close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY12813

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2010.02.28
(12)
(51) МПК (2006)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
F 16L 9/00
ТРУБА ИЗ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА
И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
(21) Номер заявки: a 20030588
(22) 2003.06.12
(43) 2004.12.30
(71) Заявитель: Ставров Василий Петрович (BY)
(72) Авторы: Ставров Василий Петрович;
Карпович Олег Иосифович; Гоманькова Анна Владимировна; Наркевич
Анна Леонидовна (BY)
BY 12813 C1 2010.02.28
BY (11) 12813
(13) C1
(19)
(73) Патентообладатель: Ставров Василий
Петрович (BY)
(56) RU 2166145 C1, 2001.
RU 2069807 C1, 1996.
RU 2143627 C1, 1999.
RU 2095676 C1, 1997.
SU 885680, 1981.
SU 338000, 1972.
SU 730316, 1980.
(57)
1. Труба из композиционного материала, содержащая цилиндрическую часть с внутренним герметизирующим слоем и силовыми слоями, имеющими продольную и окружную
систему армирующих волокон, соединенных полимерной матрицей, буртики на концах,
включающие части силовых слоев, выполненные в виде раструбов, и упорные кольца,
взаимодействующие с раструбными частями силовых слоев, отличающаяся тем, что
внутренний герметизирующий слой и полимерная матрица силовых слоев выполнены из
термопластичных полимеров, допускающих сплавление, а упорные кольца в буртиках
сформированы из материала внутреннего герметизирующего слоя.
2. Труба по п. 1, отличающаяся тем, что внутренний герметизирующий слой и полимерная матрица силовых слоев выполнены из одного и того же термопластичного полимера, выбранного из группы, включающей полиэтилен высокого давления, полиэтилен
низкого давления, полипропилен, поливинилхлорид, полиамид, полибутен, АСБ-пластик
и их композиции, в том числе модифицированные.
Фиг. 1
BY 12813 C1 2010.02.28
3. Способ изготовления трубы из композиционного материала, включающий получение
внутреннего герметизирующего слоя, формирование силового слоя с продольной системой армирующих волокон и наружного силового слоя с окружной системой армирующих
волокон, соединение этих слоев, образование буртиков и упорных колец, отличающийся
тем, что продольную систему армирующих волокон вводят в расплав термопластичного
полимера в процессе экструдирования внутреннего герметизирующего слоя, в частности,
в виде однонаправленно армированной ленты с термопластичным матричным полимером,
формируя цилиндрическую заготовку, а окружную систему армирующих волокон создают
путем намотки однонаправленно армированной ленты с термопластичным матричным
полимером на сформированную цилиндрическую заготовку после ее охлаждения до температуры ниже температуры размягчения термопластичного полимера, при этом однонаправленно армированную ленту приплавляют к наружной поверхности сформированной
цилиндрической заготовки, по крайней мере, на ее концах; буртики получают при температуре выше температуры размягчения материала внутреннего герметизирующего слоя,
образуя сначала раструбы из наружных силовых слоев, а упорные кольца получают путем
деформирования материала внутреннего герметизирующего слоя.
Изобретение относится к области строительства трубопроводов для транспортирования газообразных и жидких сред под высоким давлением и может быть использовано в
газо- и нефтедобывающей, горной, химической и других отраслях промышленности, в
промышленных и коммунальных системах водо- и газоснабжения.
Известны трубы из волокнистых композиционных материалов с полимерной матрицей.
Благодаря высокой прочности и коррозионной стойкости такие трубы применяют в различных добывающих и перерабатывающих отраслях промышленности для транспортирования
газообразных и жидких продуктов при высоких давлениях. В источниках [1-6] описаны
различные конструктивные исполнения и способы изготовления труб из композиционных
материалов с термореактивными и термопластичными матричными полимерами.
Известна, например, труба из композиционного материала, имеющая внутренний герметизирующий и наружный защитный слои, а также систему армирующих волокон, намотанных по спирали и образующих силовой слой, расположенный между внутренним
герметизирующим и наружным защитным слоями [3]. Герметизирующий и защитный
слои выполнены из термопластичного полимера.
