Трубопровод из композиционного материала и способ его изготовления

 

Изобретение относится к созданию трубопроводов, используемых для транспортирования различных жидкостей и газов, и может найти применение в машиностроении, авиастроении, химической, аэрокосмической и других отраслях промышленности. Техническим результатом изобретения является повышение герметичности, качества внутренней поверхности, а также гибкости трубопровода и обеспечение его работоспособности в области криогенных температур. Трубопровод из композиционного материала содержит герметизирующую оболочку из многослойного пленочного пластика с плоскими армирующими элементами, выполненными из высокопрочной термостойкой полимерной пленки, например полиимидной типа ПМ, и окруженными равномерными слоями прослоек полимерного связующего из менее термостойкого полимера, например фторопласта типа Ф-4. Внутренняя поверхность герметизирующей оболочки покрыта футеровочным слоем, выполненным из материала, подобного полимеру прослоек связующего. Снаружи на последний слой герметизирующей оболочки намотан один антиадгезионный слой армирующей ленты из высокопрочной термостойкой полимерной пленки, например полиимидной типа ПМ, с нанесенным на одну ее поверхность полимерным связующим из фторопласта типа Ф-4. Слой уложен поверхностью без покрытия наружу. Для закрепления герметизирующей оболочки трубопровод содержит фланцевые металлические законцовки. В способе на цилиндрическую поверхность технологической оправки наматывают футеровочный слой из расчетного количества слоев ленты, толщина которых в сумме может составлять не менее трех толщин высокопрочной термостойкой полимерной пленки армирующих элементов, из материала, подобного слоям связующего, нанесенного на обе поверхности армирующих элементов. На поверхности футеровочного слоя наматывают расчетное количество слоев плоских армирующих элементов в виде ленты из высокопрочной термостойкой полимерной пленки, например полиимидной пленки типа ПМ, с нанесенным на обе ее поверхности тонким слоем полимерного связующего из менее термостойкого полимера, например фторопласта типа Ф-4. Последним наматывают слой армирующей ленты из высокопрочной термостойкой полимерной пленки, например полиимидной типа ПМ, с нанесенным на одну ее поверхность тонким слоем, связующего из менее термостойкого полимера, например фторопласта типа Ф-4, которую укладывают поверхностью, не покрытой полимерным связующим, наружу, а на него наматывают технологический слой термоусаживающегося материала. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к созданию трубопроводов, используемых для транспортирования различных жидкостей и газов, и может найти применение в машиностроении, авиастроении, химической, аэрокосмической и других отраслях промышленности.

Известен способ изготовления трубы из композиционного материала навивкой пластмассовых лент и труба, изготовленная этим способом (заявка Японии № 42-29650, кл. 65 А 19, 1969), состоящая из двух слоев: внутреннего, навитого твердыми пластмассовыми лентами, и внешнего, намотанного по спирали менее твердыми пластмассовыми лентами.

Однако в таком трубопроводе не обеспечивается необходимая герметичность и не достигается максимальная прочность из-за разобщенности несущих слоев композиционного материала, работающих каждый самостоятельно.

Наиболее близким к заявляемому по своему устройству и способу изготовления является трубопровод из композиционного материала (патент РФ № 2069807, кл. F 16 L 9/12, опубл. 1996), содержащий расположенные по его торцам фланцевые законцовки и закрепленные на них внутреннюю герметизирующую оболочку из многослойного пленочного пластика с плоскими армирующими элементами и контактирующую с ее наружной поверхностью силовую оболочку из склеенных полимерной смолой высокопрочных нитей. Плоские армирующие элементы многослойного пленочного пластика герметизирующей оболочки выполнены из высокопрочной термостойкой полимерной пленки, например полиимидной типа ПМ, изготовленной из полимера, имеющего температуру размягчения более высокую, чем у полимера сваренных между собой прослоек связующего, например фторопласта типа Ф-4, окружающих армирующие элементы равномерными слоями.

