автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.06, диссертация на тему:Многослойные термопластичные трубы на основе PE-Xa, армированные нитями кевлар, с повышенной теплостойкостью для сетей отопления

На правах рукописи

Шаляпин Сергей Валерьевич

МНОГОСЛОЙНЫЕ ТЕРМОПЛАСТИЧНЫЕ ТРУБЫ НА ОСНОВЕ РЕ-Ха, АРМИРОВАННЫЕ НИТЯМИ КЕВЛАР, С ПОВЫШЕННОЙ ТЕПЛОСТОЙКОСТЬЮ ДЛЯ СЕТЕЙ ОТОПЛЕНИЯ

Специальность 05.17.06 Технология и переработка полимеров и композитов

3 1 ОКТ 2013

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2013

005536586

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Московском государственном университ тонких химических технологий имени М. В. Ломоносова на кафедре химии технологии переработки пластмасс и полимерных композитов и в ООО «УК Гру «ПОЛИПЛАСТИК», г. Москва

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Симонов-Емельянов Игорь Дмитриевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Юрцев Лев Николаевич

ФГБОУ ВПО «Московский государственный

университет тонких химических технологий» имени

М.В. Ломоносова, кафедры химии и технологии

переработки эластомеров.

доктор технических наук, профессор Абрамов Всеволод Васильевич, заместитель генерального директора ООО «Пластсупер»

Ведущая организация:

ОАО Научно-исследовательский институт пластмасс им. Г.С. Петрова

Защита диссертации состоится « 25 » ноября 2013г. в 16 часов 30 минут в ауд. 301 на заседании диссертационного совета Д 212.120.07 при МИТХ им. М. В. Ломоносова по адресу: 119831, г. Москва, ул. М. Пироговская, д.1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИТХТ им. М. В. Ломоносова

Автореферат диссертации размещен на сайте www.mitht.ru Автореферат диссертации разослан « 24 » октября 2013 г.

Отзывы и замечания просим направлять по адресу: 117571, г. Москва, пр. Вернадского, д. 86, МИТХТ им. М. В. Ломоносова, ученому секретарю.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.120.07, доктор физ - мат. наук, профессор

В. В. Шевелев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Трубопроводы из полимерных термопластичных материалов широко используются в системах водоснабжения, канализации, газоснабжения и ограничено в сетях отопления. Применение труб из крупнотоннажных термопластов (полиэтилен, полипропилен, хлорированный поливинилхлорид и др.) в тепловых сетях с переменным температурным режимом эксплуатации до 115°С, давлением ~1 МПа и на длительный срок службы ограничено вследствие низкой прочности этих труб при температурах выше 100°С.

Анализ научно-технической литературы позволил установить, что наиболее перспективным решением данной проблемы является создание специальных многослойных конструкций армированных термопластичных труб (АТТ) с внутренним слоем из пероксидно-сшитого полиэтилена (РЕ-Ха) и армирующим каркасом из высокопрочных нитей из арамидных полимеров.

Для создания конструкции многослойных армированных труб, обеспечивающих работоспособность при заданных условиях эксплуатации, необходимо иметь данные по комплексу физико-механических и теплофизических свойств РЕ-Ха при повышенных температурах (>100°С), с учетом процессов релаксации напряжений в РЕ-Ха, которые в настоящее время практически отсутствуют. Для обеспечения равных эксплуатационных характеристик труб разного типоразмера необходимо определить для них параметры армирующего каркаса, с учетом длительной прочности нитей Кевлар. С целью создания надежного соединения АТТ между собой требуется спроектировать соединение АТТ-фитинг, обеспечивающего герметичность и прочность соединения при длительной эксплуатации.

Для прогнозирования эксплуатационных характеристик АТТ при переменных температурно-временных режимах эксплуатации требуются исходные данные и зависимости для расчета долговечности и длительной прочности.

В данной работе предлагается комплексный подход к проектированию и технологии создания многослойных конструкций армированных термопластичных труб на основе РЕ-Ха, армированных нитями Кевлар, и фитингов для их соединения, а также к оценке и прогнозированию сроков эксплуатации АТТ при переменных температурно-временных режимах их работы в сетях отопления.

Цель работы: разработка и создание конструкций многослойных армированны термопластичных труб разных типоразмеров (диаметром от 50 до 150 мм) на основ РЕ-Ха, армированных нитями Кевлар, обжимных фитингов и соединения АТТ-фитинг дл эксплуатации в сетях отопления с переменным температурным режимом до 115° давлением 1 МПа на срок до 50 лет, а также методов оценки и прогнозирования срока и эксплуатации.

Для достижения цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Исследовать комплекс физико-механических и теплофизическ характеристик РЕ-Ха при температурах от 20°С до 115°С и их значения для расче многослойных конструкций АТТ;

2. Изучить процессы релаксации напряжений в РЕ-Ха, получить значен начального и квазиравновесного напряжений, а также их зависимости от температуры, д расчета соединения АТТ-фитинг с самоуплотнением по внутреннему слою из РЕ-Ха;

3. Провести расчеты и разработать конструкции многослойных АТТ разно диаметра (от 50 до 150 мм) и определить параметры армирующего каркаса для труб вс типоразмеров, гарантирующих их работоспособность при заданных услови эксплуатации;

4. Провести исследования и разработать конструкцию обжимных фитингов д АТТ всех диаметров, а также соединения АТТ-фитинг из условия обеспечен герметичности соединения и прочности заделки нитей армирующего каркаса в обжат фитингом трубе, обеспечивающих работоспособность соединения на протяжении все срока эксплуатации;

5. Провести гидравлические испытания образов многослойных армированнь труб, изучить поведение многослойной конструкции АТТ и соединения АТТ-фитинг п действием внутреннего давления;

6. Определить температурно-временные. зависимости прочности АТТ и нит Кевлар, работающих в армирующем каркасе труб;

7. Разработать методологию прогнозирования и расчета эксплуатационнь характеристик трубопровода из многослойных АТТ при переменных услови эксплуатации.

Научная новизна работы:

- впервые с применением ядер релаксации в уравнении Больцмана-Вольтерра опис процесс релаксации напряжений в РЕ-Ха при деформациях от 5 до 20 % и температурах

50 до 95°С и определен кинетический механизм релаксации, что позволило установить зависимости квазиравновесных напряжений и модуля от температуры для проектирования соединения АТТ-фитинг и многослойных конструкций АТТ;

- показано, что в многослойной конструкции АТТ до 90% нагрузки, возникающей от действия внутреннего давления, воспринимает на себя армирующий каркас, что позволяет проводить оценку длительной прочности многослойной АТТ по длительной прочности армирующих нитей Кевлар;

- установлена связь между эксплуатационными характеристиками многослойных АТТ разного типоразмера и параметрами армирующего каркаса из нитей Кевлар с учетом их длительной прочности, что позволило оптимизировать конструкцию труб;

- получена температурно-временная зависимость прочности арамидных нитей Кевлар при температурах 95°С - 115°С и определены коэффициенты 4-ех параметрического уравнения долговечности по ISO 9080 (ГОСТ Р 54866-2011) и уравнения долговечности Журкова, что позволяет прогнозировать значения длительной прочности и долговечности многослойных АТТ.

Практическая значимость работы. Разработаны конструкции многослойных армированных термопластичных труб разных типоразмеров (диаметр от 50 до 150 мм) с внутренним слоем из РЕ-Ха, армирующим каркасом из арамидных нитей Кевлар и соединительным и наружным слоем из сополимера этилена с пропиленом (СЭП).

По результатам проведенных натурных гидравлических испытаний образцов АТТ на стойкость к внутреннему давлению доказана возможность их эксплуатации в тепловых сетях с переменным температурно-временным режимом эксплуатации до 115°С и давлении до 1 МПа на срок до ~50 лет.

Разработана методология оценки и прогнозирования эксплуатационных характеристик АТТ с учетом температурно-временной зависимости прочности материала армирующего каркаса АТТ, подтвержденная результатами испытаний опытного участка трубопровода из АТТ.

Предложена методика оценки прочности заделки армирующего каркаса в армированной трубе, обжатой в фитинге, учитывающая релаксацию напряжений в полимерных материалах АТТ при их длительной эксплуатации и повышенных температурах. По результатам проведенных испытаний разработана конструкция фитингов для всех типоразмеров армированных труб и доказана их работоспособность.

Разработаны технические условия ТУ 2248-004-48532278-2013 «Трубы напорны из сшитого полиэтилена с повышенными эксплуатационными характеристиками» освоено опытное производство труб этого типа на предприятии ЗАО «Завод АН Газгрубпласт» компании «Группа ПОЛИПЛАСТИК» (Приложение №1).

Разработаны технические условия ТУ BY 390353931.012-2011 «Фитинг обжимной и освоено опытное производство фитингов этого типа на предприятии ИЗА «Кохановский трубный завод «Белтрубпласт» компании «Группа ПОЛИПЛАСТИ (Приложение №2).

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на 3 международной научно-практической конференции «Композиционные материалы промышленности» (6-10 июня 2011 г., г. Ялта), на XIV Международной конференц «Наукоёмкие химические технологии - 2012» (21-25 мая 2012, г. Тула) и на XI Международной конференции «Plastic Pipes Moscow 2013» (2-4 октября 2013 г. Москва).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 3 статьи в рецензируемь специализированных журналах и 1 тезис доклада в сборнике материалов конференции.

