие однонаправленные непрерывные волокна в массовой доли 3…50%.
При этом, в композитной термопластичной трубе однонаправленные непрерывные армирующие волокна эластичной прослойки выбраны из группы волокон: стеклянные волокна, углеродные волокна, арамидные волокна, борные волокна, керамические волокна, базальтовые волокна, карбидокремниевые волокна, полиамидные волокна, волокна из сложного полиэфира, волокна из жидкокристаллического сложного полиэфира, полиакрилонитрильные волокна, волокна из полиимида, волокна из полиэфиримида, волокна из полифениленсулъфида, волокна из полиэфиркетона, волокна из полиэфирэфиркетона, волокна из поликетона, волокнам из сверхмолекулярного полиэтилена.
В одном из предпочтительных вариантов термопластичной композитной трубы в качестве термопластичного полимера внутренней трубы, полимерной оболочки и термопластичного полимера композитного материала выбран термопластичный полимер с модулем упругости 800…1600 МПа (например, полиэтилен высокой плотности HDPE), и в качестве термопластичного полимерного материала эластичной прослойки выбран термопластичный полимер с модулем упругости 350…780 МПа (например, полиэтилен повышенной термостойкости (PE-RT) распространенных мароками Dowlex 2344, Dowlex 2388, Dowlex 2377, Dowlex 2355 - производитель Dow Chemical; DX800 - производитель SK Corporation; XP9000, XP9020 - производитель Daelim; SP980, SP988 - производитель LG Chem; PE6PP-34 - производитель ЛУКОЙЛ; ELTEX TUB220-RT - производитель INEOS, XRT-70 - производитель TOTAL).
Для получения композитной термопластичной трубы с улучшенными температурной стойкостью и гибкостью в одном из предпочтительных вариантов термопластичной композитной трубы в качестве термопластичного полимера внутренней трубы, полимерной оболочки и термопластичного полимера композитного материала выбран термопластичный полимер с модулем упругости 500…850 МПа (например, например, полиэтилен повышенной термостойкости (PE-RT) распространенных мароками Dowlex 2344, Dowlex 2388, Dowlex 2377 - производитель Dow Chemical; DX800 -производитель SK Corporation; XP9000, XP9020 - производитель Daelim; SP980, SP988 - производитель LG Chem; PE6PP-34 - производитель ЛУКОЙЛ; ELTEX TUB220-RT - производитель INEOS, XRT-70 - производитель TOTAL); и в качестве термопластичного полимерного материала эластичной прослойки выбран термопластичный полимер с модулем упругости 250…480 МПа (например, полиэтилен повышенной термостойкости (PE-RT) марки Dowlex 2355 - производитель Dow Chemical).
Для получения композитной термопластичной трубы в одном из вариантов термопластичной композитной трубы в качестве термопластичного полимера внутренней трубы, полимерной оболочки и термопластичного полимера композитного материала выбран термопластичный полимер с модулем упругости 6500…9700 МПа (например, полиэфирэфиркетон (РЕЕК) марок ustaPEEK GF (9700 МПа), SustaPEEK CF (6500 Мпа) - производитель Roechling); и в качестве термопластичного полимерного материала эластичной прослойки выбран термопластичный полимер с модулем упругости 4000 МПа (например, полиэфирэфиркетон (РЕЕК) марок SustaPEEK - производитель Roechling), Victrex PEEK - производитель Victrex, Gehr PEEK - производитель. Gehr, TecaPEEK - производитель Ensinger, Ketron PEEK - производитель Quadrant).
Так же для получения композитной термопластичной трубы в одном из вариантов термопластичной композитной трубы в качестве термопластичного полимера внутренней трубы, полимерной оболочки и термопластичного полимера композитного материала выбран термопластичный полимер с модулем упругости 4000 МПа (например, полиэфирэфиркетон (РЕЕК) марок SustaPEEK - производитель Roechling), Victrex PEEK - производитель Victrex, Gehr PEEK - производитель. Gehr, TecaPEEK - производитель Ensinger, Ketron PEEK - производитель Quadrant); и в качестве термопластичного полимерного материала эластичной прослойки выбран термопластичный полимер с модулем упругости 900…1350 МПа (например, поликетон (РК) марок Poketone M630F (1350 МПа), Poketone M730F (1200 МПа), Poketone M710F (900 МПа) - производитель Hyosung).