Способ изготовления такого трубопровода заключается в следующем. На поверхность ленты из высокопрочной термостойкой полимерной пленки, например полиимидной типа ПМ, наносится с двух сторон тонкий слой менее термостойкого полимера, например фторопласта Ф-4. Затем для получения внутренней герметизирующей оболочки расчетное количество слоев такой ленты наматывается на технологическую оправку, на торцах которой установлены и закреплены фланцевые законцовки с коническими выступами. Полимерная лента укладывается с натяжением слоями как на оправку, так и на конические участки законцовок. Поверхность законцовок, контактирующих с намотанной лентой, предварительно обрабатывают. Такой обработкой, например, являются опескоструивание и обезжиривание. На цилиндрическую поверхность технологической оправки наносится антиадгезионный слой, например, из той же пленки ПМ, не покрытой полимерным связующим. Далее на наружную поверхность последнего слоя пленки также наносится сначала слой антиадгезионного покрытия, а затем технологический слой термоусаживающегося материала, например, кремнеземной ленты КЛ-1. После этого оправка с намотанными на нее слоями из указанных выше материалов устанавливается в нагревательную печь, в которой температуру нагрева доводят до величины, превышающей температуру размягчения и расплавления прослоек связующего, но не превышающей температуру размягчения армирующих элементов термостойкой ленты. Такой температурой для пленки ПМ и фторопластовых прослоек является Т=320°С (593 К). После выдержки оправки с намотанными на нее слоями при данной температуре и охлаждения до комнатной температуры под воздействием обжимающих усилий прослойки полимерного связующего сплавляются друг с другом, превращаясь в герметичный и прочный монолит, армированный термостойкой пленкой. На наружную поверхность полученной таким образом внутренней герметизирующей оболочки наматывают армированную нитями силовую оболочку и отверждают затем обычным способом, при этом температура отверждения связующего силовой оболочки не должна превышать температуру плавления полимерного связующего в герметизирующей оболочке.

В этом техническом решении также не достигается необходимая герметичность, высокое качество и низкий коэффициент трения внутренней поверхности трубопровода и гибкость при криогенных температурах, так как термореактивные связующие при криогенных температурах обладают повышенной хрупкостью. Кроме того, при намотке трубопровода внутренняя поверхность формируется “ступеньками”, высота которых определяется толщиной используемой для намотки пленки. Эти “ступеньки” создают дополнительное сопротивление при прохождении по трубопроводу с большой скоростью газа или жидкости. К тому же коэффициент трения полиимидной пленки выше коэффициента трения, например, фторопласта, что также создает дополнительное сопротивление. Герметичность трубопровода определяется газопроницаемостью основного материала - полиимидной пленки. Коэффициент газопроницаемости полиимидной пленки выше, чем фторопласта, а наличие протяженной открытой границы “сварки” витков полиимидной пленки (по “ступенькам”) также способствует повышению газопроницаемости трубопровода, так как в таких местах локализуются дефекты: складки, полости с газом, микротрещины.

Техническим результатом данного изобретения является повышение герметичности, качества внутренней поверхности, а также гибкости трубопровода и обеспечение его работоспособности в области криогенных температур.

Для достижения технического результата в трубопроводе из композиционного материала, содержащем расположенные по его торцам фланцевые законцовки и закрепленную на них герметизирующую оболочку из многослойного пленочного пластика с плоскими армирующими элементами из высокопрочной термостойкой полимерной пленки, например полиимидной типа ПМ, изготовленную из полимера, имеющего температуру размягчения более высокую, чем у полимера сваренных между собой прослоек связующего, например фторопласта типа Ф-4, окружающих армирующие элементы равномерными слоями и соединенных с этими элементами по их поверхностям, согласно предлагаемому изобретению, толщина стенки герметизирующей оболочки принимается из расчета обеспечения ее прочности, на внутреннюю поверхность герметизирующей оболочки нанесен футеровочный слой из материала, подобного полимеру прослоек связующего, окружающих армирующие элементы. При этом толщина футеровочного слоя может составлять не менее трех толщин полимерной пленки армирующих элементов. На наружной поверхности герметизирующей оболочки имеется антиадгезионное покрытие, выполненное из слоя армирующей ленты из высокопрочной термостойкой полимерной пленки, например полиимидной типа ПМ, с нанесенным на одну ее поверхность тонким слоем связующего из менее термостойкого полимера, например фторопласта типа Ф-4, уложенной поверхностью без покрытия наружу.

