Разновидности пластиковых труб и их применение. Технологии производства. Композитные трубы из реактопластичных материалов

Отрасль химического машиностроения с её потребностью в транспортировке различных жидкостей и применении в сложных условиях является основным потребителем композитных и, в частности, армированных волокнами напорных труб. Универсальная форма трубы большого диаметра может быть получена методом вращательного литья. Рубленое волокно пропитано неотвержденными смолами низкой вязкости и высокой смачиваемости, в основном полиэфирными и эпоксидными. Тепловое отверждение затем связывает плотную волокнистую структуру в матрице термореактивной смолы. Разрыв структуры волокна означает, что прочность этих продуктов ограничена прочностью матрицы смолы и связей, которые она создает между волокнами. Присутствие стекла или другого волокна (например, карбон-базальта) может оказать существенное влияние на модуль и жесткость, но вряд ли значительно улучшит прочность; однако композитная структура обладает гораздо большей ударной вязкостью, чем относительно хрупкие термореактивные смолы, которые редко используются в неармированном состоянии.

Несмотря на то, что этот тип труб подходит только для применения при низком давлении, его универсальность в конструкции и его доступность при очень больших диаметрах дают преимущества для систем канализации и дренажа с большим объемом потока. Непрерывно намотанные волокна, удерживаемые вместе в полимерной матрице, обеспечивают структурную прочность, которая определяется свойствами волокна, а не свойствами полимерной матрицы. Это связано с тем, что основные напряжения могут быть размещены внутри оси волоконного слоя без переноса через связующую смолу. Конструкции для высокопрочных цилиндрических конструкций из фиброармированных пластиков (FRP) изначально разрабатывались в аэрокосмической и оборонной промышленности для изготовления лёгких ракетных двигателей и корпусов самолётов. Технологии намотки нитей и пропитки смолой впоследствии были адаптированы для производства труб.

Высокий уровень технической поддержки, предоставленной для разработки этих современных материалов, привёл ко многим аналитическим исследованиям механической прочности композитов, а также исследованию широкого спектра комбинаций волокон и смол. Задача поставщиков труб состояла в том, чтобы адаптировать эту технологию с меньшими затратами и с большими объёмами при сохранении высоких стандартов контроля качества. Предпочтительными материалами для большинства применений армированных пластиковых труб являются стекловолокно и термореактивные полиэфирные или эпоксидные смолы. Преимущества таких усиленных термореактивных материалов с точки зрения характеристик при высоком давлении и высокой температуре привели к их использованию в некоторых очень требовательных применениях. Для большинства применений труб требуются гарантированные рабочие характеристики при постоянных напряжениях при эксплуатации в течение многих лет, поэтому проектировщики труб, как правило, считают доступность данных о долговременных эксплуатационных характеристиках композитного материала и доказанной устойчивости к разрушению под воздействием напряжения, тепла или химических воздействий как более важные, чем любые небольшие улучшения в работе за счёт улучшения механических свойств (например, путём изменения компонентов волокна или смолы).

Физические свойства материалов с содержанием стеклопластика при кратковременных и долговременных напряжениях были тщательно изучены и описаны. Были исследованы режимы отказов и охарактеризована устойчивость к ударным повреждениям. Напорные трубы из стеклопластика и до сих пор широко используются на наземных химических заводах. В отличие от подземных инженерных сетей, такие трубопроводы могут быть легко подвергнуты проверке и техническому обслуживанию. Благодаря применению этих материалов на заводах химического машиностроения было проведено много исследований химической стойкости. Композитные структуры могут иметь сложную реакцию на химическое воздействие, поэтому необходимо учитывать поведение волокон, матрицы и общего интерфейса. Там, где транспортируются газы высокого давления, также необходимо учитывать влияние проникновения газа на композитную структуру. Если газ растворяется под давлением, он может накапливаться и расширяться в любых структурных пустотах или зазорах на границе раздела при снижении рабочего давления с угрозой разрушения материала. Иногда утверждают, что трубы из стеклопластика не могут разрушиться из-за явления «утечки» до разрушения волокна.

В условиях избыточного внутреннего давления матрица смолы испытывает прогрессирующее развитие микротрещин, что в конечном итоге позволяет жидкости проникать между волокнами и появляться на внешней поверхности. Корпус трубы остаётся неповрежденным, потому что утечка начинается задолго до того, как произойдет повреждение волокна. Если давление ещё больше возрастает, потери из-за утечки в конечном итоге становятся настолько серьёзными, что это приводит к снижению давления и, следовательно, напряжения не могут достичь уровня разрушения волокна. Соединение труб, армированных волокном, может представлять трудности. Сварка обычно неосуществима, поскольку непрерывность волокна не может поддерживаться, и поэтому прочность соединения будет уменьшена до прочности материала матрицы. Обычно используются клеевые соединения, и дополнительной прочности можно достичь, оборачивая соединение снаружи пропитанной смолой лентой или волокнистым материалом. Механические соединения включают резьбовые соединения и обычные фланцы.

Усиление термопластичных смол с помощью коротких волокон широко используется в качестве средства повышения жесткости изделия. Прирост прочности, как правило, невелик и может быть выполнен за счёт снижения пластичности. Если волокна очень короткие (менее 1 мм), изделия могут быть изготовлены с использованием обычного оборудования для переработки пластмасс, включая экструзию. Благодаря выравниванию волокон с использованием контролируемого потока полимера на головках экструдеров можно добиться некоторого увеличения прочности. Вращающиеся матрицы могут привести к выравниванию волокон в направлении кольца трубы и, следовательно, повысить сопротивление давлению. Разработка металл-полимерного композита для сантехнических систем малого диаметра состоит из полиэтиленового или полипропиленового внутреннего и внешнего слоёв и среднего слоя трубы с сердечником из алюминиевой фольги около середины стенки. Алюминиевая фольга служит барьером для проникновения кислорода, который может вызвать коррозию металлических компонентов, подключенных к системе горячего водоснабжения. Наличие алюминиевой фольги также вносит изменения в физические свойства трубы.