RU2733797C1 - Flexible pipe from polymer composite material - Google Patents

Abstract

FIELD: pipelines.

SUBSTANCE: invention relates to devices in the form of flexible pipelines from polymer composite materials (PCM) intended for use in systems of aerospace engineering and other industries, for example, in air conditioning and ventilation systems and others. Flexible pipe from polymer composite material includes elastic shell made of material reinforced with one layer of glass fabric and reinforced by spiral of rigidity. Elastic shell is made of incombustible elastic material with angle of warp and weft threads to longitudinal axis of pipeline 45 ° ± 10°, at that, on top of the shell there is a rigidness spiral attached to the elastic adhesive, consisting of a cord with threads impregnated with a low-concentration thermosetting binder solution. Cord is dried to bond to shell, and binder after curing cord is cured at temperature from +50 °C to +140 °C, and on open sides of pipeline ends are glued on resilient gland resilient material.

EFFECT: technical result is improvement of reliability and safety in cases of damage or failure of equipment, providing operation at maximum boundary of operating temperature range of not less than 300 °C and maximum boundary of working internal pressure range of not less than 50 KPa, also providing optimum flexibility and minimum hydraulic resistance at pipeline deformations.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам в виде гибких трубопроводов из полимерных композиционных материалов (ПКМ), предназначенным для применения в системах изделий аэрокосмической техники и других отраслей, например в системах кондиционирования воздуха и вентиляции и других. Основные требования, предъявляемые к подобным конструкциям - соответствие техническим условиям по герметичности, массе, пожарной безопасности, экологическим нормативам, минимуму гидравлических потерь.The invention relates to devices in the form of flexible pipelines made of polymer composite materials (PCM), intended for use in systems of products of aerospace technology and other industries, for example, in air conditioning and ventilation systems and others. The main requirements for such structures are compliance with technical conditions for tightness, weight, fire safety, environmental standards, and a minimum of hydraulic losses.

Известен способ изготовления эластичных трубчатых изделий, армированных спиралью жесткости (RU 2460645 С2, F16L 11/10, опубл. 10.09.2012). Этот способ включает навивку на дорн спирали жесткости, распределение поверх спирали эластичной трубчатой оболочки, при этом в качестве спирали жесткости используют пружинный элемент диаметром в спокойном состоянии больше диаметра эластичной трубчатой оболочки, в качестве дорна используют дорн с диаметром меньше диаметра эластичной трубчатой оболочки, навивку на дорн пружинного элемента осуществляют с закручиванием пружинного элемента до диаметра дорна, затем закрепляют концы пружинного элемента на дорне, а распределение поверх спирали жесткости эластичной трубчатой оболочки осуществляют натягиванием готовой эластичной трубчатой оболочки с освобождением после натягивания концов пружинного элемента.A known method for the manufacture of elastic tubular products, reinforced with a spiral of stiffness (RU 2460645 C2, F16L 11/10, publ. 09/10/2012). This method includes winding a spiral of stiffness onto the mandrel, distributing an elastic tubular shell over the spiral, while a spring element with a diameter in a resting state greater than the diameter of an elastic tubular shell is used as a spiral of stiffness, a mandrel with a diameter less than that of an elastic tubular shell is used as a mandrel, winding on the mandrel of the spring element is carried out with twisting of the spring element to the mandrel diameter, then the ends of the spring element are fixed on the mandrel, and the distribution over the spiral of the stiffness of the elastic tubular shell is carried out by tightening the finished elastic tubular casing with release after tightening the ends of the spring element.

Недостатком конструкции гибкого трубопровода, полученной в результате применения данного известного способа, является то, что внутреннее давление среды, заполняющей трубопровод при его работе, воспринимается только оболочкой, размещенной поверх спирали жесткости. Таким образом, спираль жёсткости не участвует в обеспечении прочности трубопровода, а служит только для сохранения геометрии сечения. Кроме того, спираль жесткости, размещенная внутри оболочки, создает дополнительное сопротивление движению среды внутри трубопровода.The disadvantage of the design of the flexible pipeline, obtained as a result of the application of this known method, is that the internal pressure of the medium filling the pipeline during its operation is perceived only by the shell placed over the spiral of stiffness. Thus, the spiral of stiffness is not involved in ensuring the strength of the pipeline, but only serves to maintain the geometry of the section. In addition, a spiral of stiffness placed inside the shell creates additional resistance to the movement of the medium inside the pipeline.

