Содержание к диссертации
Введение
2. Литературный обзор 8
2.1. Полиэтиленовые трубы среди труб из других материалов 8
2.2. Материалы для труб 14
2.3. Свойства трубных сополимеров этилена 21
2.4. Трубы из сшитого полиэтилена 25
2.5. Армированные трубы 30
3. Методы и объекты исследования 37
3.1. Материалы 37
3.2. Методы и приборы 39
3.3. Экструдеры 45
4. Разработка и оптимизация технологических процессов получения труб из мономодальных сополимеров 47
4.1. Ассортимент полиэтиленовых труб из мономодальных сополимеров 47
4.2. Разработка оптимизированного технологического процесса, обеспечивающего переработку мономодальных сополимеров 52
4.3. Оценка качества продукции 59
5. Разработка и оптимизация ассортимента напорных труб из бимодальных сополимеров 73
5.1. Ассортимент 73
5.2. Изучение состава летучих в ПЭ100 76
5.3. Разработка технологического процесса 89
5.4. Оценка качества 91
6. Разработка и оптимизация технологических процессов получения труб из бимодальных сополимеров повышенной вязкости 97
6.1. Ассортимент 97
6.2. Технологический процесс 98
6.3. Оценка качества 103
7. Разработка технологии и создание производства армированных труб из сшитого полиэтилена 112
7.1. Ассортимент 112
7.2. Технологический процесс производства армированных труб 114
7.3. Оценка качества 124
7.4. Освоение производства 126
8. Выводы 130
9. Список литературы 132
10.Приложения 146
- Свойства трубных сополимеров этилена
- Разработка оптимизированного технологического процесса, обеспечивающего переработку мономодальных сополимеров
- Изучение состава летучих в ПЭ100
- Технологический процесс производства армированных труб
Введение к работе
32-7
Актуальность.
В последнее десятилетие происходит интенсивное развитие производства труб из полимерных материалов.
Это во многом связано с тем, что для производства труб разработан новый ассортимент сополимеров с повышенной длительной прочностью. Основу нового ассортимента составили сополимеры этилена с бутеном и гексеном, которые позволили получить трубы с повышенной долговечностью, надежностью, стойкостью к распространению трещин и другими техническими преимуществами и эффективно использовать полиэтиленовые трубы для транспорта холодной и горячей воды, газа, канализации и других применений.
Развитие промышленности и строительства стимулировало создание в России крупнотоннажного производства труб из этих материалов.
Цель работы.
Цель работы состояла в создании оптимизированных технологических процессов производства труб массового спроса из мономодальных, бимодальных сополимеров, бимодальных сополимеров повышенной вязкости и труб из сшитого полиэтилена. Прежде всего, надо было найти технологические решения, обеспечивающие эффективность применения новых видов материалов, решить проблемы, возникающие при использовании новых видов оборудования, и использовать полученные решения в целях эффективной организации производства.
Научная новизна.
Разработана схема целенаправленного применения основных видов сополимеров, на основе которой выработаны рекомендации по ассортименту труб, который целесообразно изготавливать из каждой группы материалов.
В дополнение к общепринятой системе оценки качества труб разработана система оценки качества технологического процесса по данным статистического контроля кристалличности полимера, термостабильности, стабильности текучести расплава и геометрических параметров труб.
Впервые при изготовлении труб из сополимеров этилена с гексеном была обнаружена проблема наличия в готовом продукте примесей остаточного мономера. Установлено, что в ходе синтеза, наряду с процессом пДлде$р#додВД{@к$^ h этилена,
I БИБЛИОТЕКА... і
1 C.fltxKffnr%YI ,
41 г ... т
протекают побочные реакции ди- и тримеризации гексена. Образовавшиеся димеры и тримеры формируют высокотемпературную летучую фракцию, которая приводит к возникновению дефектов в готовой трубе. Разработаны и применены на практике рекомендации по сокращению количества летучих методом высокотемпературной сушки.
При разработке армированных напорных труб из сшитого полиэтилена удалось показать возможность создания работоспособной армированной трубы без решения проблемы адгезии армирующего волокна к полиэтиленовой несущей трубе путем создания методом плетения самостоятельных устойчивых армированных систем.
Для армированных труб получены новые данные о механизме разрушения, которые показывают, что для разрушения трубы необходимо реализовать разрушение как несущей трубы, так и совокупности армирующих нитей.
