АРМИРОВАННАЯ ТРУБА-ОБОЛОЧКА ДЛЯ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК F16L9/12 

Изобретение относится к трубам-оболочкам из композиционных материалов, в частности к армированным трубам-оболочкам для высокого давления, имеющим внутреннее и наружное защитные покрытия, используемым в качестве несущих средств, предназначенных для обеспечения надежного функционирования в условиях напряженно- деформированного состояния от воздействующих нагрузок и предохранения от влияния жидких или газообразных сред при применении в корпусных трубчатых изделиях, баллонах высокого давления.

К армированным трубам-оболочкам для высокого давления предъявляются повышенные требования по прочности, герметичности и надежности, безопасности использования и недопустимости разрушения от воздействующих нагрузок.

Известна многослойная труба, включающая металлический корпус с расположенными на нем армирующим слоем и внешним покрытием, выполненным из стеклопластика (авторское свидетельство СССР N 383944, F 16 L 9/04, 1973).

Металлический корпус обеспечивает герметичность и необходимую каркасную жесткость армирующего слоя и покрытия, которые, в свою очередь, повышают прочность трубы в радиальном и продольном направлениях. Кроме того, покрытие из стеклопластика является одновременно и антикоррозионной защитой трубы.

К недостаткам указанной многослойной трубы следует отнести сложность учета физических свойств материалов слоев, в частности, коэффициента линейного термического расширения, в многослойной трубе, работающей в условиях избыточного давления, высоких температур и коррозионного воздействия агрессивных сред.

Известно трубчатое изделие с покрытием на его наружной поверхности, состоящим из эластичной оболочки, выполненной в виде цельновязанной трикотажной трубки, пропитанной связующим веществом, которым является фенольная смола (авторское свидетельство СССР N 1216545, F 16 L 58/02, 1985).

Покрытие трубчатого изделия требует отдельного изготовления его составляющего элемента в виде эластичной трикотажной трубки, что усложняет производство армированных труб-оболочек для высокого давления.

Известна полимерная труба, выполненная защитным элементом, образованным полосой полимерной пленки, свободно намотанной с нахлестом на трубу (авторское свидетельство СССР N 1585611, F 16 L 9/12, 1990).

При воздействии тепловых и механических нагрузок происходит перераспределение напряжении между защитным элементом и полимерной трубой, однако функциональные связи между ними в радиальном направлении остаются ослабленными, что сказывается на снижении их прочности и надежности.

В трубе из композиционных материалов (заявка Японии N 60-37351, F 16 L 9/12, 1985), содержащей несущий слой из армирующего материала и защитные покрытия, нанесенные и закрепленные на его внутренней и наружной поверхностях, выполненные из термопластичного или упругоэластичного материала, отсутствуют средства упрочнения на границах соприкосновения контактирующих поверхностей составляющих ее элементов.

Наиболее близким аналогом, выбранным по технической сущности в качестве прототипа, является армированная труба-оболочка для высокого давления, содержащая корпус из композиционного материала, внутреннее и наружное защитные покрытия (свидетельство РФ N 628 на полезную модель, F 16 L 58/10, 1994 г).

Основной задачей является создание армированной трубы-оболочки для высокого давления, при использовании которой ее напряженно-деформированное состояние позволило бы равномерно нагружать композиционный материал, исключая концентрацию напряжений, отрыв и разрушение наружного защитного покрытия, а также поверхностных слоев композиционного материала, приводящих к разгерметизации и невозможности дальнейшего использования для выполнения основного функционального назначения трубы-оболочки.

Технический результат от использования изобретения заключается в повышении прочности, надежности и герметичности трубы-оболочки, эффективное использование свойств применяемых материалов, уменьшение затрат на изготовление конечной продукции.

Основная задача решена и технический результат достигнут за счет изменения конструкции трубы-оболочки, принципиальных особенностей выполнения поверхностного слоя композиционного материала ее корпуса, находящегося на границе раздела наружного защитного покрытия и корпуса, изменения материала внешнего защитного покрытия и его индентификация с компонентами композиционного материала, придания ему сплошности и однородности с ними в виде непрерывного слоя, а также за счет выбора объемного соотношения компонентов композиционного материала, выбора материала компонентов и структуры армирования композиционного материала.

