ГИБКИЙ РУКАВ

Полезная модель относится к гибким рукавам высокого давления диаметром не менее 100 мм для транспортировки многофазных жидкостей, воды с возможностью быстрого развертывания и эффективного использования. Многослойные гибкие рукава высокого давления могут найти применение в нефтедобыче и транспортировке нефтепродуктов, для нужд министерств обороны и чрезвычайных ситуаций, в горнодобывающей отрасли, для бункеровки судов в условиях необорудованного пирсом побережья, в том числе и по припайному льду при низких температурах, в сельском хозяйстве.
2
Известна многослойная гибкая труба (патент на полезную модель RU 65608 U1, МПК F16L 11/08, 2007 г.), содержащая внутренний, средний и наружный каркасные слои из резиноподобного материала, а также расположенные между каркасными слоями два слоя пересекающихся армирующих нитей, навитых под углом к оси трубы, между каждыми двумя нитями, навитыми в одном направлении, и двумя другими, навитыми в противоположном направлении, образуется четырехугольная ячейка, позволяющая соприкасаться каркасным слоям, площадь четырехугольной ячейки изменяется в пределах от 8 до 81 мм.
Недостатком указанной гибкой трубы является меньшая прочность под давлением, обусловленная использованием армирующих слоев выполненных из навитых армирующих нитей, и резиноподобного материала внутреннего, среднего и наружного слоев.
Известен трубопровод из гибкого плоскосворачиваемого рукава (патент на полезную модель RU 139597 U1, МПК F16L 11/04, 2014 г.), содержащий внутренний и внешний слои рукава и каркас рукава выполненный из нейлоновой нити методом бесшовного вязания, внутренний и внешний слои рукава выполнены из полиуретана полиэфирного методом экструзии, на концах рукава установлены наконечники, имеющие присоединительные поверхности и волнистую поверхность для герметизации и фиксирования концов рукавов на наконечниках посредством хомутов со стягивающими болтами.
Недостатком указанного рукава является меньшая прочность под давлением, обусловленная использованием однослойного армирующего каркаса на основе нейлона.
Известен трубопровод из гибкого плоскосворачиваемого рукава (патент на полезную модель RU 188068 U1, МПК F16L 11/127, 2019 г.), принятый за прототип, содержащий внутренний герметизирующий слой, двухслойный армирующий каркас бесшовного плетения, промежуточный слой, связующий плетеные слои каркаса, внешний защитный слой и монтажные наконечники, внутри плоскосворачиваемого рукава по всей длине двухслойного каркаса спиральным образом вшит антистатический медный провод, каркас трубопровода выполнен из крученого синтетического волокна на основе высокопрочного полиэстера, а внутренний, промежуточный и внешний слои трубопровода выполнены из термопластичного полиуретана методом двойной экструзии, на концах трубопровода установлены фланцевые наконечники с ребристыми поверхностями для герметизации и надежной фиксации концов плоскосворачиваемого рукава посредством затяжки обжимных хомутов.
Недостатками прототипа являются малая прочность и недостаточная надежность при рабочем давлении свыше 10 МПа, обусловленные использованием армирующего каркаса, выполненного из крученого синтетического волокна на основе полиэстера и неравномерностью нагружения слоев армирующего каркаса при выполнении его методом двухслойного бесшовного плетения, а так же необходимость антистатического провода.
Технический результат полезной модели заключается в создании высокопроизводительного гибкого рукава, обеспечивающего работу при продолжительном рабочем давлении 500 атм. и выше.
i
i+1
i
i+1
Технический результат достигается тем, что гибкий рукав, содержащий армирующий каркас, внутренний герметизирующий и внешний защитный слои, выполненные из термопластичного полиуретана методом экструзии, и монтажные наконечники, содержит n армирующих каркасов и (n-1) промежуточных слоев, связующих армирующие каркасы, где n≥2, каждый армирующий каркас соткан на круглоткацком станке из нитей основы, проходящих параллельно центральной оси рукава, выполненных из крученых нитей из полиэфирного волокна, и взаимно переплетенных с ними, проходящими поперечно к нитям основы по окружности рукава стальных канатов повышенной гибкости, при этом соседние армирующие каркасы соответствуют условию равномерности нагружения  где c и c - жесткости соседних армирующих каркасов по утку, R и R - средние радиусы соседних армирующих каркасов, i - порядковый номер армирующего каркаса, считая от внутреннего герметизирующего слоя, при этом второй и каждый последующий армирующий каркас сформирован на наружной поверхности затвердевшего предыдущего промежуточного слоя соосно с ним, промежуточные слои и внешний защитный слой получены последовательно экструзией через предыдущий соответствующему указанному слою армирующий каркас. Используют стальные канаты повышенной гибкости диаметром от 1,8 до 3,6 мм.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором приведено схематично изображен гибкий рукав многослойного гибкою трубопровода высокого давления.
