Рис. 1. Зависимость производительности водовода от рабочего давления

С увеличением диаметра напорных труб из полимеров эффективность их применения в трубопроводных системах транспортирования жидкости и газов снижается по сравнению со стальными трубами. Для обеспечения заданного уровня давления, например 10 бар, труба из ПЭ 100 диаметром 1000 мм должна иметь толщину стенки 73,5 мм, а вес метра такой трубы составляет 214 кг. Такие трубы уже плохо конкурируют со стальными с аналогичными напорными характеристиками. Необходимо создавать системы трубопроводов, сочетающие в себе прочностные характеристики стальных труб с долговечностью и коррозионной стойкостью полимерных. Одним из решений этой задачи является применение армирования.

Армирование полимерных материалов известно давно. В частности, широко распространены резиновые шланги высокого давления, пластмассовые армированные шланги, которые состоят как минимум из трех слоев – внутренней герметизирующей оболочки, силового каркаса и наружной защитной оболочки. Полимерные оболочки изготавливаются из различных полимеров в зависимости от назначения шланга (трубы). Силовой каркас – из непрерывных высокопрочных нитей или стальной проволоки. Наибольший диаметр трубы такой конструкции не превышает ДУ 300.

Широко распространено также армирование полимеров, например, мелкорубленым стекловолокном. Изделия из такого материала применяются в автомобильной промышленности. Фирма KRAH применила стеклонаполненный ПЭ для производства труб большого диаметра методом спиральной навивки экструдируемой ленты. Преимущество такого способа производства, по мнению разработчиков, заключается в том, что при экструзии ленты рубленое волокно ориентируется в направлении экструзии, а так как намотка ленты происходит практически перпендикулярно оси трубы, возникает анизотропия прочностных свойств материала в продольном и поперечном направлении. Известно, что при нагружении трубы внутренним давлением среды радиальные напряжения в стенке вдвое больше осевых. Таким образом, положительная анизотропия прочности материала в радиальном направлении позволяет увеличить напорные характеристики трубы до уровня, когда критической становится прочность материала в осевом направлении. Как бы мы дальше не укрепляли (армировали) материал трубы в радиальном направлении, увеличить рабочее давление не удастся.

Для того, чтобы создать структуру, равнопрочную в продольном и радиальном направлениях, было принято решение армировать трубу сеткой из стекловолокна. Схема армирования была предложена НТЦ «Пластик».

В качестве базы для разработки технологии была выбрана технология производства безнапорных труб КОРСИС ПЛЮС. Данная технология настолько универсальна, что позволяет получить трубопроводы любого диаметра до 4 м с заданным уровнем кольцевой жесткости и гибкости без существенной модернизации оборудования.

Для разработки технологического процесса была создана опытная установка производства армированных труб диаметром 630 мм, которая позволяла моделировать все технологические процессы производства труб большого диаметра (рис. 2).

Для производства таких труб использовался полиэтилен класса ПЭ 100, позволяющий при минимальной толщине стенки обеспечивать поддержание высокого уровня рабочего давления. Используемая марка предназначена для производства труб питьевого водоснабжения и имеет соответствующий гигиенический сертификат. В качестве армирующей сетки использовались различные сетки из стекловолокна.

На рис. 3 показан один из вариантов профиля армированной трубы.

 Рис. 3. Вариант конструкции напорной трубы

Система оценки работоспособности армированных трубопроводов

Для оценки работоспособности использовались данные об изменении размеров трубы в зависимости от внутреннего давления. На рис. 4 приведена кривая изменения объемов трубы в зависимости от давления, которая показывает, что система армирования обеспечивает достижение разрушающего давления до 23,3 бар. Это позволяет рассчитывать на то, что  рабочее давление такой системы составит 6–8 бар.

Система оценки качества была использована для отработки основных параметров технологии. Были опробованы варианты одно- и двухслойного армирования, способ армирования типа слоевой системы (ПЭ – сетка – ПЭ – сетка – ПЭ). Испытания показали, что наилучшие результаты обеспечивает слоевая конструкция, причем укладку сетки необходимо производить таким образом, чтобы армирующие слои и полиэтиленовая труба работали как монолитная система.

В результате:

1) разработаны основные положения технологии производства армированных труб типа КОРСИС ПЛЮС большого диаметра, которые позволяют изготавливать трубы на необходимое давление;

2) данные, полученные на опытной установке на трубах диаметром 630 мм, позволяют достаточно точно моделировать конструкции труб больших диаметров – до 4 м.

3) разработка технологии армированных труб типа КОРСИС ПЛЮС обеспечивает значительные экономические преимущества, а именно снижение веса труб в несколько раз, и, соответственно, в разы уменьшается себестоимость готовой продукции.

4) технология производства армированных труб позволяет получить конструкцию трубы с заданной кольцевой жесткостью и гибкостью для труб диаметром до 4 м.