автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.06, диссертация на тему:Разработка технологии производства напорных полиэтиленовых труб большого диаметра, армированных сетками из стекловолокна

На правах рукописи

БИСЕРОВА НАТАЛЬЯ ВИКТОРОВНА

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА НАПОРНЫХ ПОЛИЭТИЛЕНОВЫХ ТРУБ БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА, АРМИРОВАННЫХ СЕТКАМИ ИЗ СТЕКЛОВОЛОКНА.

05.17.06 - Технология и переработка полимеров и композитов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

О 5 СЕН 2013

005532635

Москва -2013

005532635

Работа выполнена на Климовском трубном заводе (ООО «Группа ПОЛИПЛАСТИК»).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Коврига Владислав Витальевич Директор по науке и развитию ООО "Группа Полимертепло". Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Абрамов Всеволод Васильевич Заместитель генерального директора ООО "Пластлит", доктор технических наук, доцент Рыбалко Вера Павловна Учебно-производственный центр «Полимер» Российского химико-технологического университета имени Д. И. Менделеева. Ведущая организация: Межотраслевой институт переработки пластмасс -НПО «Пластик»

Защита состоится «2» октября 2013 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.204.01 в Российском химико-технологическом университете имени Д. И. Менделеева по адресу: г.Москва, Миусская пл, д.9, в конференц-зале университета (ауд.443). С диссертацией можно ознакомиться в Научно-информационном центре РХТУ имени Д. И. Менделеева.

Автореферат диссертации разослан « » СУ 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета Д 212.204.01

Будницкий Юрий Михайлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность.

В последнее время наблюдается тенденция создания напорных полимерных труб больших диаметров. Освоены в производстве методом прямой экструзии напорные полиэтиленовые трубы диаметром до 1,6 м в России и до 2 м за рубежом. Развивается производство полиэтиленовых безнапорных труб с диаметром до 4 м методом навивки, которые имеют существенные технико-экономические преимущества перед напорными трубами, полученными прямой экструзией. Эти преимущества состоят в том, что безнапорные трубы обладают существенно меньшим весом и высокой кольцевой жёсткостью, позволяющей использовать их для создания коммуникаций при большом заглублении до 6-8 м. Поэтому актуальной задачей является повышение рабочего давления в трубах, получаемых навивкой, что даёт возможность сохранить указанные преимущества и в напорных трубах.

В настоящее время на Климовском трубном заводе работает технологическая линия по производству труб методом навивки диаметром до 2,6 м. Поэтому разработка технологии, обеспечивающей получение на этой линии напорных труб с рабочим давлением до 10 атм за счёт армирования сетками из стекловолокна, была актуальна.

Кроме того, практически важно проверить возможность использования армирующих элементов на основе сеток из стекловолокна для улучшения технических характеристик напорных труб, получаемых прямой экструзией. Цель работы.

Целью данной работы является разработка технологии производства напорных труб, армированных сетками из стекловолокна, с использованием технологических линий производства витых сложнопрофильных труб, а также изучение возможности использования разработанных армирующих элементов для получения труб большого диаметра, полученных прямой экструзией и дополнительно армированных сетками из стекловолокна.

Научная новизна работы.

• Разработана новая методика оценки объёмной податливости армированных труб, позволяющая оценить механизм деформирования и разрушения трубы в осевом и продольном направлениях.

• Показано, что опорный шланг принимает на себя более 30% разрушающего давления.

• Обнаружено, что процесс сопротивления нагружению внутренним давлением имеет три стадии: на первой стадии деформирование характеризуется постепенным низкомодульным нагружением, на второй стадии происходит резкое повышение жёсткости системы за счёт включения в работу армирующей системы при практически постоянной деформации, на третьей стадии происходит пластическое разрушение, при котором развиваются большие деформации без повышения уровня нагрузки.

• Показано, что прочность армированных труб может быть рассчитана по формулам, разработашшм для оценки прочности оребрённых оболочек. Сопоставление расчётных и экспериментальных данных свидетельствует о хорошей сходимости результатов.

• При исследовании влияния перекрытия площадей сетки при намотке показано, что перекрытие более 15% обеспечивает осевую прочность трубы.

• На конструкцию трубы получен патент № 125668 с приоритетом от 21.08.2012г. Практическая значимость работы.

• По результатам работы разработаны исходные данные для проектирования производства напорных труб диаметром до 4 м, армированных сетками из стекловолокна. Исходные данные выполнены в соответствии с требованиями Министерства промышленности, науки и технологии РФ от 30 января 2002 г.

• Разработаны рекомендации по улучшению весовых характеристик напорных трубопроводов полученных методом экструзии с помощью армирования сетками из стекловолокна. Показано, что даже при однослойном армировании удаётся сократить вес трубы до 50%.

• Отработана и внедрена технология изготовления намотных втулок под фланец.

Апробация работы.

Основные материалы, представленные в диссертации, представлялись на следующих конференциях:

• Всероссийский молодёжный конкурс научных работ по теме "Чистая вода", Москва, март 2009 г. Работа получила первую премию.

• Международная конференция КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ» (СЛАВПОЛИКОМ), Ялта, 2011 г.

• Международная научно-техническая конференция "Полимерные композиты и трибология" (Поликомтриб-2013), Гомель, 2013 г.

• Публикации.

По теме диссертации опубликовано 8 статей, в том числе 4 в научных журналах рекомендованных ВАК. Структура и объём диссертации.

Диссертация изложена на 125 страницах и состоит из 7 основных глав: введения, литературного обзора, методической части, экспериментальной части и обсуждения результатов, заключения, выводов, списка литературы и 3 приложений. Работа содержит 58 рисунков, 48 таблиц и 110 литературных ссылок.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ. Во введении обоснована актуальность проблемы армирования труб большого диаметра.

Глава 1. Литературный обзор.