В качестве прототипа принята известная конструкция гибкого шланга, содержащего оболочку из эластичного материала и установленный в ней по всей длине усиливающий элемент в виде открытой винтовой спирали, которая выполнена из материала, обладающего эффектом памяти формы (RU 2015916 C1, F16L 11/10, опубл. 15.07.1994), где в качестве усиливающего элемента используется металлическая винтовая спираль, изготовленная из материала, обладающего «эффектом памяти», например, никелида титана. В качестве оболочки используется эластичный материал типа полихлорвинила.As a prototype, a well-known design of a flexible hose containing a sheath of an elastic material and a reinforcing element installed in it along the entire length in the form of an open helical spiral, which is made of a material with a shape memory effect, is adopted (RU 2015916 C1, F16L 11/10, publ. July 15, 1994), where a metal helical spiral made of a material with a "memory effect", for example, titanium nickelide, is used as a reinforcing element. An elastic material such as polyvinyl chloride is used as a shell.

Недостатками данной известной конструкции является:The disadvantages of this known design are:

- сложность технологического процесса изготовления, включающего термообработку намотанной спирали до температуры 400-500°С, охлаждения, перенавивки спирали и повторного нагрева выше 70°С;- the complexity of the manufacturing process, including heat treatment of the wound coil to a temperature of 400-500 ° C, cooling, rewinding the coil and reheating above 70 ° C;

- использование эластичной оболочки из термопластичного материала типа полихлорвинила, не обладающего свойствами пожарной безопасности и пониженными механическими свойствами из-за отсутствия армирования тканью;- the use of an elastic shell made of a thermoplastic material such as polyvinyl chloride, which does not have fire safety properties and low mechanical properties due to the lack of fabric reinforcement;

- повышенные массовые характеристики металлической спирали по сравнению со спиралью из ПКМ.- increased mass characteristics of a metal spiral in comparison with a PCM spiral.

Технической задачей и техническим результатом заявленного изобретения является получение гибкого трубопровода из ПКМ, при этом повышая надежность и безопасность в случаях повреждения или отказа оборудования, обеспечивая работу при максимальной границе диапазона рабочей температуры не менее 300°С и максимальной границе диапазона рабочего внутреннего давления не менее 50 КПа, также обеспечивая оптимальную гибкость и минимум гидравлического сопротивления при деформациях трубопровода.The technical task and technical result of the claimed invention is to obtain a flexible pipeline from PCM, while increasing the reliability and safety in cases of damage or equipment failure, ensuring operation at the maximum limit of the operating temperature range of at least 300 ° C and the maximum limit of the operating internal pressure range of at least 50 KPa, also providing optimal flexibility and minimum hydraulic resistance during pipeline deformations.

Технический результат достигается заявленным гибким трубопроводом из полимерного композиционного материала, включающим эластичную оболочку, выполненную из материала, армированного одним слоем стеклоткани и усиленную спиралью жесткости, причем эластичная оболочка выполнена из негорючего эластичного материала с углом расположения нитей основы и утка к продольной оси трубопровода 45°±10°, при этом поверх оболочки приклеена на эластичном клее спираль жёсткости, состоящая из шнура с нитями, пропитанного низкоконцентрированным раствором термореактивного связующего, причем шнур просушен до приклейки к оболочке, а связующее после приклейки шнура отверждено при температуре от +50°С до +140°С, а по открытым сторонам концов трубопровода приклеены на эластичном клее манжеты из эластичного материала.The technical result is achieved by the claimed flexible pipeline made of a polymer composite material, including an elastic shell made of a material reinforced with one layer of fiberglass and reinforced with a spiral of rigidity, and the elastic shell is made of a non-combustible elastic material with an angle of the warp and weft threads to the longitudinal axis of the pipeline 45 ° ± 10 °, while a spiral of rigidity is glued on top of the shell on an elastic glue, consisting of a cord with threads impregnated with a low-concentration solution of a thermosetting binder, and the cord is dried before gluing to the shell, and the binder after gluing the cord is cured at temperatures from + 50 ° C to +140 ° С, and on the open sides of the ends of the pipeline, cuffs made of elastic material are glued on with elastic glue.

Схема заявленной конструкции гибкого трубопровода из ПКМ показана на фигуре 1, где:The diagram of the declared design of a flexible pipeline made of PCM is shown in figure 1, where:

1 - оболочка;1 - shell;

2 - эластичный клей;2 - elastic glue;

3 - спираль жесткости в виде шнура из нитей, пропитанного термореактивным связующим;3 - a spiral of rigidity in the form of a cord of threads impregnated with a thermosetting binder;

4 - продольная ось трубопровода;4 - longitudinal axis of the pipeline;

5 - манжета.5 - cuff.

В заявленном изобретении предлагается конструкция гибкого трубопровода из ПКМ с эластичной оболочкой (1), выполненной из негорючего эластичного материала типа известных прорезиненных тканей, например марок «Атом - 2», «ткань 500» и аналогичных, армированного одним слоем стеклоткани с углом расположения нитей основы и утка к продольной оси трубопровода (4) 45°±10°, что обеспечивает оптимальную гибкость и минимум гидравлического сопротивления при деформациях трубопровода. Поверх оболочки приклеена на эластичном клее (2) спираль жесткости из шнура из нитей, пропитанного низкоконцентрированным раствором термореактивного связующего (3), например, фенолформальдегидного или полиимидного, отвержденного после приклейки при температуре от +50°С до +140°С. Концентрация раствора подобрана максимально низкой, что исключает хрупкое разрушение шнура при его изгибе, что произошло бы, если бы концентрация раствора соответствовала известным пропорциям для данного известного типа связующего. Но подобранная низкая концентрация такова, что после отверждения связующего она придаёт упругие свойства данной спирали жёсткости и обеспечивает сохранение геометрической формы сечения трубопровода при его изгибе и восприятие нагрузки от внутреннего и внешнего давления. Следствием этого принципа является то, что до намотки и приклейки спираль жёсткости имеет вид мягкого шнура и приобретает упругие свойства только после заключительной термообработки. По открытым сторонам концов трубопровода приклеены на эластичном клее манжеты (5) из эластичного материала, армированного тканью с углом расположения нитей основы и утка к продольной оси трубопровода 45°±10°, что обеспечивает легкое герметичное соединение со стандартными патрубками известных конструкций. Ткань, которой армированы оболочка и манжеты, снаружи покрыта слоем эластичного материала для исключения местных разрушений ткани при многократных изгибах трубопровода во время эксплуатации. Кроме того, материалы оболочки, шнура, эластичного клея, раствора связующего, манжет и шаг намотки спирали жёсткости подобраны для обеспечения известных требований по пожарной безопасности, экологии, герметичности, работы при максимальной границе диапазона рабочей температуры не менее 300°С и максимальной границе диапазона рабочего внутреннего давления не менее 50 КПа, с целью возможной замены на трубопроводы из ПКМ металлических трубопроводов участков систем кондиционирования воздуха (СКВ), систем антиобледенения и других, отходящих от зон отбора горячего сжатого воздуха от компрессоров авиадвигателей и других подобных источников.The claimed invention proposes a design of a flexible pipeline made of PCM with an elastic sheath (1) made of a non-combustible elastic material of the type of known rubberized fabrics, for example, the brands "Atom - 2", "fabric 500" and similar, reinforced with one layer of fiberglass with an angle of the warp threads and weft to the longitudinal axis of the pipeline (4) 45 ° ± 10 °, which provides optimal flexibility and minimum hydraulic resistance during pipeline deformations. On top of the shell, a spiral of rigidity made of a cord of threads impregnated with a low-concentration solution of a thermosetting binder (3), for example, phenol-formaldehyde or polyimide, cured after gluing at a temperature from + 50 ° C to + 140 ° C, is glued on to an elastic glue (2). The concentration of the solution is selected as low as possible, which excludes the brittle fracture of the cord during its bending, which would happen if the concentration of the solution corresponded to known proportions for this known type of binder. But the selected low concentration is such that, after the binder has cured, it gives elastic properties to the given spiral of rigidity and ensures that the geometric shape of the pipeline cross-section is preserved during its bending and that the load from internal and external pressure is absorbed. The consequence of this principle is that, before winding and gluing, the stiffening spiral looks like a soft cord and acquires elastic properties only after the final heat treatment. On the open sides of the ends of the pipeline, cuffs (5) are glued on elastic glue, made of an elastic material, reinforced with a fabric with an angle of the warp and weft threads to the longitudinal axis of the pipeline 45 ° ± 10 °, which provides an easy tight connection with standard branch pipes of known designs. The fabric, with which the shell and cuffs are reinforced, is covered with a layer of elastic material on the outside to exclude local tissue destruction during multiple bends of the pipeline during operation. In addition, the materials of the sheath, cord, elastic glue, binder solution, cuffs and the step of winding the spiral of stiffness are selected to meet the known requirements for fire safety, ecology, tightness, operation at the maximum limit of the operating temperature range of at least 300 ° C and the maximum limit of the operating range. internal pressure of at least 50 KPa, with the aim of possible replacement of metal pipelines with PCM pipelines for air conditioning systems (ACS), anti-icing systems and others departing from the hot compressed air extraction zones from aircraft engine compressors and other similar sources.

