RU2365804C1 - Method for increase of pipes leak-tightness - Google Patents

Abstract

FIELD: technological processes.

SUBSTANCE: invention is related to the field of pipes manufacturing. In method for increase of leak-tight properties of pipes (vessels), made of composite materials, including winding of continuous thread, number of helical passes with positive winding angles is not equal to number of helical passes with negative winding angles.

EFFECT: higher leak-tightness of pipes due to reduction of breaking stresses in the first layer.

Description

Изобретение относится к области производства изделий из композиционных материалов, в частности к производству стеклопластиковых труб методом намотки непрерывными нитями.The invention relates to the production of products from composite materials, in particular to the production of fiberglass pipes by continuous winding.

В используемых традиционно способах намотки стеклопластиковых нитей герметичность обеспечивается за счет первого слоя, контактирующего с транспортируемой средой. При этом для восприятия внутреннего давления намотка ведется окружными слоями под углами, близкими +54 и -54°, симметрично, создавая при этом ортотропную конструкцию, исключающую возникновение крутящих напряжений в стенке трубы. При этом количество жгутов стеклоровинга таково, что обеспечивается сплошность каждого окружного слоя. При необходимости восприятия осевых нагрузок возможна укладка осевых слоев под углами, близкими к 0.In traditionally used methods for winding fiberglass yarns, tightness is ensured by the first layer in contact with the transported medium. In order to perceive the internal pressure, the winding is carried out by circumferential layers at angles close to +54 and -54 °, symmetrically, while creating an orthotropic structure that eliminates the occurrence of torsional stresses in the pipe wall. Moreover, the number of glass roving harnesses is such that the continuity of each circumferential layer is ensured. If necessary, the perception of axial loads is possible laying axial layers at angles close to 0.

Недостатком этих способов является тот факт, что при нарушении целостности первого слоя, контактирующего с транспортируемой средой, происходит образование трещин и разгерметизация трубы (сосуда) в целом. Разгерметизация характеризуется выпотеванием жидкости, каплеобразованием или локальным нарушением герметичности, при этом труба или сосуд становятся непригодными к использованию.The disadvantage of these methods is the fact that in case of violation of the integrity of the first layer in contact with the transported medium, the formation of cracks and depressurization of the pipe (vessel) as a whole. Depressurization is characterized by fluid sweating, droplet formation or local leakage, while the pipe or vessel becomes unusable.

Так, известен способ изготовления трубы (патент RU №2323827, 13.03.2006), включающий непрерывную намотку материала с нитераскладчика на оправку и перемещение трубы по ней через камеру полимеризации.So, there is a known method of manufacturing a pipe (patent RU No. 2323827, 03/13/2006), including the continuous winding of material from the yarn spreader onto the mandrel and moving the pipe through it through the polymerization chamber.

В целях повышения износостойкости и надежности труб некоторые способы включают армирование.In order to increase the wear resistance and reliability of pipes, some methods include reinforcing.

