ГЕРМЕТИЧНАЯ ТРУБА-ОБОЛОЧКА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2002 года по МПК F16L9/12 F16L9/133 

Изобретение относится к области трубопроводной техники и может быть использовано в трубчатых изделиях из композиционных материалов, в частности, например, в многослойных трубах-оболочках из стеклопластиков, отличающихся физической структурой слоев, в которых армирующие нити заделаны в полимерную матрицу.

К трубам-оболочкам из композиционных материалов предъявляются повышенные требования по прочности, надежности и герметичности, при этом изделия должны обладать минимальной массой и наименьшей стоимостью. Однако природа композиционных материалов такова, что через них при высоких давлениях рабочей среды происходит утечка среды из-за дефектности и растрескивания связующего при нагружении (А. Келли. Высокопрочные материалы. - М.: Мир, 1978, с. 202-206).

Для герметизации намотанных стеклопластиковых оболочек, повышения их стойкости к проникновению среды используют различного типа эластомеры, герметики и пластические материалы (В.А. Калинчев, М.С. Макаров, Намотанные стеклопластики. М.: Химия, 1986, с. 210-224).

Известна герметичная труба-оболочка, содержащая несущие слои из стеклопластика и размещенный между ними промежуточный герметизирующий слой (патент РФ 2112652, МПК 6 В 29 D 9/00; F 16 L 9/12; В 32 В 5/28, 1998).

Известна стеклопластиковая труба-оболочка, между слоями которой размещена термопластичная пленка (патент РФ 2015909, МПК 6 В 29 С 53/56; В 32 В 5/28, 1994).

С целью повышения качества и надежности промежуточные герметизирующие слои со стороны несущих слоев стеклопластика выполняют из материалов с повышенной адгезией к стеклопластику (свидетельство на полезную модель РФ 12448, F 16 L 9/00, 1999) или на промежуточном герметизирующем слое выполняют кольцевые выступы, имеющие в них кольцевые элементы из стеклопластика, входящие в несущие слои стеклопластика (свидетельство РФ на полезную модель 12452, F 16 L 9/12, 1999).

К недостаткам известных труб-оболочек из композиционных материалов, между слоями которых размещены герметизирующие слои, следует отнести нерешенность проблемы надежной защиты их от проявления высокотемпературных деформаций в сочетании с давлениями рабочей среды. В зависимости от направления прогрева и давления возникают различные комбинации температурных деформаций в аксиальном и радиальном направлениях трубы-оболочки, несущие слои разнородного материала при многократных циклических нагрузках разрушают герметизирующий слой, нарушается целостность, герметичность и надежность трубы-оболочки. Кроме того, в стенках трубы-оболочки, находящихся под высоким избыточным давлением, из-за высокой проницаемости накапливается большое количество рабочей среды и газов в сжатом состоянии, которые при многократных сбросах, повторяющихся циклически, упруго расширяются и разрывают слои (кессонный эффект), возникают дефекты, что вызывает расслоение стеклопластика, снижается прочность и надежность трубы-оболочки.

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является герметичная труба-оболочка по патенту РФ 2112652.

Основной задачей данного изобретения является создание герметичной трубы-оболочки, в которой были бы устранены указанные недостатки аналогов и прототипа, изделие обладало бы герметичностью и надежностью, в нем не происходила бы утечка среды и слои не отслаивались.

Техническим результатом от использования изобретения является повышение герметичности и надежности конструкции, обеспечение качества ее изготовления.

Основная задача решена и технический результат достигнут за счет иного подхода к созданию герметичной трубы-оболочки на основе новой концепции, выраженной в том, что промежуточный герметизирующий слой, имеющий сплошность на всей длине трубы-оболочки, не должен разрушаться при воздействии на трубу-оболочку циклическими нагрузками в условиях изменения температурных режимов рабочей среды. Для этого между герметизирующим слоем и несущими слоями стеклопластика выполнено раскрепление, но, чтобы не происходило смещение слоев, на внутреннем несущем слое стеклопластика расположены кольцевые выступы, их геометрию повторяет герметизирующий слой и наружный несущий слой стеклопластика. Это позволяет локализовать температурные деформации внутреннего несущего слоя стеклопластика путем передачи температурных усилий на наружный несущий слой стеклопластика. В результате этого промежуточный герметизирующий слой не повреждается. Чтобы обеспечить быстрый выход накопленной рабочей среды, накопившейся в композиционном материале, во внутреннем несущем слое выполнены сквозные радиальные отверстия.

