Многослойные термопластичные трубы на основе PE-Xa, армированные нитями Кевлар, с повышенной теплостойкостью для сетей отопления (1090749), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Сиспользованием кинетического ядра T1(τ) были получены значения σ0 и σ∞ для РЕ-Ха и ихзависимости от температуры при постоянной деформации равной 7% (рис. 2), что1Askadskii, A.A. Computational Materials Science of Polymers / A.A. Askadskii // Cambridge.
CambridgeInternational Science Publishing, 2003. – 711 p.10позволяет прогнозировать значение характеристик при более высоких температурах (до130°С). Расчетные значения σ∞ при температуре 115°С составляет ~2,5 МПа.Кривыерелаксациинапряжений, полученные притемпературе 95°С и разныхдеформациях от 3 до 20%аппроксимировали,используякинетическое ядро релаксацииT1(τ).ЗначениязакономерноРис. 2 - Зависимости σ0 (1)и σ∞ (2) от температуры припостоянной деформации7% для РЕ-Хаσ0иσ∞возрастаютсростом деформации (рис.
3).Рис. 3 – Зависимостиσ0 (1) и σ∞ (2) в РЕ-Хаот деформации при 95°СРасчетное значение σ0 при 95°Сдля РЕ-Ха при деформации,равной εт при этой температуре (~75%) , составило 6,9 МПа, что на ~5% нижеэкспериментально полученного значения σт РЕ-Ха при 95°С, равного 7,3 МПа, чтосвидетельствует о хорошей аппроксимации кривых релаксации РЕ-Ха с помощьюкинетического ядра релаксации T1(τ), а полученные зависимости σ0 и σ∞ от температуры идеформации позволяют прогнозировать значения σ0 и σ∞ на большие значения деформаций(до εТ) РЕ-Ха при 95°С и более высокие температуры (до 130°С).3.3 Расчет и конструирование многослойных АТТ разных типоразмеров дляэксплуатации при повышенных температурах.В разделе 3.3 рассматриваются вопросы, связанные с определением толщинкаждого слоя и габаритных размеров многослойной конструкции, а также параметровармирующего каркаса для АТТ разного типоразмера (диаметром от ~50 до ~150 мм).Определена конструкция многослойной армированнойтрубы, схема которой представлена на рис.
4. Внутреннийслой(оболочка)изРЕ-Ха(1)–герметизирующаяполимерная оболочка (труба), по которой транспортируетсяжидкостьсзаданнымдавлениемитемпературой.Соединительный слой из СЭП (2) необходим для соединенияРис. 4 - Конструкция АТТдля сетей отопления.внутреннего слоя из РЕ-Ха и наружного слоя из СЭП черезмелкоячеистуюструктуруармирующегосоздании монолитной конструкции многослойной трубы.11каркасаприАрмирующий слой (3) –сетчатый каркас с заданными параметрами из нитей Кевлар, уложенных под углом к оситрубы методом оплетки в двух взаимно противоположных направлениях в равномколичестве.
Наружный слой (4) из СЭП, закрывающий и защищающий армирующийкаркас от механических повреждений.В табл. 1 представлены размеры АТТ с допусками, достигаемыми в процессеодностадийного производства многослойных армированных труб. Внутренний диаметр(Dвн) АТТ для всех типоразмеров соответствует Dвн однослойных труб стандартногоразмерного соотношения SDR11 по ГОСТ Р 52134-2003.
Армирование труб позволяетснизить общую толщину стенки АТТ по сравнению со стандартными трубами того же Dвндо 50%, что способствует значительному снижению их себестоимости, материалоемкостипродукции и увеличению гибкости труб.Таблица 1: Размеры и толщины слоев с допусками для АТТ разного типоразмераТипоразмертрубыТ-50Т-63Т-75Т-90Т-110Т-125Т-140Т-160Внутреннийдиаметртрубы, Dвн, мм3949597086100110126Наружный диаметр трубы,Dнар, ммноминалдопуск49,4+0,859,5+0,971,3+0,985+1,4102+1,5118+1,6130+1,6147+1,8Толщина стенки, еобщ,ммноминалдопуск4,5+0,74,8+0,85,5+0,96,5+1,17+1,27,8+1,28,5+1,49+1,4Определение доли нагрузки, воспринимаемой каждым слоем многослойной АТТДолю нагрузки от действия внутреннего давления, воспринимаемой каждым слоемАТТ, определяли, решая задачу Ляме для составного цилиндра.
В этом случаемногослойную АТТ можно представить как толстостенную трубу, состоящую из трехсоставных более тонких труб. Внутреннюю камеру из РЕ-Ха и соединительный слой изСЭП рассматривали как единую цилиндрическую толстостенную трубу, плотноприлегающую к армирующему каркасу, армирующий каркас и наружный слой из СЭП кактонкостенную трубу. На рис. 5 представлены результаты расчета доли от внутреннегодавления, воспринимаемой армирующим слоем из нитей Кевлар, внутренним слоем изРЕ-Ха и наружным слоем из СЭП, для АТТ всех диаметров при температуре 20°С и 120°С,с учетом физико-механических характеристик материалов слоев при данных температурах.Проведенные теоретические расчеты показали, что в разработанной многослойнойконструкции АТТ при нагружении их внутренним давлением основную нагрузку ~90%воспринимает на себя армирующий каркас, внутренний слой из РЕ-Ха воспринимает до1210%, а наружный слой из СЭП практически не несет никакой нагрузки < 0,1%.
