автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Разработка эпоксидных композиций, технологий получения термоусаживающихся муфт, муфто-клеевых соединений трубопроводов на их основе

На правах рукописи

Страхов Дмитрий Евгеньевич

РАЗРАБОТКА ЭПОКСИДНЫХ КОМПОЗИЦИЙ, ТЕХНОЛОГИЙ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕРМОУСАЖИВАЮЩИХСЯ МУФТ, МУФТО-КЛЕЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ТРУБОПРОВОДОВ НА ИХ ОСНОВЕ

05.23.05 — Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань - 2004

Работа выполнена на кафедре технологии строительных материалов, изделий и конструкций в Казанской государственной архитектурно-строительной академии

Научный руководитель Официальные оппоненты

доктор химических наук, профессор Строганов Виктор Федорович доктор технических наук, профессор, академик РААСН, заслуженный деятель науки РФ Соколова Ю.А.

доктор химических наук, профессор Ланцов В.М.

Ведущая организация

ГУП "ГОСНИИХП"

Защита состоится «16» февраля 2004 года в 14 часов на заседании диссертационного совета К 212.077.01 в Казанской государственной архитектурно-строительной академии по адресу: 420043, г. Казань, ул. Зеленая, 1, КГАСА, ауд. В-209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанской государственной архитектурно-строительной академии.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять по адресу: 420043, г.Казань, ул.Зеленая, 1, диссертационный совет.

Автореферат разослан « »_2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Сулейманов A.M.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одним из важнейших факторов в обеспечении экономического и социального развития стран является наличие и эффективное использование энергоносителей. К основным задачам, обуславливающим реализацию этих требований, прежде всего относятся вопросы организации учета их расхода, транспортировки, эксплуатации инженерных и энергетических систем, а также использование ресурсосберегающих технологий.

В процессе эксплуатации трубопроводов (ТП) весьма актуальной является задача соединения и восстановления (ремонта) поврежденных участков. Для полиэтиленовых, полипропиленовых ТП широко применяются термоусаживающиеся муфты и фитинги из термопластов. Однако они не могут применяться в случае использования труб из реактопластов и других материалов, что обуславливает необходимость применения других надежных и эффективных технологий соединения ТП.

Из ряда известных технологических решений для соединения чугунных, пластмассовых, керамических, стеклянных и разнородных ТП наиболее целесообразно и актуально применение клеевых технологий.

Широкое использование конструкционных клеев в авиа-, ракето-, судо- и приборостроении, нефтегазовой отрасли, строительстве и других областях техники объясняется рядом существенных преимуществ использования клеевых технологий перед традиционными способами соединения. Главное из них - возможность создания надежных, длительно и эффективно работающих в сложных условиях эксплуатации силовых соединений современных конструкций. Однако весьма сложны в техническом исполнении соединения труб из разнородных материалов, поэтому их разработка весьма актуальна. Одним из наиболее технологичных и конструкционно простых решений этой проблемы является использование термоусаживающихся муфт (ТУМ) из реактопластов в сочетании с эпоксиадгезивами. Это обусловлено уникальным комплексом ценных технологических и эксплуатационных свойств эпоксидных реагентов: высокая адгезия ко многим материалам, малая усадка в процессе отверждения, хорошие электроизоляционные свойства, химическая стойкость, высокая прочность и малая ползучесть под нагрузкой.

Цель работы. Разработка эффективных способов соединений ТП из разнородных материалов.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- Осуществить подбор компонентов для создания композиций и получения ТУМ на основе модифицированных эпоксидных композиций с использованием сырьевой базы республики Татарстан.

- Исследовать и определить наиболее эффективные рецептуры эпоксидных полимеров и клеев для соединения ТП.

Усовершенствовать остнастку для изготовления Т /МКЦНЛЦНОИЛЛЬПЛЯ | Разработать устройства и остнастку для испытани

3

СПт?!»г ОЭ »7«?

- Провести комплекс исследований по определению прочностных и деформационных показателей ТУМ.

- Выполнить расчеты соединений с использованием ТУМ, определить оптимальные геометрические размеры ТУМ, в том числе из условия равнопрочности соединения труба-муфта.

Научная новизна работы заключается в следующем:

Разработаны и исследованы новые эпоксикаучуковые композиции для получения термоусаживающихся муфт с эффектом "памяти формы" и оптимизированы их составы.

Исследовано влияние дорнирования на свойства полимерных материалов, проведена оценка напряженно-деформированного состояния муфт, а также получены зависимости геометрических параметров (толщина и длина) муфты из условия равнопрочности муфто-клеевого соединения.

Разработан новый способ и технология получения неразъемных соединений труб: термоусаживающаяся муфта с центрирующей стеклопластиковой втулкой.

Практическая значимость работы:

- Разработана клеевая технология соединения разнородных ТП с применением ТУМ из реактопластов.

- Разработана методика испытания полимерных муфт.

- Разработана Инструкция по применению созданных материалов и их апробирование в производственных условиях.

Апробация работы: Результаты работы обсуждались на шестых академических чтениях РААСН/ ИвГАСА г. Иваново, (2000); на Седьмой международной конференции по химии и физикохимии олигомеров.-Москва-Пермь-Черноголовка, (2000); на Пятьдесят третьей республиканской научной конференции/ Казань, (2001); на Четвертой научно-практической конференции молодых ученых и специалистов республики Татарстан, Казань, (2001); на XXII межд. н-практ. конф. "Композиционные материалы в промышленности",Украина, Ялта, (2002); на Всеросийской межвузовской научно-технической конференции "Внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика, экология", Казань, (2002); на Пятьдесят четвертой республиканской научной конференции, Казань, (2002); на Восьмой межд. конф. по хим. и физикохим. олигомеров. "Олигомеры-2002", Москва - Черноголовка, (2002); на Пятьдесят пятой республиканской научной конференции, Казань, (2003); на Международной конф. "Наука и практика. Диалоги нового века", Н.Челны, (2003); на Международном конгрессе "Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии", Белгород, (2003); на Всероссийской науч. конф. "Структура и динамика молекулярных систем", Казань - Москва - Йошкар-Ола - Уфа, (2003).

Публикации: По материалам диссертации имеется 18 публикаций, в том числе 10 статей, патент РФ, заявка на патент РФ, 6 тезисов докладов на

Структура и объем работы: Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографии - 122 наименований. Изложена на стр. текста, 15 таблиц,- 30 рис.

Автор выражает признательность научным консультантам проф. Каюмову Р.А., с.н.с. Строганову И.В. за помощь в экспериментах и теоретических исследованиях и доц. Алексееву К.П., Амировой Л.М. за помощь в проведении испытаний полимерных образцов.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и практическая ценность результатов.

В первой главе изложен анализ литературных данных о традициях и тенденциях развития технологий соединения ТП, начиная с рассмотрения материалов, типов соединяемых ТП и завершая способами соединения ТП.

Рассмотрены достижения отечественных и зарубежных авторов в области соединения ТП: Фрейдина А.С., Агапчева В.И., Строганова В.Ф., Белошенко В.А., Шелудченко В.И., Васильева Ю.С., Вострова В.М., Позднышева B.C., Шашкина Г.Ф., Ехлакова СВ., Шапиро Г.И., Кершенбаума Я.М., Кагана Д.Ф. и др., в т.ч. с использованием клеевых технологий.

Проанализированы работы Николаева А.Ф., Сорокина М.Ф., Фрейдина А.С., Соколовой Ю.А., Хозина В.Г., Строганова В.Ф., Кочергина Ю.С., Зайцева Ю.С., Бобрышева А.Н. и др. авторов, что позволило сформулировать предпосылки к созданию материалов с широким спектром упруго-деформационных свойств и обосновать возможность постановки задачи по разработке ТУМ для соединения ТП.

Установлено, что вопрос соединения ТП из разнородных материалов изучен недостаточно. Рассмотрены вопросы модификации эпоксидных полимеров, в том числе пути регулирования деформационных и прочностных показателей ЭП.

Изучен вопрос соединения ТП из разнородных материалов, показано, что наиболее простым и технологичным соединением ТП является способ с применением термоусаживающихся муфт (ТУМ) из реактопластов. Ранее исследования по соединению ТП с использованием ТУМ выполнялись только применительно к полиэтиленовым ТП. Следует отметить, что разработанный состав (аналог) достаточно сложен, а компоненты для изготовления ТУМ производятся на Украине (т.е. за рубежом).

Исходя из анализа литературных данных, сформулирована цель исследования: разработка эффективных способов соединений ТП из разнородных материалов.

Во второй главе приведены характеристики исследуемых объектов, методы исследований и испытаний.

