СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ СИНТАКТНОЙ ПЕНЫ, ТЕПЛОИЗОЛИРОВАННАЯ ТРУБА И СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО ПОКРЫТИЯ НА ВНЕШНЮЮ ПОВЕРХНОСТЬ ТРУБЫ Российский патент 2002 года по МПК B29C67/20 C08J9/32 F16L59/02 B29K105/04 B29L9/00 B29L23/00 

Настоящее изобретение относится к способам получения синтактных пен (полимеров с диспергированными в них полыми микросферами) и нанесения их в качестве теплоизоляционных покрытий на внешнюю поверхность труб, а также к созданию с их применением тсплоизолированных труб, в частности нефтегазопроводов, эксплуатирующихся в зонах вечной мерзлоты, в заболоченных местностях и под водой.

Известен изолирующий материал из синтактной пены и способ его получения (заявка РФ 94045989 МПК В 29С 67/20), в котором стеклянные или полимерные микросферы смешивают с однокомпонентным связующим - расплавленной термопластичной смолой. Для получения качественной синтактной пены связующее разжижают перед формованием, значительно усложняя процесс переработки. Кроме того, в заявленном способе получения синтактной пены на стадии смешения связующего с микросферами происходит разрушение значительного количества микросфер по причине высокой вязкости расплава полимера и, соответственно, больших сдвиговых усилий при смешивании. В результате разрушения части микросфер повышается плотность композиции, что снижает теплоизоляционные свойства получаемого материала.

Известен способ получения композиции, содержащей термопластичные микросферы, диспергированные в термореактивном связующем (заявка Великобритании 2264116 МПК С 08 j 9/32), включающий диспергирование невспененных микросфер в связующее с образованием смеси с последующим ее нагреванием до температуры вспенивания микросфер, но меньшей, чем температура отверждения полимерного связующего. Применение подобного типа микросфер не позволяет получить синтактные пены с необходимыми теплоизоляционными характеристиками, так как за счет газообразующего агента, содержащегося в микросферах, при их расширении в разжиженном полимере появляются внутренние напряжения, неизбежно приводящие к усадке и растрескиванию получаемой синтактной пены. Более того, в случае нарушения сложного технологического режима избыток газообразующего агента приводит к разрыву стенок микросфер, таким образом, к формированию открытоячеистой структуры и, как следствие, снижению прочностных и теплофизических показателей материала.

Наиболее близким техническим решением того же назначения к заявленному изобретению является способ получения синтактного материала (международная заявка РСТ 94/20286 МПК В 29С 67/20 - прототип), в котором синтактный материал получают смешением не менее двух жидких компонентов в первом смесительном устройстве, после чего вводят в приготовленную неотвержденную смесь стеклянные микросферы во втором смесительном устройстве.

Существенным недостатком способа являются его ограниченные возможности по введению большого количества микросфер в связующее из-за высокой вероятности разрушения значительной их части, поскольку жесткие (стеклянные) микросферы в исходном состоянии представляют собой хрупкий продукт, весьма подверженный разрушению при сухом взаимном трении, неизбежном на начальной стадии смешивания со связующим при высокой интенсивности процесса, вследствие чего снижается вероятность достижения высоких теплоизолирующих качеств получаемой синтактной пены.

Кроме того, химическая реакция отверждения начинается сразу же с момента введения всех реакционноспособных компонентов в первое смесительное устройство и, в результате ограниченной жизнеспособности связующего, смешение с микросферами приходится осуществлять в очень короткие промежутки времени (от 30 сек до 2 мин), при высоких скоростях сдвига. К тому же введение микросфер в связующее резко увеличивает вязкость композиции, что также требует больших сдвиговых усилий для эффективного смешивания.

По этой причине вышеописанный способ позволяет получить синтактный материал со средней теплопроводностью 0,12-0,15 Вт/(м•К) (согласно описанию), что должно соответствовать плотности материала порядка 785-850 кг/м.куб и подтверждает ограниченную возможность способа по введению большого количества микросфер или их значительному разрушению в процессе введения. При таком показателе теплопроводности для достижения эффективной теплоизоляции требуется значительное увеличение толщины покрытия, что в свою очередь связано с большим расходом материала и, соответственно, увеличением стоимости изделия.

Единой технической задачей заявляемой группы изобретений является разработка последовательности стадий и режимов получения синтактной пены "Аквизол" на основе двух компонентов связующего, исключающих разрушение микросфер, диспергированных в выбранное полимерное связующее, выбор количественного соотношения компонентов по стадиям получения для достижения улучшенных теплоизолирующих свойств синтактной пены при сохранении высокой конструкционной прочности материала, разработка метода получения и формования синтактной пены в качестве теплоизолирующего покрытия на внешнюю поверхность трубы и разработка конструкции теплоизолированной трубы с применением полученной синтактной пены "Аквизол". Единым техническим результатом заявляемой группы изобретений является:
- повышение теплоизоляционных характеристик получаемой синтактной пены "Аквизол" за счет исключения разрушения микросфер на всех стадиях их диспергирования в связующее и возможности введения большого количества микросфер;
- создание благоприятного режима переработки и повышение производительности процесса покрытия труб синтактной пеной путем объединения в одну стадию процессов получения материала и формования покрытия заданной толщины непрерывным нанесением за один технологический цикл;
- упрощение конструкции теплоизолированной трубы, повышение теплоизоляционных свойств покрытия и снижение веса.