Проведён анализ опубликованных в литературе работ, касающихся технологии производства труб больших диаметров в безнапорном и напорном исполнении, и материалов, применяемых для их изготовления. Подробно рассмотрены вопросы производства труб, изготовленных методом спиральной навивки.

Рассмотрение работ показало, что:

• Существует устойчивая тенденция создания технологических процессов армирования полимерных труб большого диаметра с целью повышения уровня рабочего давления.

• Отсутствует описание процессов армирования труб сетками, что позволяет выполнить патентночистую разработку. Глава 2. Объекты и методы исследования.

Для изготовления труб и соединительных деталей применялись композиции полиэтилена высокой плотности, свойства которых приведены в таблице 1.

Таблица 1. Свойства композиций из полиэтилена

Свойства ПЭ 2НТ 11-9 XLS 12 В P600 CRP 100

Минимальная длительная прочность (MRS) МПа to 10 10 10

Плотность, кг/м3 0,956-0,962 ГОСТ 15139 20°С 0,957 ISO 1183 23°С 0,962 ASTM Dl505 0,958 ISO 1183 23°C

Показатель текучести расплава 190°С, 5 кгс >0,1 ГОСТ 11645 0,2 ISO 1133 0,18 ISO 1133 0,23 ISO 1133

Предел текучести, МПа >21 ГОСТ 11262 22 ISO 527 23,5 ISO 527 24,8 ISO 527

Относительное удлинение при разрыве, % >500 ГОСТ 11262 >600 ISO 527 >600 ASTM D638 >600 ISO 527

Термостабильность при 210°С, мин > 20 при 200" ГОСТ 18599 >30 при 200° EN 728 >30 ASTM D3895 55 EN 728

Содержание сажи, % масс 2-2,5 ГОСТ 26311 2-2,5 ISO 6964 2-2,5 ISO 6964 2-2,5 ISO 6964

Цвет чёрный чёрный чёрный чёрный

В качестве армирующих сеток при производстве напорных труб использовались армирующие сетки из стекловолокна различных производителей. Основные свойства и геометрические характеристики приведены в таблице 3.

При оценке качества полученных труб использовались методы, определённые ГОСТ 18599-2001 и ТУ-2248-005-73011750-2008. Для оценки качества армированных труб была разработана специальная методика, изготовлена установка для испытаний. Схема установки приведена на рисунке 1.

Образец трубы

Манометр

Гидравлические заглушки

Редуктор

! <s>®

Компрессору»^-

- Мерная

"ДОЗИруЮЩИЙ :

насос высокого) давления

i Емкость i с водой

Рисунок 1. Схема установки для испытания труб.

Дозирующий насос высокого давления с максимальным давлением подачи -180 бар, скорость подачи - 3 л/мин. Параллельно с дозирующим насосом установлена мерная ёмкость для предварительного заполнения. Схема расчёта основных свойств трубы приведена в таблице 2. Таблица 2. Схема расчёта деформационно-прочностных свойств трубы.

Измеряемые параметры

Давление, внутренний диаметр трубы, толщина стенки.

Периметр образца

Объём образца, периметр образца.

Объём образца, давление

Расчётные параметры

Кольцевые напряжения скольц Осевые напряжения о0еев

Кольцевые деформации i

Осевые деформации е0,

Объёмная податливость

Глава 3. Экспериментальные данные и обсуждение результатов. 3.1. Выбор базовой конструкции витых труб.

Экспериментальная часть работы выполнялась на технологической линии по производству труб диаметрами 600-2400 мм, изготовленной фирмой ККАН. Это обеспечивало возможность использования полученных результатов для проектирования процесса производства армированных труб большого диаметра. По тем же причинам были использованы промышленно выпускаемые сетки из стекловолокна, чтобы надёжно реализовать полученные результаты в технологическом процессе и исключить стадии, связанные с разработкой ассортимента и технологии сеток. Технологическая схема представлена на рисунке 2.

■5Е

-Ж

Eg

i 7

+-- -t- F

f--f- -- Ч ...л

1 11 ж 1

! 4- --Ш-

V 7 Ж,

Щ/

---J3. а—Ъ--------„п.

J к--»„':

2, п п

1

■ ИЩ

Рисунок 2. Технологическая схема производства. (1-экструдер, 2- соэкструдер, 3- станция изготовления трубы, 4-станция охлаждения и фрезерования трубы, 5- станция снятия трубы с барабана, 6 — станция окончательной обработки и упаковки трубы,

7 - узел размотки стеклосетки).

Для выбора конструкции трубы, на которой целесообразно отрабатывать армирование, была изучена прочность сварных швов при укладке ленты расплава, изучены различные варианты введения сеток в структуру трубы, и проведены гидравлические испытания армированной трубы. При анализе процесса навивки было исследовано влияние следующих параметров (рисунок 3): шаг навивки ленты а, диаметр используемого опорного шланга (3, толщина обволакивающего слоя е4, толщина подложки е] на кольцевую жёсткость и вес трубы.

Влияние технологических факторов изучалось на наиболее широко применяемом профиле РЯ. Расчёт производился по методике [1] по среднему диаметру опорного шланга.

Выполненные расчёты, подтверждённые экспериментально, показали, что:

• Диаметр опорного шланга и толщина его покрытия являются наиболее существенными факторами регулирования кольцевой жесткости трубы, при минимальных затратах материала.

• Чем меньше номинальный диаметр трубы, тем большей экономии можно достичь, применяя в формировании профиля опорный шланг большего диаметра.

• Зависимость веса трубы от ее кольцевой жесткости открывает возможности оптимизации конструкции профиля. В качестве рабочего варианта для изучения процесса армирования был выбран внутренний диаметр трубы 600 мм и наиболее часто применяемый профиль типа Р11 со следующими характеристиками: ёшл=54 мм, е1 = 15 мм, е4 = 7 мм, а = 140 мм.

• На основе проведённой работы в набор профилей дополнительно рекомендованы опорные шланги 75/70 и 90/82,5.

