Изобретение относится к полимерным трубам, армированным металлическим каркасом, а также к способу их производства и к оптимальным вариантам использования. Прочность металлического каркаса и химическая стойкость полимерной матрицы позволяет использовать металлополимерные (металлопластовые) трубы в различных областях народного хозяйства, в частности, для транспортировки нефти и газа, кислот, щелочных продуктов, питьевой и технической воды, а высокая стойкость к абразивному износу позволяет применять их при транспортировке агрессивных и нейтральных пульп, и в качестве обсадных труб, например при подземном выщелачивании породы.

Уровень техники

Из уровня техники известна металлополимерная армированная труба, содержащая сварной металлический каркас и полимерную матрицу, описанная в авторском свидетельстве СССР: SU1366757, опубликованном 15.01.1988. Недостатком данной трубы является сложная составная конструкция полимерной матрицы, которую получают в два этапа. Сначала формируют внутренний слой полимерной матрицы, в который погружают металлический каркас, а затем формируют верхний покрывающий слой термопласта. При этом внутренний и внешний слой трубы снабжают сложным рельефом поверхности для взаимного зацепления рельефов и фиксации одного слоя на другом.

Более простой и прочной является металлополимерная армированная труба, известная из патента Великобритании GB2277975, опубликованного 16.1 1.1994. Указанная труба имеет монолитную термопластичную полимерную матрицу, преимущественно, кристаллического строения, полученную путем экструзии, и армирующий металлический каркас, выполненный из продольных армирующих элементов и, как минимум, из двух поперечных спиральных армирующих элементов. Недостатком данной трубы является невысокая длительная прочность при термоциклических нагружениях.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является металлополимерная армированная труба, описанная в авторском свидетельстве СССР SU929951, опубликованном 23.05.1982, содержащая сетчатый металлический каркас, жестко скрепленный сваркой в точках пересечения армирующих элементов, и полимерную матрицу, полученную методом экструзионного формования. При этом для увеличения сопротивления радиальным нагрузкам, толщина внутренней и наружной стенки выбрана в интервале 0,2-Ю,8 от толщины каркаса.

Однако, как установлено на практике, прочность металлополимерной армированной трубы, в частности, ее способность к сопротивлению радиальным нагрузкам, определяется не столько соотношением толщины армирующего каркаса и толщины стенки трубы, сколько способностью пары «металл-полимер» релаксировать внутренние напряжения, возникающие под действием на трубу нагрузок, что позволяет сохранить целостность полимерной матрицы, не допуская растрескивания тела трубы.

В процессе производства трубы металлический каркас и полимер нагревают до одинаковой температуры. При последующем охлаждении их с равными (близкими по величине) градиентами происходит усадка и металла, и полимера, однако, усадка полимера в процентном отношении выше. Таким образом, после охлаждения остается зазор между металлическим каркасом и полимерной матрицей, который позволяет элементам конструкции находиться во взаимно сбалансированном состоянии, то есть, в частности, при воздействии нагрузок на каркас, полимер позволяет каркасу упруго деформироваться, релаксируя возникающие напряжения. Кроме того, наличие зазора позволяет полимеру релаксировать, не образуя крупные сферолиты в течение длительного времени. В этой связи, чем больше полимера в поперечном сечении трубы, тем ниже его относительная способность релаксировать возникающие напряжения. То есть, увеличение толщины внутреннего и/или внешнего слоя полимера, как написано в авторском свидетельстве SU929951 , не позволяет повысить прочностные качества трубы.

С другой стороны, существенное уменьшение толщины слоя полимера на каркасе трубы недопустимо, так как для технологических целей требуется определенный минимальный габарит тела полимерной матрицы, например, для монтажа трубопровода или колонны труб, а также для возможности ремонта трубопровода.

В дополнение к критике изобретения по SU929951 можно указать, что на основании проведенных экспериментальных работ установлено, что радиальная прочность металлополимерной трубы в основном определяется физическими свойствами и параметрами металлического каркаса, такими как: размер ячейки каркаса, размеры продольных и поперечных элементов арматуры прочность сварного соединения, а не выбором толщины стенки трубы.

В технологии изготовления заявленной металлополимерной трубы значительные усилия были направлены, именно, на повышение прочности армирующего каркаса металлополимерной трубы, что позволило устранить проблемы производства высококачественной трубы, которые не были решены в предшествующем уровне техники.

Из уровня техники известен способ непрерывного изготовления армированной полимерной трубы и устройство для его осуществления, описанные в патенте SU1716963, опубликованном 29.02.1992. Указанный способ включает подачу в кольцевую формующую полость экструдера ра сплава полимера при одновременной подаче в нее армирующего каркаса. При этом для снижения остаточных внутренних напряжений в стенке трубы выбран угол подачи полимера к направлению перемещения каркаса в пределах 90 - 150°. Устройство содержит экстру дер, включающий головку с центральным подводящим каналом для расплава. Формующая кольцевая полость для формирования трубы образована дорном и гильзой и сообщена с экструзионным каналом. Выходной участок экструзионного канала выполнен с телесным углом в пределах 60-180°, обращенным вершиной к выходу из формующей полости.

Причиной возникновения остаточных внутренних напряжений в стенке металлополимерной трубы являются, в частности, силы трения экструдата о стенки экструзионного канала, а после выхода из экструзионной головки - силы трения экструдата о стенки формующей полости с последующей фиксацией возникшего напряженного состояния полимера при отверждении в результате охлаждения изготовленной трубы. На макроструктурном уровне это напряженное состояние характеризуется продольной ориентацией макромолекул полимера, наиболее выраженной в зонах прилегания к дорну. Выполнение выходного участка экструзионного канала с телесным углом в пределах 60-180°, обращенным вершиной к выходу из формующей полости, как предполагалось, должно было способствовать нарушению ламинарного течения расплава полимера внутри экструзионного канала, потому что поток расплавленного полимера, претерпевая крутой поворот при выходе из экструзионного канала в формующую полость, создает нарушения в макроструктурной ориентации полимера, сформировавшейся в экструзионном канале, а последующая ориентация макромолекул полимера в формующей полости начинается с дезориентированного состояния полимера. Ввиду того, что для процесса макроструктурной ориентации требуется время, соизмеримое со временем прохождения полимера через формующую полость, предполагалось, что напряжения внутри материала к моменту отверждения разовьются в меньшей степени.

Описанное предположение не оправдало себя, и на практике было установлено, что продольная ориентация молекул полимера возникает независимо от угла выхода из экструзионного канала, поскольку до начала момента кристаллизации ориентационные процессы в структуре расплава полимера являются равновесными. Поэтому изменение углов и направлений перемещения расплава внутри экструзионного канала не вносит существенных изменений в процесс пространственного ориентирования молекул в макроструктуре полимера.

Недостатком данной технологии является неоптимальная структура полимерной матрицы, что отражают невысокие показатели длительной прочности трубы. Длительная прочность оценивается методом термоциклического нагружения образцов (термоциклирования) путем их охлаждения в каждом цикле и выдержки в течение 3 часов при -40°С с последующим нагревом до +80 °С и выдержкой в течение 3 часов. Количество циклов до начала разрушения, согласно описанию SU1716963, составляет от 130 до 245 циклов.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения в части способа и устройства для получения металл ополимерной армированной трубы является способ и устройство, раскрытые в патенте RU 2319886, опубликованном 20.03.2008. Из указанного патента известен способ непрерывного изготовления металлополимерной трубы путем экструзионного формования, согласно которому на натянутые и перемещаемые вместе с экструдированной трубой элементы продольной арматуры, равномерно расположенные по окружности, навивают с заданным шагом армирующую спираль, приваривают ее по мере навивки к последовательно пересекаемым элементам продольной арматуры электроконтактным методом с помощью роликового электрода, который вращают вокруг оси армирующей спирали. При этом импульсы сварочного тока подают синхронно с моментами пересечения элементов продольной арматуры. Полученный армирующий каркас вводят в формующую полость, в которую одновременно подают расплав экструдируемого полимера. Армирующие спирали размещают со взаимным сдвигом по фазе на угол 2π/η, где п - число армирующих спиралей. Сварку производят одновременно несколькими парами роликовых электродов, число которых соответствует числу пар армирующих спиралей. При этом сварочный ток подают на каждую пару роликовых электродов автономно. Таким образом, количество пар роликовых электродов равно п/2, где п - количество армирующих спиралей. Центральный угол а для каждой пары электродов, измеренный между радиусами, проведенными через точки контакта электродов с поперечными армирующими спиралями, равен 120-240°. Причем, следует отметить, что сварочный ток подают на каждую пару роликовых электродов через свою пару токоподводящих коллекторов поочередно.

Устройство для осуществления способа по патенту RU 2319886 содержит экструдер с прямоточной головкой, на которой смонтированы оправка с направляющими пазами для продольной арматуры и охлаждаемый дорн. За экструдером установлена сварочная машина, снабженная барабаном, установленным на подшипниках. На барабане смонтирована бобина для поперечной арматуры, установленная с возможностью свободного вращения, отклоняющий ролик для навивки армирующей спирали, роликовые электроды для ее приварки к элементам продольной арматуры и токоподводящий коллектор с изолированными секциями по числу роликовых электродов. Внутри барабана неподвижно размещена гильза, образующая с дорном формующую полость.

Причем количество пар роликовых электродов равно п/2, где п - количество армирующих спиралей, а центральный угол а в каждой паре между точками контакта электродов с поперечными армирующими спиралями равен 120-240°. Каждый роликовый электрод пары установлен на рычаге, который имеет эксцентриковую опору вращения. В каждой паре рычаги с одной стороны эксцентриковых опор вращения имеют противовесы, а с другой стороны соединены между собой пневмоцилиндром с указателем и регулятором сварочного усилия. Роликовые сварочные электроды в каждой паре соединены друг с другом, с оправкой и с источником тока последовательно.

Недостатками указанного выше способа и устройства является низкая прочность сварных соединений армирующего металлического каркаса трубы, полученная с их использованием, поскольку усилие прижима на сварочные роликовые электроды осуществляется пневмоприводом, уступающим гидроприводу в мощности. Также недостатком конструкции сварочного механизма является то, что величина импульса и момент его подачи на ролик не коррелируют с моментом пересечения элементов продольной арматуры с элементами поперечной арматуры, поскольку в описании устройства отсутствует средство для осуществления синхронных процессов. Следствием является недостаточная прочность трубы в осевом и радиальном направлении.

В качестве недостатка прототипа дополнительно можно указать, что дорн размещен непосредственно после экструзионного канала. Расплав, выходя из питающего канала экструзионной головки, сразу поступает на охлаждаемый дорн. Расплав, выходящий из канала, имеет температуру выше температуры плавления полимера (для полиэтилена температура расплава, около, 190-270°С). Попадая на торец и заднюю часть дорна, расплав передает последнему часть своего тепла. В данном случае с одной стороны 12 000698 имеет место преждевременное охлаждение расплава, раньше времени влекущее за собой начало процесса кристаллизации и адгезии полимера к металлическому каркасу, что приводит к снижению прочности трубы в поперечном сечении. С другой стороны, воздействие высокой температуры расплава на дорн в тот момент, когда технологией предусмотрено его охлаждение, не позволяет контролировать и регулировать процесс охлаждения полимера, не позволяет точно определить и корректировать точку начала его адгезии к армирующему каркасу и кристаллизации. Следствием являются недостатки, возникающие в структуре полимерной матрицы трубы, которая состоит на 70-90 % из кристаллитов (зоны с высокой плотностью) и на 10-30% из аморфных зон (зон беспорядочных молекулярных связей, зоны низкой плотности). Такая структура полимера отличается низкой гибкостью. При значительных радиальных и осевых нагрузках на трубу из полимера с такой структурой происходит его растрескивание, поэтому труба, полученная по прототипу, обладает низкими показателями длительной прочности.

Другим существенным недостатком прототипа является организация процесса сварки армирующего каркаса. Сварку производят роликовыми электродами, установленными только попарно. Число роликовых электродов соответствует числу спиралей поперечной арматуры и выбирается из четного ряда (2, 4, 6...). Нет возможности выбрать число армирующих спиралей из нечетного ряда, что сужает диапазон конструктивных возможностей при изготовлении трубы.

