Охлаждение полимерных труб в процессе их производства методом экструзии

Журнал Полимерные трубы - Производство и качество

Охлаждение полимерных труб в процессе их производства методом экструзии

 

На предприятии группы «Полипластик» запущен процесс внутреннего охлаждения труб диаметром 315–800 мм с интенсивностью, сопоставимой с интенсивностью внешнего охлаждения.

Переработка термопласта в изделие, в том числе и экструзией, состоит исключительно из процессов его нагрева (плавления) и охлаждения. Формование же изделия (скажем, впрыск расплава в литьевую форму или его продавливание через формующий инструмент) – процесс весьма скоротечный и если и сопряжен с какими-то проблемами, то не с точки зрения затрат времени на его осуществление.

Нагрев полимера в работающем экструдере происходит в основном за счет диссипации энергии главного привода, а перенос тепловой энергии – конвекцией. Современное экструзионное оборудование позволяет без особых проблем качественно подготовить для формования до двух тонн расплава в час.

Охлаждение же изделия происходит только по механизму теплопроводности, а это на порядки более медленный процесс, поэтому именно время, необходимое для охлаждения изделия, определяет производительность любого агрегата, выпускающего то или иное изделие из термопласта.

Температурное поле в стенке полимерной трубы описывается нелинейным дифференциальным уравнением теплопроводности в частных производных:

 

Т(y,τ)                2Т(y,τ)                Т(y,τ)              

---------  =  А(Т) ---------    + Д(Т) (-----------  )2                   (1)

 τ                         y2                       y

 

где: Т(y,τ) – температура в стенке трубы, функция координаты и времени, °С;      

y – координата поперек стенки трубы, м;

τ – время от начала охлаждения, с;

А(Т) – коэффициент температуропроводности, функция температуры, м2/с;

Д(Т) – первая производная коэффициента температуропроводности, м2/с.

Уравнение (1) для переменных теплофизических характеристик материала не имеет точного аналитического решения, но его уже давно с легкостью интегрируют численными методами. В результате интегрирования получаем время охлаждения, что при заданной производительности экструзии и весе погонного метра трубы дает так называемую длину охлаждения (длину охлаждающих ванн). На рис. 1 показан процесс охлаждения трубы диаметром 630 мм, SDR 11 при производительности 1000 кг/ч. В данном случае отслеживается изменение температуры снаружи трубы (y = 0), внутри трубы (y = S) и в трех промежуточных по толщине стенки трубы точках.

Из рисунка видно, что наружная поверхность практически сразу принимает температуру орошающей её воды (20 °С), тогда как внутренняя затвердевает только через 4 ч (длина охлаждения 36 м). После 42 метров (7 ванн длиной по 6 м) принудительное охлаждение трубы прекращено. В этот момент температура в стенке трубы практически линейно распределена от 90 °С на внутренней поверхности до

20 °С – на  внешней. При подходе к отрезному устройству, то есть приблизительно через полтора часа, температура в стенке трубы усредняется на уровне 60-65 °С.

Подобную картину можно получить для охлаждения трубы любых габаритов и для любой производительности процесса. Однако на практике для определения необходимой длины охлаждения (Lохл, м) достаточно воспользоваться следующим соотношением:

                                Lохл = Kохл · Qэ / (SDR),                                    (2)

 

где: Qэ – производительность экструзии, кг/ч;

Kохл – численный коэффициент, зависящий от условий охлаждения (табл. 1); 

SDR – отношение номинального наружного диаметра к номинальной толщине стенки трубы (стандартное размерное отношение).

Таблица 1. Значения коэффициента Кохл  для различных условий охлаждения трубы

 

Интересно, что в уравнение (2) не входит диаметр трубы, а только SDR. Это означает, что и труба диаметром 110 мм, и труба диаметром 1200 мм одного SDR при одинаковой производительности потребуют одинаковой длины охлаждения. Определим ее, например, для производительности 1000 кг/час, труба SDR 11, температура охлаждающей воды 20 °С и усредненная температура трубы на выходе из процесса 50 °С (Kохл = 0,5)

                                 Lохл = 0,5 1000/11 = 45 м.

В случае, рассмотренном на рис. 1, мы имеем меньшую длину охлаждения, и труба выходит несколько более горячей. 

 

Рис. 1. Распределение температуры в стенке трубы по мере ее охлаждения

Изменение теплосодержания полиэтилена высокой плотности при его охлаждении от 220 °С до 30–40 °С составляет 600–650 кДж/кг. Именно это количество тепла отводится от трубы охлаждающей водой, а затем от воды в холодильном агрегате. Таким образом, на каждые 1000 кг/ч производительности экструзии трубы необходима следующая «мощность теплосъема»: 

                                 Nтс = 600 ·1000/3600 = 166 кВт. 

Возможности интенсификации традиционного процесса охлаждения трубы исчерпываются применением оросительных ванн с интенсивным и равномерным поливом трубы водой.   При этом мы показали, что для охлаждения трубы SDR 11 при производительности 1000 кг/ч необходимая длина ванн составляет не менее 50 м.  Если к ним прибавить длину зоны расположения тянущего и отрезного устройств, то только после изготовления не менее 60 м трубы аппаратчик сможет реально проконтролировать ее геометрические параметры. А 60 м бракованной трубы диаметром 630 мм SDR 11 – это затрата не менее 6,5 т сырья и 2340 кВт·ч электроэнергии. Конечно, современные методы контроля технологического процесса (гравиметрия, ультразвуковые измерители толщины стенки) и накопленный опыт не допускают таких ошеломляющих потерь при каждом запуске процесса, но риск вполне реален.

Существенно изменить показатели процесса охлаждения возможно только при использовании технологии охлаждения трубы изнутри. Разработкой таких технологий занимаются все ведущие фирмы-производители трубного оборудования, но пока еще ни одна из них не представила на рынок весь комплекс оборудования.

Специалисты группы «Полипластик» занимаются разработкой такой технологии и соответствующего оборудования с 2004 года. Традиционная схема формования заготовки трубы была существенно изменена, и с начала 2007 года был запущен в промышленную эксплуатацию процесс внутреннего охлаждения труб диаметром 315-800 мм с интенсивностью, сопоставимой с интенсивностью внешнего охлаждения. Предложенная схема существенно расширяет технологические возможности управления процессом охлаждения трубы, и со временем ожидается достижение более широкого спектра результатов, чем рассмотренный ниже.

На рис. 2 представлена картина охлаждения той же трубы (диаметр 630 мм SDR 11), но при производительности 1600 кг/ч и задействованном внутреннем охлаждении.

 

1600 кг/час

 
Рис. 2. Распределение температуры в стенке трубы при ее двухстороннем охлаждении (производительность экструзии 1600 кг/ч). 

После 42 м внешнее охлаждение трубы также прекращается. В этот момент температура в стенке трубы составляет 20-50 °С.  При подходе к отрезному устройству температура в стенке трубы усредняется на уровне 30-35 °С.

Мы пока не имеем в своем распоряжении экструдера с производительностью 1600 кг/ч, поэтому на рис. 2 отражена ситуация будущего. Реально же, при производительности 1000 кг/ч, введение внутреннего охлаждения позволило нам из имеющихся в линии семи охлаждающих ванн отключить три последние, т.е. длина внешнего охлаждения составила 24 м (рис. 3).

 

alt 

1600 кг/час

 
Рис. 3. Распределение температуры в стенке трубы по мере ее двухстороннего охлаждения (производительность экструзии 1000 кг/ч)

Какие еще результаты мы получили, кроме того, что на 40 % уменьшили длину охлаждения, а на выходе получили более холодную трубу (30 °С вместо 60 °С)?

1. Предварительный расчет теплового баланса показывает, что «мощность теплосъема» от внутренней поверхности составляет 65–70 кВт. Так как это тепло утилизируется нами без затрат энергии, на эту же величину снижается «холодильная» нагрузка в системе общего водооборота.

2. Из сравнения данных рис. 2 и 3 с данными рис. 1 видно, что при двухстороннем охлаждении внутренняя поверхность заготовки охлаждается до температуры затвердевания втрое быстрее, чем при одностороннем. Это обстоятельство существенно уменьшает эффект стекания расплава при производстве крупногабаритных труб и позволяет достигать приемлемой разнотолщинности трубы даже без применения специальных «не стекающих» композиций полиэтилена.

3. Заметно уменьшилась «бочкообразность» концов отрезков труб, что говорит о существенном снижении уровня внутренних напряжений в стенке трубы. Это должно благоприятно сказаться на эксплуатационных характеристиках трубы и процессе ее сварки встык.

Известно, что на стадии охлаждения трубы в ее стенке образуются внутренние (так называемые «замороженные») напряжения.  Надо отметить, что напряжения являются взаимно уравновешенными (рис. 4) и проявляются только на концах отрезка трубы, придавая им бочкообразную форму. 

Рис. 4. «Замороженные» напряжения при внешнем охлаждении

 

 

При литье фитингов изделие одинаково охлаждается как изнутри, так и снаружи, и напряжения сжатия возникают и на внутренней стенке (рис. 5). Соответственно, возникает баланс положительных и отрицательных напряжений, не дающий искажения формы, если фитинг (или аналогичным образом охлажденную трубу) разрезать. 

Рис. 5.  «Замороженные» напряжения при двухстороннем охлаждении 

alt

Рассмотрим один из способов оценки уровня внутренних напряжений. Если в отрезке трубы  вдоль оси вырезать щель шириной h1, высвободившиеся напряжения вызовут изменение ее периметра, и ширина разреза сократится (рис. 6).

Обозначив а = h1h2,   абсолютную величину напряжения определяют по уравнению:

 

                                    аЕ              

               ± σ = ---------------------------,                       (3)

                           (π Dcа) (SDR)

 

где:  Е – модуль упругости материала, МПа. 

Рис. 6. К расчету «замороженных»  напряжений.

 

 

«Мгновенно» достигнув после разрезания определенной величины, ширина  h2  продолжает со временем уменьшатся (величина а – возрастает). По уравнению (3) это означает возрастание напряжения σ со временем (рис. 7), что на самом деле невозможно. В действительности, «замороженные» напряжения продолжают сокращать периметр разрезанного кольца по механизму ползучести. Определить «мгновенную» величину h2  можно только с большой погрешностью, поэтому наблюдение за ее изменением ведут какое-то время непрерывно, а для расчета σ принимают время, равное 3 минутам, при  величине  Е = 900 МПа.

С учетом этих условий, накопленные к настоящему времени измерения дают следующую оценку уровня внутренних напряжений в стенке трубы: ≈ 5 МПа – без применения внутреннего охлаждения и ≈ 2,5 МПа – с внутренним охлаждением. 

Рис. 7. Данные измерений внутренних напряжений в трубах

 

Понятно, что все трубы – и те, которые тестируются на гидравлических стендах, и те которые находятся в эксплуатации, – имеют «замороженные» напряжения по природе их изготовления.  И хотя со временем в процессе релаксации они уменьшаются (за 10 лет примерно вдвое), возможность их изначального уменьшения обеспечит более надежную работу напорного трубопровода.

В сентябре 2007 года началась опытно-промышленная эксплуатация линии по производству труб диаметрами 315-800 мм с производительностью до 1450 кг/ч, а в настоящее время осваивается процесс внутреннего охлаждения для труб диаметром до 1200 мм. Надеемся, что практические результаты на этой установке полностью подтвердят расчетные и уже имеющиеся практические показатели и позволят говорить о кардинально новом подходе к технологии производства полиэтиленовых труб.

Авторы: Владимир Бисеров, Игорь Гвоздев, Мирон Гориловский, Владимир Швабауэр

 

ЖУРНАЛ ПОЛИМЕРНЫЕ ТРУБЫ - УКРАИНА