Установлено, что для многослойных армированных труб реализуется одновременно механизм пластического разрушения внутренней трубы из сшитого полиэтилена и хрупкого для наружной полиэтиленовой оболочки.
Практическая значимость.
Практическая значимость работы состоит том, что на базе разработанных процессов построено 5 трубных заводов в России, Украине и Беларуси (шестой завод, в Саратове, будет пущен в эксплуатацию в июле 2006 г.) общей мощностью более 100 тыс.т/год. В 2005 году производство составило более 46 тыс. тонн, что составляет около 30% от общего Российского объема производства.
Впервые в мире в одном технологическом процессе совмещены производство длинномерных труб из сшитого полиэтилена, их армирование, а также процесс их непрерывной теплоизоляции. Организовано производство труб мощностью до 1000 км в год. Трубы использованы для сетей отопления и горячего водоснабжения г. Москвы и других регионов.
Разработаны технические требования, и впервые в России организовано производство на ООО «Ставролен» (г. Буденовск Ставропольского края) гексенового сополимера этилена средней плотности в классе полиэтилена 80.
Разработаны технические требования, изготовлен и эксплуатируется первый отечественный прибор для оценки сопротивления быстрому распространению трещин УИТ-1.
Разработан и освоен в серийном производстве ассортимент газораспределительных труб на давление газа до 12 бар. Трубы получили разрешение Гостехнадзора России и Росстроя на серийное применение.
Разработаны технические требования на плетельные машины с 96 и 48 веретенами для армирования труб диаметром до 225 мм. Машины изготовлены и в настоящее время используются для промышленного производства армированных труб из сшитого полиэтилена.
Апробация работы.
Основные материалы, представленные в диссертации докладывались на следующих конференциях:
Международная научно-практическая конференция по
использованию достижений науки и техники в развитии городов
(ICSEC96), Москва.
Международная конференция «Пластмассовые трубы XI» (2001,
Мюнхен, Германия).
Международная конференция «Центральный и Восточноевропейский рынок и технологии пластмассовых труб» (Венгрия,
Будапешт, 2003).
Международная конференция «Сшитый полиэтилен - 2006»
(2006, Брюссель, Бельгия).
Международная конференция «Пластмассовые трубы. Рынок.»
(Чехия, Прага, 2006);
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 11 статей в журналах, 3 - в трудах научных конференций.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, литературного обзора, методической части, экспериментальной части (включающей 4 главы), заключения, выводов и списка литературы.
Работа изложена на 149 страницах, включая 44 рисунка, 26 таблиц.
Свойства трубных сополимеров этилена
Классификация марок полиэтилена по плотности в соответствии с требованиями ASTM 1248 дает три градации: плотность при 20 градусах в г/см 0,940-0,970 - сополимеры с а-олефинами, которые относятся к полиэтиленам высокой плотности. Вторая категория - плотность 0,926-0,940 - сополимеры этилена с а-олефинами, которые относятся к полиэтилену средней плотности. Третья категория - 0,926-0,935 - полиэтилен низкой плотности.
Одновременно с этим отмечается линейная связь между кристалличностью и плотностью.
Фирма BASELL отмечает, что трубные материалы относятся к наиболее высокомолекулярным и наиболее плотным и с ними в этом смысле конкурируют только пленочные марки и материалы для раздувания, имеющие очень высокие уровни и плотностей и низкие уровни показателей текучести расплава.
Сравнение зависимостей модуля сдвига для линейного полиэтилена высокой плотности как функции температуры и одновременно для сшитого полиэтилена при его сшивании различными способами, а именно иононизирующим излучением, силанольным и перекисным сшиванием для различных видов соединений, показывает, что модуль с температурой выходит на разные уровни в зависимости от плотности сшивки. Это подтверждает, что существует два понятия, которые характеризуют сшивание - степень сшивания и плотность сшивания тех молекул, которые связаны в сетку.
В работе Г. Суиса [83, 84] рассмотрены вопросы, связанные с сопротивлением быстрому распространению трещин.
Показано, что быстрое распространение трещин - это проблема, характерная не только для пластмасс. Быстрое распространение трещин наблюдается и в стальной трубе со стенкой толщиной 25 мм, разрушение идет с большим раскрытием, которым сопровождается быстрое распространение трещин.
Скорость роста трещин в полиэтилене 100 настолько мала, что для определения срока его службы компанией «Бритиш газ» разработан специальный метод, так называемый нотч-тест, который представляет собой испытание на прочность под действием гидростатического давления предварительно надрезанной трубы. Смысл испытания состоит в создании V-образного надреза, концентрация напряжения в котором инициирует медленный рост трещины.