В конструкции сварочного механизма предусмотрен пневмоцилиндр, который создает усилие, необходимое для прижима элементов поперечной арматуры к элементам продольной арматуры. На корпусе пневмоцилиндра закреплен рычаг одного роликового электрода, на штоке - рычаг другого роликового электрода, образующих взаимосвязанную пару. При нагнетании воздуха в пневмоцилиндр, расстояние между осями крепления рычагов к штоку и корпусу пневмоцилиндра увеличивается. Равномерность прижима в основном зависит от правильного расположения опор вращения рычажных механизмов. Если не обеспечить их точного расположения, то геометрические характеристики перемещения рычажных механизмов, а с ними и роликовых электродов, будут различны. Различие геометрических характеристик перемещения рычажных механизмов будет отражаться на качестве прижима каждого отдельного ролика к спирали. Это напрямую ведет к различию в направлении векторов сил относительно оси симметрии в плане. При равной силе, приложенной к опорам рычага на корпусе пневмоцилиндра и на штоке, но при различных углах между вектором прижима ролика и осью симметрии возникает различное усилие прижима. В результате продукт, получаемый по прототипу - это металлополимерная армированная труба, имеющая армирующий каркас с периодически изменяемой прочностью и качеством сварных соединений армирующих спиралей с продольной арматурой.

Заявленное изобретение направлено на устранение указанных недостатков при разработке способа непрерывного изготовления металлополимерной армированной трубы и установки для его осуществления с гарантированным получением высококачественной металлополимерной армированной трубы.

Из уровня техники известен трубопровод, составленный из металлополимерных армированных труб, описанный в патенте ЕР 1577077 от 21.09.2005 г., в котором трубы соединены при помощи электросварных муфт. Использование электросварных муфт в каждом соединении делает строительство трубопровода излишне затратным, кроме того, соединения труб получаются неразъемными, что снижает технологичность использования трубопровода, затрудняет проведение ремонтных работ, а также не обеспечивает возможности для осуществления соединения между полимерными и металлическими трубами.

Имеется несколько патентов, принадлежащих ООО «Запсибгазпром», в которых соединение пластмассовых армированных труб осуществляется сваркой встык с последующей стяжкой фланцевых муфт. При этом муфты установлены на резьбе с возможностью осевого перемещения. Причем указанные муфты являются металлическими. (См. патенты RU2202727, RU221731 1, RU33634). Разность величин коэффициентов линейного термического расширения материала металлической муфты и полимерного материала матрицы пластмассовой армированной трубы приводит к расслоению указанного соединения, включающего металлическую муфту и металлополимерную трубу, при изменении температуры внешней среды или при изменении температуры продуктов, транспортируемых по трубопроводу.

Для того, чтобы более надежно соединить два конца металлопластовой трубы, необходимо смонтировать на этих концах соединительные элементы, так называемые законцовки - втулки, которые жестко закреплены на концах труб.

Наиболее близкий аналог соединительного элемента для трубопровода раскрыт в описании патента RU2085383 (опубликованного 27.07.1997) на «Способ радиальной сварки трением трубчатых деталей на основе полиолефинов». На чертеже указанного патента показана полимерная законцовка с выступом на тыльной стороне, закрывающим выходы арматуры на трубе. Законцовка имеет резьбу на внешней поверхности, но не имеет резьбы на внутренней поверхности, поскольку ее соединяют с трубой сваркой трением. На неподвижную трубу с подготовленной контактной поверхностью путем вращательно-поступательного перемещения насаживается законцовка. Данный способ обеспечивает соединение необходимой прочности и герметичности.

Недостатками указанного соединения являются высокая трудоемкость и отсутствие возможности использовать его в полевых условиях, непосредственно на трубопроводе, без демонтажа и транспортировки на производственный участок.

Предлагаемый соединительный элемент и трубопровод лишены перечисленных выше недостатков.

Технический результат и сущность изобретения

Заявленное изобретение направлено на решение задачи по созданию технологии производства высокопрочной и высококачественной металлополимерной армированной трубы с использованием эффективного оборудования, а также с обеспечением возможности построения трубопровода из произведенной трубы.

Техническим результатом изобретения является повышение качества и длительной прочности в радиальном направлении металлополимерной армированной трубы, при повышении производительности процесса ее изготовления, а также повышение прочности и технологичности трубопровода, построенного из полученных труб.

Увеличение прочностных показателей металлополимерной армированной трубы складывается из увеличения прочности металлического каркаса в осевом и радиальном направлении, а также из улучшения структуры полимерной матрицы, которая в результате осуществления заявленной технологии обладает гибкостью и пластичностью при снижении адгезионных свойств полимера к арматуре, что в свою очередь ведет отсутствию растрескивания полимерной матрицы трубы при термоциклическом нагружении (термоциклировании).

Повышение качества трубы включает в себя улучшение показателей размерной стабильности размещения армирующего каркаса в матрице формуемой трубы.

Преимуществом заявленной технологии является повышение производительности и ресурса работы оборудования по сравнению с предшествующими аналогами, и следующее за этим снижение затрат на производство металлополимерной армированной трубы и построения трубопровода.

Повышение показателей прочности и технологичности обеспечивается высоким качеством и прочностью металлополимерных армированных труб (запас прочности труб составляет от 2 до 4,75 в зависимости от диаметра труб в диапазоне 95+ 225 мм) а также прочностью и надежностью разъемных и неразъемных соединений труб в трубопроводе, полученных при помощи разработанных соединительных элементов.

Кроме того, надежность полученного трубопровода обеспечивается его высокой стойкостью абразивному износу и к воздействию коррозионноактивных агентов природного и промышленного происхождения, типа: морской воды, почвенно- коррозионной среды, сернистого газа, хлоридов и других агрессивных солей, а также различных кислот и щелочей.

Для решения поставленной задачи заявлена металлополимерная армированная труба, содержащая сварной металлический каркас и полимерную матрицу, полученную методом экструзионного формования, причем полимерная матрица сформирована из полимера, имеющего молекулярную структуру на основе аморфной фазы, предпочтительно, содержащую аморфную фазу в количестве 60-90% от общего объема полимера, а металлический каркас выполнен с прочностью на срез каждого сварного соединения продольных и поперечных армирующих элементов не менее 35 кгс.

Заявленная металлополимерная армированная труба, предпочтительно, имеет следующие конструктивные параметры: ее внешний диаметр составляет 50-1000 мм, расстояние между элементами поперечной арматуры, то есть шаг между витками спирали, составляет - s...6s, мм, где s - размер сечения элементов продольной и поперечной арматуры, выбираемый в диапазоне 0,2...16 мм, с шагом 0, 1 мм.

В качестве продольных и поперечных армирующих элементов сварного металлического каркаса заявленная металлополимерная армированная труба может содержать различные варианты металлической проволо ки ил и металлической катанки, или металлического фасонного проката различной формы сечения, например, квадратного сечения, трапециевидного сечения, овального сечения, переменного радиуса поперечного сечения и плоский металлический прокат в виде ленты. При этом следует отметить, что прочность соединения элементов каркаса повышается, если для его изготовления выбирают армирующие элементы, соединяемые между собой по плоским граням, например, армирующие элементы квадратного сечения.

В качестве продольных и поперечных армирующих элементов сварного металлического каркаса металлополимерная армированная труба содержит проволоку, катанку или фасонный металлический прокат, выполненные из стали или из сплавов на основе цветных или черных металлов, в частности, из сплавов на основе железа, хрома, никеля или меди. В качестве полимерной матрицы металлополимерная армированная труба может содержать как термопласты, так и реактопласты, в частности, любой полимер, выбранный из группы, включающей: полиэтилен, фторопласт, полиэфиркетон, полиэфирсульфон, полиуретан, поливинилхлорид, полиамид и термопластичный вулканизированный эластомер.

Если заявленная металлополимерная армированная труба в качестве полимерной матрицы содержит полиэтилен, то ее ударная вязкость композита составляет не менее 427 кДж/м ² рабочее давление трубы составляет не менее 40 Атм, а температурный режим эксплуатации находится в интервале от минус 50 до +95°С.

При эксплуатации металлополимерная армированная труба с матрицей из полиэтилена характеризуется высокой долговременной прочностью при термоциклических нагрузках, ее долговременная стойкость превышает 1200 циклов при циклических изменениях температуры от -40°С до +80°С.

Если заявленная металлополимерная армированная труба в качестве полимерной матрицы содержит фторопласт, ее рабочее давление составляет не менее 40 Атм, а температурный режим эксплуатации находится в интервале от минус 150 до +260°С.

Если заявленная металлополимерная армированная труба в качестве полимерной матрицы содержит полиэфиркетон, то рабочее давление составляет не менее 40 Атм, а температурный режим эксплуатации находится в интервале от минус 90 до +260°С.

Если заявленная металлополимерная армированная труба в качестве полимерной матрицы содержит полиэфирсульфон, то ее рабочее давление составляет не менее 40 Атм, а температурный режим эксплуатации находится в интервале от минус 100 до +200°С.

Если заявленная металлополимерная армированная труба в качестве полимерной матрицы содержит полиуретан, то ее рабочее давление составляет не менее 40 Атм, а температурный режим эксплуатации находится в интервале от минус 70 до +170°С.

Если заявленная металлополимерная армированная труба в качестве полимерной матрицы содержит термопластичные вулканизированные эластомеры на основе полиолефинов, то рабочее давление составляет не менее 40 Атм, а температурный режим эксплуатации находится в интервале от минус 60 до +130°С.

Если заявленная металлополимерная армированная труба в качестве полимерной матрицы содержит поливинилхлорид, то рабочее давление составляет не менее 40 Атм, а температурный режим эксплуатации находится в интервале от минус 10 до +70°С.

Если заявленная металлополимерная армированная труба в качестве полимерной матрицы содержит полиамид (марки ПА-6, ПА- 12 и другие), то рабочее давление ю составляет не менее 40 Атм, а температурный режим эксплуатации находится в интервале от минус 60 до +1 15°С.

Заявленная металлополимерная армированная труба может быть получена путем экструзионного формования при одновременной подаче в формующую полость расплава полимера и армирующего металлического каркаса с последующим интенсивным охлаждением внутренней и внешней поверхности формуемой трубы.

Способ изготовления металлополимерной армированной трубы включает подачу расплава полимера из канала экструзионной головки в формующую полость, образованную охлаждаемым дорном и наружной формующей гильзой, при одновременной подаче в указанную полость сварного металлического армирующего каркаса, изготовленного с использованием по меньшей мере одного роликового электрода. Во время сварки армирующего каркаса на роликовьш электрод передают ударные импульсы, синхронизированные с моментом пересечения между собой элементов продольной и поперечной арматуры, а также с моментом подачи импульса тока на роликовый электрод. В качестве средства для формирования спирали при изготовлении каркаса используют указанный роликовый электрод, ролик которого обеспечивает постоянный прижим элементов поперечного армирования к элементам продольного армирования с усилием от гидропривода.

Следует отметить, что при экструзионном формовании металлополимерной армированной трубы перед дорном устанавливают термостойкую неметаллическую втулку. Внутреннюю и внешнюю поверхность формуемой трубы подвергают охлаждению для получения полимерной матри цы с молекулярной структурой на основе аморфной фазы, содержащей аморфную фазу в количестве 60-90% от общего объема полимера.

Для наружного охлаждения формуемой металлополимерной армированной трубы используют хладагент в виде тумана, полученного из сжатого воздуха и охлаждающей жидкости. Кроме того, для охлаждения изнутри формируемой металлополимерной трубы ее в внутреннюю полость подают охлаждающую жидкость, заполняя пространство между дорном и пробкой, установленной в указанной трубе.

