Способ изготовления трубы из полимерных композиционных материалов Российский патент 2024 года по МПК F16L9/12 F41A21/02 

Изобретение относится к области машиностроения, ракетостроения, а именно к способам изготовления трубы из полимерных композиционных материалов и может применяться для изготовления пусковой трубы транспортно-пускового контейнера для транспортирования, хранения и запуска ракет, работающего в условиях высоких прочностных нагрузок с повышенными требованиями по герметичности и теплостойкости.

Известен способ изготовления трубы из композиционных материалов (патент РФ №2166145, МПК F16L 9/12 (2000.01), дата публикации 27.04.2001), включающий формирование герметизирующего слоя (защитного покрытия) намоткой на оправку, предварительно покрытую слоем антиадгезионного материала, трех слоев резиновой ленты толщиной 1 мм и шириной 130 мм с нахлестом от 8 до 12 толщин ленты. Поверх него наматывают 2 слоя лентой сухого низкоплотного материала, далее образованный пакет заматывают кольцевым слоем ровинга, пропитанного связующим, с заданным усилием натяжения, затем, тем же ровингом наматывают заданное число спиральных слоев силового каркаса с заданным усилием натяжения с углом наклона к продольной оси трубы (углом намотки) от 52° до 56° с перекрытием продольных кромок, при этом, в качестве связующего применяют единый для всей трубы состав на основе эпоксидной смолы. Данный способ имеет следующие недостатки:

- снижение прочностных характеристик трубы как в осевом, так и в кольцевом направлениях при прочих равных условиях вследствие формирования герметизирующего слоя с использованием нетканых материалов и резиновой ленты толщиной 1 мм;

- значительные сдвиговые нагрузки при снятии трубы с оправки вследствие высокого коэффициента трения резины герметизирующего слоя, что способствует возникновению дефектов в виде его повреждения;

- недостаточная прочность в осевом направлении вследствие намотки спиральных слоев однонаправленного ровинга под углом от 52° до 56° к оси трубы, что не позволяет максимально реализовать прочность используемого однонаправленного ровинга вследствие значительного отклонения от направления главных напряжений при действующих эксплуатационных нагрузках;

- ограничение по номенклатуре вследствие использования в качестве связующего единого состава на основе эпоксидной смолы.

Известен способ изготовления трубы из композиционных материалов (патент РФ №2154766 от 20.08.2000 г., МПК7 F16L 9/12, дата публикации 20.08.2000 г.), включающий формирование герметизирующего слоя намоткой на оправку, предварительно покрытую слоем антиадгезионного материала, первого слоя ленты из невулканизированной резины толщиной 1 мм с шагом, равным ширине ленты, после чего наматывают второй слой ленты из невулканизированной резины со смещением относительно первого слоя на 0,5 шага и затем наматывают третий слой ленты из невулканизированной резины, начиная намотку с противоположного торца оправки, после этого устанавливают опорные кольца, выполненные, например, из ленты-препрега, состоящей из 3-5 слоев, на расстоянии 0,5-2,0 м по длине трубы, на которые укладывают по 2-3 слоя невулканизированной резины и проводят намотку пакета из пяти адгезионных слоев, включающего последовательную намотку слоя непропитанной связующим ленты из низкоплотного, например, нетканого, материала, слоя из ленты нетканого полотна, пропитанного связующим, намотку двойного спирального слоя ровингом с углом намотки от 52° до 57°, намотку кольцевого слоя ровинга с заданным усилием натяжения, после чегофомируют силовой каркас намоткой пакета до 10 двойных спиральных слоев ровинга.