Объем работы. Диссертация изложена на 170 страницах, содержит 68 рисунок и таблиц и состоит из введения, литературного обзора, объектов и методов исследовани основных результатов и их обсуждения, общих выводов, списка литературы из 1 наименований и приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Литературный обзор.

В литературном обзоре проанализированы термопластичные материал применяемые для производства полимерных труб различного назначения, а также недостатки, ограничивающие применение полимерных труб в сетях отопления температурой эксплуатации более 100°С и давлением до 1 МПа.

Представлены основные методы оценки эксплуатационных характерист полимерных труб и АТТ для различных условий эксплуатации. Рассмотрены предложены материалы для многослойной конструкции АТТ, для применения их в сет отопления с переменным температурным режимом до 115°С, давлением до 1 МПа, а так способ соединения АТТ обжимными металлическими фитингами.

На основании анализа данных научно-технической и патентной литературы бы сформулированы основные задачи для проведения исследований, расчетов конструкщ

многослойных ATT и фитингов, а также разработки методик оценки длительной прочности АТТ и эксплуатационных характеристик труб при переменных условиях эксплуатации.

Глава 2. Объекты и методы исследования.

В качестве объектов исследования были использованы многослойные трубы различного диаметра с внутренним слоем из РЕ-Ха, с армирующим каркасом из нитей Кевлар различной линейной плотности, уложенными на промежуточный соединительный слой из СЭП, и с наружным покрытием из СЭП.

Для получения внутреннего слоя РЕ-Ха применяли композицию на основе порошкообразного полиэтилена высокой плотности (ПЭВП) марки Lupolen 5261 ZQ 456 (Lupolen), Basell Polyolefins, и пероксида Luperox Di, Arcema, а в качестве СЭП - марку Vestolen Р 9421, Sabic. Для создания армирующего каркаса применяли крученые нити из арамидного волокна Кевлар К29 фирмы Dupont различной линейной плотности (от 250 до 1320 текс).

Образцы труб получали на технологической линии предприятия «Завод АНД Газтрубпласт» компании «Группа ПОЛИПЛАСТИК», обеспечивающей одностадийный непрерывный процесс производства многослойных армированных труб. Для каждого этапа одностадийного непрерывного производства армированных труб всех типоразмеров были определены и использованы технологические режимы, обеспечивающие монолитность многослойной конструкции труб, отсутствие вытяжки и овальности труб, требуемое значение степени сшивки РЕ-Ха (>70%).

Для определения физико-механических свойств РЕ-Ха и исходного несшитого полиэтилена Lupolen при повышенных температурах (до 125°) испытывали на растяжение по ГОСТ 9550-81 и ГОСТ 11262-80 образцы в форме лопатки тип 1 по ГОСТ Р 53652.32009, вырубленных из трубной заготовки РЕ-Ха со степенью сшивки 85% и прессованных пластин из Lupolen. Испытания проводили на разрывной машине с термокамерой Zweig/Roell Z050, Zwick GmbH & Co.KG. Теплофизические свойства изучали на термомеханическом анализаторе ТМА Q400em, ТА instruments, по ISO 11359 на образцах в форме пластин 5x5x4,5 мм, вырубленных из трубы РЕ-Ха и прессованной пластины из Lupolen и методом ДСК на приборе DSC Q100, ТА instruments по ISO 11357-3.

Релаксационные процессы в РЕ-Ха изучали при испытании на растяжение образцов в форме лопатки тип 1 по ГОСТ Р 53652.3-2009, вырубленных из трубной заготовки РЕ-Ха со степенью сшивки 85%, на стенде Tensile creep tester MOD 1598, IPT, в камерах с водой

при температуре от 50 до 95°С и постоянной деформации 7% , а также при температур 95°С и постоянной деформации от 3 до 20%.

При разработке метода определения длины рабочей части фитинга для соединени АТТ разного типоразмера из условия прочности заделки армирующего каркаса тру проводили испытание на определение усилия выдергивания нитей из стенки трубы обжатой фитингом, на трубных образцах диаметром 70 мм с каркасом из осевых нитей и различной длиной обжатия при различных режимах испытания на машине Zweig/Roel Z050.

Работоспособность АТТ и соединения АТТ-фитинг изучали при гидравлически испытаниях образцов диаметром от 50 до 150 мм при нагружении образцов внутренни давлением до разрушения с постоянной скоростью роста давления по ISO/TS 18226 пр температуре воды 20, 40, 60, 80 и 90°С на испытательном стенде Airless Pipe tester МО 1672, IPT.

Для определения длительной прочности армированных труб и арамидных ните Кевлар тестировали образцы АТТ различного диаметра (от 50 до 150мм), запрессованны фитингами соответствующего типа, на стойкость к действию постоянного внутреннег давления по ГОСТ 24157-80 в термошкафах Binder FED 720, при температурах 95°С, 105 115°С на испытательном стенде Airless Pipe tester MOD 1675, IPT.

Для оценки работоспособности разработанных армированных труб и фитингов дл их соединения проводили испытания экспериментального трубопровода из армированно трубы диаметром 85 мм на опытном полигоне при переменном температурном режиме различных уровнях давления в трубопроводе.

Глава 3 Экспериментальные данные и обсуждение результатов

В главе рассмотрены вопросы, связанные с проектированием многослойно конструкции АТТ разного диаметра, обжимных фитингов и соединения АТТ-фитинг, также методы оценки длительной прочности АТТ и прогнозирования и эксплуатационных характеристик. Представлены экспериментальные данны исследования физико-механических и теплофизических характеристик РЕ-Ха, процессо релаксации напряжений в РЕ-Ха, работы АТТ и соединения АТТ-фитинг под давлением длительной прочности АТТ.

3.1 Исследование физико-механических и теплофизических характеристик РЕ-Ха при повышенных температурах.

В разделе 3.1 представлены результаты исследования физико-механических и теплофизических характеристик РЕ-Ха и Ьиро1еп и зависимости предела текучести (ат), модуля упругости (Е) и деформации при пределе текучести (в-^) от температуры. Предел текучести и модуль упругости РЕ-Ха несколько ниже, чем у Ьиро1еп, что связано со снижением степени кристалличности при сшивании ПЭВП. Степень кристалличности РЕ-Ха со степенью сшивки 85% и несшитого Ьиро1еп равны 49% и 62% соответственно, пики кривых в области температур плавления (Т^) кристаллической фазы равны ~131°С и ~137°С соответственно. С повышением температуры от 20 до 125°С <гт РЕ-Ха снижается с | 20 МПа до 3,1 МПа, что является существенным ограничением применения данного материала для производства напорных труб и эксплуатации их при повышенных температурах и давлениях. Однако в области температур 115-130°С близких к температуре плавления кристаллической фазы РЕ-Ха его модуль сохраняет достаточно высокие значения (25-50 МПа), что позволяет использовать РЕ-Ха в качестве материала внутреннего слоя в многослойных армированных трубах.

Деформационные характеристики РЕ-Ха и Ьиро1еп существенно различаются. Для Ьиро1еп ет в области температур 20-105°С увеличивается линейно с ростом температуры -с 9 до 17%, и только после температуры 115°С возрастает до 27%. РЕ-Ха отличается резким увеличением ет при температурах выше 40°С с 15 до 60% (рис. 1). Данный эффект связан с '

наличием химических связей между молекулами ПЭ, которые препятствуют течению материала после перестройки кристаллической фазы до момента их разрыва под действием растягивающих напряжений. Наличие химических межмолекулярных связей позволяет образцам из сшитого полиэтилена сохранять свою первоначальную форму даже при температурах выше плавления кристаллической фазы (Т„Л=~\Ъ\°С), что способствует созданию формоустойчивых изделий на его основе для эксплуатации при повышенных температурах.

Рис. 1 - Зависимость £т от температуры для РЕ-Ха (1) и Litpolen (2)

3.2 Изучение процессов релаксации напряжений в РЕ-Ха при различны температурах и деформациях.

В разделе 3.2 представлены результаты исследования процессов релаксаци напряжений в РЕ-Ха со степенью сшивки ~85%.

Для описания процессов релаксации применяли уравнение Больцмана - Вольтерр (1) с различными ядрами релаксации Т(х), основанные на рассмотрени термодинамических функций:

«г = «го [Wo rWdr] (1

Процесс релаксации напряжения в полимере рассматривается как результ взаимодействия или диффузии кинетических единиц - релаксаторов, которые мог сливаться, перестраиваться и диффундировать в полимерном материале в процес релаксации, образуя структуру, которая способствует снижению общего напряжения системе.

