close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

10593.Техника и технология производства полимерных труб и соединительных деталей.

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«Казанский государственный технологический университет»
В.И. Кимельблат, И.В. Волков
ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА
ПОЛИМЕРНЫХ ТРУБ И СОЕДИНИТЕЛЬНЫХ
ДЕТАЛЕЙ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
Казань
КГТУ
2007
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УДК 678.74.21
В.И. Кимельблат, И.В. Волков Техника и технология производства полимерных труб и соединительных деталей: учебное
пособие/ сост.: В.И. Кимельблат, И.В. Волков. – Казань: Изд-во
Казан. гос. технол. ун-т – 2007. – 220с.
ISBN 978-5-7882-0444-4
Представлены сведения о современном состоянии техники и
технологии производства полимерных труб и соединительных
деталей, тенденциях его развития и актуальных новациях. Рассмотрены вопросы организации производства и методы контроля.
Предназначено для студентов всех форм обучения по направлению 240500 – Химическая технология высокомолекулярных
соединений и полимерных материалов, изучающих дисциплины
«Полимерные композиционные материалы», «Основы переработки полимеров», «Новейшие технологии переработки полимеров».
Может представлять интерес для аспирантов, научных сотрудников, инженеров, технологов и руководителей предприятий.
Подготовлено на кафедре «Химии и технологии переработки эластомеров».
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Казанского государственного технологического университета
Рецензенты: зав.каф. ТСМИК, д-р. техн. наук,
проф. В.Г.Хозин (Казан. гос. архит.-строит. ун-т)
зав.каф. «Основы конструирования», д-р. техн. наук,
проф. А.М.Арасланов (Казан. гос. технич. ун-т)
© Кимельблат В.И., Волков И.В., 2007
© Казанский государственный
технологический университет, 2007
2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И
СОКРАЩЕНИЯ
А – амплитуда автоколебаний напряжения сдвига после высокоэластического срыва (кПа);
Aр – расчетные значения амплитуды автоколебаний напряжения
сдвига, Aр=f(η12, D) (кПа);
БМП – бимодальный полиэтилен высокой плотности;
ГПХ – гельпроникающая хроматография;
ДПП – длительная пластическая прочность;
ДХП – длительная хрупкая прочность;
ДЦР – длинноцепная разветвленность;
ММ – средние молекулярные массы, Mn, Mw, Mz,, Mz+1 (г/моль);
ММР – молекулярно-массовое распределение;
ПТР, ПТР2.16, ПТР5, ПТР21.6 – показатель текучести расплава
при 190°С и соответствующих нагрузках (г/10мин.);
ПЭ, ПВД, ПНД - полиэтилен высокого и низкого давления;
РДР – «релаксация давления расплава», условное название метода изучения молекулярной подвижности в расплавах
полимеров;
D – разбухание экструдата при γ& =120 c-1 (%);
F – функция падения давления, измеряемая в МПа, если F= Р(t),
и безразмерная величина, если F= Р(t)/ Р0;
Н, H(τ)– спектральная функция РДР, измеряемая в МПа, если
F= Р(t), и безразмерная величина, если F=Р0;
MRS - минимальная длительная прочность, основная характеристика материала полимерных труб (МПа);
Р, Р(t), Р0 – давление, текущее давление, давление в цилиндре
капиллярного вискозиметра до остановки движения поршня (МПа);
Т – температура, (°С);
t – безразмерное время, полученное делением текущего времени
наблюдения, измеренного в секундах, на t0= 60 с;
α – степень кристалличности;
γ& – скорость сдвига (с-1);
3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
γ&
н
– скорость сдвига начальная, в момент остановки движения
поршня (с-1);
γ& – скорость сдвига при начале высокоэластического срыва (с-1);
γ&ср – значения γ& , рассчитанные по уравнению γ& = f (η ) (с-1);
∆ γ& – допустимые отклонения экспериментальных значений
γ& от расчетных γ&ср (с-1);
с
сp
с
12
с
с
ε – относительное удлинение при разрыве (%);
η, η0 – вязкость, наибольшая ньютоновская вязкость (кПа×с);
η12 – вязкость при γ& =12c-1,(кПа×с);
τ – время релаксации, (подобно t, безразмерное);
τn ,τw ,τz ,τz+1 – характерные времена релаксации (безразмерные);
τР – долговечность образцов под нагрузкой;
τс – долговечность сварных соединений под нагрузкой;
τСд – напряжение сдвига (кПа);
ρ – плотность, кг/м3;
Т – температура, К (°С);
Тр – температура размягчения (°С);
Тс – температура стеклования (°С);
Твэ – температура высокоэластичности (°С);
Тпл – температура плавления (°С);
σт – предел текучести, МПа;
ε – относительное удлинение, %;
Е – модуль упругости нормальный, МПа;
MRS – минимальная длительная прочность;
ММ – молекулярная масса;
ММР – молекулярно-массовое распределение;
ПТР – показатель текучести расплава, г/10 мин.;
АБС – акрило-бутадиенстирольный полимер;
ЛПЭНП – линейный полиэтилен низкой плотности;
НПВХ – непластифицированный ПВХ;
ПА – полиамид;
ПВХ – поливинилхлорид;
4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ПК – поликарбонат;
ПП – полипропилен;
ПСП – полиэтилен средней плотности;
ПСУ – полисульфон;
ПУ – полиуретан;
ПФС – полифениленсульфон;
ПЭТФ – полиэтилентерефталат;
СВМПЭ – сверхвысокомолекулярный полиэтилен;
СЭВА – сополимер этилена с винилацетатом (СЭВИЛЕН);
ФТ – фторопласт.
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ВВЕДЕНИЕ
Полимерные трубопроводные системы по многим монтажно–эксплуатационным и, соответственно, экономическим показателям значительно превосходят традиционные трубопроводы.
Применение полимерных труб является магистральным направлением технического прогресса в области сооружения трубопроводных систем различного назначения. Как показывает мировая практика, в высокоразвитых странах полимерные трубы
уже вытеснили традиционные трубы из ряда сфер применения.
Для России полимерные трубопроводы особенно важны по
целому ряду причин, в частности, ввиду износа коммунальных и
промышленных сетей, и их применение стремительно расширяется.
Трубопроводные системы являются основным оборудованием и, следовательно, капиталом предприятий газораспределения, водного хозяйства, коммунальных служб и важным компонентом технологических структур промышленных предприятий.
Традиционные технологии строительства и ремонта трубопроводов из металлов, железобетона, керамики, асбоцемента и
стекла требуют значительных финансовых и временных затрат,
не соответствуют современным экологическим требованиям.
Наблюдаемые за последние 20 лет и в особенности современные тенденции развития структуры потребления полимеров
свидетельствуют о благоприятных возможностях дальнейшего
расширения применения полиолефинов в производстве труб.
Объемы производства полиолефинов прогрессируют в основном, благодаря их химической стойкости, малой плотности и
хорошей технологичности. Безопасность полиолефинов для организма человека, а также простота переработки отходов дают
им преимущества в конкуренции с другими полимерами, в первую очередь ПВХ.
Преимущества полиолефинов, обусловленные химической
6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
природой, могут быть в полной мере реализованы при оптимальной молекулярной и надмолекулярной структурах, которые
должны соответствовать назначению изделий.
В данном пособии основное внимание уделено наиболее
важным для России трубам из полиэтиленов низкого давления.
По нашему мнению, неверно рассматривать трубы изолировано, не акцентируя внимания на способах соединения и соединительных деталях. Только надежная техника и технология
соединений гарантирует эффективность трубопроводной системы. Поэтому производству соединительных деталей и сварке
полиолефинов, как завершающей стадии технологии переработки, уделено надлежащее внимание.
Большие, постоянно растущие объемы производства полимерных труб и деталей в России не в полной мере объясняют
актуальность этого сектора переработки полимеров для его особо глубокого изучения
Постоянно растущие технические требования к полимерным трубам является мощным стимулом развития полимерной
науки и технологии.
Создание новых эффективных полимерных труб является
одним из наиболее значимых и поучительных примеров решения материаловедческих задач. При этом исследователи и технологи движутся путем интегрирования физико-химических
теорий о молекулярной и надмолекулярной структурах полимеров с актуальными положениями механики полимеров, новых
идей в области катализа синтеза полимеров, достижений химической технологии синтеза полимеров, дизайна композиций и
технологии переработки.
Планируемый срок службы полимерных труб составляет
многие десятилетия, их преждевременное разрушение очень
опасно. В частности весьма ответственны газопроводы и технологические трубопроводы. Поэтому технологии их производства
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
требуют более высокого технического уровня, чем многие другие процессы пластпереработки.
При освоении материалов настоящего пособия студентам
будут полезны доступные учебники и пособия более широкого
профиля, например [1-4]. Специалистам, вероятно, важнее окажется информация, почерпнутая из периодики и рекламных материалов.
Глава 6 настоящего пособия написана совместно с С.П. Веселовским.
Библиографический список
1. Власов, С.В. Основы технологии переработки пластмасс:
учебник для вузов/ С.В. Власов [и др.].- М.:Химия, 2004. 600 с.
2. Крыжановский, В.К. Производство изделий из полимерных
материалов. Учеб. пособие/ В.К. Крыжановский [и др.]. СПб.: Профессия, 2004. - 464 с.
3. Бортников, В.Г. Производство изделий из пластических
масс: Учебное пособие для вузов в трех томах:
Т.1. Теоретические основы проектирования изделий, дизайн и
расчет на прочность. Казань: Изд-во «Дом печати», 2001. С.246.
Т.2.Технология переработки пластических масс. Казань: Изд-во
«Дом печати», 2002. - С. 399.
Т.3 Проектирование и расчет технологической оснастки. Казань: Изд-во «Дом печати». 2004 - С. 311.
4. Крыжановский, В.К. Технические свойства полимерных материалов./ Учеб.- справ. пособие./ В.К. Крыжановский[и
др.].- СПб.: Профессия, 2003. – 240 с.
8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ
ПРОИЗВОДСТВА ПОЛИМЕРНЫХ ТРУБ
Первые полимерные трубы были изготовлены в начале
ХХ в. [1], однако до середины ХХ в. потребности промышленности удовлетворялись в основном за счет металлических труб,
преимущественно стальных, а также чугунных. В настоящее
время развитые страны уже завершают процесс перехода на
трубы из пластмасс во всех сферах применения, где это возможно, исходя из параметров транспортируемой среды. В европейских странах удельный вес стальных труб не превышает 20-30%.
Объем производства полимерных труб в различных регионах мира является отражением уровня технического и экономического развития. Табл. 1.1 и 1.2 показывают рост потребления
пластиковых труб за последние десятилетия, и дают примерный
прогноз до 2010г. [2].
Таблица 1.1. Потребление пластиковых труб по регионам мира в
тыс.т и годовой рост
в%
Регион
Всего
Западная
Европа
Восточная
Европа
Африка
Ближний
Восток
Япония
Азия
Северная
Америка
Южная
Америка
1990 г.
1045
Рост, (%)
9.1
2000 г.
2494
Рост, (%) 2010г
.
7.2
4980
395
6.6
750
5.9
1330
80
8.4
180
6.7
345
20
11.6
60
5.8
105
25
13.7
90
7.8
190
70
95
1.8
14.3
84
360
1.8
12.3
100
1150
335
10.4
900
5.9
1600
25
10.8
70
8.6
160
9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Согласно прогнозу, составленному в 2005 г., в 2006 г. общий объем мирового рынка труб составил 78 млрд. долл., из них
39% приходится на трубы из ПВХ, 20% - из ПЭ, а на стальные
трубы – 11%. [3]
Таблица 1.2. Распределение потребления полиэтиленовых труб
в Западной Европе по областям применения в тыс. т и годовой рост
в%
Назначение
Всего
Питьевая вода
Отвод сточных
вод
Газ
Кабельные
оболочки
Отопление
Другое
1990 г. Рост, %
395
6.6
2000 г. Рост, %
750
5.9
2010 г.
1330
70
12.1
220
5.3
370
75
10
195
7.7
410
110
1.3
125
3.7
180
30
11
85
3.5
120
45
65
-5.7
4.4
25
100
4.8
7.7
40
210
При оценке данных табл. 1.1 и 1.2 следует иметь в виду, что
в высокоразвитых странах, газораспределительные и водохозяйственные сети в настоящее время практически все являются полимерными, и рост потребления полимерных труб происходит, в
основном, за счет строительства новых объектов. В странах с развивающейся экономикой, в первую очередь, в Китае, темпы роста
применения полимерных труб особенно высоки.
Доля России в Восточноевропейском объеме производства
труб составляет меньше 20%, значительно уступая долям Турции и Польши. Такое отставание обусловлено ошибками планирования экономики СССР и кризисными явлениями в экономике
России. Недостаточный объем производства и потребления полимерных труб недопустим по экономическим причинам и особенно досаден специалистам, которые еще 50 лет назад обеспе-
10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
чили надлежащий технический уровень решения проблем и задач в этой сфере.
Первые экспериментальные полимерные трубы были изготовлены и использованы в СССР еще в середине 50-х годов ХХ в.
Научная школа, созданная Д.Ф. Каганом, обеспечивала надлежаще высокий, для того времени, уровень научно-технических
решений в области производства полимерных труб. Однако партийно-правительственные органы страны не восприняли мировых тенденций и взяли курс на увеличение производства стальных труб. Ошибочность этой политики стала ясна в конце 70-х
годов, когда было обнаружено, что половина новых стальных
труб расходуется на ремонт существующих трубопроводов. Тогда были приняты решения о развитии производства трубных
марок ПЭ и ПВХ, а также строительстве новых крупных трубных заводов, в частности производства труб из ПВХ (НПО Пластик, Москва) и крупнейшего в Европе производства труб и фитингов из ПНД (ПО Казаньоргсинтез).
В 80-е годы в СССР производство пластмассовых труб
росло настолько быстро, что можно было говорить о качественном скачке. С 1979 по 1982 гг. мощности по производству труб
выросли с 30 тыс. т до 100 тыс. т, причем основной вклад внес
Казанский трубный завод, освоивший производственные мощности в 50 тыс. т. в год по выпуску труб диаметром от 10 до
1200 мм. Экономические катаклизмы 90-х годов приостановили
бурный рост производства полимерных труб, но несомненно, по
мере выхода экономики России из кризиса рост объемов производства полимерные труб будет ускоряться.
В период 1995-2000 гг. произошло увеличение доли производства полимерных труб в России по отношению к металлическим, как за счет увеличения производства полимерных труб,
так и за счет сокращения объема производства металлических
труб, упавшего с 1990 по 1995 гг. в 5 раз (с 25 до 5млн.т) [4].
11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Тем не менее, отрыв России от высокоразвитых стран по
абсолютным объемам производства полимерных труб и их
удельному потреблению на душу населения не преодолен и даже увеличивается.
Следует отметить, что Китай, быстро развивающийся
практически с нулевого уровня, примерно в 10 раз обогнал Россию по ассортименту, абсолютному объему производства полимерных труб и, следовательно, обгоняет и по удельному уровню
потребления.
В настоящее время Россия находится в стадии роста производства и потребления полимерных труб, предпосылками для
которого являются сильная изношенность существующих коммуникаций и имеющийся технический потенциал для развития
производства.
При производстве полимерных труб и фитингов различного назначения используются практически все известные методы переработки полимеров и, соответственно, практически
все известные полимерные материалы и композиты, от резиновых смесей до стеклопластиков, но доминируют в производстве труб экструзионные технологии и, следовательно, композиции на основе термопластичных полимеров.
В силу исторически сложившихся традиций, в значительной степени обусловленных погодно-климатическими условиями, в России всегда преобладали трубные марки полиэтилена.
Так в 2000 г. в России было выпущено всего 50.5 тыс. т труб и
деталей трубопроводов из термопластов, при этом 42.5тыс.т полиэтиленовых и около 4 тыс. т – из ПВХ.
В России насчитывается более 40 заводов, производящих
полиэтиленовые трубы и фитинги [5-8]. При этом 90 % продукции производится наиболее крупными заводами: ОАО «Казаньоргсинтез» (г. Казань), ЗАО «Завод АНД Газтрубпласт»
(г.Москва), ЗАО «Сибгазаппарат» (г. Тюмень) и Климовский
трубный завод (г.Клим).
12
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Наиболее мощный трубный завод ОАО «Казаньоргсинтез»
контролирует примерно 40 % рынка труб и соединительных деталей и обеспечивает лидерство Приволжского федерального
округа в России. Вместе с тем, после строительства ряда заводов
в Центральном округе, последний, вероятно, займет доминирующие позиции в производстве полимерных труб.
Полипропиленовые трубы, постепенно вытесняющие поливинилхлоридные, выпускают ОАО «Московский НПЗ», ЗАО
«Завод АНД Газтрубпласт», НПО «Стройполимер» (г.Москва).
Основные производители полипропилена (ПП): ОАО «Томский
нефтехимический комбинат», ОАО «Московский НПЗ» и
Уфимское ЗАО «Полипропилен» - постоянно наращивают производство трубных марок. При этом часть сырья импортируется.
Ежегодный прирост производства труб из ПП в России составляет около 10 %.
Основные производители труб ПВХ: ЗАО «Агригазполимер» (г. Обнинск), ОАО «Пластик» (г.Москва) и ОАО «Компания «Корунд»» (г. Дзержинск).
ЗАО «Завод АНД Газтрубпласт» освоил ряд новых полимерных и металлполимерных труб для теплофикации.
Десятки менее крупных производителей России выпускают разнообразные монолитные полимерные трубы соединительными деталями из крупнотоннажных полимеров, гофрированные и витые трубы больших диаметров, металлопластиковые
трубы, армированные трубы, шланги и трубы из специальных
полимеров, например из сшитого полиэтилена, стеклопластиков,
фторпластов и полиамидов.
Темпы роста производства полимерных труб в России в
среднем оцениваются как 8-15 % в год [2-5].
Обеспеченность сырьевыми ресурсами является важным
условием развития крупнотоннажных трубных производств.
Сегодня отрасль по производству пластмасс в экономике
Российской Федерации остается одним из наиболее динамично
13
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
развивающихся секторов отечественного химического комплекса.
В период 1990 – 1996 гг. объем выпуска пластмасс и синтетических смол сократился в 2,3 раза (с 3,26 млн.т в 1990 г. до 1.41
млн.т в 1996 г.), достигнув критического состояния. С 1996 г. в
отрасли начался устойчивый рост объемов производства [9].
Динамика производства пластмасс и синтетических смол
определяется, в основном, развитием производства базовых полимеров общетехнического назначения (полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол и сополимеры стирола) на
долю которых приходится 66 % всего объема выпускаемых полимеров.
В табл. 1.3 представлена структура мощностей предприятий отечественной промышленности полиэтиленов. В историческом аспекте в Российской Федерации рынок производства и
потребления пластмасс, прежде всего, формировался как рынок
полиэтилена, доля которого в объеме производства термопластичных материалов составляла в различные годы от 49 %
(1990 г.) до 53% (2001 г.).
Полиэтилен – наиболее крупная товарная позиция из синтетических смол и пластических масс, производимых в России.
Поэтому, следует ожидать, что развитие отечественного рынка
полимеров будет в значительной мере предопределяться динамикой развития производств полиэтиленов.
Около 65 % общего объема выпуска полиэтилена контролируется компаниями: ОАО “Казаньоргсинтез” и ООО “Ставролен” (г. Буденновск, Ставропольский край) см. табл. 1.3. [9],
причем они же производят трубные марки ПНД.
14
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 1.3. Мощности производств полиэтиленов
Предприятие
В целом Россия
ПВД
ОАО “Казаньоргсинтез”
ОАО “Сэвилен”
в т.ч. сэвилен
ОАО “Уфаоргсинтез”
ОАО “Салаватнефтеоргсинтез”
ОАО “Томский НХК”
(объединенные тех. мощности)
ОАО “Ангарский завод полимеров”
ПНД
ОАО “Казаньоргсинтез”
ООО “Ставролен”
Мощности тыс. т/год на
1.01.2001
1062.0
566.6
184.0
26.4
12.0
88.4
41.0
150.0
76.8
496.9
196.9
300.0
Доля импорта продукции из ПНД в структуре потребления
составляет около 20 % и приходится, в основном, на самые новые марки, например ПЭ100. Впрочем, ОАО “Казаньоргсинтез”
и ООО “Ставролен” уже осваивают производство этой градации
ПЭ. Импортируется также специальное сырье, например сшиваемые марки ПНД и полиамид ПА11.
Библиографический список
1. Зайцев, К.И. Сварка трубопроводов из термопластов/ К.И.
Зайцев// Полимерные трубы.- 2003. -№1. – С. 28-30
2. Топалов, С.П. Обзор российского и зарубежного рынков полиэтиленовых труб / С.П. Топалов// Полимерные трубы. - 2003. №1. – С. 11-14
3. Никитенко, Е.А. Трубный симпозиум/ Е.А. Никитенко //
Международные новости мира пластмасс. - 2005.№7,8. - С. 3540
15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4. Гориловский, М.В. Перспективы развития рынка полиэтиленовых труб в России/ М.В. Гориловский // Полимерные трубы. - 2003. -№1. - С. 6-10.
5. Черепова, С.К. Российский рынок полимерных труб /
С.К.Черепова // Международные новости мира пластмасс. - 2004.
- №9-10. - С. 40-43.
6. Коврига, В.Г. Применение полимерных материалов в производстве труб различного назначения / В.Г. Коврига, И.В. Гвоздев // Полимерные трубы. -2005. - №1 – С. 16-20.
7. Эккерт, Р.К. Соединительные детали для полиэтиленовых
труб. Конструкция фитингов с закладной электронагревательной
спиралью и ее влияние на качество сварного соединения / Р.К.
Эккерт //Полимергаз. - 2003. - №3.– С. 44-49.
8. Фролов, В.П. Опыт использования полиэтиленовых труб в
тепловых сетях Москвы/ В.П. Фролов// Полимергаз. - 2003. №3. – С. 26-28.
9. Яруллин, Р.С. Полиэтилен: производство, рынок и перспективные направления переработки / Р.С. Яруллин [и др.].- Казань.: Изд-во Экс-Пресс. - 2003г. –192 с.:ил.
16
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2. ПОЛУЧЕНИЕ ЭКСТРУЗИОННЫХ КОМПОЗИЦИЙ.
КОМПАУНДИРОВАНИЕ
2.1. Некоторые представления о структуре
и свойствах трубных композиций
Создание новых композиционных материалов на основе
смесей полимеров определяет прогресс в полимерном материаловедении. Поэтому изучение смесей полимеров привлекает
внимание многих исследователей [1-14]. Традиционно каучуки
добавляют в пластики для повышения ударной вязкости, стойкости к растрескиванию и морозостойкости [4]. Пластики обычно вводят в каучуки с целью усиления физико-механических
свойств, улучшения технологичности и эксплуатационных качеств. Так, например, поливинилхлорид и полиэтилен являются
неизменными компонентами ряда резиновых смесей, используемых для производства напорных рукавов и шлангов.
Технологическая совместимость полимеров - необходимое условие получения практически ценных композиций. Взаимную растворимость полимеров на молекулярном уровне ограничивают термодинамические причины [4]. Совместимость полимеров довольно сложно надежно оценить, и в литературе
можно обнаружить противоречивые сведения о совместимости
одних и тех же пар полимеров. В неоднозначности оценок совместимости полимеров проявляется склонность полимеров к
образованию неравновесных состояний [1]. В любом случае совместимость полимеров ограничена, в результате чего неоднородность структуры неизбежна. Термодинамическая совместимость не является обязательным условием для сохранения
свойств полимерных композиций в течение срока эксплуатации,
поскольку их структуры изменяются достаточно медленно, т. е.
при температуре эксплуатации может быть кинетически затруднено термодинамически выгодное разделение фаз [4, 10].
17
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Плохо совместимые смеси, характеризуются низкими деформационными свойствами и разрушаются в области малых
деформаций, прежде чем заканчивается образование шейки [15].
Они представляют интерес с позиций технологичности, поскольку имеют пониженную, по сравнению с аддитивной, вязкость.
Фазовая морфология полимерных смесей, от которой зависят многие свойства композиций, определяется природой
компонентов, соотношением, отношением их вязкости, условиями смешения, реакциями деструкции и сшивки, химическим
взаимодействием компонентов, режимом охлаждения, межфазным взаимодействием и многими другими факторами.
Более вероятно образование непрерывной фазы преобладающим и менее вязким компонентом. Впрочем, уже при концентрации полимерного компонента более 15 % следует учитывать возможность образования им непрерывной фазы [4, 16].
Структура и прочность смесей. Однофазные смеси полимеров деформируются как однородные системы, если не
происходит расслоения при растяжении. Если модули двухфазных систем сильно различаются, то перенапряжения на границе
раздела фаз могут привести к отслаиванию матрицы от частиц
дисперсной фазы [2].
Закономерности разрушения смесей полимеров наиболее
детально изучены для пластиков, модифицированных эластомерами [4]. Михлер [17], убедительно обосновав одну из общепринятых теорий, отмечает, что эффект упрочнения кристаллических пластиков каучуками основан, главным образом, на возникновении множественных сдвигов, в отличие от крейзообразования, наблюдаемого в аморфных термопластах.
Кроме размеров частиц каучука важным параметром смеси
полимеров является расстояние между частицами. Интенсивное
локальное пластическое течение возможно, только если среднее
расстояние между частицами находится в определенном диапа-
18
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
зоне. Если расстояния между частицами слишком велики, матрица находится в трехосном напряженном состоянии, пластические деформации невозможны, и разрастаются трещины.
Симбатное изменение предела текучести и ударной вязкости подтверждает гипотезу о том, что сдвиговое течение можно
рассматривать, как принципиальный механизм увеличения
ударной вязкости смесей полимеров [18].
Наполнители. Поскольку диффузия наполнителей невозможна, их распределение в полимерной матрице и перераспределение между фазами смеси происходит в процессе механического перемешивания. Поэтому условия смешения и порядок
введения наполнителей оказывают решающее значение на распределение наполнителя [2].
Полимерная фаза в наполненных полимерах обусловливает
перерабатываемость и реологические свойства композиций. При
этом граничные слои, толщина которых зависит от скорости
сдвига, не участвуют в течении. Хорошей текучестью обладают
смеси, содержащие долю свободной полимерной части, достаточную для образования непрерывной фазы.
