123658 (Повышение качества полиэтиленовых газопроводных труб)

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Специальность

кафедра естественных наук

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

На тему: Повышение качества полиэтиленовых газопроводных труб

Студент-дипломник:

Научный руководитель:

Доктор наук,

Доцент кафедры

Рецензент:

Кандидат наук,

Доцент кафедры

Допустить к защите

Зав. кафедрой

доктор наук,

профессор кафедры

2009

РЕФЕРАТ

Пояснительная записка листов, таблицы, 8 чертежей формата А1, источников.

Полиэтилен средней плотности, переработка, экструзия, сушка, калибрование, параметры, изделие.

Цель дипломного проекта: повышение качества полиэтиленовых газопроводных труб.

На основании проведенного информационного анализа в проекте предложены следующие новые технологические решения:

• замена базовой марки сырья ПЭ-80 на ПЭ-100 для улучшения эксплуатационных характеристик полимерных газовых труб, диаметром 110мм;

• совершенствование конструкции экструзионной головки, т.е. использование формующей головки с вращающимся дорном для повышения прочности изделий в радиальном направлении.

Разработана технологическая схема, обоснованы параметры переработки, выполнены технологические расчеты.

В разделе «Автоматика» дано обоснование автоматизации технологической линии.

Предусмотрены мероприятия по безопасности процесса.

Проведена экологическая экспертиза проекта.

Доказана технико-экономическая целесообразность предлагаемых технических решений для ОАО «Трубопласт» (г. Энгельс).

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Основная часть

1. Технологический раздел

1.1. Информационный анализ

1.2. Патентные исследования

1.3. Характеристика исходного сырья, вспомогательных материалов и готовой продукции

1.4. Описание технологического процесса

1.5. Основные параметры технологического процесса

1.6. Техническая характеристика основного технологического оборудования

1.7. Технологические расчеты

1.7.1. Расчеты удельных норм расхода сырья и вспомогательных материалов

1.7.2. Расчет основного технологического оборудования

1.7.3. Теплоэнергетические расчеты

2. Раздел «Безопасность проекта»

3. Раздел «Экологичность проекта»

4. Раздел «Автоматика»

5. Организационно-экономический раздел

Заключение

Введение

Развитие химической промышленности, машиностроения и других отраслей невозможно без интенсивного использования пластических масс. Промышленность полимерных материалов относится к числу важнейших отраслей химической индустрии и в значительной степени определяет прогресс в развитии всей промышленности.

Широкий диапазон рабочих температур и давлений в сочетании с коррозионными воздействиями агрессивных сред на трубопроводы и их материалы, предъявляют к ним особые требования.

Применение пластмассовых труб, взамен дорогостоящих труб из нержавеющей стали, цветных металлов и сплавов, является эффективным средством повышения долговечности технологических трубопроводов, предназначенных для транспортировки различных жидких и газообразных сред. При этом, наряду с повышением долговечности, снижаются затраты на сооружение трубопроводных коммуникаций. Стоимость труб изготовленных из полимерных материалов значительно ниже, при равной пропускной способности, труб изготовленных из нержавеющей стали, цветных металлов и сплавов.

Еще 20 лет назад полиэтиленовые коммуникации стали символом надежности и долговечности, вытесняя хрупкие и ненадежные металлические трубы.

Газификация считается приоритетным направлением, способствующим стабилизации социально-экономического положения края, решению вопросов обеспечения населения газом теплом, улучшению экологической обстановки.

Строительство газопроводов на основе полиэтилена –это техническое решение, позволяющее радикальным образом решить проблемы надежности и долговечности коммуникаций, сократив при этом затраты как на монтаж, так и поддержание работоспособности в процессе эксплуатации.

Анализ сравнительных характеристик затрат при строительстве газопровода из стальных и полиэтиленовых труб показывает, что:

газопроводы из полиэтиленовых труб при строительстве дешевле втрое; не нужна изоляция, упрощается технология соединения труб и их укладка в траншеи;

время строительства полиэтиленовых газопроводов сокращается по сравнению со стальными в 10 раз;

пропускная способность полиэтиленовой трубы на 25-30% выше, чем у стальной такого же диаметра;

гарантийный срок службы газопроводов из ПЭ труб около 100—150 лет, против 25-30 лет - из стальных;

при эксплуатации ПЭ газопроводов отпадает необходимость в осуществлении мероприятий по антикоррозийной защите.

Процесс производства труб из ПЭ методом экструзии прост, производителен, более экономичен, чем производство металлических труб с точки зрения затрат электроэнергии: на 1 тонну ПЭ труб расход в 3-7 раз ниже затрат на 1 тонну металлических труб.

На ОАО «Трубопласт» (г. Энгельс) организованно производство экструзионных напорных труб на основе полиэтилена высокой плотности (ПЭВП) по технологии, учитывающей передовые идеи и мировой опыт в области переработки полимерных материалов. Актуальной проблемой для предприятия является расширение номенклатуры газонапорных труб и обеспечение их конкурентоспособности.