Для получения ТУМ в качестве модификатора эпоксидиановых олигомеров выбраны эпоксикаучуки. Выбор обусловлен как возможностью

регулирования в широком диапазоне упруго-деформационных свойств, так и богатой сырьевой базой эпоксикаучуков в республике Татарстан и, в частности, в Казани на ПО "Завод СК": ПДИ-1К, ПДИ-ЗА и ПЭФ-ЗАГ, которые отличаются химическим строением и содержанием эпоксигрупп.

Объекты исследования: • Эпоксиднодиановые олигомеры:

Н2С -СН-СН-О -[ -Я -О - СН2 - СН - СН2 - О - ]„ - я - о - сн2 - сн - сн2

ЭД-22, эпоксидное число (ЭЧ)-23%, ЭД-20 (21.50%)- ГОСТ 10587-84, п=0,08(для ЭД22), п=0,2(для ЭД20), где: Я-

(фрагмент бисфенола А)

Эпоксикаучуки (ЭК)

Олигоэпоксиуретан ПЭФ-ЗАГ -ТУ 38.50302-89 (содержит концевые эпоксидные группы)

О О

/\ II

Н2С-СН-СН2ОСШ

н,с-0 -ШСО-КСН^СКН-^

I

-СНз

ШСОСН2-СН-СН2 II

о о

где п=12-17, содержание ЭЧ 9-12%. Низкомолекулярный каучук: олигодиенэпоксид ПДИ-ЗА -ТУЗ8.103410-85 (содержит концевые эпоксидные группы).

где: Я -

(бутадиенизопреновый блок-сополимер)

( т = 11-17, р = 24-26) -Низкомолекулярный каучук ПДИ-1 К- ТУЗ8.103342-88 (содержит концевые гидроксильные группы, его получают сополимеризацией дивинила и изопрена), (содержание ЭЧ 0.7-1.1%). • Отверждающие системы

Для отверждения реакционноспособных олигомеров применяли

отвердители и инициаторы отверждения. Наибольшее применение в

практике переработки эпоксидных композиций имеют аминные ("холодного"

отверждения) и ангидридные ("горячего" отверждения) отвердители.

- Отвердитель "холодного" отверждения- диэтилентриаминометилфенол (УП-583Д), сочетающий в строении алифатические и ароматические фрагменты, является продуктом конденсации диэтилентриамина с фенолом и формальдегидом, ТУ 6-05-241-331-82.

- Отвердители "горячего" отверждения: триэтаноламинотитанат (ТЭАТ), линейного алифатического строения, является продуктом переэтэрификации тетрабутоксититана триэтаноламином, МРТУ 6-09-74-62 и изо-метилтетрагидрофталевый ангидрид (изо-МТГФА), циклоалифатического строения, ТУ 6-09-3321-73.

- Отвердитель-ускоритель: трис(диметиламинометил)фенол (УП-606/2) -ТУ6-0020. 9365.18-95.

Методы исследований:

- Термомеханический анализ (ТМА) полимеров осуществляли на автоматической установке в условиях одноосного сжатия при напряжении 6 МПа и скорости подъема температуры 1К/мин. Из данных ТМА находили температуру стеклования (Тс) и характеристики технологичности полимера при изготовлении муфт: температуру перехода в высокоэластичное состояние (Твэ), температуру деформирования (Тд), деформацию в высокоэластичном состоянии (ев), эффективную плотность узлов полимерной сетки

- Золь-гель анализ проводили экстрагированием растворимых в ацетоне и хлороформе соединений, в аппарате Сокслета.

- Динамическую вязкость определяли на реовискозиметре Гепплера при 20°С, согласно инструкции прибора.

- Время гелеобразования (по обрыву нити).

- Методом ЯМР релаксации определяли подвижность элементов сетчатых ЭП при частоте резонанса на протонах 19 МГц.

- Испытания клеевых соединений на сдвиг выполняли по ГОСТ 14759-69, на равномерный отрыв по ГОСТ 14760-69.

- Для определения жескостных и прочностных характеристик полимерных муфт изготовлено устройство для испытания трубчатых образцов внутренним радиальным давлением и осевой сжимающей силой (рис.1). На изготовленном устройстве индикаторы часового типа устанавливались в продольном и радиальном направлениях, а в качестве несжимаемой среды использовали резиновые кольца.

Рис.1. Устройство для испытания трубчатых образцов внутренним радиальным давлением и осевой сжимающей силой:

1 - верхний фланец, 2 - нижний фланец, 3 - полимерная муфта, 4 - кронштейн, 5-индикатор часового типа (измерение продольных деформаций), 6 - индикатор часового типа (измерение окружных деформаций), 7 - упор, 8 - несжимаемая среда (резиновые кольца), 9 - цилиндрические поршни, 10-металлический шарик.

Данные физико-механических испытаний обрабатывали с использованием программного комплекса Statgrafica.

В третьей главе изложены результаты разработки и исследования рецептур для изготовления ТУМ, условий их изготовления на стадиях заливки и дорнирования.

При разработке полимерных композиций исследовано более 80 вариантов составов на основе эпоксидиановых олигомеров, эпоксикаучуков и отвердителей различного строения. В рассмотренных композициях содержание ЭК изменяли от 10 до 70%, что позволило модифицировать свойства полученных ЭП, изменять молекулярную массу сегмента (Мс) от 800 до 8200 кг/к моль.

Установлено, что стабильный эффект термоусадки обеспечивается при содержании в жесткой матрице 15-25% ЭК, при значениях молекулярных масс эпоксиполимеров в интервале 1200-1900кг/к моль.

Для получения качественных полимерных муфт усовершенствована конструкция и изготовлена полностью разборная пресс-форма, в которой

муфта отверждается в кольцевом зазоре по заданному технологическому режиму (рис.2).

После отверждения композиции и охлаждения полимерной муфты ниже температуры стеклования (Тс) форму разбирали и муфту снимали с сердечника при помощи гидравлического пресса и специальной трубчатой оправки (втулки).

тш

1-стакан

2-сердечник

1 3-нижняя крышка

4-верхняя крышка

5-отверстие для

заливки

б-полимерная

- композиция

7-крепежный винт

Рис.2. Разборная пресс-форма

Рис. 3. Оснастка для придания муфте эффекта "памяти формы" 1-опорная плита, 2-дорн, 3-втулка, 4-полимерная муфта

Для придания муфте эффекта "памяти формы',' использовали оснастку (рис.За), позволяющую осуществить процесс ее деформирования (раздачи) с увеличением диаметра внутренний диаметр заготовки до

деформирования, -после деформирования). Деформирование выполняли следующим образом: нагретую до температуры >ТС муфту одевали на утолщенную часть дорна, а съем деформированной муфты, после снижения температуры производили путем перемещения дорна относительно

опорной плиты (рис.Зб).

В результате имели возможность задавать процент деформации, что достигалось варьированием диаметров дорнов.

Для определения возможности эксплуатации соединения в зависимости от температуры окружающей и транспортируемой среды, были определены значения Тс в зависимости от содержания ЭК и видов отвердителей (рис.4а). Как видно, с увеличением содержания каучука Тс монотонно убывает. Максимальные значения Тс получены в ряду каучуков ПДИ-1К, ПДИ-ЗА и ПЭФ-ЗАГ. В ряду отвердителей наибольшее значение Тс получено на изо-МТГФА. Применение выбранных ЭК и отвердителей позволяет варьировать полимеров в достаточно широком температурном интервале от 60 до 125°С.

Для определения упруго-деформационных свойств, необходимых для реализации технологии дорнирования, определяли степень деформации муфт в высокоэластическом состоянии (рис.4б).

Оптимальные значения деформаций, при которых наиболее надежно осуществляется процесс изготовления ТУМ, имеют значения 15-25%. На представленных кривых наглядно прослежена зависимость % деформации от содержания ЭК.

Для отвердителя изо-МТГФА характерны большие значения деформации, чем для 2-х других отвердителей (при равных количествах ЭК). Максимальное значение % деформации обеспечивается применением ПДИ-ЗА.

Рис.4. Зависимости Тс, £ от содержания каучука и видов отвердителей: 1 - ПДИ-1К, 2 - ПДИ-ЗА, 3 - ПЭФ-ЗАГ

На основе экспериментальных данных получены зависимости

(рис.5) и уравнения регрессии для расчета модулей упругости (табл.1).

Как видно, с увеличением содержания ЭК значения монотонно

убывают. Наибольшие значения Еу получены на отвердителе изо-МТГФА.

Рис.5. Зависимости Еу от содержания ПЭФ-ЗАГ и вида отвердителя: 1-модель, 2-95% уровень доверия, 3- ошибка оценки

Таблица 1

Уравнения регрессии полимерных муфт

№ Вид Уравнение, описывающее зависимость Адекватность

отвердителя Еу от количества каучука (К) модели, %

1 Изо-МТГФА Е,=4,3865+0,00456«К -0,000624.К' 98,35

2 ТЭАТ Еу=3,817+0,00132.К -0,0005931.К-1 97,02

3 УП583Д Е,=3 Л1 +0,00677.К-0,000759.К' 99,60

К-содержание ЭК в композиции (м.ч.).