Для непрерывного изготовления металлополимерной армированной трубы разработано устройство, содержащее экструдер с экструзионной головкой, имеющей канал для ввода расплава полимера в формующую полость, образованную охлаждаемым дорном и наружной формующей гильзой. Заявленное устройство также содержит закрепленный на экструзионной головке сварочный агрегат, охватывающий экструзионную головку по внешнему периметру и связанный с катушками для размещения элементов продольной и поперечной арматуры, а также с направляющими средствами для подачи арматуры в зону сварки и со средствами для подачи сварного армирующего каркаса в формующую полость. Кроме того заявленное устройство содержит систему охлаждения, тянущий механизм и отрезное устройство, расположенные последовательно в направлении перемещения формируемой металлополимерной трубы. Причем, дорн закреплен на экструзионной головке через последовательно установленные рассекатель и термостойкую неметаллическую втулку. Сварочный агрегат заявленного устройства содержит по меньшей мере один роликовый электрод, связанный с прижимным устройством и с ударным механизмом, соединенными с гидроприводом для передачи прижимного усилия и ударных импульсов от гидропривода на роликовый электрод во время сварки элементов продольной и поперечной арматуры, а также средства для синхронизации ударных импульсов с моментом пересечения между собой элементов продольной и поперечной арматуры, и с моментом подачи импульса тока на роликовый электрод. При этом средством для формирования спирали из элементов поперечной арматуры является указанный роликовый электрод, ролик которого установлен с возможностью вращения вокруг своей оси и вокруг оси армирующего каркаса, а также с возможностью прижима элементов поперечного армирования к элементам продольного армирования с усилием от гидропривода. Система охлаждения выполнена с возможностью получения полимерной матрицы трубы с молекулярной структурой на основе аморфной фазы, для чего она дополнительно включает в себя генератор хладагента, размещенный снаружи от формующей гильзы, а также пробку с клапаном, установленную внутри формируемой металлополимерной трубы с образованием в ней замкнутой полости. Пробка системы охлаждения может быть закреплена на гибкой связи на торце трубки, подающей охлаждающую жидкость. Генератор хладагента, используемый в системе охлаждения заявленного устройства, выполнен в виде перфорированной трубки, расположенной с внешней стороны формуемой трубы, причем отверстия перфорированной трубки генератора хладагента обращены в сторону формуемой трубы. В частности, генератор хладагента может быть выполнен в виде перфорированной спиральной трубки, охватывающей формуемую металлополимерную трубу по внешней периферии.

Сварочный агрегат заявленного устройства содержит план шайбу для размещения по меньшей мере одного роликового электрода и барабан, охватывающий корпус экструзионной головки, установленные с возможностью вращения вокруг ее продольной оси и снабженные приводом. Ударный механизм, связанный с роликовым электродом, содержит гидроцилиндр, соединенный с гидроприводом, а прижимное устройство выполнено в форме пружины, установленной на штоке гидроцилиндра и опирающейся на рычаг роликового электрода. Кроме того, на барабане сварочного агрегата подвижно установлены катушки с намотанными на них элементами поперечной арматуры, выполненные с возможностью вращения вокруг оси барабана.

Охлаждаемый дорн заявленного устройства установлен с возможностью позиционирования на экструзионной головке по посадочному диаметру, что весьма важно для обеспечения размерной стабильности изготавливаемой трубы, а следовательно, и для ее качества.

В заявленном устройстве в качестве средства для синхронизации ударных импульсов и импульсов сварочного тока на сварочном агрегате могут быть установлены датчики положения, подключенные к счетному устройству. В другом варианте в качестве средства для синхронизации ударных импульсов и импульсов сварочного тока на сварочном агрегате могут быть установлены датчики обратной связи, соединенные с процессором для автоматического определяется оптимальных параметров тока.

В заявленном устройстве в процессе изготовления формируемая труба непрерывно поступательно перемещается вдоль его продольной оси под действием тянущего механизма. Причем, после тянущего механизма размещено отрезное устройство, установленное с возможностью передвижения со скоростью, соответствующей скорости перемещения формуемой металлополимерной трубы. После указанного отрезного устройства последовательно в направлении перемещения формируемой металлополимерной трубы расположен рольганг, снабженный системой сбора охлаждающей жидкости и возврата ее в систему охлаждения.

Трубы, полученные по описанной выше технологии, предназначены, преимущественно, для строительства трубопроводов, эксплуатируемых в экстремальных условиях по коррозионной нагрузке и при высоком давлении перекачиваемой среды.

Заявленный трубопровод, выполнен из металлополимерных армированных труб со сварным металлическим каркасом и полимерной матрицей, имеющей молекулярную структуру на основе аморфной фазы. Указанные трубы получены методом экструзионного формования. Соединение труб в трубопроводе выполнено с использованием соединительных элементов, размещенных на резьбе на концах металлополимерных армированных труб. Каждый соединительный элемент выполнен в виде полимерной втулки цилиндрической формы с резьбой на внутренней поверхности и с внутренним кольцевым выступом на торце, закрывающим видимые части металлической арматуры на торце металлополимерной армированной трубы, при этом высота зуба резьбового соединения меньше толщины внешнего слоя полимера в стенке металлополимерной армированной трубы, покрывающего армирующий каркас.

Трубопровод может содержать разъемные либо сварные соединения металлополимерных армированных труб, либо он может содержать комбинацию из неразъемных и разъемных соединений труб в соответствии с технологическими задачами его использования.

Соединение двух и более металлополимерных армированных труб в заявленном трубопроводе получают с использованием установленных на концах труб соединительных элементов. Для получения сварного соединения трубы должны быть расположены встык торцами соединительных элементов с возможностью одновременного нагрева этих торцов нагревателем, размещенным между ними и последующего удаления нагревателя, после чего сжатием труб путем поступательного движения во встречном направлении получают указанное сварное соединение.

В частности, для получения указанного сварного соединения металлополимерных армированных труб можно использовать плоский электронагреватель, типа, «утюг», который размещают между торцами соединительных элементов.

Для укрепления сварных соединений в трубопроводе могут использоваться дополнительные фланцевые соединения. Для этого на внешней стенке соединительных элементов выполняется проточка с фаской для размещения фланцев, имеющих форму кольца с отверстиями, расположенными по окружности, а на внутренней кольцевой поверхности фланцев выполнена ответная коническая поверхность с углом конусности, соответствующим углу фаски на соединительном элементе. Соединение труб, оборудованных фланцами, производится при помощи стяжки фланцев шпильками или болтами с гайками.

В другом варианте для укрепления сварных соединений трубопровод может содержать муфты. Муфтовые соединения выполняются следующим образом. Сначала на торцах металлополимерных армированных труб, как описано выше, устанавливаются соединительныме элементы, которые сваривают между собой по торцевым поверхностям, затем на наружной поверхности втулок указанных соединительных элементов нарезают резьбу. При этом, в качестве соединительной муфты может быть использован отрезок металлополимерной армированной трубы большего, чем у соединяемых труб диаметра, а на внутренней поверхности муфты с двух сторон должна быть нанесена ответная резьба, соответствующая резьбе на наружной поверхности втулок, позволяющая осуществить резьбовое муфтовое упрочнение сварного соединения металлополимерных армированных труб. В другом варианте трубопровод может содержать разъемное фланцевое соединение по меньшей мере двух металлополимерных армированных труб, для получения которого могут быть использованы установленные на концах труб на резьбе соединительные элементы, на торцах соединительных элементов выполнены кольцевые пазы, в которых размещены уплотнения, на внешней стенке соединительных элементов выполнены проточки и размещены фланцы с отверстиями, соединяемые трубы расположены встык торцами соединительных элементов с возможностью стяжки фланцев шпильками или болтами с гайками.

Еще в одном варианте трубопровод может содержать разъемное муфтовое соединение по меньшей мере двух металлополимерных армированных труб, полученное с использованием установленных на концах труб на резьбе соединительных элементов. На наружной поверхности втулок указанных соединительных элементов дополнительно должна быть нарезана резьба под муфту, а в качестве муфты может быть использован отрезок металлополимерной армированной трубы большего, чем у соединяемых труб диаметра. При этом на внутренней поверхности муфты с двух сторон должна быть нанесена ответная резьба, позволяющая осуществить навинчивание муфты на втулки соединительных элементов. Муфта, выполненная в виде отрезка металлополимерной армированной трубы, дополнительно снабжается защитными полимерными кольцами, закрывающими арматуру на торцах муфты.

При выполнении муфтового соединения трубопровода на наружной поверхности втулок соединительных элементов может быть нарезана, например, цилиндрическая резьба. В этом случае трубопровод содержит в указанном соединении уплотнительное кольцо, расположенное между торцами соединительных элементов.

В другом варианте на наружной поверхности втулок соединительных элементов может быть нарезана коническая самоуплотняющаяся резьба. В этом случае не требуется размещение уплотнительного кольца между торцами соединительных элементов.

Заявленный трубопровод может содержать переход от металлополимерных труб на металлические трубы. Для этой цели трубопровод может содержать, например, разъемное соединение металлической трубы и металлополимерной армированной трубы с использованием полимерного соединительного элемента, установленного на конце металлополимерной трубы на резьбе. Наружная поверхность втулки соединительного элемента имеет коническую фаску под посадочную поверхность дополнительной металлической втулки, охватьгеающей с внешней стороны указанный соединительный элемент, на внешнюю поверхность дополнительной металлической втулки нанесена резьба, а ответная резьба нанесена на переходную гильзу, в которую вставляется подсоединяемая к трубопроводу металлическая труба и закрепляется в гильзе, например, сваркой.

Заявленный трубопровод может содержать соединение металлополимерной армированной трубы с установленным на конце трубы на резьбе соединительным элементом и трубы, выполненной из стеклопластика и/или трубы, выполненной из полимера, армированного металлической фольгой, и/или трубы, выполненной из полимера, армированного металлической лентой, и/или трубы, выполненной из неармированного полимера.

В любом из перечисленных выше вариантов конструкции трубопровода для соединения металлополимерных армированных труб используется полимерный соединительный элемент универсальной конструкции, выполненный в виде втулки цилиндрической формы с кольцевым внутренним выступом на торце. Приэтом на внутреннюю боковую поверхность втулки нанесена резьба, а ширина кольцевого выступа не превышает толщину боковой стенки соединяемой металлополимерной армированной трубы, но выполнена больше глубины залегания армирующих элементов в стенках указанной трубы. Заявленный соединительный элемент выполняется из того же полимерного материала, что и соединяемая металлополимерная армированная труба. Внутренний диаметр втулки соединительного элемента меньше внешнего диаметра металлополимерной армированной трубы на высоту зуба резьбы. Отметим также, что высота зуба резьбы, выполненной на соединительном элементе, всегда меньше толщины слоя полимера в стенке металлополимерной армированной трубы, расположенного над армирующими элементами.

Заявленная металлополимерная армированная труба и трубопроводы, построенные с ее использованием, могут найти широкое применение для создания таких объектов как:

- водопроводы высокого давления;

- трубопроводы напорной канализации;

- трубопроводы (водопроводы) горячего водоснабжения;

- трубопроводы для объектов нефте- и газодобычи;

- трубопроводы для транспортировки скважинных продуктов;

- трубопроводы для обустройства артезианских скважин, а также для создания колонны обсадных труб;

- трубопроводы для транспортировки нефтепродуктов;

- трубопроводы для транспортировки газа с возможностью создания газовых сетей с давлением 40 - 90 атмосфер в зависимости от диаметра трубопровода; - трубопроводы для транспортировки кислот, щелочей и сред с высоким

солесодержанием в химическом производстве;

- трубопроводы для подачи растворов на подземное и кучное выщелачивание цветных и редкоземельных металлов, а также другие трубопроводы для

гидрометаллургии ;

- трубопроводы для нужд металлургических предприятий, где применяется серная кислота и т.п. кислоты, а также образуются сточные воды с высоким солесодержанием;

- трубопроводы для использования в горнорудной промышленности, в частности для гидротранспорта пульпы;

- трубопроводы для пневмотранспорта цемента и других абразивных материалов;

- несущие конструкции для морской инфраструктуры, в частности для

обустройства платформ для добычи нефти и газа.

- трубопроводы для транспортировки морской воды на опреснение,

- трубопроводы, прокладываемые в морской среде;

- опоры и сваи для строительства различных сооружений;

- несущие конструкции для берегоукрепления, в частности, используемые при строительстве портов и причалов.

Для строительства любого из перечисленных выше трубопроводов требуется как создание металлополимерных труб повышенной прочности, так и создание надежных конструкций соединения металлополимерных армированных труб.

Краткое описание чертежей

Изобретение иллюстрируется фигурами 1-13.

На фигуре 1 показана структура заявленной металлополимерной армированной трубы в продольном разрезе.

На фигуре 1А показана структура заявленной металлополимерной армированной трубы в поперечном разрезе по А-А.

На фигуре 2 показан общий вид устройства для непрерывного изготовления металлополимерной армированной трубы.

На фигуре 3 показана в разрезе экструзионная головка с размещенным на ней сварочным агрегатом.

На фигуре 4 показано размещение одного сварочного роликового электрода на планшайбе сварочного агрегата.

На фигуре 5А показаны кривые охлаждения расплава полимера при получении заявленной металлополимерной армированной трубы и по прототипу. На фигуре 5 В показана динамика роста себестоимости производства заявленной металлополимерной армированной трубы при увеличении диаметра трубы в сравнении с неармированной полимерной трубой.

На фигуре 6 показан трубопровод, изготовленный из заявленных металл ополимерных армированных труб.

На фигурах 7 А и 7Б показан соединительный элемент и его размещение на конце металлополимерной армированной трубы.

На фигуре 8 показано сварное соединение металлополимерных армированных труб в трубопроводе

На фигуре 9 показано сварное соединение металлополимерных армированных труб в трубопроводе, упрочненное армированной металлополимерной муфтой.

На фигуре 10 показано разъемное фланцевое соединение металлополимерных армированных труб.

На фигуре 1 1 показано разъемное муфтовое соединение металлополимерных армированных труб.

На фигуре 12 показан переход на металлическую трубу.

На фигуре 13А-13С показаны варианты изготовления тройника и отводов для изготовления заявленного трубопровода.

Детальное описание изобретения с примерами осуществления

Металлополимерная армированная труба, как показано на фиг. 1, имеет полимерную матрицу 1 и сварной металлический каркас, выполненный из элементов продольной арматуры 2 и из элементов поперечной арматуры 3. Каркас получен путем спиральной навивки элементов поперечной арматуры 3 на элементы продольной арматуры 2 и сварки их между собой в каждой точке взаимного пересечения. Металлополимерная армированная труба получена методом экструзионного формования, при осуществлении которого сварной армирующий каркас подают в формующую полость при одновременной подаче в указанную полость расплава полимера, а после выхода из формующей полости сформированную трубу подвергают интенсивному двухстороннему охлаждению, подавая хладагент изнутри и снаружи.

Устройство для непрерывного изготовления металлополимерной армированной трубы, показанное на фиг. 2 и 3, включает в себя экструдер 4, установленный на основании 5, снабженный экструзионной головкой 6. Для подачи продольной и поперечной металлической арматуры (в частности, проволоки) используют соответственно катушки 7 и 8. На экструзионной головке 6 (фиг. 3) смонтирован кондуктор 9 с пазами, по которым перемещаются элементы продольной арматуры 2. Дорн 10, имеющий постоянное жидкостное охлаждение изнутри, закреплен на экструзионной головке 6 через термостойкую втулку 1 1. На корпусе (на чертеже не показан) сварочного агрегата установлен барабан 12 с отдельным приводом вращения (на чертеже не показан), на котором с возможностью свободного вращения размещены катушки (шпули) 8 для элементов поперечной арматуры 3, направляющий механизм 13, роликовый электрод 14 для приварки поперечных элементов арматуры 3 к продольным элементам арматуры 2. Внутри барабана 12 неподвижно размещена формующая гильза 15, образующая совместно с дорном 10 кольцевую формующую полость 16 для формовки выходящего из экстру дера полимера. Генератор хладагента 17 размещен неподвижно снаружи формующей гильзы 15. На барабане 12 размещен вращающийся совместно с ним сварочный узел, состоящий из одного или нескольких роликовых электродов 14, соединенных с размещенными на раме сварочной машины источниками питания (на чертеже не показаны), эксцентрикового рычага 18 и привода. Для непрерывной подачи продольных элементов арматуры 2, сматываемой с катушек 7 и вывода экструдата из экструзионной головки 6, после нее последовательно в направлении перемещения формируемой металлополимерной трубы 19 расположен тянущий механизм 20 с регулируемым усилием прижима траков 21.

Для изготовления труб определенной длины предусмотрено отрезное устройство 22. Сигнал к началу процесса отрезания мерной трубы подается датчиком положения 23, расположенном на рольганге 24. Рольганг 24 имеет несколько направляющих роликов и служит опорой для готовой продукции, также в его конструкции предусмотрена система сбора охлаждающей жидкости и возврата ее в систему охлаждения.

Экструдат - расплав экструдируемого полимера, выходящий из экструзионной головки 6, попадает на постоянно перемещающийся металлический каркас, сваренный из элементов продольной 2 и поперечной 3 арматуры. Процесс заполнения экструдатом каркаса происходит в формующей полости 16, ограниченной по внутренней поверхности охлаждаемым дорном 10 и расположенной перед ним втулкой И, а по внешней поверхности формующей гильзой 15.

Для получения необходимого качества внутренней поверхности трубы (геометрическое расположение - соосность внутренней окружности, внешней окружности и каркаса, шероховатость поверхности) наружная поверхность дорна отполирована, а в конструкции дорна заложена возможность позиционирования его на экструзионной головке за счет увеличенного посадочного диаметра. Натяжение и перемещение элементов продольной арматуры 2 осуществляется при помощи тянущего устройства 20. Геометрическое положение элементов продольной арматуры 2 относительно тела трубы определяется концентрично расположенными пазами на кондукторе 9. Наружная спираль армирующего каркаса, образуется одновременным вращением барабана 12, подающим поперечную арматуру 3, и поступательным перемещением продольной арматуры 2. Спираль из поперечной арматуры 3 имеет определенный шаг в соответствии с технологией в пределах s - 6s (где s - поперечный размер наружной арматуры) и приваривается к соответствующим последовательно пересекаемым элементам продольной арматуры 2 роликовым электродом 14. Профиль продольной и поперечной арматуры может быть любого сечения и выбирается в зависимости от заданных свойств формируемой трубы. Поперечная арматура 3 сматывается с катушек 8, расположенных на корпусе барабана 12, свободно вращающихся на подшипниках, и подводится к сварочным роликам 14 через систему направляющих 13. Гидропривод и гидрораспределители совместно с эксцентриковым рычагом 18 выполняют функцию прижима роликового электрода 14 к спирали поперечной арматуры. Прижим сварочного ролика 14 и подача импульса сварочного тока для осуществления контактной сварки производятся одновременно. При этом момент подачи импульсов сварочного тока от трансформаторов на роликовый электрод может устанавливаться несколькими путями, например:

а) механическим путем, при помощи счетного устройства и датчиков положения; б) автоматизированным путем, основанным на определении и согласовании скорости протягивания формуемой трубы, частоте вращения барабана, напряжении и силе тока, поступающего на роликовый электрод 14. С помощью датчиков обратной связи определяются наиболее эффективные параметры тока, установленные ранее на основании испытаний. Для синхронизации ударных импульсов и импульсов сварочного тока на сварочном агрегате установлены датчики обратной связи, соединенные с процессором для автоматического определения оптимальных параметров тока.

Для получения оптимальной структуры полимерной матрицы (на основе аморфной фазы) во время производства металлополимерной трубы необходимо обеспечить постоянное охлаждение экструдата после выхода его из формующей полости 16. Для охлаждения внутренней поверхности формируемой металлополимерной трубы 19 предусмотрена система подачи хладагента в дорн 10, по которому происходит калибровка внутреннего диаметра изготавливаемой трубы. Хладагент подается по трубке 25, проходящей внутри экструзионной головки 6. По мере наполнения полости внутри экструдированной металлополимерной трубы 19 в ней создается давление, которое поддерживается спускным клапаном, расположенным в пробке 26, установленной внутри указанной трубы. Для наружного охлаждения используется генератор хладагента 17, подающий на внешнюю поверхность формируемой металлополимерной трубы 19 хладогент, состоящий из сжатого газа и охлаждающей жидкости. После того, как расплав полимера заполнит кольцевую формующую полость 16, ограниченную снаружи формующей гильзой 15, непосредственно на сформированную металлополимерную трубу 19 снаружи подается хладагент, распыляемый из отверстий, расположенных с внутренней стороны по всей длине спирали генератора 17.

В условиях применения для формирования трубы полимеров не из группы полиолефинов возможно использование для охлаждения смеси, включающей охлаждающую жидкость и сжатый газ с температурой полученного хладагента ниже 0° С.

После выхода из сварочного агрегата произведенная металлополимерная труба 19 проходит тянущее устройство 20, прижим траков 21 которого во избежание дефектов геометрии трубы или недостаточного усилия, регулируется в ручном или автоматическом режиме. Далее труба 19 поступает на рольганг 24 и, перемещаясь по роликам, доходит до датчиков положения 23, местоположение которых на рольганге определяется необходимой длиной трубы. От датчиков 23 сигнал подается на отрезное устройство 22, которое, перемещаясь одновременно с трубой по направляющим, отрезает готовую металлополимерную трубу. Весь технологический процесс непрерывен и цикличен.

Температура плавления полимеров, наиболее часто используемых для непрерывного изготовления металлополимерной армированной трубы, лежит в интервале 130°С-280°С. Для формования полимера необходимо нагреть его выше температуры плавления. Армированные металлополимерные трубы обладают повышенной долговременной прочностью и в то же время сохраняют гибкость в системе «металлический каркас-полимер».

В предшествующем уровне техники замедленное охлаждение трубы после выхода полимера из экструзионной головки способствовало протеканию процесса кристаллизации полимерной матрицы, в результате чего на выходе структура полимера трубы, выбранной за прототип, состояла на 70-90% и характеризовалась низкой гибкостью и пластичностью.

Быстрое глубокое охлаждение, используемое при изготовлении заявленной трубы, позволяет получить структуру полимера, состоящую не более, чем на 10-30 об. % из мелкозернистых кристаллитов и на 70-90 об. % из аморфных зон. С течением длительного времени процент содержания в структуре полимера кристаллитов незначительно повысится за счет увеличения размера кристаллитов, но это не повлечет существенных изменений свойств изготовленной трубы, поскольку диффузионные процессы в твердых полимерах происходят очень медленно. Полученная макромолекулярная структура готовой трубы имеет достаточную гибкость, т.к. основной объем занимают аморфные зоны, которые при воздействии на них нагрузок ведут себя пластично, они деформируются, но не разрушаются.

Получение высококачественной и высокопрочной металлополимерной армированной трубы открывает перспективные области для ее использования как в трубопроводном транспорте, так и при создании прочных относительно легких несущих конструкций с безупречной коррозионной стойкостью. Однако, для применения заявленных металлополимерных армированных труб в конструкциях трубопроводов, например, как показано на фиг.6, и в конструкциях других сооружений требуется разработка надежных средств для соединения металлополимерных армированных труб между собой.

На фиг. 7В показано, что для соединения металлополимерных армированных труб в трубопровод сначала необходимо смонтировать на конце каждой трубы 19 так называемые законцовки, то есть соединительные элементы 32, выполненные в форме втулки, изготовлненной из того же полимерного материала, что и сама труба. Втулка соединительного элемента 32 охватывает определенную длину от торца трубы 19, а также закрывают видимые части металлической арматуры 33, препятствуя возникновению коррозии на открытых элементах металлической арматуры. Соединительный элемент 32, соответствующий заявленному изобретению, может быть изготовлен литьем заготовок в термопластавтоматах. При этом литая заготовка имеет определенные припуски и технологические элементы, которые в последующей обработке снимаются, и заготовке придается окончательный вид цилиндрической втулки с выступом по внутреннему диаметру.

В другом варианте заготовка для изготовления соединительного элемента 32 может быть получена методом экструзии в виде не армированной (однокомпонентной) полимерной трубы, затем труба нарезается на части, после этого из каждого отрезка посредством токарной обработки получается соединительный элемент в виде законцовки, форма которой показана на фиг. 7А.

Материал для изготовления соединительного элемента 32 - это свариваемый полимер. Предпочтительно использовать тот же полимер, что и на производство соединяемых металлополимерных армированных труб, чтобы в соединении не было проблемы с различными коэффициентами термического расширения. Однако, для соединения труб из разных полимеров, материал законцовки может быть подобан с учетом оптимального сочетания свойств использованных материалов.

Соединительные элементы 32, выполняются неармированными, они должны быть жестко закреплены на концах труб, обеспечивая надежное соединение их в трубопроводе. Для этого на верхнюю полимерную периферию конца трубы нарезается резьба 34, с шагом, высотой зуба и углом захода, позволяющими избежать после обработки проявления на поверхности элементов армирующего каркаса. Устройство для нарезания резьбы может включать в себя плашку с рукоятками и направляющей, или, в случае механизации процесса, установку с приводом для вращения и перемещения плашки и направляющие. После того, как резьба нарезана, на трубу 19 навинчивают соединительный элемент 32, у которого на внутренней контактной поверхности уже имеется резьба 35, с параметрами соответствующими резьбе на трубе. Процесс ремонта трубопровода с использованием заявленных соединительных элементов может осуществляться в полевых условиях, так как для этого не требуется демонтировать подлежащую ремонту трубу и не нужно специального дополнительного оборудования.

На фигуре 8 показано сварное соединение металлополимерных армированных труб в трубопроводе. Соединение двух металлополимерных армированных труб 19 и 36 в заявленном трубопроводе получают с использованием установленных на концах указанных труб соединительных элементов 32 и 37 соответственно. Для получения сварного соединения трубы должны быть расположены встык торцами соединительных элементов 32 и 37 с возможностью одновременного нагрева этих торцов плоским электронагревателем, типа, «утюг», размещенным между ними. После удаления нагревателя осуществляют сжатие труб путем их поступательного передвижения во встречном направлении и получают указанное сварное соединение 38.

На фигуре 9 показано сварное соединение металлополимерных армированных труб в трубопроводе, упрочненное армированной металлополимерной муфтой. Для получения данного соединения сначала на торцах металлополимерных армированных труб 19 и 36, как описано выше, устанавливаются соединительные элементы 32 и 37, которые сваривают между собой по торцевым поверхностям с получением сварного шва 38, затем на наружной поверхности втулок указанных соединительных элементов 32 и 37 нарезают резьбу 39. В качестве соединительной муфты 40 используют отрезок металлополимерной армированной трубы большего, чем у соединяемых труб диаметра, а на внутреннюю поверхность муфты с двух сторон наносят ответную резьбу 41, соответствующую резьбе 39 на наружной поверхности втулок 32 и 37. Затем навинчивают муфту 40, по резьбе 39- 41 на сваренные между собой соединительные элементы 32-37 с получением резьбового муфтового упрочнения сварного соединения металлополимерных армированных труб. Для защиты от коррозии на торцевых поверхностях муфты 40 размещают полимерные кольца 42, закрывающие выходы на поверхность металлической арматуры.

На фигуре 10 показано разъемное фланцевое соединение металлополимерных армированных труб, использованное для укрепления сварных соединений в трубопроводе. Для этой цели на внешней стенке соединительных элементов 43 выполняется проточка с фаской 44 для размещения фланцев 45, имеющих форму кольца с отверстиями, расположенными по окружности, а на внутренней кольцевой поверхности фланцев выполнена ответная коническая поверхность с углом конусности, соответствующим углу фаски 44 на соответствующем соединительном элементе 43. Соединение труб 19, 36 производится при помощи стяжки фланцев 45 шпильками 46 с гайками 47.

На фигуре 1 1 показано разъемное муфтовое соединение металлополимерных армированных труб 19 и 36, полученное с использованием установленных на концах указанных труб на резьбе соединительных элементов 32 и 37. На наружной поверхности втулок указанных соединительных элементов дополнительно нарезана резьба 39 под муфту. В качестве муфты 48 может быть использован отрезок металлополимерной армированной трубы большего, чем у соединяемых труб диаметра. При этом на внутреннюю поверхность муфты 48 с двух сторон должна быть нанесена ответная резьба, позволяющая осуществить навинчивание муфты 48 на втулки соединительных элементов 32 и 37. Муфта 48 дополнительно снабжается защитными полимерными кольцами 42, закрывающими арматуру на торцах.

При выполнении муфтового соединения трубопровода на наружной поверхности втулок соединительных элементов 32 и 37 может быть нарезана, например, цилиндрическая резьба. В этом случае трубопровод содержит в указанном соединении уплотнительное кольцо 49, расположенное между торцами соединительных элементов 32 и 37.

В другом варианте на наружной поверхности втулок соединительных элементов 32 и 37 может быть нарезана коническая самоуплотняющаяся резьба. В этом случае не требуется размещение уплотнительного кольца между торцами указанных соединительных элементов. На фигуре 12 показан переход от металлополимерной трубы 19 на металлическую трубу 50, который может найти применение в заявленном трубопроводе при его подсоединении к обычному трубопроводу городской сети.

Соединение металлической трубы 50 и металлополимерной армированной трубы 19 выполняют с использованием полимерного соединительного элемента 51, установленного на конце металлополимерной трубы 19 на резьбе. Наружная поверхность втулки соединительного элемента 51 имеет коническую фаску 52 под посадочную поверхность дополнительной металлической втулки 53, охватывающей с внешней стороны указанный соединительный элемент 51. На внешнюю поверхность дополнительной металлической втулки 53 нанесена резьба 54. Ответную резьбу 55 наносят на переходную гильзу 56, в которую вставляется подсоединяемая металлическая труба 50 и закрепляется в гильзе 56, например, сваркой 57.

Перечисленные соединения металлополимерных армированных труб показаны фиг. 6 в составе отрезка заявленного трубопровода, выполненного в одном ответвлении с переходом на металлическую трубу 50, а в другом ответвлении на полимерную неармированную трубу 58. Трубопровод на фиг. 6, содержит соединение 59, выполненное сваркой встык соединительных элементов (как показано на фиг 9), упрочненное армированной металлополимерной муфтой, установленной на них сверху на конической самоуплотняющейся резьбе 60. Далее в качестве запорной арматуры трубопровод содержит клиновую задвижку 61 , установленную при помощи фланцевого соединения 62. Затем выполнено сварное соединение 63, показанное на фиг. 8. Затем при помощи тройника 64 выполнено разветвление трубопровода. Далее показано муфтовое соединение 65, которое выполнено разъемным с использованием цилиндрической резьбы. Затем установлено разъемное муфтовое соединение 66, которое содержит уплотнительное кольцо 49, размещенное, как показано на фиг. 1 1. Далее идет переход на металлическую трубу 50, вьшолненный в виде разъемного соединения 67, как показано на фиг.12. Для изменения направления трубопровода используются отводы 68, выполненные по типу соединительных элементов различных вариантов конструкции.

На фигуре 13 А показан вариант изготовления композитного тройника 64 и на фиг.13В-13С показаны варианты отводов 68 для изготовления заявленного трубопровода.

При строительстве трубопроводов существует потребность в решении таких технологических задач, как разветвление сети, подключение к основной магистрали, байпасный трубопровод и многие другие.

В данном техническом решении предлагается композитный тройник, показанный на фиг. 13А, предназначенный для трубопровода из металлопластовых армированных труб. Материал тройника представляет собой композит из металла и полимера, включающий металлический тройник 69, который заключен в оболочку 70 из полимера, то есть, металлический тройник заключен в полимерный тройник. К трем проходным отверстиям металлического тройника 69 приварены короткие отрезки металлического каркаса 71 цилиндрической формы. Для изготовления композитного тройника металлический (штампованный, литой, сварной и др.) тройник 69 устанавливается в сварочный кондуктор. К его трем проходным отверстиям поочередно привариваются отрезки металлического каркаса 71, которые соответствуют каркасу металлополимерной армированной трубы 19. При этом для укрепления сварного шва в некоторых случаях возможно применение металлических обечаек 72, которые привариваются поверх металлического каркаса 71.

После изготовления металлической основы ее помещают в пресс-форму, в которой происходит формование полимерного тела тройника, то есть оболочки 70. Затем готовое изделие подвергают окончательной обработке: удаляют технологические литники, облой, обрабатывают на токарном станке.

Данный композитный тройник используется при строительстве трубопроводов из металлополимерных армированных труб 19. Соединение с трубой 19 осуществляется посредством соединительного элемента 32 в комплекте с соединительными муфтами 40 или 48, либо сваркой по торцу двух соединительных элементов 32, либо с использованием фланцевого соединения, как было показано на фиг. 10. Также возможно его применение при соединении заявленного трубопровода с трубопроводом и из другого вида труб, таких как стеклопластиковые, полиэтиленовые, с использованием соответствующих соединительных элементов 32.

Прочность данного композитного тройника 64 соответствует прочности металлополимерной армированной трубы 19. Это позволяет использовать композитный тройник 64 в трубопроводах из металлополимерных армированных труб без снижения рабочего давления.

На фигуре 13В показан композитный отвод 73, выполненный по той же технологии, что и описанный выше композитный тройник 64. Он содержит металлический отвод 74, заключенный в полимерную оболочку 75. При формировании металлической основы к проходным отверстиям металлического отвода 74 приваривают отрезки металлического каркаса 71, которые соответствуют каркасу металлической армированной трубы 19. При этом для укрепления сварного шва в некоторых случаях возможно применение металлических обечаек 72, которые привариваются поверх металлического каркаса 71. Дале в пресс-форме формируют полимерную оболочку 75. В другом варианте выполнения отвода 68, показанном на фиг 13С, его формируют из двух или нескольких отрезков металлополимерной армированной трубы (в зависимости от угла поворота) на которых с двух концов смонтированы соединительные элементы 32.

Для получения заданного угла поворота соединительный элемент либо формируют в пресс-форме, с помощью которой производится законцовка с определенным углом торцевого среза, либо соединительный элемент подвергают обработке резанием для получения определенного угла торцевого среза.

Необходимо отметить, что соединительный элемент 32 возможно использовать не только на металлополимерных армированных трубах, но также его можно использовать для соединения в трубопроводе металлополимерных армированных труб 19 с трубами из стеклопластика, а также с другими видами труб 58, преимущественно, выполненными из пластических материалов, например, труб, выполненных из полимера, армированного металлической фольгой, и/или труб, выполненных из полимера, армированного металлической лентой, и/или труб, выполненных из неармированного полимера.

Размерный диапазон металлополимерной армированной трубы 19, используемой для монтажа трубопроводов в соответствии с заявленным изобретением, составляет по наружному диаметру от 50 мм до 1000 мм с шагом 1 мм (на диаметр). Заявленный соединительный элемент 32 изготавливается в том же диапазоне при соответствии внутреннего диаметра внешнему диаметру соединяемых труб с учетом допусков и посадок.

Наилучшие варианты соединения металлополимерных армированных труб поясняются ниже на примерах, которые в сочетании позволяют создать трубопровод неограниченной длины, оптимизированный под конкретный вариант его применения.

Пример 1.

Изготовлена металлополимерная армированная труба методом непрерывного экструзионного формования при помощи устройства, показанного на фиг. 2.

Для подготовки расплава полимера к формованию в экструдер 4 загрузили гранулированный полиэтилен, а подачу расплава полимера осуществляли из экструзионной головки 6 по каналу для вывода полимера в формующую полость 16, образованную охлаждаемым дорном 10 и наружной формующей гильзой 15, при одновременной подаче в указанную полость сварного армирующего каркаса, изготовленного с помощью одного роликового электрода, показанного на фиг. 4. Перед входом в формующую полость 16 установлен рассекатель 27, направляющий поток расплава параллельно внутренней поверхности экструзионного канала. На рассекателе 27 закреплена термостойкая неметаллическая втулка 11, которая установлена перед дорном 10. Термостойкая втулка 1 1 изготовлена из материала с низкой теплопроводностью. Она отделяет охлаждаемый дорн 8 от прямого термического воздействия выходящего из канала расплава. Вместе с тем указанная втулка 11 за счет свойств материала, из которого она изготовлена, не влияет на температурный режим движения расплава. Выбор материала с низкой теплопроводностью (полимеры, керамика и др.) для изготовления термостойкой втулки 1 1 обусловлен ее промежуточным расположением между охлаждаемым бронзовым дорном 10 и экструзионной головкой 6, оправка которой разогрета до температуры подготовленного к формованию расплава полимера (190- 240°С). Функция термостойкой втулки 1 1 заключается в исключении прямой теплопередачи от экструзионной головки 6 на дорн 10, что улучшает температурные условия формования металлополимерной трубы.

После выхода из формующей полости 16 внутреннюю и внешнюю поверхность формуемой металлополимерной трубы 19 подвергли интенсивному охлаждению. Кривые охлаждения расплава полимера при формировании трубы показаны на фиг. 5А. Кривая 1 соответствует прототипу, кривая 2 заявленному способу. Время охлаждения полимера от температуры формования до комнатной температуры по прототипу составило 245 сек, а по заявленному способу 86 сек. Быстрое охлаждение позволило сформировать, преимущественно, аморфную структуру полимерной матрицы армированной трубы, в результате чего долговременная прочность трубы, изготовленной по примеру 1, измеренная при циклических изменениях температуры от -40°С до +80°С превысила 1200 циклов, а трубы по прототипу составила от 130 до 245 циклов.

Кроме того, следует отметить, что для обеспечения повышенной прочности во время сварки армирующего каркаса на роликовый электрод 14 передавали прижимное усилие и ударные импульсы от гидропривода, которые были синхронизированы с моментом пересечения между собой элементов продольной 2 и поперечной 3 арматуры, а также с моментом подачи импульса тока на роликовый электрод 14.

Для передачи ударных импульсов использовали ударный механизм 28 (см. фиг. 4), который содержит гидроцилиндр, размещенный внутри штока 29, соединенный с гидроприводом. То есть, на ударный механизм 28 от гидропривода подается ударный импульс, который преобразовывается в поступательное перемещение штока 29, на противоположном конце которого закреплен эксцентриковый рычаг 18 с роликовым электродом 14. Таким образом, процесс сварки совмещается с ковкой, что повышает прочность каждого сварного соединения армирующего каркаса. Прочность на срез сварного соединения продольных и поперечных элементов армирующего каркаса в каждом месте соединения составила не менее 35 кгс.

Кроме того, для постоянного прижима роликового электрода 14 к свариваемым элементам армирующего каркаса использовали прижимное устройство, выполненное в форме пружины 30, установленной на штоке 29 гидроцилиндра, опирающейся на рычаг роликового электрода 18. То есть, при изготовлении армирующего каркаса в качестве средства для формирования спирали из элементов поперечной арматуры 3 использовали, именно, роликовый электрод 14, ролик которого обеспечивает постоянный прижим элементов поперечного армирования к элементам продольного армирования с усилием от гидропривода. В качестве элементов поперечной и продольной арматуры использовали стальную проволоку (Ст.З) круглого сечения диаметром 3 мм. Для направления проволоки, непосредственно, под ролик электрода 14 использовали направляющее устройство 31.

В качестве элементов поперечной и продольной арматуры использовали стальную проволоку (Ст.З) круглого сечения диаметром 3 мм.

Размерный диапазон произведенной металлополимерной армированной трубы составляет по наружному диаметру от 50 мм до 1000 мм с шагом 1 мм (на диаметр).

При этом размерные диапазоны армирующего каркаса для получения указанной трубы выбраны следующие:

- размер сечения арматуры - 0,2...16 мм, с шагом 0,1 мм;

- шаг между элементами поперечной арматуры (спирали) - s...6s, где s - размер сечения поперечной арматуры (спирали), мм.

Необходимо отметить, что калибрование размера трубы производится по ее внутреннему диаметру, в отличие от традиционных технологий производства полимерных труб и профилей, в которых калибровка производится по внешнему диаметру изделия.

Проведенные эксперименты на образцах труб, полученных в соответствии с примером 1, а также анализ макромолекулярной структуры полимерной матрицы трубы, позволили сделать вывод, что одновременное использование интенсивного внутреннего и наружного охлаждения, сделало возможным регулирование скорости и глубины охлаждения полимера с получением заданной структуры полимерной матрицы на основе аморфной фазы формуемого полимера.

Остаточные напряжения в микрообъемах полимерной матрицы изготовленной трубы не превышают величины 2 кг/см и практически не влияют на ее долговечность. При длительной эксплуатации эти незначительные напряжения полимерной матрицы релаксируют.

Разрушающая нагрузка при осевом растяжении полученной трубы, превышает нормативную величину для металлополимерных труб более чем в 2 раза.

Долговременная стойкость изготовленной по примеру 1 металлополимерной армированной трубы при циклических изменениях температуры от -40°С до +80°С превышает 1200 циклов.

Долговременная стойкость полученной трубы, изготовленной со стыковым сварным соединением, при испытании с напряжениями в стенке 6 МПа и температуре +80°С составляет не менее 1000 часов; при напряжениях 13,4 МПа - не менее 170 часов; а при напряжениях 19 МПа - не менее 100 часов.

Полученные, как описано выше, металлополимерные армированные трубы показали высокую стойкость к воздействию коррозионноактивных агентов природного и промышленного происхождения типа сернистого газа с концентрацией от 20 до 250 мг/л в сутки, хлоридов с концентрацией менее 0,3 мг/л в сутки, различных кислот и щелочей, а также к воздействию морской воды и почвенно- коррозионной среды.

Металлополимерные армированные трубы, изготовленные в соответствии с примером 1 с толщиной стенки 1 1,0 -И 2, 5 мм, характеризуются рабочим давлением 40 Атм, температурным режимом эксплуатации в интервале от -50 до +95°С, ударной вязкостью на уровне 427, 4 кДж/м ² , коэффициентом усталости не менее 0,46> 10 ⁷ циклов, количеством циклических нагрузок при 0,4 МПа с частотой 25 Гц не менее 3* 10 ⁶ циклов, коэффициентом термического расширения 2x 10 ⁵ , герметичностью при постоянном давлении в течение часа не менее 5-40 МПа (в зависимости от диаметра трубы) и запасом прочности от 2 до 4,75 (в зависимости от диаметра трубы в диапазоне 95 225 мм).

Физико-механические свойства труб, изготовленных в соответствии с примером 1 , показаны в таблице 1.

Пример 2.

Изготовление металлополимерных труб, армированных сварным металлическим каркасом, осуществили так же, как было показано в примере 1. В качестве материала для формирования полимерной матрицы трубы использовали полиэтилен, соответствующий ГОСТ 16338-85, а в качестве элементов продольной и поперечной арматуры использовали разные варианты металлического проката, катанки и проволоки.

В качестве элементов продольной и поперечной арматуры использовали металлическую проволоку или катанку круглого сечения диаметром 3 мм, квадратного сечения со стороной квадрата 2,7 мм, трапециевидного сечения с основанием 3 мм и с 2 2 площадью сечения 7, 1 мм , овального сечения с минимальным диаметром 2,5 мм . В качестве материала для изготовления элементов продольной и поперечной арматуры использовали сталь различных марок или сплавы на основе цветных и черных металлов, в частности, сплавы на основе хрома, никеля или меди. Выбор сплава для изготовления арматуры осуществляется с условием пригодности для электроконтактной сварки и зависит, в основном, от назначения готового изделия.

Свойства металлополимерных труб, армированных сварным металлическим каркасом, изготовленным в соответствии с примером 2, показаны в таблицах 2-4.

Анализ полученных данных показывает, что наличие у элементов продольной и поперечной арматуры хотя бы одной плоской грани увеличивает площадь контакта при сварке армирующих элементов между собой и повышает прочность всего сварного каркаса, а также показатели допустимой растягивающей осевой нагрузки и предельного разрушающего давления изготовленной трубы.

Заявленный способ изготовления металлополимерных труб, армированных сварным металлическим каркасом, как показано ниже, может быть осуществлен с использованием различных видов полимеров для формирования тела (матрицы) трубы, в частности с использованием фторопласта, полиэфиркетона, полиэфирсульфона, полиуретана, термопластичных вулканизированных эластомеров, полиамидов и других полимеров.

Пример 3.

Изготовление металлополимерных труб, армированных сварным металлическим каркасом, осуществили так же, как было показано в примере 1. Однако в качестве материала для формирования полимерной матрицы трубы использовали фторопласт-4, имеющий плотность 2,12 - 2,17 кг/м и предел текучести при растяжении 12 - 20 МПа. Фторопласт выбрали как полимер, обладающий более высокой химической стойкостью и термостойкостью по сравнению с другими полимерами. В процессе переработки фторопласта-4 к нему добавляются компоненты, позволяющие повысить предел холодной текучести полимера, не ухудшая его физико-химических свойств. Такой добавкой может быть графит, сульфиды некоторых металлов и другие антифрикционные материалы.

Изготовили трубу с наружным диаметром 1 15 мм, которая может работать при температуре эксплуатации от - 150 до +260°С. Предельное разрушающее давление для данной трубы составило 7,0 МПа, допустимая растягивающая осевая нагрузка составила 14,6 тс. Свойства трубы представлены в таблице 5.

Пример 4.

Способ изготовления металлополимерных труб, армированных сварным металлическим каркасом, осуществили на устройстве (фиг. 2-3) так же, как было показано в примере 1. При этом в качестве материала для формирования полимерной матрицы трубы использовали полиэфиркетон марки РЕКК, имеющий плотность 1,28 - 1,31 кг/м ³ и предел текучести при растяжении 91 - 112 МПа.

Изготовили трубу с наружным диаметром 160 мм, которая может работать при температуре эксплуатации от - 90 до +260°С. Предельное разрушающее давление для данной трубы составило 14,0 МПа, допустимая растягивающая осевая нагрузка составила 20,4 тс. Свойства трубы представлены в таблице 6.

Пример 5.

Способ изготовления металлополимерных труб, армированных сварным металлическим каркасом, осуществили на заявленном устройстве (фиг.2-3), как было показано в примере 1. При этом в качестве материала для формирования полимерной матрицы трубы использовали полиэфирсульфон марки ПЭС, имеющий плотность 1,36 - 1,58 кг/м ³ и - предел текучести при растяжении 83 - 126 МПа.

Изготовили трубу с наружным диаметром 140 мм, которая может работать при температуре эксплуатации от - 100 до +200°С. Предельное разрушающее давление для данной трубы составило 16,0 МПа, допустимая растягивающая осевая нагрузка составила 16,0 тс. Свойства трубы представлены в таблице 7.

Пример 6.

Способ изготовления металлополимерных труб, армированных сварным металлическим каркасом, осуществили так же, как было показано в примере 1. Однако в качестве материала для формирования полимерной матрицы трубы использовали полиуретан марки ТПУ, имеющий плотность 1,12 - 1,28 кг/м и предел текучести при растяжении 12...70 МПа.

Изготовили трубу с наружным диаметром 1 15 мм, которая может работать при температуре эксплуатации от - 70 до +170°С. Предельное разрушающее давление для данной трубы составило 14,1 МПа, допустимая растягивающая осевая нагрузка составила 15,0 тс. Свойства трубы представлены в таблице 8. Пример 7.

Способ изготовления металлополимерных труб, армированных сварным металлическим каркасом, осуществили на заявленном устройстве так же, как было показано в примере 1. Причем в качестве материала для формирования полимерной матрицы трубы использовали термопластичные вулканизированные эластомеры TPV (на основе полиолефинов), имеющие плотность 0,97 кг/м и предел текучести при растяжении 2 - 28 МПа.

Изготовили трубу с наружным диаметром 200 мм, которая может работать при температуре эксплуатации от - 60 до +130°С. Предельное разрушающее давление для данной трубы составило 9,4 МПа, допустимая растягивающая осевая нагрузка составила 24,0 тс. Свойства трубы представлены в таблице 9.

Пример 8.

Способ изготовления металлополимерных труб, армированных сварным металлическим каркасом, осуществили на заявленном устройстве так же, как было показано в примере 1. Однако в качестве материала для формирования полимерной матрицы трубы использовали поливинилхлорид суспензионный ПВХ С (PVC S), имеющий плотность 1,13 - 1,58 кг/м ³ и предел текучести при растяжении 4 - 7 МПа.

Изготовили трубу с наружным диаметром 1 15 мм, которая может работать при температуре эксплуатации от - 10 до +70°С. Предельное разрушающее давление для данной трубы составило 14,4 МПа, допустимая растягивающая осевая нагрузка составила 13,8 тс. Свойства трубы представлены в таблице 10.

Пример 9.

Способ изготовления металлополимерных труб, армированных сварным металлическим каркасом, осуществили на заявленном устройстве так же, как было показано в примере 1. Однако в качестве материала для формирования полимерной матрицы трубы использовали полиамид (марки ПА-6, ПА- 12), имеющий плотность 1,02 - 1 ,13 кг/м ³ и предел текучести при растяжении 80 - 100 МПа.

Изготовили трубу с наружным диаметром 225 мм, которая может работать при температуре эксплуатации от - 60 до +1 15°С. Предельное разрушающее давление для данной трубы составило 18,6 МПа, предельное разрушающее давление - 10,2МП тс. Свойства трубы представлены в таблице 1 1. зз Пример 10.

Для использования при формировании трубопровода, как показано на фиг. 8 изготовили сварное соединение металлополимерных армированных труб 19 и 36. Для этого на каждой трубе смонтировали на резьбе соединительные элементы 32 и 37. Затем разместили плоский нагревательный «утюг» (на чертеже не показан) так, чтобы он оказался между торцами соединительных элементов 32 и 37, зажали «утюг» трубами 19 и

36, после чего произвели одновременный нагрев торцов соединительных элементов 32 и

37. При достижении необходимой температуры трубы 19 и 36 разводят на незначительное расстояние, утюг вынимают, а обе трубы сжимают при помощи усилия, приложенного к ним по направлению друг навстречу друга, получая в результате сварной шов 38. После того, как соединение приобретет температуру окружающей среды, его можно использовать.

Долговременная стойкость полиэтиленовой армированной трубы, изготовленной со стыковым сварным соединением, при испытании с напряжениями в стенке 6 МПа и температуре +80°С составляет не менее 1000 часов; при напряжениях 13,4 МПа - не менее 170 часов; а при напряжениях 19 МПа - не менее 100 часов.

Пример 11.

Для изготовления трубопровода выполнили сварное неразъемное соединение металлополимерных армированных труб 19 и 36 с последующим упрочнением сварного соединения армированной муфтой 40, как показано на фигуре 9.

Этот вариант соединения позволяет соединять в трубопровод металлополимерные армированные трубы больших диаметров (от 275 мм и выше), благодаря применению одновременно сварного и резьбового соединения. Такой способ наиболее эффективен при использовании в трубопроводах и колоннах обсадных труб больших диаметров, поскольку при увеличении наружного диаметра труб увеличивается нагрузка на соединение.

После того как на трубах 19 и 36 смонтировали соединительные элементы (законцовки) 32 и 37 произвели их сварку по торцам при помощи нагревательного утюга, как описано в примере 10, с получением сварного шва 38, на наружную поверхность сваренных соединительных элементов 32 и 37 нарезается резьба 39. Следующий этап - навинчивание соединительной муфты 40. При этом в качестве муфты 40 может быть использован отрезок металлополимерной армированной трубы большего, чем у соединяемых труб 8 и 9 диаметра, то есть внутренний диаметр муфты 40 равен внешнему диаметру соединительных элементов 32 и 37. На внутреннюю поверхность муфты 40 с двух сторон нанесена ответная резьба 41, позволяющая осуществить навинчивание муфты 40 на втулки соединительных элементов 32 и 37 и для укрепления сварного соединения

38 труб 19 и 36. Для защиты арматуры от коррозии муфта 40, выполненная в виде отрезка металлополимерной армированной трубы, содержит защитные полимерные кольца 42, закрывающие выходы арматуры на торцах.

Пример 12

В данном примере (фиг.10) показано фланцевое разъемное соединение металлополимерных армированных труб 19 и 36, выполненное с использованием заявленных соединительных элементов 43.

Соединительные элементы 43 обрабатывают для размещения фланцев 45, выполняя на заднем торце внешнюю проточку с фаской 44, как показано на фиг. 10. Фланец 45 представляет собой кольцо с отверстиями, расположенными по окружности. По внутренней кольцевой поверхности каждого фланца 45 выполнена коническая фаска с углом конусности, соответствующим углу конусности фаски 44 на внешней стороне соединительного элемента 43.

Соединение в трубопровод двух труб 19 и 36, оборудованных фланцами 45, производится при помощи шпилек 46 и гаек 47. Для уплотнения фланцевого соединения труб используются прокладки 76, размещенные в кольцевых проточках, выполненных по торцу соединительных элементов 43.

Пример 13.

Для изготовления трубопровода выполнили муфтовое разъемное соединение металлополимерных армированных труб 19 и 36, (как показано на фиг. 1 1) с использованием соединительных элементов 32 и 37. При этом на наружной поверхности соединительных элементов 32 и 37 была нарезана цилиндрическая резьба 39. В качестве соединительной муфты 48 использован отрезок металлополимерной армированной трубы большего, чем у соединяемых труб 19 и 36 диаметра. Внутренний диаметр муфты 48 соответствует внешнему диаметру соединительных элементов 32 и 37. С торцов муфты 48 ее металлический армирующий каркас защищен приваренными кольцами 42, выполненными из того же полимерного материала, что и муфта 48. На внутренней поверхности муфты 48 с двух сторон имеется ответная резьба, соответствующая резьбе

39 на наружной поверхности соединительных элементов 32 и 37. Установленное в соединении полимерное кольцо 49, выполняет роль уплотнителя, а также позволяет устранить карман в продольном сечении трубопровода.

Пример 14

Данный пример показывает осуществление в заявленном трубопроводе перехода от металлополимерной армированной трубы 19 на металлическую трубу 50 с использованием соединительного элемента 51, закрепленного торце трубы 19 резьбовым соединением, как показано на фиг.12.

Задняя часть соединительного элемента 51 обрабатывается фаской 52 под коническую посадочную поверхность металлической втулки 53, охватывающей по внешней периферии соединительный элемент 51 и посаженной на него с натягом. Металлическая гильза 56 навинчивается на втулку 53 по резьбе 54, 55 до упора. После монтажа втулки 53 и гильзы 56 производится сваривание гильзы 56 и металлической трубы 50 по наружному контуру швом 57.

В другом варианте соединительный элемент 51 и втулка 53 закрепляются между собой на резьбе (на чертеже не показано).

Пример 15.

Данный пример показывает возможности применения заявленных металлополимерных армированных труб для строительства водопровода, имеющего переходное соединение, показанное на фиг. 6 на верхнем ответвлении трубопровода, включающее переход от металлополимерной армированной трубы 19 на полиэтиленовую неармированную трубу, имеющую внешний диаметр (0) 200 мм, внутренний диаметр (Ду)

150 мм, рассчитанную на рабочее давление (Рп) до 12 атм. Соединение выполнено сваркой встык торца полиэтиленовой трубы 58 и соединительного элемента 32. Сварное соединение укреплено муфтой, установленной на резьбе поверх сварного соединения по технологии, описанной выше.

Трубопровод построен с учетом требований, предъявляемых к водопроводу (а также к трубопроводам для канализации или горячего водоснабжениния). Для этих целей обычно применяют полимерные трубы из полиэтилена или полипропилена, а также трубы из стеклопластика, трубы из металла (сплавы железа) и из композитных материалов. Транспортируемые агентыдля указанного типа трубопроводов - это вода, вода с твердыми включениями, пар. Рабочее давление в трубопроводе до 16 атм., рабочая температура 5- 75°С. Рассмотрим преимущества, которые могут быть получены при строительстве водопровода при переходе на заявленную металлополимерную трубу с полиэтиленовой неармированной трубы 58 наружного диаметра 200 мм, толщиной стенки 25 мм (индекс толщины стенки SDR = диаметр трубы/ на толщину стенки = 9). Водопровод из полиэтилена ПЭ-100, согласно расчетам с учетом прочности материала и толщины стенки трубы, имеет рабочее давление равное 12 атмосферам (1,2 МПа). Для выполнения соединения выбираем металлополимерную армированную трубу с соответствующим внутренним диаметром (условным проходом), равным 180 мм, с толщиной стенки - 12,5 мм, Ду-155.

Главными преимуществами металлополимерной армированной трубы 19 перед полиэтиленовой трубой в данном случае будут большая прочность и большая гибкость при равной пропускной способности. Прочность металлополимерной армированной трубы измеряется по сопротивлению осевым, радиальным и прочим нагрузкам. В данном случае металлополимерная армированная труба МПТ-180 может выдержать внутреннее давление Ртах = 80 атм., а сопротивление в осевом направлении составит F = 227,5 кН (у полиэтиленовой трубы - около 58 кН).

При этом необходимо учитывать то, что металлополимерная армированная труба при своей прочности, обладает достаточной гибкостью, чтобы компенсировать внешние нагрузки на нее. Это возможно благодаря системе «каркас-полимер», которая работает в армированной трубе. Полиэтиленовая неармированная труба не имеет достаточной гибкости, а при увеличении толщины стенки этот показатель уменьшается пропорционально. Металлический каркас при увеличении диаметра трубы наоборот усиливается пропорционально за счет увеличения количества продольных армирующих элементов, толщина стенки МПТ может при этом оставаться неизменной.

Увеличение давления транспортируемого продукта внутри трубопровода, построенного из заявленных металлополимерных армированных труб, позволяет повысить эффективность использования трубопровода, сократить расходы, повысить рентабельность.

Сравнение себестоимости материалов для производства одного погонного метра трубы показано на фиг. 5В. Сравнение основано на подсчете удельного веса и цены на соответствующие материалы. При производстве металлополимерной армированной трубы стоимость стали СтЗ для изготовления каркаса составит 28 руб./кг, а полиэтилена марки 100 - 67 руб./кг, мы получаем, что себестоимость погонного метра металлополимерной армированной трубы МПТ-180 составляет 588,60 руб; а полимерной неармированной трубы ПЭ-100 - 676,70 руб. Масса погонного метра труб: 13,5 и 10,1 кг соответственно. Увеличение толщины стенки полимерной неармированной трубы ведет к увеличению объема полимера, который надо затратить на ее производство, это означает повышение себестоимости материала для производства одного погонного метра трубы. Таким образом, при увеличении внутреннего диаметра трубы более экономически выгодным является строительство трубопровода из заявленной металлополимерной армированнолй трубы, иллюстрирует кривая 4 на фиг. 5В. Кривая 3 на фиг. 5В показывает опережающий рост себестоимости неармированной полимерной трубы при увеличении внутреннего диаметра трубопровода.

Пример 16.

Данный пример показывает преимущества, которые могут быть получены при строительстве газопровода в случае перехода на заявленную металлополимерную трубу с полиэтиленовой неармированной трубы 58 наружного диаметра 500 мм.

Трубопровод, составленный из полиэтиленовых неармированных труб (имеющих внешний диаметр 500 мм, внутренний диаметр Ду = 388,8; расчетное рабочее давление Рп 12 атм.) эквивалентно можно заменить трубопроводом из металлополимерных армированных труб МПТ-450, имеющим следующие физико-технические характеристики: наружный диаметр - 450 мм, Ду-416, толщина стенки 17 мм, рабочее давление Рп 30 атм. Сравнительная масса погонного метра труб: МПТ-450 составляет 40,7 кг, в то время как для полиэтиленовых (неармированных) труб типа ПЭ-500 масса погонного метра составит 78,32 кг.

Из сравнения очевидно облегчение общей массы трубопровода, построенного из металлополимерных армированных труб, увеличение рабочего давления транспортируемого продукта в нем. Кроме того, как отмечалось выше, полиэтиленовая неармированная труба с увеличением толщины стенки теряет гибкость и способность к упругим деформациям, что в данном случае также является отрицательным фактором оценки прочности трубопровода. Армирующий каркас металлополимерных армированных труб позволяет не наращивать толщину стенки трубы при увеличении внутреннего диаметра, поскольку он принимает на себя большую часть нагрузок, сохраняя в то же время достаточную гибкость и способность релаксации напряжений в теле трубы.

Газовые сети из металлополимерных армированных труб МПТ во много раз более надежны по сравнению с полимерными и композитными трубами, особенно в сейсмически опасных районах со сложной геологической ситуацией. Пример 17.

Данный пример показывает преимущества, которые могут быть получены при строительстве нефтепровода в случае перехода на заявленную металлополимерную трубу 19 с металлических труб 50 наружного диаметра 500 мм (внутренний диаметр Ду=468; рабочее давление Рп= 20атм.).

В сравнении с металлической трубой (материал - Сталь 20) у металлополимерных армированных труб есть следующие преимущества: химическая стойкость, коррозионная стойкость, вес и стоимость.

Для замены указанной стальной трубы выбирается металлополимерная армированная труба МПТ-500 (внешний диаметр 500 мм; внутренний диаметр Ду=464; рабочее давление Рп=20атм.).

Масса погонного метра металлополимерной армированной трубы МПТ-500 составляет 46,8 кг; а трубы из Стали 20 диаметром 500 мм - составляет 191,2 кг. Большой вес металлической трубы, по сравнению с весом металлополимерной армированной трубы МПТ, является существенным недостатком во время монтажа, эксплуатации и ремонта трубопровода.

Себестоимость материалов для изготовления металлополимерной армированной трубы МПТ-500 составляет 2 191,8 руб./п.м.; для трубы из Стали 20 диаметром 500 мм - 5 353,6 руб./п.м.

Как следует из приведенных данных, металлополимерная армированная труба МПТ не уступает металлической трубе в прочности в радиальном направлении. Химическая стойкость полимера позволяет использовать такой трубопровод без капитального ремонта и замены в течение гораздо большего времени, чем аналогичный трубы из металла.

Если в целях увеличения срока эксплуатации стального трубопровода, вместо трубы из качественных сталей, типа Стали 20, или аналогичных им сталей использовать трубы из коррозионностойких сталей и сплавов, то себестоимость материалов в сравнении с МПТ вырастет примерно в 30 раз, а следовательно, значительно вырастет стоимость прокладки трубопровода.

Экономическая эффективность от замены металлических труб на металлополимерные армированные трубы очевиднее всего выражается в затратах и сроках эксплуатации сетей до следующего капитального ремонта или замены.

Так же, при сравнении массы погонного метра труб из сплавов железа и МПТ, выявляется разность и в расходах на транспортировку и монтаж труб, так как металлические трубы значительно тяжелее МПТ в 2,5 раза и, соответственно, требуют иной техники и трудозатрат.

С точки зрения качества внутренней поверхности трубы следует отметить, что поверхность металлополимерной армированной трубы МПТ по внутреннему диаметру формируется полированной поверхностью дорна внутри экструзионной головки, что отражается в шероховатости внутренней поверхности готовой трубы - Ra 0,25 - Rz 1,25. Металлическая труба имеет на внутренней поверхности шероховатость, регламентируемую стандартом и определяемую в пределах Ra 6,3 - Ra 50. Вследствие этого гидродинамические потери в трубопроводе из металла будут значительно выше, чем в трубопроводе из металлополимерной армированной трубы МПТ.

Пример 18.

Составлен трубопровод, фрагмент которого показан на фиг. 6, из металлополимерных армированных труб 19, изготовленных в соответствии с заявленным изобретением с использованием соединительных элементов 32. Трубопровод построен с учетом требований, предъявляемых к транспортировке скважинного продукта при добыче нефти и газа. Для этих целей обычно применяют полимерные трубы из полиэтилена, стеклопластика, из металла (сплавы железа) и из композитных материалов. Транспортируемые агенты: нефть, газы, горючие газы, технические жидкости. Рабочее давление в трубопроводе до 40 атм., рабочая температура 10-80°С.

Особенностью применения трубопроводного транспорта в нефтегазовой промышленности является то, что скважинные продукты оказывают очень сильное химическое воздействие на трубопровод. Вследствие этого, в результате процесса коррозии, металлические трубы имеют сравнительно короткий период службы до их замены. В этих условиях значительно эффективнее применение полимерных трубопроводов.

Трубопровод из металлополимерных армированных труб можно эксплуатировать при концентрации сероводорода выше 16%, что позволяет заменить ими трубы из специальных сталей и алюминия при строительстве трубопроводов на месторождениях с высоким содержанием сернистых соединений.

Применение обычных полимерных труб в указанной ситуации не возможно по причине низкой прочности. Композитные трубы (стеклопластик) имеют низкую осевую прочность в местах соединений и не обеспечивают достаточную надежность эксплуатации трубопровода. Пример 19.

Составлен трубопровод, фрагмент которого показан на фиг. 6, из металлополимерных армированных труб 19, изготовленных в соответствии с заявленным изобретением с использованием соединительных элементов 32. Трубопровод построен с учетом требований, предъявляемых к трубопроводам для подземного и кучного выщелачивание цветных и редкоземельных металлов в гидрометаллургии.

Сочетание прочности в осевом и радиальном направлении с химической стойкостью позволяют считать металлополимерную армированную трубу самой надежной из полимерных труб, применяемых в гидрометаллургии, при выщелачивании руд. В гидрометаллургии возможно применение металлополимерных армированных труб, в частности, в качестве колонны обсадных труб при разработке месторождений, в качестве колонны труб для консервирования шахт, в качестве трубопровода для транспортировки растворов солей металлов. Конструкция заявленного трубопровода из металлополимерных армированных труб выдерживает 9 бальное землетрясение. Эквивалентом являются только трубопроводы из высоколегированной нержавеющей стали, трубы из которой в 30 раз дороже металлополимерных армированных труб.

Пример 20.

Составлен трубопровод, фрагмент которого показан на фиг. 6, из металлополимерных армированных труб 19, изготовленных в соответствии с заявленным изобретением с использованием соединительных элементов 32. Трубопровод построен с учетом требований, предъявляемых к трубопроводам для пневмотранспорта цемента и абразивных материалов.

В настоящее время для пневмотранспорта цемента и абразивных материалов обычно используются трубопроводы из стальных и композитных труб.

В сравнении с трубопроводом из металлополимерных армированных труб недостатком трубопровода из металлических труб является больший удельный вес металлических труб и их низкая износостойкость. Износостойкость металлополимерных армированных труб в 4-10 раз выше, чем у стальных труб. В экономическом отношении это выражается в коротком сроке эксплуатации металлического трубопровода.

Неармированные полимерные трубопроводы для указанной цели применения не обладают достаточной жесткостью, поэтому конструкции из полимерных неармированных труб для пневмотранспорта цемента и абразивных смесей необходимо дополнительно укреплять фермами и опорами, что усложняет строительство объекта и повышает стоимость. Пример 21.

Трубопровод, фрагмент которого показан на фиг. 6, составлен из металлополимерных армированных труб 19, изготовленных в соответствии с заявленным изобретением с использованием соединительных элементов 32. Трубопровод построен с учетом требований, предъявляемых к трубопроводам применяемым в химической промышленности, в частности, для транспортировиа концентрированных кислот и щелочей.

В химической промышленности к трубопроводному транспорту предъявляются повышенные требования, касающиеся в первую очередь химической (коррозионной) стойкости материала, из которого сделана труба, прочности и герметичности соединений в трубопроводе.

Обычные стальные трубы и трубопроводы из них не пригодны для транспортировки концентрированных кислот и щелочей. В таких условиях могут быть применимы лишь коррозионностойкие сплавы, стойкие к агрессивным средам. Необходимы также специальные покрытия, наносимые на поверхности металлических труб для сохранения их целостности.

Себестоимость материалов для изготовления труб из нержавеющих сталей и сплавов, а также стоимость строительства таких трубопроводов будет значительно выше, чем себестоимость материалов для производства металлополимерных армированных труб и затраты на создание трубопровода из них. Строительство трубопровода из металлополимерных армированных труб (МПТ) для транспортировки химических реагентов не отличается по техническому исполнению от строительства трубопровода из МПТ для водоснабжения или транспортировки нефтепродуктов, потому как трубопровод из МПТ является герметичным и не нуждается в дополнительных мерах по сохранению герметичности. Химическая стойкость полимера МПТ достаточна для того, чтобы без разрушения целостности стенки трубы транспортировать агрессивные агенты. Внутреннюю и наружную поверхности трубопровода не нужно покрывать специальными покрытиями. Соединения труб посредством соединительных элементов 32 соединительных муфт 40 и 48, фланцевых соединений 45 и с помощью прочих конструкций, приведенных в описании изобретения, обеспечивают надежную герметичность, необходимую в данном случае применения.

Пример 22. Пример описывает применение металлополимерных армированных труб 19, изготовленных в соответствии с заявленным изобретением, для использования в коррозионноактивной среде в контакте с морской водой, например, при создании морской инфраструктуры, а также для укрепления береговой линии при строительстве портов и доков. Заявленные металлополимерные армированные трубы также могут найти применение при создании трубопроводорв для транспортировки соленой воды на опреснение, при строительство трубопроводов в засоленных почвах, при прокладке любых трубопроводов в морской среде, а также при строительстве платформ для добычи нефти и газа.

Высокая прочность металлополимерных армированных труб и возможность заполнения их внутреннего пространства бетоном позволяет использовать МПТ в качестве опор для различных строений в условиях внешней агрессивной среды. Обеспечивающий заявленной трубе высокие прочностные характеристики сварной металлический каркас со всех сторон защищен полимером, поэтому, при контакте с соленой водой, как внутри трубы, так и снаружи, не происходит окислительных процессов на металлическом каркасе за счет чего прочность трубы остается неизменным параметром.

Требования к прочности и стойкости труб и трубопроводов из них, применяемых в морской среде, схожи с требованиями к трубам для химической промышленности.

В сравнении с полиэтиленовыми металлополимерные армированные трубы имеют ряд преимуществ, которые сильнее проявляются при повышении диаметра трубы, заключающиеся в более низкой себестоимости материалов для изготовления, меньше весе и меньшей толщине стенки при более высоких значениях показателей прочности в осевом и радиальном направлении.

Пример 23.

Пример описывает применение металлополимерных армированных труб 19 в качестве опор и свай для строительства зданий и сооружений.

В процессе строительства различных зданий и сооружений необходимо укрепление грунта под фундаментом для предотвращения возможных смещений пластов грунта друг относительно друга, ведущего к разрушению фундамента и строения в целом. Обычно сваи для этих целей изготавливаются из железобетона. Однако в ряде случаев вместо железобетонных свай или опор возможно использование в строительстве металлополимерных армированных труб. 8

В некоторых случаях для этого есть основания, которые выражаются в преимуществах металлополимерных армированных труб перед бетонными сваями. Например, при возможности подмывания грунтов' грунтовыми водами срок службы обычных железобетонных свай сокращается, что может привести к их разрушению и, соответственно, к нарушению стабильности фундамента сооружения. К тому же, металлическая арматура свай подвержена коррозии и приходит в негодность, находясь в сырой среде грунта, тем самым теряя способность сохранять целостность сваи. В отличии от этого в заявленной трубе высокие прочностные характеристики сварного металлического каркаса обеспечены полимером, покрывающим каркас со всех сторон. Поэтому, при контакте с грунтовой водой, как внутри трубы, так и снаружи, не происходит окислительных процессов на металлическом каркасе за счет чего прочность трубы с течением времени не меняется.

Основные варианты применения металлополимерных армированных труб приведены в таблице 12.

Физико-механические свойства трубы, полученной заявленным способом.

Таблица 1

Свойства трубы, полученной заявленным способом, при использовании в качестве армирующего каркаса металлической арматуры круглого сечения и матрицы из

полиэтилена.

Таблица 2

Свойства трубы, полученной заявленным способом, при использовании в качестве армирующего каркаса металлической арматуры квадратного сечения и матрицы из полиэтилена.

Таблица 3

Свойства трубы, полученной заявленным способом, при использовании в качестве продольных элементов армирующего каркаса металлической арматуры трапециевидного сечения, в качестве поперечных элементов - металлической арматуры круглого сечения диаметром 3 мм и матрицы из полиэтилена.

Таблица 4

Свойства трубы, полученной заявленным способом, при использовании в качестве полимерной матрицы фторопласта-4

Таблица 5

Свойства трубы, полученной заявленным способом, при использовании в качестве полимерной матрицы полиэфиркетона марки РЕКК

Таблица 6

Свойства трубы, полученной заявленным способом, при использовании в качестве полимерной матрицы полиэфирсульфона марки ПЭС

Таблица 7

Свойства трубы, полученной заявленным способом, при использовании в качестве полимерной матрицы полиуретана ТПУ

Таблица 8

Свойства трубы, полученной заявленным способом, при использовании в качестве полимерной матрицы термопластичных вулканизированных эластомеров

Таблица 9

Свойства трубы, полученной заявленным способом, при использовании в качестве полимерной матрицы ПВХ С (поливинилхлорид суспензионный PVC S)

Таблица 10

Свойства трубы, полученной заявленным способом, при использовании в качестве полимерной матрицы полиамида ПА-6 и ПА- 12.

Основные варианты применения металлополимерных армированных труб.

Таблица 12