Для достижения технического результата в способе изготовления трубопровода из композиционного материала, включающем получение герметизирующей оболочки путем намотки на технологическую оправку, на концах которой установлены и закреплены фланцевые законцовки с коническими выступами, плоских армирующих элементов из расчетного количества слоев ленты из высокопрочной термостойкой полимерной пленки, например полиимидной типа ПМ, с нанесенным на обе поверхности ленты тонким слоем связующего из менее термостойкого полимера, например фторопласта типа Ф-4, на наружную поверхность последнего слоя ленты герметизирующей оболочки наносят последовательно слой антиадгезионного покрытия и технологический слой термоусаживающегося материала, например кремнеземной ленты КЛ-1. Термообработку проводят при температуре, превышающей температуру размягчения и расплавления полимера связующего, нанесенного на обе поверхности ленты армирующих элементов, но не превышающей температуру размягчения этой ленты. Согласно предлагаемому изобретению, на цилиндрическую поверхность технологической оправки перед намоткой на нее армирующих элементов наносят путем намотки футеровочный слой, состоящий из расчетного количества слоев ленты из материала, подобного слоям связующего, нанесенного на обе поверхности ленты армирующих элементов. При этом антиадгезионное покрытие выполняют из слоя ленты из высокопрочной термостойкой полимерной пленки, например полиимидной типа ПМ, с нанесенным на одну ее поверхность тонким слоем связующего из менее термостойкого полимера, например фторопласта типа Ф-4, которую наматывают поверхностью без покрытия наружу.

Оправку с намотанными на нее слоями из указанных выше материалов устанавливают в нагревательную печь, в которой температуру нагрева доводят до величины, превышающей температуру размягчения и расплавления прослоек связующего и футеровочного слоя, но не превышающей температуру размягчения армирующих элементов. Такой температурой для высокопрочной термостойкой полиимидной пленки типа ПМ, фторопластовых прослоек и футеровочного слоя является Т=330-360°С.

На фиг.1 изображена схема трубопровода из композиционного материала с фланцевыми металлическими законцовками; на фиг.2 в увеличенном масштабе показан элементарный участок герметизирующей оболочки.

Трубопровод, выполненный из композиционного материала, содержит герметизирующую оболочку 1 из многослойного пленочного пластика с плоскими армирующими элементами 2. Плоские армирующие элементы 2 выполнены в виде ленты из высокопрочной термостойкой полимерной полиимидной пленки типа ПМ и окружены равномерными слоями сваренных между собой прослоек 3 полимерного связующего из менее термостойкого полимера фторопласта типа Ф-4. Внутренняя поверхность герметизирующей оболочки 1 покрыта футеровочным слоем 4, выполненным из материала, подобного полимерному связующему прослоек 3, окружающих армирующие элементы. Снаружи на последний слой герметизирующей оболочки 1 намотан один антиадгезионный слой 5 армирующей ленты из высокопрочной термостойкой полиимидной пленки типа ПМ, с нанесенным на одну ее поверхность полимерным связующим из фторопласта типа Ф-4. Антиадгезионный слой 5 уложен поверхностью без покрытия наружу. Для закрепления герметизирующей оболочки 1 трубопровод содержит фланцевые металлические законцовки 6 с коническими выступами.

Способ изготовления трубопровода осуществляется следующим образом.

На предварительно обезжиренную цилиндрическую поверхность технологической оправки с законцовками 6 с коническими выступами наматывают расчетное количество слоев ленты, толщина которых в сумме составляет не менее трех толщин высокопрочной термостойкой полимерной пленки плоских армирующих элементов 2, из материала, подобного полимерному связующему прослоек 3 фторопласта типа Ф-4, для создания футеровочного слоя 4 герметизирующей оболочки 1. Далее на поверхность футеровочного слоя 4 наматывают расчетное количество слоев плоских армирующих элементов 2, выполненных в виде ленты из высокопрочной термостойкой полиимидной пленки типа ПМ, с нанесенным на обе поверхности ленты тонкого слоя полимерного связующего из фторопласта типа Ф-4, образующего прослойки 3.

Последним наматывают один антиадгезионный слой 5 армирующей ленты из высокопрочной термостойкой полиимидной пленки типа ПМ, с нанесенным на одну ее поверхность тонким слоем полимерного связующего из фторопласта типа Ф-4, который укладывают поверхностью, не покрытой полимерным связующим, наружу, а на него наматывают технологический слой термоусаживающегося материала кремнеземной ленты КЛ-1 (не показан).

После этого оправку с намотанными на нее слоями из указанных выше материалов устанавливают в печь, в которой температуру нагрева доводят до величины, превышающей температуру размягчения и расплавления прослоек связующего и футеровочного слоя, но не превышающей температуру размягчения пленки армирующих элементов. Такой температурой для полиимидной пленки типа ПМ и фторопласта типа Ф-4 является Т=330-360°С.

В процессе выдержки оправки с намотанной на нее герметизирующей оболочкой при данной температуре и последующего ее охлаждения до комнатной температуры под воздействием обжимающих усилий технологического слоя, прослойки полимерного связующего и ленты из полимерной пленки футеровочного слоя сплавляются друг с другом, превращаясь в герметичный и прочный монолит, армированный высокопрочной термостойкой пленкой.