Данный способ имеет следующие недостатки:

- низкая технологичность и сложность изготовления герметизирующего слоя вследствие необходимости формирования промежуточных опорных колец, использования пакета адгезионных слоев из нетканых материалов как сухих, так и пропитанных;

- использование нетканых материалов и резиновой ленты толщиной 1 мм при формировании герметизирующего слоя, что при прочих равных условиях снижает прочностные характеристики трубы как в осевом, так и в кольцевом направлениях;

- значительные сдвиговые нагрузки при снятии трубы с оправки вследствие высокого коэффициента трения резины герметизирующего слоя, что способствует возникновению дефектов в виде его повреждения;

- недостаточная прочность в осевом направлении вследствие намотки спиральных слоев однонаправленного ровинга под углом от 52° до 57° к оси трубы, что не позволяет максимально реализовать прочность используемого однонаправленного ровинга вследствие значительного отклонения от направления главных напряжений при действующих эксплуатационных нагрузках;

- ограничение по номенклатуре вследствие использования связующего единого химического состава.

Известный способ, как наиболее близкий по технической сущности, выбран в качестве прототипа.

Общими существенными признаками для прототипа и заявленного способа являются: формирование на оправке, формующая поверхность которой идентична внутренней поверхности трубы, антиадгезионного слоя, герметизирующего слоя послойной намоткой невулканизированной резины со смещением в окружном направлении каждого последующего слоя относительно предыдущего, силового каркаса намоткой двойных спиральных слоев однонаправленного ровинга, пропитанного полимерным связующим в процессе намотки при прохождении его через пропитывающее устройство намоточного оборудования, с последующим одновременным отверждением полимерного связующего и невулканизированной резины герметизирующего слоя, механической подрезкой торцов и отделением от оправки.

Задачами создания предлагаемого способа являются: разработка технологичного высокопроизводительного способа производства труб, расширение технологических возможностей и номенклатуры изготовляемых труб с обеспечением повышенных требований по герметичности, осевой и кольцевой прочности, теплостойкости, что актуально при изготовлении пусковых труб транспортно-пусковых контейнеров, обеспечение требований товарного вида и толщины в заданных пределах без механической обработки наружной поверхности.

Достигаемые технические результаты:

- повышение прочностных характеристик трубы в осевом направлении за счет применения при изготовлении силового каркаса метода двойной спиральной намотки однонаправленного ровинга, пропитанного полимерным связующим в процессе намотки при прохождении через пропитывающее устройство намоточного оборудования, с углом намотки от 20° до 22° (максимально приближенным к направлению главных нормальных напряжений от действующих эксплуатационных нагрузок);

- повышение прочностных характеристик трубы в кольцевом направлении за счет применения при изготовлении силового каркаса метода кольцевой намотки однонаправленного ровинга, пропитанного полимерным связующим в процессе намотки при прохождении через пропитывающее устройство намоточного оборудования;

- повышение межслойной прочности сцепления за счет применения намотки кольцевых слоев ленты из предварительно пропитанной полимерным связующим тканого материала;

- расширение номенклатуры изготавливаемых труб за счет формирования перед формированием герметизирующего слоя дополнительного слоя послойной кольцевой намоткой лентой тканого материала, предварительно пропитанного полимерным связующим, отличным по химической природе от полимерного связующего, используемого при пропитке однонаправленного ровинга и тканого материала силового каркаса, что позволило придать трубе дополнительные свойства, например, теплостойкость;

- повышение технологичности способа за счет использования при формировании герметизирующего слоя невулканизированной резины меньшей толщины (по сравнению с прототипом) в виде полотна исходной ширины без раскроя на ленты, отсутствие необходимости формирования адгезионного слоя из нетканых материалов.