Для этого, в армированной трубе-оболочке для высокого давления, содержащей корпус из композиционного материала, внутреннее и наружное защитные покрытия, наружное защитное покрытие выполнено из полимерного связующего за одно целое с полимерным связующим композиционного материала корпуса в виде однородного с ним по составу сплошного слоя, армированного по поверхности со стороны корпуса его наружным слоем из перекрещивавшихся винтовых спиралей лент непрерывных волокон, при объемном соотношении непрерывных волокон и полимерного связующего в корпусе от 1:0,5 до 1:0,75. Корпус может быть выполнен из органических волокон, например арамидных, и полимерного связующего на основе эпоксихлордиановой смолы, например ЭХД-МД, с наружным защитным покрытием из этого полимерного материала. В ее корпусе под наружным слоем из перекрещивающихся винтовых спиралей лент непрерывных волокон расположены чередующиеся слои соответственно винтовых и кольцевых спиралей лент непрерывных волокон.

Отличительными особенностями армированной трубы-оболочки для высокого давления по преложенному техническому решению являются следующие признаки:
- выполнение наружного защитного покрытия из полимерного связующего за одно целое с полимерным связующим композиционного материала корпуса в виде однородного с ним по составу сплошного слоя;
- армирование наружного защитного покрытия по поверхности со стороны корпуса его наружным слоем из перекрещивающихся винтовых спиралей лент непрерывных волокон;
- объемное соотношение непрерывных волокон и полимерного связующего в корпусе от 1:0,5 до 1:0,75;
- выполнение корпуса из органических волокон, например арамидных, и полимерного связующего на основе эпоксихлордиановой смолы, например ЭХД-МД, с наружным защитным покрытием из этого полимерного связующего;
- расположение в корпусе под наружным слоем из перекрещивающихся винтовых спиралей лент непрерывных волокон чередующихся слоев соответственно винтовых и кольцевых спиралей лент непрерывных волокон.

Указанные отличительные признаки предложенного технического решения являются существенными, поскольку каждый из них в отдельности и совместно направлен на выполнение поставленной задачи и достижение нового технического результата. Это достигается выполнением наружного защитного покрытия из полимерного связующего за одно целое с полимерным связующим композиционного материала корпуса, причем наружное защитное покрытие выполнено однородным по составу с полимерным связующим композиционного материала корпуса в виде сплошного слоя, армированного по поверхности со стороны корпуса его наружным слоем, выполненным из перекрещивающихся винтовых спиралей лент непрерывных волокон, что позволяет прочно скрепить указанные слои по границе их раздела и надежно удержать от срыва наружное защитное покрытие при воздействии на него обтекающего потока среды в условиях разогрева со стороны наружной поверхности и упругого деформирования стенки корпуса под действием внутреннего давления. Сплошность наружного защитного покрытия и его однородность с полимерным связующим композиционного материала корпуса обеспечена при объемном соотношении непрерывных волокон и полимерного связующего в корпусе от 1:0,5 до 1:0,75. При объемном соотношении большем, чем 1:0,5 обедняется содержание полимерного связующего в композиционном материале корпуса, что не позволяет реализовать высокие прочностные свойства непрерывных волокон, труба-оболочка не выдерживает высокие давления. При этом не достигается сплошность наружного защитного покрытия, наружный слой корпуса в местах отсутствия наружного покрытия непосредственно подвержен разрушению. При объемном соотношении меньшем, чем 1:0,75, возрастает толщина стенки корпуса, что ухудшает весовые параметры трубы-оболочки. Уменьшение количества армирующих слоев снижает прочность и надежность конструкции, что неприемлемо. В указанных пределах объемных соотношений непрерывных волокон и полимерного связующего наиболее эффективно реализуются свойства непрерывных волокон и полимерного связующего с одновременным образованием на корпусе высоконадежного наружного защитного покрытия. В качестве таких материалов могут быть использованы органические волокна, например арамидные, и эпоксисодержащее связующее с повышенными теплотехническими характеристиками и свойствами, как например у СХД-МД. Чередующееся расположение слоев под наружным слоем корпуса, выполненных соответственно из перекрещивающихся винтовых и кольцевых спиралей лент непрерывных волокон, позволяет равномерно распределить напряжения по толщине стенки корпуса и при указанных объемных соотношениях с полимерным связующим реализовать высокие прочностные свойства волокон. Необходимо отметить, что армированная труба-оболочка для высокого давления по предложенному техническому решению будет высокоэффективной и высоконадежной только при наличии в ней внутреннего защитного покрытия, в качестве которого могут быть использованы термопластичные или высокоэластичные материалы. При отсутствии внутреннего защитного покрытия прочностные свойства непрерывных волокон реализуются неполностью, труба-оболочка разрушается в этом случае даже не достигнув рабочего давления. Указанные отличительные существенные признаки являются новыми, так как их использование в известном уровне техники, аналогах и прототипе, не обнаружено, что позволяет характеризовать армированную трубу-оболочку для высокого давления в предложенной совокупности признаков соответствием критерию "новизна".

