Стеклопластиковая щитовая труба для микротоннелирования, изготовленная методом непрерывной намотки армирующих наполнителей

Данная полезная модель относится к производству труб, в частности к трубам щитовым для микротоннелирования из термореактивных полимеров, армированных стекловолокном, и может быть применима в различных сетях водоотведения, водоснабжения, канализации, водопропуска и других. Заявленная полезная модель предназначена для бестраншейной прокладки трубопроводов различных инженерных сетей путем продавливания труб внутри грунта методами микротоннелирования, бурошнекового бурения, методом прокола, а также санации существующих трубопроводов.
Микротоннелирование - это бестраншейная технология, позволяющая осуществлять прокладку коммунальных подземных трубопроводов и трубопроводных систем разного диаметра без переноса городских застроек, автодорог, кабельных сетей и пр. по маршруту прокладки. Микротоннелирование наиболее эффективно при прокладке на расстояния до 1,5 км и на больших глубинах до 80 метров в условиях городской инфраструктуры. Технология микротоннелирования предлагает в оперативном режиме эффективные решения для замены, ремонта и прокладки подземных коммуникаций без создания транспортных коллапсов.
В качестве аналога, представлено техническое решение, выполненное в виде многослойного корпуса (патент на изобретение РФ №2112652, дата публикации: 10.06.1998), который содержит несколько слоев из смеси связующего и волокнистого наполнителя, взятых в различных соотношениях. Внутренний слой содержит углеродную ткань, а наружный - стекловолокнистый наполнитель и промежуточный слой. Внутренний слой образован намоткой слоев углеткани, пропитанной фенолформальдегидным связующим, промежуточный слой выполнен из термопластичного полимера, а наружный слой содержит стекловолокно, пропитанное эпоксидной смолой дианового типа с соотношением толщин слоев от 1 : 1 : (1-45) до 6 : 8 : (10-45) мм, причем корпус дополнительно снабжен защитными слоями из термопластичных полимеров, слоями терморегуляции и тепло- и электроизоляции, придающих корпусу новые эксплуатационные свойства.
Недостатками данного аналога является:
- конструктивная сложность изготовления, заключающаяся в использовании термопластичных полимеров в промежуточных слоях для уменьшения возможности расслоения;
- необходимость отдельного просушивания слоев;
- введение дополнительного слоя из термопластичного полимера для использования, в том числе в системах холодного водоснабжения;
- сварка термопластичных полимеров с обязательным провариванием слоев с помощью прикатывания сварочным роликом при температуре 145°С-155°С.
В качестве прототипа, представлено техническое решение, выполненное в виде трубы стеклопластиковой щитовой для микротоннелирования из армированных термореактивных полимеров, изготовленная методом непрерывной намотки армирующих наполнителей (патент на полезную модель РФ №173495, опубликованный 29.08.2017 Бюл. №25).
Достигаемый технический результат реализуется за счет того, что труба стеклопластиковая щитовая для микротоннелирования из армированных термореактивных полимеров, изготовленная методом непрерывной намотки, содержит несколько слоев из смеси связующего и волокнистого наполнителя, взятых в различных соотношениях. При этом содержит слои армирующих наполнителей, пропитанных связующим материалом на основе ненасыщенных полиэфирных или винилэфирных смол в растворе с ускорителем и отвердителем.
Основным недостатком прототипа является то, что при фрезеровке стеклопластиковая щитовая труба теряет свою несущую способность из-за снижения площади поперечного сечения, воспринимающего критические нагрузки при осевом сжатии во время продавливания. Это обусловлено отсутствием дополнительного формирующего промежуточного слоя, который брал бы на себя большую часть осевой нагрузки при продавливании и передал нагрузку на оставшиеся слои.