Волокна в силовом слое такой трубы не связаны между собой, а также с герметизирующим и защитным слоями, что снижает их работоспособность в условиях эксплуатации. Для защиты волокон от повреждений дополнительно предусмотрен наружный
защитный слой. Его нанесение усложняет технологию изготовления трубы. Данная труба,
согласно описанию [3], не содержит законцовок, поэтому затруднены стыковка отрезков
труб, присоединение отводов, тройников и фитингов при монтаже трубопровода. Из-за
низкой прочности в местах соединения эксплуатация труб возможна только при небольших рабочих давлениях.
Другая известная труба из волокнистых композиционных материалов [4] имеет герметизирующий слой из термопластичного полимера и силовые слои из стеклопластика на
основе термореактивного полимерного связующего. Для соединения слоев из разнородных
материалов введен праймерный слой, температура консолидации которого с материалом
герметизирующего слоя, согласно этому изобретению, равна температуре полимеризации
матричного полимера силовых слоев.
2
BY 12813 C1 2010.02.28
Данная труба также не содержит законцовок, необходимых для монтажа трубопровода.
Изготовление законцовок на месте усложняет технологию монтажа. Кроме того, требования идентичности температурных режимов соединения слоев ограничены выбором материала герметизирующего слоя и матричного полимера для силовых слоев. По указанным
причинам труба нетехнологична.
Труба, согласно патенту [5], имеет герметизирующий слой, продольный и окружной
(бандажирующий) слои из волокнистого композиционного материала и снабжена буртиками на концах. Продольные силовые слои на концах трубы выполнены в виде раструбов,
причем содержащиеся в них волокна расположены по диагонали осевых сечений буртиков. Участки буртиков, примыкающие к раструбам и выполняющие функции упорных колец, выполнены из бандажирующих слоев.
Упорные кольца в такой трубе расположены под продольным силовым слоем, поэтому
должны быть сформированы до нанесения продольного силового слоя, предварительно
или в процессе намотки бандажирующего слоя. Это усложняет технологию изготовления
трубы, нарушает непрерывный цикл формообразования, а следовательно, снижает технологичность изделия.
Конструкция трубы, наиболее близкая к предлагаемому техническому решению, описана в патенте [6]. Согласно этому патенту, труба из композиционного материала имеет
внутренний герметизирующий слой и наружные силовые слои, включающие систему армирующих волокон, уложенных в заданных направлениях (в частности, в продольном и
окружном) и соединенных отвержденной полимерной матрицей. Труба имеет также законцовки, например буртики, образованные частично силовыми слоями, имеющими форму
раструбов, и упорные кольца треугольного сечения, взаимодействующие с раструбными
частями силовых слоев и обеспечивающие передачу продольных усилий от стыкового узла на силовые слои. Герметизирующий слой выполнен из резины, а в качестве связующего
для соединения волокон в силовых слоях применен термореактивный полимер на основе
эпоксидной смолы. Соединение герметизирующего и силовых слоев осуществляется за
счет дополнительного слоя из низкоплотного материала и матричного полимера силовых
слоев, внедренного в этот слой на стадии намотки этих слоев. Упорные кольца и буртики
образованы из композиционных материалов, в которых в качестве армирующего наполнителя используются стеклоткани или ровинги.
Конструкция трубы по патенту [6] обеспечивает быстрый монтаж трубопровода, стойкость его к абразивному износу и длительный срок эксплуатации. Однако для изготовления трубы требуется не менее пяти разнородных материалов, что ограничивает их выбор,
усложняет процесс изготовления трубы.
Описанный в патенте [6] способ изготовления трубы включает нанесение герметизирующего и промежуточного слоев, системы силовых слоев с заданной схемой расположения
волокон, пропитанных полимерным связующим на основе эпоксидной смолы, образование законцовок путем намотки пропитанных тем же связующим ровинга и ткани для формирования упорных колец и буртиков и отверждение полимерного связующего для
прочного соединения между собой системы армирующих волокон, герметизирующего и
силовых слоев.
