МНОГОСЛОЙНАЯ ТРУБА Российский патент 2001 года по МПК F16L9/133 

Изобретение относится к многослойной трубе, в частности к многослойной пластиковой напорной трубе с улучшенной стойкостью к быстрому распространению трещины.

Под термином "напорная труба" подразумевается труба, которая при использовании подвергается внутреннему давлению выше атмосферного, то есть давление внутри трубы превышает давление снаружи трубы.

В настоящее время, для различных целей, например, для транспортировки текучих сред, то есть жидкостей или газов, например, воды или природного газа, при которой текучая среда может находиться под давлением, часто используются трубопроводы из полимерных материалов. Транспортируемая текучая среда может иметь также различную температуру, обычно в пределах от -40^oC до примерно 100^oC. Такие трубопроводы изготавливаются предпочтительно из полиолефинового пластикового материала, например, этиленового пластика (ПЭВП, ПЭСП) либо из поливинилхлорида (ПВХ), либо из других материалов, необязательно относящихся к полимерам.

Недостатком таких труб при низких температурах является то, что когда они подвергаются напряжениям, при которых образуются трещины, то они могут очень быстро распространяться на значительное расстояние в трубе, соответственно труба становится непригодной для эксплуатации. Скорость распространения трещин в продольном направлении трубы может быть значительной, например, около 100 - 300 м/с. Такой тип образования трещины обычно называют быстрым распространением трещины (RCP). Чтобы пластиковая напорная труба могла быть использована, необходимо, чтобы при определенной температуре и внутреннем давлении она не имела быстрого распространения трещин, превышающих более чем в 4 раза диаметр трубы, в продольном направлении.

Стойкость данной трубы к быстрому распространению трещин (RCP) можно определить различными способами. Согласно одному способу, известному как испытание S4 (определение установившегося состояния при лабораторном исследовании), разработанному в Королевском Колледже в Лондоне и описанному в Проекте Международного Стандарта ИСО 13477, испытывали трубу с аксиальной длиной, равной не менее 7 диаметрам трубы. Труба имела наружный диаметр примерно 110 мм или больше и толщину стенки около 10 мм или больше. Для определения стойкости трубы к быстрому распространению трещин (RCP), в соответствии с настоящим изобретением, выбирали трубу с наружным диаметром и толщиной стенки 110 и 10 мм соответственно. Хотя труба снаружи находится под давлением окружающей среды, однако в трубе создается внутреннее давление, которое поддерживают при 0,5 МПа, которое выше атмосферного давления. Один конец трубы или так называемую зону образования трещины охлаждают. Для исключения падения давления устанавливают ряд дисков на валу внутри трубы во время проведения испытаний. Для достижения быстрого распространения трещины в аксиальном направлении в так называемой зоне образования трещины вблизи одного конца трубы в нее "выстреливают" острые, как нож, бомбардирующие частицы. Для исключения ненужной деформации трубы предусматривается опора для зоны образования трещины. Оборудование для проведения испытаний регулируют так, чтобы в испытываемом материале начиналось образование трещины, ряд испытаний проводят при различных температурах. Во время каждого испытания измеряют аксиальную длину трещины в зоне измерения, имеющей общую длину, равную 4,5 диаметра, и наносят на график в зависимости от измеренной температуры. В том случае, если длина трещины превышает 4 диаметра, оценивают распространение трещины. Если труба проходит испытание при заданной температуре, температуру последовательно понижают до тех пор, пока не будет достигнута температура, при которой труба больше не проходит испытания, но распространение трещины превышает в 4 раза диаметр трубы. Критическая температура (Т_крит) является самой низкой температурой, при которой труба проходит испытание. Чем ниже критическая температура, тем лучше, поскольку результатом является увеличение срока службы трубы. Желательно, чтобы критическая температура составляла примерно -5^oC или ниже.

В этой связи следует упомянуть, что некоторые пластиковые материалы имеют такие плохие свойства сопротивления быстрому распространению трещины (RCP) (высокая критическая температура Т_крит), что значение Т_крит превышает нормальный предел измерения для Т_крит, который составляет +23^oC. В таких случаях обычно применяют, для достижения результата настоящего изобретения, значение Т_крит, равное +23^oC для этих материалов, когда вычисляют, как описано далее, взвешенное среднее значение Т_крит.