В предложенном к патентованию техническом решении в качестве связующего используется материалы на основе ненасыщенных полиэфирных (изофталевая, ортофталевая, бисфенольная, терефталевая) и винилэфирных смол в растворе стирола с ускорителем (раствор октоата кобальта в алифатическом эфире) и отвердителем (раствор пероксида метилэтилкетона или других пероксидов кетонной группы во флегматизаторе), в качестве армирующих наполнителей различные виды стекловолокна, базальтового волокна, иных волокон и изделий из них, и кварцевого песка.
Задача заявленного технического решения заключается в устранении недостатков известного из уровня техники аналога и прототипа.
Техническим результатом заявленного технического решения является повышение физико-механических свойств: обеспечивается надежная связь между слоями композита, снижается конструктивная сложность и исключается возможность расслоения за счет адгезионных свойств связующего и сквозной пропитки армирующих компонентов в слоях и слоев между собой связующим материалом внутри стенки трубы. Производство труб не требует дополнительных операций для соединения слоев стеклокомпозита.
Применение полиэфирной смолы в составе связующего и степень полимеризации композита 98% обеспечивает применение труб для питьевого водоснабжения.
Использование армирующих наполнителей, дисперсного наполнителя обеспечивает повышенную жесткость, химическую стойкость и герметичность труб.
В испытательной лабораториях «Московского государственного строительного университета» и Акционерного общества «Центральный научно-исследовательский институт специального машиностроения» были проведены исследования несущей способности стеклопластиковых щитовых труб, в зависимости от изменения состава структуры композита в площади поперечного сечения, воспринимающего критические нагрузки при осевом сжатии во время продавливания. Изменение состава структуры композита в площади поперечного сечения труб производилось при помощи фрезеровки торцов, предназначенных для муфтового соединения.
Испытания проводились на различных образцах стеклопластиковых щитовых труб для микротоннелирования, изготовленных методом непрерывной намотки армирующих наполнителей, состоящих из трех и более слоев.
Длина испытываемых образцов составляла 1500 см.
Испытания проводились как над одиночными образцами, так и над парными образцами, соединенными вместе муфтой.
Фрезеровка торцов, предназначенных для муфтового соединения, проводилась таким образом, чтобы внешний диаметр муфты, надетой на стеклопластиковую щитовую трубу, совпадал с внешним диаметром этой трубы. Главным отличием образцов является то, что фрезеровка торцов образцов, состоящих из пяти слоев, производилась путем удаления двух внешних слоев. При этом по меньшей мере три оставшихся слоя на обработанном торце были не затронуты. В случаях, когда образцы имели меньше пяти слоев, фрезеровка торцов производилась путем удаления одного внешнего слоя или одного внешнего и части последующего за ним слоя.
Таким образом образцы, состоящие из пяти слоев, после фрезеровки торцов, имели, так называемый, промежуточный армирующий слой, придающий дополнительную жесткость конструкции, позволяющий достичь лучших показателей несущей способности стеклопластиковых щитовых труб.
Часть образцов, состоящих из пяти слоев, имели обработанные торцы под соединительную муфту, на которые был нанесен защитный слой на основе полиэфирной смолы или винилэфирной смолы вместе с армирующими наполнителями. Толщина такого слоя рассчитывалась таким образом, чтобы труба плотно входила в муфту.
Данные испытаний представлены в материалах протоколов испытаний №К.783-21_1 от 03.12.2021, №К.783-21_2 от 03.12.2021, №К.783-21_3 от 03.12.2021, №К.783-21_4 от 03.12.2021, №К.783-21_5 от 03.12.2021, №К.783-21_6 от 03.12.2021, №К.783-21_7 от 03.12.2021, №К.783-21_8 от 03.12.2021,  №К.783-21_9 от 03.12.2021, выданных испытательным центром «Московского государственного строительного университета» и в материалах протоколов испытаний №93-321/2021 от 21.01.2021, №93-322/2021 от 22.01.2021, №93-323/2021 от 19.01.2021, №93-324/2021 от 20.01.2021, №93-325/2021 от 20.01.2021, №93-326/2021 от 22.01.2021, №93-327/2021 от 27.01.2021, №93-328/2021 от 27.01.2021, №93-329/2021 от 26.01.2021, №93-330/2021 от 27.01.2021, выданных Акционерным обществом «Центральный научно-исследовательский институт специального машиностроения».
Примеры результатов испытаний одиночных образцов представлены в Таблице 1.
Примеры результатов испытаний парных образцов, соединенных вместе муфтой представлены в Таблице 2.
№ образца
Количество слоев поперечного сечения
Ообщая длина образца, мм
Внешнийдиаметр,мм
Внутреннийдиаметр,мм
Диаметр фрезерованной области,мм
Модуль упругости образца,Мпа
Разрушающая нагрузка,кН
Максимальное напряжение сжатия,Мпа
Деформация при разрушении,%
1
3
1500
718,0
645,0
705,0
9270
3604,0
56,68
0,57
2
5
1500
717,3
639,5
699,5
9782
5756,5
91,23
0,65
Таблица 1.
№ образца
Количество слоев поперечного сечения
Ообщая длина образца, мм
Внешнийдиаметр,мм
Внутреннийдиаметр,мм
Диаметр фрезерованной области,мм
Модуль упругости образца,МПа
Разрушающая нагрузка,кН
Максимальное напряжение сжатия,МПа
Деформация при разрушении,%
1
3
3000
718,0
639,9
699,9
9457
3759
59,57
0,60
2
5
3000
717,7
639,4
699,3
8686
5017,1
79,66
0,7
Таблица 2.
После проведенного анализа результатов испытаний было выявлено, что лучшими показателями несущей способности обладают образцы, имеющие пять слоев поперечного сечения трубы.
Так же было выявлено, что наличие защитного слоя обработанных торцов под соединительную муфту позволяет обеспечить дополнительную защиту от агрессивной среды, что позволяет применять ее для бестраншейной прокладки трубопроводов водоснабжения, канализации и инженерных сетей различных назначений с увеличением срока эксплуатации стеклопластиковых щитовых труб для микротоннелирования, изготовленных методом непрерывной намотки армирующих наполнителей более 50 лет.
Технический результат достигается следующим образом. Труба стеклопластиковая щитовая для микротоннелирования, изготовленная методом непрерывной намотки армирующих наполнителей, содержит пять слоев, состоящих из армирующих наполнителей, дисперсного наполнителя и связующего, взятых в различных соотношениях и обработанные торцы под соединительную муфту содержат по меньшей мере три слоя.
При этом в качестве армирующего наполнителя могут выступать дискретные и непрерывные стеклоровинги и стекловуаль из химически стойкого стекловолокна.
При этом в качестве дисперсного наполнителя выступает кварцевый песок.
При этом обработанные торцы под соединительную муфту имеют защитный слой на основе полиэфирной смолы или винилэфирной смолы вместе с армирующими наполнителями.
При этом в состав связующего входят ненасыщенные полиэфирные или винилэфирные смолы в растворе с ускорителем и отвердителем.
При этом обработанные торцы под соединительную муфту имеют защитный слой на основе полиэфирной смолы вместе с армирующими наполнителями или винилэфирной смолы вместе с армирующими наполнителями или полиэфирной смолы или винилэфирной смолы.
Полезная модель характеризуется чертежами.
На фиг. 1 показан один из вариантов исполнения технического решения, в виде части стеклопластиковой щитовой трубы для микротоннелирования, изготовленной методом непрерывной намотки армирующих наполнителей, взятых в различных соотношениях, обработанные торцы под соединительную муфту имеют защитный слой на основе полиэфирной смолы.
На фиг. 2 показан разрез А-А.
На фиг. 3 показан один из вариантов исполнения технического решения, в виде части стеклопластиковой щитовой трубы для микротоннелирования, изготовленной методом непрерывной намотки армирующих наполнителей, взятых в различных соотношениях.
На фиг. 4 показан разрез Б-Б, где:
1- Первый слой
2- Второй слой
3- Третий слой
4- Четвертый слой
5- Пятый слой
6- Труба
7- Защитный слой
Стеклопластиковая щитовая труба (6) для микротоннелирования, изготовленная методом непрерывной намотки армирующих наполнителей, изготавливается на основе метода непрерывной намотки стекловолоконных армирующих наполнителей при одновременной пропитке связующим, с добавлением дисперсного наполнителя.
В качестве дисперсного наполнителя выступает кварцевый песок.
В качестве армирующих наполнителей выступают дискретные и непрерывные стеклоровинги и стекловуали из химически стойкого стекловолокна.
Процесс производства стеклопластиковой щитовой трубы (6) для микротоннелирования изготовленной методом непрерывной намотки армирующих наполнителей состоит из следующих основных этапов:
- изготовление труб (6) на намоточной машине по технологии непрерывной намотки на вращающейся оправке;
- механическая обработка труб (6) (распил на трубы заданной длины, подготовка посадочного места под муфту);
- обработка фрезерованных посадочных мест и торцов труб (6) полиэфирной смолой;
- гидравлические испытания готовых труб (6);
- установка муфты на трубу (6).
- гидравлические испытания готовых труб (6) с установленной муфтой;
Формообразующая оправка представляет собой каркас цилиндрической формы, на который по спирали, стык в стык, наматывается стальная лента, закольцованная путем сваривания противоположных концов с помощью специального оборудования.
Непрерывность работы оправки обеспечивается:
- осевым перемещением витков ленты по поверхности оправки с помощью толкателей в начале оправки;
- схода витков ленты в конце оправки через систему роликов в полость вала к началу оправки;
- укладка ленты через систему натяжения на начало оправки с помощью толкателей
Для получения заданных химических и физико-механических свойств трубы (6) соотношение и количество компонентов определяются технологическим регламентом (дизайном) на каждый вид трубы (6).
Стенка трубы (6) формируется следующим образом: на поверхность вращающейся оправки подаются компоненты в определенных соотношениях и последовательности. При этом дисперсный наполнитель, обеспечивает кольцевую жесткость, армирующий наполнитель, в виде дискретных стеклоровингов обеспечивает разнонаправленное армирование и удержание кварцевого песка в композите, армирующий наполнитель, в виде непрерывных стеклоровингов - кольцевое преднапряженное армирование, а связующее пропитывает все компоненты с последующей полимеризацией. Применяемые армирующие наполнители в разных слоях композита обеспечивают дополнительные химические и физико-механические свойства трубы (6).
За один полный оборот оправки происходит формирование одного слоя трубы (6) и перемещение его относительно следующего слоя в осевом направлении на ширину ленты оправки. Размер толщины стенки трубы (6) определяется количеством сформированных слоев, шириной зоны подачи сырья и количеством его подачи в единицу времени. Параметры связующего подбираются таким образом, чтобы пропитка слоев (с 1 по 5) происходила одновременно до начала полимеризации, что обеспечивает равномерную пропитку и адгезию между собой всех слоев (с 1 по 5).
Сформированная труба (6) перемещается по вращающейся оправке к зоне с инфракрасными нагревателями, в которой производится контроль полимеризации с помощью температурных датчиков.
При сходе с оправки, сформированная труба (6) перемещается на опорные столы с роликовыми направляющими, обеспечивающие вращательно-поступательное движение. После достижения заданной длины отрезка трубы (6) происходит его фрезеровка и отпиливание.
Фрезеровка части трубы (6) производится таким образом, чтобы были удалены четвертый слой (4) и пятый слой (5), при этом первый слой (1), второй слой (2) и третий слой (3) остаются не тронутыми. Фрезерованная часть трубы (6) образует обработанный торец под соединительную муфту.
На обработанные торцы под соединительную муфту наносится защитный слой (7) на основе полиэфирной смолы или полиэфирной смолы вместе с армирующими наполнителями, тем самым обеспечивается дополнительная защита трубы (6) от агрессивной среды и образуются обработанные посадочные места под муфту.
На остывшую трубу (6) с обработанными посадочными местами под муфту устанавливается муфта и проводятся гидростатические испытания.
Для стеклопластиковой щитовой трубы (6) для микротоннелирования, изготовленной методом непрерывной намотки армирующих наполнителей предусмотрен способ соединения с помощью стальной или стеклопластиковой соединительной муфты с уплотнителем, в зависимости от назначения, из эластомера на основе EPDM или иного, обеспечивающего долговечность и химическую стойкость, и определен вид использования - бестраншейная прокладка трубопроводов путем продавливания труб (6) внутри грунта.
Повышенная жесткость стеклопластиковой щитовой трубы (6) для микротоннелирования, изготовленной методом непрерывной намотки армирующих наполнителей, позволяет применять ее для бестраншейной прокладки трубопроводов водоснабжения, канализации и инженерных сетей различных назначений.
Примером технического исполнения стеклопластиковой щитовой трубы для микротоннелирования, изготовленной методом непрерывной намотки армирующих наполнителей, является созданная на заводе компании ООО «НТТ-Пересвет» стеклопластиковая труба, состоящая из пяти слоев, в состав которой входили армирующие наполнители, дисперсные наполнители и связующее, взятые в различных соотношениях.
Сначала была сформирована стенка трубы. На поверхность вращающейся оправки подавали компоненты в определенных соотношениях и последовательности.
За один полный оборот оправки происходило формирование одного слоя трубы и перемещение его относительно следующего слоя в осевом направлении на ширину ленты оправки. Размер толщины стенки трубы был определен количеством сформированных слоев, шириной зоны подачи сырья и количеством его подачи в единицу времени. Параметры связующего были подобраны таким образом, чтобы пропитка слоев происходила одновременно до начала полимеризации, что обеспечило равномерную пропитку и адгезию между собой всех слоев.
Сформированная труба была перемещена по вращающейся оправке к зоне с инфракрасными нагревателями, в которой производился контроль полимеризации композита с помощью температурных датчиков.
При сходе с оправки, сформированная труба была перемещена на опорные столы с роликовыми направляющими, обеспечивающие вращательно-поступательное движение. После достижения заданной длины отрезка трубы была произведена его фрезеровка и отпиливание.
Фрезеровка трубы производилась таким образом, чтобы были удалены два внешних слоя, при этом внутренние слои не были удалены. Были образованы обработанные торцы под соединительную муфту.
Обработанные торцы под соединительную муфту дополнительно обработали защитным слоем на основе полиэфирной смолы, тем самым обеспечили дополнительную защиту трубы от агрессивной среды.
Нанесение защитного слоя происходило таким образом, чтобы труба плотно входила в муфту.
На остывшую трубу с обработанными посадочными местами под муфту устанавливали муфту и проводили гидростатические испытания.
Характеристики стеклопластиковой щитовой трубы для микротоннелирования, изготовленной методом непрерывной намотки армирующих наполнителей, а также методы и результаты испытаний представлены в материалах протокола испытаний №93-321/2021 от 21.01.2021, выданного Акционерным обществом «Центральный научно-исследовательский институт специального машиностроения» и показаны в Таблице 3.
Количество слоев поперечного сечения
Ообщая длина образца, мм
Внешнийдиаметр,мм
Внутреннийдиаметр,мм
Диаметр фрезерованной области,мм
Модуль упругости образца,Мпа
Разрушающая нагрузка,кН
Максимальное напряжение сжатия,Мпа
Деформация при разрушении,%
5
1500
719,3
639,5
699,5
9272
5521,1
88,12
0,67
Таблица 3.
Выполнение и испытания образца показаны на рисунках:
На Фиг. 5 показан общий вид образца до проведения испытаний.
На Фиг. 6 показан образец, прошедший испытания и виден характер разрушения.
Разрушение стеклопластиковой щитовой трубы для микротоннелирования, изготовленной методом непрерывной намотки армирующих наполнителей произошло в результате смятия нижнего торца образца в месте обработанного торца под соединительную муфту.
Данные испытания показали, что представленный образец соответствует ожидаемым критериям увеличенного показателя несущей способности за счет наличия в стеклопластиковой щитовой трубе для микротоннелирования, изготовленной методом непрерывной намотки армирующих наполнителей пяти слоев, состоящих из армирующих наполнителей, дисперсного наполнителя и связующего, взятых в различных соотношениях, а также обработанных торцов под соединительную муфту, содержащих по меньшей мере три слоя.
Другим примером технического исполнения стеклопластиковой щитовой трубы для микротоннелирования, изготовленной методом непрерывной намотки армирующих наполнителей является созданная на заводе компании ООО «НТТ-Пересвет» стеклопластиковая труба, состоящая из пяти слоев, в состав которой входили армирующие наполнители, дисперсные наполнители и связующее, взятые в различных соотношениях.
Сначала была сформирована стенка трубы. На поверхность вращающейся оправки подавали компоненты в определенных соотношениях и последовательности.
За один полный оборот оправки происходило формирование одного слоя трубы и перемещение его относительно следующего слоя в осевом направлении на ширину ленты оправки. Размер толщины стенки трубы был определен количеством сформированных слоев, шириной зоны подачи сырья и количеством его подачи в единицу времени. Параметры связующего были подобраны таким образом, чтобы пропитка слоев происходила одновременно до начала полимеризации, что обеспечило равномерную пропитку и адгезию между собой всех слоев.
Сформированная труба была перемещена по вращающейся оправке к зоне с инфракрасными нагревателями, в которой производился контроль полимеризации композита с помощью температурных датчиков.
При сходе с оправки, сформированная труба была перемещена на опорные столы с роликовыми направляющими, обеспечивающие вращательно-поступательное движение. После достижения заданной длины отрезка трубы была произведена его фрезеровка и отпиливание.
Фрезеровка трубы производилась таким образом, чтобы были удалены два внешних слоя, при этом внутренние слои не были удалены. Были образованы обработанные торцы под соединительную муфту.
Обработанные торцы под соединительную муфту дополнительно обработали защитным слоем на основе полиэфирной смолы, тем самым обеспечили дополнительную защиту трубы от агрессивной среды.
Нанесение защитного слоя происходило таким образом, чтобы труба плотно входила в муфту.
На остывшую трубу с обработанными посадочными местами под муфту устанавливали муфту и проводили гидростатические испытания.
Характеристики стеклопластиковой щитовой трубы для микротоннелирования, изготовленной методом непрерывной намотки армирующих наполнителей, а также методы и результаты испытаний представлены в материалах протокола испытаний №93-329/2021 от 26.01.2021, выданного Акционерным обществом «Центральный научно-исследовательский институт специального машиностроения» и показаны в Таблице 4.
Количество слоев поперечного сечения
Ообщая длина образца, мм
Внешнийдиаметр,мм
Внутреннийдиаметр,мм
Диаметр фрезерованной области,мм
Модуль упругости образца,Мпа
Разрушающая нагрузка,кН
Максимальное напряжение сжатия,Мпа
Деформация при разрушении,%
5
3000
717,8
639,5
699,5
9257
4913,1
77,87
0,61
Таблица 4.
Выполнение и испытания образца показаны на рисунках:
На Фиг. 7 показан общий вид образца до проведения испытаний.
На Фиг. 8 показан образец, прошедший испытания и виден характер разрушения.
Разрушение стеклопластиковой щитовой трубы для микротоннелирования, изготовленной методом непрерывной намотки армирующих наполнителей произошло в результате смятия нижнего торца образца в месте обработанного торца под соединительную муфту.
Данные испытания показали, что представленный образец соответствует ожидаемым критериям увеличенного показателя несущей способности за счет наличия в стеклопластиковой щитовой трубе для микротоннелирования, изготовленной методом непрерывной намотки армирующих наполнителей пяти слоев, состоящих из армирующих наполнителей, дисперсного наполнителя и связующего, взятых в различных соотношениях, а также обработанных торцов под соединительную муфту, содержащих по меньшей мере три слоя.