Процесс изготовления включает совокупность операций, каждая из которых ввиду
различия технологических свойств материалов проводится при различных режимах. Подготовка и собственно процесс формообразования трубы занимают продолжительное время
и требуют несколько единиц специального оборудования. Указанные недостатки являются следствием нетехнологичной конструкции известной трубы.
Заявляемое техническое решение направлено на повышение технологичности конструкции трубы за счет сокращения номенклатуры применяемых материалов и цикла ее изготовления.
3
BY 12813 C1 2010.02.28
Сущность предлагаемого технического решения состоит в том, что в трубе из композиционного материала, содержащей цилиндрическую часть с внутренним герметизирующим слоем и силовые слои, имеющие продольную и окружную систему армирующих
волокон, соединенных полимерной матрицей, буртики на концах, включающие части силовых слоев, выполненные в виде раструбов, и упорные кольца, взаимодействующие с
раструбными частями силовых слоев, внутренний герметизирующий слой и полимерная
матрица силовых слоев выполнены из термопластичных полимеров, допускающих сплавление, а упорные кольца в буртиках сформированы из материала внутреннего герметизирующего слоя.
В частном случае внутренний герметизирующий слой и полимерная матрица силовых
слоев выполнены из одного и того же термопластичного полимера, выбранного из группы, включающей полиэтилен высокого давления, полиэтилен низкого давления, полипропилен, поливинилхлорид, полиамид, полибутен, АБС-пластик и их композиции, в том
числе модифицированные.
Заявленный эффект достигается также тем, что при изготовлении трубы из композиционного материала по способу, включающему получение внутреннего герметизирующего слоя, формирование силового слоя с продольной системой армирующих волокон и
наружного силового слоя с окружной системой армирующих волокон, соединение этих
слоев, образование буртиков и упорных колец, продольную систему армирующих волокон
вводят в расплав термопластичного полимера в процессе экструдирования внутреннего
герметизирующего слоя, в частности в виде однонаправленно армированной ленты с термопластичным матричным полимером, формируя цилиндрическую заготовку, а окружную
систему армирующих волокон создают путем намотки однонаправленно армированной
ленты с термопластичным матричным полимером на сформированную цилиндрическую
заготовку после ее охлаждения до температуры ниже температуры размягчения термопластичного полимера, при этом однонаправленно армированную ленту приплавляют к наружной поверхности сформированной цилиндрической заготовки, по крайней мере, на ее
концах; буртики получают при температуре выше температуры размягчения материала
внутреннего герметизирующего слоя, образуя сначала раструбы из наружных силовых
слоев, а упорные кольца получают путем деформирования материала внутреннего герметизирующего слоя.
Применение в конструкции трубы новой унифицированной комбинации материалов
для внутреннего герметизирующего слоя, для полимерной матрицы силовых слоев, а также
для упорных колец позволяет существенно сократить номенклатуру исходных материалов
и затраты времени на изготовление трубы. Материалы выбираются на основании эксплуатационных требований к трубе. Единственное технологическое требование, предъявляемое к
указанной комбинации материалов, - возможность сплавления. Оно удовлетворяется при
различных вариантах выбора термопластичных полимеров и режимов проведения данной
операции. В частном случае конструктивного исполнения трубы достаточно только двух
компонентов: армирующих волокон и термопластичного полимера как материала внутреннего герметизирующего слоя и упорных колец, а также одновременно как связующего
для армирующего волокнистого наполнителя.
Упрощение технологии изготовления трубы обеспечивается как за счет унификации
материалов, используемых в конструкции, так и за счет предлагаемых усовершенствований известного способа изготовления трубы, обусловленных применением новой комбинации материалов. Изложенные технические решения не известны и не вытекают с
очевидностью из уровня техники, в то же время могут быть реализованы при промышленном производстве труб.
4
BY 12813 C1 2010.02.28
Заявляемые технические решения поясняются иллюстрациями. На фиг. 1 показана
труба предлагаемой конструкции, на фиг. 2 - стадия формования раструба.