Практически используются 2 метода испытаний, оценивающие быстрое распространение трещин. Полномасштабный метод испытаний, разработанный компанией «Бритиш газ», оперирует трубами натуральной величины, порядка 15 м и труден в лабораторной практике. Как альтернатива ему был разработан метод так называемый S4, предложенный ИМПЕРИАЛ КОЛЛЕДЖ (Великобритания) [85]. В этом методе образование трещины инициируется ударом острого бойка по образцу трубы. Результаты испытаний по этому методу показывают, что критическое давление для ПЭ100 при 0 превышает 10 атмосфер против 1,7 для стандартного унимодального полиэтилена средней плотности, т.е. полиэтилена 80.
В таблице 2.8 приведены характеристики бимодальных сополимеров в ранге полиэтилена 100. Здесь 7 бимодальных сополимеров, 6 из них гексеновые сополимеры и 1 бутеновый. Данные по величине модуля упругости, напряжения при пределе текучести и что самое интересное, по средне-весовой молекулярной массе и ширине молекулярно-массового распределения характеризуемой отношением средне-весовой молекулярной массы к средне-численной показывают, что в рамках одной технологии трудно широко регулировать механические свойства полимера.
Интересен результат о существующей корреляции действительной кратности вытяжки и времени до разрушении в часах, которая показывает, что длительность разрушения прямо связана с процессом перехода материала в шейку.
Механизм, ведущий к разрушению в ходе медленного распространения трещины в полиэтилене может быть разделен на несколько элементарных процессов. На первом этапе идет образование микрополостей в виде пустых микрообъемов под влиянием высоких трехмерных напряжений, которые возникают вблизи дефекта или вблизи острого надреза.
Предполагается, что для этого необходимо критическое напряжение, которое называется критическим напряжением дилатации.
Дилатационное напряжение, вызывающее образование трещины обратно пропорционально величине радиуса в вершине дефекта и пропорционально длине пластичной зоны, расположенной между вершиной надреза и первой полостью.
На следующей стадии микрополости коалесцируют в большие полости, фибриллы, которые соединяют стенки этих полостей, напрягаются и растягиваются вдоль главного направления сил, и в этой точке начинается формирование крейзов.
Образование поверхности разрушения происходит тогда, когда фибриллы начинают разрушаться.
Скорость, определяющая шаги распространения трещин, определяется или образованием первоначальных крейзов, т.е. воздействием критического делатационного напряжением или разрушением фибрилл.
Розе с соавторами [86] предположил, что для полиэтилена ползучесть определяется фибриллами и скоростью распространения трещин вследствие ориентационного эффекта, т.е. эффекта ужесточения материала, который проявляется в том, что напряжение при разрушении больше, чем напряжение при пределе текучести.
Продолжительность испытания может в значительной степени определяться и временем образования первоначальных трещин [87] в зависимости от геометрии надреза и критических напряжений дилатации, образующих трещины.
Таким образом, на основе опубликованных подробных структурно-механических исследований очевидно, что особенности разрушения в трубных материалах и проблемы совершенствования трубных материалов являются одной из ветвей проявления общих закономерностей механики разрушения полимеров. Выбор процесса, определяющего долговечность трубы, происходит сейчас между двумя стадиями процесса разрушения -стадией образования первичных полостей и стадией разрушения тяжей. Одна группа специалистов отдает главную роль времени, необходимому для образования первичных крейзов, например, А. Чудновский [88, 89], вторая группа говорит о том, что надо подробно изучать долговечность тяжей и именно это время определяет долговечность и ситуацию в крейзах. Однако все это только подчеркивает, что к решению проблемы долговечности полимерных труб могут быть прямо подключены известные методы механики разрушения. Проф. Н. Браун (США) [90, 91, 92, 93, 94, 95, 96] подчеркивает возможность использования традиционных методов, определяющих ударную прочность пластмасс на образцах с надрезом, например, по Изоду, для того чтобы оценивать долговременные свойства с надрезом в полимерных трубах. В последнее время такая же тенденция проявилась и в Европе [97, 98, 99].