Известна многослойная труба и способ ее изготовления (патент RU №2293897, 10.10.2005). Труба содержит футеровочный слой, герметизирующий слой, продольный слой арматуры и поперечный слой арматуры, расположенные последовательно по толщине стенки трубы. Слои арматуры выполнены из непрерывных волокон, погруженных в блок полимерного связующего. Футеровочный слой, герметизирующий слой и продольный слой арматуры выполнены в виде отдельной трубы-заготовки, при этом на ее внешней поверхности имеется шероховатость со средней высотой неровностей не менее 2,5 микрон. При этом герметизирующий слой и футеровочный слой выполнены в виде отдельных полос, расположенных вдоль оси трубы, а продольные края полос каждого слоя соединены между собой внахлест. Поперечный слой трубы располагается на внешней поверхности трубы-заготовки, при этом между шероховатой внешней поверхностью трубы-заготовки и поперечным слоем арматуры расположен слой адгезива, угол наклона волокон в поперечном слое арматуры составляет от ±89,9° до ±45°. Соотношение толщин продольного слоя арматуры и поперечного слоя арматуры составляет от 1:5 до 5:1. В указанном способе изготовления многослойной трубы футеровочный, герметизирующий и продольный слои арматуры формируют методом пултрузии, при этом волокна продольной арматуры, полосы герметизирующего и футеровочного слоев подаются с отдельных накопителей, проходят через пропиточную ванну с раствором связующего, а затем они совместно протягиваются через разогретую фильеру пултрудера с помощью тянущего устройства, в результате чего получается отвержденная герметичная труба непрерывной длины с преимущественно продольным армированием, которая затем нарезается на отрезки заданной длины, после чего на пултрузионной трубе-заготовке организуется шероховатость, затем труба-заготовка устанавливается в намоточное устройство, состоящее из накопителя волокон продольной арматуры и привода, и производится намотка поперечных слоев арматуры, пропитанных полимерным связующим с помощью пропиточной ванночки, а оправкой служит упомянутая пултрузионная труба-заготовка.Known multilayer pipe and method of its manufacture (patent RU No. 2293897, 10.10.2005). The pipe contains a lining layer, a sealing layer, a longitudinal reinforcement layer and a transverse reinforcement layer arranged in series along the pipe wall thickness. The reinforcement layers are made of continuous fibers immersed in a polymer binder block. The lining layer, the sealing layer and the longitudinal layer of the reinforcement are made in the form of a separate billet pipe, while on its outer surface there is a roughness with an average roughness height of at least 2.5 microns. In this case, the sealing layer and the lining layer are made in the form of separate strips located along the axis of the pipe, and the longitudinal edges of the strips of each layer are overlapped. The transverse layer of the pipe is located on the outer surface of the billet pipe, while between the rough outer surface of the billet pipe and the transverse layer of the reinforcement there is an adhesive layer, the angle of inclination of the fibers in the transverse layer of the reinforcement is from ± 89.9 ° to ± 45 °. The ratio of the thicknesses of the longitudinal layer of reinforcement and the transverse layer of reinforcement is from 1: 5 to 5: 1. In this method of manufacturing a multilayer pipe, the lining, sealing and longitudinal layers of the reinforcement are formed by the pultrusion method, while the fibers of the longitudinal reinforcement, the strips of the sealing and lining layers are fed from separate drives, pass through the impregnation bath with a binder solution, and then they are pulled together through the heated puller of the puller by means of a pulling device, resulting in a cured hermetic pipe of continuous length with predominantly longitudinal reinforcement m, which is then cut into segments of a given length, after which a roughness is organized on the pultruded billet pipe, then the billet pipe is installed in a winding device consisting of a fiber drive of longitudinal reinforcement and a drive, and the transverse layers of the reinforcement impregnated with a polymer binder are wound with an impregnating bath, and the said pultruded billet pipe serves as a mandrel.

Известен способ изготовления высокопрочного композитного баллона (патент RU №2100200, 1994.12.13), характеризующийся тем, что на цилиндрическую оправку наматывают внутреннюю часть слоев баллона, проводят их полимеризацию и отверждение, устанавливают в выдувную машину, образованную цилиндрическую оболочку, затем внутреннюю полимерную оболочку выдувают в цилиндрическую оболочку, являющуюся формой, а потом производят намотку внешней части композитных слоев на отвержденные внутренние композитные слои с размещенной внутри них внутренней полимерной оболочкой. Композитные слои наматывают с повышенным натяжением.A known method of manufacturing a high-strength composite cylinder (patent RU No. 2100200, 1994.12.13), characterized in that the inner part of the cylinder layers are wound on a cylindrical mandrel, they are polymerized and cured, installed in a blow molding machine formed by a cylindrical shell, then the inner polymer shell is blown into a cylindrical shell, which is a shape, and then the outer part of the composite layers is wound onto the cured inner composite layers with the inner polymer placed inside them no shell. Composite layers are wound with increased tension.

Наиболее близким по совокупности признаков к предлагаемому является способ изготовления комбинированной трубы (RU №2150629, 19.10.1998), включающий установку на оправке полиолефиновой (полиэтиленовой) трубчатой заготовки, нанесение на нее слоя сэвилена, намотку стеклопластикового материала, последующую термообработку с полимеризацией и охлаждением, и снятие готовой трубы, при этом трубчатую заготовку берут с внутренним диаметром, меньшим диаметра оправки с натягом, устанавливают на ней или сначала калибруют на размер, больший диаметра оправки, и с зазором устанавливают на ней, после чего выдергивают до беззазорного сопряжения с оправкой.The closest set of features to the proposed one is a method of manufacturing a combined pipe (RU No. 2150629, 10/19/1998), which includes installing on the mandrel a polyolefin (polyethylene) tubular billet, applying a layer of sevilen on it, winding fiberglass material, subsequent heat treatment with polymerization and cooling, and removing the finished pipe, while the tubular billet is taken with an inner diameter smaller than the diameter of the mandrel with interference, set on it or first calibrated to a size larger than the diameter of the mandrel , and with a gap set on it, after which they pull it out to the gapless interface with the mandrel.

К недостаткам известного способа следует отнести низкую адгезию слоя сэвилена к стеклопластику. Коэффициент линейного термического расширения полиолефинов на два порядка выше, чем у стеклопластиков. Поэтому при положительных температурах внутренний полиолефиновый слой, расширяясь, оказывает давление на внешний слой из стеклопластика. При отрицательных температурах внутренний слой уменьшается в диаметре, что приводит к отрыву внешнего слоя и, как следствие, расслоению конструкции трубы. Указанные обстоятельства приводят к снижению сроков эксплуатации и надежности труб.The disadvantages of this method include the low adhesion of the layer of sevilen to fiberglass. The coefficient of linear thermal expansion of polyolefins is two orders of magnitude higher than that of fiberglass. Therefore, at positive temperatures, the inner polyolefin layer, expanding, exerts pressure on the outer layer of fiberglass. At negative temperatures, the inner layer decreases in diameter, which leads to the separation of the outer layer and, as a consequence, the delamination of the pipe structure. These circumstances lead to a decrease in the service life and reliability of the pipes.