Предложенная герметичная труба-оболочка имеет следующую совокупность признаков.

Вариант 1 - герметичная труба-оболочка содержит несущие слои стеклопластика и промежуточный герметизирующий слой между ними, внутренний несущий слой стеклопластика раскреплен относительно промежуточного герметизирующего слоя по их конгруэнтным поверхностям замкнутым кольцевым слоем материала с антиадгезионными свойствами.

Вариант 2 - герметичная труба-оболочка содержит несущие слои стеклопластика и промежуточный герметизирующий слой между ними, наружный несущий слой стеклопластика раскреплен относительно промежуточного герметизирующего слоя по их конгруэнтным поверхностям замкнутым кольцевым слоем материала с антиадгезионными свойствами.

Вариант 3 - герметичная труба оболочка содержит несущие слои стеклопластика и промежуточный герметизирующий слой между ними, наружный и внутренний несущие слои стеклопластика раскреплены относительно промежуточного герметизирующего слоя по их конгруэнтным поверхностям замкнутыми кольцевыми слоями материала с антиадгезионными свойствами.

Во всех вариантах внутренний несущий слой стеклопластика выполнен с наружными кольцевыми выступами, охваченными кольцевыми гофрами промежуточного герметизирующего слоя, зафиксированными с ними в конгруэнтных кольцевых канавках наружного несущего слоя стеклопластика, кольцевой замкнутый слой материала выполнен из фторопластовой пленки, внутренний несущий слой стеклопластика снабжен сквозными радиальными отверстиями, равномерно расположенными между его наружными кольцевыми выступами, несущие слои стеклопластика выполнены на основе стеклоткани или стеклонитей и полимерного связующего с эпоксисоставляющей при их массовом соотношении от 1:0,33 до 1:0,4.

Отличительными особенностями герметичной трубы-оболочки предложенного исполнения являются следующие признаки:
- раскрепление промежуточного герметизирующего слоя с внутренним несущим слоем стеклопластика с наружным несущим слоем стеклопластика либо совместно - с внутренним и наружным несущими слоями стеклопластика,
- выполнение раскрепляющего слоя в виде кольцевого слоя материала с антиадгезионными свойствами,
- выполнение внутреннего несущего слоя стеклопластика с наружными кольцевыми выступами,
- охват наружных кольцевых выступов кольцевыми гофрами промежуточного герметизирующего слоя,
- фиксация наружных кольцевых выступов с кольцевыми гофрами промежуточного герметизирующего слоя в конгруэнтных кольцевых канавках наружного несущего слоя стеклопластика,
- выполнение раскрепляющего кольцевого слоя из фторопластовой пленки,
- снабжение внутреннего слоя стеклопластика сквозными радиальными отверстиями, равномерно расположенными между его наружными кольцевыми выступами,
- выполнение несущих слоев стеклопластика из стеклоткани или стеклонитей и полимерного связующего с эпоксисодержащей составляющей при их массовом соотношении от 1:0,33 до 1:0,4.