Учитывая характер нагружения изучаемых конструкций ТП, определены разрушающие напряжения полимерных муфт (ПМ) при нагружении их внутренним радиальным давлением (табл.2).

Таблица 2

Зависимость разрушающего напряжения полимерных муфт от состава композиций (каучук и отвердитсль)

Содержание Тип отвердителя

№ каучука Изо-МТГФА ТЭАТ УП-583Д

образца ПЭФ-ЗАГ, разрушающее напряжение

С,мас.ч. О"- , МПа

1 0 91.8 82.2 73.6

2 10 87.9 79.5 65.7

3 20 80.1 77.3 55.3

4 30 71.1 68.0 45.7

5 40 58.3 49.9 30.7

6 50 47.9 33.3 20.9

7 60 25.0 16.5 15.9

8 70 * * 13.7

* - для отвердителей изо-МТГФА и ТЭАТ при содержании каучука к 70м.ч. происходит потеря формоустойчивости.

Видно, что для всех видов рассмотренных отвердителей изменение происходит монотонно с увеличением содержания каучука.

На основании экспериментальных данных (табл.2) получены зависимости от содержания каучука, описываемые уравнениями регрессии (табл.3).

Таблица 3

Уравнения регрессии для полимерных муфт на различных отвердителях

№ Вид отвердителя Уравнение, описывающее зависимость а, от количества каучука (К) Адекватность модели, %

1 Изо-МТГФА о-у =91,499-0,252.К -0,013 7.К 2 98,13

2 ТЭАТ сг,=82,479+0,016.К-0.019.К 2 99,35

3 УП583-Д <тг=76^8-1,278.К +0.0048.К2 99,18

Для сравнения уровня прочности при осевом сжатии испытаны муфты-аналоги (Украина) и разработанные ЭК муфты, содержащие 80м.ч. эпоксидной смолы, 20м.ч. эпоксикаучука и 15м.ч. отвердителя ТЭАТ, для которых определено среднее разрушающее напряжение:

атср =(103.36;+0.08)МПа, что превышает значения <уср для муфт-аналогов «

на 20%.

Для исследования процесса термоусадки на основе экспериментальных данных построена зависимость относительного увеличения внутреннего диаметра заготовки Дс1/с!0 (Лё = с!|- с!о, где ^-внутренний диаметр заготовки до деформирования, d1-после деформирования) от внутреннего диаметра муфты D (рис.6).

4 в 12 16 20 24

Рис.6.3ависимость относительного увеличения внутреннего диаметра заготовки ДсШо от внутреннего диаметра муфты Э

При задаваемом технологическом зазоре 2мм по диаметру изготовление муфт дорнированием возможно осуществить до диаметра 100110мм. Таким образом, эксплуатационные характеристики термоусаживающихся муфт из ЭП зависят не только от состава выбранной композиции, но и от размера муфты, т.е. имеет место масштабный фактор.

Проведены исследования по определению продолжительности усадки полимерных муфт при температуре 100 и 110°С (рис.7). По результатам экспериментов установлено, что время усадки муфты составляет 18-20 мин. (в зависимости от муфты).

Рис.7. Зависимость усадки £ (%) от времени термообработки Для исследования влияния дорнирования на свойства полимерных муфт проведена оценка напряженно-деформированного состояния (НДС) муфт, определены полимерных муфт.

Таблица4

Прочностные характеристики полимерных муфт *

Полученные экспериментальные данные (табл.4) свидетельствуют о том, что муфты после дорнирования находятся в НДС, которое полностью исчезает после усадки.

В результате исследований выбран состав на основе ПЭФ-ЗАГ (табл.5). Выбор данного эпоксикаучука обусловлен тем, что при близких технических характеристиках с ПДИ-ЗА, ПДИ-1К он регулярно выпускается в промышленных масштабах (ПО "Завод СК", г.Казань). Установлено, что наиболее надежно и качественно (без разрушения муфт) процесс дорнирования протекает при содержаниях ЭК от 15 до 25м.ч. в зависимости от вида отвердителя. С учетом меньшей стоимости исходных материалов (ЭД-20 и ЭК), затрат на изготовление муфт, удалось сократить их себестоимость в 1,5-1,75 раза (в зависимости от вида используемого отвердителя). Характеристики оптимальных составов представлены в табл.5.

Состав композиций и свойства полимеоных МУЛТ Таблица 5

Прим«* «ммм Свети «жшииия! Ргак отаерсцепп •С ПС СмЯетм

ЭД1» УОЗД Т5аТ и» «П-ф* ВЭФ-МГ Р «г/«/ Ем Мм М> ■АЧш X •с 1г мш*. Т, •с улрутепм эыотошж, *

1 85 25,И 15 18*С24ч. 1038,89 VI 1398.14 95 18 100-105 25

г 80 24,08 20 18*0244. 1038*34 1.42 1466,Л 94 18 100-105 15

3* 75 23,14 25 18"£У4г 1038.16 7,91 1597,64 И 18 100 не разрушалась

4 90 15 10 1204^1 1142,13 833 1470.55 101 20 100 50

5 85 15 15 12<КУг 1141,64 7,94 1548,12 100 20 100 15

6* 80 15 20 120*04. 1141,02 7.82 1601,88 99 20 100 вериругалась

7 И (5 5 80*С, 1ч * 121ГСУЧ. 1049,84 «,92 1518,40 110 20 107 50

1 90 и 10 1048,34 8,39 1564.92 107 20 105 15

9* а 65 И 1047,71 «,04 1618,42 105 20 105 не разрушалась

* - оптимальные составы композиций

Таким образом, результаты выполненных исследований позволили определить зависимости и получить уравнения регрессии от

химического состава композиции, определить условия, при которых возможно осуществление дорнирования, определить время усадки и влияние дорнирования на свойства ПМ муфт. На основании проведенных исследований определены оптимальные составы для изготовления ТУМ.

В четвертой главе выполнены экспериментальные исследования прочности муфто-клеевых соединений.

Для оценки прочностных характеристик клеевого шва в муфто-клеевом соединении (МКС) из различных материалов изготовлены образцы (рис.8) из стали, чугуна, дюралюминия и бронзы, в которых концы трубных заготовок выполняли на 1/3 длины с закрытыми полостями (глухими).

Рис 8 Схема муфто-клеевого соединения в сборе 1 - трубчатые оправки, 2 - ТУМ, 3 - клеевая прослойка

Для выяснения влияния материалов труб (субстратов), способов обработки их поверхностей и типов используемых клеев определены средние значения разрушающих напряжений при сдвиге (г,).

Рассмотрено два варианта клея: выбранный нами серийно выпускаемый одноупаковочный клей УП16-06 и опытный Украинский клей с муфтами (патент РФ №2141600, БИ №32, 1999г) и новые разработанные -ЭК муфты. Как видно, в зависимости от склеиваемых субстратов (рис.9) разрушающие напряжения различны: разработанных муфт на клее (пат. РФ №2141600, БИ №32, 1999г.) превышают значения муфт и клея аналога На клее УП 16-06 значения разрушающих напряжений превышают значения клея-аналога для всех рассмотренных субстратов.

Таким образом, у разработанных ЭП муфт уровень разрушающих напряжений не уступает аналогу и достигнут на серийно выпускаемом одноупаковочном клее.

Рис 9 Зависимости разрушающих напряжений при сдвиге ( Г,) от вида муфт, клеев и

склеиваемых материалов

£3 - Муфта (опытный образец клея по пат РФ №2141600, БИ №32,1999г) В - Муфта ЭК (клей УП 16 06)

□ - Муфта ЭК (клей по пат. РФ №2141600, БИ №32,1999г)

С целью повышения прочности МКС, надежности в процессе эксплуатации, обеспечения технологических удобств соединения (наличие зазоров между соединяемыми трубами, предупреждения выдавливания клея в рабочее пространство трубы и пр.) предложен и запатентован способ неразъемного соединения труб (рис.10).

\4

Рис.10. Схема неразъемного соединения труб: 1,2 - концы соединяемых труб, 3 втулка, 4 — полимерная муфта

стеклоиластиковая

Особенностью данного соединения является то, что внутри труб, в месте их соединения, устанавливается центрирующая втулка длиной 1,1-1,5 длины ТУМ, изготовленная навивкой псевдоленты в виде жгута стекловолокна при угле 5-10° между жгутом и образующей втулки.

По результатам гидравлических испытаний, данный способ позволил увеличить прочность «38% (13 МПа против 8 МПа у контрольной серии).

Таким образом, проведенные исследования показали возможность увеличения прочности МКС при использовании центрирующей втулки.

В пятой главе на основе известных подходов проведены расчеты МКС (решение задачи проводилось в упругой постановке и по теории предельного равновесия).