Для аппроксимации кривых релаксации, полученных при постоянной деформаци 7% и температурах 50°С, 65, 80 и 95°С, использовали кинетическое ядро Т[(т) диффузионное ядро Т2(т) релаксации1:

- кинетическое ядро релаксации (2):

Г1« = ~Al [(a-CTQ)fn(a-ar0)+(l-a+a0)ln(l-tz+a0) ~ i^i]' = ^ Г Г1*«<*Т' а = (1 = ^

- диффузионное ядро релаксации (3):

™ = -Л2 [атПп(аг0+(11_дтП1п(ятП " ™г = С Т2-(т)А, Л2 = у = Ы2 (

По значению коэффициента корреляции при аппроксимации данных по релаксац напряжений (равного 0,997 и 0,974 для кинетического и диффузионного яд соответственно) установлено, что полученные кривые релаксации наилучшим образо описываются с помощью кинетического ядра Т,(т), что свидетельствует о кинетическо механизме релаксации напряжений в РЕ-Ха, а лимитирующей стадией релаксационно процесса является взаимодействие релаксаторов в структуре сшитого материала.

Для оценки механической работоспособности полимерных материалов наибольш значение имеют величины начального а0 и квазиравновесного <хх напряжений, использованием кинетического ядра Tt(ij были получены значения а0 и <т,; для РЕ-Ха и зависимости от температуры при постоянной деформации равной 7% (рис. 2), ч

1 Askadskii, A.A. Computational Materials Science of Polymers / A.A. Askadskii // Cambridge. Cambridge International Science Publishing, 2003. - 711 p.

позволяет прогнозировать значение характеристик при более высоких температурах (до 130°С). Расчетные значения при температуре 115°С составляет —2,5 МПа.

(Т.МПа

, (Т.МПа

40 60 S0 100 120 140 Температура.

Рис. 2 - Зависимости а0 (!) и от (2) от температуры при постоянной деформации 7% для РЕ-Ха

0 20 40 S0 £,°Л

Рис. 3 - Зависимости сто (1) и а„ (2) в РЕ-Ха от деформации при 95°С

т S0

Кривые релаксации напряжений, полученные при температуре 95°С и разных деформациях от 3 до 20% аппроксимировали, используя кинетическое ядро релаксации Т/(т). Значения а0 и а„ закономерно возрастают с ростом деформации (рис. 3). Расчетное значение а0 при 95°С для РЕ-Ха при деформации,

равной ет при этой температуре (-75%) , составило 6,9 МПа, что на ~5% ниже экспериментально полученного значения ат РЕ-Ха при 95°С, равного 7,3 МПа, что свидетельствует о хорошей аппроксимации кривых релаксации РЕ-Ха с помощью кинетического ядра релаксации Ti(z), а полученные зависимости а0 и от температуры и деформации позволяют прогнозировать значения оо и сг„ на большие значения деформаций (до St) РЕ-Ха при 95°С и более высокие температуры (до 130°С).

3.3 Расчет и конструирование многослойных АТТ разных типоразмеров для эксплуатации при повышенных температурах.

В разделе 3.3 рассматриваются вопросы, связанные с определением толщин каждого слоя и габаритных размеров многослойной конструкции, а также параметров армирующего каркаса для АТТ разного типоразмера (диаметром от ~50 до ~150 мм).

Определена конструкция многослойной армированной трубы, схема которой представлена на рис. 4. Внутренний слой (оболочка) из РЕ-Ха (1) - герметизирующая полимерная оболочка (труба), по которой транспортируется жидкость с заданным давлением и температурой. Соединительный слой из СЭП (2) необходим для соединения внутреннего слоя из РЕ-Ха и наружного слоя из СЭП через мелкоячеистую структуру армирующего каркаса при создании монолитной конструкции многослойной трубы. Армирующий слой (3) -

Рис. 4 - Конструкция А ТТ для сетей отопления.

сетчатый каркас с заданными параметрами из нитей Кевлар, уложенных под углом к ос трубы методом оплетки в двух взаимно противоположных направлениях в равно количестве. Наружный слой (4) из СЭП, закрывающий и защищающий армирующи каркас от механических повреждений.

В табл. 1 представлены размеры АТТ с допусками, достигаемыми в процесс одностадийного производства многослойных армированных труб. Внутренний диамет (DeJ АТТ для всех типоразмеров соответствует D„„ однослойных труб стандартног размерного соотношения SDR11 по ГОСТ Р 52134-2003. Армирование труб позволяв снизить общую толщину стенки АТТ по сравнению со стандартными трубами того же D до 50%, что способствует значительному снижению их себестоимости, материалоемкост продукции и увеличению гибкости труб.

Таблица 1: Размеры и толщины слоев с допусками для АТТ разного типоразме

Типоразмер трубы Внутренний диаметр трубы, DB„, мм Наружный диаметр трубы, DHap, мм Толщина стенки, е„еш, мм

номинал допуск номинал допуск

Т-50 39 49,4 +0,8 4,5 +0,7

Т-63 49 59,5 +0,9 4,8 +0,8

Т-75 59 71,3 +0,9 5,5 +0,9

Т-90 70 85 +1,4 6,5 +1,1

Т-110 86 102 +1,5 7 +1,2

Т-125 100 118 +1,6 7,8 +1,2

Т-140 110 130 +1,6 8,5 +1,4

Т-160 126 147 +1,8 9 +1,4

Определение доли нагрузки, воспринимаемой каждым слоем многослойной АТТ

Долю нагрузки от действия внутреннего давления, воспринимаемой каждым слое АТТ, определяли, решая задачу Ляме для составного цилиндра. В этом случа многослойную АТТ можно представить как толстостенную трубу, состоящую из тре составных более тонких труб. Внутреннюю камеру из РЕ-Ха и соединительный слой СЭП рассматривали как единую цилиндрическую толстостенную трубу, плотн прилегающую к армирующему каркасу, армирующий каркас и наружный слой из СЭП ка тонкостенную трубу. На рис. 5 представлены результаты расчета доли от внутреннег давления, воспринимаемой армирующим слоем из нитей Кевлар, внутренним слоем и РЕ-Ха и наружным слоем из СЭП, для АТТ всех диаметров при температуре 20°С и 120° с учетом физико-механических характеристик материалов слоев при данных температура Проведенные теоретические расчеты показали, что в разработанной многослойно конструкции АТТ при нагружении их внутренним давлением основную нагрузку -90° воспринимает на себя армирующий каркас, внутренний слой из РЕ-Ха воспринимает д

10%, а наружный слой из СЭП практически не несет никакой нагрузки < 0,1%. В случае, когда АТТ эксплуатируются при температурах до 120°С и давлении 1МПа, напряжения во внутреннем слое из РЕ-Ха, не превышают 1МПа, что почти в 4 раза меньше предела текучести материала определенной при 120°С (~3,9 МПа) и исключает вероятность разрушения РЕ-Ха под действием механических нагрузок.

АР, %

АР,«%

ДР, %

50 100 1й> Deh,mm

Рис. 5: Зависимость доли от внутреннего давления, воспринимаемой армирующим слоем из нитей Кевлар (а), внутренним слоем из РЕ-Ха (б) и наружным слоем из СЭП (в), от внутреннего диаметра А ТТ при температуре 20°С (1) и 120°С(2)

Определение параметров армирующего каркаса для АТТ разного типоразмера

Основной задачей при проектировании многослойных армированных труб является расчет параметров армирующего каркаса, т.к. он воспринимает до 90% всей нагрузки от действия внутреннего давления. В работе впервые предложена методика расчета армирующего каркаса, позволяющая определять его основные параметры N, <р, и LD для труб разного диаметра на заданные давления и температурно-временные условия эксплуатации, с учетом длительной прочности материала армирующего каркаса.

В соответствии с методикой максимальное рабочее давление АТТ определяется из уравнения (4), полученного с учетом анализа сил, действующих на армирующий каркас:

= = (4)

где Рт6 - максимальное рабочее давление труб, МПа; <р - угол укладки нитей к оси трубы; N — общее количество нитей, уложенных во взаимно противоположных направлениях; D — диаметр армируемой трубы, мм; L — шаг укладки нити, мм; р — плотность волокна, кг/м1, LD - линейная плотность нити, текс; [aJ - допускаемым напряжением на нить, ГПа; Z - коэффициент, характеризующий геометрические параметры трубы и армирующего каркаса.

Угол укладки нитей, равный 54,7°, обеспечивает равнопрочность системы армирования к действию внутреннего давления в осевом и радиальном направлениях, (равновесный угол армирования). Угол укладки нитей может отклоняться от равновесного значения, однако для компенсации возникающих дополнительных осевых нагрузок необходимо в каркас вводить дополнительные нити, располагаемые в осевом направлении той же линейной плотности, количество которых рассчитывают из уравнения (5):

„. N*sinq>*tg<p ,,

Na =-J - N * coscp (5)

где Na — количество осевых нитей в каркасе, tp — угол укладки нити к оси трубы, N — общее количеств нитей каркаса в шаге укладки, уложенных во взаимно противоположных направлениях.

Допускаемое напряжение на нить определяется минимальной длительно прочностью материала нитей для заданного температурно-временного режим эксплуатации АТТ. Необходимо рассчитать параметры армирующего каркаса N, N„, <р, LD для труб всех типоразмеров для того, чтобы расчетное значение Рра<-, соответствовал требуемому максимальному Рраб в трубопроводе равному 1 МПа. Если допускаемо напряжение [aj равно разрушающему напряжению [артр] нитей армирующего каркаса, т в этом случае можно определить разрывное давление АТТ (.Рращ).