Указанные отличительные признаки герметичной трубы-оболочки по предложенному техническому решению являются существенными, так как каждый из них в отдельности и совместно направлен на решение поставленной задачи и достижение нового технического результата. Раскрепление несущих слоев стеклопластика относительно промежуточного герметизирующего слоя необходимо для исключения влияния разновеличинных температурных деформаций, циклически повторяющихся с изменениями внутренних и внешних нагрузок рабочей средой, на перетирание и разрушение промежуточного герметизирующего слоя. В качестве такого слоя для обеспечения решения поставленной задачи введен материал с антиадгезионными свойствами, например фторопластовая пленка. Раскрепление выполнено локальными кольцевыми участками посредством введенных наружных кольцевых выступов на внутреннем несущем слое стеклопластика, зафиксированных с охватывающими их кольцевыми гофрами промежуточного герметизирующего слоя в конгруэнтных кольцевых канавках наружного несущего слоя стеклопластика. Наличие сквозных отверстий во внутреннем несущем слое стеклопластика позволяет выводить влагу и растворенные газы, накопившиеся в слоях при сбросе давления без разрушения конструкции. При отсутствии внутреннего несущего слоя стеклопластика и нахождении рабочей среды под давлением со стороны внешнего несущего слоя стеклопластика не выдерживает герметизирующий слой, отслаивается. Внутренний несущий слой стеклопластика подкрепляет герметизирующий слой, а поскольку является еще и силовым, то обеспечивается надежная работа конструкции. С какой стороны не действовала бы среда промежуточный герметизирующий слой остается закрепленным в локальных зонах между наружными кольцевыми выступами внутреннего несущего слоя стеклопластика, не разрушается и обеспечивается надежная герметизация. Наиболее эффективным для трубы-оболочки является выполнение несущих слоев стеклопластика при массовом соотношении их образующих слоев стеклоткани или стеклонитей с эпоксисодержащим полимерным связующим от 1:0,33 до 1:0,4, позволяющее реализовать наивысшие прочностные свойства волокон в композиционном материале.

Указанные отличительные существенные признаки являются новыми, так как их использование в известном уровне техники, аналогах и прототипе, не обнаружено, что позволяет характеризовать предложенную конструкцию трубы-оболочки в указанной совокупности признаков соответствием критерию "новизна".

Единая совокупность новых и общих существенных признаков позволяет решить поставленную задачу и достичь новый технический результат по созданию герметичной трубы-оболочки повышенного качества и надежности, что характеризует предложенное техническое решение существенными отличиями от известного уровня техники, аналогов и прототипа. Новое техническое решение на основе новой концепции усовершенствования трубы-оболочки является результатом конструкторской проработки с учетом многократных экспериментальных опробований и творческого вклада, получено без использования каких-либо рекомендаций в данной области техники или каких-либо сведений в этой части из гостов или стандартов, является оригинальным по конструктивному исполнению, неочевидным для специалистов соответствующей отрасли, характеризуется соответствием критерию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежами и кратким их описанием.

На фиг.1 представлен общий вид герметичной трубы-оболочки из стеклопластика, на фиг.2 показано поперечное сечение трубы-оболочки в аксиально-радиальном направлении, на фиг. 3 - раскрепление внутреннего несущего слоя стеклопластика относительно промежуточного герметизирующего слоя (вариант 1), на фиг.4 - раскрепление наружного несущего слоя стеклопластика относительно промежуточного герметизирующего слоя (вариант 2), на фиг.5 - раскрепление внутреннего и наружного несущих слоев стеклопластика относительно промежуточного герметизирующего слоя (вариант 3), на фиг.6 показано наличие сквозных радиальных отверстий между наружными кольцевыми выступами во внутреннем несущем слое стеклопластика, на фиг.7 - ортогональное расположение армировки ткани относительно продольного и поперечного направлений трубы-оболочки, на фиг. 8 - спирально-перекрестное расположение стекловолокон относительно продольного направления трубы-оболочки.

Более подробное описание сущности изобретения состоит в следующем.

Герметичная труба-оболочка (фиг.1) содержит несущие слои 1, 2 стеклопластика с промежуточным герметизирующим слоем 3 между ними. Промежуточный герметизирующий слой 3 и внутренний несущий слой 1 стеклопластика (фиг.2 и 3) раскреплены кольцевым замкнутым слоем 4 материала с антиадгезионными свойствами (вариант 1). Раскрепляющий кольцевой слой 4 материала с антиадгезионными свойствами может быть размещен между промежуточным герметизирующим слоем 3 и наружным несущим слоем 2 стеклопластика (вариант 2) или между внутренним и наружным несущими слоями 1, 2 стеклопластика и промежуточным герметизирующим слоем 3, т.е. со стороны обеих его поверхностей (вариант 3). Во всех вариантах 1-3 (фиг.2-6) внутренний несущий слой 1 стеклопластика выполнен с наружными кольцевыми выступами 5, охваченными кольцевыми гофрами 6 промежуточного герметизирующего слоя 3, зафиксированными с ними в конгруэнтных кольцевых канавках 7 наружного несущего слоя 2 стеклопластика. Кольцевой замкнутый слой 4 материала с антиадгезиоиными свойствами выполнен из фторопластовой пленки. Внутренний несущий слой 1 стеклопластика снабжен сквозными радиальными отверстиями 8, равномерно расположенными между его наружными кольцевыми выступами 5. Несущие слои 1, 2 стеклопластика могут быть выполнены на основе стеклоткани с ортогональным расположением армировки 9, 10 относительно продольного и поперечного направления трубы-оболочки (фиг. 7) или стекловолокон 11, 12, спирально-перекрещивающихся относительно продольного ее направления (фиг.8).

Изготовление герметичной трубы-оболочки заключается в последовательном нанесении слоев 1, 2 из стеклоткани или стеклонитей, пропитанных эпоксисодержащим связующим, выбранных в массовом соотношении от 1:0,33 до 1:0,4, введении промежуточного герметизирующего слоя 3, например, из резины и соответствующем нанесении между ними в соответствии с выбранным вариантом 1-3 решения раскрепляющего кольцевого замкнутого слоя 4 из материала с антиадгезионными свойствами, например из фторопластовой пленки, затем производят термообработку по режиму полимеризации полимерного связующего и последующую механическую обработку в размер. При этом наружные кольцевые выступы 5 с гофрами 6 промежуточного герметизирующего слоя 3 надежно обеспечивают фиксацию в конгруэнтных канавках 7 наружного несущего слоя 3 стеклопластика как промежуточного герметизирующего слоя 3 в локальных пространствах между ними, так и внутреннего несущего слоя 1. При этом раскрепляющий кольцевой замкнутой слой 4 из фторопластовой пленки в местах кольцевых выступов 5, кольцевых канавок 7 и гофр 6 промежуточного герметизирующего слоя 3 имеет конфигурацию их конгруэнтных поверхностей.

Функционирование трубы-оболочки заключается во взаимодействии несущих слоев 1, 2 стеклопластика при соответствующих давлениях рабочей среды, их циклических сбросах, между собой, обеспечении раскрепления благодаря слою 4 с указанными свойствами и герметизации благодаря слою 3, оригинально закрепленных между слоями 1, 2 стеклопластика.

Трубы-оболочки, изготовленные по предложенному техническому решению, при испытаниях показали положительные результаты.

Объем предлагаемого технического решения следует понимать шире, чем то конкретное выполнение, приведенное в описании, формуле и чертежах. Следует иметь в виду, что форма выполнения представляет собой только возможные, предпочтительные варианты выполнения.

Таким образом, новое техническое решение в предложенных вариантах исполнения является технологичным, высоконадежным по сравнению с известным уровнем техники, соответствует и критерию "промышленная полезность", т.е. уровню изобретения.

Изобретение относится к области трубопроводной техники и может быть использовано в трубчатых изделиях из композиционных материалов, в частности, например, в многослойных трубах-оболочках из стеклопластиков, в которых армирующие нити заделаны в полимерную матрицу. Герметичная труба-оболочка содержит несущие слои стеклопластика с промежуточным герметизирующим слоем между ними. Раскрепляющий кольцевой замкнутый слой из материала с антиадгезионными свойствами может быть размещен между промежуточным герметизирующим слоем и внутренним несущим слоем стеклопластика и/или наружным несущим слоем стеклопластика. Во внутреннем несущем слое стеклопластика могут быть выполнены радиальные отверстия. Несущие слои стеклопластика выполнены на основе стеклоткани или стеклонитей и полимерного связующего при их массовом соотношении от 1:0,33 до 1:0,4. Техническим результатом изобретения является повышение герметичности и надежности конструкции. 3 с. и 9 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Герметичная труба-оболочка, содержащая несущие слои стеклопластика с промежуточным герметизирующим слоем между ними, отличающаяся тем, что между промежуточным герметизирующим слоем и внутренним несущим слоем стеклопластика размещен раскрепляющий их кольцевой замкнутый слой материала с антиадгезионными свойствами, внутренний несущий слой стеклопластика выполнен с наружными кольцевыми выступами, охваченными кольцевыми гофрами промежуточного герметизирующего слоя, зафиксированными с ними в конгруэнтных кольцевых канавках наружного несущего слоя стеклопластика. 2. Труба-оболочка по п. 1, отличающаяся тем, что кольцевой замкнутый слой материала с антиадгезионными свойствами выполнен из фторопластовой пленки. 3. Труба-оболочка по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что внутренний несущий слой стеклопластика снабжен сквозными радиальными отверстиями, равномерно расположенными между его наружными кольцевыми выступами. 4. Труба-оболочка по пп. 1-3, отличающаяся тем, что несущие слои стеклопластика выполнены на основе стеклоткани или стеклонитей и полимерного связующего с эпоксисодержащей составляющей при их массовом соотношении от 1: 0,33 до 1: 0,4. 5. Герметичная труба-оболочка, содержащая несущие слои стеклопластика с промежуточным герметизирующим слоем между ними, отличающаяся тем, что между промежуточным герметизирующим слоем и наружным несущим слоем стеклопластика размещен раскрепляющий их кольцевой замкнутый слой материала с антиадгезионными свойствами, внутренний несущий слой стеклопластика выполнен с наружными кольцевыми выступами, охваченными кольцевыми гофрами промежуточного герметизирующего слоя, зафиксированными с ними в конгруэнтных кольцевых канавках наружного несущего слоя стеклопластика. 6. Труба-оболочка по п. 5, отличающаяся тем, что кольцевой замкнутый слой материала с антиадгезионными свойствами выполнен из фторопластовой пленки. 7. Труба-оболочка по пп. 5 и 6, отличающаяся тем, что внутренний несущий слой стеклопластика снабжен сквозными радиальными отверстиями, равномерно расположенными между его наружными кольцевыми выступами. 8. Труба-оболочка по пп. 5-7, отличающаяся тем, что несущие слои стеклопластика выполнены на основе стеклоткани или стеклонитей и полимерного связующего с эпоксисоставляющей при их массовом соотношении от 1: 0,33 до 1: 0,4. 9. Герметичная труба-оболочка, содержащая несущие слои стеклопластика с промежуточным герметизирующим слоем между ними, отличающаяся тем, что между промежуточным герметизирующим слоем, внутренним и наружным несущими слоями стеклопластика размещены раскрепляющие их кольцевые замкнутые слои материала с антиадгезионными свойствами, внутренний несущий слой стеклопластика выполнен с наружными кольцевыми выступами, охваченными кольцевыми гофрами промежуточного герметизирующего слоя, зафиксированными с ними в конгруэнтных кольцевых канавках наружного несущего слоя стеклопластика. 10. Труба-оболочка по п. 9, отличающаяся тем, что кольцевой замкнутый слой материала с антиадгезионными свойствами выполнен из фторопластовой пленки. 11. Труба-оболочка по пп. 9 и 10, отличающаяся тем, что внутренний несущий слой стеклопластика снабжен сквозными радиальными отверстиями, равномерно расположенными между его наружными кольцевыми выступами. 12. Труба-оболочка по пп. 9-11, отличающаяся тем, что несущие слои стеклопластика выполнены на основе стеклоткани или стеклонитей и полимерного связующего с эпоксисодержащей составляющей при их массовом соотношении от 1: 0,33 до 1: 0,4.