В настоящее время в международных стандартах выбор трубы для конкретного применения производится по двум критериям:
1. долговременная прочность при гидравлическом нагружении;
2. критическое давление, вызывающее быстрое распространение трещин, которое подробно исследовано различными группами исследователей [100, 101, 102, 103]. Естественно, эти методы, прежде всего, необходимы для газовых труб, но, тем не менее, они существенны и в трубах для воды.
Например, в работе И.В. Гвоздева показан пример быстрого распространения трещин, которое возникает не при работе, а при опрессовке полиэтиленовых труб в водоводах большого диаметра [104].
Разработка оптимизированного технологического процесса, обеспечивающего переработку мономодальных сополимеров
Для выработки требований к высокопроизводительному экструзионному процессу мономодальные сополимеры были переработаны на имевшихся технологических линиях разработки УкрНИИпластмаш, изготовленных киевским заводом «Большевик». Линии ЛТ-63 и ЛТ-45 показали возможность выпуска качественной продукции с производительностью 150 кг/час и 100 кг/час соответственно, линия ЛТ-90 - 350 кг/час. Линия ЛТ-90 позволяла изготавливать трубы с диаметром до 225 мм, а экструдер фирмы «Баттенфельд» с диаметром шнека 120 мм, отношением длины к диаметру 25 - трубы диаметром 500 мм.
Опробование позволило определить конструктивные особенности экструзионных линий, обеспечивающие получение качественных труб при повышенных производительностях, дало исходные данные для проектирования высокопроизводительного инструмента, калибров, систем вакуумного калибрования, охлаждения и намотки. Анализ предполагаемых конструктивных и технологических решений показал возможность перехода на более высокие скорости экструзии и целесообразность объединения на одной высокопроизводительной линии более широкого ассортимента труб.
Разрабатываемый высокопроизводительный процесс базировался на выборе экструдеров серии «Протон» фирмы «Цинциннати Экстружен» по универсальному показателю эффективности работы разнотипных экструдеров: 4х = отношение производительности на один оборот шнека к объему витка шнека в зоне загрузки.
Из таблицы видно, что производительность экструдеров серии «Протон» в 2-2,5 раза выше за счет применения барьерного шнека и рациональной конструкции рифленой втулки. Из известных типов экструзионных головок, выбраны головки с винтовым распределением расплава по периметру трубной заготовки. Такие головки обеспечивают оптимальные условия формования при повышенных скоростях экструзии.
В таблице 4.4 приведены характеристики пяти разработанных технологических линий, а в таблице 4.5 - перечень разработанного для них инструмента.
В созданных технологических линиях применены секционные калибры с гильзами из металла с высокой теплопроводностью и с интенсивно охлаждаемой зоной входа трубной заготовки в калибр. Секционность калибра позволила изготавливать на нем трубы с различными SDR от весьма толстых (SDR 9) до тонкостенных оболочек (SDR 81). Применение удлиненных вакуум-калибрующих систем позволило избежать овализации труб при повышенных скоростях отвода трубы.
По данным рис. 4.3а видно, что проведенные работы позволили не только существенно поднять производительность процесса по сравнению с ранее использованным (линии ЛТ-90 и Баттенфельд 120), но и сделать её практически не зависимой от диаметра трубы. Так на трубах диаметром ПО мм и выше производительность определяется только производительностью экструдера.
В ходе опытных работ были разработаны рекомендации по технологическим режимам, обеспечивающим производительность технологического процесса и качество труб на уровне требований стандартов. Эти режимы были затем реализованы на технологических линиях с использованием экструдеров серии «Протон» (табл. 4.6).
По данным рис. 4.3, где приведена зависимость производительности процесса экструзии от диаметра трубы в сравнении с данными ранее использованного процесса (линии ЛТ-63 и ЛТ-90) видно, что производительность разработанного процесса удалось повысить в 1,5-2 раза за счет применения барьерного шнека, рифленой втулки и обратного температурного профиля.
В ходе отработки технологического процесса была произведена проработка технических деталей элементов технологических линий, которая дала возможность перевести изготовление ряда элементов линий по чертежам разработчика процесса, что позволило повысить наделшость и сократить объем затрат при организации аналогичных линий на Рубежанском, Чебоксарском и других трубных заводах.
В таблице 4.7 и на рис. 4.4 приведены данные по достигнутой в ходе формования меньшей величине допуска на толщину стенки, характеризующей точность соблюдения технологического процесса для труб различного диаметра. Меньшая величина допуска была реализована благодаря сочетанию механического и термического регулирования ширины зазора на головке.