Единая совокупность новых существенных признаков с общими известными существенными признаками позволяет решить поставленную задачу и достичь новый технический результат, выраженный в повышении прочности, герметичности и надежности функционирования в составе изделия с высокой степенью эффективности, что характеризует новое техническое решение существенными отличиями от известного уровня техники, аналогов и прототипа. Армированная труба-оболочка для высокого давления в новом конструктивном исполнении является результатом разработки и опытно-экспериментальной отработки, творческого вклада, создано без заимствования каких-либо готовых решений в связи с поставленной задачей, стандартов или рекомендаций в данной области техники, в предложенной совокупности новых и известных существенных признаков соответствует критерию "изобретательский уровень"
Сущность изобретения поясняется чертежами и сопутствующим кратким описанием.

На фиг. 1 представлен общий вид армированной трубы-оболочки для высокого давления; на фиг. 2 - аксиальное сечение корпуса трубы-оболочки, показывающее расположение слоев композиционного материала, внутреннего и наружного защитных покрытий; на фиг. 3 - вид на наружную поверхность наружного слоя корпуса, выполненного из перекрещивающихся винтовых спиралей лент непрерывных волокон.

Армированная труба-оболочка для высокого давления содержит корпус 1 из композиционного материала, фланцы 2, 3, установленные по его концам, скрепленные с ним по конгруэнтным профилированным поверхностям 4, 5, внутреннее и наружное защитные покрытия 6, 7. Наружное защитное покрытие 7 выполнено из полимерного связующего за одно целое с полимерным связующим композиционного материала корпуса 1 в виде, однородного с ним по составу, сплошного слоя, армированного по поверхности 8 со стороны корпуса 1 его наружным слоем 9 из перекрещивающихся винтовых спиралей 10 лент 11 непрерывных волокон 12, при объемном соотношении непрерывных волокон 12 и полимерного связующего в корпусе 1 от 1:0,5 до 1:0,75. Корпус 1 в трубе-оболочке может быть выполнен из органических волокон 12, например арамидных, и полимерного связующего на основе эпоксихлордиановой смолы, например ЭХД-МД, с наружным защитным покрытием из этого полимерного связующего. В корпусе 1 под наружным слоем 9 из перекрещивающихся винтовых спиралей 10 лент 11 непрерывных волокон 12 расположены чередующиеся слои 13, 14 соответственно перекрещивающихся винтовых и кольцевых спиралей 10, 15 лент 11 непрерывных волокон 12. Корпус 1 подставляет собой цельнонамотанное изделие с указанной структурой расположения слоев 9, 13, 14 из лент 11 непрерывных волокон 12 и полимерного связующего, отвержденного по определенному температурному режиму полимеризации составляющих его компонентов. Внутреннее защитное покрытие 6 может быть выполнено из термопластичного или упругоэластичного материала типа резины.