На основании численных расчетов получены зависимости геометрических параметров соединения из условия его равнопрочности (рис. 11). Определены оптимальные геометрические размеры ТУМ в зависимости от толщин и механических характеристик труб и различных клеев (рис. 12).

Рис. 11 .Зависимости геометрических размеров ТУМ от видов клеев

Рис.12.3ависимости геометрических размеров ТУМ от толщины и механических характеристик труб

Результаты работы апробированы на предприятиях: ЭПЗ "ВКНИИВОТ", ООО "КОНЕСКО", показано, что технология соединения (ремонта) может применяться для локального ремонта металлических ТП, полиэтиленовых, полипропиленовых, металлопластиковых и разнородных ТП.

Общие выводы

1. На основе термомеханических, физико-механических исследований композиций эпоксикаучуковых олигомеров, отверждаемых аминными и ангидридными отвердителями, показана возможность получения полимерных эпоксидных материалов с широким спектром упруго -деформационных свойств

от 60 до 125°С), позволяющая осуществить разработку термоусаживающихся муфт.

2. С целью выбора состава композиции для ТУМ исследованы зависимости модулей упругости (Еу) и разрушающих напряжений (огу) от содержания каучука и вида отвердителя, получены уравнения регрессии, показано, что наиболее оптимальным является соотношение эпоксидиановых олигомеров к эпоксикаучукам 75-85 : 25-15м,ч. в зависимости от выбранных отвердителей.

3. Установлено, что стабильный эффект термоусадки обеспечивается при содержании в жесткой матрице 15-25% эпоксикаучуков, при значениях молекулярных масс (Мс) эпоксиполимеров в интервале 1200-1900кг/к моль.

4. Исследован процесс термоусадки и установлена зависимость относительного увеличения внутреннего диаметра заготовки Д<Ш0 (Дё =

внутренний диаметр заготовки до деформирования, -после деформирования) от внутреннего диаметра муфты, определена зависимость усадки от времени термообработки и установлено, что

в течение 18-20мин. происходит полная релаксация (термоусадка) муфты.

5. Проведены экспериментальные исследования по оценке влияния деформирования на жесткостные показатели на стадии изготовления ТУМ: до и после дорнирования, а также после усадки

(релаксации). Полученные данные свидетельствуют о том, что муфты после дорнирования переходят в напряженно-деформируемое состояние, которое полностью исчезает после усадки.

6. Выполнены исследования прочности разрушающих напряжений при сдвиге муфто-клеевых соединений, определено влияние материалов труб, способов обработки их поверхностей и типов используемых клеев, разработан и запатентован способ неразъемного соединения труб, позволивший увеличить прочность соединения »на 38%.

7. Разработана конструкция полностью разборной формы для получения литых муфт, отверждаемых ЭК композиций в заданном кольцевом зазоре и определена технология изготовления литых муфт, их деформирования -"дорнирования" для придания эффекта "памяти формы".

8. Выполнены расчеты по теории предельного равновесия. На основании исследований получены зависимости геометрических параметров соединения из условия его равнопрочности. Определены оптимальные геометрические размеры ТУМ в зависимости от видов и геометрических размеров склеиваемых материалов, видов клеев.

9. Результаты работы апробированы на предприятиях: ЭПЗ "ВКНИИВОТ" и ООО "КОНЕСКО" и показано, что технология соединения (ремонта) перспективна и может применяться на предприятиях для локального ремонта трубопроводов.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих

работах:

1. Страхов Д.Е. Технологическая оснастка для изготовления и испытания муфто-клеевых соединений труб из полимерных и разнородных материалов./ Материалы пятьдесят третьей республиканской научной конференции. Сборник научных трудов студентов и аспирантов.-Казань. -2001.-С.81-85.

2. Страхов ДЕ. Совершенствование технологической оснастки для изготовления и испытания муфто-клеевых соединений труб из полимерных и разнородных материалов/ Материалы пятьдесят четвертой республиканской научной конференции. Сборник научных трудов студентов и аспирантов.-Казань.-2002.-С.81-84.

3. Страхов Д.Е. Исследование механических характеристик полимерных муфт./ Материалы пятьдесят пятой республиканской научной конференции. Сборник научных трудов студентов и аспирантов.-Казань. -2003.-С.220-223.

4. Строганов В.Ф., Белошенко В.А., Строганов И.В., Страхов Д.Е. Нетрадиционные строительные технологии при соединении труб и ремонте трубопроводов./ Материалы шестых академических чтений РААСН. Современные проблемы строительного материаловедения. -Иваново.-2000.-С.505-510.

5. Строганов В.Ф., Белошенко В.А., Строганов И.В., Страхов Д.Е. Влияние строения эпоксидных олигомеров на способность отвержденных

полимеров к усадке./Тез. докл. Седьмая международная конференция по химии и физикохимии олигомеров.- Москва-Пермь-Черноголовка, 2000.-С.235.

6. Алексеев К.П., Страхов Д.Е., Строганов И.В. Напряжения в муфто клеевых соединениях./ Материалы пятьдесят второй республиканской научной конференции. -Казань.-2000.-С.93-98.

7. Страхов Д.Е., Строганов- И.В., Строганов В.Ф., Алексеев К.П. Композиционные материалы для соединения труб методом термоусадки./ Тез. докл. Синтез, исследование свойств, модификация и переработка высокомолекулярных соединений. - Казань, 2001.-С.76.

8. Страхов Д.Е., Строганов И.В. Разработка методик и устройств для испытаний муфто-клеевых композитных материалов./ Тез. докл. Четвертая научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов республики Татарстан. - Казань. -2001г. С. 178.

9. Строганов В.Ф., Алексеев К.П., Строганов И.В., Страхов Д.Е. Муфто-клеевые соединения трубопроводов// Изв. ВУЗов «Строительство».2002.-№6.-С.135-140.

Ю.Строганов В.Ф., Строганов- И.В., Страхов Д.Е., Алексеев К.П. Композиционное соединение стеклопластиковых труб

термоусаживающимися реактопластами/ Тез.докл. XXII межд. н-практ. конф. "Композиционные материалы в промышленности". - Украина, Ялта, Укр. Инф. центр. 2002 г. - С. 114.

П.Алексеев К.П., Строганов В.Ф., Страхов Д.Е., Строганов И.В. Установка для испытания муфтоклеевых соединений // Материалы XIV Всеросийской межвузовской научно-технической конференции/ Внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика, экология. - Казань, Изд. "Унипресс", 2002.-С.212-214.

12.Строганов В.Ф., Страхов Д.Е., Строганов И.В., Алексеев К.П., Белошенко В.А. Термоусаживающиеся реактопласты на основе эпоксикаучуковых олигомеров. Тез. докл. Восьмой межд. конф. по хим. и физикохим. олигомеров. "Олигомеры-2002". - Москва - Черноголовка. 2002г. - С.276.

13 .Алексеев К.П., Строганов В.Ф., Страхов Д.Е. Экспериментальное исследование механических характеристик муфто-клеевых соединений трубопроводов термоусаживающимися муфтами из термореактивных материалов //Проблемы прочности и пластичности.- Нижний Новгород, 2ОО2.-вып.64,С.138-142.

Н.Артюхин Ю.П., Алексеев К.П., Страхов Д.Е. Расчет и экспериментальное исследование клеевого соединения трубопроводов при сдвиге./ Наука и практика. Диалоги нового века. - Н.Челны.- 2003.-С.290-291.

15.Строганов В.Ф., Артюхин Ю.П., Алексеев К.П., Страхов Д.Е., Строганов И.В. Исследование свойств термоусаживающихся муфт в зависимости от вида отвердителей, режимов отверждения и расчет клеевых соединений металлических трубопроводов при сдвиге./ Международный конгресс. Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии. - Белгород.- 2003.-С.441-444.

16.Строганов В.Ф., Белошенко В, Алексеев К.П., Борзенко А.П., Е

неразъемного соединения труб. П] П.Строганов В.Ф., ' Страхов Д.Е!

Хакимов А.М. Физико-механи

I

релаксация в эпоксидных полиме молекулярных систем.- Казань ~ С.288.

18.Строганов В.Ф., Страхов ДЕ., Стр^

для изготовления термоусаживающихся №2003105761/04/от 27.02.2003г.

РНБ Русский фонд

2004-4 26712

муфт. Заявка на патент РФ

Корректура автора

Подписано в печать

Заказ Печать RISO

Тираж 100 экз. Бумага тип. №1

Формат 60 84/16 Обьем 1.0усл.-печ.л.

Печатно-множительный отдел КГАСА 420043, Казань, Зеленая, 1

Условные обозначения и сокращения.

Введение.

Литературный обзор.

1. Состояние проблемы эксплуатации трубопроводов и постановка задачи исследования.