1÷n
1÷(n-1)
1÷(n-1)
разр
Гибкий рукав, на концах которого установлены монтажные наконечники, содержит n армирующих каркасов 1, внутренний герметизирующий слой 2, (n-1) промежуточных слоев 3 связующих каркасы, и внешний защитный слой 4. Внутренний герметизирующий слой 2, промежуточные слои 3 и внешний защитный слой 4 выполнены из термопластичного полиуретана. Заявляемая конструкция применима для гибкого рукава высокого давления с внутренним диаметром не менее 100 мм, при относительно больших внутренних диаметрах (d≥300 мм) рукав помимо гибкости приобретает свойство плоскосворачиваемости. Использование не менее двух армирующих каркасов обеспечивает работу заявляемого трубопровода при продолжительном рабочем давлении в 500 атм. с высокой степенью надежности. Производительность рукава прямо пропорциональна рабочему давлению перекачиваемой жидкости. Количество армирующих каркасов определяют из условия обеспечения надежности с учетом радиуса рукава и требуемого внутреннего давления. Для чего по разработанной формуле (Степанов С.Г., Бахарев Б.А. Мобильные плоскосворачиваемые трубопроводные системы на основе композитов из синтетических нитей и уретановых связующих: назначение, устройство, проблемы проектирования и изготовления // Ключевые тренды в композитах: наука и технологии. Сб. материалов междунар. конференции по композитам. М., 2019. С. 713-719) рассчитывают разрывное внутреннее гидравлическое давление p для каждого из n армирующих слоев, а затем, суммируя полученные величины, получают значение разрывного давления для многослойного рукава трубопровода.
1÷n
i
i+1
i
i+1
Каждый армирующий каркас 1 рукава соткан на круглоткацком станке из нитей основы, проходящих параллельно центральной оси рукава, выполненных из крученых полиэфирных нитей, и взаимно переплетенных с ними стальных канатов повышенной гибкости, проходящих поперечно к нитям основы по окружности рукава. Расположение утка из стальных канатов повышенной гибкости по окружности его поперечного сечения обеспечивает заданную прочность армирующего каркаса рукава и трубопровода в целом, что подтверждено исследованиями. Каждый армирующий каркас представляет собой бесшовную однослойную трубчатую ткань полотняного, саржевого или иного главного переплетения, изготовленную на круглоткацком станке. По сравнению с армирующими каркасами трубопроводов - аналогов металлополимерная трубчатая ткань представляет собой более связную и прочную структуру за счет переплетения. В качестве нитей основы применены крученые нити из полиэфирных волокон, обладающих достаточной прочностью, что позволяет сохранить необходимые прочностные характеристики рукава и обеспечить его гибкость. В отличие от прототипа, где оба армирующих каркаса трубопровода выполнены из крученого синтетического волокна на основе полиэстера, в заявляемом рукаве взамен уточных нитей (нитей по окружности рукава) используются стальные канаты повышенной гибкости, удельная разрывная нагрузка которых несоизмеримо выше, чем у нитей на основе полиэстера. Свойство гибкости рукава обеспечивается при использовании стальных канат повышенной гибкости диаметром от 1,8 до 3,6 мм (ГОСТ 2172-80), а так же полиэфирных нитей вдоль рукава. Проведенные исследования подтвердили, что прочность рукава от действия внутреннего давления существенно зависит от прочностных характеристик уточных нитей. Использование вместо уточных нитей стальных канатов повышенной гибкости обеспечит многослойному трубопроводу требуемую прочность и надежность при действии высоких внутренних давлений перекачиваемой жидкости. Соседние армирующие каркасы должны соответствовать условию равномерности нагружения  где c и c - жесткости соседних армирующих каркасов по утку, R и R - радиусы соседних армирующих каркасов, i - порядковый номер каркаса, считая от внутреннего герметизирующего слоя. При армировании рукава несколькими металлополимерными каркасами, каждый следующий каркас имеет больший радиус по сравнению с предыдущим. Если армирующие каркасы имеют одинаковую структуру и выполнены из одного и того же материала (например, как в прототипе), то армирующий каркас большего радиуса менее нагружен. Это ведет к неравномерности распределения усилий по армирующим каркасам, нерациональному использованию и перерасходу материала каркаса, снижению прочностных свойств рукава (первым будет разрушаться более нагруженный каркас меньшего радиуса, что приведет после его разрушения к перераспределению давлений на оставшиеся армирующие каркасы, и как следствие к их разрушению). В связи с этим чрезвычайно важно подобрать жесткостные характеристики армирующих каркасов в окружном направлении так, чтобы это обеспечивало их равномерное нагружение. Таким образом, жесткость каждого последующего тканого каркаса в многослойном трубопроводе должна быть больше жесткости предыдущего в соответствии с соотношением их средних радиусов.