Труба (фиг. 1) имеет цилиндрическую часть 1 и буртики 2 на концах, внутренний герметизирующий слой 3, выполненный из термопластичного полимера, силовой слой 4, содержащий систему волокон, ориентированных вдоль образующей, и силовой слой 5,
волокна в котором ориентированы по окружности трубы (в частности, по спирали). Количество волокон и их суммарное сечение зависят от расчетного давления, допустимого коэффициента запаса прочности в условиях эксплуатации и от диаметра трубы.
Соотношение волокон с продольной и окружной ориентацией определяется из условий
нагружения и закрепления трубы и равно преимущественно 1:2.
Силовые слои 4 и 5 в буртике 2 для передачи осевой нагрузки на соединительные элементы (на фиг. 1 не показаны) выполнены в виде раструба и взаимодействуют (находятся
в контакте) с упорными кольцами 6, выполненными согласно предлагаемому изобретению
из материала внутреннего герметизирующего слоя. При этом ответные (внутренние) поверхности упорных колец выполнены заподлицо с внутренней поверхностью герметизирующего слоя.
При транспортировании газообразных или жидких сред при высоком давлении герметизирующий слой, выполненный из термопластичного полимера, стойкого к воздействию
транспортируемой среды, обеспечивает непроницаемость трубы и защиту силовых слоев
от воздействия этой среды. Силовые слои воспринимают усилия, действующие вдоль оси
и по окружности. Волокна в силовых слоях связаны матричным полимером, который распределяет нагрузку между волокнами и защищает их от внешних воздействий. При выборе матричного полимера учитывают требования, обычно предъявляемые к механическим
свойствам, адгезии, стойкости к внешним воздействиям, а также требование совместимости при сплавлении с полимером, из которого изготовлен герметизирующий слой.
Поскольку соотношение продольных и окружных усилий при действии на трубу внутреннего давления составляет 1:2, то заданная система армирования и соотношение волокон
являются оптимальными, в том числе при повышенных температурах, когда снижаются
механические свойства полимера. Кроме того, силовые слои сплавлены между собой и с
герметизирующим слоем, что обеспечивает передачу и равномерное распределение нагрузки на системы армирующих волокон.
В местах соединения труб между собой и с отводами, тройниками или фитингами осевая нагрузка передается через буртики 2. Силовые слои, выполненные в буртиках в виде
раструбов, имеют повышенную прочность при срезе. Упорные кольца 6 воспринимают
как продольную, так частично и радиальную составляющую нагрузки. Выполнение упорных колец из материала внутреннего герметизирующего слоя и применение в качестве
матричного материала для силовых слоев термопластичного полимера, допускающего
сплавление с материалом герметизирующего слоя, позволяют герметично сваривать трубы по торцам и использовать различные типы соединений - муфтовые, фланцевые или резьбовые. Находящаяся в буртиках часть силового слоя, имеющая окружную ориентацию
волокон, увеличивает жесткость трубы в зоне соединения, снижает деформации и напряжения в сварочном шве и в упорных кольцах, гарантируя надежность соединения, в т.ч. при
повышенных температурах, т.е. при пониженной жесткости термопластичного полимера.
Трубу изготавливают следующим образом. Из термопластичного полимера, удовлетворяющего условиям эксплуатации и допускающего сплавление с матричным полимером
силовых слоев, методом экструзии получают цилиндрическую трубчатую заготовку. При
этом используют промышленное оборудование для производства пластмассовых труб,
включающее экструдер, оснащенный головкой и калибрующим устройством с размерами
выходного отверстия, соответствующими размерам формируемой заготовки. В процессе
5
BY 12813 C1 2010.02.28
экструзии в формообразующую головку вводят армирующие волокна, ориентированные
вдоль образующей, формируя тем самым одновременно внутренний герметизирующий
слой 3 и силовой слой 4 с продольной системой армирующих волокон (фиг. 1 и 2). Для
упрощения технологии и повышения прочности связи волокон для формирования силового
слоя 4 с продольным армированием используют однонаправленно армированные ленты, в
которых армирующие волокна уже пропитаны термопластичным матричным полимером.