Причем внутренняя труба из термопластичного полимера термопластичной композитной трубы может быть изготовлена методами экструзии.
Причем композитный материал, состоящий из термопластичного полимера композитного материала и непрерывных однонаправленных армирующих волокон может быть изготовлен методами намотки с натяжением на внутреннюю трубу и/или на эластичную(ые) прослойку(и) слоев лент из армированного непрерывными однонаправленными волокнами термопластичного полимера композитного материала, которые плавно сплавлены между собой, с наружной поверхностью трубы, и эластичной прослойкой путем нагрева поверхностей трубы и лент до температуры размягчения по Вика или до температуры расплавления до образования гомогенного соединения между наружной поверхностью внутренней трубы, с прилегающим слоем лент (слоев) композитного материала из армированного непрерывными однонаправленными волокнами термопластичного полимера композитного материала между собой, и слоем (ями) эластичной(х) прослойки(ек).
Причем эластичная прослойка из полимерного материала может быть изготовлена методами намотки с натяжением на слой(и) композитного материала и/или на наружную поверхность внутренней трубы слоев лент из полимерного материала эластичной прослойки, которые плавно сплавлены между собой и с поверхностями композитного материала и/или внутренней трубы путем нагрева поверхностей лент эластичной прослойки, композитного материала трубы и внутренней трубы до температуры размягчения по Вика или до температуры расплавления до образования гомогенного соединения между поверхностями слоя(ев) эластичной(ых) прослойки(ек) и слоев композитного материала, иили поверхностью внутренней трубы.
Причем наружная полимерная оболочка композитной термопластичной трубы может быть изготовлена методами экструзии путем экструдирования на предварительно нагретую до температуры размягчения по Вика или расплавления наружной поверхности композитного материала.
Причем наружная полимерная оболочка термопластичной композитной трубы также может быть изготовлена путем термоусадки на предварительно нагретую до температуры размягчения по Вика или расплавления наружной поверхность композитного материала готовой полимерной оболочки (защитной трубы).
Причем для изготовления термопластичной композитной трубы по настоящей полезной модели могут быть использованы готовые, изготовленные промьппленным способом, ленты композитного материала и ленты эластичной прослойки с использованием армирующих волокон и полимеров перечисленных в настоящей полезной модели. В настоящее время ленты (препеги) из полимерных материалов, и термопластичных полимеров и однонаправленных непрерывных армирующих волокон (UD tapes) широко представлены на рынке. Например, UD ленты компаний Тогау Advanced Composites (США), BUFA Thermoplastic Composites GmbH & Co. KG (Германия), TOPOLO (Китай).
Причем для изготовления термопластичной композитной трубы по настоящей полезной модели ленты композитного материала и ленты эластичной прослойки с использованием армирующих волокон и полимеров, перечисленных в настоящей полезной модели, могут быть изготовлены промьппленным способом с помощью существующего промышленного оборудования. Например, промышленное оборудование для производства лент (препегов) из непрерывных однонаправленных армирующих волокон и термопластичных полимеров предлагают компании: KraussMaffei (Германия), GPM Machinery (Китай).
При этом для изготовления лент (препегов) из непрерывных однонаправленных армирующих волокон и термопластичных полимеров могут быть использованы термопластичные полимеры, перечисленные в настоящей полезной модели, и волокна, также перечисленные в настоящей полезной модели с поперечным сечением волокон, выбранным из группы: круглым, прямоугольным, овальным, эллиптическим или коконообразным.
Причем для намотки и сплавления слоев лент, армированных непрерывными волокнами композитного материала и лент эластичной прослойки трубы из полимерных материалов композитной термопластичной трубы, может быть использовано существующее промьппленное оборудование. Например, промышленное оборудование для намотки слоев лент армированных непрерывными волокнами предлагают компании: KraussMaffei (Германия), Fartrouven R&D (Португалия), GPM Machinery (Китай).
ТЕХНИЧЕСКИЙ РЕЗУЛЬТАТ
Технический результат настоящей полезной модели:
- увеличение вязкости разрушения (трещиностойкости) композитных термопластичных труб;
- увеличение гибкости композитных термопластичных труб.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг. 1 показано фото отклонения микротрещины в мягкой прослойке скелета глубоководной губки.