Изучение состава летучих в ПЭ100
Один из видов ПЭ100 представляет собой СПЛ этилена с гексеном. Полимер получают радикальной полимеризацией этилена. Примеси могут попадать в готовый продукт из сырья. Этилен для производства полимеров и СПЛ может содержать водород, окись углерода, кислород, метан, углеводороды С2-С5, ацетилен, воду. Эти примеси естественно ухудшают свойства готового продукта. Поэтому сырье для производства ПЭ подвергается анализу на содержание указанных примесей. Кроме того, примеси могут образовываться и в процессе синтеза, в случае отклонений в технологическом режиме.
Традиционно принято производить брутто-оценку количества летучих методами динамического и изотермического ТГА [123]. При динамическом нагреве образца удается оценить температурный диапазон выделения летучих (в некоторых случаях удается разделить выделение растворителя, воды и низкомолекулярных фракции), определить начало деструкции самого полимера, температурный диапазон в котором происходит разложение материала, оценить температуру, отвечающую максимальной скорости разложения, содержание коксового остатка [122]. Эти характеристики важны для оптимизации режимов переработки и эксплуатации материалов в изделиях. На рис. 5.1 представлены результаты динамического ТГА/ДТА в токе аргона ПЭЮО (инертная среда позволяет исключить вклад термоокислительных реакций):
- кривая ТГА №1 представляет собой массовые потери исходного образца (гранулы ПЭЮО),
- кривая ТГА №2 - гранулы ПЭЮО после прогрева в вакууме при температуре 215 (температура выбрана исходя из температурного профиля при экструзии труб из ПЭЮО - 185-215С).
Кривая ТГА №1 наглядно демонстрирует, что массовые потери в образце обнаруживаются при температуре около 100, при 100 они уже составляют 0.2% (Анализ содержания влаги по ГОСТІ 1736 методом сушки в термошкафу при 115С показал 0.16%), т.е. при температуре 100 наблюдается в основном улетучивание поверхностной влаги. При нагреве образца до температуры плавления (133 - кривая ДТА) массовые потери монотонно увеличиваются и при 200С составляют 1.2%, а при 250С -2.0%. Начало разложения ПЭЮО обнаруживается выше 400С, максимальная скорость разложения в интервале 450-500С. Характер разложения одностадийный [124], содержание коксового остатка при 500С составляет около 3 мас.%.
Кривая ТГА №2 представляет собой результат динамического ТГА ПЭ100, подвергнутого термообработке при 215С в течение 1 часа в динамическом вакууме с целью удаления низкомолекулярных летучих продуктов (примесей). Результаты анализа наглядно демонстрируют, что при термообработке в динамическом вакууме удается практически полностью удалить низкомолекулярные примеси из ПЭ100. Термостабильность (начало массовых потерь, интервал деструкции и др. термические характеристики) полимера при этом не изменяется.
Как было сказано выше, ТГА/ДТА позволяет оценить брутто-эффекты десорбции летучих продуктов, но не позволяет идентифицировать их состав. Обычно, для идентификации состава используют РЖ-спектроскопию, различные виды хроматографии (газовую, жидкостную, ТСХ), ЯМР-спектроскопию и масс-спектрометрию [127, 128]. Все указанные методы, за исключением прямого масс-спектрометрического анализа требуют предварительной подготовки проб. Подготовка проб включает в себя выделение и концентрирование летучей фракции. Для этого можно использовать методы десорбции или экстракции. В нашем случае предпочтителен метод десорбции, т.к. он не привносит в анализ дополнительный компонент (растворитель), выбор которого при неизвестном составе летучих продуктов достаточно сложен, а универсального растворителя (экстрагента) не существует.
Для выделения летучих продуктов использовали ампульную методику, описанную в литературе, касающейся деструкции и ингибированного окисления полимеров [125, 126]. Стеклянная ампула специальной конструкции представляет собой зону загрузки образца и длинный отвод для сбора летучих продуктов. Образец (навеску гранул ПЭ100) помещали в ампулу, ампулу вакуумировали и запаивали. Затем, ампулу помещали в печь нагретую до 215С таким образом, что зона с образцом находилась в печи, часть отвода при комнатной температуре, а часть опускали в жидкий азот. Эксперимент продолжался в течение 1 часа. Затем отвод, в котором скапливались жидкие и маслообразные фракции отпаивали. Ампулу доставали из печи и охлаждали. Анализировали раздельно летучие газообразные и жидкие (маслообразные) продукты.