1.1. Традиции и тенденции развития технологий соединения трубопроводов.

1.2. Материалы и типы соединяемых трубопроводов.

1.3. Способы соединения трубопроводов.

1.3.1. Механические способы соединения трубопроводов.

1.3.2. Клеевые способы соединения трубопроводов.

1.4. Способы соединения трубопроводов с использованием термоусаживающихся муфт.

1.5. Прочность и надежность конструкций соединений трубопроводов.

Актуальность темы. Одним из важнейших факторов в обеспечении экономического и социального развития стран является наличие и эффективное использование энергоносителей. К основным задачам, обуславливающим реализацию этих требований, прежде всего относятся вопросы организации учета их расхода, транспортировки, эксплуатации инженерных и энергетических систем, а также использование ресурсосберегающих технологий.

В процессе эксплуатации трубопроводов (111) весьма актуальной является задача соединения и восстановления (ремонта) поврежденных участков. Для полиэтиленовых, полипропиленовых ТП широко применяются термоусаживающиеся муфты и фитинги из термопластов. Однако они не могут применяться в случае реактопластов и других материалов, что обуславливает необходимость применения других надежных и эффективных технологий соединения ТП.

Из ряда известных технологических решений наиболее актуально применение клеевых технологий для соединения чугунных, пластмассовых, керамических, стеклянных и разнородных ТП.

Широкое использование клеев в авиа-, ракето-, судо- и приборостроении, нефтегазовой отрасли, строительстве и других областях техники объясняется рядом существенных преимуществ использования клеевых технологий перед традиционными способами соединения. Главное из них - возможность создания надежных, длительно и эффективно работающих в сложных условиях эксплуатации силовых соединений современных конструкций. Однако весьма сложны в технологическом исполнении соединения труб из разнородных материалов, их разработка весьма актуальна. Одним из наиболее технологичных и конструкционных решений этой проблемы является использование термоусаживающихся муфт (ТУМ) из реактопластов. Это применение обусловлено уникальным комплексом ценных технологических и эксплуатационных свойств эпоксидных реагентов: высокая адгезия ко многим материалам, малая усадка в процессе отверждения, хорошие электроизоляционные свойства, химическая стойкость, высокая прочность и малая ползучесть под нагрузкой.

Цель работы: Разработка эффективных способов соединений ТП из разнородных материалов.

Научная новизна работы:

Разработаны и исследованы новые эпоксикаучуковые композиции для получения термоусаживающихся муфт с эффектом "памяти формы" и оптимизированы их составы.

Исследовано влияние дорнирования на свойства полимерных материалов, проведена оценка напряженно-деформированного состояния муфт, а также получены зависимости геометрических параметров (толщина и длина) муфты из условия равнопрочности муфто-клеевого соединения.

Разработан новый способ и технология получения неразъемных соединений труб: термоусаживающаяся муфта с центрирующей стеклопластиковой втулкой.

Практическая значимость работы:

Разработана клеевая технология соединения разнородных ТП с применением ТУМ из реактопластов.

Разработана методика испытания полимерных муфт.

Разработана Инструкция по применению созданных материалов и их апробирование в производственных условиях.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографии - 114 наименований. Изложена на 131 стр. текста, 15 таблиц, 31 рисунок.

9. Результаты работы апробированы на предприятиях: ЭПЗ "ВКНИИВОТ" и ООО "КОНЕСКО" и показано, что технология соединения (ремонта) перспективна и может применяться на предприятиях для локального ремонта трубопроводов.

1.6 Заключение

Анализ литературных данных по способам соединений ТП позволяет сделать вывод о перспективности выбранного направления исследований -использовании подвижных гладких муфт, обладающих свойством термоусаживаться для получения надежных соединений ТП из различных материалов.

Кроме того, данные по композиционным материалам для получения ТУМ из термо- и реактопластов позволяют также сделать вывод о перспективности - модификации эпоксидных полимеров композициями на основе эластомеров, например, ЭК для получения требуемых технологических и деформационных свойств полимерных муфт.

Получение ТУМ на основе введения в композицию эпоксикаучуков представляет собой несомненный научный интерес, а применение различных отвердителей открывает новые возможности регулирования свойств ТУМ.

Для достижения целей, поставленных в настоящей работе, необходимо решить ряд задач:

• Осуществить подбор компонентов для создания композиций для получения ТУМ на основе модифицированных эпоксидных композиций с использованием сырьевой базы республики Татарстан.

• Исследовать и определить наиболее эффективные эпоксидные полимеры и клеи для соединения ТП.

• Усовершенствовать остнастку для изготовления полимерных муфт.

• Разработать устройства и остнастку для испытания полимерных муфт.

• Провести комплекс исследований по определению прочностных и деформационных показателей ТУМ.

• Выполнить расчеты соединений с использованием ТУМ, определить оптимальные геометрические размеры муфт, в том числе, исходя из условия равнопрочности соединения труба-муфта.

Глава 2. Объекты и методы исследования

Исходя из поставленных задач, для получения ТУМ в качестве объектов исследования нами выбраны эпоксикаучуковые полимеры, полученные в результате модификации эпоксиднодиановых олигомеров эпоксикаучуками и отвердителями "холодного" и "горячего" отверждения. Выбор обусловлен тем, что эпоксикаучуки имеют молекулярную массу от 1500 до ~10000 и могут выполнять роль эластичных фрагментов в жесткой эпоксидиановой матрице.

Кроме того, при получении изучаемых композиций использовали компоненты, изготовленные в промышленных условиях.

2.1. Характеристики исходных веществ

Итак, в качестве исходных реагентов выбраны: Олигомерные системы

• Эпоксиднодиановые олигомеры (ЭО):

СН2-СН-СН-0 -[ -R-O - СН2- СН - СН2- О - ]п- R - О - СН2 - СН - СН2 \ / I \ / о он о

ЭД22, эпоксидное число (ЭЧ)-23%, ЭД-20 (21.50%), ЭД16 (17.5%) -ГОСТ 10587-84, где: R

СН3 С — — (фрагмент бисфенола А)

СН3

• Эпоксикаучуки (ЭК):

- Олигоэпоксиуретан ПЭФ-ЗАГ -ТУ 38.50302-89 (содержит концевые эпоксидные группы)

О О \ II

CH2-CH-CH2OCNH

Н3С -NHCO-[(CH2)4lnCNH-<^]^> -СН3

HNCOCH2-CH-CH2 II

О о где п=12-17, содержание ЭЧ 9-12%.

Низкомолекулярный каучук: олигодиенэпоксид ПДИ-ЗА -ТУЗ8.103410-85 (содержит концевые эпоксидные группы).

Н Н Н Н О О \- ^

СН3- < ^ "v-NHCO-R-OCNH- < / \ >-СН3 / \

CH2-CH-CH2OCNH Н Н HNCOCH2-CH-CH2 / II II \ / о о о о где: R

- (С4Нб)р- (CsHg)m - (С4Н5)Р (бутадиенизопреновый блок-сополимер) (m= 11-17, р = 24-26)

- Низкомолекулярный каучук ПДИ-1К - ТУ38.103342-88 (содержит концевые гидроксильные группы, его получают сополимеризацией дивинила и изопрена, содержание ЭЧ 0.7-1.1%)

Отверждающие системы

Для отверждения реакционноспособных олигомеров (РСО) применяли отвердители и инициаторы отверждения. Наибольшее применение в практике переработки эпоксидных композиций нашли отвердители: аминные холодного" отверждения) и ангидридные ("горячего" отверждения) [24].

• Отвердители "холодного" отверждения: диэтилентриаминометилфенол (УП583Д) - продукт конденсации диэтилентриамина с фенолом и формальдегидом - ТУ 6-05-241-331-82.

• Отвердители "горячего" отверждения: триэтаноламинотитанат (ТЭАТ) — продукт переэтэрификации тетрабутоксититана триэтаноламином МРТУ 6-09-74-62 и изо-метилтетрагидрофталевый ангидрид (изо-МТГФА) - ТУ 6-09-3321-73.

