Телефоны: (8482) 637-053, 637-321
Факс: (8482) 637-813
E-mail: vpttlt@mail.ru
Новости

21.09.2014
17-18 сентября 2014 года состоялась конгресс-выставка Composite Build
Подробнее..
21.08.2014
14-15 августа 2014 года в г. Самаре прошёл Второй Межотраслевой Форум "Территория гипса".

Подробнее..
20.06.2014
Сделан редизайн сайта «Волжские промышленные технологии»
Подробнее..

Архив новостей

Композитные материалы, стеклопластиковые трубы


Композиционный материал

Композицио́нный материа́л (КМ), компози́т — искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с чёткой границей раздела между ними. В большинстве композитов (за исключением слоистых) компоненты можно разделить на матрицу (или связующее) и включённые в неё армирующие элементы (или наполнители). В композитах конструкционного назначения армирующие элементы обычно обеспечивают необходимые механические характеристики материала (прочность, жёсткость и т. д.), а матрица обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической среды.

Механическое поведение композиции определяется соотношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также прочностью связей между ними. Характеристики создаваемого изделия, как и его свойства, зависят от выбора исходных компонентов и технологии их совмещения.

В результате совмещения армирующих элементов и матрицы образуется композиция обладающая набором свойств, отражающими не только исходные характеристики его компонентов, но и включающий новые свойства, которыми изолированные компоненты не обладают. В частности, наличие границ раздела между армирующими элементами и матрицей существенно повышает трещиностойкость материала, и в композициях, в отличие от однородных металлов, повышение статической прочности приводит не к снижению, а, как правило, к повышению характеристик вязкости разрушения.

Для создания композиции используются самые разные армирующие наполнители и матрицы. Это — гетинакс и текстолит (слоистые пластики из бумаги или ткани, склеенной термореактивным клеем), стекло- и графитопласт (ткань или намотанное волокно из стекла или графита, пропитанные эпоксидными клеями), фанера… Есть материалы, в которых тонкое волокно из высокопрочных сплавов залито алюминиевой массой. Булат — один из древнейших композиционных материалов. В нём тончайшие слои (иногда нити) высокоуглеродистой стали «склеены» мягким низкоуглеродным железом.

Преимущества композиционных материалов



Главное преимущество КМ в том, что материал и конструкция создаётся одновременно. КМ создаются под выполнение конкретных задач, когда, проектируя новый композит, инженер волен задать ему характеристики, значительно превосходящие характеристики традиционных материалов при выполнении данной цели в данном механизме, но уступающие им в каких-либо других аспектах. Это значит, что КМ не может быть лучше традиционного материала во всём, то есть для каждого изделия инженер проводит все необходимые расчёты и только потом выбирает оптимум между материалами для производства.

- высокая удельная прочность (прочность 3500 МПа);
- высокая жёсткость (модуль упругости 130…140 — 240 ГПа);
- высокая износостойкость;
- высокая усталостная прочность;
- из КМ возможно изготовить размеростабильные конструкции;
- лёгкость.

Стеклопластик


Стеклопла́стики — вид композиционных материалов — пластические материалы, состоящие из стекловолокнистого наполнителя (стеклянное волокно, волокно из кварца и др.) и связующего вещества (термореактивные и термопластичные полимеры).



Стекловолокно

Стеклопластик — материал с малым удельным весом и заданными свойствами, имеющий широкий спектр применения. Стеклопластики обладают очень низкой теплопроводностью (примерно, как у дерева), прочностью как у стали, биологической стойкостью, влагостойкостью и атмосферостойкостью полимеров, не обладая недостатками, присущими термопластам.

Стеклопластики уступают стали по абсолютным значениям предела прочности, но в 3,5 раза легче её и превосходят сталь по удельной прочности. При изготовлении равнопрочных конструкций из стали и стеклопластика, стеклопластиковая конструкция будет в несколько раз легче. Коэффициент линейного расширения стеклокомпозита близок к стеклу (составляет 11-13‧10⁶ 1/°С), что делает его наиболее подходящим материалом для светопроницаемых конструкций. Плотность стеклопластика, полученного путём прессования или намотки, составляет 1,8-2,0 г/см³.

До недавнего времени стеклопластики использовались преимущественно в самолётостроении, кораблестроении и космической технике. Широкое применение стеклопластиков сдерживалось, в основном, из-за отсутствия промышленной технологии, которая позволила бы наладить массовый выпуск профилей сложной конфигурации с требуемой точностью размеров. Эта задача успешно решена с созданием пултрузионной технологии. Существует достаточно много методов, позволяющих массово производить стеклопластиковые изделия различной конфигурации, необязательно профили — например, RTM, вакуумная формовка.

Стеклопластики являются одним из самых доступных и недорогих композиционных материалов. Основные затраты при производстве изделий из стеклопластика приходятся на технологическое оборудование и рабочую силу, затраты на которую велики за счёт трудоёмкости и больших временных затрат на производство.

Очень удобно, что стеклопластик можно производить любой формы, цвета и толщины.

Стеклопластик — один из наиболее широко применяемых видов композиционных материалов. Из стеклопластиков в частности изготавливают трубы, выдерживающие большое гидравлическое давление и не подвергающиеся коррозии, корпуса ракетных двигателей твёрдого топлива (РДТТ), лодки, корпуса маломерных судов и многое другое. В США начало широкого применения конструкционных стеклопластиков было инициировано осуществлением программы «Поларис» во второй половине 1950-х годов — программы создания первой твёрдотопливной ракеты ВМФ США для подводного старта.

Трубы и трубчатые конструкции получают намоткой пропитанного связующим (смола + отвердитель + модифицирующие добавки) стекловолокна, на вращающуюся оправку с последующим отверждением и распрессовкой (снятием намотанной трубы со стальной оправки). Если диаметр трубы большой, то технически и экономически целесообразно использовать стеклопластиковую оправку.

Стойкость к действию химикатов и эксплуатационные показатели стеклопластика продемонстрированы за прошедшие 60 лет успешным использованием разнообразных изделий из композитов в сотнях различных химических сред. Практический опыт был дополнен систематической оценкой соединений, подвергнутых воздействию большого количества химических сред в лабораторных условиях.

Стеклопластиковые трубы

Стеклопластиковые трубы — трубы, выполненные из стеклопластика. Применяются как для транспортировки по ним различных сред, так и в качестве конструкционных элементов (опор, колонн, перекладин, оболочек).



История


Появление и выпуск стеклопластиковых труб стали возможными в середине 1950-х годов, когда был освоен промышленный выпуск реактопластичных связующих (прежде всего — эпоксидных смол) и стеклянных волокон. Уже тогда стали очевидными преимущества этих труб: малая масса и высокая коррозионная стойкость. Однако, в указанный период завоевать какую либо долю рынка трубной продукции они ещё не могли по причине низкой цены на «традиционные» трубные материалы: сталь (в том числе нержавеющую) медь и алюминий. В середине 1960-х годов ситуация начала меняться. Во-первых, резко подорожали легированная сталь и алюминий. Во-вторых, начало добычи нефти на морских шельфах и в труднодоступных районах суши потребовало применения лёгких и коррозионно стойких труб. В третьих, технологии производства стеклопластиковых труб были усовершенствованы, а характеристики продукции улучшены. В эти годы фирма Ameron (США) освоила крупносерийный выпуск стеклопластиковых труб высокого давления (до 30 МПа) для нефтепромыслов. Трубы имели коммерческий успех, и в США появилось множество производителей стеклопластиковой продукции. В 1970-х годах на нефтепромыслах Северной Америки и Ближнего Востока стеклопластиковые трубы производства США получили широкое распространение.

В 1980-х годах интерес к стеклопластиковым трубам появился во всех промышленно развитых странах. Их производство и применение освоили в Европе, Японии, Тайване. Начались эксперименты по применению стеклопластиковых труб и в СССР.

Технологии производства


По состоянию на 2013 год известны четыре принципиально отличающихся технологии производства стеклопластиковых труб:

- намотка пропитанной связующим стеклянной арматуры на наружную поверхность технологической оправки (мандрели);
- центробежное формование из препрега на внутренней поверхности технологической оправки (формы);
- пултрузия в зазоре между наружной и внутренней оправками;
- экструзия связующего, наполненного в объёме рубленным стеклянным волокном.

Намотка


Технология намотки (навивки) наиболее проста по реализации и обеспечивает высокую производительность. Намотка может быть как периодической так и непрерывной. Технология намотки обеспечивает высокое качество внутренней поверхности трубы за счёт её формование на наружной поверхности оправки.
производства труб большого диаметра.

Применение и эксплуатационные особенности

Актуальность и экономическая целесообразность применения стеклопластиковых труб определяется рядом их эксплуатационных особенностей по сравнению с трубами других типов.

- стеклопластики характеризуются плотностью 1750-2100 кг/м3, при этом их прочность на растяжение лежит в пределах 150-350 МПа. Таким образом по удельной прочности стеклопластик сопоставим с качественной сталью и значительно превосходит по этому показателю термопластичные полимеры (ПНД, ПВХ).

- питьевая вода не загрязняется ржавчиной;

- стеклопластик обладает высокой коррозионной стойкостью, так как стекло и отверждённые термореактивные смолы (полиэфирная, эпоксидная), входящие в его состав, обладают низкой реакционной способностью. По этому показателю стеклопластик существенно превосходит черные и цветные металлы и сопоставим с нержавеющей сталью.

- внутренний слой с антибактериальным покрытием препятствует распространению и размножению бактерий в трубах;

- стеклопластик является трудногорючим, трудновоспламеняемым самозатухающим материалом с высоким значением кислородного индекса, так как негорючее стекло составляет в массе стеклопластика значительную долю. По этому показателю стеклопластик превосходит гомогенные и наполненные термопластичные полимеры.

- стеклопластик является анизотромным материалом и его свойствами в заданных направлениях легко управлять, варьируя схему укладки волокон. Таким образом стеклопластиковые трубы могут быть выполнены с равным запасом прочности в осевом и кольцевом направлениях. В изотропных материалах при наргружении труб внутренним давлениям запас прочности в кольцевом направлении всегда в 2 раза меньше чем в осевом.

- предел текучести стеклопластика близок к пределу прочности, по этой причине стеклопластиковые трубы значительно менее эластичны, чем стальные или термопластичные.

- стеклопластик не сваривается. Соединения труб производятся с помощью фланцев, муфт, ниппель-раструбных соединений, клея.

Исходя из указанных особенностей сформировался ряд областей применения стеклопластиковых труб: в коммунальном хозяйстве, нефтедобыче, угольной промышленности.

Коммунальное хозяйство

В магистральных системах водоснабжения. Для систем хозяйственно-бытовой канализации, водоотведения, ливневой канализации, дренажных систем и т.д.

Нефтедобыча

В нефтедобывающей промышленности стеклопластиковые трубы находят применение по причине высокой коррозионной стойкости в агрессивных средах (пластовые воды, сырая нефть, буровые и технологические растворы) по сравнению со сталью и высокой удельной прочности по сравнению с термопластичными полимерами.

Из стеклопластика изготавливают насосно-компрессорные и линейные (систем ППД) трубы диаметром до 130 мм на рабочие давления до 30 МПа, трубы для нефтесборных трубопроводов диаметром до 300 мм на рабочие давления до 5 МПа, трубы магистральные диаметром до 1200 мм на рабочие давления до 2,5 МПа.

Угольная промышленность


В угольной промышленности существуют ограничения на применяемые в закрытых горных выработках материалы. Так правила безопасности в угольных шахтах устанавливают, что изделия из неметаллических материалов, находящиеся в закрытых горных выработках должны иметь кислородный индекс не менее 28%, быть трудногорючими, трудновоспламеняемыми (согласно ГОСТ 12.1.044), а продукты их горения не должны быть высокотоксичными. По указанным причинам применение полиэтиленовых и полипропиленовых труб в угольных шахтах невозможно. В то же время, стеклопластиковые трубы этим требованиям отвечают. Применение в шахтах стеклопластиковых труб целесообразно по ряду причин:

- малая масса, что весьма актуально, поскольку шахтные трубопроводы имеют большие диаметры и монтируются, как правило, вручную;
- коррозионная стойкость в рудничной атмосфере;
- гладкая внутренняя поверхность, снижающая образование отложений;