В случае,когда АТТ эксплуатируются при температурах до 120°С и давлении 1МПа, напряжения вовнутреннем слое из РЕ-Ха, не превышают 1МПа, что почти в 4 раза меньше пределатекучести материала определенной при 120°С (~3,9 МПа) и исключает вероятностьразрушения РЕ-Ха под действием механических нагрузок.Рис. 5: Зависимость долиот внутреннего давления,воспринимаемойармирующим слоем изнитей Кевлар (а),внутренним слоем из РЕ-Ха(б) и наружным слоем изСЭП (в), от внутреннегодиаметра АТТ притемпературе 20°С (1) и120°С (2)Определение параметров армирующего каркаса для АТТ разного типоразмераОсновной задачей при проектировании многослойных армированных труб являетсярасчет параметров армирующего каркаса, т.к.
он воспринимает до 90% всей нагрузки отдействия внутреннего давления. В работе впервые предложена методика расчетаармирующего каркаса, позволяющая определять его основные параметры N, φ, и LD длятруб разного диаметра на заданные давления и температурно-временные условияэксплуатации, с учетом длительной прочности материала армирующего каркаса.В соответствии с методикой максимальное рабочее давление АТТ определяется изуравнения (4), полученного с учетом анализа сил, действующих на армирующий каркас:[](4)где Рраб – максимальное рабочее давление труб, МПа; φ – угол укладки нитей к оси трубы; N – общееколичество нитей, уложенных во взаимно противоположных направлениях; D – диаметр армируемойтрубы, мм; L – шаг укладки нити, мм; ρ – плотность волокна, кг/м3, LD – линейная плотность нити, текс;[σн] – допускаемым напряжением на нить, ГПа; Z – коэффициент, характеризующий геометрическиепараметры трубы и армирующего каркаса,Угол укладки нитей, равный 54,7°, обеспечивает равнопрочность системыармирования к действию внутреннего давления в осевом и радиальном направлениях,(равновесный угол армирования).
Угол укладки нитей может отклоняться от равновесногозначения, однако для компенсации возникающих дополнительных осевых нагрузокнеобходимо в каркас вводить дополнительные нити, располагаемые в осевом направлениитой же линейной плотности, количество которых рассчитывают из уравнения (5):13(5)где Na – количество осевых нитей в каркасе, φ – угол укладки нити к оси трубы, N – общее количествонитей каркаса в шаге укладки, уложенных во взаимно противоположных направлениях.Допускаемоепрочностьюнапряжениематериаланитейнадлянитьопределяетсязаданногоминимальнойдлительнойтемпературно-временногорежимаэксплуатации АТТ.
Необходимо рассчитать параметры армирующего каркаса N, Nа, φ, иLD для труб всех типоразмеров для того, чтобы расчетное значение Рраб соответствовалотребуемому максимальному Рраб в трубопроводе равному 1 МПа. Если допускаемоенапряжение [σн] равно разрушающему напряжению [σразр] нитей армирующего каркаса, тов этом случае можно определить разрывное давление АТТ (Рразр).Для обеспечения равных эксплуатационных характеристик АТТ разного диаметра,значение геометрического коэффициента армирующего каркаса Z должны бытьодинаковыми для труб всех типоразмеров.Всоответствииспредложеннойметодикойбылиопределеныпараметрыармирующего каркаса (см. табл.
2), а также расчетные значения Рразр и Рраб, для труб всехтипоразмеров (см. табл.1) для их эксплуатации при переменном температурно-временномрежиме (до 115°С) и давлении 1 МПа в течение ~50 лет. В расчет были приняты значения[σн]=0,347 ГПа, [σразр]=2,92 ГПа и ρ=1440 кг/м3 для арамидных нитей Кевлар2.Таблица 2: Параметры армирующего каркаса для АТТ разного диаметра и расчетные значенияРразр и РрабТипоразмертрубыТ-50Т-63Т-75Т-90Т-110Т-125Т-140Т-160Dвн,D,N, LD,L, Na,φмм мм шт тексмм шт394448 250 54,7 98449 54,4 48 33056 115 459 65,3 48 501 54,7 145 470 78,3 48 660 56,5 163 486 94,8 48 99056 201 4100 109,4 48 1320 56 232 4110 120,9 48 1320 60 219 12126 137,5 48 1320 65 202 12Z0,003160,002910,002870,002880,002870,002870,002870,00288Рразр, Рраб,МПа МПа9,22 1,108,49 1,018,38 1,008,40 1,008,38 1,008,39 1,008,39 1,008,40 1,00В результате расчета коэффициент Z, характеризующий параметры армирующегокаркаса, для труб типоразмера Т-63-Т-160 составляет 0,00287-0,00288, а для трубтипоразмера Т-50 – 0,00316, поскольку нити с требуемой линейной плотностью (230 текс)в номенклатуре производителя фирмы Дюпон отсутствуют и использованы нити с 2502Fallatah, G.M.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