• Ускорители отверждения: трис(диметиламинометил)фенол (УП-606/2) -ТУ6-0020. 9365.18-95

Субстраты

• Трубы металлические ВСтЗ ГОСТ 380-71

• Трубы чугунные СЧ-15-32 ГОСТ 1412-85

• Трубы алюминиевые Амг2М ГОСТ 4784-74

• Трубы бронзовые ОЦС-6-6-3 ГОСТ 613-79

• Трубы полиэтиленовые ГОСТ Р50838, Р51613

• Трубы полипропиленовые DIN 8077.1997-12

• Трубы стеклопластиковые ТУ 2296-250-24046478-95

• Растворители: ацетон ГОСТ 18188-72 Растворители: 646 ГОСТ 13488-72

2.1.1. Эпоксидные композиции

Исследования проводили на композициях следующего соотношения (в массовых долях): А(1) - И(1) - ЭД-20-ЭК, 90:10 А(И) - И(И) - ЭД-20-ЭК, 80:20 А(Ш) - И(Ш) - ЭД-20 - ЭК, 50:50 A(IV) - И(1У) - ЭД-20 - ЭК, 60:40

Композиции: (A(I-IV), B(I-IV), B(I-IV), Г(ЫУ), Д(ЫУ), E(I-IV), Ж(1-1У), 3(I-IV), H(I-IV), включающие различные отвердители: для A(I).A(IV), Г(1).Г(1У),Ж(1).Ж(1У) - отвердитель УП-583Д; для Б(1).Б(1У), Д(1),. Д(1У), 3(I).3(IV) - отвердитель ТЭАТ; для B(I).B(IV), E(I).E(IV), И(1).И(1У) - отвердитель Изо-МТГФА с ускорителем УП-606/2.

Эти композиции содержат различные эпокси-каучуки: в композициях A(I)-A(IV), Б(1)-Б(1У), B(I)-B(IV) - каучук низкомолекулярный (ПЭФ-3АГ); Г(1) - Г(1У), Д(1)-Д(1У), E(I)-E(IV) - каучук низкомолекулярный (ПДИ-ЗА); Ж(1)-Ж(1У), 3(I)-3(IV), И(1)-И(1У) - каучук низкомолекулярный (ПДИ-1К). Количество отвердителя — стехиометрия. Для композиций:

A(I).A(IV), Г(1).Г(1У), Ж(1).Ж(1У) - режим отверждения 18±5°С - 24 часа; Б(1).Б(ГУ), Д(1),. Д(1У), 3(1).ЗаУ) - режим отверждения 120±5°С - 3 часа; B(I).B(IV), E(I).E(IV), И(1).И(1У) - режим отверждения ступенчатый: 80°С -1час, 120°С -3 часа.

2.2. Методы исследований и испытаний

- Термомеханический анализ (ТМА) [89] полимеров осуществляли на автоматической установке в условиях одноостного сжатия при напряжении 6 МПа и скорости подьема температуры 1 К/мин. Образцы имели цилиндрическую форму с диаметром 10 и высотой 10 мм. Из данных ТМА находили температуру стеклования Тс и характеристики технологичности полимера при изготовлении муфт: температура перехода в высокоэластичное состояние - Тв.э., температуру деформирования - Тд, относительное увеличение внутреннего диаметра заготовки при деформировании - ев , эффективную плотность узлов полимерной сетки Оvc определяли из соотношения [28]:

2 pNa v = ■ с ЗМ. где: р - плотность, Na - число Авогадро, Мс- среднестатическая молекулярная масса цепи между узлами.

Важнейший топологический параметр пространственной сетки - молекулярную массу межузлового фрагмента цепи (Мс )- определяли по формуле Уолла [90]:

Мс -ЪрКГею\а где: р — плотность полимера, т/м ; Т— температура, К; R — газовая постоянная, кДж/(моль-К); £вэ - относительная деформация высокоэластическая; cr = N/S - приложенное к образцу напряжение. Процесс отверждения контролировали по изменению степени превращения функциональных эпоксидных групп (ГОСТ 12497-78); по времени гелеобразования - обрыву нити [91]. золь-гель анализ проводили экстрагированием растворимых в ацетоне и хлороформе соединений, в аппарате Сокслета [92,93].

- Деформационно-прочностные характеристики при сжатии определяли на испытательных машинах 2161 Р-50, J.J.Instruments TSK, при скоростях ползуна машины 1. .5мм/мин.

- динамическую вязкость определяли на реовискозиметре Гепплера при 20°С, согласно инструкции прибора.

- Испытания клеевых соединений на сдвиг ( г, ) выполняли по ГОСТ 1475969, а на равномерный отрыв ( о^ ) по ГОСТ 14760-69.

- ЯМР релаксация изучалась на релаксометре кафедры молекулярной физики КГУ с частотой резонанса на протонах 19 МГц. Измеряли ССИ (спад свободной индукции).

Данные физико-механических испытаний обрабатывали с использованием программного комплекса Statgraflca.

2.2.1.Нестандартные методы исследований

Для определения жесткостных и прочностных характеристик исследуемых термоусаживающихся муфт из эпоксидных полимеров была разработана и изготовлена специальная остнастка и методика испытания их при осевом сжатии и радиальном внутреннем давлении [97-99].

Исследование проводили на гладких муфтах из термореактивного материала, (длина - 63мм, средний диаметр - 50,5мм, толщина - 5мм).

Испытания муфт проводили на установке [100] с использованием оригинального устройства, позволяющего реализовывать приложение осевой сжимающей силы и радиального внутреннего давления, установку индикаторов часового типа как в продольном, так и в радиальном направлении.

Устройство (рис.2.1) выполнено в виде верхнего 1 и нижнего 2 фланцев, которые устанавливаются на торцах испытуемого образца (муфты) 3. На верхнем фланце 1 закреплены четыре кронштейна 4. На верхнем

Рис.2.1. Устройство для испытания трубчатых образцов внутренним давлением. фланце 1 установлены четыре индикатора часового типа 5 для измерения продольных деформаций, а на кронштейнах 4 - индикаторы часового типа 6 для измерения окружных деформаций. На нижнем фланце 2 установлены четыре упора 7, на которые опираются подвижные штоки индикаторов часового типа 5. Внутренняя полость муфты заполняется несжимаемой средой (резиновыми кольцами) 8, которые опираются на цилиндрические поршни 9. Приложение осевой силы осуществляется через шарики 10.

Данное устройство обеспечивает соостность приложения осевой силы, исключает изгибные напряжения и краевой эффект.

Для исключения влияния технологических факторов на разброс жесткостных характеристик одни и те же муфты в упругой области в определенной последовательности испытывались под воздействием однопараметрической нагрузки (осевой сжимающей силы, внутреннего радиального давления) с помощью одних и тех же измерителей деформации 5 и 6 (см.рис.2.1).

При нагружении внутренним давлением муфта 3 не воспринимает осевые нагрузки, в элементе ее стенки создается двухосное напряженное состояние (окружные и радиальные напряжения). Если труба тонкостенная ( h/R <0,1 ), то радиальными напряжениями можно пренебречь [101].

Таким образом, выбранный комплекс исследований позволил нам выполнить исследования ТУМ различных составов и определить модули Юнга, коэффициенты Пуассона, разрушающие напряжения ТУМ при действии внутреннего давления, осевого сжатия, что необходимо для расчета соединений с использованием ТУМ.

Измерительные приборы

• Индикатор часового типа ИЧ 1 ООО ГОСТ 679-68

• Индикатор часового типа ИЧ 10 ГОСТ 577-68

• Динамометр ДОС-01 ГОСТ 5750-58

Динамометр ДОС-1 ГОСТ 9500-60

Штангенциркуль типа Щ по ГОСТ166-89, предел измерений 0-150, 0-400 значение отсчета по нониусу 0,05

Рулетка ГОСТ7502-89 с длинной шкалы 5м - 3-го класса точности Угломер ГОСТ5378-88 Микрометр ГОСТ6507-80

Глава 3. Разработка рецептур, изготовление и исследование термоусаживающихся муфт из эпоксидных полимеров

3.1. Разработка рецептур для получения ТУМ

Для выбора исходных материалов использована конструктивная идея сочетания алифатических и ароматических фрагментов [45] при формировании эпоксидных полимеров, обеспечивающих свойства термоусаживаться [76]. В качестве составляющей, включающей алифатические (эластичные) фрагменты, нами предложен ряд реакционноспособных эпоксикаучуков (разд.2.1.1), так как известно, что введение каучуков в ЭП оказывает существенное влияние на их упруго-деформационные и релаксационные свойства [101-103]. Аналогично были применены отвердители, содержащие ароматические и алифатические фрагменты (разд.2.1.1) [104-107].

Для выбора базовой рецептуры ЭП нами рассмотрены варианты композиций: (A(I-IV), B(I-IV), B(I-IV), Г(1-1У), Д(ЫУ), E(I-IV), Ж(ИУ), 3(1-IV), H(I-IV), отличающихся отвердителями: для А(1).A(IV), Г(1). .Г(1 V), Ж(1).Ж(1У)- отвердитель УП-583Д; для Б(1).Б(1У), Д(1), . Д(1У), 3(I).3(IV) - отвердитель ТЭАТ; для B(I).B(IV), E(I).E(IV), И(1). .И(1У) - отвердитель Изо-МТГФА с ускорителем УП-606/2.

Композиции содержали различные низкомолекулярные эпокси-каучуки: в композициях A(I)-A(IV), Б(1)-Б(1У), B(I)-B(IV) - каучук (ПЭФ-3 АГ); Г(1) - Г(1У), Д(1)-Д(1У), E(I)-E(IV) - каучук (ПДИ-ЗА); Ж(1)-Ж(1У), 3(1)-3(IV), И(1)-И(1У) - каучук (ПДИ-1К).