Для обеспечения равных эксплуатационных характеристик АТТ разного диаметра значение геометрического коэффициента армирующего каркаса Z должны быт одинаковыми для труб всех типоразмеров.

В соответствии с предложенной методикой были определены параметр армирующего каркаса (см. табл. 2), а также расчетные значения Рразр и Рра,-„ для труб все типоразмеров (см. табл.1) для их эксплуатации при переменном температурно-временно режиме (до 115°С) и давлении 1 МПа в течение -50 лет. В расчет были приняты значени К/=0,347 ГПа, [ара]р]=2,92 ГПа и />=1440 кг/м3 для арамидных нитей Кевлар2.

Таблица 2: Параметры армирующего каркаса для АТТ разного диаметра и расчетные значения

Рразр и Рраб

Типоразмер трубы О,,,, мм о, мм N, шт LD, текс <Р L, мм Nm шт Z Рразру МПа Рраб) МПа

Т-50 39 44 48 250 54,7 98 4 0,00316 9,22 1,10

T-63 49 54,4 48 330 56 115 4 0,00291 8,49 1,01

Т-75 59 65,3 48 501 54,7 145 4 0,00287 8,38 1,00

Т-90 70 78,3 48 660 56,5 163 4 0,00288 8,40 1,00

Т-110 86 94,8 48 990 56 201 4 0,00287 8,38 1,00

Т-125 100 109,4 48 1320 56 232 4 0,00287 8,39 1,00

Т-140 110 120,9 48 1320 60 219 12 0,00287 8,39 1,00

Т-160 126 137,5 48 1320 65 202 12 0,00288 8,40 1,00

В результате расчета коэффициент Z, характеризующий параметры армирующег каркаса, для труб типоразмера Т-63-Т-160 составляет 0,00287-0,00288, а для тру типоразмера Т-50 - 0,00316, поскольку нити с требуемой линейной плотностью (230 текс в номенклатуре производителя фирмы Дюпон отсутствуют и использованы нити с 25

2 Fallatah, G.M. Long-Term Behavior of Aramad Fibres: PhD thesis L8323 / G.M. Fallatah// Newcastle University Newcastle. - 2006. - 143 p.

текс. Вследствие равенства значений коэффициента Z для труб всех типоразмеров обеспечивается их равенство эксплуатационных характеристик, что подтверждается одинаковыми расчетными значениями разрывного и рабочего давления, рассчитанные с учетом [a,J и [артр], равными 8,4 МПа и 1 МПа соответственно (см. табл. 2).

Таким образом, разработана многослойная конструкция АТТ и определены параметры армирующего каркаса для армированных труб разного типоразмера и их применения в сетях отопления с переменным температурным режимом до 115°С, давлением 1 МПа и сроком эксплуатации до 50 лет.

3.4 Расчет конструкции обжимных фитингов и соединения АТТ-фитинг

Работоспособность трубопровода определяется работой основных его отдельных составляющих - трубы, фитинга и их соединением в единую конструкцию. Основная функция фитинга - создание прочного и герметичного соединения АТТ-фитинг на весь срок эксплуатации. Однако в мировой практике нет единых подходов к проектированию фитингов и их соединения с АТТ разного типоразмера.

В настоящее время основным способом соединения АТТ является обжимные

металлические фитинги, зажимающие стенку трубы между внутренней частью (втулкой) и

наружной частью (гильзой) с различным профилем (рис. 6), посредством протяжки гильзы

через фильеру заданного внутреннего диаметра. В этом случае герметичность соединения

обеспечивается в результате самоуплотнения материала внутреннего слоя АТТ, а

прочность соединения - прочностью заделки армирующего каркаса.

Рис. 6: Схема конструкции обжимного фитинга: dt — внутренний диаметр втулки, (/> — наружный диаметр втулки, (¡¡-наружный диаметр выступа, D/ — внутренний диаметр гильзы по выступу, D2 - внутренний диаметр гильзы, Дг — наружный диаметр гильзы, т - шаг выступа на втулке и гильзе, Lf-длина рабочей части фитинга (длина обжатия трубы)

Герметичность соединения и прочность заделки армирующего каркаса обеспечиваются двумя параметрами - степенью обжатия (ео6ж) стенки АТТ и длиной рабочей части фитинга (Lf), т.е. длиной обжатия стенки трубы. Степень обжатия, определяемая как деформация стенки трубы при обжатии, задается при протяжке гильзы через фильеру с заданным внутренним диаметром и контролируется по наружному диаметру гильзы после обжатия (£>збж). Деформация внутреннего слоя при этом не должна превышать деформации при пределе текучести материала. Для АТТ всех типоразмеров

(см. табл. 1) были рассчитаны значения DfyK , при которых деформация стенки максимальной толщиной в поле допуска не превышает 14% (ет для РЕ-Ха при 20°С), а дл средней толщины - 7%, что ниже деформации при пределе текучести РЕ-Ха в облает температур эксплуатации АТТ от 20°С до 115°С.

Длину рабочей части фитинга LF определяли из условия обеспечения герметичност соединения и прочности заделки армирующего каркаса в стенке АТТ, обжатой в фитинг В зависимости от того, какое из условий является лимитирующим для обеспечени работоспособности соединения, для каждого типоразмера АТТ принимают собственно значение LF.

Расчет Lf из условия обеспечения герметичности проводили по уравнению (6):

, _ 3d (1-£о6ж)2 п

где Ррав — рабочее давление, равное I МПа; De„ — внутренний диаметр АТТ; 1:0г!Ж и Е — степень обжатия модуль упругости внутреннего слоя из РЕ-Ха; а — коэффициент, зависящий от твердости материала.

При расчете значение ео6ж для всех типоразмеров труб принято равным степен обжатия стенки АТТ со средней толщиной в поле допуска - 7%, значение коэффициента принято равным 3, с учетом твердости РЕ-Ха при максимальной температур эксплуатации АТТ 115°С по Шору равной ~80 ед., а значение модуля упругости значению квазиравновесного релаксационного модуля Е,у. для РЕ-Ха при 115°С, которы

равен 35 МПа. Применение в расчете значени Е„ при максимальной температур эксплуатации многослойных АТТ, позволяв учитывать релаксационные процессы полимере и определить длину рабочей част фитинга, которая обеспечит герметичност

60 80 100 120 НО L'5IM соединения АТТ-фитинг при повышенны

Рис. 7 -. Зависимость усилия выдергивания

нити от длины обжатия трубы в фитинге температурах на заданный срок эксплуатаци при различных режимах испытания:

¡-режим 1,2 —режим 2; (~50 лет). Результаты расчета представлены н

3 — режим 3; 4 — режим 4. с, ,, . .

рис. 8 (1) в виде зависимости LF от Dell.

Для расчета LF из условия обеспечения прочности заделки армирующего каркас была разработана методика определения прочности заделки нитей в трубе при действии н нить растягивающих нагрузок F. Проведены испытания, заключающиеся в выдергивани нитей из стенки трубы образцов АТТ типоразмера Т-75 с армирующим каркасом из осевы нитей Кевлар 167 текс, обжатых в фитинге с еовж ~7% и разной длиной рабочей части, пр

различных режимах: - режим 1 - при комнатной температуре сразу после обжатия; - режим 2 - при температуре 115°С в тепловой камере после кондиционирования в течение 3 часов; - режим 3 - при комнатной температуре после тепловой обработки при 115°С в течение 15 суток; - режим 4 - без обжатия в фитинге. Установлено, что обжатие АТТ в фитинге существенно увеличивает усилие выдергивания нити из полимерной матрицы стенки трубы, однако вследствие протекания релаксационных процессов в полимерных материалах АТТ, прочность заделки армирующего каркаса снижается (рис.7). В результате эксперимента удалось достичь условий, когда прочность заделки нити была больше прочности нити Ff, что приводило к их разрушению при значениях Ff ~ 200-230 Н.

Для расчета Lp из условия прочности заделки армирующего каркаса в армированной трубе, обжатой фитингом еобж ~7%, использовали зависимость усилия выдергивания F нити, полученную для режима 3. Для АТТ всех типоразмеров с учетом параметров их армирующего каркаса (см. табл. 2) из уравнения 4 определили нагрузку на каждую нить F, возникающую под действием Рраб, равного 1 МПа, и рассчитали длину LF, при которой обеспечивается прочность заделки нитей армирующего каркаса в стенке трубы, обжатой фитингом. Результаты расчета представлены на рис. 8 (2) в виде зависимости Lp от Dm.