[1] И.Гвоздев, И. Ермолаев. К расчету прочностных характеристик труб КОРСИС ПЛЮС //Полимерные трубы,№4,2008, стр.62-64.

Рисунок 3. Профиль 1'К

6

3.2. Влияние технологических режимов переработки на прочность сварного шва, образуемого при намотке трубы.

Была определена прочность сварных швов, образующихся при накладке ленты в диапазоне температур 180-220 С, т.е. в основном рабочем диапазоне. Результаты механических испытаний показали, что прочность сварных швов соответствует пределу текучести полиэтилена, что говорит о монолитности конструкции.

3.3. Разработка системы армирования.

При разработке системы армирования определяющее значение имеет число и прочность армирующих элементов, уложенных в осевом и радиальном направлении. Роль сетки состоит только в том, что она регулирует число стеклонитей, приходящихся на единицу длины. Проведённый расчёт системы армирования для труб с различным диаметром показал, что необходимый суммарный текс стеклонитей может быть набран уже при однослойном и двухслойном армировании.

3.4. Разработка технологии производства армированных труб большого диаметра.

Разработка технологии производства армированных труб большого диаметра производилась на трубе внутренним диаметром 600 мм и профиле РЛ. В процессе была обеспечена возможность введения в технологический процесс намотки сеток различных размеров и возможность введения слоя полиэтилена между сетками для получения слоевой конструкции, а также обеспечение различной степени перекрытия наносимых сеток. Для повышения температуры поверхности и улучшения условий контакта по всей длине трубы были установлены дополнительные инфракрасные нагреватели. Режим работы нагревателей подбирался таким образом, чтобы обеспечить размягчение поверхности полимера для погружения в него стеклонити приблизительно на 'А диаметра. На базе изложенных технологических решений были реализованы варианты армирования одним и двумя слоями сеток. 3.4.1.Расчёт разрывного давления для труб.

Расчёт разрывного давления для труб производился в две стадии. На первой стадии производился расчёт нагрузок, которые могут быть восприняты нитями

7

сеток из стекловолокна. Результаты расчёта с учётом перекрытия представлены в таблице 3.

Так как конструкция трубы отличается от гладкой наличием ребра жёсткости, то при расчёте разрушающего и рабочего давления было учтено влияние ребра жёсткости. В [1] описана методика расчёта разрывного давления для труб с ребром жёсткости по аналогии с расчётами прочности оребрённых аппаратов. Расчёт производился по варианту, когда под действием внутреннего давления радиус трубы увеличится везде, кроме зоны под ребром. И в этом случае при расчете должны быть учтены момент и сдвиговые усилия, возникающие в месте приварки оболочки к ребру. В таблице 3 приведены результаты расчёта, показывающие хорошую сходимость расчётных и экспериментальных данных. 3.4.2.Армирование. 3.4.2.1.Однослойное армирование.

Однослойное армирование было выполнено на различных вариантах сеток. Все образцы были испытаны по методике, приведённой в главе 2, и доводились до разрушения (рисунок 5). На образцах были выполнены замеры деформации трубы в продольном и поперечном направлении. Графики зависимости "напряжение-деформация" в продольном и поперечном направлении для системы №3 по таблице 3 представлены на рис. 6 и 7. Для систем №4 и №5 графики имели аналогичный вид.

—Образец №3 ♦ Образец №4 —А— Образец №5

8Б83888&88

С? О" О" сг О* С? О" С? СГ СГ Объёмная деформация

Рисунок 5. Зависимость "давление- объемная деформация" для однослойного армирования.

8

Рисунок 6. Зависимость "кольцевые напряжения - поперечная деформация" при однослойном армировании. Из полученных данных видно, что начальный модуль при кольцевом

нагружении имеет порядок примерно 25000 кг/см2, что соответствует жёсткости

типичных инженерных пластиков с небольшим армированием.

Эффективный модуль при продольной деформации выше модуля

полиэтилена в пределах деформации до 0,5%, и сильно возрастает при

деформациях до 1%.

Схема определения модуля. Например:

те г 20

У

m 18 -

о в 16 -

к х 14 -

X

01 * 12 -

к

а 10 -

с

га

X 8 -

о

л 6 -

а

а

о 4 -

О

2

Ем=333 МПа Ебб=288 МПа

£в

Ее

0,000 0,005 0,010 0,015

Продольная деформация Епрод

16,7-2,1 0,0035 : 4100 МПа

Рисунок 7. Зависимость "осевые напряжения - продольная деформация"при однослойном

армировании

При анализе осевых напряжений (рисунок 7) в диапазоне деформаций от Е4 до Е5 модуль системы был выше модуля, наблюдавшегося при анализе кольцевых напряжений, и составлял около 40000 кг/см2, что подчёркивает вклад перекрытия слоев в формирование жёсткости системы. Результаты показывают, что:

• Перекрытия более 15% от ширины рулона достаточно для того, чтобы обеспечить работу сетки в осевом направлении.

• Из данных видно, что нагружение армированной трубы происходит в три этапа: на первой стадии деформация характеризуется постепенным низкомодульным нагружением, на второй стадии происходит резкое повышение жёсткости системы при практически постоянной деформации, на этой стадии работает армирующая система, на третьей стадии происходит пластическое разрушение, при котором развиваются большие деформации без повышения уровня нагрузки, это работает опорный шланг.

3.4.2.2. Двухслойное армирование.

Двухслойное армирование было выполнено с применением сетки от двух производителей (таблица 3).

Из графика (рисунок 8, образец 7) явно видно, что при первом способе укладки (два слоя сетки непосредственно уложены друг на друга без полиэтиленовой прослойки) при объёмной деформации более 3% сетка не обеспечивает возрастание жёсткости при нагружении.