Тем самым обеспечивается легкий и быстрый способ изготовления заявленной конструкции гибкого трубопровода с помощью намотки на разборную цилиндрическую оправку из клинообразных элементов и приклейки с использованием известного оборудования типа намоточного или токарного станка с простыми приспособлениями типа катушки со шнуром, пропитанным раствором низкоконцентрированного термореактивного связующего, резервуара с жидким эластичным клеем и фильеры, обеспечивающей необходимый нанос клея или аналогичных устройств, с возможностью автоматизации процесса (при необходимости изготовления крупной серии).This provides an easy and fast method for manufacturing the claimed design of a flexible pipeline by winding on a collapsible cylindrical mandrel from wedge-shaped elements and gluing using known equipment such as a winding or lathe with simple devices such as a coil with a cord impregnated with a solution of a low-concentration thermosetting binder, a reservoir with a liquid elastic glue and a die, providing the necessary application of glue or similar devices, with the possibility of automating the process (if necessary to manufacture a large batch).

В случаях возможного повреждения или отказа оборудования, приводящих к повышению рабочей температуры свыше указанной в технических условиях, эластичная оболочка, выполненная из негорючего материала и усиленная спиралью жёсткости, состоящей из шнура из стеклянных нитей, пропитанного низкоконцентрированным раствором термореактивного связующего, например, фенолформальдегидного или полиимидного, не расплавится и не разрушится в силу химических особенностей используемого термореактивного связующего.In cases of possible damage or equipment failure, leading to an increase in the operating temperature above that specified in the technical conditions, an elastic shell made of non-combustible material and reinforced with a spiral of rigidity consisting of a cord of glass threads impregnated with a low-concentration solution of a thermosetting binder, for example, phenol-formaldehyde or polyimide, will not melt or collapse due to the chemical characteristics of the thermosetting binder used.

Спираль жёсткости в случае возможных значительных внешних усилий, например, сильного случайного нажатия рукой или ногой, не может необратимо деформироваться и потерять упругие свойства из-за того, что её площадь поперечного сечения значительно больше площади поперечного сечения металлической проволоки одинаковой массы и потому что шнур, пропитанный термореактивным связующим после его отверждения представляет собой упругую объёмную пористую систему.A spiral of stiffness in the case of possible significant external forces, for example, a strong accidental pressure with a hand or foot, cannot irreversibly deform and lose elastic properties due to the fact that its cross-sectional area is much larger than the cross-sectional area of a metal wire of the same mass and because the cord, impregnated with a thermosetting binder after curing it is an elastic volumetric porous system.

Claims (1)

Гибкий трубопровод из полимерного композиционного материала, включающий эластичную оболочку, выполненную из материала, армированного одним слоем стеклоткани, и усиленную спиралью жёсткости, отличающийся тем, что эластичная оболочка выполнена из негорючего эластичного материала с углом расположения нитей основы и утка к продольной оси трубопровода 45°±10°, при этом поверх оболочки приклеена на эластичном клее спираль жесткости, состоящая из шнура с нитями, пропитанного низкоконцентрированным раствором термореактивного связующего, причем шнур просушен до приклейки к оболочке, а связующее после приклейки шнура отверждено при температуре от +50°С до +140°С, а по открытым сторонам концов трубопровода приклеены на эластичном клее манжеты из эластичного материала.Flexible pipeline made of polymer composite material, including an elastic shell made of a material reinforced with one layer of fiberglass, and reinforced with a spiral of rigidity, characterized in that the elastic shell is made of a non-combustible elastic material with an angle of the warp and weft threads to the longitudinal axis of the pipeline 45 ° ± 10 °, while a spiral of rigidity is glued on top of the shell on elastic glue, consisting of a cord with threads impregnated with a low-concentration solution of a thermosetting binder, and the cord is dried before gluing to the sheath, and the binder after gluing the cord is cured at temperatures from + 50 ° C to +140 ° С, and on the open sides of the ends of the pipeline, cuffs made of elastic material are glued on with elastic glue.

Images