Указанный технический результат при осуществлении способа получения достигается тем, что в заявленном способе используют реакционноспособную смесь, состоящую из двух компонентов, наполненных микросферами, при этом особенность заключается в том, что наполнение микросферами каждого компонента производят раздельно, после чего наполненные реакционноспособные компоненты смешивают в соотношении мас.ч. 1:(0,1-0,4).

Кроме того, особенность способа заключается в том, что в качестве реакционноспособных компонентов используют эпоксидные смолы и отвердители, выбранные из групп аминного и амидного типа, либо их смесь, а в качестве микросфер - полые стеклянные микросферы, либо полые полимерные микросферы, либо их смесь.

Предварительное смешение отдельных групп реакционноспособных компонентов с микросферами обеспечивает образование двух наполненных, химически инертных компонентов, образующих при взаимодействии между собой синтактный материал. В результате процесс приготовления каждого из этих компонентов не ограничен временем жизнеспособности и может быть осуществлен в любых объемах в оптимальных режимах смешивания компонентов связующего с микросферами в условиях постепенной подачи при низких напряжениях сдвига, исключающих разрушение микросфер. Для этой цели могут быть использованы различные традиционные смесительные аппараты - двухлопастные, двухшнековые и др.

Постепенное введение микросфер в компонент позволяет без разрушения перевести их из опасного режима сухого трения в гидросреду, в которой микросферы способны выдерживать без разрушения большие гидростатические давления и сдвиговые усилия. В результате последующий процесс смешивания наполненных микросферами реакционноспособных компонентов с образованием композиции синтактной пены может осуществляться при высокой интенсивности смешивания без разрушения микросфер.

Количественные соотношения реакционноспособных компонентов, наполненных микросферами, обусловлены следующими факторами:
- при соотношении, мас.ч. (1-ый реакционноспособный компонент + микросферы): (2-ой реакционноспособный компонент + микросферы) соответственно 1 к менее чем 0,1 получаемая синтактная пена недоотверждена, что приводит к снижению прочности и водостойкости, при этом увеличивается время отверждения, что влияет на продолжительность технологического цикла.

- при соотношении, мас. ч. (1-ый реакционноспособный компонент + микросферы): (2-ой реакционноспособный компонент + микросферы) соответственно 1 к более чем 0,4 получаемая синтактная пена имеет избыток не вступившего в реакцию отвердителя, играющего в отвержденной полимерной матрице роль либо пластификатора, либо включения, ухудшающего физико-механические и адгезионные свойства получаемого теплоизоляционного материала;
при этом:
- при наполнении каждого из реакционноспособных компонентов микросферами в соотношении, мас.ч., реакционноспособный компонент:микросферы, равном 1 к менее чем 0,2, увеличивается плотность получаемой синтактной пены, вследствие чего ухудшаются теплоизоляционные характеристики из-за недостаточного количества введенных микросфер;
- при наполнении каждого из реакционноспособных компонентов микросферами в соотношении, мас.ч., реакционноспособный компонент:микросферы, равном 1 к более чем 0,4, синтактная пена с необходимым комплексом прочностных, теплоизоляционных и гидроизоляционных характеристик не может быть получена, поскольку из-за недостатка связующего в материале появляются пустоты в виде раковин и структура покрытия становится незамкнутопористой.

Ту же техническую задачу - увеличение количества вводимых микросфер и, соответственно, улучшение теплоизоляционных свойств получаемой синтактной пены решают частные случаи заявляемого способа, определяющие тип и фракционный состав вводимых микросфер.

Прочность микросфер является определяющим фактором при получении и переработке синтактной пены, поэтому наибольшее предпочтение на данном этапе техники отдается стеклянным микросферам (заявка РСТ 94/20286 - прототип).

Выбранные заявителем микросферы с гидростатической прочностью не менее 2 МПа наилучшим образом отвечают решению поставленной технической задачи, а именно улучшению теплоизоляционных свойств получаемых синтактных пен. Это обусловлено тем, что при указанной прочности микросфер исключается их разрушение на начальной стадии смешивания с исходными компонентами связующего и, тем более, гарантируется их сохранность при дальнейшей переработке в гидросреде. Применение микросфер указанной прочности расширяет также область использования предлагаемого теплоизоляционного материала из синтактной пены, в частности для теплогидроизоляции труб направления при бурении скважин в многолетнемерзлых породах и на шельфе Крайнего Севера и подводных трубопроводов с глубиной погружения до 9000 м.

Кроме того, использование смеси микросфер различных диаметров в диапазоне от 2 до 2000 мкм позволяет ввести в композицию большее количество микросфер за счет более плотной их "упаковки" в связующем, что позволяет регулировать теплопроводность и физико-механические свойства материала. При этом нижняя граница диаметра микросфер 2 мкм определяется техническими возможностями их получения, а использование микросфер диаметром более 2000 мкм ведет к снижению прочности и деформативности синтактных пен ниже допустимых требований по условиям эксплуатации труб.

Варьирования типа, размеров и количества микросфер, а также их сочетание (полимерные-стеклянные) дает возможность увеличить коэффициент упаковки, а в сочетании с заявленной последовательностью стадий получения синтактной пены - снизить теплопроводность получаемого материала и увеличить комплекс физико-механических характеристик материала. Размеры, тип и количество микросфер определяются конкретными требованиями, которые диктуются конкретными условиями эксплуатации теплоизолированных труб.