Функционирование армированной трубы-оболочки для высокого давления заключается в восприятии ее корпусом 1 внутреннего избыточного давления, защите его со стороны проходящего потока среды внутренним покрытием 6, защите от обтекающего потока среды наружным покрытием 7. Благодаря сплошности наружного защитного покрытия 7, однородности его по составу с полимерным связующим композиционного материала корпуса 1, армирования по внутренней поверхности 8 со стороны корпуса 1 его наружным слоем 9 из перекрещивающихся винтовых спиралей 10 лент 11 непрерывных волокон 12, наружное защитное покрытие 7 находится в одинаковых условиях напряженно-деформированного состояния, что и слои 13, 14 корпуса 1. Указанные слои не разрушаются, обеспечивают прочность, герметичность и надежное функционирование трубы-оболочки с высокой эффективностью.

В качестве армирующего материала использовались нити СВМ по ТУ 6-06-9-92-86, в качестве связующего - эпоксихлордиановая смола ЭХД-МД по ТУ В-3-734-87. Внутреннее защитное покрытие 6 изготовлялось из каландрованной резины 51-2185 по ТУ 38-105-16-92-85. Наружное защитное покрытие выполнялось из связующего, что и корпус 1. Фланцы изготавливались из алюминиевого сплава В95Т по ГОСТ 18482-79.

Результаты испытаний армированных труб-оболочек для высокого давления, изготовленных по новому техническому решению, показали положительные результаты. Труба-оболочка воспроизводима промышленным путем.

Следует отметить, что могут быть различные варианты выполнения армированной трубы-оболочки для высокого давления в отношении формы, размеров и расположения отдельных элементов, если все это не выходит за пределы объема технического решения, изложенного в пунктах формулы.

Таким образом, новое техническое решение в виде единой совокупности новых и известных существенных признаков армированной трубы-оболочки для высокого давления позволяет достичь новый технический результат в повышении ее прочности, герметичности и надежности, эффективности функционирования, характеризуется соответствием и критерию "промышленная применимость", т.е. уровню изобретения, на его создание и использование целесообразно обеспечение исключительных прав патентом.

Изобретение относится к трубам-оболочкам из композиционных материалов. Армированная труба-оболочка для высокого давления содержит корпус из композиционного материала, внутреннее и наружное защитные покрытия. Наружное защитное покрытие выполнено из полимерного связующего за одно целое с полимерным связующим композиционного материала корпуса в виде однородного с ним по составу сплошного слоя, армированного по поверхности со стороны корпуса его наружным слоем из перекрещивающихся винтовых спиралей лент непрерывных волокон, при объемном соотношении непрерывных волокон и полимерного связующего в корпусе 1:0,5 - 1:0,75. В результате достигается равномерная нагрузка композиционного материала, исключение концентрации напряжений, отрыва и разрушения наружного защитного покрытия. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Армированная труба-оболчка для высокого давления, содержащая корпус из композиционного материала, внутреннее и наружное защитные покрытия, отличающаяся тем, что наружное защитное покрытие выполнено из полимерного связующего за одно целое с полимерным связующим композиционного материала корпуса в виде однородного с ним по составу сплошного слоя, армированного по поверхности со стороны корпуса его наружным слоем из перекрещивающихся винтовых спиралей лент непрерывных волокон, при объемном соотношении непрерывных волокон и полимерного связующего в корпусе 1 : 0,5 - 1 : 0,75. 2. Труба-оболочка по п.1, отличающаяся тем, что корпус выполнен из органических волокон, например арамидных, и полимерного связующего на основе эпоксихлордиановой смолы, например ЭХД-МД, с наружным защитным покрытием из этого полимерного связующего. 3. Труба-оболочка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что в ее корпусе под наружным слоем из перекрещивающихся винтовых спиралей лент непрерывных волокон расположены чередующиеся слои соответственно винтовых и кольцевых спиралей лент непрерывных волокон.