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

Для горячего водоснабжения используются марки PEX, PE-RT, PP-R и PP-RCT. Первый продукт на основе сшитого полиэтилена был разработан Kitechnology в 1990 году. Специалист Боуман также сообщил о свойствах и применении этого материала. Патенты и лицензии были переданы организации Uponor-Unicor, что привело к разработке продукта под названием Unipipe. Полипропиленовые металлопластиковые трубы были разработаны уже в начале нынешнего века. Растет интерес и к производству армированных термопластичных шлангов на постоянной основе. Наиболее широко используемые шланги высокого давления представляют собой композитные конструкции, предназначенные для создания гибкого трубчатого соединения в жидкостных системах высокого давления. Сдерживание давления достигается за счет включения текстильных волокон или стальных проволок, которые могут нести высокие напряжения, в то время как эластомерные или пластиковые компоненты, по существу, защищают волоконные или проволочные структуры и действуют в качестве уплотнения от проникновения жидкости.

Шланговая технология давно применяется для изготовления трубок малого диаметра для гидравлического применения, которые могут выдерживать давление порядка десятков МПа. Совсем недавно в нефтегазовой промышленности появился рынок шлангов большого диаметра с растущим использованием гибких соединительных труб, соединяющих подводные устья скважин с поверхностными конструкциями. Такие «стояки», как их называют, должны быть в состоянии справиться с экстремальными условиями как внутренней, так и внешней среды. Переносимая жидкость может содержать смесь химически активных углеводородов и коррозионных газообразных компонентов при температурах до +200 °С и давлениях до 10 МПа. Внешние механические напряжения также могут быть высокими и динамичными, например, в результате движений морской воды. Такие серьезные эксплуатационные требования удовлетворяются сложными формами строительства, но критичность этих элементов при добыче нефти и газа означает, что приходится выбирать дорогостоящие формы строительства.

Совсем недавно были разработаны более простые формы шлангообразных конструкций для расширения возможностей термопластичных трубных материалов, работающих под давлением. Например, была изготовлена полиэтиленовая труба, содержащая арамидные волокна, которая позволяет работать под давлением примерно в десять раз больше, чем обычная полиэтиленовая труба. В отличие от обычных трубных материалов, армированных длинными волокнами, этот тип конструкции не связывает волокна в матрицу, и поэтому сохраняется высокая гибкость полиэтиленовой трубы, что позволяет сохранить основное преимущество подачи непосредственно с катушки. Способность выдерживать повышенное давление трубами этих типов можно просто оценить, сравнив уравнения, которые описывают предел прочности на разрыв нормальной неармированной стенки трубы с прочностью на разрыв спирально намотанного непрерывного волокна и стенки трубы. Сравнение уравнений иллюстрирует тот факт, что ограничение давления в обычной трубе ограничено механической прочностью материала стенки трубы и её толщиной, тогда как труба или шланг с намотанной нитью может выдерживать давление до предела, определяемого прочностью волокна и количеством обмоток.

Прочность волокон обычно может примерно в 100 раз превышать прочность эквивалентного неориентированного полимера. Для защитной оболочки под высоким давлением толщина стенок для неармированных пластиков станет неэкономичной и нереальной с технической точки зрения. Высокая прочность, достижимая благодаря армированию волокнами, оправдывает дополнительные производственные затраты. Чтобы получить максимальную прочность и избежать изменений диаметра и длины при изменении внутреннего давления, существует критический угол намотки 54°, нейтральный угол, при котором армирующие волокна могут переносить практически все создаваемые давлением напряжения без какого-либо напряжения на стенки. Если угол больше, давление будет увеличивать длину шланга, пока не будет достигнут нейтральный угол. Если угол ниже, диаметр шланга будет увеличиваться, пока не будет достигнут нейтральный угол. Поэтому обычной практикой является наматывание армирующих волокон или проводов под этим нейтральным углом. Затем прочность трубы определяется прочностью волокна и геометрией и практически не зависит от свойств материала стенки пластиковой трубы. По сути, пластиковая стенка действует только как уплотнение для предотвращения потери жидкости.

Традиционные гидравлические шланги высокого давления изготавливаются с широким разнообразием форм плетения с использованием сложной технологии производства. Трубы из армированного термопластичного полиэтилена, производимые в настоящее время некоторыми компаниями, такими как Tubes d’Aquitaine, Wellstream и Pipelife, используют более простую форму конструкции, которая обеспечивает практически непрерывное производство труб. Это включает совместную экструзию полиэтилена поверх спирально намотанных арамидных или стеклянных волокон, скрученных вместе в виде ленты. Использование полиэтиленовой ленты в качестве носителя для нескольких волокон значительно упрощает процесс намотки волокна по сравнению с традиционным плетением, используемым для гидравлических шлангов и стеклопластиковых труб из непрерывного волокна. Эти новые формы конструкции обещают увеличить рабочее давление обычных пластиковых труб, сохраняя при этом значительные преимущества при монтаже, такие как низкая стоимость, сворачиваемость, малый вес и коррозионная стойкость. Как и во всех составных формах труб, способы соединения и значимость любых дефектов становятся основными проблемами, которые определяют эксплуатационную приемлемость.

Трубы в настоящее время соединяют болтовыми соединениями и фланцами из нержавеющей стали или алюминия. Сварное соединение было бы идеальным, но отсутствие непрерывности волокна при стыковой сварке означает, что прочность и герметичность будут потеряны. Электросварка с большой площадью сварного шва, подвергнутого только сдвиговому напряжению и содержащая нагревательный элемент, который действует как армирование, является возможным способом соединения труб. Соединение должно выполняться комбинированным стыковым сварным швом и электросварным швом, где стыковый сварной шов служит для герметизации волокнистой структуры от проникновения жидкости под высоким давлением. В основном используется электросварное соединение для армированных стекловолокном полиэтиленовых труб. А вот полипропиленовые трубы допускается сваривать обычным методом термосварки. В настоящее время использование таких труб направлено на приложения, связанные с транспортировкой нефтепродуктов, но могут быть предусмотрены и другие виды применения, связанные с высоким давлением воды, такие как глубокие скважины или снабжение в горных районах, включая напорные системы высокого давления.