Таблица 3: Габаритные размеры фитингов для АТТ всех типоразмеров

Типоразмер фитинга d2, мм ¿/¡, мм Lpt мм D], мм 1)2, мм Dj, мм Df ж, мм

Ф-50 36,8 39 52 50,5 52,5 57,5 53,5

Ф-63 47 49 65 61 63 68 63,5

Ф-75 56 58,5 78 73 75 80 75,0

Ф-90 67,3 70 91 '87 89 95 89,5

Ф-110 83,2 86 117 104 . 106 112 106,5

Ф-125 97,2 100 143 120 122 128 122

Ф-140 107 110 143 132 134 140 133,5

Ф-160 123,5 126,5 143 150 152 158 150,5

Установлено, что для АТТ типоразмеров Т-50 - Т90 и Т-160 критичным является обеспечение герметичности, а для АТТ типоразмера Т-110 - Т-140 - прочность заделки армирующего каркаса. С учетом этого, даны рекомендации по длине рабочей части фитингов LF для всех типоразмеров АТТ. Для фитинга Ф-140 значение Lp рекомендуется

160 120 80 40

0

I. f, мм

60

80 100 D.„,mm

120 140

Рис. 8 - Зависимость LF от Dm АТТ при условии обеспечения герметичности соединения (1), условии прочности заделки нитей в А ТТ (2) и рекомендуемая длина рабочей части фитинга (3)

принимать равным значению LF для фитингов типоразмера Ф-125 и Ф-160 (143 мм) Зависимость рекомендуемой LF от D„„ представлены на рис. 8, а в таблице 3 указань габаритные размеры для фитингов всех типоразмеров.

3.5 Исследование работоспособности многослойной АТТ и соединения АТТ-фитин под давлением

В разделе 3.5 представлены результаты исследования работоспособности АТТ соединения АТТ-фитинг под давлением. Образцы АТТ всех типоразмеров, обжаты соответствующими фитингами, кондиционировали в течение 2 часов в ванне температурой воды 20±2°С, затем на специальных гидравлических стендах Airless Pip tester MOD 1672, IPT (Германия), в соответствии с ISO/TS 18226 нагружал гидростатическим давлением с постоянной скоростью повышения давления в образц равной 1 МПа/мин вплоть до его разрушения.

На рис. 9 представлены зависимост разрывного давления Рразр от внутреннег диаметра АТТ и значения Рразр, рассчитанны по уравнению 4 с учетом допусков на толщинь слоев АТТ и прочность нитей Кевлар п спецификации фирмы Дюпон. Установлено что для АТТ всех диаметро экспериментальные значения Рразр лежат интервале расчетных значений Рразр. Для тру типа Т-50 - Т-110 экспериментальные значени несколько выше средних расчетных на 5-8%, для труб типа Т-125 - Т-160 они практически совпадают с ними (~2%).

Анализ результатов проведенных испытаний многослойных АТТ разног типоразмера позволил установить механизм разрушения АТТ при испытании на разрывно давление, заключающийся в разрушении армирующих нитей с последующи пластическим разрушением внутреннего слоя из РЕ-Ха и наружного слоя из СЭП в зон разрыва нитей в направлении их укладки.

Полученные в результате эксперимента значения Рразр для АТТ всех типоразмеров согласуются со значениями, полученными по предложенной методике расчет армирующего каркаса для труб по напряжению в нитях, что свидетельствует возможности ее применения. Анализ механизма разрушения труб подтверждает, что в

Р МП»

51-.-.-.-.-.-.-.-.-.--

30 40 50 60 70. '80 90 100 110 ПО 130

Рис. 9 - Значения расчетного максимального (1), среднего (2) и минимального (3) Р^р и экспериментальные значения (4) для всех типоразмеров А ТТ (цифрами указаны углы армирования)

многослойной конструкции ATT основным несущим элементом, воспринимающим основную нагрузку от действия внутреннего давления, является армирующий каркас из нитей Кевлар.

3.6 Определение длительной прочности многослойных армированных термопластичных труб и прогнозирование их эксплуатационных характеристик.

В разделе 3.6. представлены результаты длительных испытаний (до 9000 часов) образцов АТТ разного типоразмера с соответствующими фитингами на стойкость к действию постоянного внутреннего давления по ГОСТ 24157-80. Испытания проводили на стенде Airless Pipe tester MOD 1675, IPT, и в термошкафах при температуре 95, 105 и 115°С.

При анализе результатов испытаний был установлен механизм разрушения образцов АТТ — разрыв нитей армирующего каркаса с последующим пластическим разрывом внутреннего слоя из РЕ-Ха в месте разрушения нитей. При разрушении образцов радиальные деформации РЕ-Ха в зоне разрушения могут достигать 50%, однако деформации АТТ вне зоны разрушении не превышает 2%. При испытаниях не выявлено неблагоприятных механизмов разрушения АТТ в зоне соединения с фитингом, таких как потеря герметичности или выдергивание нитей армирующего каркаса вплоть до разрушения трубы, что свидетельствует о надежности и работоспособности соединения АТТ-фитинг при длительной эксплуатации.

Обработку результатов эксперимента и аппроксимацию экспериментальных данных проводили в соответствии с методикой ISO 9080 с использованием компьютерной программы Pipeson Analyzer 3.1.6. Установлено, что экспериментальные данные по долговечности армированных труб, выраженные в логарифмических координатах в виде зависимости давления (Р) в трубе и напряжения (а) в нитях армирующего каркаса, рассчитанного по уравнению (4) для каждого испытуемого образца АТТ, от времени до разрушения (т), лучше всего аппроксимируются четырех параметрическим уравнением:

- по давлению:

1д(О = -35,475 + 15813,474/7 + 48,2391д(Р) - 21569,7841д(Р)/Т (7)

- по напряжению:

lg(r) = -14,580 + 6555,041/Г + 48,050lg(<r) - 21257,3771д(с)/Т (8)

Коэффициенты в уравнениях (7) и (8) получены для 97,5%-ого нижнего доверительного интервала длительной прочности, эквивалентного нижнему пределу 95 %-ого доверительного интервала прогнозируемого значения при статистической

обработке результатов эксперимента. Коэффициент корреляции (R) при аппроксимаци данных уравнением (7) ниже, чем для уравнения (8) (0,887 и 0,921 соответственно), чт сказывается на ширине доверительного интервала и точности прогнозируемых значени прочности. Большее значение R связано с тем, что при аппроксимации данных выраженных через длительную прочность материала армирующего каркаса по уравнени (4) учитываются размеры образцов АТТ и параметры армирующего каркаса.

С целью оценки применимости предлагаемого метода определени эксплуатационных характеристик АТТ по длительной прочности материала армирующег каркаса, экспериментальные данные по долговечности АТТ были проанализированы общепринятых позиций теории долговечности Журкова. Для этого экспериментальны данные по долговечности АТТ были представлены в виде зависимости энергии активаци процесса разрушения нитей от напряжения в них в соответствии с уравнением Журкова: г = т0ехр=> U(<7) = U0 + уст = кТ(1пт - /пт0) (9

где т0 - предэкспоненциальный множитель, с (период тепловых колебаний атомов, равный Iff"с), U„ энергия активации процесса разрушения, Дж, у — структурный коэффициент, м3, к — постоянна Больцмана, Дж/К, Т - температура, К, а — напряжение в нитях Кевлар, ГПа

Установлено, чт

экспериментальные данные п долговечности аппроксимируютс прямой с коэффициентом корреляци R равным 0,963, что свидетельствует применимости уравнения Журкова описанию долговечности ните Кевлар армирующего каркаса труб полученных при испытании трубны образцов. По данному уравнению определены значения коэффициенте уравнения Журкова U0 и у, равны 168,72 кДж/моль и 4,53 нм соответственно.

По полученным уравнениям (8 и (9) построены зависимост долговечности нитей Кевлар

<7,ГШ

Рис. 10 - Зависимости долговечности арамидных нитей

Кевлар от напряжения, рассчитанных по уравнению Журкова (1) и по уравнению ISO 9080 (2) для температур 95°С (3), 105 (4) и 115°С (5) и результаты гидравлических испытаний А ТТ, выраженные через напряжение в нитях армирующего каркаса

полулогарифмических координатах lg(z) - (а), на которые нанесли экспериментальные точки (рис. 10). Установлено, что в области времен от 100 до 10000 часов кривые долговечности, полученные по двум уравнениям, практически совпадают, что свидетельствует об отсутствии противоречий между общепринятой теорией долговечности Журкова и методикой определения долговечности ISO 9080 и позволяет применять ее для оценки долговечности АТТ.

Таким образом, предложенный метод расчета рабочего давления АТТ для различных условий эксплуатации по допускаемому напряжению на нити армирующего каркаса, определяемому по длительной прочности материала каркаса, позволяет с большей точностью прогнозировать рабочее давление армированных труб на заданный срок эксплуатации (или наоборот). Полученное обобщенное уравнение температурно-временной зависимости прочности нитей позволяет прогнозировать срок службы армированных труб при переменном температурном режиме эксплуатации.

Таблица 4: Режим эксплуатации труб во вторичном плюсовом контуре сетей отопления

Температура теплоносителя, °С Время работы трубопровода при температуре теплоносителя, ч

за 1 год за 10 лет за 20 лет за 50 лет

20 3655,2 36552 73104 182760

95 2640 26400 52800 132000

100 1800 18000 36000 90000

105 600 6000 12000 30000

110 60 600 1200 3000

115 4,8 48 96 240

120 2 20 40 100

Всего 8762 87620 175240 438100

Для прогнозирования эксплуатационных характеристик АТТ, с заданными параметрами армирующего каркаса, при переменном температурно-временном режиме эксплуатации во вторичном плюсовом контуре сетей отопления (табл. 4) предложен метод ISO 13760, известный как правило Майнера. Для расчета максимального рабочего давления Рра6 для АТТ на срок эксплуатации ~50 лет использовали уравнение 4. Значение коэффициента Z приняли равным 0,00287, что соответствует минимальному значению для АТТ всех типоразмеров (табл. 2). Допускаемое напряжение [а,] в нитях Кевлар армирующего каркаса определяли для заданного температурно-временного режима по правилу Майнера, с учетом коэффициентов запаса по напряжению для каждой температуры в соответствии с ГОСТ Р 52134-2003. Значение [а,] составило 0,360 ГПа.