Для определения строения и свойств полимеров, на основании данных ТМА, определяли уровень физико-механических свойств (табл.3.1): температуру стеклования Тс и характеристики технологичности полимера

Состав и свойства композиций

1. Агапчев В.И. Полимерные клеи для склеивания и ремонта трубопроводов. Томск: ин-т химии нефти СО АН СССР, - 1985. - 56с.

2. Ромейко B.C., Бухин В.Е. и др. Трубы и детали трубопроводов из полимерных материалов/ 2-е изд.,-М.: ТОО"Издательство" ВНИИМП., 2002,-132с.

3. Кардашов Д.А. Конструкционные клеи.-М.;Химия, 1980.-288с.

4. Васильев Ю.С., Мышко В.И. Ремонт трубопроводов из полимерных материалов многослойными термоусаживающимися муфтами.// кн.: Сварка и склеивание изделий из полимерных материалов,-Киев: Ин-т электросварки им. Патона, 1987, с.53-57.

5. Шапиро Г.И., Ехлаков С.В., Абрамов В.В. Пластмассовые трубопроводы. М.: Химия, 1986,-144с.

6. Физико-химия и механика ориентированных стеклопластиков/ Академия наук СССР ин-т. хим. физики/-М., Наука, 1967г.- 264с.

7. Потапов В.Т., Кутин А.Ф. Новая эффективная технология изготовления, монтажа и ремонта электрических и трубопроводных сетей/ Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. №3,2002г. с.32-33.

8. Ю.Дубровкин С.Д., Козлов К.Г., Янишевский А.Н. и др. Монтаж системвнутренней канализации с применением пластмасс/ М.: Стройиздат, 1970. - 168с.

9. П.Позднышев B.C., Фрейдин А.С. Выбор оптимальных конструктивных параметров клеевых соединений трубопроводов. Вестник машиностроения. - М.: Машиностроение, 1981, № I, с.49-51.

10. Шашкин Г.Ф., Чистяков А.И. Склеивание стальных труб при монтаже санитарно-технических систем. М.: Стройиздат, 1962. - 67с.

11. Zap-Lock takes position in field pipeline construction "Oilweck", 1978,v.29, №6, p. 10-11.

12. Van Loo, Robert Henri, Cordia J. M. Assembli and method for joining elonqate substrates. EQ№0240230, 07.10.87r., Bulletin 87/41.

13. A.C. N1833780 РФ. Клеевая композиция и способ соединения полимерных труб / В.Ф.Строганов, В.Н.Савченко, Ю.С. Васильев и др.-Заявл.26.07.90.-выд. 06.12.93.

14. Агапчев В.И. Клеевые соединения промысловых трубопроводов // Нефтяное хозяйство. М.: Недра, 1984, № 7, с.58-60.

15. Востров В.М. Соединение стальных труб эпоксидным клеем // Строительство трубопроводов. М.: Недра, 1963, № 3, с. 17-19.

16. Кершенбаум Я.М., Протасов В.Н. Восстановление нефтепромыслового оборудования клеевыми соединениями. М.: Недра, 1970. - 112с.

17. Васильев В.В., Манец И.Г., Веселовский Р.А. и др. Полимерные композиционные материалы в горном деле.- М.: Недра, 1988. 236с.

18. Сафрончик В.И. Защита подземных трубопроводов антикоррозионными покрытиями. JL: Стройиздат, 1977. - 120с.

19. Черняк К.И. Эпоксидные компаунды и их применение. Л.: Судостроение, 1967.-399с.

20. Ли X., Невилл К. Справочное руководство по эпоксидным смолам (пер. с англ.) под ред. Н.В.Александрова. М,: Энергия, 1973. - 415с.

21. Пакен A.M. Эпоксидные соединения и эпоксидные смолы. (Пер. с нем.) Л.: Госхимиздаг, 1962. - 963с.

22. Энциклопедия полимеров. М.: Советская энциклопедия, - 1977, т.З, с. 983.25.3айцев Ю.С., Кочергин Ю.С., Пактер М.К., Кучер Р.В. Эпоксидные олигомеры и клеевые композиции.- Киев: Наук. Думка, 1990.-c.200.

23. Хозин В.Г. Исследование свойств чистых и модифицированных эпоксидных полимерных материалов/ автореф. На соиск. уч. ст. к.т.н. Казань 1965г.- 26с.

24. Кардашов Д.А. Эпоксидные клеи. М.: Химия, 1973. - 189с. 28.Чернин И.З., Смехов Ф.М., Жердев Ю.В. Эпоксидные полимеры и композиции. - М.: Химия, 1982. - 232с.

25. УДС Украши 2093-92. Смоли эпоксидно-дианов1 неотвердженш. К.: Держстандарт Украши, 1992, - 50с.

26. Соколова Ю.А., Готлиб Е.М. Композиционные материалы на основе модифицированных полимеров.-М.: ЮНИАРТпринт, 2000г.- 200с.31 .Эпоксидные смолы и полимерные материалы на их основе. Каталог. -Черкассы, НИИТЭХИМ. 1989. 55с.

27. Благонравова А.А., Непомнящий А.И. Лаковые эпоксидные смолы. -М.: Химия, 1970. 248с.

28. Строганов В.Ф. Эпоксидные адгезионные материалы на основе модифицированных олигомерных систем /Дисс.докт.хим.наук. Донецк, 1989.-310с.

29. Строганов В.Ф., Степанова И.С., Тынялина И.Б., Журавлева Л.В., Тимофеева Е.А. /Клей для склеивания необезжиренных поверхностей/а.с. 323127, заявл. 02.11.89. выд. 01.02.91.

30. Шодэ Л.Г., Сорокин М.Ф., Глазман Ф.Б. Модификация эпоксидных смол амидами //Лакокрасочные материалы и их применение. 1973.- №б. с. 19-22.

31. Липатов Ю.С. Физическая химия наполненных полимеров. М. Химия, 1977. -304с.

32. Фрейдин А.С. Прочность и долговечность клеевых соединений. М. Химия, 1981. - 272с.

33. Соколова Ю.А., Готлиб Е.М. Новые эффективные строительные материалы./ Сб. Передовой опыт в строительстве Москвы, 1991г., №3-с.1-8.

34. Фрейдин А.С., Турусов Р.А. Свойства и расчет адгезионных соединений. М.: Химия, 1990, -256с.

35. Берлин А.А., Басин В.Е. Основы адгезии полимеров. М.: Химия, 1974. - 392с.

36. Воюцкий С.С. Адгезия // Энциклопедия полимеров. М.: Сов.энцик-лопедия, 1972. - т.1. - с.22- 29.

37. Липатов Ю.С. Коллойдная химия полимеров. Киев: Наук.думка, 1984.- 344с.

38. Липатов Ю.С. Межфазные явления в полимерах. Киев: Наук.думка, 1980. - 260с.

39. Липатов Ю.С., Сергеева Л.М. Адсорбция полимеров. Киев: Наук, думка, 1972. - 196с.

40. Строганов И.В. Химическая модификация эпоксидных полимеров адамантансодержащими соединениями/ Дисс.на соискан. уч. ст. к.т.н. -Казань, 2000.- 147с.

41. Малинский Ю.М. О влиянии твердой поверхности на процессы релаксации и структурообразования в пристенных слоях полимеров // Успехи химии. 1970. - т.39, вып. 8 - с.1511-1530.

42. Рабинович А.Л. Введение в механику армированных полимеров. М.: Наука. 1970. - 482с.480 прочности модельных образцов однонаправленных структур / В.А.Каргин, Ю.М.Малинский, А.Д.Рабинович и др.// Докл. АН СССР. -1964.-т. 157, № 6. с.1434-1437.

43. Салганик P.JI., Малышев Б.М. Применение теории трещин для определения прочности хрупких склеек // Докл. АН СССР. 1965. - т. 160, № 1. - с.91-93.

44. Турусов Р.А., Бабич Б.Ф. Температурные напряжения в полимерах/ Физикохимия и механика ориентированных стеклопластиков. М.: Наука, 1967. - с.155-160.

45. Волосков Г.А., Морозов В.Н., Коврига В.В. Остаточные напряжения и свойства эпоксиполимеров при растяжении и сжатии // Механика композитных материалов. 1986, № 2 - с. 195-200.

46. Бикерман Я.О. Новые представления о прочности адгезионных связей полимеров // Успехи химии. 1972. - т.41, вып. 8. - с.1413-1414.

47. Семенович Г.М., Липатов Ю.С. Структура и свойства граничных слоев полимеров // Физикохимия полимерных систем. Киев: Наук.думка, 1986.-т.1.-. с. 186-221.