Влияние структуры исходных полимеров на свойства
композиций. Надмолекулярные структуры полимеров претерпевают коренную перестройку при смешении в расплаве, при
этом молекулярные обычно изменяются в меньшей степени, за
исключением сильно деструктированных полимеров и вулканизуемых композиций. Поэтому молекулярная структура исходных компонентов в значительной мере определяет свойства
композиций.
Следует отметить противоречивую роль ММ компонентов. Термодинамическая совместимость полимеров ограничена
малой величиной энтропии смешения, обусловленной большой
ММ компонентов. Теория предсказывает, что низкая ММ одного или обоих полимерных компонентов смеси способствует их
совместимости. У многих полимерных смесей, в том числе по-
19
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
лиолефинов, экспериментально наблюдалось уменьшение растворимости и увеличение области двухфазного состояния на
диаграммах фазового состояния с увеличением ММ полимеров
[1, 2, 4].
Распад технологически совмещенных смесей полимеров
замедляется с увеличением размеров. Известно, что динамика
фазового разделения системы существенно зависит от вязкости.
При малой вязкости, фазовое разделение начинается в метастабильной области путем зародышеобразования. Пространственно
однородное состояние системы разрушается путем спинодального распада. На первом этапе спинодального распада устанавливается кинетически стабильная структура. Затем происходит
медленная перестройка системы, срок которой сопоставим со
сроком эксплуатации материала.
В производстве полимерных труб редко применяются индивидуальные полимеры без добавок. Высокие требования, которые предъявляются к трубам, обусловливают необходимость
как макромолекулярного дизайна исходных полимеров, так и
научно-обоснованного дизайна композиций на основе базовых
марок полимеров. Состав композиций может включать несколько классов целевых добавок.
Так, например, трубные (экструзионные) композиции
ПНД содержат технический углерод, защищающий ПНД от фотодеструкции под действием солнечных лучей, либо цветные
красители. В последнем случае в стабилизирующую систему
дополнительно добавляют УФ-абсорберы. Технический углерод
или красители обычно добавляют в виде концентратов: высоконаполненных смесей на основе низковязких полиэтиленов. Основная стабилизирующая система ПНД в ее современных вариантах содержит 2-3 компонента, проявляющих синергизм в отношении цепных реакций деструкции и сшивания, протекающих
при переработке труб и их эксплуатации. Иногда в экструзионных композициях применяют специальные смазки улучшающие
20
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
перерабатываемость ПНД.
Компаундирование ПНД обычно производят на заводахпроизводителях базовых марок и совмещают с гранулированием. Вместе с тем, современная техника позволяет совместить
компаундирование с производством труб, что является актуальной новацией в производстве труб из ПНД.
Еще более сложным составом отличаются трубные композиции ПВХ. В них могут входить, кроме основного полимера,
пластификаторы, стабилизаторы (стабилизирующие системы),
смазки, наполнители, пигменты и многие другие целевые добавки. В производстве ПВХ-композиций также используются концентраты малых добавок. Компаундирование ПВХ может быть
самостоятельным процессом, либо совмещаться с производством труб.
Традиционные резиновые смеси обычно содержат несколько полимеров, высокие концентрации наполнителей, пластификаторы, компоненты вулканизующей и стабилизирующей
систем и другие целевые добавки.
Структура и свойства эластичных смесей полиолефинов. Полиолефины - типичные многотоннажные полимеры, ассортимент их базовых марок ограничен. Число материалов на
основе полиолефинов постоянно растет в результате разработки
новых композиций. В результате подбора природы и оптимального соотношения компонентов удается целенаправленно изменять многие свойства композиций в желаемом направлении [10].
Резкое расширение рынка полиолефинов сопровождается
развитием ассортимента их композиций. Появились термопластичные сополимеры на основе полиолефинов - о-ТРЕ, термопластичные эластомеры - компаунды - Рhysblend ТРО, получаемые в реакторе R-ТРО [11] , вулканизованные F-TPV, частично
вулканизованные p-TPV [12].
21
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Смеси полимеров со свойствами термоэластопластов термопластичные эластомеры (ТПЭ) на основе полиолефинов
могут содержать наполнители, мягчители и другие ингредиенты.
2.2. Получение композиций полимеров
В основе компаундирования лежит процесс смешения. Виды процессов смешения разнообразны: это смешение через расплав, когда в расплав вводятся жидкие или твердые порошкообразные добавки; смешение двух жидких компонентов (олигомеры, расплавы полимеров), смешение порошков и другие процессы. Смешение проводят на специальном оборудовании различной конструкции и комплектации. Ингредиенты, предназначенные для смешения, должны быть соответствующим образом
подготовлены: измельчены, высушены, нагреты и направлены
на смешение в заданном соотношении.
Композиты, армированные непрерывными волокнами,
применяемые в производстве труб в качестве армирующего слоя
или самостоятельно, обладают комплексом высоких прочностных свойств. Наиболее распространенный способ их получения–
пропитка армирующего наполнителя жидким связующим.
Сушка.Специальная сушка ингредиентов в производстве
требуется не всегда. Порошкообразные наполнители, красители,
концентраты, гранулированные или порошкообразные полимеры поступают в упакованном виде, предохраненные от увлажнения соответствующей тарой. На многотоннажных производствах обычно используются герметичные системы пневмотранспорта. Если технологический процесс организован так,
что после растаривания материалы в процессе движения со
склада к оборудованию не успевают поглотить излишнее количество влаги, а смесители снабжены вакуумным отсосом летучих продуктов непосредственно из расплава, то специальная
стадия сушки окажется излишней. Сушка обязательна перед
переработкой полимеров подверженных гидролизу (например,
22
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
полиамидов) в тех случаях, когда наличие влаги заметно ухудшает свойства изделий. Для сушки порошков и гранул применяют сушилки периодического и непрерывного действия. Для
удаления влаги непосредственно перед переработкой в загрузочном бункере смесителя обеспечивается подогрев. Сушку ведут при максимально возможной температуре, при которой, однако, не происходит слипания гранул или частиц порошка.
Сушка термопластов ведется до содержания влаги в сотые доли
процента [1].
Гранулирование. Гранулирование термопластов производится при их компаундировании — введении ингредиентов
(стабилизаторов, красителей и их концентратов, наполнителей и
т. п.), после получения смесей полимеров и при переработке отходов. Гранулированные полимеры являются основной формой
поступающего для переработки полимерного сырья. Исключение составляет непластифицированный ПВХ, перерабатываемый в трубы в виде порошка [1].
Применяют два основных метода гранулирования — на
решетке и стренговое.
Крупнотоннажное производство большинства видов гранулированных полимерных материалов осуществляется с использованием гранулирования на решетке. Экструзионная головка для такого процесса представляет собой массивный корпус, на выходе из которого установлена перфорированная решетка с большим количеством отверстий, расположенных в несколько рядов по окружностям.
На рис. 2.1а, б показана схема агрегата для гранулирования
полиолефинов. Агрегат состоит из экструзионной головки и
привода вращающегося ножа, расположенного в приемной камере.
На рис. 2.1а они показаны отдельно, а на рисунке 2.1б — в
собранном состоянии.
23
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 2.1. Схема агрегата для гранулирования на решетке
полиолефинов: а — в демонтированном состоянии; б—в сборе [19]
Подвод расплава к формующим отверстиям производится
через канал, образованный корпусом головки и коническим рассекателем. Со стороны входа в решетку отверстия раззенковывают для устранения застойных зон. Диаметр отверстий решет-
24
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ки 2-4 мм, толщина решетки 20-50 мм в зависимости от назначения головки по перерабатываемому материалу и производительности агрегата. Для получения одинаковых по диаметру выдавливаемых из головки прутков внешние отверстия выполняют
несколько бóльшими, чем примыкающие к рассекателю, что позволяет выровнять сопротивление течению по высоте решетки.
Могут быть и другие пути выравнивания размеров прутков.
Со стороны выхода к решетке подводится вращающийся
нож, который с большой скоростью срезает прутки. В зависимости от типа гранулируемого материала и скорости вращения ножа срезаемые прутки имеют вид бочонков, чечевицы или шариков. Торцевая поверхность решетки подвергается износу вращающимся ножом, поэтому решетка должна иметь повышенную
твердость и быть выполнена из хорошей конструкционной и
коррозионостойкой стали. Нож имеет определенный угол заточки режущей кромки и изготавливается из специальных материалов.
Зазор между решеткой и поверхностью ножа регулируется
в зависимости от вязкости расплава и требований к гранулометрическому составу материала. Для относительно низковязких
материалов (полиолефинов) этот зазор меньше, для высоковязких композиций непластифицинованного поливинилхлорида
(НПВХ) — больше.
Гранулирование проводят при минимально возможной
температуре, что в значительной мере уменьшает проблемы
процесса, связанные с «размазыванием» расплава по решетке.
Увеличение зазора между ножом и решеткой, затупление ножа,
снижение скорости его вращения, повышение температуры в
зоне контакта — основные причины, по которым расплав размазывается по решетке.
Приемка и предварительное охлаждение гранул производится в камере, примыкающей к гранулирующей решетке, в токе воды (для низковязких материалов) или под вакуумом (для
25
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ПВХ и других высоковязких материалов). Вакуумирование камеры препятствует окислению материала на выходе из головки
и способствует быстрому удалению гранул в зону охлаждения.
На больших агрегатах для гранулирования полиолефинов
достигают производительности до 25 т/ч, производительность
агрегатов для гранулирования ПВХ — до 3-6 т/ч [19].
При стренговом гранулировании расплав выходит в виде
прутков из экструзионной головки с цилиндрическими или
квадратными отверстиями, расположенными в 1-2 ряда, которые
вытягиваются и охлаждаются в водяной ванне, после чего непрерывно режутся вращающейся фрезой с бесступенчатым регулированием скорости вращения. Перед поступлением на резку
стренги осушают сжатым воздухом .
Производительность стренговой грануляции значительно
ниже грануляции на решетке. Но такой способ проще и не требует сложного специального оборудования.
2.3. Смешение
Некоторые принципы смешения. Смешение — это процесс, уменьшающий композиционную неоднородность системы.
В переработке полимеров наибольшее значение имеет смешение
твердого порошкообразного вещества с вязкой жидкостью (расплавом полимера или пластификатором) и смешение двух вязких жидкостей, т. е. получение смеси полимеров. Турбулентный
режим смешения полимеров недостижим на практике, поэтому
реально смешение с участием расплавов полимеров происходит
в ламинарном режиме. Механизм ламинарного смешения состоит в увеличении поверхности раздела контактирующих жидких
фаз. Эффект смешения определяется величиной пластической
деформации сдвига. Чем больше эластичность (упругость) расплава, тем большие деформации необходимы для достижения
одинаковой степени смешения. Методики приближенных расчетов показывают, что хорошее качество смеси достигается при
26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
суммарной необратимой деформации сдвига в области 800 –
3000 [1].
Смешение с малым количеством добавки. Чтобы добиться равномерного распределения малой добавки, прибегают
к предварительному получению концентратов. Такими добавками в полиолефиновых трубных композициях являются технический углерод и красители. Расчетное количество концентрата
вводят в исходный полимер, получая его равномерное окрашивание. В ряде производств удобнее получать пасту красителей
(пигментов), стабилизаторов. В этом случае применяют краскотерки, где вводимый ингредиент на валках, достаточно плотно
прилегающих друг к другу, диспергируется (растирается) в пластификаторе. Паста содержит, таким образом, минимум два ингредиента — диспергируемую добавку и пластификатор. Как в
пасту, так и в концентраты часто вводят ПАВ, если вводимая
добавка диспергируется, но не растворяется полностью в концентрате [1].
Смешение порошков, сильно различающихся по размерам
частиц (так называемое опудривание), осуществляют в скоростных смесителях с Z- или U -образными лопастями.
В современных технологических линиях смешение порошков производят по непрерывным схемам с автоматическим дозированием компонентов.
Оценка качества смешения. Для оценки качества смешения обычно определяют среднее содержание введенных ингредиентов и отклонение содержания в микрообъемах смеси (взятых пробах) от среднего. В ряде случаев необходимо определить
степень дисперсности компонента, т. е. средний размер его частиц в смеси, что обычно делают с помощью исследования микроструктуры в оптическом или электронном микроскопе.
Макротекстура смеси обусловлена спецификой перерабатывающего оборудования или особенностями смешения и оценивается обычно визуально.
27
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Выбор метода анализа зависит от природы анализируемого
ингредиента. Это могут быть спектральные методы (красители,
стабилизаторы и т. п.), методы определения плотности (наполнитель, другой полимер), экстракционные методы и т. п.
В производстве трубных марок ПНД часто оценку качества
смешения производят визуально, путем сравнения со стандартом.
Техника и технология смешения. Технологические
приемы, применяемые для смешения, а также конструкции смесительных аппаратов определяются в первую очередь уровнем
вязкости смешиваемых компонентов, а, следовательно, и необходимой величиной крутящего момента и частоты вращения рабочего узла смесителя. Этим обусловлено различие в конструкциях аппаратов для смешения порошков, для смешения олигомеров, растворов полимеров или сильно пластифицированных
систем, для смешения расплавов полимеров или для введения
ингредиентов в расплавы.
Методы смешения и конструкции смесителей зависят также от того, является процесс смешения периодическим или непрерывным. Периодический процесс состоит в том, что все компоненты одновременно или последовательно вводятся в заданный объем полимера так, что масса многократно проходит через
рабочий орган смесителя до тех пор, пока не будет достигнуто
нужное качество смешения. По этому принципу работают смеситель для порошков с вращающимся корпусом, смесительные
вальцы, смесители типа Бенбери и т. п. Смесители периодического типа удобны тем, что в них легко менять последовательность введения добавок, регулировать температуру.
В смесителе непрерывного типа заданное качество смешения должно быть достигнуто за один проход материала через рабочий орган. Загрузка полимера и ингредиентов происходит непрерывно. По такому принципу работают шнековые смесители
(одно- и двухшнековые, осциллирующие и планетарные) а также
28
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
статические смесители (смесительные насадки). Непрерывное
смешение обеспечивает высокую производительность, хорошее
качество смешения, упрощение контроля качества, для него требуется меньшее количество обслуживающего персонала.
Смешение маловязких сред. Для получения маловязких
смесей, например пластизолей на основе ПВХ и т. п. смешение
производят в смесителях с Z- или Σ-образными лопастями. При
малой вязкости композиции можно применять турбулентное
смешение при большой скорости вращения смесительных элементов (лопастей). Лопасти вращаются навстречу друг другу с
различной скоростью. Перемешивают жидкости в диапазоне
вязкости 0,5—500 Па*с. Чем больше вязкость среды, тем более
массивными и прочными изготавливаются лопасти.
Смешение расплавов полимеров и введение ингредиентов в смесителях периодического действия. Это наиболее старый, но до сих пор применяемый процесс.
Смесители закрытого типа. Наиболее широко применяется смеситель Бенбери (рис. 2.2). Его рабочая камера состоит из
двух полых цилиндров, сообщающихся между собой вдоль образующей, так что поперечное сечение напоминает восьмерку.
В каждой половине камеры вращается ротор овального сечения с винтовыми лопастями. Роторы вращаются навстречу друг
другу с разными скоростями, и каждый направляет смесь к центру камеры. Избыток смеси из центра выталкивается в обратном
направлении, что создает интенсивный противоток, обеспечивающий смесительный эффект. Противоток обеспечивается еще и
перетиранием смеси в зазоре между самими роторами, а также
между роторами и стенкой камеры. Решающее значение имеет,
поэтому, полнота загрузки камеры, обеспечивающая высокие
сдвиговые усилия в зазорах. Уплотнение материала в камере достигается верхним затвором — поршнем, создающим постоянное
давление на смесь в рабочей камере.
29
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 2.2. Смеситель Бенбери: а — камера резиносмесителя
(1 — верхний затвор; 2 — корпус рабочей камеры; 3 — роторы;
4 — нижний затвор); б — конструкция роторов
30
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Нижний затвор неподвижен во время смешения и отодвигается для выгрузки готовой смеси. Для перемешивания затрачивается значительная энергия, которая в основном переходит в тепло, в результате чего смесь сильно разогревается. Температура
выгружаемой смеси является одним из критериев правильности
(интенсивности) режима смешения. Она регулируется системой
охлаждения корпуса и роторов, а также изменением частоты
вращения роторов.
Смесительная линия, включающая смеситель Бенбери.
Из смесителя выгружаются крупные куски горячей смеси. Они
обычно попадают в гранулятор (при компаундировании трубных марок) или на листовальные вальцы, расположенные непосредственно под разгрузочным отверстием смесителя (под нижним затвором),- при получении резиновых смесей. Смесь приобретает на вальцах форму листа. Узкая лента смеси с вальцов
срезается непрерывно и поступает непосредственно для питания
другого оборудования.
Большое выделение тепла, трудность регулирования процесса, в том числе трудность автоматизации, ограничивают
применение смесителя Бенбери. Несмотря на это периодический
смеситель Бенбери пока продолжают использовать в производстве трубных композиций из ПЭ и ПВХ.
Согласно современным представлениям технологически
оправдано применение смесителя Бенбери только для резиновых
смесей.
Смешение расплавов полимеров и введение ингредиентов в смесителях непрерывного действия. Этот процесс широко применяется в современной технологии переработки пластмасс как главный метод получения композиционных материалов на основе большинства полимеров.
Одношнековые экструдеры. Смесительный эффект в одношнековом экструдере обусловлен в основном тем, что часть
расплава образует противоток в рабочем цилиндре экструдера.
31
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Противоток возрастает при увеличении сопротивления на входе
в головку, что достигается, в частности, установкой сеток, создающих дополнительное сопротивление. Таким способом заметно усилить смесительный эффект не удается, и при смешении полимера с наполнителем, красителем, другим полимером и
т. д. хорошее качество смешения достигается не всегда.
Развитие конструкции одношнековых экструдеровсмесителей шло в основном по пути увеличения длины шнека.
Если в 60- 70-е годы XX в. большинство экструдеров имело относительную длину шнека L/D = 18÷25, то в последующие годы
длина шнека достигла L/D = 30 ÷ 44. Повышение смесительного
эффекта происходило не только за счет удлинения винтовой
части экструдеров, но и за счет введения смесительных элементов. Эти элементы обусловливают резкое изменение направления движения расплава, создают зоны с разными скоростями
потока, что существенно увеличивает смесительный эффект.
Этой же цели служат специальные выступы и кулачки на корпусе смесительных экструдеров. Таким образом, в рабочей камере
смесительного экструдера вместо трех зон (загрузки, пластикации и дозирования) создаются четыре зоны (загрузки, пластикации, смешения и дозирования).
Примеры конструкции смесительных шнеков представлены на рис. 2.3.
Рис. 2.3. Примеры конструкции шнеков в одношнековых смесительных экструдерах[1]
32
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Более высокий смесительный эффект по сравнению с
обычными экструзионными шнеками (L/D ~ 25) является результатом действия двух факторов: большей длины (у шнеков
«а» и «б» отношение L/D ~ 40, а у шнека «в» — около 30) и наличия смесительных элементов (рис. 2.3). Для шнека «а» характерно то, что шаг и глубина нарезки на каждом из участков 1—5
постоянны и каждый из этих параметров на отдельных участках
3 и 5 имеет равные значения. Шаг нарезки на участках 3 и 5
меньше, чем на участке 2, а на участке 2 меньше, чем на участке
1. Специальным смесительным элементом у этого шнека является участок 4 с обратной нарезкой, создающей противоток расплава.
Аналогичные участки нарезки имеются и у шнеков
(рис.2.3) «б» и «в». Шнек «б» имеет дополнительные смесительные элементы на участках 4 и 6. Каждый из них выполнен в виде радиальных канавок и канавки, нарезанной по спирали в направлении, обратном нарезке шнека. У шнека «в» подобные канавки прорезаны на участках 3. В качестве дополнительных
смесительных элементов этот шнек имеет "лабиринтные" канавки на участках 4. Малый шаг нарезки в начале шнеков (например, на участке 1 шнека «в») предотвращает попадание материала в опорные узлы.
Одношнековые экструдеры с осциллирующим шнеком.
Осциллирующие смесители это экструдеры, в которых шнек
кроме вращательного совершает возвратно-поступательное
движение. Колебания шнека усиливают смесительный эффект.
Достижению интенсивного смешения и гомогенизации (а также
пластикации — размягчения полимера) способствует и то, что
винтовой гребень в определенном порядке прерывается, образуя
просветы, в которые входят три ряда выступов, укрепленных на
внутренней поверхности рабочей камеры экструдера. Благодаря
тому, что шнек совершает возвратно-поступательное и вращательное движения, вблизи неподвижных выступов камеры уве-
33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
личивается деформация сдвига расплава, возникают деформации сжатия и растяжения вплоть до разрывов потока, что усиливает смесительный эффект.
Двухшнековые экструдеры. В этих наиболее популярных
в последние годы устройствах смесительный эффект обеспечивается двумя шнеками, расположенными параллельно в одной
рабочей камере и вращающимися либо навстречу друг другу,
либо в одном и том же направлении.
Гомогенизирующая способность двухшнековых экструдеров в целом выше, чем одношнековых. Производительность их
может быть чрезвычайно высока — до 25 т/ч и более [1,19].
На рис. 2.4 а-е изображены некоторые типичные элементы
компаундирующих линий [20].
а
34
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
б
в
35
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
г
д
36
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
е
Рис. 2.4. Элементы компаундирующих линий: а - однобункерный
питатель; б - двухбункерный питатель; в - воднокольцевой гранулятор;
г - высокоростной смеситель для предварительной подготовки
компонентов; д - шкаф управления смесителем; е - двухшнековый
смеситель
Примеры компоновки смесительных линий на основе
двухшнековых экструдеров. На рис. 2.5 изображена схема
простой смесительной линии. В питатель экструдера загружают механически перемешанные компоненты, например ПЭ и
технический углерод или красители при изготовлении концентратов.
37
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 2.5. Смесительная линия на базе 2-х шнекового экструдера:
1 – питатель; 2 – двухшнековый экструдер; 3- гранулятор с воздушным
охлаждением; 4.- циклоны; 5- вибросепаратор
Для производства трубных композиций рекомендуют более сложные технологические схемы (рис. 2.6 и 2.7).
Рис. 2.6. Линия для компаундирования трубных композиций ПНД, ПП:
1- высокоскоростной смеситель; 2- главный питатель; 3- боковой питатель;
4– двухшнековый экструдер; 5- гранулятор вводно-кольцевого типа;
6 – центрифуга – водоотделитель; 7- вибросепаратор;
8- контейнер готовой продукции
38
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 2.7. Комплектная линия для компаундирования силанольно –
сшиваемых трубных композиций ПНД: 1- бункер сырья; 2- сушилка;
3 – сушилка: молекулярное сито; 4- емкость сырья; 5 – весовой дозатор
жидкостей; 6- весовой питатель сыпучих компонентов; 7- двухшнековый
экструдер; 8 – одношнековый экструдер; 9 - гранулятор вводно-кольцевого
типа; 10 – центрифуга – водоотделитель; 11- постель с «кипящим слоем»;
12 – вакуум - конвейер; 13- – сушилка: молекулярное сито; 14 – сушилка;
15 – контейнер готовой продукции; 16 – вакуумная упаковка
Отдельные линии могут объединяться в крупные автоматизированные системы (рис 2.8).
39
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 2.8. Схема потоков в полностью автоматизированной системе
компаундирования: 1- бункер сырья; 2- пробоотборник; 3- контейнер;
4 –шнековый питатель; 5- электронная система согласования потоков;
6 – высокоскоростной смеситель; 7 – бункер смеси; 8 - весовой питатель;
9 - двухшнековый экструдер; 10 - гранулятор с воздушным охлаждением;
11 – циклон; 12 – охлаждающее вибросито; 13 – вводно-кольцевой гранулятор;
14 – центрифуга – водоотделитель; 15 – вибросито; 16 – бункер сухой
гомогенизации; 17 – автоматический расфасовщик; 18, 19 – системы
транспортирования
Библиографический список
1. Власов, С.В. Основы технологии переработки пластмасс:
учебник для вузов/ С.В. Власов [и др.].- М.:Химия, 2004. - 600 с.
40
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2. Кулезнев, В.Н. Смеси полимеров / В.Н. Кулезнев. - М.: Химия, 1980. - 304с.
3. Липатов, Ю.С. Физическая химия наполненных полимеров /
Ю.С. Липатов. - М.: Химия, 1974. – 304 с.
4. Полимерные смеси /под ред. Пола Д., Ньюмена С./ Перевод с
англ. Ю.К. Годовского, В.С.Папкова и А.П.Коробко. Т.1,2.-М.:
Мир. - 1981.
5. Липатов, Ю.С. Коллоидная химия полимеров / Ю.С. Липатов.- Киев: Наукова думка, 1984. – 89-127 с.
6. Нестеров, А.Е. Фазовое состояние растворов и смесей полимеров / А.Е. Нестеров, Ю.С. Липатов. - Киев: Наукова думка,
1987. - 168с.
7. Шварц, А.Г. Совмещение каучуков с пластиками и синтетическими смолами / А.Г. Шварц, Б.Н. Динзбург. - М.: Химия,
1972. - 224с.
8. Фридман, М.Л. Переработка наполненных и смесевых термопластов// Журнал ВХО им. Д.И. Менделеева. Т.34, №5. - 1989. –
521-529 с.
9. Менсон, Дж., Сперлинг, Л. Полимерные смеси и композиты /
Перевод с англ.; под ред. Ю.К. Годовского.-М.: Химия, 1979.440 с.
10.Сирота, А.Г. Модификация структуры и свойств полиолефинов / А.Г. Сирота. - Л.: Химия, 1984. 152 с.
11. Collina, G. New thermoplastic polуolefins elastomers from the
novel Multicatalуsts Reactor after crosslinking / G. Collina, V.Braga,
F. Sartori //Polуm.Bull. 1997.- 38, N6. – Р. 701-705.
12. Вольфсон, С.А. Внимание! Этиленпропиленовый каучук выходит на первое место / С.А. Вольфсон // Пластмассы. - 1999. №4. – С. 6-9.
13 Крегсе, Э. Полимерные смеси/под ред. Пола Д., Ньюмена С. /
перевод с англ. Ю.К. Годовского, и А.П.Коробко. М.: Мир, 1981.
– 456 с.