Рисунок 8. Зависимость "давление- объёмная деформация" для двухслойного армирования

10

Рисунок 9. Зависимость "кольцевые напряжения - поперечная деформация" при двухслойном армировании

Расчётное давление по таблице 3 для этой системы составляет 22,7 бар, фактическое 10 бар. Размещение слоя полиэтилена между сетками обеспечивает сопротивление системы с модулем около 10000 кг/см2 при увеличении объёма до 10% (рисунок 8,9,10).

Рисунок 10. Зависимость "осевые напряжения- продольная деформация" для двухслойного армирования.

На рисунке 11 показана объёмная податливость образцов, структура которых приведена в таблице 3. Как видно из данных, приведённых на рисунке 5, образцы в диапазоне давления до 8 атм имеют низкую податливость, а затем в диапазоне давлений от 8 до 14 атм 4 образца из пяти, за исключением образца №7 сохраняют низкую податливость.

Р, атм

Рисунок 11. Зависимость объёмной податливости от давления для образцов с различной системой армирования.

После 8 атм первым из строя выходит образец №7, выполненный с

двухслойным армированием без промежуточного слоя полиэтилена между сетками. Все образцы с однослойным армированием разрушаются в районе 17-18 атм, однако образцы с большим шагом навивки сетки (№4) начинают наращивать рост объёмной податливости уже после достижения давления 12 атм и увеличивают податливость в три раза ещё до наступления разрушения. Наилучшие результаты показали образцы с двухслойным армированием, в которых сетка упакована в полиэтиленовые слои. У них так же наблюдается рост податливости примерно в 2,5 раза в диапазоне давлений 14-16 атм, но разрушение наступает при давлениях выше 22 атм.

Таблица 3. Сопоставление расчбтнык и экспериментальны» данных.

№ Характеристики армирующей сетки Шаг навивки сетки, мм Структура образца Разрушающее давление, атм

Производитель Плотность по основе, текс Плотность по утку, текс размер ячейки, мм Расчётное, атм Экспериментальное, атм

Опорный шланг Сетка Общее

1 Судогодские стеклопластики, г. Судогда, тип 1:1, редкая 2400 2400 25x25 210 ПЭ+сетка+ПЭ 11,5 2,4 13,9 14,8

2 Судогодские стеклопластики, г. Судогда, тип 1:1, редкая 2400 2400 25x25 140 ПЭ+сетка+ПЭ 11,5 2,8 14,3 17,9

3 Судогодские стеклопластики г. Судогда. тип 2:1, редкая 4800 2400 25x25 140 ПЭ+сетка+ПЭ 11,5 5,6 17,1 17,7

4 Судогодские стеклопластики г. Судогда. тип 2:1, редкая 4800 2400 25x25 210 ПЭ+сетка+ПЭ 11,5 4,9 16,4 18,2

5 Судогодские стеклопластики г. Судогда. тип 2:1, редкая 4800 2400 25x25 140 ПЭ+сетка+ПЭ 11,5 5,6 17,1 17,8

6 Бау-текс, г. Гусь-Хрустальный, тип 2:1, частая 3600 1800 17x10 240 ПЭ+сетка+ПЭ 11,5 4,7 16,2 17,2

7 Судогодские стеклопластики г. Судогда. тип 2:1, редкая 4800 2400 25x25 140 ПЭ+сетка+ сетка+ПЭ 11,5 11,2 22,7 10

8 Судогодские стеклопластики г. Судогда. тип 2:1, редкая 4800 2400 25x25 140 ПЭ+сетка+ПЭ +сетка+ПЭ 11,5 11,2 22,7 23,3

9 Бау-текс, г. Гусь-Хрустальный, тип 2:1, частая 3600 1800 17x10 240 ПЭ+сетка+ПЭ +сетка+ПЭ 11,5 9,4 20,9 21,2

Армирование было выполнено на образце й1600 мм, толщина подложки е1-15 мм, диаметр опорного шланга <1 = 54 мм, толщина обволакивающего слоя е4=7мм, шаг навивки шланга а =140 мм (см. рис.3).

3.4.3. Армирование труб, изготовленных прямой

экструзией.

Разработанные для армирования витых труб элементы могут быть использованы для армирования труб, полученных прямой экструзией, для того, чтобы снизить материалоёмкость. Для оценки эффективности использования были проработаны возможности

армирования труб, полученных методом прямой экструзии, диаметром от 500 до 1600 мм.

В таблице 4 приведены данные для трубы, армированной сеткой из стекловолокна с размером ячейки 10 мм, текс 9600. Сетка положена методом навивки на трубу, изготовленную прямой экструзией с SDR 41 из ПЭ 100. Сверху сетка закрыта слоем полиэтилена толщиной до 10 мм. Из таблицы 5 видно, что даже при однослойном армировании удаётся снизить вес трубы до 50%.

Таблица S. Снижение веса 1 м трубы по ГОСТ 18599-2001

Наружный диаметр трубы DO, мм Снижение веса 1 м трубы

Максимальное рабочее давление воды при 20°С, Мпа

0,6 0,8 1 1,2

500 3 22 36 48

560 2 21 36 47

630 6 24 38 49

710 9 26 40 51

800 12 29 42 52

900 15 31 44 54

1000 9 26 40 51

1200 14 30 43 _

1400 16 32 .

1600 19 - - -

Таблица 4. Количество слоев армирования для труб, полученных методом прямой экструзии

Наружный диаметр трубы DO, мм Масса 1 м трубы, кг Количество слоев армирования

Максимальное рабочее давление воды при 20°С, Мпа

0,6 0,8 1 1,2

500 19 1 1 1 1

560 23,6 1 1 1 1

630 29,9 1 1 I 1

710 38,1 1 1 1 1

800 48,3 1 1 1 1

900 60,9 1 1 1 1

1000 75,4 1 1 1 1

1200 108 1 2 1 2

1400 148 1 2 1 2

1600 193 2 2 2 2

Выводы:

• Разработана технология получения напорных армированных труб большого диаметра. Выданы исходные данные для проектирования в соответствии с требованиями Министерства промышленности, науки и технологии РФ от 30 января 2002 г. Конструкция трубы защищена патентом РФ №125668 с приоритетом от 21.08.2012г.