Для бимодального полиэтиленового пластика, предназначенного для труб, которые являются стойкими к быстрому распределению трещины (RCP), значение Т_крит находится в интервале от около 0 до около -25^oC, тогда как значение Т_крит для полипропиленового пластика выше примерно +23^oC.

Другой способ определения свойств RCP для напорной трубы из пластика заключается в определении критического давления Р_крит. Этот способ соответствует описанному способу, но вместо поддержания постоянного давления и последовательного снижения температуры поддерживают постоянную температуру на уровне 0^oC ± 2^oC, а давление в трубе постепенно увеличивают. Наибольшое давление, при котором труба все же проходит испытание, называют критическим давлением, Р_крит. В связи с разработкой материалов настоящий способ определения критического давления является менее предпочтительным, поскольку испытываемую трубу необходимо обычно подвергать такому высокому давлению, как, например, 1 МПа или выше, которое приводит к риску и трудностям. Поэтому предпочтительным является способ определения критической температуры Т_крит, который применяют в настоящем изобретении.

Это имело бы большое преимущество, если бы можно было изготовить напорные трубы из пластикового материала, имеющего улучшенную стойкость к быстрому распространению трещины. Если бы можно было получить напорные трубы из пластикового материала, имеющего критическую температуру Т_крит ниже -5^oC, предпочтительно ниже -15^oC, то было бы достигнуто особое преимущество.

Установлено, что согласно настоящему изобретению можно получить напорные трубы из пластикового материала с улучшенной стойкостью к быстрому распространению трещины путем изготовления труб с несколькими слоями различных полиолефиновых пластиковых материалов.

Согласно настоящему изобретению, трубу можно изготовить из соответственно выбранных и соединенных слоев различных пластиковых материалов для достижения стойкости к быстрому распространению трещины, измеренной как Т_крит многослойной трубы, которая лучше, чем взвешенное среднее значение Т_крит для однослойных труб из отдельных пластиковых материалов, включенных в многослойную трубу.

Согласно особенно предпочтительному варианту настоящего изобретения, предложена многослойная труба из полиолефинового пластика, стойкость которой к быстрому распространению трещины, измеренная как Т_крит, лучше стойкости трубы такого же размера, но изготовленной из отдельных применяемых пластиковых материалов.

Отличительные признаки настоящего изобретения очевидны из приложенной формулы изобретения.

Под "взвешенным средним значением", Т_{крит.знач}, для многослойной трубы, которая состоит, например, из слоев A, B и C, причем слои составляют, например, x_A%, x_B% и x_С% соответственно массы трубы (x_A+x_B+x_C=100%), подразумевается значение Т_крит, которое получают, если Т_крит определяют для однослойных труб A, B и C, каждая из которых имеет такие же размеры как и многослойная труба, а затем эти значения критической температуры Т_крит определяют в соответствии с частями по массе, согласно которым A, B и C включены в многослойную трубу и добавлены друг к другу. В таком случае взвешенное среднее значение для вышеуказанного примера будет (x_A•Т_крит.A•x_B•Т_крит.B+ x_C•Т_крит.C)/100. Согласно настоящему изобретению, Т_крит многослойной трубы (Т_{крит.общ}) ниже вышеуказанного взвешенного среднего значения, Т_крит.

Для многослойной трубы, согласно настоящему изобретению, имеющей н-количество слоев, критическую температуру данного слоя определили как Т_крит, а массу слоя обозначили х, причем зависимость между критической температурой (Т_{крит.общ}) многослойной трубы и взвешенным средним значением критических температур однослойных труб из отдельных материалов, включенных в многослойную трубу, можно определить по формуле

Согласно особенно предпочтительному варианту настоящего изобретения, достигается стойкость к быстрому распространению трещины, измеренная как Т_крит, которая лучше стойкости к быстрому распространению трещины у каждого из включенных материалов, то есть Т_{крит.общ} ниже критической температуры (Т_крит.i) каждого из материалов, включенных в различные слои многослойной трубы. Это условие можно выразить, в общем, следующей зависимостью
Т_{крит.общ} < Т_крит.i,
где i может иметь значение от 1 до n.