Целью изобретения является повышение герметичных свойств труб (сосудов) и надежности изделий за счет уменьшения разрушающих напряжений в первом слое.The aim of the invention is to increase the hermetic properties of pipes (vessels) and the reliability of products by reducing destructive stresses in the first layer.

Указанная цель достигается за счет несимметричной намотки окружных слоев, то есть неравенства количества спиральных проходов с положительными и отрицательными углами намотки. Таким образом, в конструкции стенки трубы при нагружении внутренним давлением создаются крутящие напряжения, препятствующие появлению трещин в первом слое и преждевременной разгерметизации трубы. Разгерметизация трубы происходит из-за разрушения целостности конструкции на границе между фазами: армирующий материал - связующее, за счет действия напряжений нормальных к армирующей нити и касательных напряжений. Напряжения возникают как следствие воздействия внутреннего давления, осевых и иных возможных механических нагрузок. Разгерметизация начинается при нарушении целостности первого слоя, контактирующего с транспортируемой средой. Вследствие неравенства количества слоев, намотанных с положительными и отрицательными углами, в стенке трубы возникают крутящие напряжения. При этом соотношения слоев подбираются таким образом, чтобы крутящие напряжения уменьшали нормальные и касательные напряжения в первом слое трубы, который контактирует с транспортируемой средой. Таким образом, улучшаются герметичные свойства трубы (сосуда). Предлагаемый способ также уменьшает трудоемкость процесса изготовления трубы и уменьшает затраты на производство, так как уменьшается количество спиралеобразных проходов и снижается вес трубы.This goal is achieved due to the asymmetric winding of the circumferential layers, that is, the inequality in the number of spiral passages with positive and negative winding angles. Thus, in the construction of the pipe wall under loading by internal pressure, torsional stresses are created that prevent cracking in the first layer and premature depressurization of the pipe. The depressurization of the pipe occurs due to the destruction of the integrity of the structure at the boundary between the phases: the reinforcing material is a binder, due to the action of stresses normal to the reinforcing thread and tangential stresses. Stresses arise as a result of the influence of internal pressure, axial and other possible mechanical loads. Depressurization begins when the integrity of the first layer in contact with the transported medium is violated. Due to the inequality in the number of layers wound with positive and negative angles, torsional stresses arise in the pipe wall. In this case, the ratios of the layers are selected so that the torsional stresses reduce the normal and tangential stresses in the first layer of the pipe, which is in contact with the transported medium. Thus, the hermetic properties of the pipe (vessel) are improved. The proposed method also reduces the complexity of the manufacturing process of the pipe and reduces the cost of production, as it decreases the number of spiral passages and reduces the weight of the pipe.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Изготовление насосно-компрессорной трубы для работы в скважинах производится методом намотки со следующими параметрами:The production of a tubing for work in wells is carried out by winding with the following parameters:

- внутренний диаметр 2 1/2 дюйма,- inner diameter 2 1/2 inches,

- каждый слой состоит из 90 жгутов стеклоровинга 735 tex., одновременно наматываемых на намоточную оправку,- each layer consists of 90 glass rods of 735 tex., simultaneously wound on a winding mandrel,

- смола - эпоксидная,- resin - epoxy,

- отвердитель - ароматические амины.- hardener - aromatic amines.

Условная схема намотки:Conditional winding scheme:

13 поперечных (спиралеобразных) слоев под углом 54,75°,13 transverse (spiral) layers at an angle of 54.75 °,

5 продольных (осевых) слоев под углом 6°.5 longitudinal (axial) layers at an angle of 6 °.

Эксплуатационные параметры для трубы: рабочее давление - 10 МПа, давление испытательное - 15 МПа, давление разгерметизации - 32-35 МПа.Operational parameters for the pipe: operating pressure - 10 MPa, test pressure - 15 MPa, depressurization pressure - 32-35 MPa.

Claims (1)

Способ повышения герметичных свойств труб (сосудов), выполненных из композиционных материалов, включающий намотку непрерывной нити, отличающийся тем, что количество спиральных проходов с положительными углами намотки не равно количеству спиральных проходов с отрицательными углами намотки. A method of increasing the hermetic properties of pipes (vessels) made of composite materials, including continuous winding, characterized in that the number of spiral passages with positive winding angles is not equal to the number of spiral passages with negative winding angles.