• Показано, что прочностные характеристики трубы существенно превосходят прочность армирующей системы, сформированной из стеклянных нитей, а прочность армированных труб может быть рассчитана по формулам, разработанным для оценки прочности оребрённых реакторов. Сопоставление расчётных и экспериментальных данных свидетельствует о хорошей сходимости результатов.

• Разработана методика и изучена гидростатическая прочность труб, проанализированы свойства материала труб в осевом и продольном направлении. Показано, что разрушающие давления достигают для однослойного армирования 18 бар, а для двухслойного армирования 23 бар. Такие высокие значения давления при двухслойном армировании достигаются только при наличии промежуточного слоя полиэтилена между сетками.

• Обнаружено, что процесс сопротивления нагружению внутренним давлением имеет три стадии: на первой стадии деформация характеризуется постепенным низкомодульным нагружением, на второй стадии происходит резкое повышение жёсткости системы за счёт полного включения в работу армирующей системы при практически постоянной деформации, на третьей стадии происходит пластическое разрушение, при котором развиваются большие деформации без повышения уровня нагрузки.

• При оценке влияния параметров профиля, используемого при навивке, установлено, что определяющий вклад в кольцевую жёсткость трубы вносит диаметр опорного шланга и толщина обволакивающего слоя, а влияние других факторов (шаг навивки, толщина подложки) несущественно. Дополнительно рекомендованы опорные шланги диаметром 75 и 90 мм.

• Разработан новый способ изготовления и конструкция втулок под фланец,

которыми комплектуется труба для проведения гидравлических испытаний и

монтажа в трубопроводе. Конструкция патентуется.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. В.Т. Бисеров, Н.В.Бисерова, В.В. Коврига, H.H. Сарафанников. Гидростатические свойства полиэтиленовых труб, армированных сетками.// Пластические массы №4, 2013 - с.49-51.

2. В.Т.Бисеров, Н.В.Бисерова, В.В.Коврига, В.В.Швабауэр. Изучение возможности снижения веса и уменьшения толщины стенки напорных труб большого диаметра.// Пластические массы №5,2013 -с.55-57.

3. Н.В.Бисерова, В.В. Коврига. Разработка технологии армированных полиэтиленовых труб большого диаметра с повышенным рабочим давлением. // Пластические массы №9, 2011 - с.42-43.

4. В.В.Рыжов, Е.В.Калугина, Н.В.Бисерова, М.И.Гориловский, Н.В. Киселёва, Н.В. Максимова, И.И. Смоленцева, Ю.М.Казаков, АА.Слипченко. Полиэтилены трубных марок. Структура и свойства. // Пластические массы №8, 2011 - с.44-46.

5. В.В.Швабауэр, И.С.Ермолаев, Н.В. Готовко (Бисерова). Кольцевая жесткость и вес труб КОРСИС ПЛЮС: выбор экономичного профиля. // Полимерные трубы №2(20), 2008,- с. 64-67.

6. Н.В.Бисерова, В.В.Коврига. Разработка технологии и системы оценки качества полиэтиленовых водоводов большого диаметра для межрегиональных сетей водоснабжения.// Полимерные трубы №2(24), 2009,- с. 39-41.

7. Н.В.Бисерова. КОРСИС ПЛЮС для напорного применения.// Полимерные трубы №3(29), 2010.- с. 40.

8. Патент № 125668 с приоритетом от 21.08.2012г.

Автор выражает благодарность кандидату технических наук |В.В. Швабауэру[

за предложенную тему работы.

Заказ № 224. Объем 1 п.л. Тираж 100 экз.

Отпечатано в ООО «Петроруш». г.Москва, ул.Палиха 2а.тел.(499)250-92-06 www.postator.ru

ООО "ГРУППА ПОЛИПЛАСТИК" 000"КЛИМ0ВСКИЙ ТРУБНЫЙ ЗАВОД"

На правах рукописи

04201361027

Бисерова Наталья Викторовна

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА НАПОРНЫХ ПОЛИЭТИЛЕНОВЫХ ТРУБ БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА, АРМИРОВАННЫХ СЕТКАМИ ИЗ СТЕКЛОВОЛОКНА.

05.17.06 - Технология и переработка полимеров и композитов

Научный руководитель:

проф., д.т.н. В.В. Коврига

Москва-2013

Содержание

Введение...................................................................................4

1. ГЛАВА 1. Литературный обзор.................................................6

1.1. Напорные трубы большого диаметра из полиэтилена, получаемые методом прямой экструзии...............................................................6

1.1.1. Материалы для производства напорных труб.............................10

1.1.2. Особенности технологии производства напорных труб больших диаметров....................................................................................15

1.2. Безнапорные полиэтиленовые трубы большого диаметра..........19

1.2.1. Тип А1 со вспененным средним слоем....................................22

1.2.2. Трубы типа Б с кольцевым полым профилем............................22

1.2.3. Спиральновитые трубы........................................................26

1.2.3.1. Технология фирмы КЛАН..................................................26

1.2.3.2.Технология фирмы воМБ^те...............................................30

1.2.3.3. Трубы спиральновитые СВТ...............................................31

1.2.3. Материалы для производства безнапорных труб........................33

1.3. Армированные трубы..........................................................34

1.3.1. Напорные трубы по технологии КЯАН (КРР8-р1ре8)..................34

1.3.2. Стеклопластиковые трубы....................................................36

1.3.3. Стеклопластиковые комбинированные трубы...........................40

1.3.4.Трубы, армированные высокопрочными синтетическими нитями..40

1.3.4. Трубы армированные жёстким каркасом из стальной малоуглеродистой проволоки.......................................................41

1.3.5. Гибкие полиэтиленовые трубы, армированные стальной малоуглеродистой проволокой и синтетическими нитями........................41

Выводы по литературному обзору.................................................42