Однонаправленно армированные ленты с термопластичной матрицей получают известным
способом, в частности, путем пултрузионной пропитки расплавом полимера. Суммарное
сечение волокон или число лент, вводимых при экструдировании герметизирующего слоя,
соответствует расчетной степени армирования трубы в продольном направлении. В процессе экструзии расплавленный матричный полимер соединяется (сплавляется) с материалом внутреннего герметизирующего слоя, обеспечивая прочную связь слоев.
После охлаждения сформированной заготовки до температуры ниже температуры размягчения полимера на нее с помощью известных намоточных устройств наносят однонаправленно армированную ленту с термопластичным матричным полимером. Сечение
волокон в ленте и их суммарная прочность соответствуют требуемой прочности трубы в
окружном направлении. Натяжение при намотке должно быть достаточным для плотной
укладки ленты на поверхность заготовки, но не превышать, как правило, 10 % от разрывной прочности ленты. Угол укладки ленты определяется отношением ее ширины к периметру заготовки. В частности, возможна спиральная намотка в один, два или большее
число слоев. Ленту одним из известных способов (с местным нагревом до температуры
плавления полимера с помощью газовой горелки, горячей воздушной струи или лазера и
последующим прижатием роликом или скользящим башмаком) приплавляют к наружной
поверхности сформированной цилиндрической заготовки, по крайней мере, на концах
трубы, т.е. в местах последующей разрезки заготовки. При намотке нескольких слоев ленты каждый последующий слой приплавляют к предыдущему.
Намотка ленты может производиться после разрезки заготовки на отрезки заданной
длины, но с целью сокращения числа операций, номенклатуры применяемого оборудования
и цикла изготовления предпочтительно наматывать ленту до разрезки заготовки, в процессе
ее поступательного перемещения под давлением, создаваемым экструдером. При этом используют вращающиеся укладчики известной конструкции (так называемые вертлюги).
Заготовку разрезают на отрезки на отрезных станках, которыми, в частности, оснащены установки для производства пластмассовых труб. Отрезанную по размеру заготовку
помещают в раструбную машину известного типа. Нагревают концы труб до температуры
размягчения материала герметизирующего слоя. В горячем состоянии, создавая давление
механическими, пневматическими или гидравлическими устройствами, сначала формируют раструбы, как это показано на фиг. 2, а затем сжимающим усилием, приложенным в
осевом направлении, деформируют материал внутреннего герметизирующего слоя на оправке, воспроизводящей внутреннюю поверхность трубы, образуя, таким образом, упорные кольца 2 (согласно фиг. 1).
Как следует из описания, производство труб по предлагаемому способу осуществимо
на промышленном оборудовании, может быть непрерывным и автоматизированным. По
сравнению с известным способом цикл изготовления сокращается в несколько раз, соответственно снижается технологическая составляющая себестоимости.
Таким образом, предлагаемое конструктивное исполнение трубы из композиционного
материала в совокупности с предлагаемым способом ее изготовления существенно повышает технологичность изделия, что расширяет возможности ее массового производства и
применения.
6
BY 12813 C1 2010.02.28
Источники информации:
1. Gibson A.G. Composite materials in the offshore industry. Comprehensive composite materials. Vol. 6. - Oxford: Elsevier, 2000. - P. 459-478.
2. Ларионов А.Ф., Поспелов А.Б. Конструкция и технология производства бипластмассовых труб нефтяного назначения. Тезисы докладов Всеросс. конф. "Аэрокосмическая
техника и высокие технологии-2000". - Пермь, 2000. - С. 118.
3. Fisher E.H., Gibson A.G. Continuous fibre reinforced thermoplastic pipes for transport
and distribution of fluids for the oil and gas industries// Plastics, Rubber and Composites, 1998. Vol. 27. - No. 10. - P. 447-451.
4. RU 2095676, МПК F 16L 9/133, 1997.
5. RU 2143627, МПК F 16L 9/12, 1999.
6. RU 2166145, МПК F 16L 9/12, 2001 (прототип).
Фиг. 2
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
7
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
121 Кб
Теги
by12813, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа