ТРУБА-ОБОЛОЧКА ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1998 года по МПК F16L9/12 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в трубах-оболочках из композиционных материалов, применяемых в авиационно-космической технике, нефтехимической и газовой промышленности.

Известна труба-оболочка из композиционных материалов, содержащая соответствующий ее профилю силовой каркас, образованный из слоев несущих лент из армирующих нитей, скрепленных отвержденным полимерным связующим, облицованный по внутренней поверхности защитным полимерным связующим, облицованный по внутренней поверхности защитным покрытием из термопластичного материала (авт. св. СССР N 1691645, F 16 L 9/12, 1991).

Труба-оболочка обеспечивает надежное функционирование в условиях избыточного давления рабочей среды, однако при воздействиях избыточного давления возможно отслаивание защитного покрытия из-за слабой его связи с силовым каркасом.

Известна также труба-оболочка из композиционных материалов, содержащая силовой каркас и полимерное защитное покрытие (патент Франции N 2445922, F 16 L 9/16, 1980).

Недостатки этой трубы-оболочки аналогичны вышеуказанным.

Известна также труба из композиционных материалов с внутренним и внешним защитным покрытиями из термопластичного материала (заявка Японии N 60-37351, F 16 L 9/12, 1985).

Труба предназначена для трубопроводной техники, между покрытием и силовой частью трубы отсутствует надежное скрепление.

Известна и трубы из композиционных материалов, содержащая несущий слой из армирующего материала и защитные покрытия, нанесенные и закрепленные на его внутренней и наружной поверхностях, выполненные из термопластичного или упругоэластичного материала со скрепленными между собой концевыми кольцевыми хвостовиками внешнего и внутреннего защитных покрытий, выступающих за торцы несущего слоя (авт.св. РФ N 628, F 16 L 58/10, 1995).

Труба обеспечивает герметизацию слоев, в основном предназначена для трубопроводной техники. Проблема скрепления покрытия с несущим слоем не рассматривается.

В качестве ближайшего аналога, выбранного в качестве прототипа, является труба-оболочка из композиционных материалов с внутренним защитным покрытием из термопластичного покрытия (авт. св. СССР N 1691645). При работе в условиях сложного напряженного состояния, локального воздействия на защитное покрытие, функционирования в составе перемещающихся других компонентов изделия, труба-оболочка для обеспечения надежной работы непригодна.

Основной задачей разработки является создание трубы-оболочки из композиционных материалов такой конструкции, которая была бы способна функционировать в условиях сложного напряженного состояния от давления изгиба, перепада температур, контактного давления по внутренней поверхности, обладала минимальными весовыми характеристиками.

Технический результат, который может быть получен от использования технического решения, заключается в обеспечении прочности и надежности скрепления защитного покрытия с силовым каркасом, отводе зарядов статического электричества, оказывающих влияние на пробой слоев силового каркаса, повышении эффективности использования трубы-оболочки из композиционных материалов.

Основная задача решена и технический результат достигнут за счет изменения конструкции защитного покрытия, разработки его из термопластичных материалов нитяной структуры, сочетания их свойств в такой комбинации, которая обеспечивает высоконадежное функционирование в составе изделия.

Для этого в трубе-оболочке из композиционных материалов, содержащей соответствующий ее профилю каркас, образованный из слоев несущих лент из армирующих нитей, скрепленных отвержденным полимерным связующим, облицованный по внутренней поверхности защитным покрытием из термопластичного материала, защитное покрытие силового каркаса выполнено в виде скрепленных между собой и с ним отвержденным полимерным связующим концентрических слоев ткани полотняного переплетения из поликапроамидных волокон, покрытых материалом из сополимера тетрафторэтилена с винилиденфторидом при объемном соотношении покрывающего материала и волокон от 0,8:1 до 0,7:1, ориентированных нитями основы в окружном и нитями утка в аксиальном направлениях. Как вариант исполнения покрытие волокон может быть выполнено из сополимера тетрафторэтилена с винилиденфторидом и технического углерода в соотношении от 1:0,6 до 1:0,8 при объемном соотношении покрывающего материала и волокон от 0,8:1 до 0,7:1.

Отличительными особенностями трубы-оболочки из композиционных материалов являются следующие признаки:
по варианту 1:
выполнение защитного покрытия из концентрических слоев ткани полотняного переплетения, скрепленных между собой и с каркасом отвержденным полимерным связующим трубы;
выполнение ткани покрытия из поликапроамидных волокон, покрытых материалом сополимера с винилиденфторидом;
расположение ткани с ориентированием нитей основы в окружном, а нитей утка в аксиальном направлениях;
объемное соотношение покрывающего материала из сополимера и волокна - сердцевины от 0,8:1 до 0,7:1;
по варианту 2:
те же самые признаки за исключением особенностей выполнения нитей;
выполнение слоев ткани из поликапроамидных волокон, покрытых материалом из сополимера тетрафторэтилена с винилиденфторидом и технического углерода, взятых в объемном соотношении от 1:0,6 до 1:0,8 при объемном соотношении покрывающего материала и волокон от 0,8:1 до 0,7:1.

Отличительные признаки являются существенными, поскольку каждый из них в отдельности и совместно направлен на решение поставленной задачи и достижение нового технического результата. Невыполнение защитного покрытия из концентрических слоев ткани полотняного переплетения не позволяет найти другое эффективное решение по надежному закреплению его на силовом каркасе с обеспечением указанных свойств. Сетчатость структуры ткани позволяет проникать полимерному связующему, на основе которого изготовлена труба-оболочка, в глубинные слои покрытия, прочно скреплять их между собой и с каркасом. Выполнение нитей ткани защитного покрытия только одной моноструктуры не позволяет решить задачу по обеспечению слоев не только герметизацией, но и скольжением по защитному покрытию других частей изделия. Это достигнуто за счет введения в сердцевину нитей более прочных термопластичных нитей из поликапроамидных волокон и выполнения их оболочки из сополимера тетрафторэтилена с винилиденфторидом. Винилиденфторид обеспечивает надежное скрепление (прививку) тетрафторэтилена, обладающего наилучшей пластичностью при скольжении, с поликапроамидными волокнами. Объемное соотношение указанных материалов обеспечивает наиболее лучшие технологические свойства переработки и более эффективные свойства в эксплуатации. Введение технического углерода в оболочку волокон обеспечивает отвод зарядов статического электричества, которые накапливаются при перемешивании частей изделия и при работе приборов на внутренней поверхности трубы-оболочки.

Указанные отличительные существенные признаки являются новыми для трубы-оболочки из композиционных материалов, так как их использование в известном уровне техники, аналогах и прототипе не обнаружено, что позволяет характеризовать предложенные технические решения соответствием критерию "новизна".

Единая совокупность новых существенных признаков с общими известными существенными признаками позволяет решить поставленную задачу и достичь новый технический результат, что позволяет характеризовать новые технические решения, по сравнению с известным уровнем техники, аналогами и прототипами, существенными отличиями. Новые технические решения являются результатом опытно-конструкторской отработки и творческого вклада, получения без использования стандартных, проектировочных разработок, или каких-либо рекомендаций, по своей оригинальности и содержательности исполнения соответствуют и критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 представлен общий вид трубы-оболочки из композиционных материалов; на фиг. 2 - ее поперечное сечение.

Труба-оболочка из композиционных материалов содержит соответствующий ее профилю силовой каркас 1, образованный из слоев 2 несущих лент 3 из армирующих нитей 4, скрепленных отвержденным полимерным связующим 5, облицованный по внутренней поверхности защитным покрытием 6, выполненным в виде скрепленных между собой и с ним отвержденным полимерным связующим 5 концентрических слоев 7 ткани полотняного переплетения из поликапроамидных волокон 8, покрытых материалом 9 из сополимера тетрафторэтитлена с винилиденфторидом при объемном соотношении покрывающего материала 9 и волокон 8 от 0,8:1 до 0,7: 1, ориентированных нитями основы 10 в окружном и нитями утка 11 в аксиальном направлениях. Порядок изготовления трубы-оболочки из композиционных материалов заключается в последовательном нанесении на металлическую оправку путем намотки концентрических слоев 7 ткани полотняного переплетения из термопластичных нитей 10, 11, пропитанных полимерным связующим 5, нанесения путем намотки слоев 2 несущих лент 3 из армирующих нитей 4, пропитанных полимерным связующим 5, термообработки полученной заготовки по режимам отверждения полимерного связующего, извлечения оправки и последующей механической обработки трубы-оболочки до заданных размеров.

Использование трубы-оболочки из композиционных материалов заключается в состыковке и скреплении ее с аналогичными трубами-оболочками из композиционных материалов для образования из них единой несущей конструкции готового изделия.

Функционирование трубы-оболочки из композиционных материалов заключается в восприятии ее силовым каркасом 1 сложной комбинации нагрузок, возникающих при работе изделия, включая изгиб с растяжением - сжатием, вибрацию, давление, температурные режимы и состав воздействующей среды. Защитное покрытие обеспечивает продвижение по трубе-оболочке составных частей изделия. Благодаря выполнению защитного покрытия 6 из концентрических слоев 7 ткани полотняного переплетения обеспечивается их надежное скрепление между собой и с силовым каркасом 1 отвержденным полимерным связующим 5. Нити основы 10 и нити утка 11 защитного покрытия 6 имеют в сердцевине поликапроамидные волокна 8, эффективно способные воспринимать и отслеживать упруго-деформативное состояние силового каркаса 1, вместе с покрытием 9 из полимера тетрафторэтилена с винилиденфторидом, нанесенным на них для уменьшения трения и повышения эффективности скольжения по ним с давлением на защитное покрытие 6 перемещающихся частей изделия без разрушения.

Введение технического углерода в сополимер покрытия 9 способствует эффективному отводу статического электричества. Предельные соотношения указанных материалов выбраны, исходя из следующих соображений. При объемных соотношениях покрывающего материала из сополимера тетрафторэтилена с винилиденфторидом и поликапроамидных волокон с добавкой или без добавки технического углерода обеспечивается наилучшая технологическая переработка нитей на их основе в ткань полотняного переплетения на стадии качества и наилучшая переработка ткани из них при ее пропитке и намотке на оправку. Превышение соотношения 0,8: 1 увеличивает долю покрытия, а уменьшение соотношения 0,7:1 приводит к уменьшению покрытия и нарастанию массы поликапроамидных волокон, материал которых склонен по своей природе к нежелательным усадочным явлениям, влияющим на отрыв слоев защитного покрытия от силового каркаса. В отношении введения технического углерода следует отметить, что наполнение им оболочек свыше 1:0,8 влияет на уменьшение содержания сополимера, а уменьшение соотношения не обеспечивает полный съем статического электричества, при наполнении 1: 0,6 уже обеспечивается эффективный отвод зарядов статического электричества, что доказано испытаниями.

Трубы-оболочки из композиционных материалов, изготовленные с использованием новых технических решений, обладают высоким качеством и надежностью, промышленно воспроизводимы, результаты их испытаний положительные.

Таким образом, новые технические решения реализации в трубах-оболочках из композиционных материалов эффективны, соответствуют критерию "промышленная применимость", т.е. уровню изобретений, на их создание и использование целесообразно обеспечение защиты исключительных прав патентом.

Труба-оболочка предназначена для использования в авиационно-космической технике. Труба-оболочка из композиционных материалов содержит защитное покрытие 6, выполненное из скрепленных между собой и с каркасом 1 полимерным связующим 5 концентрических слоев 7 полотняного переплетения из поликапроамидных волокон 8, покрытых материалом 9 из сополимера тетрафторэтилена с винилиденфторидом, как вариант, выполненным с техническим углеродом. Нити основы 10 и нити утка 11 защитного покрытия 6 ориентированы соответственно в окружном и аксиальном направлении трубы-оболочки. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Труба-оболочка из композиционных материалов, содержащая соответствующий ее профилю силовой каркас, образованный из слоев несущих лент из армирующих нитей, скрепленных отвержденным полимерным связующим, облицованный по внутренней поверхности защитным покрытием из термопластичного материала, отличающаяся тем, что защитное покрытие силового каркаса трубы-оболочки выполнено в виде скрепленных между собой и с ним отвержденным полимерным связующим концентрических слоев ткани полотняного переплетения из поликапроамидных волокон, покрытых материалом из сополимера тетрафторэтилена с винилиденфторидом при объемном соотношении покрывающего материала и волокон от 0,8:1 до 0,7:1, ориентированных нитями основы в окружном и нитями утка в аксиальном направлении. 2. Труба-оболочка из композиционных материалов, содержащая соответствующий ее профилю силовой каркас, образованный из слоев несущих лент из армирующих нитей, скрепленных отвержденным полимерным связующим, облицованный по внутренней поверхности защитным покрытием из термопластичного материала, отличающаяся тем, что защитное покрытие силового каркаса трубы-оболочки выполнено в виде скрепленных между собой и с ним отвержденным полимерным связующим концентрических слоев ткани полотняного переплетения из поликапроамидных волокон, покрытых материалом из сополимера тетрафторэтилена с винилиденфторидом и технического углерода, взятых в объемном соотношении от 1:0,6 до 1: 0,8 при объемном соотношении покрывающего материала и волокон от 0,8:1 до 0,7: 1, ориентированных нитями основы в окружном и нитями утка в аксиальном направлении.