На Фиг. 2 показана принципиальная схема композитной термопластичной трубы состоящей из внутренней трубы, окружающего ее композитного материала, разделенного эластичными прослойками.
ПРИМЕР ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Как показано на Фиг. 2 композитная труба состоит из внутренней трубы из термопластичного полимера 1, окружающего ее композитного материала 2 разделенного эластичными прослойками 3, и полимерной оболочки 4, которые сплавлены по граничащим поверхностям.
Композитная термопластичная труба изготавливается в три этапа, которые реализуются последовательно либо в одной производственной линии, либо на трех отдельных производственных линиях (производственных участках).
1-ый этап включает изготовление внутренней трубы из термопластичного полимера методом экструзии.
2-ой этап включает намотку с натяжением на внутреннюю трубу лент из армированного однонаправленными непрерывными волокнами термопластичного полимера композитного материала, и лент из термопластичного материала эластичной прослойки. При этом наружная поверхность внутренней трубы сплавляются с граничащей поверхностью армированных лент композитного материала. При этом армированные ленты композитного материала и ленты эластичной прослойки сплавлены между собой путем нагрева. Если композитный материал и эластичная прослойка состоят из нескольких слоев лент, то они также послойно сплавляются между собой путем нагрева. Сплавление слоев термопластичной композитной трубы производится при нагреве до температуры размягчения по Вика или температуре расплавления полимеров, из которых состоят армированные ленты и полимера внутренней трубы.
3-ий этап включает нанесение на граничащую внешнюю поверхность композитного материала, нагретого до температуры размягчения по Вика или температуры расплавления термопластичного полимера композитного материала, наружной полимерной оболочки методом экструзии, или путем термоусадки готовой полимерной оболочки (трубы).
Устройство работает следующим образом:
Возникающий под воздействием внутреннего давления транспортируемых сред или под воздействием изгибающих нагрузок рост трещин в композитном материале термопластичной композитной трубы останавливаются на границе раздела с полимерным материалом эластичной прослойки, или возникающие в композитном материале трещины отклоняются от первоначального направления в эластичной прослойке потребляя энергию. Тем самым повышается (трещиностойкость) вязкость разрушения термопластичной композитной трубы.
Дополнительно, благодаря тому, что эластичные прослойки состоят из термопластичного полимерного материала, модуль упругости которого меньше на 20…3600 Мпа, чем модуль упругости термопластичного полимера композитного материала, увеличивает гибкость композитной трубы.
Предложенное устройство является промыт ленно применимыми с помощью существующих технических средств. (Планируется начать серийное производство в 1 кв. 2020 г.)
Специалисту в данной области техники должно быть очевидно, что в настоящей полезной модели возможны разнообразные модификации и изменения. Соответственно, предполагается, что настоящая полезная модель охватывает возможные модификации и изменения, а также их эквиваленты, без отступления от сущности и объема полезной модели, раскрытого в прилагаемой формуле полезной модели.
Литература
1. В.А. Большаков, В.И. Солодилов, Р.А. Корохин, С.В. Кондратов, Ю.И. Меркулова, Т.П. Дьячкова. Исследование трещиностойкости полимерных композиционных материалов, изготовленных методом инфузии с использованием различных концентратов на основе модифицированных УНТ. УДК 678.8:620.1, Труды ВИАМ №7(55) 2017, с. 79-89. http://viam-works.ru/ru/articles?art_id=1131
2. В.Е. Юдин, A.M. Лексовский. Вязкоупругость полимерной матрицы и разрушение теплостойких волокнистых композитов. Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 5, с. 944. https://joumals.ioffe.ru/articles/3838
3. Броек Д. Основы механики разрушения / Пер. с англ. М.: Высшая школа, 1980. - 368 с.
4. A. Woesz, J.C. Weaver, М. Kazanci, Y. Dauphin, J. Aizenberg, D.E. Morse, P. Fratzl, Micromechanical properties of biological silica in skeletons of deep-sea sponges, J. Mater. Res. 21 (2006) 2068-2078.
5. Yokozeki Т., Iwahori Y., Ishibashi M. et al. Fracture toughness improvement of CFRP laminates by dispersion of cup-stacked carbon nanotubes // Composites Science and Technology. 2009. Vol. 69. P. 2268-2273.