Технология получения армированных труб из термопластичных материалов
Трубы из термопластичных полимеров эффективно используются в различных отраслях техники, но диапазоны рабочих давлений и температур эксплуатации таких труб ограничены. Расширить этот диапазон можно за счет армирования высокопрочными волокнами. Трубы из волокнистых композитов на основе термореактивных полимеров изготавливаются во многих странах мира. Производство стеклопластиковых труб со связующим на основе эпоксидных смол освоено недавно и в Беларуси. Однако из-за высокой стоимости применение этих труб экономически оправдано только в отдельных ограниченных областях.
Предлагаемое техническое решение отличается тем, что в трубе из термопластичных полимеров, армированных волокнами, содержащей герметизирующий слой и силовой каркас, состоящий из армирующих волокон, расположенных под углом друг к другу, часть волокон силового каркаса ориентирована вдоль образующей трубы и включена в герметизирующий слой, а другая часть в составе однонаправленной ленты с термопластичной матрицей ориентирована по окружности и связана с герметизирующим слоем по крайней мере на концах трубы (патент РБ № 12813).
Труба (см. рис. 1) имеет цилиндрическую часть 1 и буртики 2 на концах, 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 зависит 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.
Рисунок 1 – Конструкция трубы из армированных термопластов: 1- циллиндрическая чПри 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 и 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. Силовые слои, выполненные в буртиках в виде раструбов, имеют повышенную прочность при срезе. Ориентировочные параметры труб, армированных лентами на основе полипропилена и стеклоровинга ЕС13–2400 (60 % масс.) приведены в табл.
Таблица1: Параметры армированных труб различных типоразмеров (номинальное давление 2,5 МПа).
| Типопразмер | Малые | Средние | Большие | ||
| Номинальный диаметр, мм | 50 | 110 | 225 | 315 | 400 |
| Толщина стенки, мм | 2,7 | 4,8 | 9,7 | 13,6 | 17,3 |
| Толщина герметизирующего слоя, мм | 1,8 | 2,7 | 5,5 | 7,7 | 9,8 |
| Толщина армирующих слоев, мм | 0,9 | 2,1 | 4,2 | 5,9 | 7,5 |
| Толщина окружного слоя, мм | 0,6 | 1,4 | 2,8 | 3,9 | 5,0 |
| Масса 1 п.м., кг | 0,49 | 1,9 | 8,0 | 15,6 | 25,1 |
Трубы из армированных термопластов, имеющие предлагаемую конструкцию, сравнивали по удельной массе с трубами из других (традиционных) материалов (рис. 2).
Рисунок 2 – Зависимость удельной массы труб диаметром 50 мм (1, 2) и 90 мм (3, 4) из ПП (1) и ПП, армированного стеклоровингом, 30 мас.% (2, 3) и 50 мас.% (4), от рабочего давления
Рисунок 3: Схема изготовления труб из армированных термопластов
Трубы из стеклоармированного ПП имеют очевидные преимущества в достаточно широком диапазоне рабочих давлений. Масса 1 п.м. армированной трубы из ПП в 2–3 раза меньше массы стандартной трубы из этого же полимера.
Схема изготовления труб из армированных термопластов (рис. 3) включает три основные операции:
- экструзию герметизирующей оболочки с продольным силовым слоем;
- намотку окружного силового слоя;
- формообразование соединительных буртиков на концах трубы.
Разработчик технологии: Белорусский государственный технологический университет, кафедра механики материалов и конструкций.