Целью данной работы является: разработать технологическую часть эскизного проекта по производству труб из полиэтилена для систем газоснабжения.

2. Технологический раздел

1. Информационный анализ

Полиэтилен является одним из наиболее крупнотоннажных и широко распространенных полимерных материалов. Высокая технико-экономическая эффективность использования ПЭ обеспечивает увеличение объемов потребления пластических масс в народном хозяйстве. Способность ПЭ к переработке всеми известными для пластических масс способами, его хорошие эксплуатационные свойства позволяют применять этот полимер практически во всех отраслях промышленности.

Существенный рост и развитие в настоящее время получили трубы из полимерных материалов. Трубы из этих материалов начали вытеснять традиционные стальные трубы из больших областей строительства.

Одним из самых распространенных материалов для изготовления труб является полиэтилен, поливинилхлорид, полипропилен и т.д. [2]

Трубы из различных материалов обладают уникальными свойствами и преимуществами перед другими. Российский и зарубежный опыт исследования показывает, что трубы из полимерных материалов могут находиться в эксплуатации без существенных химических и механических изменений в течение 50 и более лет. Полимеры имеют высокие эксплуатационные показатели, и большинство полимеров обладают водоотталкивающими свойствами. Технологический процесс их производства позволяет обеспечить крайне низкую шероховатость внутренней поверхности труб, поэтому трение между протекающей жидкостью и поверхностью труб незначительно. Кроме того, при длительной эксплуатации внутреннее сечение труб не уменьшается из-за зарастания отложениями, а значит нет необходимости, как в случае с остальными трубами, увеличивать затраты на электроэнергию для перекачки.

В случае строительства наружных магистральных трубопроводов нет необходимости в использовании тяжелой трубоукладочной техники, тяжелого большегрузного транспорта.

Структура и свойства ПЭ определяются способом его получения и в зависимости от этого подразделяются на ПЭ полученный при высоком давлении - ПЭВД, при низком давлении - ПЭНД, при среднем давлении - ПЭСД. [5]

Эти три типа полиэтилена различаются по степени разветвленности (наиболее разветвленные ПЭВД, наименее разветвленные ПЭСД, на 1000 углеродных атомов в ПЭВД - 15-25, в ПЭНД - 3-6, в ПЭСД - не более 3 и, следовательно, по степени кристалличности и плотности, а также по молекулярной массе, молекулярно-массовому распределению и другим показателям. В макромолекуле ПЭ на концах основной полимерной цепи и боковых цепей содержатся СН₃-группы. В ПЭВД боковые ответвленности располагаются друг от друга со средним интервалом ~50 углеродных атомов. Короткие ответвления в ПЭВД - метальные, этильные и бутильные группы. У ПЭВД наряду с короткими ответвлениями имеются и длинные боковые цепи, величина и характер распределения которых пока окончательно не установлен.

В макромолекуле ПЭ содержатся также насыщенные связи трех типов: винилиденовые RRC=CH₂, винильные RCH=CH₂ и транс-виниленовые RCH=CHR. Число ненасыщенных связей на 1000 атомов углерода в ПЭВД 0,4-0,6, в ПЭНД и ПЭСД 0,6-0,8. В ПЭ может содержаться также очень незначительное число групп >С=О или -ОН. Степень кристалличности ПЭВД60-75%, ПЭНД70-85% и ПЭСД90%.

Конформация цепи ПЭ - плоский зигзаг. ПЭ обладает орторомбичной ячейкой с пространственной группой симметрии. Относительная величина дефектов в кристаллитах ПЭ достигает несколько процентов и на порядок выше чем у низкомолекулярных кристаллов. Размеры кристаллитов обычно колеблются в интервале 50-200А для ПЭВД и 50-100 для ПЭНД и ПЭСД.

Надмолекулярная структура прессованных образцов характеризуются наличием сферолитов с размерами 1-10 мкм для ПЭВД и 1-20мкм для ПЭНД. Размеры сферолитов существенно зависят от режимов изготовления изделий (скорости и равномерности охлаждения). При растяжении ПЭ сферолитная структура исходного образца превращается в фибриллярную, ориентированную в направлении вытяжки. Поэтому свойства изделий из ПЭ будут определяться не только свойствами исходного образца, но и конфигурацией изделий и режимами их изготовления. Среднемассовая молекулярная масса промышленных марок составляет 30тыс.- 400тыс. для ПЭВД и от 50тыс.- 800тыс. для ПЭНД и ПЭСД. Предел текучести, модуль упругости при изгибе, твердость возрастают с уменьшением числа коротких боковых цепей в макромолекуле ПЭ и повышением степени кристалличности и плотности полимера. Прочность при растяжении, относительное удлинение, температура хрупкости, стойкость к растрескиванию под напряжением и ударная вязкость в большей степени определяются величиной молекулярной массы, чем степенью кристалличности. Сужение молекулярно-массового распределения линейного ПЭ приводит к повышению прочности при растяжении, относительного удлинения, ударной вязкости, уменьшению усадки и стойкости к растрескиванию под напряжением. ПЭ выгодно отличается от других термопластов сочетанием высокой прочности с достаточной эластичностью и способностью «работать» в очень широком интервале температур (от -120 до 100°С). ПЭ - неполярный полимер, обладающий высокими электроизоляционными свойствами. Для ПЭ характерно незначительное изменение электрических свойств в широком диапазоне температур и частот. Тангенс угла диэлектрических потерь ПЭ например в интервале температур от -160 до 120°С и частоте 10-50кгц находится в пределах 210^-4 - 410^-4. Диэлектрические свойства ПЭ ухудшаются с увеличением степени его окисления и при наличии примесей.

Свойства ПЭ можно модифицировать смешением с другими полимерами или сополимерами. Так при смешении ПЭ с полипропиленом повышается теплостойкость, при смешении с бутилкаучуком или этиленпропиленовым каучуком - удельная вязкость и стойкость к растрескиванию. ПЭ обладает низкой газопаропроницаемостью. Газопроницаемость разветвленного ПЭВД в 4-8 раз выше, чем ПЭНД и ПЭСД. Проницаемость ПЭ наименьшая для сильнополярных веществ и наибольшая для углеводородов. ПЭ характеризуется малой проницаемостью для воды и водяных паров. ПЭ стоек к природному углеводородному газу, но недостаточно устойчив к сжиженному пропан-бутану.[6] ПЭ инертен к действию многих химических реагентов, химстойкость зависит от молекулярной массы, молекулярно-массового распределения и плотности. Определяющим показателем является плотность и с ее увеличением химстойкость возрастает. Наиболее высокой химстойкостью обладают линейные ПЭНД и ПЭСД.

ПЭ не реагирует с щелочами любой концентрации, с растворами нейтральных, кислых и основных солей, с органическими кислотами, с растворами солей-окислителей и даже с концентрированной соляной и плавиковой кислотами. При действии H₂SO₄ (концентрации 80% и выше) и температуре не ниже 50°С свойства ПЭ изменяются. ПЭ разрушается при комнатной температуре 50% азотной кислотой, а также жидкими газообразными хлором и фтором.

Разрушительное действие указанных реагентов увеличивается с повышением температуры. Бром и йод диффундируют через ПЭ. Разбавленные растворы хлора и различные отбеливающие вещества незначительно изменяют свойства ПЭ. При обработке 80-85% азотной кислотой при 100-135°С или смесью азота и кислорода в четыреххлористом углероде при 78°С происходит термоокислительная деструкция ПЭ. Таким способом получают ПЭ молекулярной массы 1000-2000, содержащий карбоксильные группы; он легко диспергируется в воде с образованием стойких эмульсий. ПЭ не растворяется в органических растворителях при комнатной температуре, но несколько в них набухает; выше 80°С - растворяется во многих растворителях, особенно хорошо в алифатических и ароматических углеводородах и их галогенопроизводных. Степень набухания и растворимость увеличивается с уменьшением плотности и молекулярной массы ПЭ.

На воздухе под действием СО, СО₂, влаги и О₂ в изделиях из ПЭ, подвергающихся длительному растяжению при различных напряжениях могут появляться мелкие трещины. Процесс этот происходит в течение нескольких лет или даже десятков лет. Но он значительно ускоряется при контакте с активными средами. Стойкость к растрескиванию под напряжением в поверхностно-активных средах возрастает при увеличении молекулярной массы ПЭ и расширении молекулярно-массового распределения, снижение плотности достигается путем сополимеризации этилена с пропиленом, бутиленом и другими мономерами, либо добавлении к ПЭ полиизобутилена или бутилкаучука, а также при хлорировании, бромировании или сульфохлорировании ПЭ.

При энергетическом и механических воздействиях в ПЭ могут происходить окисление, деструкция и сшивание. При обычных условиях переработки эти реакции практически незначительны. ПЭ стоек при нагревании в вакууме им атмосфере инертного газа. Лишь при температуре несколько выше 290 ºС происходит термическая деструкция, а при 475°С - пиролиз с образованием воскообразного вещества и газообразных продуктов нестабилизированный ПЭ при нагревании на воздухе подвергается термоокислительной деструкции, а под влиянием солнечной радиации - фото старению. Оба процесса протекают по цепному радикальному механизму. Термостарение сопровождается выделением альдегидов, кетонов, перекиси водорода и других продуктов, в результате ухудшаются диэлектрические свойства ПЭ, снижается прочность при растяжении и относительное удлинение.

При фотостарении происходят как деструктивные, так и структурирующие процессы. Относительная скорость структурирования (сшивание) под действием света значительно выше, чем под действием тепла. Особенно чувствителен полиэтилен к воздействию УФ - лучей с длиной волны 280-330ммк. [5]