41
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
14. Вайнштейн, А.Б. Влияние молекулярной массы полиэтилена
на степень кристалличности его смесей с сополимером этилена с
винилацетатом / А.Б. Вайнштейн, Л.Б. Табачник // Смеси полимеров. Тезисы докл. I.Всес.конф. Иваново. - 1986. – С.45-46.
15. Greco, R. Polyolefin blends. 2. Effect of EPR composition on
structure, morphology and mechanical properties of iPP/EPR alloys /
Greco R., Mancarella C., Martuscelli E., Ragosta G., Jingha Y.
//Polymer. - 1987. - 28, N11. - Р.1929-1936.
16. Алигулиев, Р.М. Исследование влияния специфики межфазного взаимодействия на долговременную прочность и разрушение композиций полиэтилена с бутилкаучуком / Р.М.Алигулиев,
А.А. Шибаева, Д.М.Хитеева, В.Б. Юрханов // Высокомолек. соед.Б. - 1992. - 34,N1. – С. 3-8.
17. Михлер, Г.Х. Молекулярная структура, морфология и механические свойства гетерогенных полимерных систем /
Г.Х.Михлер // Высокомолек. соединения. - 1993. - Т.35,№9. –
С.1850-1860.
18. Gupta, A.K. Studies on binary and ternary blends of
polуpropуlene with ABS and LDPE. II. Impact and tensile properties
/ A.K. Gupta, A.K. Jain, B.K. Ratnam, S.N. Maiti //
J.Appl.Polуm.Sci.. - 1990. - 39, N3. - Р.515-530.
19. Володин, В.П. Конструкции экструзионной оснастки /
В.П. Володин // Пластикс. - №3 (17). - 2004. – С.39-46.
20. Рекламные материалы фирмы Ruiya. - 2005. – 48 с.
42
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3. ЭКСТРУЗИЯ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ТРУБ
Производство полимерных труб начато примерно 100 лет назад. В то время трубы получали методом штранг-прессования.
Подобная технология сохранилась, например, при производстве
фторпластовых труб.
Шнековая экструзия труб – метод непрерывного формования
изделий или заготовок продавливанием расплава полимерного материала через формующую головку с каналами необходимого
профиля. Для приготовления расплава с необходимыми параметрами, в числе которых температура, давление, гомогенность и
структура, обычно используют шнековые экструдеры [1-8].
Производство различных типоразмеров монолитных труб
(рис 3.1) методом экструзии осуществляется чаще всего путем
подготовки расплава в экструдере и формования экструдата в
виде полого цилиндра, последующими калиброванием (вакуумным или пневматическим) и охлаждением. В конце экструзионной линии размещают маркирующие, мерительные, тянущие и отрезные устройства, накопители мерных труб (или
намотчики длинномерных труб), а также средства упаковки. В
состав трубных линий могут входить дополнительные экструдеры для нанесения цветовых полос, характеризующих область применения, а также специальных покрытий (например,
кислородных барьеров), стационарные толщиномеры, фильтры расплава, электронные средства автоматического управления (контроллеры и компьютеры) и другие устройства. При
производстве раструбных труб в состав трубных линий включают узлы для формования раструбов.
Диаметры монолитных гладких труб достигают 2000 мм.
Длина труб обычно ограничивается возможностями их транспортировки.
При изготовлении мягких трубок, например, из пластифи-
43
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
цированного ПВХ или некоторых резиноподобных композиций
термоэластопластов (ТЭП), обычное калибрование не требуется,
а формование и охлаждение трубок производится при вытяжке
расплава.
Производство труб, как правило, размещается в специальных помещениях. Трубные заводы имеют инфраструктуру в виде компрессорных станций, градирен для кондиционирования
охлаждающей воды, а иногда и холодильных станций для получения теплоносителей, охлажденных ниже 0ºС. В качестве примеров экзотического варианта можно привести способы производства монолитных труб неограниченной длины на движущемся по воде судне или сухопутном транспортном средстве.
Немонолитные трубы [2, 3] можно разделить на 2 основных вида: гофрированные (рис.3.1) и спиральновитые (рис.3.2).
В первом случае формуется полый цилиндр, который затем может гофрироваться, или покрываться гофрированным и гладким
слоями с помощью дополнительных экструдеров. Во втором –
формуется профиль разнообразного строения, наматывается на
вращающиеся оправки, причем спирально навитые слои свариваются друг с другом.
Профилированные трубы могут изготавливаться также с
применением заранее изготовленных профилей, например, из
готовой трубы кольцевого сечения малого диаметра (40-63 мм),
которые наматываются спиралью с одновременным формированием основной достаточно тонкой двухслойной трубы большого диаметра с ровной поверхностью методом соэкструзии
(рис. 3.3).Таким методом производят трубы диаметром до
5000мм.
Наряду с основными технологиями получения немонолитных труб существуют менее распространенные специальные
процессы. Например, спиральные трубы могут собираться из
профилей непосредственно на месте монтажа.
44
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3.1. Монолитные и гофрированные трубы: трубы круглого
сечения; труба с плоским «дном». Схема стенки гофрированной
трубы: De - наружный диаметр; Di - условный проход; e5 - толщина
стенки; L1 - ширина профиля
Рис. 3.2. Схема стенки спиральновитой трубы
45
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3.3. Профилированные трубы разрез с изделия с разреженной
намоткой
3.1. Общее представление об экструдерах
Основным оборудованием производства труб методом
экструзии служат шнековые машины.
Шнековые экструдеры могут быть различных типов: одно- и двухшнековые, универсальные и специализированные, и
т. п. [1].
Наиболее простым является одношнековый экструдер без
зоны дегазации (рис. 3.4).
Основными элементами экструдера являются обогреваемый цилиндр, шнек (с охлаждением или без него), сетки, размещаемые на решетке, и формующая головка.
46
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3.4. Схема одношнекового экструдера: 1 — бункер; 2 — шнек;
3 — цилиндр; 4 — полость для циркуляции воды; 5 — нагреватель; 6 — решетка
с сетками; 7 — формующая головка; I, II, III — технологические зоны [1]
В зависимости от природы полимера, технологических
режимов переработки применяются шнеки различного профиля, в частности с различным характером изменения глубины
нарезки по длине шнека (рис. 3.5).
В зависимости от вида выпускаемого изделия применяют
либо коротко-, либо длинношнековые машины, т.е. с малым или
большим отношением длины L к диаметру D шнека (L/D)
(рис. 3.5). Значения D и L/D являются основными характеристиками одношнекового экструдера [1] .
47
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3.5. Основные типы шнеков: а — шнек общего назначения
с тремя (I, II, III) геометрическими зонами; б — шнек для
переработки высококристаллических полимеров; в — шнек
для экструзии ПВХ; D — наружный диаметр; L — длина
(технологическая) шнека; h — глубина нарезки шнека [1]
Следует отметить, что современные экструдеры устроены значительно сложнее, чем простейшая машина, изображенная на рис. 3.4 и, особенно экструдеры для производства
труб больших диаметров, имеют много зон термостатирования цилиндра и головки, имеющих как электронагреватели,
так и воздушные охлаждающие устройства на зонах цилиндра
(рис 3.6). Актуальность охлаждения цилиндра объясняется
необходимостью отвода автогенного тепла, выделяющегося
при работе современных экструдеров на высоких скоростях.
48
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3.6. Экструдер с головкой
Конструкции современных шнеков очень разнообразны
и дифференцированы для переработки различных полимеров
и композиций.
3.2. Основные процессы, протекающие при экструзии
В простейшем случае технологический процесс экструзии
складывается из последовательного перемещения твердого материала, а затем расплава, вращающимся шнеком в технологических зонах экструдера: питания, пластикации, дозирования
расплава, изображенных на рис 3.4.
Деление цилиндра и шнека на зоны осуществляется по
технологическому признаку, и название зоны указывает на то,
какую операцию в основном выполняет данный участок шнека.
Разделение шнека на зоны условно, поскольку в зависимости
от природы перерабатываемого полимера, температурноскоростного режима процесса и других факторов, начало и
49
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
окончание определенных операций могут смещаться вдоль
шнека, захватывая различные зоны или переходя из одного
участка в другой [1].
Цилиндр имеет зоны регулирования температуры определенной длины. Длина этих зон определяется расположением
нагревателей и охладителей на его поверхности и их температурой. Границы зон шнека и зон обогрева цилиндра могут не совпадать. Для устойчивой работы экструдера большое значение
имеют условия продвижения твердого материала из загрузочного бункера и заполнение межвиткового пространства шнека,
находящегося под воронкой бункера.
Загрузка сырья. Исходное сырье для экструзии, подаваемое в бункер, может быть в виде порошка, гранул, лент. Дозирование лент характерено для переработки резиновых смесей, отходов промышленного производства пленок, концентратов и
осуществляется принудительными питателями-дозаторами, устанавливаемыми в бункерах или сбоку экструдера. Равномерное
дозирование материала из бункера обеспечивает хорошее качество экструдата, стабильные геометрические размеры и показатели внешнего вида труб.
Гранулы - лучшая форма материала для питания экструдера. Гранулы полимера меньше склонны к "зависанию", образованию пробок в бункере, чем порошок. Порошкообразный
материал может слеживаться в процессе хранения и транспортировки, в том числе и при прохождении через бункер. Гранулированный материал в отличие от порошка имеет постоянную насыпную массу. Качество питания шнека зависит от формы частиц сырья и их плотности. Гранулы, полученные резкой
заготовки на горячей решетке гранулятора, не имеют острых углов и ребер, что способствует их лучшей сыпучести. Гранулы,
полученные холодной рубкой прутка-заготовки (стренга), имеют
острые углы, плоское сечение среза, что способствует их сцеплению и, как следствие, ухудшению сыпучести.
50
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При переработке многокомпонентных материалов для загрузки их в бункер применяются индивидуальные дозаторы:
шнековые (объемные), вибрационные, весовые, и которые могут объединяться в каскады. Если порошкообразные материалы
или липкая крошка имеют нестабильную сыпучесть, то в бункерах образуются "своды", зависающие на стенках бункера. Для
устранения зависания необходимо в бункер помещать ворошители ( рис. 3.7).
Рис. 3.7. Бункер с ворошителем [9]
Для увеличения производительности экструдера гранулы
можно предварительно подогреть. Применяя приспособления
для принудительной подачи материала из бункера на шнек
(рис. 3.8), также удается существенно повысить производительность машины (в 3–4 раза).
Уровень сырья в бункере также влияет на полноту заполнения шнека. Поэтому бункер снабжен специальными автоматическими уровнемерами, по команде которых происходит загрузка бункера материалом до нужного уровня.
51
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3.8. Одно- , двухшнековые устройства для принудительной
подачи материала из бункера на шнек экструдера и вибропитатель [9]
При уплотнении материала в межвитковом пространстве
шнека вытесненный воздух выходит обратно через бункер. Если
удаление воздуха будет неполным, то он останется в расплаве и
после формования образует в изделии нежелательные полости.
Для предотвращения перегрева зоны загрузки цилиндра и
повышения производительности экструдера в нем делаются полости для циркуляции охлаждающей воды ( рис. 3.4, поз. 4).
Зона питания (I, рис. 3.4) [1]. Поступающие из бункера
гранулы заполняют межвитковое пространство шнека зоны I и
уплотняются. Уплотнение и сжатие гранул в зоне I происходит,
как правило, за счет уменьшения глубины нарезки h шнека. Если температура цилиндра такова, что начинается преждевременное плавление полимера у его стенки, то материал будет
проскальзывать по этой поверхности, т. е. вращаться вместе со
шнеком. Поступательное движение материала прекращается.
При оптимальной температуре полимер спрессован, уплотнен и
образует в межвитковом пространстве твердую пробку. Лучше
всего, если такая скользящая пробка образуется и сохраняется
на границе зон I и II. Свойства пробки во многом определяют
производительность машины, стабильность транспортировки
полимера, величину максимального давления и т.д.
Зона пластикации и плавления (II рис. 3.4) [1]. В начале
зоны II происходит плавление полимера, примыкающего к поверхности цилиндра. Поскольку глубина нарезки шнека уменьшается по мере продвижения материала от зоны I к зоне III, то
возникающее давление заставляет пробку плотно прижиматься к
52
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
горячей стенке цилиндра, где и происходит плавление полимера.
В зоне пластикации пробка плавится под действием тепла,
выделяющегося вследствие внутреннего, вязкого трения в расплаве, где происходят интенсивные сдвиговые деформации, материал пластицируется. Расплав интенсивно гомогенизируется, а
составляющие композиционного материала перемешиваются.
Конец зоны II характеризуется распадом пробки на отдельные фрагменты. Далее расплав полимера с остатками твердых
частиц попадает в зону дозирования. Уменьшающаяся глубина
нарезки шнека создает давление, которое необходимо для продавливания расплава через фильтрующие сетки, подачи его в головку, уплотнения и в итоге — для выхода сформованного изделия.
Основной подъем давления Р расплава происходит на границе зон I и П. На этой границе образующаяся пробка из спрессованного материала как бы скользит по шнеку: в зоне I это
твердый материал, в зоне II — плавящийся. Наличие пробки и
создает основной вклад в повышении давления расплава. Запасенное на выходе из цилиндра давление расходуется на преодоление сопротивления сеток, течения расплава в каналах головки
и формования изделия.
Зона дозирования (III рис. 3.4) [1]. Продвижение гетерогенного материала, представляющего собой смесь расплава и нерасплавленных частиц твердого полимера, сопровождается выделением внутреннего (автогенного) тепла, которое является результатом интенсивных сдвиговых деформаций в полимере. Расплавленная масса продолжает гомогенизироваться, остатки твердого полимера плавятся, вязкость и температура расплава усредняются. В межвитковом пространстве расплав имеет ряд потоков,
основными из которых являются продольный и циркуляционный.
Величина продольного потока (вдоль оси шнека) определяет производительность экструдера Q, а циркуляционного — качество
гомогенизации полимера или смешения компонентов.
В свою очередь, продольный поток складывается из трех
53
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
потоков расплава: прямого, обратного (по шнеку) и потока утечек. Сетки фильтров, другие локальные гидравлические сопротивления, трение о поверхность цилиндра и шнека создают противоток. Часть материала перетекает в направлении противотока
в зазор между гребнем шнека и поверхностью цилиндра.
Течение расплава через сетки и формующую оснастку
[1]. Вращающимся шнеком расплав продавливается через фильтры: металлические сетки. Сетки фильтруют, гомогенизируют и
создают сопротивление движению расплава, на них теряется
часть давления. Механические примеси задерживаются сетками и
через некоторое время их вместе с сеткой удаляют из цилиндра
экструдера. После прохождения сеток гомогенизированный расплав под остаточным давлением (Р = 5.0÷35 МПа) продавливается в формующую оснастку и, приобретая форму трубы, выходит
под небольшим избыточным давлением из головки.
Для получения качественных изделий необходимо, чтобы
заключительный отрезок формующего инструмента имел постоянное сечение. В этом случае происходит наиболее полное выравнивание профиля скоростей движения расплава, проходят
релаксационные процессы, ликвидируется пульсация и т. д.
Экструзия большинства расплавов термопластов происходит в следующих интервалах скоростей сдвига и напряжений
сдвига: lg(γ, с-1) = 2÷3; lg(τ, Па) = 4.5÷5.5.
Основные параметры процесса экструзии [1]. К основным технологическим параметрам экструзии относятся температура цилиндра и шнека по зонам, давление расплава, температура зон головки, калибрующее давление или вакуум, скорости
вращения шнека и отвода трубы, а также и температурные режимы охлаждения сформованного экструдата.
Основной характеристикой формующей оснастки (вместе с
фильтрующими сетками) является коэффициент сопротивления
течению расплава К. Нарастание давления на фильтрующих сетках служит показателем засорения, т. е. увеличения сопротивле-
54
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ния сеток и, следовательно, сигналом к их замене. Показателем
работы экструдера является его эффективность — отношение
производительности к потребляемой мощности.
Роль свойств материала при экструзии. Как уже отмечалось выше, большинство термопластов, термоэластопластов и
композиций на их основе могут перерабатываться экструзией.
Для этого необходимо, чтобы время пребывания расплава в экструдере при данной температуре было меньше времени термостабильности полимера при той же температуре. Естественно, это
требование обычно недостаточно для организации стабильного
промышленного производства полимерных труб, которое выдвигает целый ряд дополнительных требований к таким полимерам
как ПНД и ПВД, ПВХ (пластифицированный и непластифицированный), ПП, ПА, а также композициям на их основе. Технологичность материала в производстве труб, т. е. возможность получения из данного полимера или композиции изделия надлежащей
формы с желаемыми свойствами, зависит от химического строения цепи, макромолекулярной, надмолекулярной структуры полимера и состава композиции. В производственной практике, в
первом приближении, технологичность многих полимерных материалов оценивают по вязкости расплава.
Для производства труб методом экструзии обычно применяются материалы, имеющие сравнительно высокую (по сравнению с литьевыми марками) вязкость, а также упругость расплава, что необходимо для сохранение формы трубы после
формования и калибрования, в процессе охлаждения материала
до твердого состояния. Этот технологический параметр называют формоустойчивостью. Слишком вязкие материалы плохо перерабатываются методом экструзии из-за большого сопротивления течению расплава, возникновения неустойчивого режима
движения потока. Все это приводит к образованию дефектов изделий. Повышение температуры переработки может привести к
термодеструкции расплава, а увеличение давления, мощности
55
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
привода при более низких температурах — к механодеструкции,
т. е. для экструзии расплавов должны применяться полимеры с
довольно узким интервалом варьирования вязкости [1]. В общем
случае, выбирая материал для производства труб, анализируют
как его свойства в условиях эксплуатации, так и поведение расплава при переработке. Хорошим примером может быть оптимизация экструзионных марок ПЭ, описанная в разделе 2.1.
Производительность экструзионной установки [7]. Производство полимерных труб с применением шнековой экструзии
в качестве метода подготовки расплава представляет собой непрерывный процесс, состоящий из ряда параллельных и последовательных взаимосвязанных операций, происходящих в шнековой машине и за ее пределами. Это транспортирование, нагрев, плавление, перемешивание и пластикация материала и подача его под давлением в экструзионную головку; течение расплава по каналам головки и формирование экструзионной заготовки; пластическое деформирование и охлаждение заготовки и
формование конкретного изделия; окончательное охлаждение
изделия, его резка или намотка.
В непрерывном процессе производительность всей установки определяется скоростью самой медленной операции.
Обычно для многих видов экструзионных процессов – это стадия охлаждения и калибрования. В принципе, максимальная и
минимальная производительность одношнекового пластицирующего экструдера, на котором осуществляется технологический процесс изготовления конкретного изделия, известна. Она
определяется геометрическими характеристиками шнека (диаметром, глубиной нарезки, длиной нарезанной части, конструкцией и распределением зон шнека и т.д.), диапазоном скорости
вращения шнека, свойствами перерабатываемого материала
(реологическими, теплофизическими). Максимальная же производительность линии определяется способностью системы охлаждения пропустить требуемoe количество продукции в еди-
56
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ницу времени. В пределе она стремится к максимальной (пластикационной) производительности экструдера [7].
Приводимые в рекламной и технической документации
данные по производительности экструдера относятся к переработке пластифицированного ПВХ (если специально не указывается, по какому материалу приводятся данные). Поэтому при переработке различных термопластов максимальная производительность экструдера может варьироваться в довольно широких
пределах. Приблизительно можно «прикинуть» максимальный
расход для любого термопласта введением поправочного коэффициента на тип материала. Например, для одношнековых экструдеров, оснащенных стандартными трехзонными шнеками и
при использовании одинаковых головок, приводятся [7] следующие поправочные коэффициенты (индексы производительности):
ПВХ пластикат — 1,0; ПВД — 0,8; ПНД — 0,6; НПВХ — 0,5; полистирол — 0,45; полипропилен — 0,4; полиамиды — 0,35, т. е.
даже при правильном подборе геометрии шнека и параметров
технологического режима переработки только смена материала
может значительно снизить расчетную производительность, на
которую ориентируются при дальнейших расчетах.
Зная максимальную весовую производительность экструдера при переработке конкретного термопласта, можно рассчитать максимально возможную скорость отвода изделия, то есть
«погонажную» производительность:
G
V0 =
,
(3.1)
60q
где G — массовая производительность линии, кг/мин.; q — масса 1 м погонажного изделия, кг/м.
Погонажную скорость экструзии определяют с помощью
теплофизических расчетов или по аналогии с экструзией подобных изделий на линиях, по составу и конструкции близких к
имеющейся.
57
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3.3. Общие принципы технологии производства
полимерных труб
Технологическая схема производства. Процесс получения гладких, перфорированных, армированных, гофрированных
труб и шлангов имеет общие технологические стадии, такие как:
формование исходной заготовки методом экструзии расплава
через головку; калибровка; одно- или двухстадийное охлаждение готового изделия в процессе его равномерной транспортировки; резка, упаковка, а также много специальных стадий необходимых для реализации в производстве соответствующих
требований технологии и технических требований на изделия.
Например, напорные трубы обязательно маркируются горячим
инструментом или несмываемой краской.
Полимерные трубы являются весьма ответственным видом
изделий, так как они предназначены для работы под давлением,
под осевым нагружением; кроме того, геометрические размеры
труб должны точно соответствовать техническим требованиям.
Наиболее простая схема получения гладких труб среднего диаметра показана на рис. 3.9 [1].
Рис. 3.9. Технологическая схема агрегата для получения труб:
1 — экструдер; 2 — прямоточная кольцевая (трубная) головка;
3 — термоизоляционное кольцо; 4 — калибрующе-охлаждающее устройство;
5— ванна с водой; 6 — тянущее устройство; 7 — отрезное устройство;
8 — приемное устройство; 9 — труба [1]
58
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Гранулы полимера направляются в бункер экструдера 1.
Расплав продавливается в прямоточную кольцевую головку 2,
к которой примыкает теплоизолирующая кольцевая втулка 3.
К головке, через втулку, соосно с дорном головки, крепится
калибрующее устройство 4. В калибраторе происходит калибровка экструзионной заготовки до необходимых размеров либо по внутреннему, либо по внешнему диаметру. Здесь же
труба частично охлаждается и приобретает формоустойчивость, достаточную для дальнейшего охлаждения. Частично
охлажденная и калиброванная труба далее поступает в ванну
5, где окончательно охлаждается проточной водой, после чего
проходит счетно-маркирующее устройство. Все движение
экструдата и трубы после головки осуществляется тянущим
устройством 6, захватывающие элементы которого соответствуют профилю гладкой или гофрированной трубы. После тянущего устройства трубы большого диаметра режутся отрезным устройством 7 на мерные отрезки, а трубы малых диаметров и шланги наматываются на барабан или в бухты. Готовые изделия собирают в накопитель 8 и транспортируют на
склад.
Вышеприведенная схема производства труб рентабельна
для получения изделий наружным диаметром DH до 400 мм, а
трубы диаметром более 400 мм изготавливают иными способами: методами центробежного литья, намоткой лент из полимера на дорн с последующей сваркой или склейкой слоев,
спеканием порошка.
Вместе с тем в высокоразвитых странах мира, а с начала
80-х годов прошлого века и в СССР (на Казанском трубном
заводе), методом шнековой экструзии производятся монолитные ПЭ трубы DH до 1200 мм. В последние годы освоен выпуск монолитных труб больших диаметров на ряде других
Российских заводов. В мировой практике много лет широко
применяются монолитные ПЭ трубы DH до 1600 мм. Имеются
59
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
сообщения об организации производства ПЭ трубы DH
2000мм. На рис. 3.10-3.12 изображены трубные линии, различного назначения.
Рис. 3.10. Экструзионная линия для производства труб
(Dн до 800 мм из ПВХ)
Линия изображенная на рис. 3.10 комплектуется двухшнековыми экструдерами с коническими шнеками или двухшнековыми экструдерами с параллельными шнеками, трехленточным, четырехленточным или шестиленточным тянущим устройством, отрезным устройством планетарного типа и другим
оборудованием.
60
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3.11. Экструзионная линия с гофратором
Формующий комплекс линии на рис. 3.11 состоит из формующей головки экструдера и системы формующих блоков.
Формующие блоки могут легко заменяться на новые и имеют
водяную или воздушную систему охлаждения. В зависимости от
физических свойств используемого сырья для производственной
линии могут изготавливаться специально спроектированные
экструдеры.
В процессе экструдирования возможно формование раструбов. Высокая точность обрезки гарантируется обрезным устройством роторного типа. На линию может устанавливаться автоматизированная система управления производством.
61
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3.12. Экструзионная линия для производства труб
( Dн до 1200 мм из ПНД)
Главной машиной линии по производству труб из ПНД
(рис. 3.12) является высокоэффективный одношнековый экструдер со специальным барьерным шнеком, который обеспечивает
полное расплавление сырья и высокую производительность.
Компьютерная система управления, модульный контроль температуры, обеспечивают эффективное управление процессом.
Экструзионная головка со спиральным распределением расплава позволяет производить одно- и двухслойные трубы для газои водоснабжения. Вакуумно-калибровочная и многозонная охлаждающая системы обеспечивают легкий пуск и высокую скорость производства труб с большой толщиной стенки и большого диаметра.
62
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3.13. Экструзионная линия для производства труб
малых диаметров из различных материалов
В линии изображенной на рис. 3.13, используется высокоэффективный экструдер со шнеком конструкции барьерного типа, обеспечивающей низкую температуру пластификации и высокую производительность. Формующая головка спирального
типа. Вакуумно-калибровочная и многозонная охлаждающая
система. Экструдер имеет высокую степень автоматизации, оборудован сенсорным экраном и системой сигнализации.
Линия многофункциональна, производит трубы из ПЭ, ПБ,
ABS, ПП, сшиваемого ПЭ или ПА-11. Обычно линии для производства труб малых диаметров снабжаются намоточными устройствами (рис. 3.14).
Рис. 3.14. Намоточное
устройство
63
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Традиционные формующие головки. Для формования
труб, шлангов, профилей используют формующие головки различных конструкций.
Для производства труб (гладких, гофрированных, перфорированных) и шлангов применяют кольцевую прямоточную
головку (рис. 3.15). Толщину стенок и эксцентриситет стенки
экструзионной трубчатой заготовки регулируют вращением нескольких регулировочных винтов 3. Давление расплава в головке находится в пределах 15—20 МПа (реже 30 МПа). К дорну 10
крепится трос 5, который удерживает уплотнительные пробки,
скользящие по внутренней поверхности трубы. Пробки нужны
для создания внутреннего давления в трубной заготовке для ее
калибрования по наружному диаметру. При калибровании по
внутреннему диаметру и вакуум-калибровании пробки не применяют.