Полученное расчетное значение Рра5 равно 1,03 МПа, что соответствует требуемом значению давления при эксплуатации АТТ в сетях отопления.

Таким образом, разработанный метод оценки длительной прочности АТТ прогнозирования их эксплуатационных характеристик соответствует принципа международных стандартов по определению длительной прочности материалов используемых в производстве труб различного назначения, а также общепринятой научн обоснованной теории долговечности Журкова. Предложенный метод позволяет получит обобщенное уравнение температурно-временной зависимости прочности, которое може быть использовано при расчете эксплуатационных характеристик трубопровода пр переменных условиях эксплуатации.

3.7 Результаты испытания трубопровода из армированных термопластичных труб н экспериментальном участке.

В разделе 3.7 представлены результаты испытания опытного трубопровода длино 30 метров из АТТ типоразмера Т-90 с соответствующими фитингами типоразмера Ф-90 При испытании регистрировали температуру и давление теплоносителя в трубопроводе что позволило рассчитать по правилу Майнера теоретический срок службы трубопровода Температура в процессе испытания изменялась от 70 до 130°С, давление от 0,4 до 1,8 МПа

Разрушение трубы зафиксировано при давлении 1,7 МПа и температуре 130°С поел 7323 часов эксплуатации трубопровода. Механизм разрушения АТТ - разрыв армирующи нитей и внутренней камеры из РЕ-Ха. Время эксплуатации трубопровода пр температурах выше 120°С составило более 1000 часов, что значительно превышает ври эксплуатации при аварийной температуре 120°С за весь планируемый срок эксплуатаци 50 лет (см. табл. 4), а пиковые температуры достигали 130°С. При столь высоки температурах, близких к температуре плавления кристаллической фазы РЕ-Ха, н зафиксировано потери формы АТТ, герметичности и разрушения соединения АТТ-фитинг.

Для расчета по правилу Майнера теоретического срока службы АТТ дл полученного переменного режима испытания использовали уравнение 8 длительно прочности нитей Кевлар без коэффициентов запаса по напряжению. Напряжение в нит армирующего каркаса рассчитывали по уравнению (4) для каждого уровня давления учетом значения коэффициента параметров армирующего каркаса Z, равного 0,00258 Расчетное максимальное время эксплуатации АТТ составило 7670 часов, что практическ совпадает с реальным временем до ее разрушения 7323 часов.

Таким образом, испытания опытного участка трубопровода подтвердили работоспособность разработанных термопластичных армированных труб с внутренним слоем из РЕ-Ха, армированных нитями Кевлар, с соединительным и наружным слоями из СЭП, а также обжимных фитингов в сетях отопления при переменном температурно-временном режиме до 115°С, давлением до 1 МПа и на срок до 50 лет.

Выводы:

1. Разработаны многослойные конструкции армированных труб разного типоразмера (диаметром от 50 мм до 150мм) с внутренним слоем из РЕ-Ха, армирующим каркасом из нитей Кевлар и соединительным и наружным слоем из СЭП, конструкции обжимных фитингов и соединения АТТ-фитинг. Показано, что работоспособность трубопровода из многослойных АТТ при эксплуатации в сетях отопления с переменным температурно-временным режимом до 115°С с давлении 1 МПа сохраняется на срок 50 лет.

2. Исследованы физико-механические характеристики РЕ-Ха при повышенных температурах (до 120°С). Получены зависимости предела текучести, деформации при пределе текучести и модуля упругости от температуры. Показано, что предел текучести РЕ-Ха при температурах выше 100°С равен 3-6 МПа, что делает невозможным его применение для производства напорных труб с температурным режимом эксплуатации до 115°С и давлением до 1 МПа. Установлено, что модуль упругости при температурах выше 100°С сохраняет достаточно высокие значения (40-70 МПа), что позволяет применять РЕ-Ха в качестве материала внутреннего слоя в многослойных армированных трубах.

3. Изучены процессы релаксации напряжений в РЕ-Ха при деформациях от 5 до 20% и температурах от 50 до 95°С. С применением уравнения Больцмана-Вольтерра и ядер релаксаций установлен кинетический механизм релаксации напряжений в РЕ-Ха. Получены зависимости релаксационного модуля и квазиравновесного напряжения для РЕ-Ха от времени и температуры, позволяющие прогнозировать значения этих параметров на более высокие температуры. Определены значения квазиравновесного модуля и напряжения в РЕ-Ха при температурах 115°С и показано, что в нем сохраняется напряжение -ЗМПа, что позволяет использовать компрессионные фитинги с самоуплотнением по внутреннему слою для обеспечения герметичности соединения труб на протяжении всего срока эксплуатации.

4. Установлено, что в многослойной конструкции АТТ основную нагрузку от действия внутреннего давления (до 90%) воспринимает армирующих каркас из нитей

Кевлар, а внутренний слой из РЕ-Ха воспринимает -10% и наружный слой из СЭ практически не несет никаких нагрузок (< 0,1%).

5. Разработана методика расчета конструкции многослойных армированных тру для различных условий эксплуатации, заключающаяся в использовании для расчет параметров армирующего каркаса его длительной прочности. Установлена связь межд параметрами нити и армирующего каркаса с характеристиками АТТ для все типоразмеров. Расчетные значения разрывного давления для труб всех типоразмеров армирующим каркасом, параметры которого оптимизированы в соответствии разработанной методикой, подтверждаются результатами стендовых испытаний.

6. Разработана методика расчета и определена оптимальная длина рабочей част фитинга для условий обеспечения герметичности соединения и прочности заделки ните армирующего каркаса в трубе, обжатой фитингом, с учетом релаксационных процессов протекающих в РЕ-Ха во времени.

7. Проведены длительные (до 9000 часов) гидравлические испытания армированны труб разных типоразмеров на стойкость к действию постоянного внутреннего давления при разных температурах 95°С, 105 и 115°С. Установлен механизм разрушени армированных труб, заключающейся в разрыве армирующих нитей с последующе' деформацией и разрушением внутренней оболочки из РЕ-Ха.

8. По методике ISO 9080 получено четырех параметрические уравнени температурно-временной зависимости прочности армированных труб и нитей Кевла армирующего каркаса. Показано, что долговечность армированных труб лучш описывается зависимостью долговечности нитей Кевлар, полученной при аппроксимаци экспериментальных данных по испытаниям АТТ, выраженных через напряжения в нитя армирующего каркаса, поскольку при этом учитываются размеры испытуемых образцо АТТ и параметры армирующего каркаса.

9. Получены значения констант в уравнении долговечности Журкова для ните Кевлар, работающих в армирующем каркасе труб. Показано, что зависимости длительно прочности армирующих нитей, полученные по уравнению ISO 9080 и уравнению Журкова хорошо коррелируют в области времен испытания, что свидетельствует о применимост подхода к оценке длительной прочности и эксплуатационных характеристи многослойных армированных труб при прогнозировании долговечности материал армирующего каркаса.

10. Предложена методика расчета эксплуатационных характеристик многослойных армированных труб для переменных условий эксплуатации по правилу Майнера с учетом температурно-временной зависимости прочности материала армирующего каркаса. Проведен расчет и показано, что армирующий каркас из арамидных нитей Кевлар с оптимальными параметрами обеспечивает работоспособность многослойных армированных термопластичных труб разного диаметра при эксплуатации во вторичном контуре сетей отопления с переменным температурным режимом до 115°С и давлением 1 МПа на срок службы до 50 лет.

11. Проведены контрольные натурные испытания опытного участка трубопровода из армированной трубы типа Т-90 и обжимных фитингов типа Ф-90 в условиях максимально приближенных к реальным условиям эксплуатации. Время разрушения трубопровода отличается на ~5% от времени эксплуатации, рассчитанного по правилу Майнера для режима испытания с переменными температурой и давлением, что подтверждает работоспособность армированных труб и достоверность прогнозирования их эксплуатационных характеристик.

12. Разработаны технические условия ТУ 2248-004-48532278-2013 «Трубы напорные из сшитого полиэтилена с повышенными эксплуатационными характеристиками» и ТУ BY 390353931.012-2011 «Фитинг обжимной» и организованно производство опытно-промышленных партий армированных труб и фитингов разного типоразмера.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Гвоздев, И.В. Армированные трубы с повышенной теплостойкостью / И.В. Гвоздев, C.B. Шаляпин, И.Д. Симонов-Емельянов // Пластические массы. - 2011. -№ 4. - С. 3040.

2. Гвоздев, И.В. Армированные трубы с повышенной теплостойкостью / И.В. Гвоздев, C.B. Шаляпин. C.B. Самойлов // Полимергаз. -2011. -№ 3. - С. 28-32.