Напорные трубы, согласно настоящему изобретению, изготавливают из полиолефинового пластика, особенно полиэтиленового и полипропиленового пластиковых материалов.

Под полиэтиленовым пластиком или этиленовым пластиком подразумевается пластик на основе полиэтилена или сополимеров этилена, в котором этиленовый мономер составляет наибольшую часть массы. Итак, полиэтиленовый пластик может состоять из гомополимеров или сополимеров этилена, в этом случае в качестве сополимеров могут быть привитые сополимеры или сополимеры этилена и одного или более других мономеров, способных сополимеризоваться с этиленом. Полиэтиленовый пластик может быть типа полиэтилена низкой плотности (ПЭВП, ПЭСП, ПЭНП), то есть полученный с применением координационного катализатора при низком давлении. Особенно предпочтительным типом полиэтиленового пластика является так называемый би- или мультимодальный полиэтилен, то есть полиэтилен, кривая распределения молекулярной массы которого имеет два или более пиков или максимумов.

Аналогично тому, что было описано для полиэтиленового пластика, полипропиленовый пластик или пропиленовый пластик означает пластик на основе полипропилена или сополимеров пропилена, причем содержание пропиленового мономера составляет наибольшую часть массы. Таким образом, полипропиленовый пластик может состоять из гомополимеров или сополимеров пропилена, в этом случае сополимерами могут быть привитые сополимеры или сополимеры пропилена и одного или более других мономеров, сополимеризуемых с пропиленом.

Как уже упоминалось, установлено, что если труба изготовлена, согласно настоящему изобретению, из нескольких слоев различных полимеров, то ее стойкость к быстрому распространению трещины (RCP) улучшается. Выражение "различные полимеры" означает полимеры с различными основными мономерами, например, полиэтиленовый пластик в сравнении с полипропиленовым пластиком, а также различные качества одного и того же основного полимера, которые отличаются, например, в отношении значения RCP (быстрое распространение трещины), то есть которые имеют различные значения Т_крит. Различие в значениях Т_крит должно составлять, по меньшей мере, 5^oC, предпочтительно, по меньшей мере, 10^oC.

В простейшей форме труба, согласно настоящему изобретению, содержит два слоя различных полимеров, например, один слой полиэтиленового пластика и один слой полипропиленового пластика. Однако предпочтительно, чтобы трубу изготавливали из более чем двух слоев полимеров, например, из трех или более слоев. В настоящее время наиболее предпочтительно изготавливать трубу, согласно настоящему изобретению, из трех слоев, например, внутренний слой из полипропиленового пластика, промежуточный слой - из пропиленового пластика, а наружный слой - из полиэтиленового пластика. Слои различных полимеров можно разместить друг на друге или между этими слоями полимеров можно нанести тонкий промежуточный слой, если это потребуется. При вычислении взвешенного среднего значения критических температур для материалов отдельных слоев влияние этих промежуточных слоев во многих случаях такое незначительное, что его можно не учитывать.

Различные слои в трубе могут иметь одинаковую или различную толщину.

Настоящее изобретение не ограничено также многослойными трубами, которые состоят из комбинации двух различных полимерных материалов. Настоящее изобретение включает в себя также комбинации из трех или более полимерных материалов.

Улучшенную стойкость к быстрому распространению трещины (RCP) можно использовать различными путями.

Согласно одному аспекту, эту стойкость труб из полимерного материала, имеющего относительно низкую стойкость к быстрому распространению трещины, RCP (высокая Т_крит), улучшить сравнительно дешево путем соединения исходного полимерного материала со слоем другого полимерного материала, имеющего более высокую стойкость к быстрому распространению, RCP (более низкое значение Т_крит). Оба этих полимерных материалов можно затем представить в виде двух или более чередующихся слоев. В этой связи представляет интерес вариант, в котором используют дешевые полимерные отходы в качестве одного слоя в комбинации с одним или более слоями лучших полимерных материалов, имеющих более низкое значение Т_крит.

Когда комбинируют полимерные материалы, имеющие различные значения Т_крит, то, согласно настоящему изобретению, предпочтительно размещать материал, имеющий более низкую Т_крит, по меньшей мере, на внешний стороне трубы.

Согласно другому и особенно предпочтительному варианту, достигается стойкость к быстрому распространению трещины (RCP), которая превышает стойкость включенных отдельных материалов. Итак, путем комбинации слоев, например, полиэтиленового пластика и полипропиленового пластика можно получить, согласно настоящему изобретению, трубы, имеющие стойкость к быстрому распространению трещины (RCP), которая превышает стойкость обоих включенных полиэтиленового и полипропиленового пластиков.

Это является неожиданным эффектом и обеспечивает настоящее изобретение особым преимуществом.

Многослойные трубы, согласно настоящему изобретению, изготавливают известными, по существу, способами, например, экструзией или литьевым формованием, предпочтительно посредством совместной экструзии. Для более подробного описания таких способов дается ссылка, например, на доклад Д. Джорджевича, "Совместная экструзия", Рапра Ревью Репортс, том 6, N 2, 1992, с. 51-53.

Для дальнейшего упрощения понимания настоящего изобретения следует далее пример. Пример настоящего изобретения предназначен только для иллюстрации, и его не следует рассматривать как ограничивающий настоящее изобретение. Все части и проценты отношения в примере относятся к массе, если не указано особо.

Пример 1
Многослойные трубы, имеющие наружный диаметр 110 мм и отношение диаметра/толщины стенки (SDR) 11, экструдировали на обычном экструдере для труб, Цинциннати Милакрон CMS 60, имеющем диаметр шнека 60 мм, и на двух обычных боковых экструдерах, имеющих диаметры шнеков 50 и 30 мм соответственно, соединенных с многослойным инструментом обычной конструкции, способным экструдировать 1 - 5 слоев различной толщины материалов и состава слоев. Регулирования операций были приспособлены к инструкциям соответствующих поставщиков материала и к обусловленному распределению слоев. Было установлено, что максимальные температуры плавления находились между 200 и 240^oC. Линейная скорость составляла примерно 0,5-1,0 м/мин. Калибрование и охлаждение труб осуществляли на обычном оборудовании, поставленном фирмой "Цинциннати" и установленном вниз по потоку.

После доводки до кондиционного состояния в течение 2 недель трубы подвергали испытанию на испытательной установке S4, предназначенной для испытания их на стойкость к быстрому распространению трещины, которая первоначально была изготовлена в Королевском Колледже в Лондоне, но затем ее модифицировали для соответствия новым требованиям согласно стандарту ISO/DIS 13477 (пересмотренное и исправленное издание стандарта ИСО/ТС/138/ SC4 WG RCP - Док. N 048). Испытания проводились в соответствии с стандартом ISO/DIS 13477 (пересмотренный стандарт ISO/TC/138/ SC4 WG RCP - Док. N 048).

Результаты испытаний и испытанные комбинации материалов представлены в табл. 1 и 2.

При изучении результатов испытаний следует отметить, что общее значение критической температуры (Т_{крит .общая}) многослойных труб согласно настоящему изобретению более низкое, а во многих случаях оно значительно ниже взвешенного среднего значения Т_крит (Т_{крит. значения}) включенных отдельных материалов. Итак, значения Т_крит (Т_{крит.знач}) для испытаний NN 1, 2, 3, 7 и 8 ниже -25^oC, хотя ни один из включенных материалов не имеет критическую температуру, Т_крит, ниже, чем -15^oC. Это следует рассматривать как очень неожиданное и значительное техническое преимущество, поскольку увеличивается, до значительной степени, возможность применения труб.

Можно также отметить, что материалы B и C имеют очень низкую стойкость к быстрому распространению трещины (RCP), но тем не менее за счет их использования можно получить очень хорошие результаты для многослойных труб.

В этой связи следует отметить испытание N 9, которое представляет сравнительное испытание. Во время этого испытания наружный слой (материал В) растрескался и какие-либо значительные измерения на нем невозможно было осуществить. Поэтому значение Т_{крит.общ} было установлено меньше +23^oC, которое превышает значение Т_{крит.знач}. Это испытание можно сравнить с результатом испытания N 7, который содержит, однако, более высокое содержание материала В (71%), но все они имеют значение Т_{крит.общ} ниже -25^oC. Это указывает на то, что иногда важно также размещать слои материалов в определенном порядке, а точнее таким образом, чтобы материал, имеющий наименьшую критическую температуру (Т_крит), был расположен, по меньшей мере, на внешней стороне трубы.

Кроме того, результаты, представленные в табл. 2, показывают, что при повышенном содержании материала с низким значением критической температуры, Т_крит, значение Т_{крит.общ} уменьшается (см., например, испытания NN 3-5 и 6-8). Кроме того, например, испытание N 11 показывает, при сравнении с испытанием N 28, что значение Т_крит могут значительно улучшить также относительно тонкие промежуточные слои другого материала, хотя материал промежуточных слоев имеет более плохое значение Т_крит, чем материалы в других слоях.

Изобретение относится к пластиковым трубам. Многослойная пластиковая труба состоит, по меньшей мере, из двух слоев различных пластиковых материалов. Пластиковые материалы состоят из полиолефинового пластика. Труба имеет стойкость к быстрому распространению трещины, выраженную в виде критической температуры трубы, которая ниже взвешенного среднего значения критической температуры однослойных труб из отдельных пластиковых материалов, включенных в многослойную трубу, имеющую одинаковый размер. Критические температуры однослойных труб из отдельных пластиковых материалов различаются, по меньшей мере, на 5^oС, а критическая температура трубы является самой низкой температурой, при которой трещина, образуемая в трубе, распространяется в трубе на расстояние, равное, по существу, 4 диаметрам трубы, при перепаде давления между внутренней стороной и наружной стороной трубы 0,5 МПа. Предпочтительно, труба имеет критическую температуру ниже -15^oС и состоит из олефиновых пластиков, например полиэтиленового и полипропиленового пластика. В результате достигается улучшенная стойкость к быстрому распространению трещины. 7 з.п.ф-лы, 2 табл.

1. Многослойная пластиковая труба, состоящая, по меньшей мере, из двух слоев различных пластиковых материалов, с улучшенной стойкостью к быстрому распространению трещины, отличающаяся тем, что пластиковые материалы состоят из полиолефинового пластика, а труба имеет стойкость к быстрому распространению трещины, выраженную в виде критической температуры трубы, которая ниже взвешенного среднего значения критической температуры однослойных труб из отдельных пластиковых материалов, включенных в многослойную трубу, имеющую одинаковый размер, причем критические температуры однослойных труб из отдельных пластиковых материалов различаются, по меньшей мере, на 5^oC, а критическая температура трубы является самой низкой температурой, при которой трещина, образуемая в трубе, распространяется в трубе на расстояние, равное, по существу, 4 диаметрам трубы, при перепаде давления между внутренней стороной и наружной стороной трубы 0,5 МПа. 2. Труба по п.1, отличающаяся тем, что она имеет критическую температуру, которая ниже температуры всех включенных пластиковых материалов отдельно. 3. Труба по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что она имеет критическую температуру ниже -5^oC, предпочтительно ниже -15^oC, измеренную на трубе, имеющей наружный диаметр 110 мм и толщину стенки 10 мм. 4. Труба по любому из пп.1 - 3, отличающаяся тем, что слои состоят, по меньшей мере, из одного пластика, который выбран из полиэтиленового пластика и полипропиленового пластика. 5. Труба по п.4, отличающаяся тем, что слои состоят, по меньшей мере, из двух слоев полиэтиленового пластика, значения Ткрит которых отличаются, по меньшей мере, на 10^oC. 6. Труба по п.4 или 5, отличающаяся тем, что слои состоят, по меньшей мере, из двух слоев полипропиленового пластика, значения Ткрит, которых отличаются, по меньшей мере, на 10^oC. 7. Труба по любому из пунктов, отличающаяся тем, что пластиковый материал, имеющий низкую критическую температуру Ткрит, расположен, по меньшей мере, на внешней стороне трубы. 8. Труба по п.7, отличающаяся тем, что она содержит, по меньшей мере, три слоя, а материал, имеющий самую низкую критическую температуру Ткрит, расположен на внешней и внутренней сторонах трубы.