Для получения синтактной пены, хорошо перерабатываемой, способной быть наполненной большим количеством микросфер, обеспечивающей высокие теплоизоляционные, физико-механические и другие (в частности, адгезионные) свойства, особое значение имеет выбор полимерного связующего.

Известное техническое решение (РСТ 94/20286) предлагает для этой цели полиуретан, получаемый из полиола и изоцианата. Этот вид полимера обеспечивает получаемому покрытию удовлетворительные теплоизоляционные и другие эксплуатационные свойства. При переработке полиуретанов в монолитное изделие появляются сложности, связанные с влагонеустойчивастью сырья для полиуретанов: при попадании даже небольшого количества влаги (влаги воздуха) происходит подвспенивание связующею, вызывающее ухудшение комплекса эксплуатационных свойств покрытия.

Из всех специфических видов смол, пригодных для получения синтактной пены для теплоизоляции, более всего подходят эпоксидные, отверждаемые аминными или амидными отвердителями, или их смесью. Эти реакционноспособные компоненты влагоустойчивы, обеспечивают монолитную структуру и низкие усадки связующего, закрытопористую структуру синтактной пены, легко регулируемые физико-механические свойства за счет широкого спектра свойств и возможности комбинаций сырьевых компонентов (алифатические и ароматические смолы, большой ассортимент отвердителей).

Возможность осуществления способа получения теплоизоляционного материала на основе синтактной пены иллюстрируется следующим образом. На фиг.1 схематично изображен общий вид установки для реализации предлагаемого способа. Устройство состоит из емкости-хранилища микросфер 1, дозаторов микросфер в первый и второй компонент, соответственно, 2 и 3, емкостей реакционноспособных компонентов 4 (смолы) и 5 (отвердителя) с соответствующими дозаторами их подачи 6 и 7, смесителей 8 и 9 для получения соответственно первого и второго реакционноспособных компонентов, дозаторов подачи реакционноспособных компонентов 10 и 11, смесителя 12.

Способ осуществляют следующим образом.

Микросферы из емкости 1 дозаторами 2 и 3 подают соответственно в смесители 8 и 9, куда одновременно подают из емкости 4 дозатором 6 первый реакционноспособный компонент связующего (эпоксидная смола), а из емкости 5 дозатором 7 - второй реакционноспособный компонент связующего (отвердитель аминного и/или амидного типов). В смесителях (например, двухлопастных или двухшнековых) 8 и 9 осуществляют смешение компонентов связующего с микросферами, при этом конструкция смесителей исключает разрушение микросфер. По окончании процесса смешения первый и второй реакционноспособные компоненты соответственно дозаторами (например, двухшнековыми) 10 и 11 в заданном соотношении направляют в смеситель (например, двухшнековый) 12 и осуществляют их совмещение и заливку для получения теплоизоляционного материала.

Заявляемая последовательность стадий получения синтактной пены "Аквизол" позволяет увеличить количество вводимых без разрушения микросфер в полимерное связующее до 80 объем.% и, таким образом, обеспечить предельно возможное наполнение связующего микросферами. Повышенное содержание микросфер в полимерном связующем позволяет повысить теплоизоляционные свойства получаемой синтактной пены "Аквизол".

Конкретные режимы осуществления способа представлены в примерах.

Пример 1.

Для осуществления способа получения синтактной пены "Аквизол" использовали установку непрерывного действия на базе двух промышленных смесителей СРШ-2 с z-образными лопастями и реверсивным шнеком с частотой вращения 30 об/мин. В один смеситель подавали зпоксидную смолу марки ЭД-20 в количестве 10 кг и полые стеклянные микросферы марки МСО-А9 в количестве 2,5 кг (соотношение, мас. ч. , 1:0,25). В другой смеситель подавали смесь полиэтиленполиамина марки А с полиамидным отвердителем - олигоамидом марки Л-19 (соотношение, мас.ч., 1:1,8) в количестве 2 кг и полые стеклянные микросферы марки МСО-А9 в количестве 0.5 кг (соотношение, мас.ч., 1:0,25). Наполненные компоненты (соотношение, мас.ч., 1:0,2) после 10-15-минутного перемешивания выгрузочными шнеками направляли в смеситель с пропеллерной мешалкой с частотой вращения 250 об/мин. Время смешения реакционноспособных компонентов, наполненных микросферами, при прохождении через смеситель составило 5-6 с. Полученную композицию синтактной пены залили в прямоугольную форму размером 300 х 300 х 150 мм. После отверждения из различных частей полученного синтактного материала вырезали образцы и провели испытания.

Результаты испытаний, приведенные в таблице 1, показали возможность получения синтактного материала высокого качества без разрушения микросфер (по соотношению полученной плотности к теоретически рассчитанной), со стабильными теплоизоляционными и прочностными характеристиками синтактного материала во всем объеме образца.

Пример 2.

Для получения синтактной пены "Аквизол" брали смесь эпоксидной смолы марки ЭД-16 с эпоксидной алифатической смолой марки ДЭГ-1 (соотношение, мас.ч. , 1:0,3) в количестве 10 кг, наполненную полимерными микросферами "Полисфен" БВ-01 на основе фенолоформальдегидной смолы в количестве 2,5 кг (соотношение, мас. ч. , 1:0,25) и полиамидный отвердитель - олигоамид марки Л-19 в количестве 3 кг, наполненный полимерными микросферами "Полисфен" БВ-01 в количестве 0,75 кг (соотношение, мас.ч., 1:0,25). Наполненные компоненты (соотношение, мас. ч., 1:0,3) смешивали и отверждали по технологии в соответствии с примером 1, затем испытывали.

Пример 3.

Для получения синтактной пены "Аквизол" брали эпоксидную смолу марки ЭД-20 в количестве 10 кг, наполненную смесью стеклянных микросфер марки МС-ВП-А9 и полимерных микросфер "Полисфен" БВ-01 (соотношение, мас.ч., 0,4: 0,6) в количестве 2 кг (соотношение, мас.ч., 1:0,2), и полиамидный отвердитель марки ПО-200 в количестве 4 кг, наполненный смесью микросфер того же состава в количестве 0,8 кг (соотношение 1:0,2). Наполненные компоненты (соотношение, мас.ч., 1:0,4) смешивали и отверждали по технологии в соответствии с примером 1, затем испытывали.

Пример 4.

Для осуществления способа получения синтактной пены "Аквизол" брали эпоксидную смолу марки ЭД-20 в количестве 10 кг, полые стеклянные микросферы марки МС-ВП-А9 в количестве 2 кг (соотношение, мас.ч., 1:0,2), аминный отвердитель - полиэтиленполиамин марки А в количестве 1 кг и полые стеклянные микросферы марки МС-ВП-А9 в количестве 0,2 кг (соотношение, мас.ч., 1:0,2). Наполненные компоненты (соотношение, мас.ч., 1:0,1) смешивали и отверждали по технологии в соответствии с примером 1, затем испытывали.

Данные испытаний полученной синтактной пены "Аквизол" приведены в таблице 1.

Другим аспектом заявляемого технического решения, связанного единым изобретательским замыслом, является теплоизолированная труба с нанесенным в качестве теплоизоляции покрытием, выполненным из синтактной пены "Аквизол", полученной описанным выше способом.

Известна секция трубопровода, покрытая изоляцией, отличающаяся тем, что внешнее покрытие из изолирующей синтактной пены включает несшитую термопластическую смолу и от 10 до 50 объем. % стеклянных микросфер (заявка РФ 94045989). Однако данная труба нуждается во внешнем защитном покрытии (п.23 формулы изобретения) и грунтовочном слое, поскольку термопласт не может обеспечить удовлетворительной адгезии к металлу, кроме того, теплопроводность покрытия 0,14 Вт/(м•К) недостаточна для использования труб в экстремальных условиях.

Известна труба, содержащая составное покрытие из эпоксидной грунтовки и теплоизоляционного слоя, выполненного из полиуретана или полиизоцианурата, в частности наполненного микросферами, и дополнительное защитное покрытие (заявка РСТ 95/11761).

Наиболее близким техническим решением является теплоизолированная труба, представленная в международной заявке РСТ 94/20286, содержащая слой полиуретанового эластомера, наполненного микросферами, наружный защитный слой, армирующую вставку из стекловолоконной ткани.

К причинам, препятствующим достижению указанного ранее технического результата при эксплуатации теплоизолированной трубы, заявленной в прототипе, можно отнести: необходимость нанесения грунтовочного слоя на поверхность трубы или предварительную подготовку поверхности (опескоструивание, химическое травление) для обеспечения адгезионной прочности уретанового эластомера с металлической поверхностью; необходимость защитного слоя для повышения прочности к механическим воздействиям; возможность подвспенивания полиуретанового эластомера в случае повышенной влажности сырья, приводящее к нарушению монолитной структуры эластомера, и, как следствие, снижению теплопроводности покрытия; большую трудоемкость изготовления при нанесении армирующей стекловолоконной ткани.

Единый технический результат, указанный выше, может быть достигнут при осуществлении заявляемой группы изобретений по объекту "Теплоизолированная труба" тем, что в заявляемой конструкции трубы теплоизоляционный слой выполнен из синтактной пены "Аквизол", при этом в качестве синтактной пены используют эпоксидное связующее, наполненное смесью полых стеклянных и/или полых полимерных микросфер.

Частным случаем заявленной конструкции является то, что покрытие, выполненное из синтактной пены "Аквизол", содержит полые жгуты, выполненные из теплоизоляционного материала, при этом соотношение объема жгутов к объему покрытия составляет соответственно (0,1-0,5):1. Другими частными случаями заявленной конструкции является то, что теплоизоляционное покрытие трубы содержит внутренние пространственно ориентированные каналы, при этом соотношение объема каналов к объему покрытия составляет соответственно (0,1-0,4): 1, либо внутренние чередующиеся макрополости, соотношение объемов которых к объему покрытия составляет соответственно (0,1:0,2):1.

В заявленной конструкции покрытие трубы выполнено из синтактной пены "Аквизол" с улучшенными теплоизолирующими свойствами. Это достигается благодаря введению в композицию значительно большего по объему количества микросфер, что обеспечивается способом ее получения, заявленным в первой части группы изобретений, и позволяет достичь коэффициента теплопроводности порядка 0,05-0,08 Вт/(м•К).

Кроме того, использование связующего на эпоксидной основе и обеспечение высокого коэффициента упаковки микросфер, в соответствии с заявленным способом получения материала, позволяет не только достигнуть упорядоченной структуры материала, но и при сопоставимой плотности улучшить теплоизоляционные характеристики.

Достигаемая механическая прочность материала покрытия в заявленной конструкции исключает необходимость дополнительного наружного защитного покрытия от ударных и прочих нагрузок или дополнительного силового армирования покрытия по сечению.

Кроме того, использование эпоксидного связующего при изготовлении теплоизоляционного покрытия из синтактной пены решает задачу упрощения конструкции теплоизолированной трубы по причине высокой адгезионной способности эпоксидных связующих ко всем металлическим поверхностям, что исключает необходимость предварительного нанесения на поверхность трубы специального грунтовочного слоя (как правило, эпоксидного) и упрощает операцию подготовки поверхности трубы для нанесения покрытия.

В результате упрощаются конструкция теплоизолированной трубы, технология ее изготовления за счет одностадийности процесса и, соответственно, снижается стоимость изделия.

На фиг.2 представлена конструкция заявленной теплоизолированной трубы с покрытием из синтактной пены. Конструкция состоит из металлического корпуса в виде тела вращения (металлической трубы) 13 и покрытия из синтактной пены "Аквизол" 14.

Получают теплоизолированную трубу следующим образом. На стапель устанавливают трубу, замыкают на начале трубы кольцевую формообразующую камеру, в которую подают приготовленную композицию синтактной пены "Аквизол", и производят формование теплоизоляционного покрытия заданной толщины за один технологический цикл при вращении и продольном перемещении трубы.

Частным случаем заявленной конструкции теплоизолированной трубы является введение в теплоизоляционный слой жгутов, выполненных из теплоизоляционного материала, при это соотношение объема жгутов к объему покрытия составляет (0,1-0,5):1. Предлагаемая конструкция позволяет создать структуру покрытия с лучшими и заданными теплоизолирующими свойствами за счет упорядоченного армирования покрытия более легким и, соответственно, обладающего меньшей теплопроводностью материалом, например, вспененным полиэтиленом или полипропиленом. При этом минимальный показатель соотношения (0,1:1) обусловлен границей эффективности конструкционного решения, при котором достигается значительное улучшение теплоизоляционных характеристик покрытия, оправдывающее усложнение технологии и использование дополнительного материала. Максимальный показатель соотношения (0,5:1) - предельно допустимой границы наполнения синтактной пены, при которой не утрачивается конструкционная прочность наружного слоя, обеспечивающего механическую защиту покрытия, и, в целом, сохраняется достаточная общая конструкционная прочность покрытия.

На фиг. 3 представлен фрагмент теплоизолированной трубы, содержащей в покрытии из синтактной пены "Аквизол" жгуты из теплоизолирующего материала. Конструкция представляет собой трубу 13, покрытие из синтактной пены 14 и жгуты из теплоизолирующего материала 15. Получают такую теплоизолированную трубу, например, при одновременном формировании покрытия из синтактной пены 14 и спиральной навивки жгута из теплоизолирующего материала 15 на вращающуюся и продольно перемещающуюся трубу 13 путем непрерывной подачи жгута в зону формирования покрытия.

Другими частными случаями заявленной конструкции теплоизолированной трубы являются формирование в теплоизоляционном слое пространственно ориентированных непрерывных каналов в соотношении к объему покрытия как (0,1-0,4):1, или макрополостей в соотношении к объему покрытия как (0,1-0,2):1.

Реализация такой конструкции теплоизоляционного покрытия труб возможна только при использовании вышеописанного заявляемого способа получения синтактной пены "Аквизол", основанного на введении большого (практически предельного) количества микросфер и достижения предельно высокой вязкости с образованием пластичного, но практически нетекучего материала, которому в пределах времени жизнеспособности композиции можно придать любую форму как по наружной поверхности, так и с формированием внутренних каналов и полостей с гарантированным сохранением их формы и размеров до отверждения материала, что подтверждает единство изобретательского замысла.

Предлагаемая конструкция характеризуется еще более лучшими теплоизоляционными характеристиками, поскольку в процессе формирования теплоизоляционного слоя создается структура со строго организованной системой воздушных пустот в покрытии. Кроме того, формирование в покрытии дополнительных пустот позволяет решить утилитарную задачу: существенно снизить расход синтактной пены (на 20-40%) и, соответственно, снизить стоимость теплоизолированной трубы.

Минимальный показатель соотношения объемов каналов и полостей к объему покрытия (0,1:1) обусловлен границей эффективности конструкционного решения, при котором достигается практически значимое улучшение теплоизоляционных свойств покрытия порядка 10-15%. Максимальное соотношение (0,4-1) объема каналов к объему покрытия обусловлено необходимостью сохранить достаточную для эксплуатации конструкционную прочность теплоизоляционного покрытия в целом. Максимальное соотношение (0,2:1) объема макрополостей к объему покрытия определяется предельно допустимой границей, при которой гарантируется сохранение закрытопористой макроструктуры покрытия в целом, необходимой для эффективной эксплуатации теплоизолированных труб.

Высокое наполнение синтактной пены микросферами обуславливает высокую вязкость и высокую тиксотропию системы, а малая плотность материала практически исключает влияние гравитационого фактора, в результате чего в заявленной конструкции теплоизолированной трубы в сочетании с заявленным способом получения синтактной пены "Аквизол" представляется возможным формирование как наружной поверхности покрытия, так и внутренних каналов или полостей с сохранением их формы и размеров после прекращения сдвигового воздействия на материал (фаза выхода материала со среза формообразующей головки) до его отверждения. Предлагаемая конструкция характеризуется еще более лучшими теплоизоляционными характеристиками, поскольку в процессе формирования теплоизолирующего слоя создается структура со строго организованной системой внутренних воздушных пустот в покрытии. Кроме того, формование в покрытии дополнительных пустот позволяет решить утилитарную задачу: существенно снизить расход синтактной пены (на 25-30%) и, соответственно, снизить стоимость теплоизолированной трубы.

Минимальный показатель соотношения объемов каналов или полостей к объему покрытия (0,1:1) обусловлен границей эффективности конструкционного решения, при котором достигается практически значимое улучшение теплоизолирующих свойств покрытия.

Максимальное соотношение (0,4:1) - предельным количеством пустот, позволяющий сохранить достаточную для эксплуатации конструкционную прочность теплоизоляционного покрытия в целом.

На фиг. 4 представлен фрагмент теплоизолированной трубы с покрытием из синтактной пены "Аквизол" с продольно расположенными в покрытии каналами, например, цилиндрической формы, на фиг.5 - с винтовыми каналами, на фиг.6 - с макрополостями.

Конструкция представляет собой трубу 13, теплоизоляционное покрытие из синтактной пены 14, продольные каналы 16, винтовые каналы 17, макрополости 18.

Получают теплоизолированную трубу с каналами путем установки в рабочую полость кольцевой формообразующей камеры, охватывающей трубу, специальной коаксиально расположенной насадки с системой формующих дорнов для образования внутренних каналов в зоне выхода потока из формообразующей камеры. В варианте нанесения покрытия при продольном перемещении трубы относительно формообразующей камеры, в которую непрерывно нагнетается материал, формующая насадка внутри камеры формирует систему внутренних непрерывных продольных каналов. В варианте нанесения покрытия на вращающуюся и перемещающуюся трубу формующая насадка в камере формирует систему внутренних непрерывных винтовых каналов. Макрополости получают путем периодического впрыска газообразного агента посредством системы технических шприцов, расположенных в рабочей полости формообразующей камеры в выходной ее части.

Возможность реализации заявляемой теплоизолированной трубы иллюстрируется следующими примерами.

Пример 2.1.

На стапель устанавливают трубу, замыкают на начале трубы смесительную формующую головку, куда из смесителя подают композицию синтактной пены и производят формование теплоизоляционного покрытия заданной толщины за один технологический цикл при вращении и продольном перемещении трубы.

Пример 2.2.

Покрытие формируется, как в примере 2.1., при этом одновременно в рабочую полость формующей головки непрерывно подают жгут из вспененного полиэтилена, который спирально навивают на трубу.

Пример 2.3.

В рабочую полость кольцевой формообразующей камеры, замкнутой на трубе, устанавливают специальную насадку с системой формующих дорнов, нагнетают в формующую камеру композицию, а трубу продольно перемещают, образуя тем самым в покрытии продольные непрерывные каналы, либо трубу вращают и перемещают, образуя в покрытии непрерывные винтовые каналы.

Пример 2.4.

В рабочую полость кольцевой формообразующей камеры устанавливают коаксиальную насадку с системой технических шприцов, посредством которой производят периодический впрыск газообразного агента в композицию, непрерывно нагнетаемую в формующую камеру, формируя при этом в покрытии внутренние чередующиеся макрополости.

Сравнительные результаты полученных теплоизолированных труб приведены в таблице 2.

Другим аспектом данного технического решения, связанного единым изобретательским замыслом, является способ нанесения теплоизоляционного покрытия на внешнюю поверхность трубы.

Известен способ нанесения теплоизоляционного покрытия, при котором изолирующий материал изготовлен в виде ленты, которая может обматываться вокруг трубы или вокруг соединения труб (заявка РФ 94045989). Синтактная пена, необходимая для осуществления этого способа, может быть экструдирована в форме ленты или полоски, с одной стороны которой нанесено адгезионное покрытие. Подобный способ нанесения покрытия на трубу не может обеспечить высокой теплоизоляции ввиду того, что для подобной цели может быть применен эластомер, наполненный ограниченным количеством микросфер, чтобы сохранить гибкость, необходимую при намотке теплоизоляционною покрытия на трубу. Кроме того, подобный способ технологически громоздок, требует большого числа технологических операций и дополнительного оборудования.

Известен способ, в котором на вращающуюся трубу наносятся несколько слоев покрытия теплоизоляционного материала из нескольких движущихся распределительных головок (заявка РСТ 95/11761). Данный способ нанесения покрытия подразумевает многостадийный процесс, в котором участвует большое количество оборудования.

Известен способ, в котором теплоизоляционное покрытие из синтактной пены наносят на трубы методом инжекционного формования химически активного, но еще не отвержденного материала в ограничительную оснастку, образующую с трубой по всей длине кольцевой зазор заданной толщины (заявка РСТ 94/20286). Однако инжекционное формование связано с использованием громоздкой ограничительной оснастки (труба в трубе) и, как следствие этого, технологическими проблемами сборки оснастки, распалубки после заливки и отверждения, подготовки поверхности оснастки после каждого цикла (нанесение антиадгезионного слоя), хранения большого количества единиц и типоразмеров оснастки, что значительно удорожает производство и мало пригодно для организации поточного производства.

Наиболее близким техническим решением к заявленному способу нанесения теплоизоляционного покрытия на трубу является способ, в котором покрытие наносят методом литья полоски предварительно приготовленного, но еще не полностью отвержденного материала, - синтактной пены, путем спиральной укладки наливом на трубу, при этом труба вращается, проходя мимо щелевого сопла камеры, со свободно истекающим из него потоком материала (заявка РСТ 94/20286).

В соответствии с описанным способом метод свободного литья полоски синтактного материала позволяет за один технологический цикл нанести покрытие толщиной 2-10 мм. Это связано с тем, что не представляется возможным за короткое время ввести в ограниченном объеме смесительной головки большое количество микросфер в связующее и, соответственно, переработать большие объемы полимера для получения за один технологический цикл покрытия большей толщины. При достигаемом коэффициенте теплопроводности синтактной пены порядка 0,12-0,15 Вт/(м•К) согласно описанному способу получения материала оптимальная теплоизоляция труб достигается при толщине покрытия в несколько десятков миллиметров (порядка 70-100 мм). Поэтому для достижения необходимой рабочей толщины покрытия требуется нанесение покрытия за несколько технологических циклов. Причем предпочтительно нанесение каждого следующего слоя на отвержденный предыдущий слой покрытия для повышения стабильности размеров по конечной толщине покрытия. В результате многих стадий процесса существенно возрастают его трудоемкость и цикл нанесения покрытия на трубы.

Указанный технический результат заявляемой группы изобретений достигается тем, что в соответствии с заявленным способом нанесения покрытия на внешнюю поверхность трубы готовят синтактную пену "Аквизол" раздельным смешиванием реакционноспособных компонентов с микросферами, после чего наполненные компоненты соединяют в один поток, проводя их смешение и одновременную подачу в кольцевое пространство формообразующей камеры, охватывающей изолируемую трубу, при вращении и продольном ее перемещении, таким образом, получая теплоизоляционное покрытие заданной толщины на внешней поверхности трубы за один технологический прием.

Объединение технологических стадий смешения реакционноспособных предварительно наполненных микросферами компонентов связующего, а именно приготовление композиции синтактной пены "Аквизол" и формирования теплоизоляционного покрытия на поверхности трубы, позволяет повысить эффективность процесса путем упрощения его аппаратурного оформления и существенно повысить производительность за счет подачи большого объема материала с высокой производительностью и формирования заданной толщины покрытия за один технологический цикл.

Это обусловлено следующим: предварительное наполнение микросферами компонентов связующего с образованием двух групп реакционноспособных смесей позволяет "защитить" от разрушения весь объем перерабатываемых микросфер, переведя их в гидросреду, в результате чего смешивание наполненных смесей с образованием синтактной пены "Аквизол" может проводиться с высокой интенсивностью в малых объемах в проточном режиме с возможностью непрерывной переработки больших объемов материала. Это позволяет аппаратными средствами малых габаритов осуществить процесс смешивания наполненных компонентов в проточном режиме в смесительной головке, совмещенной с кольцевой формообразующей камерой для формирования на трубе покрытия заданной толщины. Для этой цели могут быть использованы смесительные головки с пропеллерной, лопастной, винтовой или другой мешалкой, обеспечивающие высокоскоростной режим сдвига. Поскольку высоконаполненные композиции синтактных пен обладают ярко выраженной тиксотропией, поэтому высокие скорости сдвига обеспечивают низкую вязкость, способствующую быстрому и эффективному смешиванию наполненных микросферами реакционноспособных компонентов, а при выходе из смесительной камеры вязкость композиции резко возрастает как за счет восстановления тиксотропной структуры, так и за счет начинающейся экзотермической реакции отверждения компонентов полимерной матрицы, что обеспечивает возможность формирования покрытия заданной толщины формообразующей оснасткой с последующим сохранением формы и размеров покрытия. Совмещение процессов получения синтактной пены "Аквизол" с одновременным формированием теплоизоляционного слоя покрытия на трубе позволяет использовать высоконаполненные композиции с малым временем жизнеспособности, а также до минимума свести потери сырья.

Реализация данного способа нанесения теплоизоляционного покрытия, выполненного из синтактной пены, возможна лишь при осуществлении способа получения синтактной пены "Аквизол", заявленного в данной группе изобретений, что подтверждает единство изобретательского замысла.

На фиг.7 изображена схема установки для нанесения теплоизоляционного покрытия на трубу, на фиг.8 - формообразующая оснастка в продольном разрезе, на фиг.9 - формообразующая оснастка в поперечном разрезе на фиг.8.

Установка состоит из дозатора 10 первого реакционноспособного наполненного микросферами компонента, дозатора 11 второго реакционноспособного наполненного микросферами компонента, смесительной головки 12, формообразующей оснастки 19, трубы 13, теплоизоляционного покрытия 14, стапеля для вращения и продольного перемещения трубы 20.

Способ осуществляют следующим образом.

Наполненные микросферами первый и второй реакционноспособные компоненты связующего направляют дозаторами 10 и 11 в смесительную головку 12, в которой происходит получение химически активной синтактной пены. Под действием избыточного давления дозаторов 10 и 11 синтактная пена нагнетается в кольцевое пространство, образованное жестко закрепленной формообразующей оснасткой 19 и трубой 13, которая приводится к одновременному вращению и продольному перемещению.

Непрерывное нагнетание синтактной пены, одновременное вращение и продольное перемещение трубы 13 относительно жестко закрепленной формообразующей оснастки 19 обеспечивают равномерное распределение нагнетаемой синтактной пены в кольцевом пространстве формообразующей оснастки и формирование теплоизоляционного покрытия 14 заданной толщины за один технологический прием.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ
1. Заявка на изобретение к патенту РФ 94045989 (приоритет США 07/860868 от 31.01.92 г.) МПК В 29 С 67/20.

2. Заявка на патент Великобритании 2264116 МПК C 08 j 9/32.

3. Международная заявка РСТ 94/20286 (GB 94/00457) МПК В 29 С 67/20.

4. Международная заявка РСТ 95/11761 (GB 94/02357) МПК В 05 D 7/14.

Изобретение относится к способам получения синтактных пен и нанесения их в качестве теплоизоляционного покрытия на внешнюю поверхность труб, эксплуатируемых в зонах вечной мерзлоты, в заболоченных местностях и под водой. В способе получения теплоизоляционного материала на основе синтактной пены дозируют исходные компоненты, смешивают два реакционноспособных компонента связующего, наполняют полученную композицию микросферами, заливают полученный компонент для получения теплоизоляционного материала и отверждают его. Наполнение каждого из реакционноспособных компонентов связующего микросферами производят раздельно, затем смешивают наполненные рекционноспособные компоненты связующего в определенных соотношениях, мас.ч. Теплоизолированная труба состоит из металлического корпуса в виде тела вращения и покрытия, выполненного из синтактной пены, в качестве которой используют эпоксидное связующее, наполненное стеклянными и/или полимерными микросферами. В способе нанесения теплоизоляционного покрытия на внешнюю поверхность трубы смешение наполненных микросферами реакционноспособных компонентов и формование покрытия осуществляют посредством смесительной головки и совмещенной с ней кольцевой формообразующей камеры, охватывающей вращающуюся и перемещающуюся трубу, причем обе стадии объединены в один технологический прием. Изобретение позволяет получить покрытие для труб с высокими теплоизоляционными свойствами. 3 с. и 5 з.п. ф-лы, 9 ил., 2 табл.

1. Способ получения теплоизоляционного материала на основе синтактной пены, при котором дозируют исходные компоненты, смешивают два реакционноспособных компонента связующего, наполняют полученную композицию микросферами, заливают полученный компонент для получения теплоизоляционного материала и отверждают его, отличающийся тем, что наполнение каждого из реакционноспособных компонентов связующего микросферами производят раздельно, после чего наполненные реакционноспособные компоненты связующего смешивают в соотношениях, мас.ч.: первый реакционный компонент и микросферы : второй реакционный компонент и микросферы, равном 1 : (0,1 - 0,4), первый реакционный компонент : микросферы, равном 1 : (0,2 - 0,4), второй реакционный компонент : микросферы, равном 1 : (0,2 - 0,4), после этого производят заливку и отверждают. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве микросфер используют полые стеклянные микросферы и/или полимерные микросферы, обладающие гидростатической прочностью не менее 2 МПа. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве реакционноспособных компонентов связующего используют эпоксидные смолы и отвердители аминного и/или амидного типов. 4. Теплоизолированная труба, состоящая из металлического корпуса в виде тела вращения и покрытия, выполненного из синтактной пены, отличающаяся тем, что в качестве синтактной пены используют эпоксидное связующее, наполненное полыми стеклянными и/или полимерными микросферами. 5. Теплоизолированная труба по п.4, отличающаяся тем, что покрытие из синтактной пены содержит жгуты, выполненные из теплоизоляционного материала, при этом соотношение объема жгутов к объему покрытия составляет (0,1 - 0,5) : 1. 6. Теплоизолированная труба по п.4, отличающаяся тем, что покрытие из синтактной пены содержит внутренние пространственно ориентированные непрерывные каналы, при этом соотношение объема каналов к объему покрытия составляет (0,1 - 0,4) : 1. 7. Теплоизолированная труба по п.4, отличающаяся тем, что покрытие из синтактной пены содержит внутренние чередующиеся макрополости, при этом соотношение объема полостей к объему покрытия составляет (0,1 - 0,2) : 1. 8. Способ нанесения теплоизоляционного покрытия на внешнюю поверхность трубы, при котором получают синтактную пену путем смешения реакционноспособных компонентов связующего с микросферами, формируют их в поток, формируют покрытие на вращающейся и продольно перемещающейся трубе и отверждают покрытие на ней, отличающийся тем, что смешение наполненных микросферами реакционноспособных компонентов и формование покрытия осуществляют посредством смесительной головки и совмещенной с ней кольцевой формообразующей камеры, охватывающей вращающуюся и перемещающуюся трубу, причем обе стадии объединены в один технологический прием.