1÷n
1÷(n-1)
1÷n
1
1
1
1
2
1
1
(n-1)
n
n-1
n-1
n
Многослойный рукав с n армирующими каркасами 1, внутренним герметизирующим слоем 2, (n-1) промежуточными слоями 3 связующими армирующие каркасы 1, и внешним защитным слоем 4 получают путем n последовательных экструзии. Первый армирующий каркас 1 экструдером продавливают расплавленным (температурой около 200°С) полиуретаном с заполнением пространства между нитями основы и проложенным вместо уточных нитей стальным канатом, с образованием внутреннего герметизирующего слоя 2 и части первого промежуточного слоя 3, получая полиуретановую матрицу рукава с одним армирующим каркасом. Затем один конец сформированной полиуретановой матрицы рукава с одним армирующим каркасом с затвердевшей поверхностью первого промежуточного слоя 3 подают на круглоткацкий станок. Круглоткацкий станок формирует на наружной поверхности затвердевшего первого промежуточного слоя 3 соосно с ним второй армирующий каркас 1. Затем указанный рукав со сформированным вторым армирующим каркасом подают на экструзионную линию, где второй армирующий каркас экструдером продавливают расплавленным полиуретаном (температурой около 200°С) с заполнением пространства между нитями основы и проложенным вместо уточных нитей стальным канатом, с образованием полноценного первого промежуточного слоя 3 посредством прочной адгезией расплавленного полиуретана с затвердевшей полиуретановой поверхностью (либо с образованием монолитного слоя полиуретана в случае частичного расплавления поверхности части первого промежуточного слоя 3), и части второго промежуточного слоя, получая полиуретановую матрицу рукава с двумя армирующими каркасами. После чего аналогичные операции могут быть повторены до получения многослойной матрицы рукава с количеством армирующих каркасов равных n-1. Таким образом, второй и каждый последующий армирующий каркас сформирован на наружной поверхности затвердевшего предыдущего промежуточного слоя соосно с ним, а второй и каждый последующий промежуточный слой получены последовательно экструзией через предыдущий армирующий каркас. Один конец сформированной полиуретановой матрицы рукава с n-1 армирующими каркасами с затвердевшей поверхностью n-1 промежуточного слоя 3 подают на круглоткацкий станок. Указанный рукав со сформированным n-м армирующим каркасом подают на экструзионную линию, где n-й армирующий каркас 1 экструдером продавливают расплавленным полиуретаном (температурой около 200°С) с заполнением пространства между нитями основы и проложенным вместо уточных нитей стальным канатом, с образованием полноценного (n-1)-ого промежуточного слоя 3 прочной адгезией расплавленного полиуретана с затвердевшей полиуретановой поверхностью (либо с образованием монолитного слоя полиуретана в случае частичного расплавления поверхности части первого промежуточного слоя 3), и внешнего защитного слоя 4. Таким образом, внешний защитный слой 4 получен n-й экструзией через n-й армирующий каркас 1. На полученный многослойный гибкий металлополимерный рукав на концах устанавливают монтажные наконечники, например, фланцевые, контактирующие со стальными канатами повышенной гибкости, проложенными по окружности рукава, которые выполняют функцию антистатического провода.