2. ГЛАВА 2. Материалы и методики эксперимента.........................43

2.1. Материалы.........................................................................43

2.2. Методы испытаний...............................................................46

2.2.1. Определение кольцевой жёсткости.........................................46

2.2.2. Испытания на стойкость сварного шва к осевому растяжению......48

2.2.3. Метод оценки объёмных изменений при повышении давления в системе.......................................................................................49

2.2.4. Гидравлические испытания 20° С 100 ч....................................55

2.2.5. Втулки под фланец ............................................................55

3. ГЛАВА З.Экспериментальная часть и обсуждение результатов....59

3.1. Выбор базовой схемы витых труб............................................59

3.2. Влияние технологических режимов переработки на прочность сварного шва, образуемого при намотке трубы.....................................70

3.3. Технология армированных труб больших диаметров. Разработка системы армирования стеклосетками..................................................71

3.4. Разработка технологии производства армированных труб большого диаметра.....................................................................................75

3.4.1. Расчёт разрывного давления для труб.....................................76

3.4.2. Экспериментальное определение разрывного давления................79

3.4.2.1. Однослойное армирование..................................................79

3.4.2.2. Двухслойное армирование.................................................89

3.4.2.3. Гидравлические испытания труб 20°С, 100 ч...........................97

3.5. Армирование стеклосетками труб, полученных методом прямой экструзии.....................................................................................99

Заключение.............................................................................104

Выводы.................................................................................107

Список литературы..................................................................109

Приложения...........................................................................118

Введение.

В последнее время наблюдается тенденция создания напорных полимерных труб больших диаметров. Освоены в производстве методом прямой экструзии напорные полиэтиленовые трубы диаметром до 1,6 м в России и до 2 м за рубежом. Развивается производство полиэтиленовых безнапорных труб с диаметром до 4 м методом навивки, которые имеют существенные технико-экономические преимущества перед напорными трубами, полученными прямой экструзией. Эти преимущества состоят в том, что безнапорные трубы обладают существенно меньшим весом и высокой кольцевой жёсткостью, позволяющей использовать их для создания коммуникаций при большом заглублении до 6-8 м. Поэтому актуальной задачей является повышение рабочего давления в трубах, получаемых навивкой, что даёт возможность сохранить указанные преимущества и в напорных трубах.

В 2008 г. В.В. Швабауэр предложил схему армирования полиэтиленовых труб большого диаметра сетками из стекловолокна.

В настоящее время на Климовском трубном заводе работает технологическая линия по производству труб методом навивки диаметром до 2,6 м. Поэтому разработка технологии, обеспечивающей получение на этой линии напорных труб с рабочим давлением до 10 атм за счёт армирования сетками из стекловолокна, была актуальна.

Кроме того, практически важно проверить возможность использования армирующих элементов на основе сеток из стекловолокна для улучшения технических характеристик напорных труб, получаемых прямой экструзией.

Целью данной работы является разработка технологии производства напорных труб, армированных сетками из стекловолокна, с использованием технологических линий производства витых сложнопрофильных труб, а также изучение возможности использования разработанных армирующих элементов для получения труб большого диаметра, полученных прямой экструзией и дополнительно армированных сетками из стекловолокна.

Автор выражает благодарность кандидату технических наук

Швабауэру Владимиру Васильевичу! за предложенную тему работы.

ГЛАВА 1. Литературный обзор.

В настоящее время полимерные, в том числе полиэтиленовые, трубы применяются для хозяйственного, питьевого холодного и горячего водоснабжения [1], транспортировки жидких и газообразных веществ, в системах отопления, канализации и сетях водоотведения. В последнее время полимерные трубы все чаще используются для гидротранспорта [2], защитных каналов для прокладки электрических кабелей, кабелей связи, волоконно-оптического кабеля и др [3].

Одним из наиболее перспективных направлений развития является производство труб большого диаметра из полиэтилена, изготовленных в напорном и безнапорном исполнении [4]. Поэтому интенсивно изучаются перспективы развития технологических процессов производства и конструкции труб [5,6]. В работе к трубам большого диаметра отнесены трубы с наружным диаметром 500 мм и более.

1.1.Напорные трубы большого диаметра из полиэтилена, получаемые методом прямой экструзии.

В настоящее время технический уровень производства как труб, так и материалов для их изготовления, а так же оборудования, определяется по максимальному диаметру труб, которые в состоянии производить та или иная компания [7,8].

Развитие ассортимента трубопроводов больших диаметров применительно к различных областям использования [9,10]. Так, при транспорте воды, трубы, согласно требованиям ГОСТ 18599-2001 [11], производятся до диаметра 1600 мм. В таблице 1.1 показаны нормированные диаметры и толщины стенок для труб, предназначенных для разных рабочих давлений и поэтому характеризующихся разным отношением наружного диаметра к толщине стенки- величина SDR.

Таблица Ы.Толщины стенок, номинальные давления и расчётная масса 1 п.м. для напорных труб из композиций полиэтилена ПЭ 63,ПЭ 80, ПЭ 100 по ГОСТ 18599-2001.

Наименование

полиэтилена SDR41 S 20 SDR 33 S 16 SDR26S 12,5 SDR21 S10 SDR 17,6 S 8,3

Номинальное давление, 10*5 Па (бар)

ПЭ 63 PN 2,5 PN 3,2 PN4 PN5 PN 6

ПЭ 80 PN 3,2 PN4 PN5 PN 6,3 (PN 7,5)

ПЭ 100 PN 4 PN 5 PN 6,3 PN 8 (PN 9,5)

Номинальный Номин. Номин. Номин. Номин. Номин.