Для анализа газообразных продуктов использовали метод ИК-спектроскопии с газовой кюветой [127, 128]. В вакуумированную газовую кювету перепускали газообразные вещества из ампулы. Оригинальный РЖ-спектр приведен на рис. 5.2. Обнаруженные полосы поглощения при 2857-2957 (СН3-СН2-1) ) и 1467-1379 (СН2-СН3-5)см-1 характерны для алифатической цепочки предельных углеводородов.
Для анализа состава жидких (маслообразных) отгонов использовали метод высокоэффективной жидкостной хроматографии ВЭЖХ (оригинальная хроматограмма приведена на рис.5.3.) и масс-спектрометрии на прямом вводе в ионный источник и в варианте хромато-масс-спектрометрии [129]. В качестве эксперимента сравнения был проведен прямой опыт при котором в ампулу, размещенную непосредственно в камере ионизации помещали не жидкую фракцию, выделенную из ПЭ100, а саму гранулу.
Анализ жидких отгонов методом ВЭЖХ (рис.5.3) позволил обнаружить антиоксиданты, использованные при синтезе ПЭ100. Это фенольный антиоксидант (Пентаэритритол тетракис(3-(3,5-ди-трет-бутил-4-гидрокси-фенил)пропионат) и фосфит трис(2,4-ди-трет. Бутилфенил)фосфит).
Масс-спектрометрический анализ при вводе гранулы ПЭ100 непосредственно в ионный источник масс-спектрометра (рис.5.4) подтвердил данные ВЭЖХ.
Набор характеристических ионов 57-441-647 m/z отвечает фенольному антиоксиданту, а 191-147 m/z фосфиту. Ряд 57-71-85-97-129 соответствует углеводородной цепи.
Результаты анализа жидких отгонов на прямом вводе приведены на рис. Жидкая фракция характеризуется очень высокой летучестью. Если сравнить кривые полного ионного тока при анализе гранулы ПЭ100 и жидких продуктов, то следует отметить, что улетучивание жидких продуктов наблюдается практически сразу при вводе пробы в ионный источник, т.е. при температуре около 50. В спектрах наблюдается полный набор вышеуказанных характеристических ионов, обнаруженных при анализе гранулы ПЭ100.
Для разделения смеси компонентов (углеводородов) использовали метод хромато-масс-спектрометрии, который позволяет перед непосредственно масс-спектрометрическим анализом разделить продукты на хроматографической колонке (использовали универсальную колонку с хроматографической фазой SE30). В данном методе в режиме "on line" совмещены газовый хроматограф и масс-спектрометр. Пробу жидких отгонов закалывали в испаритель хроматографа, который нагревали по программированному режиму (1 мин при 40, 5 мин до 100, 10 мин до 250 и 10 мин выдерживали при 250). Режим был выбран после анализа летучести продуктов при анализе на прямом вводе, при котором пробу нагревали от 50 до 250 со скоростью 10 7мин так же, как и при динамическом ТГА/ДТА.
На рис. 5.7 приведена оригинальная хроматограмма, которая состоит из 22 пиков. С помощью математической обработки были рассчитаны площади пиков, что соответствует доле каждого компонента в смеси (в %) и отношение содержания каждого компонента (в %) к основному веществу, взятому за 100%. Таким образом, были выделены 8 наиболее интенсивных пиков в хроматограмме, для которых записали масс-спектры и провели поиск в базе данных прибора. В качестве примера на рис.5.8 (а,б) представлены масс-спектры для двух идентифицированных веществ - гептана и додекана. Одновременно с оригинальным масс-спектром пробы приведен спектр из библиотеки со сходимостью более 90%. Таким образом, были идентифицированы следующие компоненты смеси углеводородов. В табл. 5.2 представлен состав основных продуктов, содержание каждого компонента в смеси, время выхода на хроматограмме и температура кипения.
Технологический процесс производства армированных труб
Технологический процесс производства трубы РЕХ сложился из следующих операций: приготовление рабочей смеси на базе полиэтилена Lupolen 5261 ZQ 456, пероксида и стабилизатора; подготовка рабочего инструмента с помощью нанесения защитных покрытий; экструзия композиций на RAM-экструдере, вакуумная калибровка и охлаждение; процесс со-экструзии с нанесением клеевого и барьерного слоев; намотка на барабан готовой трубы.