48. Н1илдз Дж. Клеящие материалы (Справочник) М.: Машиностроение, 1980. -368с.

49. Гуль В.Е. Структура и прочность полимеров. М.: Химия, 1978.- 327 с.

50. Локшин Р.Ф. Влияние режима нагружения на долговечность сварных соединений трубопроводов из полиэтилена высокой плотности // Сб. Трубопроводы из термопластов. М.: НИИ санитарной техники, 1968. -№25, - 252с.

51. Гринман A.M. Некоторые вопросы расчета полиэтиленовых труб на длительную прочность // Сб. Трубопроводы из термопластов. М.: НИИ санитарной техники, 1968. -№25, - 252с.

52. Локшин Р.Ф. Анализ методов оценки прочности сварных соединений полиэтиленовых трубопроводов систем водоснабжения // Сб. Трубопроводы из термопластов. М.: НИИ санитарной техники, 1968. -№25,-252с.

53. Липатов Ю.С., Шифрин В.В., Фабуляк Ф.С. Молекулярная подвижность на границе раздела полимер-наполнит.// Высокомолек.соед. 1976.- с.767-771.

54. Филипович А.Ю. Влияние твердой поверхности на термодинамические и физико-химические свойства граничных слоев эпоксидных и полиэфирных клеев / Дисс. канд. хим. наук. Киев:ИХВС, 1987. - 149 с.

55. Lipatov Yu., Feinerman A. Adv. Colloid a. Interface Sci.,-1979, vol. 11, №3. p. 195-293.

56. Симонов B.A., Красогин Ю.И. Изв. вузов. Химия и хим.технол., 1967, т. 10. №2, с. 163-167.

57. Физико-химия многокомпонентных полимерных систем, том.1. Наполненные полимеры (под общ. ред. Ю.С.Липатова).-Наук.думка,-к., 1986г.,-376с.

58. Справочник по композиционным материалам: 2-2 кн. (под ред. Дж. Любина, пер. с англ.) .-Машиностроение, 1998г.-448с.

59. Иволгин В.Я. Влияние толщины клеевого слоя на прочность клеевых соединений металлов. // Пластические массы. 1970, № 3, - с. 62-63.

60. Рубенчик С.А. Исследование влияния технологии склеивания

61. Щ' эпоксидными клеями на прочность клеевых соединений стали /

62. Автореф.дисс. канд.техн.наук. М.: МИИЖТ, 1968. - 27 с.

63. Каган Д.Ф. Трубопроводы из пластмасс. М.: Химия, 1980. - 296 с.

64. Патент Великобритании №2235740 F 16L 13/30 РЖ ВИНИТИ, 45, Трубопроводный транспорт, №1,1992, реф. 1.45.122П.

65. Патент ЕПВ №042657, В 29 С 61/06.ИСМ № 5, 1992г.

66. Патент Японии №58-193122, В 29 С 27/02 (РЖ Химия, реф. 22Т1174П-t 1984г.).

67. Бшошенко В.О.,Строганов В.Ф., Шелудченко B.I. / Cnoci6 одержания вироб1в термоусадою/ патент Укр. №10299, бюл.№4, 1996г.

68. Строганов В.Ф., Бшошенко В.О., Шелудченко B.I. / Cnoci6 з'единання пол1мерних труб/ патент Укр. №10298, бюл.№4, 1996г.

69. Строганов В.Ф., Шелудченко В.И., Амосова Э.В. /Способ муфтоклеевого соединения труб, эпоксидная композиция для изготовления соеденительных элементов и способ их изготовления/ патент RU 2141600 С1 / бюл. №32, 1999г.

70. Шелудченко В.И. Способы повышения эффективности эксплуатации газотранспортных систем и ресурсосберегающие технологии теплогазоснабжения./ Автореф. дис. на соискание уч. ст. д.т.н. -Макеевка.-1999.-36с.

71. Белошенко В.А. Структурная модификация полимеров и полимерных композитов, индуцированная высоким давлением. Дис.нау соиск.уч.степени д.т.н.- Донецк.-1996.-431 с.81 .Патент США № 4692499, кл. С 08 L 63/00, 525/524.

72. А.С. СССР №1346646, кл. С 08 L 63/100.

73. Справочник по пластическим массам. Под ред. В.М. Катаева, изд. 2-е, М.: Химия, 1975г., т.2,568с.

74. Черняк К.И. Неметаллические материалы в судовой электро- и радиотехнической аппаратуре. Справочник, JL: Судостроение, 1970,* 560с.

75. Свойства и применение эпоксидных смол на основе диглицидиловых эфиров. Экспресс-информация. Синтетические высокополимерные материалы/М.: НИИТехим № 11, 1974, с.39-44.

76. Алфутов Н.А., Зиновьев П.А., Попов Б.Г. Расчет многослойных пластин и оболочек из композиционных материалов. М.: Машиностроение, 1977. 144с.

77. Соглова Т.И. Термомеханическое исследование // Энциклопедия полимеров.-М. :Сов.энциклопедия, 1977,-т.З .-с.619-623.

78. Ван Кревелен Д.В. Свойства и химическое строение полимеров (Голландия), 1972/ Пер. с англ. Под ред. А.Я.Малкина.-М.: Химия, 1976.-416С.

79. Калинина JI.C., Моторина М.А., Никитина Н.Н., Хачапуридзе Н.А. Анализ поликонденсационных полимеров.-М.: Химия, 1984.-296с.

80. Иржак В.И., Розенберг Б.А., Ениколопян Н.С. Сетчатые полимеры (синтез, структура, свойства).-М.: Наука, 1979.-248с.

81. Рабек Я. Экспериментальные методы в химии полимеров.-М.: Мир, 1983.-ч. 1.-384с.

82. Boyer R.F. Order in the amorphous state of polymers.-NY:Plenum Press, 1987.-P.135-185.

83. Greassley W.W., Edwards S.F. Entanglement interactions in polymers and the chain contour concentration//Polymer.-1981 .-V.22,N.-P. 1329-1334.

84. Cross A., Haward R.N. Orientation hardening of PVC//Polymer.-1987.-V. 19,N6.-P.677-682.

85. Страхов Д.Е. Технологическая оснастка для изготовления и испытания муфто-клеевых соединений труб из полимерных и разнородныхматериалов./ Матер, пятьдесят третьей республ. науч. конф. Сб. науч. тр. студ. и асп.-Казань.-2001.-с81-85.

86. Страхов Д.Е., Строганов И.В. Разработка методик и устройств для испытаний муфто-клеевых композитных материалов./ Четвертая науч.-практ. конф. молод, уч. и спец. республ. Татарстан. Тезисы докладов. -Казань. -2001г. с. 178.

87. Кадырмятова Ф.М., Готлиб Е.М., Соколова Ю.А. и др. Об особенностях модифицирующего эффекта реакционно способных эпоксиуретановых олигомеров./ Высокомолек. соед. том.23б, №4, 1981г.-с.311-313.

88. Готлиб Е.М., Кисилева Р.С., Соколова Ю.А., Воскресенский В.А. Изучение динамических, механических свойств эпоксиполисульфидных компаундов. Изв.Вузов химия и хим. технология/ т. 18 вып.8,1975г.,-с. 1270-1273.

89. Готлиб Е.М., Кисилева Р.С., Соколова Ю.А., Воскресенский В.А. Новые эпоксибутадиенакрильные клеящие материалы./ Изв.Вузов №10, 1978г.-с.87-90.

90. Строганов В.Ф., Страхов Д.Е., Строганов И.В., Алексеев К.П. Композиция для изготовления термоусаживающихся муфт. Заявка на патент РФ №2003105761/04/от 27.02.2003г.

91. Страхов Д.Е., Строганов И.В., Строганов В.Ф., Алексеев К.П. Композиционные материалы для соединения труб методом термоусадки./ Тез. докл. Синтез, исследование свойств, модификация и переработка высокомолекул. соединений. Казань, 2001.-c.76.

92. Страхов Д.Е. Исследование механических характеристик полимерных муфт./ Матер, пятьдесят пятой республ. науч. конф. Сб. науч.труд. студ. и асп.-Казань.-2003.-с.220-223.

93. Алексеев К.П., Страхов Д.Е., Строганов И.В. Напряжения в муфто клеевых соединениях./ Матер, пятьдесят второй республ. науч. конф. Казань. - 2000. -с.93-98.

94. Росато Д.В., Грове К.С. Намотка стеклонитью. Перевод с английского под ред. В.А.Гречишкина.-М.: Машиностроение, 1969. -с.237-291.

95. ИЗ. Артюхин Ю.П., Алексеев К.П., Страхов Д.Е. Расчет и экспериментальное исследование клеевого соединения трубопроводов при сдвиге./ Наука и практика. Диалоги нового века. Н.Челны.- 2003.-с.290-291.