3. Гвоздев, И.В. К расчету прочностных характеристик армированных труб / И.В. Гвоздев, C.B. Шаляпин // Полимерные трубы. - 2011. —№4 (34). - С. 50-51.

4. Шаляпин. C.B. Изучение процессов релаксации напряжения в сшитом полиэтилене / C.B. Шаляпин, И.В. Гвоздев, И.Д. Симонов-Емельянов // Пластические массы. - 2012. -№ 12.-С. 19-23.

5. Шаляпин, C.B. Расчет и прогнозирование прочности многослойных полимерны армированных труб /C.B. Шаляпин, И.В. Гвоздев, И.Д. Симонов-Емельянов // Вестни МИТХТ. - 2012. - T. VII. - № 4. - С. 112-116.

6. Гвоздев, И.В. Релаксация напряжений в сшитом полиэтилене / И.В. Гвоздев, С. Шаляпин. И.Д. Симонов-Емельянов // Полимерные трубы. - 2012. -№3 (37). - С. 51 53.

7. Шаляпин, C.B. Релаксация и работоспособность соединений полимерны армированных труб. / C.B. Шаляпин, И.В. Гвоздев, И.Д. Симонов-Емельянов // XI международная научно-техническая конференция «Наукоемкие химически технологии-2012»: труды. - М.: Издательство МИТХТ, 2012. — 521 с.

Автор выражает глубокую благодарность директору УИиРПТ НИИ ООО «У Группа «Полипластик» Гвоздеву И.В. за помощь, консультации и поддержку в ход выполнения диссертационной работы.

Автор выражает искреннюю признательность сотрудникам НИИ ООО «УК Групп «Полипластик» и сотрудникам испытательной лаборатории и производства ЗАО «Заво АНД Газтрубпласт» за плодотворное сотрудничество и бескорыстную помощью процессе производства и проведения испытаний опытных образцов АТТ.

Шаляпин Сергей Валерьевич Многослойные термопластичные трубы на основе РЕ-Ха, армированные нитями Кевлар, с повышенной теплостойкостью для сетей отопления

Формат 60x90/16 Тираж 100 экз. Подписано в печать 24.10.2013 Заказ № 105 Типография ООО «Генезис» 8 (495) 434-83-55 119571, г. Москва, пр-т Вернадского, 86

Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования Московский государственный университет тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова

04201364697 На правах рукописи

Шаляпин Сергей Валерьевич

МНОГОСЛОЙНЫЕ ТЕРМОПЛАСТИЧНЫЕ ТРУБЫ НА ОСНОВЕ РЕ-Ха, АРМИРОВАННЫЕ НИТЯМИ КЕВЛАР, С ПОВЫШЕННОЙ ТЕПЛОСТОЙКОСТЬЮ ДЛЯ СЕТЕЙ ОТОПЛЕНИЯ

(05.17.06 - Технология и переработка полимеров и композитов)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор И.Д. Симонов-Емельянов

Москва 2013

Оглавление

Введение....................................................................................3

1. Литературный обзор.....................................................................7

1.1. Полимерные трубы и их применение в тепловых сетях...................8

1.2. Методы оценки прочность полимерных труб................................15

1.3. Выбор полимерных материалов для многослойной конструкции армированных термопластичных труб...............................................24

1.4. Соединение многослойных армированных термопластичных труб... 32

2. Объекты и методы исследования...................................................36

2.1. Объекты исследования...........................................................36

2.3. Методы исследования............................................................39

3. Экспериментальные данные и обсуждение результатов...............................................................................45

3.1. Исследование физико-механических и теплофизических характеристик РЕ-Ха при повышенных температурах.........................45

3.2. Изучение процессов релаксации напряжений в РЕ-Ха при разных температурах и деформациях.........................................................55

3.3. Расчет и конструирование многослойных АТТ разных типоразмеров для эксплуатации при повышенных температурах......................................67

3.4. Расчет конструкции обжимных фитингов и соединения АТТ-фитинг...............................................................................95

3.5. Исследование работоспособности многослойной АТТ и соединения АТТ-фитинг под давлением........................................................115

3.6. Определение длительной прочности многослойных армированных термопластичных труб и прогнозирование их эксплуатационных характеристик..................................................................................122

3.7. Результаты испытания опытного трубопровода из многослойных армированных термопластичных труб на экспериментальном участке....................................................................................140

Выводы.................................................................................147

Список литературы.................................................................150

Приложения...........................................................................164

Введение

В России применение полимерных труб началось с большим отставанием от Европы, и хотя сейчас в стране активно наращивается объем их производства [1], он продолжает существенно уступать европейскому. При этом данная продукция наиболее востребована в сетях коммунального хозяйства, таких как отопления в силу их высокой изношенности (до 70 %) [2, 3]. Применение в тепловых сетях с переменным температурно-временным режимом эксплуатации до 115°С и давлением ~1 МПа труб из крупнотоннажных термопластов (полиэтилен, полипропилен, хлорированный поливинилхлорид и др.) в течение длительного времени ограничено вследствие их низкой прочности при температурах выше 100°С.

Улучшение эксплуатационных характеристик полимеров позволяет расширять область применения пластмассовых труб. Первый подобный шаг был сделан в Европе в середине 70-х годов, когда были освоены методы молекулярного сшивания полиэтилена высокой плотности. Применение сшитого полиэтилена (РЕ-Х) для производства труб позволило повысить температуру эксплуатации их в сетях отопления до 95°С.

На сегодняшний день лидерами производства таких труб являются европейские фирмы Brugg Rohrsysteme, Uponor, Isoplus, Golan, среди отечественных компаний «Группа ПОЛИПЛАСТИК», которая начала освоение данной продукции на предприятии «Завод АНД Газтрубпласт» для применения их в сетях горячего водоснабжения.

Однако при адаптации европейских систем к российским тепловым сетям возник ряд специфических трудностей: номенклатура ограничена трубами диаметром 110 мм; режимы эксплуатации - температурой до 95°С и давлением до 0,6 МПа, либо температурой до 70 °С и давлением до 1,0 МПа. Для тепловых сетей больших и средних российских городов требуются трубопроводные системы больших диаметров рассчитанных па большие температуры (до 115°) и давления (до 1 МПа). Увеличение рабочего давления в полимерной трубе требует увеличения ее толщины стенки, что для труб

большого диаметра приводит к снижению гибкости труб, возрастанию материалоемкости, а также трудоемкости и стоимости монтажных работ, что в итоге делает их нерентабельными по сравнению с металлическими трубами. Кроме того, применение РЕ-Ха в качестве материала напорных труб, способных работать при температурах выше 100°С в течение длительного времени практически невозможно вследствие его низкой прочности.

Вторым шагом модифицирования полимерных труб стало создание армированных термопластичных груб (АТТ) с применением в качестве армирующих элементов высокопрочных материалов. Компания «Группа ПОЛИПЛАСТИК» на предприятии «Завод АНД Газтрубпласт» в Москве в 2006 году освоила выпуск многослойных АТТ для сетей горячего водоснабжения и отопления с температурой до 95 °С и давлением до 1 МПа. С начала выпуска первых армированных труб проложено уже более 3000 км труб, характеризующихся низкой аварийностью при эксплуатации [4, 5]. Однако до сих пор для сетей отопления с температурой выше 100°С не было предложено решений для замены металлических труб, основными недостатками которых являются низкая коррозионная стойкость и малый срок службы. Опыт же применения армированных термопластичных труб открывает перспективы создания специальных многослойных конструкций армированных труб для сетей отопления выше 100°С с повышенной теплостойкость.

При выборе полимерных материалов и расчете многослойной конструкции АТТ следует учитывать изменение свойств полимеров вследствие их ярко выраженной зависимости от температуры и времени. Необходимо иметь данные по основным физико-механическим характеристикам полимеров при повышенных температурах, таких как предел текучести и модуль упругости и, что наиболее важно, данные по длительной прочности и релаксации напряжений.

Мировой опыт применения армированных полимерных труб в нефтяной и газовой отрасли составляет более 10 лет, что позволило сформулировать единый подход к оценке и подтверждению их эксплуатационных характеристик. Недостатком этого подхода является определение временной зависимости прочности при одной температуре, тогда как трубы в сетях отопления чаще всего эксплуатируются при переменном температурном режиме. В России, к сожалению, до сих пор нет единых подходов к проектированию и оценке работоспособности армированных термопластичных труб, что в свою очередь требует разработки обоснованной методики для оценки и прогнозирования характеристик при длительной эксплуатации АТТ.

К трубопроводам относят не только трубы, но и их соединительные детали, фитинги. В связи с этим немаловажной задачей является проектирование фитинга и соединения АТТ-фитинг, а также оценка их работоспособности при длительной эксплуатации.

Представленная работа, целыо которой является разработка и создание конструкций многослойных армированных термопластичных труб разных типоразмеров (диаметром от 50 до 150 мм) на основе РЕ-Ха, армированных нитями Кевлар, обжимных фитингов и соединения АТТ-фитинг для эксплуатации в сетях отопления с переменным температурным режимом до 115°С, давлением 1 МПа на срок до 50 лет, а также методов оценки и прогнозирования срока их эксплуатации, является весьма актуальной и востребованной в промышленности и коммунальном хозяйстве.