После разработки технологии производства труб большого диаметра общий ассортимент труб из сшитого полиэтилена существенно расширился (см. таблицу 7.1).
Если для труб малого диаметра значение SDR не является критическим, то при переходе к трубам диаметром 90 мм и больше толщина стенки вырастает значительно, что приводит к снижению проходного сечения и падению производительности трубопровода.
В связи с вышеизложенным специалистами теплоэнергетического хозяйства была поставлена задача по созданию ассортимента труб с увеличенными проходными сечениями, способных работать в сетях с температурой до 95 и давлением до 10 атм. Наиболее естественным решением поставленных задач было создание технологии производства армированных труб на базе существующего производства труб из сшитого полиэтилена.
Работы выполнялись в два этапа [142]. На первом этапе проводились работы по армированию труб с SDR 11 с легкой защитой наружной армированной поверхности трубы, что представлялось возможным, поскольку в дальнейшем поверхность защищалась прочной пеной из пенополиуретана толщиной 25-35 мм и защитной наружной оболочкой из полиэтилена толщиной 3-4 мм. Проведенные расчеты показали, что основные процессы армирования можно осуществлять на плетельных машинах большого диаметра с 96 или 48 веретенами. В соответствие с этим было разработано техническое задание на изготовление оплеточных машин, позволяющих оплетать трубы диаметром до 225 мм. Характеристики машины приведены ниже.
Модуль предназначен для оплетки полимерных труб.
Число веретен - 96 шт., 48 пар, ось оплетки - горизонтальная.
Число осевых нитей с вплетениями между нитями основы - 24.
Период оборота веретена от 4-100 (80) секунд (15 оборотов до 0,6(0,75) об/мин).
Диаметр оплетаемой трубы от 32 до 225 мм (32, 40, 50, 63, 75, 90, ПО, 125,140,160,180,200,225).
Объем устанавливаемой катушки веретена 800 см (обеспечивающих вместимость на катушку не менее 500 г волокна при 70% заполнении катушки нитью.
Текс, применяемый для оплетки нитью, 167-330-660.
Высота горизонтальной оси экструдера равна 110 мм.
Модуль входит в состав технологической линии, поэтому выполняется без тянущих устройств.
Аналогичные характеристики имеет модуль оплетки труб с 48 веретенами, однако максимальный оплетаемый на нем диаметр трубы составляет 160 мм.
На рис. 7.2 показана плетельная машина с 96 веретенами, а на рис. 7.3 -место плетения на машине с 48 веретенами.
Были изготовлены опытные образцы машин с 96 и 48 веретенами, которые после проведения опытных работ показали полную работоспособность и были рекомендованы для серийного производства армированных труб. В качестве армирующей нити были рассмотрены нити из полиэфира производства Могилевского ПО «Химволокно» с уровнем разрывных нагрузок 60 г/текс и нити из волокна кевлар производства фирмы Дюпон (США) с уровнем разрывных нагрузок 200 г/текс. Волокна кевлар по сравнению с полиэфирными волокнами имели не только повышенную прочность, но и более высокую теплостойкость, что было особенно существенно для создания армированной системы, работающей при высоких температурах. В итоге для армирования было выбрано волокно кевлара 29 марка № 965 с небольшой круткой с линейной плотностью 167 текс, 330 текс и 660 текс. Был произведен расчет схемы армирования труб диаметром от 90 до 160 мм волокнами различной линейной плотности, и было показано, что расход волокна кевлар на метр армированной трубы является небольшим, а расстояние между соседними нитями составляет 4-10 мм (см. таблицы 7.2 и 7.3). Свойства волокна кевлар приведены в таблице 7.4.
На основании этого был разработан технологический процесс получения армированных труб с SDR внутренней трубы равным 11 (труба Джи-Пекс А). Процесс был реализован на заводе «Газтрубпласт». Данные по расходу армирующего волокна на погонный метр трубы приведены в таблицах 7.2 и 7.3. На рисунке 7.4 показана технологическая операция производства РЕХ-трубы с SDR 11, на рисунке 7.3 показана операция плетения армирующей оболочки на поверхности трубы, на рисунке 7.5 показана операция нанесения тонкого защитного слоя на поверхность армированной трубы. В дальнейшем трубы наматывались на барабаны (рис. 7.6) и направлялись на операцию нанесения теплоизолирующего полиуретанового покрытия и защитного слоя полиэтилена. Общий вид трубы после нанесения защитных покрытий показан на рисунке 7.7.