После извлечения из внутренней полости трубопровода технологической оправки и проведения технического контроля трубопровод готов к использованию.

Трубопровод может использоваться для транспортирования различных агрессивных жидкостей и газов и может найти применение в машиностроении, авиастроении, химической, нефтегазодобывающей, аэрокосмической и других отраслях промышленности. Применение для изготовления герметизирующей оболочки термостойких полимерных материалов типа полиимида для плоских армирующих элементов, фторопласта для футеровочного слоя и связующего, имеющих низкую газопроницаемость, позволяет значительно расширить эксплуатационный диапазон. Футеровочный слой позволяет повысить качество внутренней поверхности трубопровода, сгладив “ступеньки”, образующиеся при намотке армирующей ленты, обеспечить низкое трение среды со стенками трубопровода, так как фторопласт имеет один из самых низких коэффициентов трения, и снизить газопроницаемость.

Проведенные с подобными трубопроводами эксперименты и испытания с воздушно-гелиевой смесью, жидким азотом и гелием подтвердили их работоспособность не только при высоких, но и при криогенных температурах.

Использование изобретения позволяет более экологически безопасным и технологичным способом получить высокопрочные, надежно футерованные, герметичные трубопроводы для транспортировки жидкости или газа, находящихся под давлением, экономить металлы путем замены металлических трубопроводов на трубопроводы из композиционных материалов, шире применять в технике криогенное топливо, повысить коррозионную стойкость и долговечность использования трубопроводов из композиционных материалов, что дает большой экономический эффект.

Формула изобретения

1. Трубопровод из композиционного материала, содержащий расположенные по его торцам фланцевые законцовки и закрепленную на них герметизирующую оболочку из многослойного пленочного пластика с плоскими армирующими элементами из высокопрочной термостойкой полимерной пленки, например полиимидной типа ПМ, изготовленную из полимера, имеющего температуру размягчения более высокую, чем у полимера сваренных между собой прослоек связующего, например фторопласта типа Ф-4, окружающих армирующие элементы равномерными слоями и соединенных с этими элементами по их поверхностям, отличающийся тем, что толщина стенки герметизирующей оболочки принимается из расчета обеспечения ее прочности, на внутреннюю поверхность герметизирующей оболочки нанесен футеровочный слой из материала, подобного полимеру прослоек связующего, окружающих армирующие элементы, а на наружной поверхности герметизирующей оболочки имеется антиадгезионное покрытие, выполненное из слоя армирующей ленты из высокопрочной термостойкой полимерной пленки, например, полиимидной типа ПМ, с нанесенным на одну ее поверхность тонким слоем связующего из менее термостойкого полимера, например фторопласта типа Ф-4, уложенной поверхностью без покрытия наружу.

2. Трубопровод по п.1, отличающийся тем, что толщина футеровочного слоя составляет не менее трех толщин полимерной пленки армирующих элементов.

3. Способ изготовления трубопровода из композиционного материала, включающий получение герметизирующей оболочки путем намотки на технологическую оправку, на концах которой установлены и закреплены фланцевые законцовки с коническими выступами, плоских армирующих элементов из расчетного количества слоев ленты из высокопрочной термостойкой полимерной пленки, например полиимидной типа ПМ, с нанесенным на обе поверхности ленты тонким слоем связующего из менее термостойкого полимера, например фторопласта типа Ф-4, последовательное нанесение на наружную поверхность последнего слоя ленты герметизирующей оболочки слоя антиадгезионного покрытия, технологического слоя термоусаживающегося материала, например кремнеземной ленты КЛ-1, и термообработку при температуре, превышающей температуру размягчения и расплавления полимера связующего, нанесенного на обе поверхности ленты армирующих элементов, но не превышающей температуру размягчения этой ленты, отличающийся тем, что на цилиндрическую поверхность технологической оправки перед намоткой на нее армирующих элементов наносят путем намотки футеровочный слой, состоящий из расчетного количества слоев ленты из материала, подобного слоям связующего, нанесенного на обе поверхности ленты армирующих элементов, а антиадгезионное покрытие выполняют из слоя армирующей ленты из высокопрочной термостойкой полимерной пленки, например полиимидной типа ПМ, с нанесенным на одну ее поверхность тонким слоем связующего из менее термостойкого полимера, например фторопласта типа Ф-4, которую наматывают поверхностью без покрытия наружу.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2