Технический результат достигается за счет того, что в известном способе изготовления трубы из полимерных композиционных материалов, включающем формирование на оправке, формующая поверхность которой идентична внутренней поверхности трубы, антиадгезионного слоя, герметизирующего слоя послойной намоткой невулканизированной резины со смещением в окружном направлении каждого последующего слоя относительно предыдущего, силового каркаса намоткой двойных спиральных слоев однонаправленного ровинга, пропитанного полимерным связующим в процессе намотки при прохождении его через пропитывающее устройство намоточного оборудования, с последующим одновременным отверждением полимерного связующего и невулканизированной резины герметизирующего слоя, механической подрезкой торцов и отделением от оправки, согласно заявленному изобретению перед формированием герметизирующего слоя на оправке формируют дополнительный слой послойной кольцевой намоткой лентой тканого материала, предварительно пропитанного полимерным связующим, с заданным шагом и усилием натяжения, а герметизирующий слой формируют полотном невулканизированной резины толщиной 0,5 мм исходной ширины, которое укладывают по винтовой линии с шагом на исходную ширину в одном направлении, смещая по окружности каждый последующий слой относительно предыдущего на часть исходной ширины, кратной количеству наматываемых слоев, кроме того, силовой каркас формируют намоткой в заданной последовательности чередования определенного для заданной толщины трубы количества двойных спиральных слоев однонаправленного ровинга, пропитанного связующим в процессе намотки, с обеспечением угла намотки от 20° до 22°, кольцевых слоев однонаправленного ровинга, пропитанного связующим в процессе намотки, и кольцевых слоев лентой из предварительно пропитанного полимерным связующим тканого материала, укладываемых на оправку с заданным шагом и усилием натяжения в пределах длины трубы с учетом технологических припусков на механическую обработку торцов до обеспечения заданной толщины трубы без механической обработки ее наружной поверхности, при этом, после намотки кольцевого слоя однонаправленного ровинга проводят уплотнение намотанного пакета известным в технике способом.

Для пропитки тканого материала дополнительного слоя возможно использование полимерного связующего, отличного по химической природе от полимерного связующего, используемого при пропитке однонаправленного ровинга и тканого материала силового каркаса, что позволяет придать слою специальные свойства, например, теплостойкость.

Для снижения вероятности возникновения дефектов на поверхности герметизирующего слоя контактирующий с ним слой силового каркаса выполняют намоткой двойного спирального слоя однонаправленного ровинга, пропитанного полимерным связующим в процессе намотки.

Для обеспечения требований по внешнему виду трубы без механической обработки ее наружной поверхности завершающий слой силового каркаса выполняют намоткой двойного спирального слоя однонаправленного ровинга, пропитанного полимерным связующим в процессе намотки.

По поверхности силового каркаса трубы возможна намотка шпангоутов в виде опорных колец послойной кольцевой намоткой лентой из предварительно пропитанной полимерным связующим тканого материала и/или однонаправленного ровинга, пропитанного полимерным связующим в процессе намотки.

Способ изготовления трубы из полимерного композиционного материала заключается в следующем.

На металлическую оправку, наружная поверхность которой идентична внутренней поверхности изготавливаемой трубы с учетом технологических припусков на подрезку торцов, наносят слой антиадгезионного материала, например, «Пента-111», и устанавливают ее в намоточный станок типа КУ-421. На наружной поверхности оправки формируют дополнительный слой кольцевой намоткой 11 слоев ленты тканого материала ТЭМС-К(м), предварительно пропитанного полимерным связующим на основе смолы эпоксидной марки ЭТФ, обладающим повышенной тепловой и химической стойкостью, шириной 120 мм с технологическим натяжением порядка 5 кгс/см, не менее. При этом, десять слоев ленты наматывают с шагом ¹/₂ ширины ленты, а один слой с шагом на ширину ленты. Ленту тканого материала ТЭМС-К(м), предварительно пропитанного полимерным связующим, в процессе намотки подогревают при прохождении ее через вал намоточного станка, нагретый до 100°С, что значительно улучшает плотность намотки. Полотно невулканизированной резины 51-1615 толщиной 0,5 мм исходной ширины порядка 780 мм предварительно термостатируют при температуре 50°С в течение не менее 1 часа для снятия усадочных напряжений, обезжиривают ацетоном и раскраивают на заготовки, подрезая каждую по ширине полотна на угол таким образом, чтобы линия реза была равна периметру намотанного на оправку дополнительного слоя, а длина заготовки соответствовала длине винтовой линии ее укладки. Заготовки укладывают на намотанный дополнительный слой в одном направлении последовательно друг за другом в три слоя по винтовой линии с нахлестом между витками порядка 10 мм и смещением в окружном направлении каждого последующего слоя относительно предыдущего на 1/3 исходной ширины полотна невулканизированной резины 51-1615. Затем, формируют силовой каркас, наматывая на поверхность герметизирующего слоя в заданной последовательности чередования друг за другом двойной спиральный слой лентой однонаправленного стеклоровинга РВМПН 10-1200-14, пропитанного полимерным связующим УП-2217 при прохождении через пропитывающее устройство намоточного станка в процессе намотки, шириной 35 мм с усилием натяжения 90 кгс с максимально приближенным к направлению действия эксплуатационных нагрузок углом намотки в 20°-22° для создания продольного армирования и обеспечения прочности трубы в осевом направлении, кольцевой слой лентой однонаправленного стеклоровинга РВМПН 10-1200-14, пропитанного полимерным связующим УП-2217 при прохождении через пропитывающее устройство намоточного станка в процессе намотки, шириной 35 мм с усилием натяжения 90 кгс для обеспечения прочности трубы в кольцевом направлении, пакет из четырех кольцевых слоев ленты шириной 120 мм из предварительно пропитанного полимерным связующим УП-2217 стеклоткани ТСУ 8/3-ВМП-78, укладываемых на оправку в два прохода с шагом ¹/₂ ширины ленты каждый и усилием натяжения 6 кгс/см, не менее, в пределах длины трубы с учетом технологических припусков на механическую обработку торцов, что позволило обеспечить надежность трубы в узлах стыка с сопрягаемыми элементами. В процессе намотки ленту стеклоткани, предварительно пропитанную связующим, подогревают аналогично ленте тканого материала дополнительного слоя. После намотки каждого кольцевого слоя однонаправленного стеклоровинга, пропитанного связующим в процессе намотки, слои намотанного пакета уплотняют прикаткой роликом намоточного станка, нагретым до 100°С, что способствует обеспечению толщины трубы в заданных пределах. Слои укладывают в указанной последовательности чередования до обеспечения толщины готовой трубы в заданных пределах, при этом в качестве последнего финишного слоя наматывают двойной спиральный слой лентой однонаправленного стеклоровинга, пропитанного полимерным связующим в процессе намотки, обеспечивая товарный вид трубы без механической обработки ее наружной поверхности. Затем, на наружной поверхности с заданным усилием натяжения наматывают щпангоуты лентой стеклоткани ТСУ 8/3-ВМП-78, предварительно пропитанной связующим УП-2217 и подогреваемой при прохождении через нагревательный вал намоточного станка, уплотняя каждый из них намоткой лентой стеклоровинга РВМПН 10-1200-14, пропитанной связующим УП-2217 при прохождении через пропитывающее устройство намоточного станка в процессе намотки, с заданным шагом и усилием натяжения. Укладка двойных спиральных слоев стеклоровинга на герметизирующий слой позволяет избежать его деформации в виде складок, защипов при намотке и обеспечить равномерное внедрение поверхностного слоя невулканизированной резины между нитями однонаправленного ровинга под воздействием усилия натяжения ленты стеклоровинга и температурного процесса при отверждении композиционного материала трубы на стадии текучести невулканизированной резины, обеспечивая прочное межслойное сцепление разнородных по структуре материалов. По окончании намотки проводят дренажирование известным в технике способом с целью обеспечения равномерного распределения связующего по поверхности трубы, формируют технологический пакет известным в технике способом, отверждают с максимальной температурой порядка 165°С, охлаждают до температуры не более 40°С, выдерживают при температуре производственного помещения в течение не менее суток, не снимая с оправки, для завершения релаксационных процессов перераспределения внутренних напряжений и проводят предварительную механическую подрезку торцов с целью формирования опорной торцевой поверхности для базирования при съеме с оправки. Затем, оправку с трубой помещают в стенд для съема с опорой по торцевой поверхности трубы, отделяют от трубы путем выталкивания оправки и проводят механическую обработку торцов и шпангоутов согласно конструкторской документации. Механически обработанные поверхности шпангоутов покрывают эмалью ЭП-51.

Намотка на поверхность оправки дополнительного слоя позволила снизить сдвиговые нагрузки, исключить вероятность повреждения герметизирующего слоя при съеме трубы с оправки и в процессе эксплуатации, что обеспечивает надежность герметизации. Формирование герметизирующего слоя полотном исходной ширины повысило технологичность его укладки за счет кратного снижения количества нахлестов по винтовой линии (по сравнению с прототипом), исключения операций раскроя полотна на ленты. Размещение герметизирующего слоя между дополнительным слоем, укладываемым на оправку, и слоями силового каркаса позволило снизить его толщину в два раза без потери герметичности изделия, что позволило увеличить количество наматываемых слоев силового каркаса без изменения заданной толщины трубы и в конечном итоге способствовало повышению прочностных характеристик трубы в целом; обеспечить возможность использования для изготовления дополнительного слоя полимерного связующего, отличного по химической природе от полимерного связующего, используемого при изготовлении силового каркаса, что позволило придать трубе дополнительные свойства, например, теплостойкость, тем самым расширив диапазон применения изготавливаемых труб.

Формирование силового каркаса намоткой в заданной последовательности чередования определенного количества спиральных, укладываемых с максимально приближенным к направлению действия эксплуатационных нагрузок углом намотки 20°-22° для создания продольного армирования с целью обеспечения необходимой и достаточной прочности в осевом направлении, кольцевых слоев однонаправленного ровинга, пропитанного полимерным связующим в процессе намотки, для обеспечения прочности в кольцевом направлении, пакетов кольцевых слоев ленты из предварительно пропитанной полимерным связующим стеклоткани для усиления межслойной прочности с целью обеспечения надежности трубы в узлах стыка с сопрягаемыми элементами с периодическим уплотнением известным в технике способом в своей совокупности позволило обеспечить толщину трубы в заданных пределах без механической обработки ее наружной поверхности, значительно повысить ее прочностные характеристики. Повысилась технологичность способа за счет использования при формировании герметизирующего слоя невулканизированной резины меньшей толщины (по сравнению с прототипом) в виде полотна исходной ширины без раскроя на ленты, отсутствие необходимости формирования адгезионного слоя из нетканых материалов.

Трубы, изготовленные предлагаемым способом, решают все поставленные технические задачи с достижением технических результатов, указанных выше, и удовлетворяют всем требованиям потребителя по достигаемым эксплуатационным техническим характеристикам, а именно по прочности, герметичности, теплостойкости.

Предлагаемый способ изготовления труб по сравнению с прототипом технологичен за счет использования при формировании герметизирующего слоя невулканизированной резины меньшей толщины (по сравнению с прототипом) в виде полотна исходной ширины без раскроя на ленты, отсутствия необходимости формирования адгезионного слоя из нетканых материалов, позволяет расширить номенклатуру изготавливаемых труб за счет возможности использования в зависимости от требований конструкторской документации разнородных по химической природе полимерных связующих, повысить характеристики по прочности с обеспечением требований по герметичности.

Изобретение относится к области изготовления труб из полимерных композиционных материалов и может применяться для изготовления пусковой трубы контейнера для ракет. В заявленном способе на поверхность оправки наносят слой антиадгезионного материала и формируют дополнительный слой послойной кольцевой намоткой лент пропитанного тканого материала. Герметизирующий слой формируют полотном невулканизированной резины толщиной 0,5 мм исходной ширины, которое укладывают по винтовой линии в одном направлении, смещая по окружности каждый последующий слой относительно предыдущего на часть исходной ширины полотна, кратной количеству наматываемых слоев. Силовой каркас формируют намоткой в заданной последовательности чередования определенного количества двойных спиральных слоев однонаправленного ровинга, пропитанного полимерным связующим в процессе намотки, с обеспечением угла намотки от 20° до 22°, кольцевых слоев однонаправленного ровинга, пропитанного полимерным связующим в процессе намотки, и кольцевых слоев ленты из предварительно пропитанного полимерным связующим тканого материала, укладываемых на оправку с заданным шагом и усилием натяжения. После намотки кольцевого слоя однонаправленного ровинга проводят уплотнение намотанного пакета. Технический результат: простота и технологичность способа, возможность использования в зависимости от требований конструкторской документации разнородных по химической природе полимерных связующих, расширение технологических возможностей для изготовления труб различного назначения с обеспечением заданных эксплуатационных характеристик по прочности и герметичности. 4 з.п. ф-лы.

1. Способ изготовления трубы из полимерных композиционных материалов, включающий формирование на оправке, формующая поверхность которой идентична внутренней поверхности трубы, антиадгезионного слоя, герметизирующего слоя послойной намоткой невулканизированной резины со смещением в окружном направлении каждого последующего слоя относительно предыдущего, силового каркаса намоткой двойных спиральных слоев однонаправленного ровинга, пропитанного полимерным связующим в процессе намотки при прохождении его через пропитывающее устройство намоточного оборудования, с последующим одновременным отверждением полимерного связующего и невулканизированной резины герметизирующего слоя, механической подрезкой торцов и отделением от оправки, отличающийся тем, что перед формированием герметизирующего слоя на оправке формируют дополнительный слой послойной кольцевой намоткой лентой тканого материала, предварительно пропитанного полимерным связующим, с заданным шагом и усилием натяжения, а герметизирующий слой формируют полотном невулканизированной резины толщиной 0,5 мм исходной ширины, которое укладывают по винтовой линии с шагом на исходную ширину в одном направлении, смещая по окружности каждый последующий слой относительно предыдущего на часть исходной ширины, кратной количеству наматываемых слоев, кроме того, силовой каркас формируют намоткой в заданной последовательности чередования определенного для заданной толщины трубы количества двойных спиральных слоев однонаправленного ровинга, пропитанного полимерным связующим в процессе намотки, с обеспечением угла намотки от 20° до 22°, кольцевых слоев однонаправленного ровинга, пропитанного полимерным связующим в процессе намотки, и кольцевых слоев лентой из предварительно пропитанного полимерным связующим тканого материала, укладываемых на оправку с заданным шагом и усилием натяжения в пределах длины трубы с учетом технологических припусков на механическую обработку торцов до обеспечения заданной толщины трубы без механической обработки ее наружной поверхности, при этом, после намотки кольцевого слоя однонаправленного ровинга, пропитанного полимерным связующим, проводят уплотнение намотанного пакета известным в технике способом.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для пропитки тканого материала дополнительного слоя возможно использование полимерного связующего, отличного по химической природе от полимерного связующего, используемого при пропитке однонаправленного ровинга и тканого материала силового каркаса.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для снижения вероятности возникновения дефектов на поверхности герметизирующего слоя контактирующий с ним слой силового каркаса выполняют намоткой двойного спирального слоя однонаправленного ровинга, пропитанного полимерным связующим в процессе намотки.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для обеспечения требований по внешнему виду трубы без механической обработки ее наружной поверхности завершающий слой силового каркаса выполняют намоткой двойного спирального слоя однонаправленного ровинга, пропитанного полимерным связующим в процессе намотки.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что по поверхности силового каркаса трубы возможна намотка шпангоутов в виде опорных колец послойной кольцевой намоткой лентой из предварительно пропитанного полимерным связующим тканого материала и/или однонаправленного ровинга, пропитанного полимерным связующим в процессе намотки.