наружный толщина Вес 1 толщин Вес 1 толщина Вес 1 толщина Вес 1 толщина Вес 1

диаметр, мм стенки,м п.м., кг а п.м., кг стенки, м П.М., кг стенки,м П.М., кг стенки,мм П.М., кг

500 12,3 19 15,3 23,4 19,1 29 23,9 35,8 28,3 42

560 13,7 23,6 17,2 29,4 21,4 36,3 26,7 44,8 31,7 52,6

630 15,4 29,9 19,3 37,1 24,1 46 30 56,5 35,7 66,6

710 17,4 38,1 21,8 47,3 27,2 58,5 33,9 72,1 40,2 84,7

800 19,6 48,3 24,5 59,9 30,6 74,1 38,1 91,4 45,3 108

900 22 60,9 27,6 75,9 34,4 93,8 42,9 116 51 136

1000 24,5 75,4 30,6 93,5 38,2 116 47,7 143 56,6 168

1200 29,4 108 36,7 134 45,9 167 57,2 206 68 242

1400 34,3 148 42,9 183 53,5 227 66,7 280 - -

1600 39,2 193 49 239 61,2 296 - - - -

Продолжение таблицы 1.1.

Наименование

полиэтилена SDR17S 8 SDR 13,6 S 6,3 SDR11 S 5 SDR 9 S 4 SDR 7,4 S 3,2

Номинальное давление, 10*5 Па (бар)

ПЭ63 PN 6,3 PN 8 PN 10 PN 12,5 (PN 15)

ПЭ 80 PN8 PN 10 PN 12,5 PN 16 PN20

ПЭ 100 PN 10 PN 12,5 PN 16 PN 20 PN25

Номин.

Номин. толщ ин Номин. Номин.

Номинальный толщина а толщина толщина Номин.

наружный стенки,М Вес 1 стенки, Вес 1 стенки, м Вес 1 стенки, м Вес 1 толщина Вес 1

диаметр, мм м П.М., кг мм п.м., кг м п.м., кг м П.М., кг стенки, мм п.м., кг

500 29,7 43,9 36,8 53,5 45,4 64,7 55,8 77,5 68,3 92,1

560 33,2 55 41,2 67,1 50,8 81 62,5 97,3 -

630 37,4 69,6 46,3 84,8 57,2 103 70,3 123 -

710 42,1 88,4 52,2 108 64,5 131 - -

800 47,4 112 58,8 137 72,6 - - -

900 53,3 142 66,1 173 - - - -

1000 59,3 175 73,5 214 - - - -

1200 71,1 252 - - - - - -

1400 - - ■ - - - - -

1600 - - - - - • - -

В таблице 1.2 показаны нормированные значения диаметров и толщины стенок для газовых труб ГОСТ Р 50838-95 [12].

Таблица 1. 2. Толщины стенок, номинальные давления и расчетная масса 1 п.м. для газовых труб из композиций ПЭ 100 по ГОСТ Р 50838-95.

Номинальный наружный диаметр, мм 801126 80Я21 80Я 17,6 801117

Номин. толщина стенки,мм Вес 1 П.М., кг Номин. толщина стенки,мм Вес 1 П.М., кг Номин. толщина стенки,мм Вес 1 П.М., кг Номин. толщина стенки,мм Вес 1 п.м., кг

500 19,1 29 23,9 35,8 28,3 42 29,7 43,9

560 21,4 36,3 26,7 44,8 31,7 52,6 33,2 55

630 24,1 46 30 56,5 35,7 66,6 37,4 69,6

Продолжение таблицы 1.2.

Номинальный наружный диаметр, мм БОЯ 13,6 БОЯ 11 БОЯ 9

Номин. толщина стенки,мм Вес 1 п.м., кг Номин. толщина стенки,мм Вес 1 п.м., кг Номин. толщина стенки,мм Вес 1 п.м., кг

500 36,8 53,5 45,4 64,7 55,8 77,5

560 41,2 67,1 50,8 81 - -

630 46,3 84,8 57,2 102,7 - -

Как видно из сопоставления таблиц, достигнута полная унификация геометрии труб для газо- и водоснабжения. Однако, стандарт ИСО 4437 [13] на газовые трубы ограничивает максимальный диаметр газовых труб размером 630 мм. В связи с этим газовые трубы диаметром выше 630 мм нормированы в специальных технических условиях [14 ]. Основные значения диаметров и толщин стенок представлены в таблице 1.3.

Таблица 1.3. Толщины стенок, номинальные давления и расчетная масса 1 п.м. для газовых трубиз композиций ПЭ 100 по ТУ 2248-010-73011750-2010.

SDR 26 SDR 21 SDR 17

Номинальный наружный диаметр, мм Номин. Вес 1 n.m., кг Номин. Вес 1 n.m., кг Номин. Вес 1 n.m., кг

толщина стенки,мм толщина стенки,мм толщина стенки,мм

500 19,1 29 23,9 35,7 29,7 43,8

560 21,4 36,3 26,7 44,7 33,2 55

630 24,1 46 30 56,5 37,4 69,6

710 27,2 58,5 33,9 72 42,1 88,4

800 30,6 74,1 38,1 91,3 47,4 112,1

900 34,4 93,7 42,9 115,6 53,3 141,8

1000 38,2 115,6 47,7 142,8 59,3 175,2

1200 45,9 166,5 57,2 205,5 - -

1родолжение таблицы 1.3.

SDR 13,6 SDR 11 SDR 9

Номинальный наружный диаметр, мм Номин. Вес 1 n.m., кг Номин. Вес 1 n.m., кг Номин. Вес 1 n.m., кг

толщина стенки,мм толщина стенки,мм толщина стенки,мм

500 36,8 53,4 45,4 64,6 55,8 77,5

560 41,2 67,1 50,8 81 62,5 97,2

630 46,3 84,7 57,2 102,6 70,3 123

710 52,2 107,8 - - - -

800 58,8 136,8 - - - -

900 - - - - - -

1000 - - - - - -

1200 - - - - - -

В связи с тем, что газопроводы имеют строго стандартизованные уровни давлений, газовые трубы имеют меньший набор толщин стенок.

Для труб больших диаметров основная номенклатура составляет SDR 11- SDR 26. Для ПЭ 100 это уровни рабочего давления по воде 6,3-16 бар. Однако в последние годы наметилась тенденция к уменьшению SDR на трубах больших диаметров, а так же к увеличению номенклатуры труб в сторону применения труб больших диаметров [15,16]. Например, в нашей стране методами прямой экструзии на сегодняшний день выпускаются трубы

диаметром до 1600 мм [17]. А это уже толщина стенки 61,2 мм даже для SDR 26 на давление 6,3 бар с использованием такого перспективного материала, как ПЭ100.

Наряду с преимуществами, полиэтиленовые трубы обладают и рядом недостатков [18]. Одним из недостатков является возникновение царапин на поверхности труб во время их протягивания внутри старых изношенных трубопроводов или в узких каналах, что приводит к возникновению концентрации напряжений в местах нанесённых дефектов и к снижению максимального рабочего давления [19,20]. Для решения этой проблемы были разработаны трубы с защитным покрытием. Минеральные микрочастицы придают покрытию с защитной оболочкой стойкость к процарапыванию (Рисунок 1.1), а также защищают рабочую трубу от нежелательного воздействия прилегающего грунта, вызванного контактом с острыми камнями или осколками старых металлических трубопроводов. Защитный слой наносится методом со-экструзии или спиральной намотки. Обладая достаточно высокой твёрдостью, покрытие из такого материала более устойчиво к царапинам, по сравнению с чистым полиэтиленом и способно существенно повысить надёжность эксплуатации трубы [21].

1.1.1.Материалы для производства напорных труб.

Широкий ассортимент и высокий уровень рабочих давлений в трубах для газа и воды выдвигает жёсткие требования к качеству материалов. В

0

Рисунок 1.1. Схема поверхности с повреждениями различных типов ПЭ труб, которые возникают при протяжке бестраншейными методами.

последнее время наметилась тенденция к применению полиэтилена 100 с MRS 10 для напорных труб [22,23].

Минимальные значения длительной прочности -MRS [24] используются для обозначения типов полиэтилена. Минимальная длительная прочность (МПа) - напряжение, определяющее свойства материала, применяемого при изготовлении труб, полученное путём экстраполяции на срок службы 50 лет при температуре 20°С данных испытаний труб на стойкость к внутреннему гидростатическому давлению с нижним доверительным интервалом 97,5% и округлённое до ближайшего нижнего значения ряда RIO по. ГОСТ 8032. В настоящее время общепризнанными типами полиэтилена являются ПЭ32, ПЭ 40, ПЭ63, ПЭ80, ПЭ100.

Так как полиэтилен классифицируется по плотности [25], то ПЭ32 и

л

ПЭ40 имеют плотность с величиной меньше 0,92 г/см и относятся к полиэтиленам низкой плотности, ПЭ63 и ПЭ100 классифицируются как полиэтилены высокой плотности -0,95-0,96 г/см , ПЭ80- выпускается как полиэтилен средней плотности -0,94-0,945 г/см , так и высокой плотности.

Поскольку прочность полиэтилена низкой плотности меньше прочности полиэтилена высокой плотности, его применение для напорных труб ограничивается малыми диаметрами [26].

Важнейший показатель для трубных марок является показатель текучести расплава при температуре 190°С и при одной из нагрузок -2,16 кг, 5 кг и 21,6 кг. Этот показатель характеризует среднюю молекулярную массу и характер её распределения [27].

Однако при производстве труб больших диаметров есть ещё один важный показатель - это вязкость полиэтилена при низких скоростях сдвига

[28]. Основной проблемой при производстве толстостенных труб больших диаметров является стекание расплава на стадии калибрования и охлаждения

[29]. Это явление приводит к неисправимому увеличению толщины стенки трубы в нижней её части справа и слева от вертикальной оси. Анализ процесса показал, что хотя теоретически стекание происходит при любых

габаритах труб, взаимодействие процессов течения и затвердевания таково, что реально на геометрию трубы стенки оно влияет только при толщинах стенки более 40-50 мм.

В статье [30] показаны конкретные результаты определения разнотолщинности, связанной с процессом стекания для труб, изготовленных из полиэтиленов различной вязкости в областях низких скоростей сдвига, проведена оценка влияния внутреннего охлаждения труб на процесс стекания.

Если сопоставить вязкости стекающих и нестекающих композиций, можно увидеть, что оба материала имеют одинаковую вязкость при скоростях сдвига, имеющих место в процессе шнековой экструзии и течения в формующем инструменте, что подтверждается одинаковой величиной показателя текучести расплава, определяемого в стандартных условиях. В то же время при малых значениях скоростей сдвига, вязкость полимеров сильно отличается, возрастая у нестекающего полимера.

В настоящее время разработано много композиций полиэтилена, обладающих повышенной вязкостью расплава в областях скоростей сдвига, соответствующих движению массы расплава под действием силы тяжести («не стекающая» композиция) [31,32,33] .

Распределение скорости по сечению заготовки

Толщина стенки, мм

Рисунок 1.2. Профиль скоростей течения "стекающей" композиции

для сечений 15 и 90°.

На рисунке 1.2 показаны профили скоростей течения «стекающей» композиции для сечений ф = 15° и 90°. Скорость текущего расплава максимальна в сечении ф = 90° и несмотря на ее незначительную величину (доли миллиметра в секунду), если заготовку не охлаждать, за время порядка 1,5 часа из верхнего сектора заготовки стечет такое количество расплава, что толщина стенки уменьшится на 10 мм, а разнотолщинность превысит 20 мм. При этом ее распределение по периметру трубы таково, что ее трудно устранить, создавая эксцентриситет между дорном и мундштуком (Рис. 1.3).

Рисунок 1.3. Разнотолщинность трубы, связанная с процессом стекания.

Однако, по мере охлаждения, идет уменьшение толщины могущего течь расплава и, хотя, теоретически, стекание происходит при любых габаритах труб, взаимодействие процессов течения и затвердевания полимера таково, что реа