Научная новизна работы.

- впервые с применением ядер релаксации в уравнении Больцмапа-Вольтерра описан процесс релаксации напряжений в РЕ-Ха при деформациях от 5 до 20 % и температурах от 50 до 95°С и определен кинетический механизм релаксации, что позволило установить зависимости квазиравновесных напряжений и модуля от температуры для проектирования соединения АТТ-фитинг и многослойных конструкций АТТ;

- показано, что в многослойной конструкции АТТ до 90% нагрузки, возникающей от действия внутреннего давления, воспринимает на себя армирующий каркас, что позволяет проводить оценку длительной прочности многослойной АТТ по длительной прочности армирующих нитей Кевлар;

- установлена связь между эксплуатационными характеристиками многослойных АТТ разного типоразмера и параметрами армирующего каркаса из нитей Кевлар с учетом их длительной прочности, что позволило оптимизировать конструкцию труб;

- получена температурно-времепная зависимость прочности арамидных нитей Кевлар при температурах 95°С - 115°С и определены коэффициенты 4-ех параметрического уравнения долговечности по ISO 9080 (ГОСТ Р 548662011) и уравнения долговечности Журкова, что позволяет прогнозировать значения длительной прочности и долговечности многослойных АТТ.

Практическая значимость работы. Разработаны конструкции многослойных армированных термопластичных труб разных типоразмеров (диаметр от 50 до 150 мм) с внутренним слоем из РЕ-Ха, армирующим каркасом из арамидных нитей Кевлар и соединительным и наружным слоем из сополимера этилена с пропиленом (СЭП).

По результатам проведенных натурных гидравлических испытаний образцов АТТ на стойкость к внутреннему давлению доказана возможность их эксплуатации в тепловых сетях с переменным температурно-временным режимом эксплуатации до 115°С и давлении 1 МПа на срок -50 лет.

Разработана методология оценки и прогнозирования эксплуатационных характеристик АТТ с учетом температурно-временной зависимости прочности материала армирующего каркаса АТТ, подтвержденная результатами испытаний опытного участка трубопровода из АТТ.

Предложена методика оценки прочности заделки армирующего каркаса в армированной трубе, обжатой в фитинге, учитывающая релаксацию напряжений в полимерных материалах АТТ при их длительной эксплуатации и повышенных температурах. По результатам проведенных испытаний

разработана конструкция фитингов для всех типоразмеров армированных труб и доказана их работоспособность.

Разработаны технические условия ТУ 2248-004-48532278-2013 «Трубы напорные из сшитого полиэтилена с повышенными эксплуатационными характеристиками» и освоено опытное производство труб этого типа на предприятии ЗАО «Завод АНД Газтрубпласт» компании «Группа ПОЛИПЛАСТИК» (Приложение №1).

Разработаны технические условия ТУ BY 390353931.012-2011 «Фитинг обжимной» и освоено опытное производство фитингов этого типа на предприятии ИЗАО «Кохановский трубный завод «Белтрубпласт» компании «Группа ПОЛИПЛАСТИК» (Приложение №2).

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на 31 международной научно-практической конференции «Композиционные материалы в промышленности» (6-10 июня 2011, г.Ялта), на XIV Международной конференции «Наукоёмкие химические технологии - 2012» (21-25 мая 2012, г. Тула) и на Международной конференции «Plastic Pipes Moscow 2013» (2-4 октября 2013, г. Москва).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 3 статьи в рецензируемых специализированных журналах и 1 тезис доклада в сборнике материалов конференции.

Объем работы. Диссертация изложена на 170 страницах, содержит 68 рисунок и 38 таблиц и состоит из введения, литературного обзора, объектов и методов исследования, основных результатов и их обсуждения, общих выводов, списка литературы из 154 наименований и приложений.

Глава 1. Литературный обзор

Раздел 1.1 Полимерные трубы и их применение в тепловых сетях.

Полимерные трубы уже более 70 лет занимают одно из важнейших мест в промышленности и коммунальном хозяйстве. Главными достоинствами труб из полимерных материалов являются высокая коррозионная стойкость, гладкость внутренней поверхности, обеспечивающая низкое гидравлическое сопротивление, легкость и удобство монтажа, невысокая стоимость, длительные (свыше 50 лет) сроки эксплуатации. Основные отрасли применения полимерных труб это жилищно-коммунальная сфера, где прочностные качества стальных труб используется лишь на 2 - 12%, а срок службы составляет 5-10 лет, в зависимости от условий эксплуатации [6, 7].

Крупнейшими потребителями полимерных труб на сегодняшний день в мире остается Европа и США (рис. 1.1.1), а Россия отстает по этому показателю в -3,5 раза [8-10]. В России и странах СНГ по-прежнему доминируют металлические трубы - более 70% трубопроводов изготовлены из металла и лишь 30% из неметаллических материалов, включая пластмассы Основной областью применения полимерных труб в России являются водо-, газоснабжение и канализация, в качестве материала для производства которых используют крупнотоннажные полимеры: полиэтилен (ПЭ), полипропилен (ПП) и поливинилхлорид (ГТВХ). На рис. 1.1.1 представлена видовая структура выпуска труб из полимеров [11, 12].

■ Водоснабжение

■ Газоснабжение

а Канализация и дренаж

■ Кабель-каналы

■ Прочее

32,5 2009г.

30,4 2006 г.

Рис. 1.1.1. Сегментация российского рынка полимерных труб, %.

Если в случае холодного водоснабжения и газораспределения объем работ по замене и ремонту трубопроводов с применением полимерных материалов ежегодно растет, то ситуация с теплосетями остается критической. Износ российской теплосетевой инфраструктуры, созданной большей частью в 60 - 80-х годах прошлого века, находится на уровне 6080%. При общей протяженности тепловых сетей 136 тыс. км из них ~29 тыс. км находятся в аварийном состоянии. Суммарные потери в тепловых сетях достигают ~30 % произведенной тепловой энергии и оцениваются в -500 млрд. рублей ежегодно [9, 13 - 16].

Для внутридомового отопления применяются главным образом металлопластаковые трубы (МП), трубы из полипропилена и трубы из сшитого полиэтилена (РЕ-Х) наружным диаметром до 63 мм [14]. В тепловых разводящих сетях от распределительных станций или теплоэнергоцентралей (ТЭЦ) ситуация более сложная, поскольку требуются трубы большего диаметра.

Структура тепловых сетей Европы и стран СНГ существенно отличается - европейские сети не рассчитаны на большие температуры и давления вследствие достаточно большого разветвления теплоцентралей по городам, тогда как теплосети стран бывшего СССР характеризуются централизованностыо, что предъявляет повышенные температурные, напорные и расходные требования к трубопроводу. На рис. 1.1.2 схематично представлена структура большинства теплосетей стран СНГ [17].

Анализ температурных режимов теплоносителя в тепловых сетях крупных российских городов (Москва, Санкт-Петербург, Омск), показал, что температурные режимы носят переменный характер, а тепловые нагрузки достигают своих максимальных значений лишь в течение короткого времени на протяжении всего срока эксплуатации труб. В связи с этим все температурные графики условно разбили на четыре температурных диапазона (рис 1.1.3) и для диапазонов 95°С - 135°С определили среднегодовой температурный режим теплоносителя (рис. 1.1.4) [17 - 19].

Первый контур

Котельная

Теплообменник

W Жилой Квартал

Рис. 1.1.2. Схема структуры теплосети стран СНГ.

95°с X X5°С Х35°с X55°С

1 Второй контур (сети ГВС)

Второй контур плюс (сети отопления)

Первый контур (сети отопления до теплообменника

Первый контур плюс (сети отопления от котельной)

Рис. 1.1.3. Температурный диапазон эксплуатации труб

Дни

150

100

SO

110

Второй ковтур П Второй контур ПЛЮС ■ Qcpui контур

110

110

Ар сУ .с , ~ N ^ & ,

> Л' .ft /V /

Рис. 1.1.4. Среднегодовой температурный режим эксплуатации труб

С середины 1990-х годов в Европе в телосетях с температурой до 95°С широко применяют гибкие полимерные трубы из РЕ-Х, лидерами производства которых в Европе считаются фирмы Brugg Rohrsysteme, Uponor, Logstor, Isoplus, Microflex. Трубы этого типа могут производиться длинномерными отрезками и прокладываться бесканально, что позволяет существенно снизить затраты и время проведения монтажных работ за счет меньшего количества стыков, а также экономить на ремонте, эксплуатации и восстановлении каналов [20, 22].

При всех достоинствах европейских систем гибких полимерных труб из РЕ-Х следует отметить ряд недостатков: диаметр труб не превышает 110 мм, снижение гибкости труб диаметром 140 и 160 мм, высокая материалоемкость и трудоемкость производства и монтажа толстостенных труб, снижение проходного сечения и пр. [4, 20, 22].

Для решения этих проблем в 2004 году специалистами компании «Группа ПОЛИПЛАСТИК» на предприятии «Завод АЫД Газструбпласт» в Москве был разработан и освоен в производстве новый тип труб -многослойная термопластичная труба из сшитого полиэтилена, армированная высокопрочными арамидными нитями Кевлар. Трубы, предн