Рис. 3.15. Прямоточная кольцевая головка для изготовления
труб и шлангов: 1 — штуцер для подвода сжатого воздуха;
2 — корпус; 3 — регулировочные винты; 4 — крепежное устройство;
5 — трос для удержания скользящих пробок в калибрующем устройстве; 6 — трубная заготовка; 7 — канал для поступления в трубу сжатого воздуха; 8 — матрица; 9 — дорнодержатель; 10 — дорн [1]
64
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Конструкции головок постоянно совершенствуются и
дифференцируются (рис. 3.16). В конструкции головки для ПВХ
(рис. 3.16а) учитывают низкую термостойкость материала. Головка обеспечивает оптимальное течение расплава по всему каналу, исключая образование зон застоя.
а)
б)
Рис. 3.16. Схема головки для переработки: а – ПВХ; б – ПНД
65
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Конструктивные особенности головки, изображенной на
рис 3.16 б, обеспечивают низкий перепад давления и температуры расплава, высокую скорость вытяжки, хорошую гомогенизацию расплава.
Калибрующее устройство. При производстве труб и
шлангов применяют два вида калибровки: по наружному и по
внутреннему диаметру трубы или шланга. На рис. 3.17 показана
схема пневматической (избыточным давлением) калибровки
трубы по наружному диаметру. Это трубная рубашка (4, 5), в
которую через штуцер подается холодная вода. Эта насадка
прикрепляется к головке через термоизоляционное кольцо 2. В
трубу нагнетается сжатый воздух через каналы в дорне головки
(1, 7). Внутри трубы-заготовки помещают несколько скользящих
пробок с резиновыми манжетами, чтобы поддерживать высокое
давление воздуха. Пробки крепятся тросом 6 к дорну головки.
Рис. 3.17. Схема калибрующего устройства с применением внутреннего давления (калибровка трубы по наружному диаметру)
1 — трубная головка экструдера; 2 — термоизоляционное кольцо;
3 — экструзионная трубная заготовка; 4 — калибрующая пустотелая
труба; 5 — водяная рубашка; 6 — трос; 7 — скользящие пробки;
8 — калиброванная труба; DH — наружный диаметр трубы;
S — толщина стенки трубы; L — длина охлаждающей зоны;
Т0 и Ti — температуры на входе в насадку и на внутренней поверхности
трубы; Тm — средняя температура стенки трубы на выходе из насадки;
Т01 и T02 — температуры внутренней поверхности насадки в начале и
конце контакта с трубой [1]
66
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Сравнительно недавно считалось, что пневматическая калибровка незаменима для производства труб больших диаметров, а вакуумная калибровка (прижим заготовки к перфорированному или пластинчатому калибратору осуществляется вакуумом, создаваемым в герметичной ванне) применялась для
получения шлангов, но в последние годы освоена вакуумная калибровка всех размеров труб. Некоторые разновидности калибраторов изображены на рис. 3.18 ÷ 3.20.
Рис. 3.18. Калибратор вакуумный.
Назначение: калибровка ПВХ-труб
диаметром 10-630 мм. Принцип
действия: интенсивное охлаждение
Рис. 3.19. Калибратор вакуумный.
Назначение:
калибровка
ПНД-труб
диаметром
10-110
мм.
Принцип
действия: интенсивное охлаждение с
дополнительным водяным кольцом
67
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3.20. Калибратор вакуумный. Назначение: калибровка
ПНД-труб диаметром 110-1200 мм. Принцип действия:
интенсивное охлаждение разбрызгиванием
Недавно появившиеся калибраторы регулируемого сечения облегчают регулировку размеров труб.
Калибровка гофрированных труб происходит в гофраторах
различной конструкции (рис. 3.21 ÷ 3.23).
68
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3.21. Вертикальный гофратор
Для калибровки трубы по внутреннему диаметру применяют перфорированный калибратор, охлаждаемый водой, или
для интенсификации охлаждения, хладагентом с температурой
ниже 0ºС и соединенный с вакуумной линией. Низкотемпературные хладагенты применяются, например для калибровки
первого слоя многослойной гофртрубы (рис. 3.23).
69
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3.22. Горизонтальный гофратор
Калибратор, помещенный внутрь трубы, разделен на три
зоны. В первую подается охлаждающая вода или хладоагент, во
второй, где и происходит калибровка, создается вакуум. В этой
зоне калибровочная насадка перфорирована. В третьей зоне
происходит охлаждение калиброванной трубы.
70
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3.23. Зона формования и калибровки линии
по производству гофрртуб
Охлаждающие ванны. Калиброванные трубы охлаждают
в каскаде ванн, заполненных водой или имеющих оросители
(рис. 3.24, 3.25). В первых ваннах линий с вакуумным калиброванием поддерживается постоянный вакуум.
Рис. 3.24. Охлаждающая ванна
71
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3.25. Каскад охлаждающих ванн.
По торцам каждой ванны имеются герметизированные
эластичными уплотнителями отверстия для входа и выхода трубы. Внутри ванны помещаются ролики, которые поддерживают
трубу.
Тянущее устройство. В производстве монолитных труб
обычно применяют роликовые, гусеничные комбинированные
тянущие устройства с механическим, гидравлическим или пневматическим зажимом трубы (рис. 3.26). Элементы тянущего
устройства обрезинены для лучшего сцепления с поверхностью
изделия.
72
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3.26. Шеститраковое
тянущее устройство
Для намотки тонких труб и шлагов используют намоточные устройства.
Отрезное устройство. Для получения труб заданной длины применяют различные отрезные устройства: дисковые пилы,
резцы и гильотины. При производстве мерных труб отрезные
устройства включаются автоматически.
Рис. 3.27. Отрезные устройства и пилы
Отрезные устройства (рис. 3.27) в процессе резания перемещаются вместе с трубой, и после ее разрезания возвращаются
в исходное положение. В качестве рабочих элементов пил предлагают, в частности, беззубые диски, не дающие отходов.
73
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Описанный выше состав трубной линии можно охарактеризовать, как минимально необходимый. Состав современных
линий обычно включает многочисленные дополнительные устройства, например автоматический узел по изготовлению раструбов (рис. 3.28).
Рис. 3.28. Автоматический узел по изготовлению раструбов
Технологический режим процесса. При выборе технологии производства труб необходимо знать конструкцию трубы,
технические характеристики сырья, наружный диаметр DH и
толщину стенки трубы δ, а также допуски на них. Технологические параметры экструзии труб подбирают, учитывая, кроме
экономических соображений, большую молекулярную массу
трубных марок полимера и необходимость сохранения исходной
макромолекулярной структуры, обеспечивающей необходимые
эксплуатационные свойства труб, а также показателей внешнего
вида.
Выбор оптимальных технологических параметров производства, естественно, остается важной задачей технологов, которая решается на практике экспериментально. Вместе с тем полезно использовать и априорную информацию. Так, например
известны рекомендации о снижении максимального уровня тем-
74
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
пературного профиля экструдера при переработке ПНД ниже
210°С.
Очень важное значение для всего процесса имеет длина
охлаждающей части насадки. Это объясняется несколькими
причинами: 1) следует избегать быстрого охлаждения трубыэкструдата, чтобы свести к минимуму неравномерность усадки и
предупредить образование пустот и дефектов в стенке трубы, а
также уменьшить уровень остаточных напряжений; 2) длина насадки зависит от размеров, свойств полимера, температуры расплава на выходе из головки и скорости выхода экструдата; 3)
длина насадки должна быть достаточна (при всех прочих условиях экструзии и т. п.) для охлаждения трубы к моменту фиксации ее геометрических размеров и иметь достаточную формоустойчивость при попадании в агрегаты окончательного охлаждения; 4) повышенная длина насадки ведет к увеличению силы
трения между ее поверхностью и неподвижной поверхностью
насадки, т. е. к увеличению усилия отвода трубы, а в крайнем
случае — к необратимому деформированию трубы в насадке [1].
Влияние параметров переработки на свойства труб [1].
Наибольшее влияние на свойства труб оказывает такая стадия
технологической схемы производства, как калибрование с одновременным частичным охлаждением.
При калибровании труб по внешнему или внутреннему
диаметру заготовка деформируется при радиальном растяжении.
В зависимости от увеличения диаметра заготовки замораживаются остаточные напряжения ориентированных цепей либо на
внешней, либо на внутренней поверхности.
Если раздув велик, то замороженная ориентация цепей
проявится при эксплуатации труб при повышенных температурах: труба необратимо деформируется. То же самое, но в продольном направлении происходит при значительной вытяжке
расплава тянущим устройством. Таким образом, при калибровании необходимо стремиться как можно меньше деформировать
75
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
заготовку в радиальном и осевом направлениях. Оптимальная
степень относительной деформации в радиальном направлении
для труб — 10-20 %.
Скорость охлаждения заготовки при калибровании.
Наружное охлаждение труб из полимерных материалов, обладающих сравнительно низкой теплопроводностью, приводит к
созданию значительных внутренних напряжений, называемых
экструзионными. Наружные слои труб сжаты, а внутренние растянуты (рис. 3.29). Экструзионные напряжения суммируются с
напряжениями от давления транспортируемой среды (растягивающими), и поэтому учитываются при прогнозе эксплуатационной надежности труб.
Рис. 3.29. Эпюры распределения остаточных напряжений σ по
толщине трубы δтр, полученной при калибровании по внешнему диаметру: σ + — растягивающие, σ - — сжимающие напряжения [1]
Уровень напряжений оказывает существенное влияние на
показатели производственных испытаний: на тепловую усадку и
также на долговечность изделий при различных температурах
испытаний. С повышением остаточных напряжений долговечность изделий резко снижается.
76
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Параметры экструзии изделий. С увеличением температуры экструдата условия для релаксации напряжений улучшаются, однако перепад температур между поверхностью трубы и
калибровочного устройства также растет. Чем выше перепад
температур, тем больше вероятность создания остаточных напряжений.
Если при этом повысить и температуру поверхности калибрующей насадки, то произойдет наиболее полная релаксация
внутренних напряжений. Долговечность изделий возрастает.
Однако в этом случае необходимо увеличить длину калибрующей насадки.
Виды брака при производстве труб. Шероховатая наружная или внутренняя поверхность труб получается: 1) при
наличии в материале повышенного содержания влаги или летучих; 2) при загрязнении поверхности формующей части головки; 3) в случае низкой температуры расплава. В последнем случае происходит неустойчивое течение расплава (эластическая
турбулентность). Поскольку температура мала, то при калибровании крупные выступы на поверхности трубной заготовки не
смогут разгладиться. Поверхность трубы, которая не калибруется, сохранит или даже усилит тот уровень шероховатости, который получился при экструзии заготовки.
Вместе с тем возможно появление дефектов внешнего вида, обусловленных нежелательной сшивкой полимера при
слишком высокой температуре переработки.
Несоответствие геометрических размеров изделия чертежам на него может происходить из-за неполадок в оборудовании: 1) разнотолщинность — из-за неотрегулированного формующего зазора щели; 2) овальность — из-за смещения дорна
относительно оси симметрии дорн—мундштук или из-за овальности калибрующей насадки и т. п.
Продольные трещины, как непосредственно видимые после изготовления, так и возникающие при контрольных испыта-
77
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ниях труб, образуются из-за плохой сварки потоков расплава
полимера при его рассечении дорнодержателем. Свариваемость
улучшается, если увеличить взаимодиффузию сегментов поверхности отдельных потоков расплава. Последнее достигается
увеличением температуры расплава, а также повышением давления.
Концентрические складки, кольца по длине трубы образуются: 1) из-за большой пульсации расплава полимера при экструзии; 2) из-за неравномерного по времени охлаждения; 3) изза неравномерной скорости отвода трубы тянущим устройством.
Низкий уровень механических свойств, долговечности при
эксплуатации обусловлен наличием высоких остаточных напряжений. Необходимо изменить температуру, скорость выхода
экструдата и температурно-временные условия предварительного охлаждения трубной заготовки так, чтобы произошла максимальная релаксация напряжений.
Повышенная усадка при тепловых испытаниях изделий
связана с высоким уровнем ориентации цепей полимера либо в
осевом, либо в радиальном направлении. Это негативное явление устраняется за счет уменьшения степени радиальной и осевой вытяжки труб на стадии калибрования, а также за счет наиболее полной релаксации напряжений.
Роль качества сырья. Причинно-следственные связи дефектов и технологических факторов, рассмотренные выше, конечно не могут отразить все разнообразие причин брака в трубном производстве. Ясно, что многие виды брака обусловлены
как спецификой конструкции различных видов труб (например
многослойных, витых, гофрированных и армированных), так и
особенностями сырья.
Следует отметить, что современные экструзионные линии,
снабженные надлежащей оснасткой, обеспечивают эффективное
ведение процесса производства труб при условии высокой квалификации машинистов экструдеров и надежном контроле про-
78
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
цесса. В этом случае основными причинами брака могут быть
колебания свойств сырья. Для устойчивого ведения процесса
необходим надлежащий входной контроль сырья по показателям, характеризующим, как макромолекулярную структуру полимерных компонентов материала, так и состав композиций.
Следует контролировать также эффективность стабилизирующих систем.
Библиографический список
1. Власов, С.В. Основы технологии переработки пластмасс:
учебник для вузов/ С.В. Власов [и др.].- М.:Химия, 2004. - 600 с.
2. Рекламные материалы Drossbah. - 2003. – 54с.
3. Рекламные материалы Krah. - 2006. – 42с.
4. Рекламные материалы Battenfeld. - 2003. – 30с.
5.Володин В.П. Экструзионная оснастка / Пластикс. №2(16).
2004. 30-36 с.
6. Володин, В.П. Конструкции экструзионной оснастки /
В.П.Володин // Пластикс. - 2004. - №3(17). – С. 39-46.
7. Володин В.П. Конструкции экструзионной оснастки /
В.П.Володин// Пластикс. - 2004. - №4(18). – С. 49-52.
8. Рекламные материалы Shenk. - 2005. – 24с.
79
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4. АКТУАЛЬНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ
И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА
ПОЛИМЕРНЫХ ТРУБ
После замены штранг-прессования на шнековую экструзию и
разработки немонолитных труб метод производства полимерных труб принципиально не изменялся. Вместе с тем техника и технология производства полимерных труб постоянно
совершенствуется и можно говорить о регулярном появлении
актуальных новаций.
Постоянной тенденцией является увеличение диаметра
выпускаемых труб. Так монолитные трубы выпускают диаметром до 2000 мм, а гофрированные и профилированные – до
5000 мм. В самых больших экструзионных линиях находят воплощение новейшие достижения металловедения, технологии
металлообработки электроники, компьютерной технологии и
других отраслей техники.
В современных технологиях производства труб используется семейство автоматических систем управления процессом, в которых последовательно решаются задачи ступенчатой
автоматизации:
- централизованного эффективного управления,
- воспроизводимости режимов, зафиксированных в памяти системы управления,
- автоматического документирования процесса, в частности качественных показателей,
- интеграции систем автоматического дозирования нескольких компонентов с работой экструдера и тянущего устройства
- интеграции всех систем и автоматизация всей линии.
Повышение производительности трубных линий является неизменно актуальной задачей технологов. Эта задача решается путем совершенствования конструкции практически всех
узлов экструзионных линий, основных технологических пара-
80
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
метров процесса экструзии и комплексной оптимизации требований к сырью. С этой целью совершенствуются конструкции
загрузочных рифленых (пазовых) втулок, которые в сочетании с
барьерным шнеком обеспечивают увеличение производительности пластикации. Новые конструкции фильер (сита корзинного типа) имеют малое сопротивление течению расплава и, следовательно, уменьшают перепад давления на головке.
Себестоимость труб в основном зависит от стоимости
сырья, поэтому производители труб стремятся получать изделия с минимальными плюсовыми допусками. Риск получения
брака при такой стратегии экономии сырья значительно уменьшается, если экструзионная линия снабжается современными
прецезионными компьютерными устройствами, автоматически
регулирующими толщину стенки труб.
Разработки новых конструкций техники и технологий
производства многослойных армированных, металлполимерных, бипластмассовых и других новых конструкций труб предпринимаются как с как с целью экономии полимерного сырья,
так и для получения труб с очень высокими параметрами эксплуатации, недостижимыми для монополимерных однослойных
труб .
Второй по величине статьей текущих расходов трубного
производства являются энергетические затраты. Для снижения
расхода электроэнергии разрабатывают новые, более технологичные марки полимеров (например полимодальные ПНД),
увеличивают скорость экструзии (используя аномалию вязкости: снижение вязкости с ростом скорости сдвига). Значительную экономию энергозатрат рассчитывают получить разработчики комбинированных технологий производства труб, совмещающих в одной линии компаундирование и экструзию. Экономят энергозатраты и новые экструдеры с прямым приводом
(без ременных передач и редукторов) [1].
81
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Передвижные трубные заводы остались экзотикой, но, в
качестве альтернативной новинки можно отметить новые технологические линии «Plug and play», монтируемые в течение
одного дня [2].
Острая конкуренция между производителями труб стимулирует постоянный рост требований к качеству труб. В результате появились, например, новые технологические решения
в области фильтрации расплавов. Новые самоочищающиеся
фильтрующие системы обеспечивают минимальный и постоянный перепад давления на фильтре. При этом обеспечивается:
- отсутствие нежелательных механических примесей, которые,
как известно, серьезно увеличивают риск разрушения напорных
труб в режиме квазихрупкого растрескивания;
- стабильность размеров трубы, которая нарушается в процессе
забивки примесями традиционных, периодически заменяемых
фильтров.
Современные тенденции развития технологии калибрования предусматривают использование вакуумной техники для
калибрования труб больших диаметров.
Кроме того, освоено производство калибраторов с регулируемым диаметром калибра, что значительно увеличивает
арсенал инструментов технологов, занимающихся интенсификацией и оптимизацией процесса экструзии. Один регулируемый калибратор заменяет все обычные калибраторы данного
диаметра. Использование регулируемых калибраторов позволяет снизить время простоев и количество отходов, поскольку
можно в непрерывном режиме переходить от одной толщины
стенки трубы к другой; экономится материал, в особенности
при нестабильных характеристиках сырья, поскольку точность
оперативной регулировки диаметра достигает 0.01мм [3].
Постоянно развивается и совершенствуется система контроля качества труб как важнейший элемент технологии производства.
82
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рассмотрим подробнее реализацию некоторых актуальных тенденций в производственной практике.
Совершенствование конструкции труб в соответствии с
растущими требованиями потребителей является одним из главных стимулов развития техники и технологии трубного производства. Некоторые конструкции труб изображены на рис.4.14.10 [4, 5,6].
Трубы Dн = 16÷110 мм для радиаторного и напольного
отопления, а также горячего водоснабжения из сшитого полиэтилена (РЕХ) с кислородно-диффузионным барьером из сополимера EVON обычно выпускаются в бухтах, прямых отрезках и
в гофрированных кожухах из ПНД. Рассчитаны на эксплуатацию при максимальной температуре 95ºC (рис 4.1).
Пятислойные металлполимерные трубы (сшитый ПЭ –
клей - алюминиевая фольга - клей- сшитый ПЭ) Dн = 16÷110мм
служат при температуре до 110ºC.
Рис. 4.1. Теплоизолированные полимерные труб
Теплоизолированный водопровод (рис. 4.1), незамерзаемость которого обеспечивают теплоизоляция и прилегающий к
трубе греющий кабель. Предназначен для подачи холодной воды и использования в канализационных сетях. Может прокладываться в зоне промерзания, на поверхности земли, монтироваться на кронштейнах или подвесках. Выпускается в бухтах с
длинами не более 100 м. Рабочее давление составляет 1.0 МПа.
В качестве подающей трубы используется труба, изготовленная
83
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
из полиэтилена ПЭ80. Соединение труб выполняется посредством компрессионных фитингов, стыковой сварки или электросварных фитингов. В качестве теплоизоляционного материала
используется вспененный сшитый ПЭ РЕХ с закрытыми порами.
Защитный кожух выполнен из гофрированного полиэтилена.
Труба оснащена саморегулирующимся греющим кабелем и пластиковой трубкой для размещения датчика температуры.
Двухканальный вариант (рис 4.2) предназначен для подачи холодной и горячей воды на небольшие расстояния в случаях, когда нет серьёзных требований к температурным параметрам водопровода, например подача холодной и горячей воды в
гараж, хозяйственную постройку. Для подачи горячей воды используют трубы РЕХ.
Рис. 4.2. Двухканальные теплоизолированные полимерные трубы
Рис. 4.3. Четырехканальные теплоизолированные полимерные трубы
Четырехканальные трубы (рис 4.3) служат для подачи нескольких теплоносителей, например горячей питьевой воды и
воды для отопления.
84
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Канализационные трубы из ПП и ПВХ Dн 32-160 мм выпускают как с гладкими концами, так и с раструбами (рис 4.4.).
Рис. 4.4. Канализационные трубы
Дренажные трубы их ПВХ, ПП и ПЭ выпускают как герметичные, так и перфорированные (рис 4.5).
Рис. 4.5. Дренажные трубы
Рис. 4.6. Напорные трубы из ПНД
85
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Напорные трубы из ПНД Dн до 110 , реже до 225 мм, выпускаются в бухтах. Трубы Dн от 63 до 2000 мм – в мерных отрезках. Наиболее ответственные трубы средних и больших Dн
производят из ПЭ 100. Трубы малых и средних Dн – из более
экономичных марок ПЭ80. Неответственные трубы, например
для безнапорной канализации –из ПЭ 63 и 50.
Гибкие теплоизолированные полимерные трубы для
внутриквартальных сетей горячего водоснабжения и отопления
изготавливают также и с теплоизоляцией из пенополиуретана
(рис 4.7).
Рис. 4.7. Гибкие теплоизолированные полимерные трубы с теплоизоляцией из пенополиуретана: 1 – внутренняя
(напорная) труба, изготовленная из сшитого полиэтилена материала, обладающего высокой гибкостью, химической
стойкостью и прочностью при высокой температуре;
2 - теплоизоляция из пенополиуретана; 3 - гофрированная полиэтиленовая оболочка
86
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Гибкие трубы для первичных тепловых сетей с рабочей
температурой до 130°С имеют внутреннюю оболочку из гофрированной нержавеющей стали (рис. 4.8).
Рис. 4.8. Гибкие металлполимерные трубы для первичных тепловых сетей:
1 - Внутренняя (напорная) труба - гофрированная, изготовлена из нержавеющей стали; 2 - теплоизоляция из вспененного полиуретана;
3 - полиэтиленовая (ПВД) гидроизолирующая оболочка; 4 - сигнальный
кабель
При производстве жестких металлполимерных теплотрасс в качестве внутренней оболочки используют стальную
трубу (рис. 4.9, 4.10).
87
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 4.9. Жесткая металлполимерная теплотрасса:
1 - центрирующая опора; 2 - изоляция из пенополиуретана; 3
- труба-оболочка из полиэтина; 4 - стальная труба; 5 антикоррозионное покрытие; 6 - проводники индикаторы
системы ОДК [6]
Рис. 4.10. Жесткая металлполимерная теплотрасса с подогревом: 1 - центрирующая
опора; 2 - изоляция из пенополиуретана;
3 - металлический кожух из спирально-замковой трубы; 4 - стальная труба; 5 - антикоррозионное покрытие; 6 - проводники индикаторы системы ОДК; 7 - труба для
греющего кабеля [6]
Следует обратить особое внимание на трубы гофрированной конструкции (одно-, двух- и трехслойные). Они используются как самостоятельные (канализационные и дренажные),
88
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
так и в качестве элементов многих составных изделий. Каждому
слою гофртруб отводится своя важная роль. Внутренний гладкий слой обеспечивает химстойкость и малое сопротивление течению. Второй гофрированный слой обеспечивает жесткость в
радиальном направлении, а третий гладкий – жесткость к осевому изгибу. Вес гофрированной трубы в 2-3 раза легче монолитной при равной жесткости, а скорость экструзии гофртруб в 2
раза выше, чем монолитных.
4.1. Техника и технология производства
гофрированных, армированных труб и шлангов
Гофрированные изделия. Гофрирование широко используется для повышения жесткости изделий. Основной способ
производства гофрированных труб — это непрерывное формование гофров в смыкающихся, поступательно движущихся полуформах и раздув трубчатой заготовки с помощью сжатого
воздуха или путем вакуумного калибрования [7]. Устройство
для формования гофров называется гофратором. Конструктивно
оно может исполняться со смыканием полуформ в вертикальной
или горизонтальной плоскости (рис. 3.21 ÷ 3.22)
На рисунке 4.11 изображена линия по производству гофрированных шлангов, а на рис. 4.12 и 4.13 — гофраторы разных
конструкций.
Рис. 4.11. Гофрирующая установка для производства шлангов
89
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 4.12. Гофратор для труб диаметром 32-250мм [2]
Конструктивная особенность гофратора, изображенного
на рис. 4.13, — дискретность гофратора и относительная независимость формующих элементов.
Разновидностью способа является получение двухслойной гофрированной трубы, состоящей из гладкого внутреннего и
гофрированного наружного слоев. Такая труба имеет повышенную поперечную жесткость и низкое гидравлическое сопротивление. Трехслойные гофртрубы имеют также высокую продольную жесткость.
90
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 4.13. Гофратор для труб диаметром 400-1500мм [2]
На рис. 4.14 изображены линия, изготавливающая витые
трубы, схемы соэкструзии и укладки профилей витых труб.
91
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
а)
б)
в)
Рис. 4.14. Линия для изготовления витых труб: а) трубная линия,
б) схема соэкструзии, в) варианты укладки профилей [10]
Производство армированных шлангов [7-9]. По гибкости поперечного сечения армированные шланги делятся на 2
класса: плоскосворачиваемые (рукава) и неплоскосворачиваемые. Армированные рукава представляют собой трехслойную
цилиндрическую оболочку — текстильный армирующий каркас,
92
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
покрытый снаружи и изнутри слоями эластичного полимера. В
качестве каркаса используют тканые или ткано-вязаные каркасы
из лавсановых или других синтетических нитей, в качестве материала покрытия используют ПВХ пластикат, термопластичные полиуретановые эластомеры (ТПУ), композиции термоэластопластов.
Армированные рукава изготавливаются на базе готового текстильного каркаса способом одностадийной экструзии на специализированных линиях, состоящих из отдатчика каркаса, устройства для подсушки каркаса, экструдера с
угловой формующей головкой, охлаждающей ванны, тянущего и намоточного устройств.
По указанному способу подсушенный каркас, расправленный с помощью плавающего дорна, поступает в угловую
формующую головку, куда одновременно от экструдера подается расплав полимера. В головке на каркас наносятся внутренний
и наружный слои полимера (рис. 4.15), затем отформованный
рукав охлаждается, отводится тянущим устройством и наматывается в бухты. Армированные шланги состоят из внутренней
полимерной камеры, силового каркаса, выполненного в виде навивки из высокопрочных синтетический нитей, и наружного полимерного слоя.
Армированные шланги изготавливаются способом двухстадийной экструзии на специализированных линиях, состоящих из двух экструдеров с головками (одна из которых угловая),
двух охлаждающих ванн, тянущего и намоточного устройств.
По этому способу внутренняя камера шланга, изготавливаемая на первом экструдере с помощью прямоточной формующей головки, предварительно охлажденная в первой охлаждающей ванне, подается на обмотчик, имеющий две вращающиеся в противоположные стороны планшайбы, на которых установлены катушки с синтетическими нитями. После обмотчика
внутренняя камера с нанесенным на нее силовым каркасом по-
93
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ступает в угловую формующую головку второго экструдера, где
наносится наружное покрытие.
Рис. 4.15. Схема формования армированного синтетическими нитями
рукава: 1 — армирующий каркас; 2 — плавающий дорн;
3 — фиксирующие ролики; 4 — центрирующие болты; 5 — коллектор;
6 — главный кольцевой канал; 7 — мундштук; 8 — наружный канал
Изготовленный таким образом шланг охлаждают, отводят тянущим устройством и наматывают в бухты на двухпозиционном намотчике.
94
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4.2. Экструзионные головки
В трубном производстве экструзионные головки классифицируют по расположению относительно цилиндра экструдера
(прямоточные и угловые), по назначению и конструктивным
особенностям. Для производства гладких труб и шлангов используются прямоточные головки. К прямоточным головкам относится и оснастка для плунжерной экструзии.
Головки угловой конструкции применяют для производства рукавов и армированных шлангов, армированных плоскосворачиваемых рукавов, гофрированных труб, гибких воздуховодов, гибких шлангов, труб большого диаметра навивкой полосы или профиля на оправку с последующей сваркой, труб с теплоизоляцией, многоканальных труб, многослойных труб методом соэкструзии (рис. 4.16).
При этом угловыми считаются те головки, из которых
расплав выходит в перпендикулярном направлении (или под
другим углом) к оси главного экструдера. В соответствии с этим
соэкструзионные головки могут быть как прямоточными, так и
угловыми в зависимости от вида производимого изделия.
Рис. 4.16. Конструкция экструзионной головки для производства
двустенной трубы с помощью двух экструдеров
95
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Некоторые виды изделий, например, из вспенивающихся
материалов, могут изготавливаться с использованием обоих типов головок в зависимости от вида экструдируемого изделия.
(рис. 4.17). Многослойные изделия получают соэкструзией с использованием двух или более экструдеров, подача материалов
от разных экструдеров производится в специальный адаптер, где
производится их разводка по своим каналам с последующим
соединением материалов.
Вариантов комбинирования различных методов производства много, и каждой комбинации соответствует своя конструкция экструзионной головки.
Рис. 4.17. Адаптор для выпуска экономичных
труб со вспененным внутренним слоем [2]
Прямоточные головки для изготовления труб большого и
малого диаметра принципиально не различаются по конструкции, но масштабный фактор оказывает влияние на конструкцию
отдельных деталей и их компоновку в головке.
96
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 4.18. Схемы экструзионных головок: а, б — для изготовления труб
из полиолефинов и АБС; в — многоручьевые головки для ПЭ-труб; г — труб
НПВХ; д — типовой головки для ПВХ-труб, в т.ч. из пеноПВХ; е — часть
угловой головки для нанесения покрытий на металлические трубы [8]
Некоторые отличия имеются также в головках для производства труб из термостабильных (полиолефинов, АБС и др.) и
не термостабильных материалов (НПВХ). На рис. 4.18 показаны
схемы головок, в том числе и для многоручьевой экструзии.
Головки (рис.4.18а, б) имеют сужение сечения до и после
97
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
входа в дорнодержатель, особенно сильное — после входа. Так
выполняется большинство головок. Сужение сечения создает в узком зазоре интенсивное воздействие на расплав сдвиговых напряжений и снижение эффекта памяти, т. е. в месте сужения используется известный эффект интенсификации релаксационных процессов при увеличении скорости сдвига. Головка (рис. 4.18г) предназначена для изготовления труб из НПВХ. Головка имеет релаксационную зону при входе в формующий участок; сужение сечения
канала после дорнодержателя также применяется, хотя и в меньшей степени.
Двухручьевая головка (рис. 4.18в) имеет устройства
для регулирования расхода потоков по ручьям, а трехручьевая
(рис. 4.18г) не имеет такого регулирования. Хотя ничто не мешает создать такое же регулирование, как для головки 4.18в,
введя для центрального ручья повышенное сопротивление на
входе в основную часть головки.
Головки для изготовления труб большого диаметра при
конструировании по тем же принципам, что и малые головки,
были бы громоздки и весьма металлоемки. Поэтому разработаны различные методы уменьшения габаритных размеров головок. Одним из эффективных способов сокращения длины головки является применение конструкций со спиральным распределителем потока. Эта конструкция в 70-х годах ХХ века стала
применяться также при производстве труб большого диаметра
из полиолефинов и других термостабильных материалов.
Форма дорнодержателя в трубных головках зависит от
назначения трубы и реологических свойств экструдируемого
материала. Напорные трубы не должны иметь слабых мест по
окружности, которые создает разделение потока расплава спицами дорнодержателя с последующей сваркой. В больших головках относительно малого гидравлического сопротивления
наиболее часто проявляется память расплава полимера на предшествующее деформирование. Проявляется она через образова-
98
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ние огранки на внутренней поверхности трубы с количеством
граней, равным числу спиц дорнодержателя, утончению стенки
трубы в местах разделения потока, ослабление этих мест из-за
некоторого понижения температуры при слиянии потоков (так
называемая «холодная сварка»).
В головках со спиральным распределителем поток на
входе в головку разделяется на ряд радиальных потоков, которые в спиральном распределителе трансформируются в два основных потока (рис. 4.19). Один — кольцевой поток — течет по
внешней стороне распределителя в сужающемся к выходу кольцевом зазоре, а второй — многозаходный спиральный поток течет в спиральном канале переменной глубины. На выходе из
распределителя струи спирального и кольцевого потоков сливаются в однородную по температуре и по свойствам массу, без
холодных спаев, и через регулируемый кольцевой зазор объединенный поток расплава выходит из головки.
Рис. 4.19. Экструзионные
головки для производства
труб больших диаметров
из ПНД: а — головка с
поперечной решеткой;
б — со спиральным
распределителем [8]
99
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Границы между потоками не существуют, расход каждого зависит от геометрических характеристик каналов и технологических параметров течения. Суммарный поток остается при
этом неизменным, а в зависимости от формы и размеров кольцевого и спиральных каналов изменяется соотношение потоков,
суммарный перепад давления в головке, интенсивность перемешивания, максимальная скорость экструзии.
К настоящему времени уже выработаны принципиальные
решения по количеству радиальных каналов, размерам и форме
сечения спиральных каналов, углу их наклона, количеству витков и другим конструкционным элементам таких головок [8].
Изменением геометрических характеристик кольцевого и
спиральных каналов можно регулировать время нахождения материала, перепад давления в головке. Увеличение числа заходов,
угла наклона спиральных витков к оси экструзии позволяет сократить длину головки, но может увеличить время пребывания
расплава при наличии интенсивного термомеханического воздействия на расплав. Последнее может оказаться нежелательным для материалов, подверженным термомеханодеструкции
(например, ПП). Поэтому для разных материалов форму и размеры каналов спирального распределителя подбирают с учетом
факторов, определяющих оптимальную конструкцию головки.
Другой эффективной конструкцией, в которой снижено
влияние разделения потоков в дорнодержателе, являются головки
с особой конструкцией дорнодержателя. Дорнодержатель в такой
головке представляет собой решетку, установленную не по ходу
течения расплава, как в головках средних и небольших размеров,
а перпендикулярно осевому направлению. Расплав для прохождения поперечной решетки должен изменить продольное направление течения на поперечное. За решеткой он попадает в продольный кольцевой канал, где снова меняет направление уже на
осевое. Интенсивное перемешивание струй при двойном повороте также способствует «залечиванию ран», вызванных разделени-
100
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ем потока на струйки. Поскольку в головке при течении вязкой
жидкости создается высокое давление, то слияние струй с образованием однородного потока происходит быстро и эффективно.
В некоторых случаях головки с двойным поворотом могут быть эффективнее головок со спиральным распределителем
в отношении гомогенности расплава, их конструкция проще, и
нет необходимости согласовывать соотношение потоков.
Несмотря на достаточно эффективные меры по сокращению размеров головок для производства труб большого диаметра, они остаются весьма металлоемкими и тяжелыми. На
рис.4.20 показана такая головка для производства трубы из ПНД
диаметром 1600 мм.
Рис. 4.20. Экструзионная головка для изготовления трубы
диаметром 1600 мм из ПНД фирмы Battenfeld [2]
Для экструзии труб из термостабильных материалов
применяют также дорнодержатели с повернутыми под углом к
направлению течения спицами, после дорнодержателя со спицами устанавливают перфорированную решетку или сужающее
сечение кольцо. В некоторых случаях расплав после прохождения спиц дорнодержателя проходит по каналу с двойным поворотом. Эти меры не уменьшают длины головки, но способству-
101
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ют улучшению свариваемости потоков и уменьшают эффект
«холодного спая».
Спиральные распределители потоков эффективно используются и в головках для изготовления многослойных труб.
Основной поток расплава покрывается снаружи и изнутри слоем
другого материала. Такого типа головки в настоящее время широко используются для изготовления трехслойных труб, в которых внутренний и внешний слои — из основного материала (например ПНД, НПВХ), а внутренний слой может быть из вспенивающегося или вторичного материала; пятислойные трубы,
применяемые в горячем водоснабжении (рис 4.21). Использование многослойных труб позволяет облегчать трубы, улучшать
их теплоизолирующие свойства или снижать стоимость за счет
использования вторичных ресурсов.
Рис. 4.21. Двух- и пятислойная головки для
изготовления многослойных труб
Головки для изготовления однослойных гофрированных
труб имеют обычную конструкцию для трубных головок небольшого и среднего размера. Отличие их в том, что они имеют
длинный мундштук и дорн, которые нужны для подвода трубчатой заготовки почти вплотную к смыкающимся полуформам
тракового устройства. Из-за такой конструкции они не могут
обогреваться постоянно, так как нагреватель мешает смыканию
102
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
полуформ. Обогрев производится стартовым нагревателем,
представляющим собой съемную втулку с нагревательным элементом внутри. Перед пуском дорн и мундштук прогревают
стартовым нагревателем, который затем снимают и налаживают
процесс уже без внешнего обогрева.
В некоторых головках для гофротруб применяется сферическая посадка дорнодержателя в корпусе головки и регулирование зазора между мундштуком и дорном в месте посадки.
При такой конструкции даже незначительное перемещение дорнодержателя с длинным дорном вызывает большое дуговое
смещение конца дорна относительно неподвижного мундштука.
Благодаря этому облегчается регулирование зазора между дорном и мундштуком
Головки для изготовления двухслойных гофрированных труб (внутренний слой гладкий наружный — гофрированный, или наоборот) получают методами последовательной
(рис. 4.22а) или совместной экструзии (рис. 4.22б). Трубы по
схеме рис. 4.22а получают двухстадийным способом: сначала
обычным способом производится гофрированная труба, которая в угловой головке второго экструдера покрывается снаружи слоем другого (или того же) материала.
Сложность этой схемы состоит в необходимости теплоизолирования гофрированной трубы в угловой головке второго экструдера во избежание искажения ее формы при нагреве (рис. 4.22-4.24).
Гофрированные трубы с гладким внутренним слоем
получают традиционным соэкструзионным способом. Головки имеют еще более длинные мундштуки и дорны, чем в головках для изготовления обычных гофрированных труб. Они
входят уже внутрь гофратора, что накладывает на конструкцию головки и полуформ гофратора жесткие ограничения по
точности изготовления и позиционирования при работе.
103
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 4.22. Схемы изготовления двухслойных гофрированных
труб: а — с гладкой наружной оболочкой: 1 —уплотнительные
кольца; 2 — вакуумная камера; 3 —угловая экструзионная головка;
4 — гофротруба-заготовка; 5 — мундштук; 6 — дорн; 7 —трубная
заготовка наружной оболочки; 8 — охлаждающая форсунка;
9 — готовая комбинированная труба; 10 — тянущие валки;
б — с гладкой внутренней поверхностью: 1 — прямоточная
экструзионная головка; 2 — дорн прямоточной головки;
3 — отверстие в дорне для сообщения с атмосферой;
4 — мундштук прямоточной головки; 5 —угловая экструзионная
головка; 6 — дорн угловой головки; 7 — полость дорна угловой
головки; 8 — мундштук угловой головки; 9 — полуформы гофратора;
10 — трубная заготовка для формования гофротрубы; 11 — каналы
для отсоса воздуха; 12 — вакуумная камера; 13 — гофротрубазаготовка; 14 — готовая комбинированная труба; 15 — внутренняя оболочка [8]
104
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 4.23. Формование двухслойных труб методом наложения
наружного слоя на готовую трубу
105
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 4.24. Формование двухслойных труб из одного экструдера
106
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4.3. Производство труб из сшитого ПНД
Сшивка ПЭ обычно применяется при производстве термоусадочных, вспененных теплостойких композиций и производится радиационным облучением: β-излучением электронной
пушки (рис. 4.25), или γ-облучением, (например, кобальтового
источника), силанами (рис. 4.26) и/или пероксидами (рис. 4.27,
4.28). Трубы из сшитого ПЭ производят в Европе с 70-х годов
ХХ века.
В результате сшивки вначале изменяются средние ММ и
ММР, и затем образуется топологически непрерывная сетка.
Соответственно развитию процесса сшивки, меняются
реологические свойства расплавов и механические показатели
композиций. Увеличение плотности сетки ведет к возрастанию
предела прочности ПЭ при растяжении и величины разрывного
удлинения, хотя при этом происходит уменьшение модуля Юнга. Увеличение содержания геля в ПЭ приводит к уменьшению
величины разрывного удлинения, скорости деформации и к увеличению длительной прочности ПЭ.
В зависимости от способа сшивки, на завершающих стадиях процесса достигается желаемая плотность поперечных
связей, оцениваемая долей гель-фракции. Сшитый материал не
подлежит переработке. Между началом сшивки и ее завершением лежит область, в которой возможна переработка композиции.
Для того чтобы реализовать пероксидный процесс получения сшитого ПЭ (РЕХа) нужны детальные представления об
изменениях молекулярных характеристик в процессе переработки и специальное оборудование. В любом случае управлять этим
процессом достаточно сложно.
Силанольная сшивка (РЕХb) обычно проводится в 2 стадии, между которыми возможна переработка. Химию процесса
силанольной сшивки иллюстрирует рис. 4.27. Полифункциональная молекула органосилана, содержащая винилгруппу и
107
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
гидролизуемые алкоксигруппы, химически прививается к макромолекуле полиэтилена. После такой прививки и гранулирования сырья его перерабатывают в трубы и другие изделия. Затем,
на втором этапе, идет реакция гидролиза и поликонденсации.
Принципы двухстадийной силанольной сшивки дают очевидные
технологические преимущества по сравнению с другими методами сшивки. Двухстадийный метод обеспечивает высокую
скорость работы экструзионных линий, низкую стоимость переработки и хорошее качество поверхности изделий. Вместе с тем
производство силанольно сшитых труб значительно сложнее
обыкновенной экструзии, и поэтому продолжается поиск новых
технологических решений, позволяющих более надежно управлять процессом. Например, предложено новое технологическое
решение: наряду с загрузкой основного ПЭ сырья, силанола и
стабилизатора, в экструдер добавляется пористый ПЭ, который
адсорбирует силанол и улучшает гомогенность композиции. Естественным недостатком двухстадийного процесса являются
двойные затраты на переработку.
По одноступенчатой технологии силанольной сшивки готовится смесь полиэтилена и необходимых компонентов. Затем
смесь загружается в соответствующее оборудование и изготавливается изделие, а затем готовое изделие выдерживается при
повышенной температуре и влажности. Одностадийная силанольная сшивка более экономична, чем двухстадийная, но
сложнее управление процессом [12].
Радиационную сшивку, при которой получают так называемый РЕХс, проводят обычно на готовых изделиях, поскольку
сшитые материалы не перерабатываются.
В настоящее время сшитые ПЭ (РЕХ разновидности «а»,
«b» и «c») применяются, как в качестве самостоятельных материалов труб, так и элементов металлполимерных и других композиционных труб и шлангов (рис. 4.29). Они занимают примерно половину рынка полимерных труб для горячего водо-
108
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
снабжения и отопления, вытесняя трубы из ПП, хлорированного
ПВХ и полибутена (ПБ) как показано на рис. 4.30 [12].
é
Radiation
crosslinking
H
H
H
H
H
H
H
H
H
C
C
C
C
C
C
C
C
C
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
C
C
C
C
C
C
C
C
C
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
C
C
C
C
C
C
C
C
C
H
H
H
H
H
C
C
H
H
H
H
C
H
H
C
H
C
H
H
H
C
H
H
C
H
H
H
C
C
H
H
H
Рис. 4.25. β-радиационная сшивка ПЭ [12]
Рис. 4.26. Пероксидная сшивка ПЭ [12]
109
é
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 4.27. Силанольная сшивка ПЭ [12]
Si OH
O
O
HO
Si
Si
O OH
O
Si
HO
Рис. 4.28. Структура узла сетки в силанольно сшитом ПЭ [12]
110
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 4.29. Различные типы труб из сшиваемых ПЭ
111
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
C-PVC 5%
PB 7%
PE-RT 7%
PP-R 20%
Other 6%
PEX
PE-RT
C-PVC
PEX 55%
PB
PP-R
Other
Рис. 4.30. Структура мирового рынка труб
для горячей воды [12]
Рис. 4.31. Кривые длительной прочности РЕХ (абсцисса:
время до разрушения; ордината: напряжение в стенке
трубы) [12]
112
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 4.32. Кривые длительной прочности специальной марки
теплостойкого линейного ПЭ (абсцисса: время до разрушения;
ордината: напряжение в стенке трубы) [12]
Основное преимущество РЕХ перед линейным ПЭ – высокие показатели длительной прочности (рис. 4.31 , 4.32). Так,
при 95ºC координаты точки перегиба кривой длительной прочности у РЕХ: 5 лет при напряжении 4.1 МПа, против 1.2 года
при 3.2 МПа у теплостойкого линейного ПЭ.
Типичные характеристики силанольно сшиваемых компаундов фирмы Сольвей приведены в табл. 4.1.
113
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 4.1. Некоторые характеристики силанольно сшиваемых
компаундов [12]
Компаунд Применение
Polidian
T/A
Polidian
T/A-HF
Монопластиковые трубы
Композитные
трубы
Плотность,
г/см3
0.948
ПТР 5 Содержа- Предел
190ºС, ние геля, текучести,
г/10мин
%
МПа
0.40
>68
21
0.942
1.80
>72
20
Принципиальная технологическая схема производства
силанольно сшитых труб приведена на рис. 4.33.
VINYLSILANE, PEROXIDE
95% POLIDAN PEX
5% CATALYST
POLIDAN PEX
CROSS-LINKABLE PIPES
Рис. 4.33. Технологическая схема производства
силанольно сшитых труб [12]
Изготовление металлполимерных и мультиполимерных
теплостойких труб из РЕХ можно считать уже традиционным
направлением применения сшитого ПЭ. Новое поколение объектов из РЕХ: теплостойкие фитинги, получаемые литьем под
давлением (рис. 4.34), трубы для теплотрасс (рис. 4.35), оболочки армированных металлполимерных высоконапорных труб
(рис. 4.36), применяемых на нефтепромыслах, в частности мор-
114
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ских, различные трубки и шланги в автомобильной индустрии,
заменяющие полиамиды и другие дорогие пластики (рис. 4.37) а
также трубы для химической промышленности.
Рис. 4.34. Фитинги из РЕХ, получаемые литьем под давлением
Рис. 4.35. Трубы для теплотрасс
115
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 4.36. Автомобильные детали
Рис. 4.37. Кривые ползучести линейного и сшитого ПНД при 80ºС
116
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Актуальными преимуществами РЕХ перед ПНД являются замедленная ползучесть (рис 4.37), высокая стойкость к медленному и быстрому разрастанию трещин, а также ударная вязкость, особенно при низких температурах [12].
Технологические принципы производства композитных труб. Стадии процесса:
- изготовление первичной трубы (внутренней оболочки)
из РЕХ;
- нанесение адгезива;
- формирование металлическиго слоя методом сварки
алюминиевой фольги;
- нанесение адгезива;
- наложение второго слоя РЕХ на последнем экструдере.
Кроме традиционного для трубных линий оборудования
и сварочных машин, в состав линии входят высокоточные дозаторы компонентов и устройства для контроля толщины каждого
слоя, овальности, диаметра каждого слоя и трубы в целом [11].
Сшивка РЕХ по месту укладки. В число актуальных
новаций следует включить освоение производства трубного полиэтилена сшиваемого после укладки труб в процессе эксплуатации, например материал POLIDAN TUX фирмы Сольвей [12].
«Сшивка по месту» состоит в укладке и соединении несшитых
труб. Сшивка происходит путем циркуляции горячей воды или
пара, при определенном давлении подаваемом в систему.
Сшиваемые по месту укладки трубы до сшивки свариваются электродиффузионной сваркой, причем фитинги могут изготавливаться из линейного или сшиваемого ПЭ, а также контактной сваркой.
117
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4.4. Актуальные достижения в области
экструзионной техники
Ниже приводятся материалы фирмы Battenfelid [2], иллюстрирующие современное состояние экструзионной техники.
Современное оборудование линий по производству
ПЭ труб. Технический уровень производства труб в первую
очередь определяется эффективностью экструзионного оборудования. Для производства полиолефиновых труб из гранул используют одношнековые экструдеры (рис 4.38), укомплектованные эффективными барьерными шнеками (рис 4.39) с зонами
гомогенизации расплава.
Рис. 4.38. Современный одношнековый экструдер
Исключение составляют комбинированные технологические процессы, объединяющие компаундирование и экструзию
труб, в этих случаях формующий инструмент устанавливают на
конце двухшнекового смесителя.
118
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Барьерные шнеки используются, чтобы удовлетворить
требования к высокой производительности плавления и одновременно получить гомогенный расплав. Принцип действия
барьерного шнека сводится к отделению расплава от твердого
вещества. Для этого в канал шнека был введен дополнительный виток (барьерный виток). Этот барьерный виток не такой
высокий, как основной виток шнека. Расплавленный материал
течет из канала твердого вещества в канал расплава через зазор между стенкой цилиндра и барьерным витком. Так как
весь материал должен пройти через зазор, то течение обеспечивается таким образом, чтобы до конца шнека дошел только
расплавленный материал. Комбинация рифленной загрузочной втулки с барьерным шнеком имеет следующие преимущества:
- оптимизированные свойства расплава позволяют увеличить
перерабатываемое количество;
- возможность достижения более низкой температуры расплава;
- определенный сдвиг в барьерном зазоре приводит к хорошей
гомогенности расплава;
- обеспечивается контролируемое плавление, т. е. в канал расплава поступают только такие частицы, размер которых меньше,
чем размер барьерного зазора;
- обеспечивается широкий спектр перерабатываемых сырьевых материалов.
Обычно для шнеков и цилиндров используют азотированную сталь. Эта сталь благодаря своей высокой твердости поверхности обеспечивает высокую износостойкость.
В критических областях применения, например, при переработке регенерата или добавлении маточной смеси рекомендуется наплавить на витки шнека стеллит и использовать биметаллические цилиндры.
119
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 4.39. Барьерный шнек и диаграммы
изменения количества расплава
В соотношении с диаметром шнека пропускная способность одношнековых экструдеров для изготовления газовых и
водопроводных труб за последние 10 лет увеличилась почти
вдвое. Высокая производительность достигается сегодня при
значительно более низких температурах расплава и его более
высокой гомогенности. Это является также последствием увеличения удельной объемной производительности. Выход материала за один оборот шнека значительно увеличился. Следовательно, растет объем перерабатываемого материала при более низких скоростях вращения шнека.
Формующий инструмент, особенно для выпуска труб
больших диаметров, комплектуются спиральным распределителем расплава, и корзинного типа – фильерами (рис. 4.40 - 4.44).
120
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 4.40. Спиральный распределитель
Рис. 4.41. Головка со спиральным распределителем
121
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В экструзионной головке со спиральным распределителем поток входящего расплава распределяется с помощью системы предварительного распределения из нескольких отверстий
по всему периметру головки.
Затем расплав поступает в каналы, расположенные в виде
спирали снаружи на распределителе. Глубина спирали постоянно уменьшается в сторону выхода головки. Одновременно увеличивается зазор между распределителем и внутренним диаметром головки. Внутри потока материала осевые и радиальные
струи в этой зоне накладываются друг на друга. В результате
следы течения по каналам распределителя равномерно распределяются по всему периметру трубы и больше не вызывают локальных потерь прочности. Спиральная конструкция является
компромиссом между требованием оптимального распределения
толщины стенки, низким развитием давления и широким спектром использования головки.
Рис. 4.42. Фильера корзинного типа
122
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В головке с сетчатой корзиной распределитель прикрепляется к основному инструменту с помощью зоны входа материала со звездообразным расположением отверстий. За входом расплав протекает через перфорированный сегмент. Эта
часть – сетчатая корзина – расположена так, что поток расплава движется через нее изнутри наружу, но не в осевом направлении. Благодаря своей длине сетчатая корзина обеспечивает очень большую зону протекания при малом диаметре
головки. В результате уменьшается рост давления в перфорированном сегменте при относительно малом размере головки.
В зоне сетчатой корзины весь поток расплава два раза меняет
направление: сначала в радиальном направлении, а потом
снова назад в осевом направлении. В результате обеспечивается хорошее смешение отдельных струй материала и расплав
гомогенизируется. Благодаря большой поверхности поперечного сечения сетчатой корзины в этой головке создается намного меньшее давление, чем в головках других конструкций.
В результате уменьшается нагрузка на материал и обеспечиваются более низкие температуры расплава, увеличивается
объемный расход расплава.
Двойное изменение направления движения материала
приводит к наложению потоков материала и тем самым к отличному смешению расплава. Сетчатая корзина действует
здесь как статический смеситель. В результате получается
очень гомогенный расплав, даже при высоком объемном расходе расплава. Хорошая равномерность толщины стенок достигается по всему периметру трубы, даже при разных значениях вязкости материалов, пропускной способности и противодавления. Подобные экструзионные головки можно использовать для очень многих материалов, они позволяют изготавливать трубы отличного качества разных диаметров и при
разных условиях переработки.
123
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 4.43. Схема движения расплава через фильеру корзинного типа
Рис. 4.44. Экструзионная головка с фильерой
124
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Сфера применения современных вакуумных калибраторов распространилась на производство труб больших диаметров
(рис. 4.45).
Рис. 4.45. Калибрующее устройство для труб больших диаметров
Важным компонентом современных экструзионных линий являются постоянно совершенствующиеся компьютерные
системы.
Некоторые особенности современного оборудования
по выпуску труб из ПВХ. Линии для производства труб из непластифицированного ПВХ состоят из таких же компонентов
как и линии для полиэтиленовых труб. Поскольку трубы из
НПВХ нельзя сваривать, то в состав этих линий входит еще устройство для формования раструбов.
ПВХ трубы выпускают на линиях с двухшнековыми экструдерами, снабженными питателями с принудительной загрузкой порошка (рис. 4.46). По сравнению с одношнековыми экс-
125
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
трудерами они лучше подходят для переработки порошка.
Двухшнековый экструдер характеризуется принудительной подачей. В нем происходит целенаправленное и щадящее преобразование механической энергии в тепловую в термически нестабильном НПВХ.
Рис. 4.46. Питатель для двухшнекового экструдера
Цилиндры имеют зоны дегазации, а форма шнека существенно отличается от шнеков для переработки более термостойких полиолефинов (рис. 4.47).Типичный сдвоенный шнек
состоит из следующих функциональных зон:
126
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
• зона загрузки порошка;
• зона предварительного нагрева, где порошок предварительно нагревается за счет контакта с большой поверхностью
шнека;
• зона развития давления, служащая для преодоления сопротивления зоны сжатия;
• зона сжатия, служащая для уплотнения вакуумной зоны;
• вакуумная зона: в вакуумной зоне НПВХ отделяется от
всех летучих компонентов;
• зона развития давления, служащая для преодоления сопротивления головки и остаточной пластификации;
• зона смешения: здесь осуществляется гомогенизация расплава.
Рис. 4.47. Схема экструдера для ПВХ
Двухшнековые экструдеры для изготовления труб из
НПВХ обычно оснащены питателем, который обеспечивает
возможность обработки материалов с разной насыпной массой с
127
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
одинаковой производительностью. Благодаря этому устройству
можно работать как с недозагрузкой, так и с набиванием материала, т. е. переработка материалов с низкой насыпной массой
может осуществляться также с высокой производительностью.
Кроме того, благодаря хорошему заполнению можно использовать всю поверхность шнека для передачи тепла.
Шнеки снабжаются системами охлаждения (рис. 4.48):
замкнутой системой регулирования температуры, не требующей
обслуживания или открытой. В замкнутой системе автогенное
тепло, выделяющееся в конце шнека, транспортируется с помощью теплоносителя в начало загрузочной зоны и отводится там
в сухую порошковую смесь. Эта эффективная система работает
к тому же очень экономично. Открытая система регулирования
температуры работает за счет циркуляции термостойкого масла.
Для переработки НПВХ используют специальные системы защиты шнека от износа, которые обеспечивают более высокий срок службы по сравнению с обычным способом нанесения
покрытия. Защитный слой наносится только на определенные
зоны шнека.
Рис. 4.48. Принципиальные схемы охлаждения шнеков
128
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4.5. Периферийные устройства
Применение разнообразных периферийных устройств является характерной тенденцией многих экструзионных технологий. Периферийные устройства, в частности предварительные
смесители, дозирующие элементы, объединенные компьютерами с экструзионными линиями в единые системы, позволяют в
значительной мере усовершенствовать и разнообразить экструзионные процессы.
Дозирующие системы [12]. Бункер с вибратором
(рис.4.49) может быть интегрирован в систему с помощью электроники.
Рис. 4.49. Вибропитатель
Бункер с мешалкой (рис. 4.50) предпочтителен для дозирования порошкообразных полимеров. Следующий уровень развития питателей: их объединение в многобункерные системы
(рис. 4.51) , которые, в свою очередь, интегрируются с другими
питателями и перерабатывающим оборудованием (рис. 4.52).
129
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 4.50. Бункер с мешалкой
130
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 4.51. Многобункерная система (до 8 питателей)
Рис. 4.52. Интеграция питателей и экструдера
131
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Другие актуальные новации. К актуальным новациям в
области периферийных устройств относятся следующие.
Высокоточные весовые дозирующие системы с измерением потери веса в бункере и контролем дозирования по обратной связи, управляющей скоростью подачи материалов. Вакуумные загрузчики и сушилки современных конструкций с микропроцессорным управлением для гидрофобных и гидрофильных материалов (с молекулярными ситами). Вертикальные высокоскоростные миксеры. Металлосепараторы, устанавливаемые на линиях загрузки экструдеров. Эти агрегаты удаляют из
сырья опасные для перерабатывающего оборудования частицы
любых металлов. Компактные кондиционеры охлаждающей воды или низкотемпературных хладоагентов.
Библиографический список
1. Преимущества прямого привода / Экструзия. - 2004. - №1.
C. 36-42.
2. Рекламные материалы Battenfield. - 2003. – 30 с.
3. Регулируемые калибраторы в производстве труб / Материалы фирмы RIVAL. Полимерные трубы. – № 4. 2004. – 29 c.
4. Рекламные материалы Uponor. - 2005. – 42 с.
5. Рекламные материалы Unicor. - 2004. – 54 с.
6. НТД ЗАО «Сибпромкомплект».
7. . Володин, В.П. Экструзионная оснастка / В.П. Володин //
Пластикс. - 2004. - № 2 (16).- С. 30-36.
8. . Володин, В.П. Конструкции экструзионной оснастки /
В.П. Володин // Пластикс. - 2004. - № 4 (18). – С. 49-52.
9. Рекламные материалы Krah. - 2006. – 42 с.
10. Никитенко, Е.А. Литье пластмасс под давлением / Е.А. Никитенко // Международные новости мира пластмасс. - 2005. - №7. –
С. 35-40.
11. Рекламные материалы Solvay. - 2005. – 36 с.
12. Рекламные материалы Shenk. - 2006. – 44 с.
132
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5. ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ
ПРОИЗВОДСТВА СОЕДИНИТЕЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ
ДЛЯ ПОЛИМЕРНЫХ ТРУБ
Современная технология строительства полимерных трубопроводов, и в частности принципы индустриализации строительства, как правило, предусматривают использование полимерных труб в комплекте с соединительными деталями (фитингами) промышленного производства. Виды фитингов отличаются по конструкции и назначению, и их типоразмеры насчитывают тысячи наименований.
5.1. Классификация фитингов
Фитинги можно классифицировать по способу соединения с трубами. Например, выделяют детали под стыковую, раструбную, седельную, электромуфтовую и электроседельную
сварку, компрессионные муфты, фитинги для разъемных соединений на резиновых кольцах, фитинги под клеевое соединение.
Различаясь по конструкции, среди фитингов наиболее
распространены: втулки под фланец, тройники (равнопроходные
и неравнопроходные), отводы, переходы, раструбы, муфты, седелки, металлполимерные трансформаторы, накидные гайки и
заглушки, а также полимерные колодцы.
По назначению трубопроводов выделяют газопроводные,
воднохозяйственные, канализационные фитинги, соединительные детали для горячего водоснабжения и отопления, для монтажа оптико-волоконных систем, воздуховодов.
Материал фитингов под сварку обычно совпадает или
очень близок к материалу труб. Это необходимо для обеспечения надежности сварных соединений и статической выносливости основного материала фитингов. Многие детали фитингов
под сборку изготавливают из высокомодульных пластмасс, эластомеров и коррозионностойких металлических сплавов. Последние постепенно вытесняются высокопрочными и тепло-
133
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
стойкими полимерами, например полисульфонами (ПСУ), в частности полифениленсульфоном (ПФС, PPSU) или поливинилиденфторидом (ПВДФ PVDF).
Виды фитингов [1-4]. Фитинги Q&E предназначены для
соединения труб из сшитого ПЭ (РЕХ). При получения соединения используется «память» кольца из сшитого ПЭ.
Композиционные фитинги из полифениленсульфона
ПФС (PPSU) со встроенной металлической гильзой предназначены для соединения металлполимерных труб.
Полимерные и металлполимерные теплосети комплектуются полимерными колодцами (рис. 5.1).
Рис. 5.1. Теплоизолированный колодец из ПЭ
Для сборки безнапорных канализационных систем широко используются раструбные детали из ПП и ПВХ (рис. 5.2).
134
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 5.2. Раструбные фитинги: переход, муфта упорная, муфта надвижная,
отводы, тройники, гидрозатворы и другие фасонные детали
Дренажные системы и ливневая канализация, по оптимальным проектам, монтируется из гофрированных ПЭ, ПП и
ПВХ труб и соединяется соответсвующими раструбными деталями (рис. 5.3).
135
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 5.3. Сварные тройники, переход, муфта, отводы
136
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В системах хозяйственно – бытовой канализации используются гладкие трубы, предпочтительно из ПП с гладкими деталями для сборки на кольцах (рис. 5.4).
Рис. 5.4. Фитинги хозяйственно – бытовой канализации:
муфты, отвод, переход, заглушка, седло, пробка,
ревизия, переход на бетонный раструб
Детали для электротермической сварки широко используются при сооружении наиболее ответственных напорных трубопроводных систем различного назначения (включая газопроводы, напорные технологические и водно-хозяйственные) из
ПЭ80 и ПЭ100 диаметром до 400 мм (рис. 5.5).
137
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 5.5. Электросварные детали: муфта,
переход, отводы, тройник, седелка
Фитинги с удлиненными хвостовиками (рис. 5.6) соединяются с трубами как встык, так и с помощью электросварных
муфт.
138
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 5.6. Фитинги с удлиненными хвостовиками: отводы,
тройник, переход, заглушка, втулка под фланец
Если предусматривается соединение ПЭ труб, преимущественно монолитных, (от малых до самых больших диаметров)
методом сварки встык, то применяют экономичные фитинги с
короткими подсоединительными частями. Подобные детали нередко (методом сварки в заводских условиях) соединяют в узлы,
подготовленные для монтажа, на фланцах (рис. 5.7).
139
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
а
б
в
г
Рис. 5.7. Фитинги с короткими подсоединительными частями. Втулка под фланец (а) и подготовленные к монтажу узлы: отвод(б) , тройник (в) , переход (г)
В заводских же условиях патрубки приваривают к фитингам короткими подсоединительными частями, получая укрупненные узлы (рис. 5.8).
140
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
а
б
в
Рис. 5.8. Укрупненные узлы: а – отвод; б – переход; в – тройник
Фитинги больших диаметров изготавливают методами
контактной или экструзионной сварки (рис. 5.9).
141
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
а
б
в
Рис. 5.9. Сварные соединительные детали: а – отводы; б, в – тройники
Экструзионная сварка обычно используется также при
изготовлении на трубных заводах водно–хозяйственных полимерных колодцев (рис. 5.10).
а
б
в
Рис. 5.10. Полимерные колодцы: а – ревизия; б – смотровой колодец;
в – нижняя часть колодца
142
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 5.11, 5.12 дают представление о конструкции и разнообразии компрессионных фитингов, которые в настоящее
время используются для соединения труб до Dн 110 мм.
Рис. 5.11. Конструкция и некоторые виды компрессионных фитингов:
1 - крышка-гайка из полипропилена (РРВ); 2 – корпус из полипропилена
(РРВ); 3 – уплотнительное кольцо (резина NBR); 4 – зажимное кольцо
(РОМ); 5 – запрессовывающая втулка (РРВ)
Рис. 5.12. Конструкция и некоторые виды компрессионных фитингов
Некоторые соединительные детали из ПВХ (рис 5.13) для
143
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
напорных трубопроводов и безнапорной канализации существенно отличаются от полиэтиленовых и полипропиленовых.
а
б
в
г
д
е
Рис. 5.13. Фитинги из ПВХ: а – накидной фланец; б – тройники под
склейку; в – втулка под фланец; г – отводы под склейку; д – переход;
е – напорный отвод
144
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ж
з
и
Рис. 5.13. (окончание) Фитинги из ПВХ: ж – тройник;
з – отвод под кольцо; и – неравнопроходный тройник
145
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Сравнительно сложную конструкцию имеют фитинги металлполимерных теплотрасс и теплоизолированных полимерных
труб (рис. 5.14- 5.18).
Рис. 5.14. Фитинги металлполимерных теплотрасс и теплоизолированных полимерных труб. Отвод: 1 — стальная труба;
2 — изоляция из пенополиуретана; 3 — оболочка из полиэтилена;
4 — центрирующая опора; 5 — стальной отвод; 6 — электроизоляционная
трубка; 7— проводник-индикатор системы ОДК
146
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 5.15. Фитинги металлполимерных теплотрасс и
теплоизолированных полимерных труб. Переход: 1 — стальная
труба; 2 — электроизоляционная трубка; 3 — оболочка из полиэтилена;
4 — изоляция из пенополиуретана; 5 — центрирующая опора;
6 — проводник-индикатор системы ОДК
Рис. 5.16. Фитинги металлполимерных теплотрасс и
теплоизолированных полимерных труб. Тройник: 1 — оболочка
из полиэтилена; 2 — изоляция из пенополиуретана; 3 — центрирующая опора;
4 — проводник-индикатор системы ОДК; 5 — стальная труба
147
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 5.17. Фитинги для теплоизолированных полимерных труб
148
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 5.18. Фитинги металлполимерных теплотрасс
и теплоизолированных полимерных труб. Тройниковое
ответвление: 1 — стальной отвод; 2 — оболочка из полиэтилена;
3 — проводник-индикатор системы ОДК; 4 — изоляция из
пенополиуретана; 5 — электроизоляционная трубка по
ГОСТ 22056; 6— центрирующая опора
Комплект для теплоизолированных полимерных труб
рис.5.18 включает элементы, необходимые для соединения основных труб греющего кабеля, теплоизоляцию в виде скорлупы,
хомуты для крепления теплоизоляции, скорлупы, а также резиновый концевой уплотнитель с кольцом и хомутом.
Среди многих других способов классификации полимерных соединительных деталей для технологов наиболее актуальна
классификация по методам производства. Наиболее важные методы получения фитингов: литье под давлением, прессование,
формование (гнутье отводов и получение крупногабаритных заглушек), различные виды сварки (в первую очередь стыковая и
экструзионная), намотка экструдата и различные методы получения бипластмассовых деталей. Если позволяют параметры и
число изделий, фитинги изготовляются преимущественно методом литья под давлением. Если же речь идет о фитингах из ПЭ,
большие размеры которых и небольшое количество не позволяют применять литье под давлением, то могут быть использованы
другие технологические приемы. Сюда относятся соединение
сваркой, горячее прессование, гнутье отводов.
149
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5.2. Литье под давлением
Литье под давлением — метод формования изделий из
полимерных материалов, заключающийся в нагревании материала до вязкотекучего состояния и передавливании его в закрытую литьевую форму, где материал приобретает конфигурацию внутренней полости формы и затвердевает. Этим методом
традиционно получали изделия массой от нескольких граммов
до нескольких килограммов с толщиной стенок 1÷20 мм. [5].
Современные технологии литья фитингов предусматривают изготовление как самых мелких, так и очень крупных
деталей с номинальным диаметром до 315 мм и толщиной до
50 мм (рис. 5.19). Фирма Battenfeld сообщает о производстве
фитингов из ПП весом до 80 кг [3].
Рис. 5.19. Диапазон размеров литых фитингов
150
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Несмотря на прогресс, достигнутый в технологии литья
за последние десятилетия, только постоянное повышение эффективности производства позволяет сохранить его конкурентоспособность.
Перечень оборудования для литья под давлением значительно меньше, чем для экструзии труб. Машинная часть в основном ограничивается собственной литьевой машиной, литьевой формой и при необходимости инструментами и приспособлениями для дополнительной обработки.
Замыкающая половина формы литьевой машины состоит
из подвижной и неподвижной зажимных плит. Неподвижная
плита может также перемещаться на расстояние в несколько
миллиметров в зависимости от конструкции литьевой формы и
литьевого сопла. Это короткое расстояние перемещения неподвижной зажимной плиты служит для отвода литьевой втулки
формы от литьевого сопла цилиндра литьевой машины во избежание ненужной теплопередачи на охлаждаемую половину
формы или же во избежание охлаждения нагретого литьевого
сопла.
Для осуществления литья под давлением обычно применяют плунжерные или шнековые литьевые машины (рис.
5.20), на которых устанавливают литьевые формы различной
конструкции, например изображенной на рис. 5.21.
Основными технологическими параметрами процессов литья под давлением являются температура расплава Т р ,
температура формы Т ф, давление литья Р л, давление в форме Р ф, время выдержки под давлением t впд , время охлаждения t охл .
151
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 5.20. Схема литьевой машины со шнековой (а) и плунжерной (б)
пластикацией расплава: 1 — гидроцилиндр механизма смыкания;
2 — поршень гидроцилиндра механизма смыкания; 3— подвижная плита;
4— полуформы; 5— неподвижная плита; 6— пластикационный цилиндр;
7 — шнек; 8 — загрузочное окно цилиндра пластикации; 9— бункер;
10 — привод шнека; 11 — корпус гидроцилиндра механизма впрыска;
12 — поршень гидроцилиндра впрыска; 13 — гидроцилиндр шнека;
14 — торпеда рассекатель потока расплава; 15 — дозатор; 16 — плунжер [5]
152
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 5.21. Литьевая форма: 1 — подвижная полуформа; 2 — толкатель;
3 — выталкивающая плита; 4 — выталкиватели; 5— каналы
термостатирования формы; 6— литниковая втулка; 7 — центральный
литник; 8 — центрирующая втулка; 9 — центрирующая колонка;
10 — неподвижная полуформа; 11 — сопло литьевой машины;
12 — разводящий литник; 13 — впускной литник; 14 — формообразующая
полость [5]
Полуформы и при необходимости формовочные стержни
охлаждаются водой через имеющиеся в форме охлаждающие
отверстия. Поступившая в охлажденную форму масса, образует
153
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
сначала на стенках формы быстро отвердевающую оболочку, на
которую наращивается последующая формовочная масса. Охлаждение и отверждение расплава в форме осуществляется от
стенок вовнутрь.
На стороне впрыска литьевой машины для осуществления впрыска формовочной массы в форму имеется поршень, который выполняется как экструдерный шнек. Цилиндр для шнекового поршня так же, как и цилиндр экструдера, снабжен загрузочной воронкой для формовочной массы.
Литьевая машина в начале процесса работает как экструдер при изготовлении труб, т.е. осуществляет подачу формовочной массы и обеспечивает ее гомогенную пластикацию. Требуемая для этого тепловая энергия обеспечивается нагревательными элементами в стенке литьевого цилиндра и выделяется в виде
автогенного тепла, преобразованием механической энергии. Регулирование температуры также осуществляется размещенными
в стенке цилиндра измерительными датчиками и электрическими и электронными регуляторами.
Червяк в литьевой машине перемещается в осевом направлении, так как здесь он выполняет двойную функцию: подает и
пластицирует формовочную массу и одновременно служит в качестве шнекового поршня для заполнения литьевой формы. Осевое перемещение червяка, как правило, осуществляется гидравлическим приводом. Литьевая форма состоит в основном из двух
плит, в которых выбраны гнезда, имеющие внешние контуры фасонной детали. Внутренние контуры фасонных деталей образуются формовочными стержнями. Решающее значение для качества поверхностей отливок имеют поверхности формы. Чаще всего
они отполированы и хромированы.
Производство фитингов методом литья часто организуется в виде технологически автономных участков в цехах (или отделениях) трубных заводов. Возможна и организация самостоятельных производств (рис.5.22).
154
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 5.22. Принципиальная технологическая схема участка по изготовления деталей методом литья под давлением: 1 — вагон (полувагон,
цистерна); 2 — подвесная кран-балка; 3 — склад материала; 4 — вакуумная
сушилка; 5 — литьевая машина; 6 — транспортер; 7 — станок механической
обработки; 8 — стол упаковки; 9 — дробилка; 10 — экструдер; 11- охлаждающая
ванна; 12 — гранулятор [5]
Литье осуществляется или в режиме интрузии, или в инжекционном режиме. При интрузионном режиме расплав постепенно подается в форму вращающимся шнеком до заполнения
ее на 70—80 %, а затем оставшаяся часть дозы впрыскивается в
форму за счет поступательного движения шнека. При инжекционном режиме вращение шнека ведется только в период набора
дозы материала и его пластикации в инжекционном цилиндре
литьевой машины, а подача расплава в форму осуществляется
только за счет поступательного движения шнека. Режим интрузии используется при изготовлении крупногабаритных толстостенных изделий; инжекционный процесс получил более широкое распространение.
Для литья под давлением в основном используются гранулированные термопласты (реже — порошкообразные) с показателем текучести расплава от 2 до 30 г/10 мин [5].
Однако для производства фитингов материалы литьевого
155
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
назначения, в частности ПНД с большими значениями ПТР, не
используются, поскольку имеют очень низкие показатели длительной прочности. Поэтому технология литья фитингов реализуется с применением высоковязких экструзионных материалов
с низкими значениями ПТР или специальных марок, содержащих добавки, облегчающие высокоскоростное литье.
Улучшение качества сырья является одним из важнейших направлений развития литьевой технологии. В числе новых технологических решений – использование модификаторов и модифицирующих концентратов, состоящих из нескольких компонентов, например смазки, термостабилизаторы, антиоксиданты, компатибилизатор (компонент, облегчающий
совмещение полимерных компонентов смеси) и светостабилизатор [6]. Неизменно актуальной задачей литьевого производства является совершенствование входного контроля сырья.
Только при наличие объективных данных анализов ПТР,
влажности, термостабильности и других показателей, влияющих на поведение расплава при литье и на качество деталей,
можно целенаправленно управлять процессом.
Перед литьем под давлением необходимо удалить из материала влагу и летучие вещества, так как их присутствие в расплаве приводит к образованию пор в готовом изделии и трещин на
его поверхности. При переработке полимеров, имеющих склонность к гидролитической деструкции (например полиамиды), даже следы влаги приводят к снижению молекулярной массы, а
следовательно и эксплуатационных показателей изделий [5].
Процесс литья под давлением является циклическим.
Цикл состоит из следующих стадий: загрузка сырья в пластикационный цилиндр литьевой машины и подготовка расплава
(пластикация), смыкание формы, заполнение формы расплавом,
выдержка под давлением в форме, выдержка без давления в
форме, раскрытие формы и извлечение изделия.
Загрузка сырья проводится через загрузочный бункер и ок-
156
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
но в цилиндре литьевой машины (рис. 5.20). В пластикационном
цилиндре проводятся нагрев материала до перехода в вязкотекучее
состояние, уплотнение и гомогенизация расплава. Под гомогенизацией понимается перемешивание, приводящее к равномерному
распределению температуры по массе, что обеспечивает равномерную плотность и вязкость расплава. Условия пластикации не
должны приводить к заметной деструкции материала.
Необходимая температура расплава создается за счет двух
источников тепла: внешнего обогрева цилиндра и превращения в
тепло работы сил трения, возникающих при деформировании материала вращающимся шнеком. Температура расплава должна
обеспечивать необходимую вязкость для заполнения формы, но
при этом не должна протекать деструкция материала. Обычно
вязкость расплава, необходимая для литья под давлением, достигается у аморфных полимеров при температуре на 100—150°С
выше температуры стеклования, а у кристаллических полимеров,
при температурах, превышающих температуру плавления.
Максимально возможной является температура расплава
на 30—40°С ниже, чем температура деструкции. Чем выше вязкость расплава материала, тем больше разница между температурой деструкции и предельной температурой расплава, так как
при пластикации и впрыске происходит дополнительный нагрев
материала. Разница между температурой нагревателей по зонам
пластикационного цилиндра обычно составляет 10—20 °С, увеличиваясь от зоны загрузки к соплу. Для низковязких материалов температура сопла устанавливается ниже, чем в зоне дозирования, чтобы предотвратить вытекание расплава. Поскольку с
ростом температуры снижается термостабильность расплава, то
необходимо учитывать, что продолжительность пребывания материала в пластикационном цилиндре не должна быть больше
времени термостабильности расплава при данной температуре.
Нагнетаемый шнеком расплав при закрытом сопле накапливается в зоне дозирования, и за счет развивающегося в мате-
157
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
риале давления шнек перемещается назад. Скорость отхода шнека регулируется путем создания в гидроцилиндре узла впрыска
противодавления. Чем больше противодавление, тем выше плотность расплава и более однородна его температура. Кроме того, с
ростом противодавления увеличивается нагрев материала в зоне
дозирования за счет сдвиговых деформаций. Однако с ростом
противодавления уменьшается пластикационная производительность литьевой машины, т. е. уменьшается количество материала,
переводимого в расплав в единицу времени.
Если пластикационная производительность литьевой машины невелика, то за счет увеличения времени подготовки новой
дозы расплава приходится увеличивать время пребывания отливки в форме, что снижает производительность оборудования.
Заполнение формы расплавом (впрыск) начинается после подготовки необходимой дозы расплава и смыкания формы.
Под действием усилия, развивающегося в гидроцилиндре узла
впрыска, шнек движется вперед и через сопло и литниковую
систему подает расплав в формующую полость. Создаваемое
наконечником шнека давление затрачивается на вязкое течение
расплава и входовые эффекты, обусловленные вязкоупругими
свойствами расплавов полимеров. Поэтому давление в форме
существенно ниже, чем давление, развиваемое шнеком. Движение расплава термопласта в полости формы сопровождается охлаждением расплава при соприкосновении со стенкой, так как
температура его выше, чем температура формы [5].
Если на пути потока расплава встречается препятствие в
виде вставки в форму, выступа и т. д., то поток расчленяется на
отдельные потоки. При слиянии образовавшихся потоков возникают стыковые швы (холодные спаи), прочность которых ниже,
чем в монолитном изделии. Холодные спаи характерны для
крупногабаритных фитингов, в первую очередь литых тройников.
Борьба с ними начинается на стадии конструирования изделия,
литьевой формы и завершается технологическими средствами.
158
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Выдержка под давлением. Выдержка под давлением необходима для компенсации уменьшения объема (усадки) материала в форме в результате его постепенного охлаждения. В течение времени выдержки под давлением (включающего в себя и
время заполнения формы) расплав продолжает подаваться в
центральную часть изделия через литниковую систему (центральный, разводящий и впускной литники), и давление в форме
остается практически постоянным. Процесс подачи расплава
прекратится в момент затвердевания впускного литника, что соответствует охлаждению материала в литнике до температуры
затвердевания (на 5—10 °С ниже, чем температура текучести)
для аморфных или до температуры кристаллизации (как правило, Tкр на 5—10 °С ниже, чем Tпл) для кристаллических термопластов. После завершения выдержки под давлением сопло отводится от литниковой втулки формы.
Если какой-то из элементов литниковой системы застывает раньше, чем материал в центре изделия, то подпитка не будет
завершена и изделие получится с раковинами и утяжками. Если
для застывания литника требуется большее время, чем для застывания центральной части изделия (тонкостенные изделия), то при
раскрытии формы за литником вытягивается незатвердевший материал. Чтобы избежать этого, приходится увеличивать время охлаждения, снижая тем самым производительность [5].
Охлаждение без давления завершает процесс формирования структуры изделия в форме. На этой стадии скорость охлаждения выше, чем в период выдержки под давлением. Причем,
чем длительнее выдержка под давлением, тем меньше разница в
скорости охлаждения на последней стадии. Давление в форме
также падает более интенсивно, так как процесс тепловой усадки
уже не компенсируется новыми порциями расплава, но к моменту
раскрытия формы и извлечения охлажденного изделия в форме
сохраняется сравнительно большое остаточное давление.
Продолжительность охлаждения изделия в форме связана
159
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
с толщиной изделия и его формой, температуропроводностью
полимерного расплава, перепадом температур расплава и формы
(Тр и Тф), а также с температурой в центре изделия в момент его
извлечения из формы (Ти) [5].
Извлечение охлажденной твердой отливки из формы
осуществляется посредством размыкания формы перемещением
подвижной зажимной плиты на стороне смыкания машины и
посредством извлечения формовочных стержней. Извлечение
формовочных стержней производится устройствами, которые
приводятся в действие размыканием полуформ, или же независимыми гидравлическими или пневматическими приспособлениями. Выталкивание фасонной детали из формы производится
штифтовыми выталкивателями, которые механически управляются плитой-выталкивателем. После освобождения форма автоматически закрывается, и процесс может быть повторен.
Фитинги для пластмассовых трубопроводов - это напорные фасонные детали с соответственно большими толщинами
стенки, поэтому для системы впрыска применяются конические
литники большого объема, позволяющие сократить время заполнения и обеспечивающие достаточную подпитку. Эти литники при соответствующей конструкции формы могут удаляться автоматически. Это осуществляется отдельными устройствами, приводимыми в действие механически в процессе размыкания формы. Там, где этого не позволяет конструкция, литники
после извлечения из формы удаляются вне литьевой машины.
Для этого применяются стандартные устройства и приборы. Соединительные детали, изготовленные методом литья под давлением, нуждаются в минимальной доработке. В основном она
сводится к удалению литников. Детали с очень большими толщинами стенки помещаются в водяные ванны до полного охлаждения, что позволяет сократить время охлаждения и избежать
деформации. В них также вставляют временные технологические заглушки, предотвращающие овализацию.
160
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5.3. Современное состояние и тенденции развития
техники и технологии литья фитингов
Литьевые технологии производства фитингов доминируют среди других методов. К основными тенденциями развития
технологии литья относятся следующие.
Увеличение видов и размеров соединительных деталей. Благодаря постоянному совершенствованию и укрупнению
литьевых машин появляются новые возможности производства
таких деталей, которые недавно получали менее эффективным
прессованием или сваркой.
Увеличивается ассортимент применяемых материалов, что в свою очередь, позволяет расширить сферы применения полимерных фитингов.
Развиваются такие прогрессивные технологии, как тонкостенное и многокомпонентное литье, литье с подпрессовкой,
литье при низком давлении, с закладными деталями (в частности с резьбовыми вставками и электрическими закладными нагревателями деталей под электродиффузионную сварку,
рис.5.23), литье с газом (при получении пористых деталей), с
водой, сочетание мягкого и жесткого компонентов при литье.
Рис. 5.23. Детали из ПНД и ПП с закладными
нагревателями под электросварку
161
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 5.24. Фитинги изготовленные с готовыми уплотнениями
На рис. 5.24. показана последняя новация
Компьютерные технологии. Широкое применение компьютерных технологий характерно для современной литьевой
техники. Современные термопластавтоматы (ТПА) оснащаются
терминалами (рис. 5.25), которые осуществляют мониторинг параметров процесса, управляют циклом согласно заданной программе, предоставляют оператору необходимую информацию
для эффективного регулирования параметров и отладки процессов [6].
Фирма Battenfeld декларирует основные параметры современных систем управления литьем фитингов под давлением
представленные ниже [3].
Интерфейс Windows, активный цветной экран, обзор
важных функций на ограниченном числе страниц, свободный
выбор технологических профилей, пользовательская система
программирования. Опцией системы управления является дистанционный сервис. Связь с производителем осуществляется
через Интернет.
162
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Графическая индикация заданных значений и графика
действительных значений позволяют быстро произвести визуальную оценку ситуации, облегчает настройку машины.
Современные международные нормы контроля качества
успешно выполняются
благодаря компьютерному
документированию процесса. Регистрация пользователей и
система многоуровневых паролей обеспечивают безопасный производственный процесс.
Таблица качества представляет собой детализированную документацию по мониторингу
процесса. Система осуществляет статистический контроль процесса.
Если параметры изделия
находятся вне зоны допусков деталь автоматически отбраковывается. Система снабжена
гибким диском, совместимым с ПК. Оптимизированные
параметры
настройки машины для
литья конкретного изделия можно сохранить и
в дальнейшем воспроизРис. 5.25. Терминал термопластавтомата
вести.
163
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Современное оборудование для производства фитингов [3]. Для некоторых полимеров необходимы специальные
технические решения, обеспечивающие высокое качество изделий. Так, фитинги из непластифицированого ПВХ получаются в
очень узком технологическом окне и требуют специального
оборудования. Особенности узла пластикации ПВХ (рис. 5.26):
охлаждение цилиндра вентиляторами, специальная геометрия
шнека имеющего L/D = 22, коррозионно-стойкие материалы,
внутреннее охлаждение шнека.
Рис. 5.26. Пластицирующий узел ТПА для литья ПВХ
В пластицирующих блоках для ПЭ и ПП применяют шнеки высокой производительности с высокой эффективностью пластикации, улучшенной степенью гомогенизации (рис.5.27).
164
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 5.27. Шнек для литья крупных деталей из полиолефинов
При литье фитингов под давлением при усилии замыкания до 6500 кН используют замыкающие блоки с коленчатым
рычагом (рис. 5.28) или гидравлические блоки (рис. 5.29) [3].
165
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 5.28. Схема замыкающего блока с коленчатым рычагом при
литье фитингов под давлением при усилии замыкания до 6500 кН
Рис. 5.29. Схема гидравлического замыкающего блока при
литье фитингов под давлением при усилии замыкания до 6500 кН
Особенности замыкающих блоков с усилием выше
8000 кН: конструкция повышенной прочности, большие зажимные плиты, большая площадь зоны установки инструмента,
свободный доступ к инструменту (рис. 5.30).
166
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 5.30. Замыкающий блок при литье фитингов
под давлением с усилием выше 8000кН
С целью автоматизации процесса съема изделий из машины используются адаптированные к машине стандартные роботы (рис. 5.31).
167
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 5.31. Автоматизированная система
съема деталей
168
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 5.32. Оснастка для производства фитингов
На рис. 5.32 изображены примеры технологической оснастки, применяемой при производстве фитингов.
169
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5.4. Изготовление фитингов методом сварки
Соединительные детали большого размера, например,
тройники, косые тройники, сегментные отводы или специальные фасонные детали в небольших количествах, преимущественно из полиэтилена, изготавливаются в виде сварных конструкций, например, равнопроходный тройник и отвод (рис. 5.33,
5.34).
Рис. 5.33. Тройник сварной d – диаметр трубы;
s – толщина стенки трубы; z – длина
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 5.34. Отводы сварные:d – диаметр трубы; s – толщина
стенки трубы; z – длина до центра детали; l – длина заготовки
171
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В значительных объемах изготавливаются также неравнопроходные сварные тройники и укрупненные изделия, полученные сваркой литых или прессованных деталей (одной или
нескольких) с отрезками труб (рис 5.34-5.38) а также многие
другие детали стандартной или специальной формы.
а) Диаметром D 63, 110, 160 мм
б) Диаметром D 225 мм
a-длина патрубка
Рис. 5.35.Тройники с приваренными патрубками
172
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
а) Отвод 90
б) Переход
в) Втулка под фланец
a-длина патрубка
Рис. 5.36. Отвод (а), переход (б), втулка под фланец (в) с
173
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
приваренными патрубками
а) Втулка под фланец
1 - Накидной фланец, 2 - Втулка под фланец, 3 - Приваренный
патрубок
б) Тройник с разъемным соединением
1 - Накидной фланец, 2 - Втулка под фланец, 3 - Литой тройник, 4 - Приваренный патрубок
174
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 5.37. Разъемное соединение из втулки и фланцев в
сборе (а), тройник с приваренными втулками и фланцами (б)
1 - Накидной фланец, 2 - Втулка под фланец, 3 - Литой отвод, L
– согласно проекту
Рис. 5.38. Компенсатор с приваренными втулками и
фланцами
Описание сварки встык. Контактная сварка встык наиболее эффективна для соединения труб средних и больших диаметров с толщиной стенки более 2 мм. При этом способе сварки
торцы труб центрируют, торцуют, оплавляют нагревательным
элементом, затем элемент убирают и оплавленные торцы труб
под определенным давлением соединяют. Качество сварки определяется соблюдением технологического режима сварки.
175
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Удаление загрязненного слоя с торцов трубы выполняется с помощью специальных торцовок.
В комплекте с нагревательными элементами применяются центрирующие устройства, оборудованные силоизмерителями для контроля за усилением прижима труб в процессе оплавления и осадки.
Деградация полиэтилена. Термин «деградация ПЭ при
сварке» включает в себя понятие о двух процессах: деполимеризации и термоокислительной деструкции. Эти процессы объединяет то, что оба приводят к разрушению полимерных цепей и
снижению молекулярной массы. Деполимеризация протекает
при нагревании полиэтилена без контакта с кислородом воздуха.
Первым проявлением деполимеризации является снижение молекулярной массы полиэтилена без выделения значительных количеств летучих веществ. Полиэтилен быстро деполимеризуется
при 290°С, а примерно при 360°С начинают активно выделяться
летучие вещества.
При контакте с воздухом, на разогретой до 260°С поверхности полиэтилена, бурно протекают термоокислительные
реакции. При этом выделяются органические кислоты, альдегиды, кетоны и спирты, СО и СО2.
Термоокислительные процессы тормозятся с помощью
добавок  антиоксидантов, которые значительно увеличивают
индукционный период окисления. При температуре сварки
(200ч220 С) антиоксиданты задерживают окисление полиэтилена в течении периода, необходимого для проведения этого
технологического процесса.
Деградация полиэтилена сопровождается снижением молекулярной массы и образованием разветвленных, а также сшитых структур. Продукты деградации не способны выполнять
функции проходных цепей, и таким образом превращаются в
макромолекулярный балласт. Сшитые структуры становятся
очагами роста трещин. В результате ухудшаются физико-
176
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
механические показатели, особенно стойкость к растрескиванию. Поэтому температурно-временной режим сварки должен
скрупулезно выдерживаться.
Концентраторы напряжений. Прочностные характеристики сварных конструкций полимеров зависят от эффекта концентраторов напряжений и величины сварочных напряжений.
Различные виды геометрических концентраторов можно разбить
на две группы:
1. Конструктивные  связаны с конструкциями трубопровода в области стыка.
2. Технологические  обусловленные технологическими
эффектами.
Влияние геометрических концентраторов состоит в значительных местных перенапряжениях. На практике раструбные
соединения могут иметь весьма острые переходы с малыми радиусами закругления, когда коэффициент концентрации достигает 5 и более. Правда, в полиэтиленовых трубах пиковые напряжения релаксируют, но местные напряжения могут быть
весьма значительны.
Одной из причин разрушения трубопроводов в области
сварного шва могут быть краевые эффекты.
Величина перенапряжений для сварки встык зависит от
формы бокового концентратора, то есть валика, а форма определяется технологией выполнения соединений и реологическими
свойствами расплава. Валик оплавленного материала действует
подобно бандажу. Величина перенапряжений от бандажа увеличивается с ростом его площади. Таким образом, чрезмерная длительность оплавления, излишне высокая температура и большое
усилие прижима приводит к увеличению площади грата и, следовательно, к росту напряжений изгиба.
Короткое оплавление, низкая температура и слабый прижим могут привести к образованию острых углов сопряжения
полуваликов и даже надрезов, которые станут опасными геомет-
177
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
рическими концентраторами напряжения.
Значительные перенапряжения возникают и на границе
оплавленной зоны с не оплавленным материалом.
Технологические дефекты: непровары, пузыри и включения по своему характеру подобны трещинам различной формы.
Эти дефекты могут не проявиться при кратковременных
испытаниях, когда преобладают пластические деформации. При
длительном нагружении с умеренными напряжениями скорость
деформации оказывается меньше скорости хрупкого разрушения. В этом случае опасное сечение конструкции определяется
местным перенапряжением.
При сварке встык дефекты особенно опасны. Концентраторы ухудшают сопротивление растрескиванию и динамическую выносливость трубопроводов. Эффект трещин, лежащих
на поверхности, усугубляется в средах, содержащих поверхностно активные вещества (ПАВ). В среде ПАВ сварные швы с
дефектами быстро разрушаются.
Внутренние сварочные напряжения. Эффект геометрических концентраторов суммируется со сварочным напряжением.
Остаточные напряжения, в том числе их разновидность 
сварочные, являются следствием предшествующей пластической деформации материала.
При соединении встык толстостенных труб внутренняя
часть нагревается сильнее и охлаждается медленнее наружной,
поэтому в швах появляются радиальные напряжения. Осевые
напряжения при правильно выполненной сварке встык минимальны. Сварка при температуре воздуха ниже 0 єС приводит к
росту сварочных напряжений.
Достоинства и недостатки сварки встык. Контактная
сварка встык является оптимальным способом соединения полиолефиновых труб диаметром более 50мм. Преимущества этого метода:
178
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
• простота, универсальность комплекта инструментов
(на одной установке можно варить несколько типов и размеров
труб),
• экономичность,
• высокая производительность.
Его недостатки:
• необходимость высокой квалификации сварщиков,
• некоторое снижение гидравлических характеристик
трубопроводов (примерно на 15%) вследствие образования валика.
Впрочем, гидравлические потери от внутреннего валика с
избытком компенсируются благодаря гладкости стенок полимерных труб.
Распределение температур в стенке трубы при сварке
встык. Установлено, что граница оплавления имеет форму кривой с выпуклостью, направленной в сторону торца (рис. 5.39.).
Рис. 5.39. Зона расплавленного материала
179
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Тх
1
2
3
Ти
Тпл
Тос
τ1+ττ2
τтп
τох
t, мин
Рис. 5.43. Изменение температуры в трех точках трубы:
1 – на поверхности торца трубы, 2 – внутри зоны проплавления,
3 – за зоной проплавления. ТИ – температура нагревательного инструмента,
Тпл – температура плавления, Тос – температура окружающей среды, 1+=2
– время выравнивания торцов + время прогрева, тп – время технологической паузы, ох – время охлаждения.
Форма границы проплавления обусловлена передачей тепла к наружным поверхностям трубы от нагревателя по механизму конвективного теплообмена и излучения. Выдавливаемый
расплав полимера также увеличивает нагрев поверхностей. Это
явление учитывают при выборе параметров сварки. В момент,
когда торцы трубы соприкоснулись с нагревательным инструментом, на поверхности торца мгновенно устанавливается температура ТХ, равная температуре инструмента (рис. 5.40.). После
удаления инструмента, за время технологической паузы, ТХ начинает резко снижаться. После стыковки торцов температура
180
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
стыка повышается за счет притока тепла от внутренних слоев
трубы. Затем ТХ снижается до температуры окружающей среды.
Температура инструмента ТИ должна быть существенно
выше Тпл. В частности, при Т  180°С полиэтилен низкого давления (ПНД) плохо сваривается, с повышением ТИ прочность
шва растет, а затем снижается вследствие структурных изменений в материале, ухудшения формы шва и повышения сварочных напряжений. Поэтому ПНД рекомендуют варить в диапазоне 190-230°С, причем считают, что чем больше диаметр трубы и
толщина стенки, тем ниже должно быть ТИ.
Роль давления. Важную роль в процессе сварки встык
играет давление при нагреве торцов и при осадке. Под действием давления при нагреве и осадке полимер вытекает из зоны нагрева, при этом уменьшается глубина оплавления слоя в середине шва, увеличивается неравномерность прогрева, полиэтилен
ориентируется вдоль плоскости раздела. Это  отрицательное
воздействие давления. С другой стороны, давление при нагреве
должно быть достаточным для быстрого сглаживания неровностей на торцах, а давление при осадке должно обеспечивать
плотное соединение, выдавливание пузырей и воздушных включений, максимальное увеличение поверхности контакта.
Очень важно, что после окончания сварки давление
должно компенсировать усадку. При охлаждении без давления
усадка приводит к возникновению пузырей, усадочных раковин,
увеличению остаточных напряжений.
Оптимальное давление при оплавлении в основном зависит от вязкости расплава полимера. Чем больше молекулярная
масса и, следовательно, вязкость, тем выше требуемое давление.
Для полиэтилена низкого давления (ПНД) расчетное давление в
плоскости стыка составляет 0,15 МПа при оплавлении и при охлаждении шва.
Наилучший режим оплавления включает две стадии:
форсированное выравнивание под давлением 0,15 МПа, и про-
181
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
грев при давлении около 0,01-0,05 МПа после образования первичного валика заданных размеров. Для некоторых марок ПЭ80, имеющих сравнительно невысокую вязкость расплавов рекомендуют более низкие значения (0,1-0,12 МПа) давления.
Роль продолжительности стыковки и паузы. Время
охлаждения шва при сварке встык существенно превышает по
длительности остальные стадии, так как из-за низкой теплопроводности полиэтилена остывает медленно. Все попытки ускорить охлаждение за счет обдува холодным воздухом или охлаждения водой ведут к появлению внутренних напряжений и раковин.
После удаления нагревателя расплав полимера на торцах
свариваемых заготовок контактирует с кислородом воздуха и
быстро окисляется. Кроме того, поверхность полимера охлаждается и быстро теряет способность к аутогезии  самослипанию.
Поэтому продолжительность паузы всегда должна быть минимальной, особенно при низких температурах воздуха.
Нормативные значения длительности этапов сварки при
нормальных условиях сведены в табл. 5.1.
Таблица 5.1. Длительность этапов сварки
Толщина Высота валика Длитель- Пауза, Время поВремя
стенки в конце I ста- ность II
не дачи давле- охлаждезаготовки, дии оплавле- этапа ста- более, ния осадки ния под
мм
ния, мм
дии оплав- с до заданно- давлением,
ления, с
го уровня, с
мин
2–4
0,3
35±5
3
3
5±1
4–7
0,5
55±15
4
4
8±2
7 – 12
1,0
110±25
5
6
13±3
12 – 18
1,0
150±25
6
7
20±4
18 – 26
1,5
190±25
7
10
28±4
26 – 32
1,5
280±30
10
15
35±5
32 – 40
2,0
360±40
10
15
40±5
40 – 50
3,0
420±50
15
20
45±5
182
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Контроль технологического процесса сварки встык
складывается из следующих стадий:
• проверки квалификации сварщиков,
• проверки качества свариваемых труб и соединительных деталей,
• проверки состояния сварочного оборудования,
• контроля над выполнением технологии сварки (пооперационный контроль),
• контроля сварных соединений.
Рассмотрим подробнее два последних вида контроля.
Пооперационный контроль. Для пооперационного контроля процесса сварки встык выбраны три основных параметра:
• температура нагревателя,
• давление в плоскости стыка,
• длительность каждого этапа сварки.
К вспомогательным параметрам можно отнести оценки
подготовки торцов заготовок к сварке: визуальная оценка чистоты торцов до торцевания и после обработки торцов, смещение
кромок до торцевания и после обработки торцов, зазор между
заготовками после обработки торцов, а также размеры первичного валика после первой стадии оплавления (выравнивания
торцов на нагревателе).
При неблагоприятных условиях сварки параметры корректируются, причем критериями оптимальности служат внешний вид, форма, размеры валика, а также результаты механических испытаний. В производственной практике используются
кратковременные тесты на растяжение или изгиб, а в исследовательских работах определяются показатели длительной хрупкой
прочности.
Традиционно пооперационный контроль возлагался на
наиболее квалифицированного специалиста, наблюдающего за
сваркой. Вместе с тем разработана техника и технология компьютерного протоколирования. Более того, необходимость ав183
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
томатизации пооперационного контроля регламентируется рядом Международных и Российских норм. Специалисты считают
компьютерной протоколирование важным средством повышения качества сварки.
Контроль соединений. Для контроля качества соединений используются следующие методы: внешний осмотр, ультразвуковой и рентгеновский контроль, механические и гидравлические (пневматические) испытания.
К сожалению, приборные методы неразрушающего контроля, ультразвуковой и рентгеновский контроль, хорошо зарекомендовавшие себя при контроле сварки металлов, неэффективны для полимеров. Этот факт объясняется как спецификой
физических свойств полимеров, так и характером дефектов
сварных соединений полимеров. В отличие от основных дефектов прутковой сварки металлов – раковин, непровары контактной сварки полимеров имеют исчезающе малую толщину.
Основной вид неразрушающего контроля  внешний осмотр сварных швов. Визуальному осмотру подлежат все сварные швы.
Сварной шов должен удовлетворять следующим требованиям:
1 валик должен быть симметричным и круглым;
2 размеры валика должны соответствовать нормам для данной
трубы;
3 поверхность валика должна быть гладкой (не иметь пор);
4 смещение кромок труб не должно превышать 10 % от номинальной толщины трубы.
Характеристика дефектов швов, причины дефектов и
способы их устранения должны выявляться в процессе настройки режимов. Стыки, не удовлетворяющие внешнему виду, бракуются и вырезаются вместе с участком трубы длиной 40-50 мм
по обе стороны шва. Исправление дефектов в стыках не допускается.
184
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Дефекты сварки можно разделить на четыре группы: дефекты сборки и подготовки изделий под сварку, дефекты формы
швов, наружные и внутренние макродефекты, дефекты микроструктуры.
Описание дефектов. Типичные дефекты подготовки  несовпадение кромок труб, некачественная обработка торцов, загрязнение соединяемых поверхностей. Подготовленные к сварке
детали должны соответствовать следующим нормам: непосредственно перед сваркой со свариваемых торцов должен быть снят
слой толщиной не менее 0.5 мм, допустимое смещение кромок 
10% от толщины стенки, допустимый зазор между подготовленными поверхностями 0.5, 0.7 и 1 мм для труб  110, 400 и более
соответственно. Дефекты формы швов  большой, маленький или
неравномерный валик оплавленного материала.
Макродефекты  поры, непровары, усадочные раковины,
инородные включения. Основная причина образования пор 
термоокислительная деструкция полимера на перегретом инструменте, сопровождаемая выделением газов, и влага, попавшая
на поверхность контакта. Непровары в швах возникают при недостаточной температуре соединяемых поверхностей, то есть
при малом времени нагрева, и возможно, недостаточной температуре нагрева и малом давлении. Местные непровары могут
возникнуть из-за загрязнений торцов труб или инструмента,
плохой торцовки труб.
При нарушениях технологического режима сварки на
стадии охлаждения шва в нем возникают усадочные раковины.
Этот дефект особенно часто возникает при низких температурах
окружающего воздуха и при искусственном охлаждении, например, если шов обливают холодной водой.
Дефекты микроструктуры являются всегда следствием
деградации ПЭ за счет перегрева на инструменте. Перегретый
полиэтилен имеет низкую молекулярную массу и большую разветвленность, а следовательно  значительно менее прочен и не-
185
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
долговечен.
Механические испытания. Для определения качества
сварных соединений, а также уточнения технологических параметров сварки и настройки оборудования, производятся механические испытания образцов, вырезанных из сварных швов. Вырезка сварных образцов производится через 24 часа после сварки, а испытания  через 16 часов после вырезки линейных образцов. Сварные стыковые образцы подлежат испытанию: на растяжение, на статистический изгиб. Для испытания из каждого
контрольного стыка вырезают вдоль оси трубы не менее 5 образцов в соответствии с ГОСТ 11262-76. Метод испытания образцов на растяжение предусматривает ускоренную оценку
сварного шва при растяжении; определение разрушающего напряжения при растяжении и относительного удлинения при разрыве; установление коэффициента сварки. При ускоренном испытании качество сварного шва считается удовлетворительным,
если разрушение образца произошло по основному материалу.
Испытания на статистический изгиб рекомендуется производить по схеме, указанной в стандартах, при этом сварные
образцы, вырезанные из труб, должны иметь форму брусков
прямоугольного сечения с размерами, соответствующими указанным в стандартах. Изгиб осуществляется за 3-5 сек.
Следует подчеркнуть, что при испытании на одноосное
напряжение полезно анализировать не только величины предельных напряжений, а также зависимость напряжения от деформации, рассчитывать работу разрушения сварных соединений.
Гидравлические испытания на стойкость к внутреннему гидростатическому давлению являются основным методом
186
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
контроля сварных фитингов заводского производства. Разновидность гидравлических - пневматические испытания, практикуются в производстве укрупненных узлов газопроводного назначения в заготовительных цехах.
Сварочные машины для производства фитингов.
Стационарное сварочное оборудование, используемое
для производства соединительных деталей в условиях трубных
заводов и специализированных предприятий по выпуску фитингов, имеет существенные отличия от мобильных машин используемых непосредственно в сфере строительства. Особенности стационарных машин: рабочие столы или платформы высокой жесткости, съемные поворотные хомуты (зажимы ), высокая степень автоматизации, механизации, компьютеризации
(рис. 5.41-5.46). Вместе с тем, во многих случаях оказываются
полезны универсальные машины, пригодные для работы как в
цеховых так и полевых условиях (рис. 5.42).
сальные машины, пригодные для работы, как в цеховых
так и полевых условиях (рис. 5.45).
187
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УСПТЭП-160С
Базовая комплектация
1. Центратор, привод гидравлический
2. Комплект сменных хомутов и вкладышей на Ø 63,
110, 160 мм
3. Механический торцеватель
4. Нагреватель, напряжение питания 220 В
5. Набор приспособлений для крепления литых и
прессованных фитингов с короткими присоединительными частями
Назначение
Сварочная установка
УСПТЭП 160С, стационарная, предназначена для сварки полиэтиленовых
трубных заготовок диаметром 63, 110,
160 мм при изготовлении сварных тройников и отводов, укрупненных узлов из
фитингов (в том числе с короткими присоединительными частями) в цеховых
условиях.
Дополнительная комплектация
Нагреватель
с
понижающим
трансформатором
Электроторцеватель
Основные характеристики
Дополнительная
УСПТЭП 160С
Комплектация
Номинальные диаметры свариваемых труб, мм
63, 110,
160, 225
Диапазон осевых усилий, Н,
0÷3000
Температура нагревателя автоматически регулируется в диапазоне, °С
180÷240
Мощность нагревателя, не более,
кВт
2
Габаритные размеры
центратора, мм
Масса центратора, кг
1060х845х
1520
265
Электрический
гидроагрегат
Компьютерный
протоколёр
КПТЭП
Рис. 5.44. Стационарная сварочная машина УСПТЭП 160С
188
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УСПТЭП-225Д
Базовая комплектация
1. Центратор специальный, с дополнительным столом,
привод гидравлический, ручной насос
2. Комплект сменных вкладышей по 8 шт. на Ø 63,
110, 160 мм
3. Механический торцеватель
4. Нагреватель, напряжение питания 220 В
5. Набор приспособлений для крепления литых и
прессованных фитингов с короткими присоединительными частями
Назначение
Сварочная установка
УСПТЭП 225Д, универсальная, предназначена для сварки полиэтиленовых
труб диаметром 63, 110, 160 и 225 мм,
труб с укрупненными узлами или фитингами (в том числе с короткими присоединительными частями) при сооружении трубопроводов в стационарных
и полевых условиях
Дополнительная комплектация
Нагреватель с понижаюЭлектрощим трансформатором на
торцеватель
42В
Основные характеристики
дополнительная
УСПТЭП 225 Д
комплектация
Номинальные диаметры свариваемых труб, мм
63, 110,
160, 225
Диапазон осевых усилий, Н
0÷10000
Температура нагревателя автоматически регулируется в диапазоне, °С
180÷240
Мощность нагревателя, не более,
кВт
2
Габаритные размеры
центратора, мм
Масса центратора, кг
1410х500
х
1000
115
Электрический
гидроагрегат
Рис. 5.45. Универсальная сварочная машина УСПТЭП
189
225Д
Компьютерный
протоколёр
КПТЭП
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УСПТЭП-400С
Базовая комплектация
1. Центратор специальный, привод гидравлический,
ручной насос
2. Комплект сменных хомутов(широкий, узкий и 6
поворотных) и вкладышей на
Ø 225, 315, 400 мм
3. Электрический торцеватель, 380В
4. Нагреватель, напряжение питания 380 В
5. Набор приспособлений для крепления литых и
прессованных фитингов с короткими присоединительными частями
Назначение
Сварочная установка УСПТЭП 400С,
стационарная, предназначена для
сварки полиэтиленовых трубных заготовок диаметром 225, 315, 400 мм при
изготовлении сварных тройников и отводов, укрупненных узлов из фитингов
(в том числе с короткими присоединительными частями) в цеховых условиях
Дополнительная комплектация
Электрический гидроагрегат
Основные характеристики
Дополнительная
УСПТЭП 160С
комплектация
Номинальные диаметры свариваемых труб, мм
225,
315, 400
Диапазон осевых усилий, Н
0÷10000
Температура нагревателя автоматически регулируется в диапазоне, °С
180÷240
Мощность нагревателя, не более,
кВт
8
Мощность торцевателя, не более,
кВт
2
Габаритные размеры центратора,
мм
2000х110
0х1550
Компьютерный протоколёр КПТЭП
Масса центратора, кг
325
Рис. 5.46. Стационарная сварочная машина УСПТЭП 400С
190
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 5.47. Сварка встык на стационарных машинах
при производстве фитингов
Рис. 5.48. Машина для изготовления сварных
фитингов диаметром до 400мм УСПТ Р2 400С
191
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 5.49. Машина для изготовления неравнопроходных
тройников до диаметра 500мм. УСПТ Р2 500НТ
192
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 5.50. Машина для изготовления сварных фитингов
диаметром до 800мм
Заготовки фасонных деталей соединяются между собой
посредством стыковой сварки нагревательным элементом.
Кольцевые поверхности сегментов доводятся нагревательным
элементом до пластичного состояния. Подготовленные таким
образом сегменты под точно установленным давлением состыковываются друг с другом.
Самые крупные детали изготавливаются экструзионной
сваркой (рис. 5.48).
Рис. 5.51. Аппарат для экструзионной сварки и сваренные
им фитинги: косые неравнопроходные тройники и отвод [8]
193
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для контроля за системами коллекторов, в последние интегрируются шахты, люки и колодцы, которые установлены,
главным образом, в местах изгибов, редуцирования или ответвлений трубопроводов [1]. Шахты могут быть изготовлены из такого же материала, что и трубы, а также соединены в систему на
сварке (рис. 5.49, 5.50).
Рис. 5.52. Стандартные шахты
Рис. 5.53.Тангенциальные шахты
Шахты этого типа располагаются по касательной к оси
трубы, что означает их смещение от оси трубопровода. Главными преимуществами тангенциальных шахт являются долгий
срок службы, низкий вес, широкие возможности применения,
лёгкость межэксплуатационных осмотров, способность к самоочищению и дешевизна монтажа.
194
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5.5. Прессование при производстве фитингов
Прессование — это технологический процесс изготовления изделий из полимерных материалов, заключающийся в пластической деформации материала при действии на него давления и последующей фиксации формы изделия. Если формуемый
материал способен к пластической деформации без нагревания,
то процесс ведется в холодной форме и носит название холодного прессования. Формование в нагретой форме, т. е. горячее
прессование, применяется в том случае, если нагрев необходим
для снижения вязкости материала перед подачей давления или
когда фиксация формы изделия осуществляется за счет реакций
отверждения, протекающих при повышенных температурах. Горячее прессование в зависимости от аппаратурного оформления
проводится методами компрессионного (прямого) или литьевого
(трансфертного) прессования [5].
В производстве фитингов, в частности втулок под фланец
и переходов средних размеров (160 ÷ 500мм), обычно используется прессование в теплых формах предварительно разогретых
заготовок, вырезанных из труб.
Фторопластовые фитинги получают спеканием порошкообразного полимера под давлением.
Библиографический список
1. Рекламные материалы Uponor. - 2006. – 20с.
2. Рекламные материалы Unicor. - 2005. – 24с.
3. Рекламные материалы Battenfeld. - 2003. – 30с.
4. НТД ЗАО «Сибпромкомплект».
5. Власов, С.В. Основы технологии переработки пластмасс: учебник
для вузов/ С.В. Власов [и др.] - М.:Химия, 2004. - 600 с.
6.
Никитенко, Е.А. Литье пластмасс под давлением/
Е.А. Никитенко// Международные новости мира пластмасс. - 2005. №7,8. – С. 35-40.
7. Рекламные материалы WIDOS. - 2005. – 36с.
8. Рекламные материалы Krah. - 2006. – 42с.
195
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6. КАЗАНСКИЙ ТРУБНЫЙ ЗАВОД
6.1 Производство полиэтиленовых труб
на ОАО “Казаньоргсинтез”
Несмотря на бурное развитие трубных производств в
России, преимущественно вблизи Москвы, трубный завод ОАО
"Казаньоргсинтез" остается крупнейшим предприятием отрасли.
Три десятка высокопроизводительных экструзионных линий,
несколько термопластавтоматов, прессы и сварочное оборудование способны переработать свыше 50 тыс. т/год полиэтилена в
газопроводные и водопроводные трубы диаметром 10÷1200 мм,
соответствующие соединительные детали и другие изделия.
Трудно переоценить роль Казанского трубного завода в
процессе превращения строительства полимерных трубопроводов
из опытно-показательных объектов в магистральное направление
технического прогресса в области сооружения трубопроводных
систем различного назначения. С 1981г., немедленно после пуска,
Казанский трубный завод мощность которого превосходила
мощность всех остальных заводов СССР вместе взятых, стал материальной основой процесса, который специалисты назвали переходом от агитации к пропаганде полимерных труб.
Большой опыт казанских трубников служит хорошей основой для стабильного производства. В дальнейшем развитии
трубного завода можно проследить следующие тенденции:
- применение новых более эффективных марок сырья;
- экономичная стратегия модернизации трубных линий;
последовательная замена морально и физически изношенного
оборудования на современное и эффективное;
- повышение производительности трубных линий;
- освоение новых типоразмеров труб и фитингов.
Реализация этих тенденций, очевидно, обеспечит Казанскому трубному заводу лидирующее положение в отрасли.
196
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Некоторое представление о техническом уровне трубного
завода представлены на рис. 6.1-6.9.
Рис. 6.1. Модернизированный экструдер трубной линии
Рис. 6.2. Терминал системы управления экструзией
197
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 6.3. Головка, калибратор и вакуумная камера
с форсунками для разбрызгивания. Ротаметры
контролируют подачу охлаждающей воды
198
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 6.4. Вход в охлаждающую ванну с прижимными
роликами, устраняющими овальность
Рис. 6.5 Маркиратор и тянущее устройство
Рис. 6.6. Длинномер и отрезное устройство
199
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 6.7. Боковой экструдер для нанесения цветных
полос, обозначающих назначение труб.
(Синие полосы - питьевая вода, желтые - газ)
Рис. 6.8. Намоточное устройство, бухта труб
диаметром 110 мм
200
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 6.9. Отрезное устройство линии по выпуску труб
диаметром 630-1200 мм. Контроль толщины стенки
Производство соединительных деталей. Отделение
фитингов имеет мощность около 2 тыс. т/год и с запасом обеспечивает комплектование выпускаемых труб основными соединительными деталями. При этом реализуются все типовые
технологические процессы: литье под давлением, прессование
(рис. 6.10), намотка экструдата и сварка: стыковая и экструзионная. Первым этапом производства формовых и сварных деталей является раскрой труб на заготовки. Резка труб выполняется ленточными пилами (рис. 6.11).
Рис. 6.10. Смена прессформы в 100-тонном прессе
201
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 6.11. Ленточная пила
Сварные детали и прессованные втулки под фланец изображены
на рис. 6.12 и 6.13.
Рис. 6.12. Сварные отводы, 90º четырехсекционные
202
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 6.13. Сварной тройник и прессованные втулки под фланец
Рис. 6.14. Изготовление литых фитингов на термопластавтомате
203
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Методом литья под давлением изготавливают самые
крупносерийные фитинги малых диаметров (до Ø160÷225 мм), в
зависимости от вида и исполнения детали. К литым деталям относятся тройники, отводы, переходы и втулки под фланец,
включая детали с удлиненными присоединительными частями
(рис. 6.14) под электротермическую сварку.
Особенность системы контроля качества продукции
трубных заводов - так называемые горячие и холодные гидроиспытания, которые производят на специальных стендах, обеспечивающих термостатирование образцов при заданном напряжении в стенки трубы (рис. 6.15). Определяя статическую выносливость труб и фитингов под внутренним давлением при 20 и
80ºС можно не только оценивать качество материала и изделия в
целом, но и, в соответствии с принципами температурновременной аналогии, прогнозировать долговечность труб в
процессе эксплуатации.
Рис. 6.15. Установка образцов в горячую и холодную ванну.
Другой специальный метод оценки качества труб – так
называемые испытания на быстрое растрескивание, в процессе
которых определяют распространение трещины в охлажденной
до определенной температуры трубе, от ударной нагрузки. Этот
метод особенно важен для характеризации труб из ПЭ 80, сла-
204
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
бым местом которых является снижение стойкости к быстрому
растрескиванию с увеличением диаметра труб. На рис. 6.16 изображена достаточно типичная трещина, полученная при испытаниях.
Рис. 6.16. Характер разрушения трубы из ПЭ
при испытаниях на быстрое растрескивание
Результаты, полученные при описанных выше испытаниях, не только используются для текущего контроля труб, но и
лежат в основе совершенствования технологии производства
трубных марок ПНД.
205
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6.2 Технические характеристики труб из полиэтилена
низкого давления
ГОСТ 18599-83. В соответствии с ГОСТ 18599-83, из
ПНД градации ПЭ63, производятся трубы четырех типов: легкие,
средне-легкие, средние и тяжелые. Они способны при 20°С в течение 50 лет выдерживать давление воды, соответственно: 0,25,
0,4, 0.6 и 1 МПа. Каждому типу труб соответствует определенная
толщина стенки. Трубы изготавливаются отрезками длиной 5,5, 6,
6.5, 11,5 и 12 метров. Могут быть выпущены трубы диаметром
свыше 400 мм отрезками до 50 метров. Трубы диаметром 25-110
могут сматываться в бухты или наматываться на катушки.
Трубы должны соответствовать нормам по показателям
внешнего вида, влияющим на их эксплуатационную надежность,
физико-механическим показателям (пределу текучести и относительному удлинению при разрыве) и выдерживать гидроиспытания. Например, трубы из ПЭ63 должны выдерживать напряжения
без разрушений при 20 °С (напряжение 15 МПа) в течение 1 часа
и при 80°С (напряжение 3 МПа ) в течение 170 часов.
Кривые длительной прочности ПЭ-63, ПЭ-80 и ПЭ-100
20
Напряжение, МПа
15
20oC
1
10
1
3
2
50oC
1
5
80oC
2
50 лет
0
-1
0
1
2
1 - ПЭ-63, 2 - ПЭ-80, 3 - ПЭ-100
3
4
5
6
Время под нагрузкой, (lg t ), час.
Рис. 6.17. Кривые длительной прочности полиэтиленов низкого давления
206
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Это означает, что результаты гидроиспытаний укладываются выше нижнего доверительного интервала кривых длительной прочности (рис. 6.17) и гарантируется нормативный
срок эксплуатации.
В настоящее время выпуск труб по ГОСТ 18599-83 прекращен, но остаточный нормативный срок эксплуатации трубопроводов из них составляет несколько десятков лет, поэтому
информация о их технических характеристиках остается актуальной.
ГОСТ 18599-2001 регламентирует нормы на расширенный ассортимент труб.
Он распространяется на напорные трубы из полиэтилена,
предназначенные для трубопроводов, транспортирующих воду,
при температуре от 0 до 40°С, а также другие жидкие и газообразные вещества.
В стандарте применяют следующие термины:
- средний наружный диаметр dср (мм);
- номинальный наружный диаметр d (мм);
- номинальная толщина стенки е (мм):
e=
d
,
2S + 1
[6.1]
где d – номинальный наружный диаметр трубы; мм; S – серия
трубы (нормированное значение, определяемое по формуле)
S=
σ
MOP
,
[6.2]
где σ – допускаемое напряжение в стенке трубы, равное MRS/С,
МПа; MRS – минимальная длительная прочность, МПа; С – коэффициент запаса прочности, равный 1,25 для воды; МОР –
максимальное рабочее давление, МПа.
207
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- минимальная длительная прочность MRS (МПа): напряжение,
определяющее свойства материала, применяемого для изготовления труб;
- коэффициент запаса прочности С. Для водопроводных труб
принимается 1,25;
- стандартное размерное отношение SDR: Отношение номинального наружного диаметра трубы d к номинальной толщине
стенки е.
Соотношение между SDR и S определяют по следующей
формуле:
SDR = 2 S + 1,
[6.3]
где S – серия трубы;
- коэффициент снижения давления Сt: коэффициент снижения
максимального рабочего давления МОР в зависимости от температуры транспортируемой воды,
- максимальное рабочее давление МОР, (МПа): максимальное
давление воды в трубопроводе, рассчитываемое по формуле:
MOP =
2 MRS
∗ Ct ,
C ( SDR − 1)
[6.4]
где
MRS – минимальная длительная прочность, МПа; С – коэффициент запаса прочности; SDR – стандартное размерное отношение; Ct – коэффициент снижения давления в зависимости
от температуры.
Условное обозначение труб состоит из слова «труба», сокращенного наименования материала (ПЭ 32, ПЭ 63, ПЭ 80, ПЭ
100), стандартного размерного отношения (SDR), тире, номинального наружного диаметра, номинальной толщины стенки
трубы, назначения трубы: хозяйственно–питьевого назначения
208
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
обозначают словом «питьевая», в остальных случаях – «техническая» и обозначения настоящего стандарта.
Примеры условных обозначений. Труба из полиэтилена
ПЭ 32, SDR 21 номинальным наружным диаметром 32 мм и номинальной толщиной стенки 2,0 мм для систем хозяйственно–
питьевого назначения:
Труба ПЭ 32 SDR 21 – 32×2 питьевая ГОСТ 18599-2001.
Труба из полиэтилена ПЭ 80, SDR 17, номинальным наружным диаметром 160 мм и номинальной толщиной стенки 9,1
мм, не используемой для хозяйственно-питьевого назначения:
Труба ПЭ 80 SDR 17 – 160×9,1 техническая ГОСТ 185992001.
Некоторые характеристики труб, указанны в таблице 6.1
Таблица 6. 1. Характеристики полиэтиленовых труб
Наименование
Значение показателя для труб из
показателя
ПЭ 32
ПЭ 63
ПЭ 80
ПЭ 100
1
2
3
4
5
1. Внешний вид Трубы должны иметь гладкую наружную и внутренповерхности
нюю поверхность. Цвет труб – черный, черный с синими продольными полосами в количестве не менее
четырех, равномерно расположенных по окружности
трубы, или синий, оттенки которого не регламентируются.
2. Относительное удлинение
при разрыве, %,
не менее
3. Изменение
длины труб после прогрева,
%, не более
250
250
250
250
3
3
3
3
209
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение таблицы 6.1
1
2
4. Стойкость
При начальпри постоянном ном напрявнутреннем
жении в
давлении при стенке трубы
20 °С, ч,
6,5 МПа
не менее
100
3
При начальном напряжении в
стенке трубы 8,0 МПа
4
При начальном напряжении в
стенке трубы 9,0 МПа
100
100
5
При начальном
напряжении в
стенке
трубы 12,4
МПа
100
5. Стойкость
При началь- При началь- При началь- При напри постоянном ном напряже- ном напря- ном напря- чальном
внутреннем
нии в стенке жении в
жении в
напряжедавлении при трубы 2,0
стенке тру- стенке тру- нии в
80 °С, ч,
МПа
бы 3,5 МПа бы 4,6 МПа стенке
не менее
трубы 5,5
МПа
165
6. Стойкость
При начальпри постоянном ном напряжевнутреннем
нии в стенке
давлении при трубы 1,5
80 °С, ч, не ме- МПа
нее
1000
165
При начальном напряжении в
стенке трубы 3,2 МПа
165
При начальном напряжении в
стенке трубы 4,0 МПа
1000
1000
165
При начальном
напряжении в
стенке
трубы 5,0
МПа
1000
Выбор труб для транспортирования различных сред.
С увеличением температуры транспортируемой среды длительная прочность полиэтилена снижается по экспоненциальному
закону. При необходимости сохранить срок службы труб снижают рабочее давление. Коэффициент снижения максимального
рабочего давления при температуре транспортируемой по тру-
210
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
бопроводу воды до 40 °С на срок службы 50 лет приведен в таблице 6.2.
Таблица 6.2 Коэффициенты редукции давления
Рабочая температура воды
Траб, °С
36 – 40
Коэффициент снижения давления Сt
для труб из
ПЭ 32
ПЭ 63
ПЭ 80, ПЭ
100
До 20
21 – 25
26 – 30
31 – 35
0,30
1,00
0,82
0,65
0,47
0,62
1,00
0,90
0,81
0,72
0,74
1,00
0,93
0,87
0,80
Выбор и расчет максимального рабочего давления труб
для транспортирования различных жидких и газообразных сред,
кроме воды, к которым полиэтилен химически стоек, проводят
на основе нормативных документов на монтаж и эксплуатацию
соответствующих трубопроводов.
Полиэтилен отличается высокой химической стойкостью
к большинству промышленных сред: растворам солей, щелочей
и к разбавленным кислотам. Расчет рабочего давления для труб,
транспортирующих среды, к которым полиэтилен ограничено
стоек или нестоек, производится с учетом табличных коэффициентов химической стойкости, приведенных, в частности в СН
550-82, или на основании экстраполяции результатов экспериментов по изучению кинетики развития поврежденности.
Газопроводные трубы выпускают из ПНД с MRS 8 или 10
МПа, в соответствии с ГОСТ Р 50838. С учетом чувствительности полиэтилена к газовому конденсату и особой опасности объектов газовой отрасли, газопроводные трубы отличаются от водопроводных многократным коэффициентом запаса прочности.
211
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6.3. Соединительные детали
Все соединительные детали (фитинги) классифицируются
по конструкции: втулки под фланец, отводы, тройники (равнопроходные и неравнопроходные), переходы, заглушки, муфты,
седелки и другие детали (рис. 6.18-6.21). Буквами на рисунках
обозначены нормируемые размеры.
Аналогично трубам по выпускаемым по ГОСТ 18599-83
различают тяжелые, средние, средне-легкие, легкие и облегченные детали. Трубам, выпускаемым по ГОСТ 18599-2001, соответствуют детали определенных SDR – стандартных размерных
отношений.
Используют также классификацию по способу присоединения к трубам: сваркой встык, в раструб, седельной сваркой.
По технологии изготовления, соединительные детали
можно разделить на литые, прессованные, выточенные из заготовок, полученные намоткой экструдата, сварные (контактной
или экструзионной сваркой) и гнутые.
Например, втулки под фланец (рис. 6.18) с величиной
присоединительного диаметра Dе до160 мм льются под давлением, до 500 мм − прессуются, а выше − изготавливаются намоткой экструдата.
212
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 6.18. Втулка под фланец
Эти детали используются для изготовления разъемных
соединений и соединений с металлической арматурой.
213
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 6.19. Отвод 90° литой
Рис. 6.20. Переход
214
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 6.21. Тройники литые, равнопроходный и неравнопроходный
Сварные детали, такие как равнопроходные и неравнопроходные тройники, имеют несущую способность, пониженную на ступень, по сравнению с трубами, из которых они изготавливаются. Такие детали могут армироваться стеклопластиками для повышения их несущей способности. В последние годы,
в особенности при строительстве газопроводов, применяются
муфты (рис. 6.22). Электросварные фитинги на ОАО Казаньогсинтез пока не выпускаются.
Рис. 6.22. Муфта для электротермической сварки
215
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
а
б
Рис. 6.23. Тройники с удлиненными присоединительными частями, равнопроходный (а) и неравнопроходный (б)
216
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 6.24. Переход с удлиненными присоединительными частями
Рис. 6.25. Отвод с удлиненными присоединительными частями
217
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 6.26. Заглушка с удлиненными присоединительными частями
218
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Содержание
ВВЕДЕНИЕ……………………………………………...
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ
ПРОИЗВОДСТВА ПОЛИМЕРНЫХ ТРУБ………..……
2. ПОЛУЧЕНИЕ ЭКСТРУЗИОННЫХ КОМПОЗИЦИЙ.
КОМПАУНДИРОВАНИЕ………………………………….
2.1. Некоторые представления о структуре и свойствах
трубных композиций………………………………………...
2.2. Получение композиций полимеров………………..…...
2.3. Смешение………………………………...……………….
3.ЭКСТРУЗИЯ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ТРУБ………......
3.1. Общее представление об экструдерах
3.2. Основные процессы, протекающие при экструзии…..
3.3. Общие принципы технологии производства
полимерных труб……………………………………………..
6
9
17
17
22
26
43
46
49
58
4. АКТУАЛЬНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ
И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ПОЛИМЕРНЫХ
ТРУБ……………………………………………………..……. 80
4.1. Техника и технология производства гофрированных,
армированных труб и шлангов……………………………... 89
4.2. Экструзионные головки………………………………… 95
4.3. Производство труб из сшитого ПНД………………… 107
4.4. Актуальные достижения в области экструзионной
техники……………………………………………………….. 118
4.5. Периферийные устройства……………………………. 129
219
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5. ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА СОЕДИНИТЕЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ ДЛЯ ПОЛИМЕРНЫХ
ТРУБ…………………………………………………………...
133
5.1. Классификация фитингов…………………………..….. 133
5.2. Литье под давлением………………………...………….
150
5.3. Современное состояние и тенденции развития техники и технологии литья фитингов………………………. 161
5.4. Изготовление фитингов методом сварки……………. 170
5.5. Прессование при производстве фитингов……………
194
6. КАЗАНСКИЙ ТРУБНЫЙ ЗАВОД……………………...
195
6.1 Производство полиэтиленовых труб на ОАО
“Казаньоргсинтез”……………………………..….................
195
6.2. Технические характеристики труб и из полиэтилена
низкого давления……………………………………….…...
205
6.3. Соединительные детали………………….....................
211
220
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
954
Размер файла
27 397 Кб
Теги
10593, труба, соединительных, техника, полимерная, технология, производства, деталей
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа