ТЕХНОЛОГИЯ СОЭКСТРУЗИОННОГО ПРОИЗВОДСТВА ГЕРМЕТИЗИРУЮЩЕЙ ОБОЛОЧКИ БИПЛАСТМАССОВЫХ ТРУБ

Аношкин А.Н.1, Комаровских Д .Н 2, Ларионов А. Ф 3, Поспелов А .Б 2 1Пермский государственный технический университет,2ЗАО «НПП Композит-нефть» г. Пермь,

3 Уральский НИИ композиционных материалов г. Пермь

В литературе недостаточно описаны процессы соэкструзии. Однако сам процесс соэкструзии в последнее время становится легкодоступным, благодаря разработке компактных передвижных экструдеров, которые сравнительно просто устанавливаются и соединяются со стационарными экструдерами при необходимости получать изделия разнообразного ассортимента, например двух или трехцветные профили, шланги и т.п.

Существующая технология изготовления бипластмассовых труб включает в себя отдельное изготовление герметизирующей оболочки из полиэтилена низкого давления, нанесение адгезионного слоя и намотка стеклопластиковой оболочки. Целью данной работы является анализ возможности совместного изготовления полиэтиленовой оболочки с адгезионным слоем методом соэкструзии. Внедрение в производство данного способа позволило бы увеличить адгезионную прочность связи полиэтиленовой и стеклопластиковой оболочек бипластмассовой трубы и уменьшить влияние точности поддержания технологических параметров изготовления труб на их качество.

В процессе опытно-экспериментальных работ проведено совместное экструдирование полиэтиленовой оболочки и адгезионной композиции различных марок с применением специально разработанной ООО «Кузполимермаш» соэкструзионной головки. Головка позволяет экструдировать полиэтиленовую оболочку наружным диаметром 140 мм с одновременным формированием на наружной поверхности слоя адгезионной композиции толщиной 0,3-0,5 мм. Соэкструдант вводиться в среднюю зону матрицы соэкструзионной головки при температуре, равной температуре основного материала расплава (полиэтилен низкого давления), подаваемого в зону соэкструзии от основного пресса ЧП90х30. Для получения расплава сэвилена в процессе соэкструзии применялся пресс ЧП32х25. Разность температур расплавов сэвиленовой композиции и полиэтиленом низкого давления составляла не более 2°С. Принципиальная схема соэкструзионной головки представлена на Рис.1:

Рисунок 1 Принципиальная схема соэкструзионной головки

При отработке технологии соэструзии были получены опытные образцы оболочки, далее проведено изготовление образцов бипластмассовой трубы, на которых, в дальнейшем, проводились испытания прочности адгезионной связи полиэтилен-стеклопластик. Полученные результаты показали перспективность применения данного метода. Однако анализ процесса соэкструзии показал нестабильность получения толщины адгезионного слоя на поверхности полиэтиленовой оболочки и необходимость проведения доработки конструкции соэкструзионной головки.

АНАЛИЗ РАБОТОСПОСОБНОСТИ БИПЛАСТМАССОВЫХ ТРУБ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Аношкин А.Н.1, Ларионов А .Ф 2, Поспелов А.Б.3, Якушев Р.М 4 1Пермский государственный технический университет,2Уральский НИИ композиционных материалов

г. П ермь,2ЗАО «НПП Композит-нефть» г. Пермь,, 4Институт технической химии УрО РАН г. Пермь

Практика использования бипластмассовых труб в зимний период в условиях Западной Сибири и Крайнего Севера выявила случаи хрупкого разрушения их полиэтиленового слоя при монтаже и испытаниях трубопроводов. Предварительный осмотр показал, что трещины имеют гладкую поверхность нехарактерную для поверхностей разрушения полиэтилена, где всегда наблюдаются участки вязкоупругой и пластической деформации. Кроме того, ориентация трещин свидетельствует о, вероятном появлении их вследствие высоких продольных напряжений до проведения испытаний трубопровода. В данной работе проведен анализ возможных причин хрупкого разрушения: напряжения, вызванные температурным перепадом, высокий уровень технологических напряжений, особенности физико-механических свойств и возможные структурные изменения полиэтилена при низких температурах.

С целью определения характера деформирования полиэтилена при циклическом охлаждении и нагреве были проведены термомеханические исследования образцов, вырезанных из полиэтиленовой трубы после различных этапов технологического процесса изготовления бипластмассовых труб. Термомеханический анализ показал существенную анизотропию коэффициентов линейного термического расширения (КЛТР) и анизотропную усадку полиэтилена. На основе полученных данных проведен расчет напряженно-деформированного состояния полиэтиленового слоя бипластмассовых труб при температурном перепаде (+20 °С + -60 °С) с учетом технологических напряжений, который показал наличие потенциально-опасного уровня напряжений в полиэтиленовом слое. Во втором расчетном случае исследовалось напряженно-деформированное состояние в полиэтиленовом слое трубы в окрестности кольцевой зоны нарушения адгезии со стеклопластиком, что служит дополнительным концентратором напряжений.

Проведены исследования особенностей морфологии структуры и механических характеристики полиэтилена, объясняющих факты хрупкого разрушения. Образцы для испытаний вырезались из полиэтиленового слоя различных труб в том числе, из промысловых трубопроводов, где были обнаружены хрупкие трещины. В процессе исследований проведены испытания на растяжение образцов в виде лопаток при различных температурах от +20 °С до -120 °С. Анализ полученных результатов показал, что рассматриваемый полиэтилен обладает большой деформационной способностью при одноосном растяжении в области низких температур. Микроскопические исследования поверхности сколов и трещин ПЭ слоя позволяет сказать, что для некоторых образцов характерен смешанный тип разрушения. Наряду с хрупким разрушением, произошедшим по большей части поверхности исследуемого образца, в области, граничащей со стеклопластиковой оболочкой, наблюдается вязкое разрушение. Это свидетельствует о неоднородности поля напряжений, либо о неоднородности надмолекулярной структуры по толщине ПЭ слоя. Причиной возникновения указанных неоднородностей может служить градиент температур при охлаждении ПЭ трубы на калибраторе и из-за неравномерного охлаждения при отверждении стеклопластика.

Наиболее важным фактором, снижающим деформационную способность полиэтиленового слоя и вызывающим его хрупкое разрушение в бипластмассовых трубах при их охлаждении, является наличие в данном слое сложного напряженного состояния. Предложена схема испытаний плоских образцов, вырезанных из полиэтиленовых труб, на двухосное растяжение с дополнительным ударным воздействием. Используя предложенную схему испытаний, было получено хрупкое разрушение плоских образцов из полиэтиленовых труб, аналогичное наблюдаемому в полиэтиленовом слое бипластмассовых труб в натурных условиях.

В лабораторных условиях проведено моделирование процесса хрупкого разрушения полиэтиленовой оболочки бипластмассовых труб. Испытания проводились в морозильной камере при температуре до -50°С на образцах из бипластмассовых труб, изготовленных с различными технологическими параметрами и рядом конструктивных особенностей. Для создания осевых усилий, возникающих в реальном трубопроводе при температурном перепаде, по торцам образцов проводилось дополнительное скрепление полиэтиленовой и стеклопластиковой оболочек. Предварительный анализ результатов показал, что преимущественно хрупкое разрушение полиэтиленовой оболочки наблюдается на трубах, подвергнутых более высокой температуре в процессе их изготовления.

ПОВЫШЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО СОВЕРШЕНСТВА ОБОЛОЧЕК ИЗ ВОЛОКНИСТЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ЗА СЧЕТ ВКЛЮЧЕНИЕ В ИХ СОСТАВ ЭЛЕМЕНТОВ ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ГАУССОВОЙ КРИВИЗНЫ

Аношкин А.Н.1, Покатаев К.А.2 1 Пермский государственный технический университет, 2ФГУП «Пермский завод «Машиностроитель»

Применение композиционных материалов в изделиях ракетной техники обусловлено постоянным требованием снижения массы проектируемых конструкций при обеспечении их работоспособности в условиях интенсивного механического и теплового нагружения. К настоящему времени проблема создания сосудов высокого давления из волокнистых композиционных материалов достаточно хорошо исследована: созданы методики рационального проектирования различного класса таких конструкций, выбраны схемы оптимального армирования баллонов типа «кокон» и «чечевица». Значительно меньше изучены вопросы создания из композиционных материалов тонкостенных оболочек, работающих на устойчивость - межступенчатые отсеки, обтекатели и др. Между тем масса таких оболочек в составе изделий ракетной техники составляет до 10-15% от общей массы конструкции и потенциальные возможности их совершенствования служат дополнительным резервом для снижения общего веса конструкции на 3-4%.

Критерии выбора рациональных геометрических параметры и принципы оптимального армирования таких оболочек отличаются от используемых при создании сосудов высокого давления. Их работоспособность определяется, как правило, критериями устойчивости и сохранения формы. При этом несущая способность в большей степени, чем для сосудов давления, зависит от начальных несовершенств, обусловленных технологией изготовления.

В результате проведенных исследований установлено, что для повышения уровня технического совершенствования тонкостенных оболочек, работающих на устойчивость, оказывается эффективным включение в их состав структурных элементов отрицательной гауссовой кривизны. Такие элементы используются для выполнения поддерживающего набора ребер оболочек и других структурных элементов.

При этом более высокий уровень технического совершенства таких композитных оболочек обусловлен достижением следующих факторов:

•снижение массы оболочек за счет выбора рациональных схем армирования и параметров подкрепления;

•повышение надежности оболочек с подкрепляющим набором композитных ребер за счет выполнения их обшивки и ребер как одно целое, что исключает их расслоение и разрушение отдельных элементов;

•разработка технологии и подбор режимов формования, обеспечивающих совместное изготовление обшивки и силового набора ребер.

Вработе рассмотрено несколько вариантов введения в конструкцию композитных оболочек линейчатых элементов отрицательной гауссовой кривизны. В первом варианте в состав оболочек, изготавливаемых методом намотки при спиральном и спирально-перекрестном армировании, предлагается включать элементы кольцевой или винтовой формы в виде гиперболоида и конволютного геликоида соответственно. Во втором варианте рассматриваются оболочки винтовой формы в виде прямого конволютного геликоида. В качестве основного технологического процесса изготовления таких оболочек предлагается продольно-поперечная и прямая намотка как обычным «сухим» или «мокрым» способом, так при использовании термопластичного полотна, армированного в уточном направлении..

Кроме того, обсуждается предложенный ранее вариант изготовления элементов отрицательной гауссовой кривизны намоткой спирально-деформируемой ленты. Последующая прикатка намотанной оболочки роликом с профилем конволютного геликоида или наклонного архимедова геликоида

обеспечивает получения соответствующего профиля оболочки.

Возможности предлагаемого подхода проиллюстрированы на примере проектирования и создания следующих композитных конструкций: отсеки-обтекатели летательных аппаратов; электроизолирующие муфты систем катодной защиты подземных сооружений; компенсаторы вибраций и перемещений магистральных и технологических трубопроводов.

Представлены результаты экспериментальной оценки технической и экономической эффективности данных оболочек.

Антонов Ю.Я.1, Тихонов О .В2, Рагозин Ю.И.3 ]ОАО «Пермское агрегатное объединение Инкар», 2ОАО «Биттехнжа», г. Пермь

3Пермский государственный технический университет

Появление остаточных напряжений приводит в большинстве случаев к существенному снижению несущей способности материалов и изделий. В настоящее время используют, в основном, три метода понижения уровня или полного устранения остаточных напряжений. К сожалению, все они имеют существенные недостатки. Например, самый распространённый термический метод сопряжён с потерей качества, кроме того, для его осуществления требуются значительные затраты энергии и времени. Механический метод неприемлем для изделий сложной формы, трудоёмок в использовании. Наконец, вибрационный метод обеспечивает лишь частичное снятие остаточных напряжений, к тому же, он малоэффективен для целого ряда материалов.

Предложен принципиально новый метод снятия остаточных напряжений, лишённый указанных недостатков. При его реализации на материал воздействуют одиночными импульсами с энергией Wj=hvh где h - постоянная Планка, a vf - одна из частот атомных колебаний в дискретном спектре (последний определяется типом дислокаций, характерных для данной структуры твёрдого тела, и может быть рассчитан методом молекулярной динамики). Было показано, что при этом удаётся влиять на уровень остаточных напряжений в материале вплоть до их полного устранения. Разработано несколько вариантов технологии, отличающихся видом подводимой к образцу (детали) энергии. Наиболее отработан вариант технологии, в которой используется электрическая энергия, запасаемая батареей конденсаторов. Схема электроимпульсной установки приведена на Рис. 7. Её отличительной особенностью является применение высоковольтных конденсаторов и тиристорного запуска, сводящих к минимуму потери энергии в электрических соединениях.

R образца (детали]

Рисунок 7. Схема электроимпульсной установки.

Ниже приведены примеры, показывающие эффективность нового метода снятия остаточных напряжений; по сравнению с существующими методами затраты энергии и времени при этом оказываются в сотни раз меньшими:

•Стойкость режущего наплавного инструмента при обработке сталей увеличивается в 1,4-1,8 раз.

•Износостойкость инструментальных и подшипниковых сталей в состоянии после закалки и низкого отпуска увеличивается в 1,5-2,6 раза.

Предел выносливости сварных изделий полностью восстанавливается до исходных значений. Полностью подавляется коррозия под напряжением.

Существенно повышается несущая способность металломатричных композитов.

Новый метод снятия остаточных напряжений демонстрировался в 2002 году в 51-ом Всемирном салоне инноваций, научных разработок и новых технологий «Брюссель - Эврика 2002» и был отмечен золотой медалью с о.тличием.