книги / Материалы для сооружения газонефтепроводов и хранилищ

Рис. 84. Схема способов изготовления стекловолокна:

а — непрерывного; б — штапельного; в — из штабика; 1 — бункер для загрузки стеклянных шариков; 2 — печь для плавления стекла; 3 — фильеры; 4 — устройст­

во для подачи замасливателя; 5 — бобина для намотки стеклянных нитей; 6 — дутьевая головка для распыления воздухом или паром; 7 — пульверизатор для нанесения связующего; 8 — перфорированный барабан; 9 — стеклянный стер­ жень — штабик; 10 — барабан; 11 — ограждающий отделитель; 12 —направляю­ щий отделитель; 13 — конус; 14 —газовая горелка

стекловолокна диаметром 7 мкм. При большем диаметре стекловолок­ на (свыше 13 мкм) затрудняется его текстильная переработка (без текстильной переработки можно использовать элементарное волокно диаметром до 20 мкм) .

Способ изготовления стекловолокон влияет па их свойства. Неп­ рерывное стекловолокно изготовляют вытягиванием из стекломассы (со скоростью примерно 2000 м/мин), которая образуется при расплав­ лении стеклянных шариков в специальных электрических печах при температуре 1200—1400°С (рис. 84, а) Температура плавления стекло­ массы зависит от химического состава стекла. Расплавленная стекломас­ са под действием силы тяжести вытекает через отверстия (фильеры), расположенные на дне электропечи в виде тонких волокон, охлаждаю­ щихся на воздухе.

Диаметр стекловолокна зависит от количества стекломассы в элект­ ропечи, диаметра фильер, скорости вытягивания стекловолокон и темпе­ ратуры (вязкости) стекломассы.

Более грубое и короткое стекловолокно (длиной 5—50 см), назы­ ваемое штапельным (рис. 84, б) , получают дутьевым способом, имею­ щим несколько разновидностей. Аналогично способу получения непре­

201

рывного волокна жидкая стекломасса проходит через фильеры, а затем распыляется струей воздуха, пара или горячего газа, подаваемой с высо­ кой скоростью (150—200 м /с). Образующиеся при этом короткие волокна обрызгиваются связующим веществом в виде эмульсии или раствора полимера и осаждаются на вращающемся перфорированном барабане или на движущейся сетке конвейера.

Осажденное стекловолокно прочно удерживается на вращающемся барабане за счет создания вакуума внутри него. Стекловолокно наматы­ вается на барабан, образуя непрерывный стеклянный мат —стекломат.

Непрерывное стекловолокно можно получать вытягиванием при температуре 1600°С из кварцевого стеклянного стержня — штабика (рис. 84, в ) . В этом случае стекловолокно получается грубым с невысо­

кой механической прочностью, а сам способ является малопроизводи­ тельным. Но из-за высокой температуры плавления кварцевого стекла

(1725° С) применить вытягивание кварцевого волокна из расплава че­ рез фильтры не удается. Поэтому для получения кварцевого волокна используют штабиковый метод.

Прядь или нить получается при склеивании 100—200 элементарных стекловолокон друг с другом при помощи замасливателя на выходе из электропечи. Готовая прядь, имеющая однонаправленное волок­ но, наматывается на бобины. Замасливатели облегчают съем пряди с бобины и при дальнейшей текстильной переработке предохраняют пряди от истирания и разрушения. При текстильной переработке прядь посту­ пает с бобины на крутильные машины и затем на ткацкие станки, на ко­ торых изготовляют из нее стеклоткани переплетений различных видов. На основе стеклотканей с пропиткой связующим изготовляют стеклотекстолиты.

Путем размотки и трошения пряди (процесс обратной крутки) по­ лучают ровницу или стекложгут, т.е. непрерывную прядь из некрученых стеклонитей. На ткацких станках из ровницы делают стеклорогожку в виде тонких или грубых тяжелых жгутовых тканей. Из рубленой ров­ ницы изготовляют стеклянную крошку, применяемую также в качест­ ве наполнителя.

Впроцессе текстильной переработки стекловолокон в пряжу (нить),

азатем в ткань коэффициент использования прочности элементарного стекловолокна постепенно понижается. Для уменьшения истирания и

разрушения стекловолокон применяют замасливатели, в качестве ко­ торых служат плавкие смеси, застывающие при обычной температуре, а также различные растворы и эмульсии, дающие сухой остаток после испарения (удаления) жидкой фазы. В состав замасливателей входят смазывающие вещества (жирные кислоты, минеральное масло), улуч­ шающие работу волокон в пряди; связующие (декстрин, парафин, казеин), склеивающие элементарные волокна в прядь; поверхностно­ активные вещества (например, аминоспирты), увеличивающие адгезию

202

замасливателя к стекловолокну. Чаще всего используют застывающий парафиновый замасливатель или желатин. Б то же время замасливатель — вредная добавкат так как он препятствует установлению хорошей свя­ зи между поверхностью стекловолокна и синтетической смолой при из­ готовлении стеклопластиков.

Наиболее дешевый вид наполнителя, удобный для переработки, - нетканый рулонный стекловолокнистый материал - стекломат (стеклохолст) , который изготовляют из рубленой ровницы или из штапель­ ного волокна, получаемого дутьевым способом. Стекловолокна в матах удерживают при помощи небольших количеств полимерных связующих (химический способ соединения) или переплетения отдельных волокон между собой и прошивания их (механический способ соединения).

Физико-механические свойства стеклопластиков зависят не толь­ ко от вида и свойств стекловолокнистого наполнителя, его размеров, но и от его количества. Разрушающее напряжение при растяжении имеет максимальное значение для стеклоткани из непрерывного волокна при 70 % стекловолокнистого наполнителя, для штапельных стеклотканей — при 50 %, а для стекломатов — при 55 %. Максимальная ударная вяз­ кость наблюдается при 65 —70% стекловолокнистого наполнителя.

Оптимальное количество стекловолокнистого наполнителя зависит также от вида полимерного связующего, применяемого при изготовле­ нии стеклопластика.

Кроме стекловолокнистых наполнителей иногда добавляют такие неорганические наполнители, как кварцевая мука, тальк, каолин, мел и другие, которые улучшают внешний вид изделий и уменьшают усадку связующего.

В качестве полимерного связующего используют термореактивные смолы: полиэфирные, эпоксидные, фенолформальдегидные, кремнийорганические, фурановые и некоторые другие, а также различные их сочетания. Кроме термореактивных начинают применять также и тер­ мопластичные смолы, такие, как полиэтилен, фторопласт и др.

Связующее пропитывает стеклянный наполнитель и после отвержде­ ния склеивает между собой отдельные его волокна и слои, обеспечивая совместную их работу в пластике. Поэтому связующее должно обла­ дать хорошей смачивающей способностью и адгезией к стекловолокну; небольшой усадкой при отверждении, вызывающей образование микро­ трещин; высокой когезионной прочностью; устойчивостью вязкостных свойств в течение длительного времени; быстрым отверждением по возможности без выделения летучих продуктов.

Физико-механические свойства стеклопластиковых труб зависят также от физико-механических свойств связующего. Так, с увеличением предела прочности смолы при сдвиге и растяжении прочность стекло­ текстолита возрастает. Режим и скорость отверждения связующего оп­ ределяют технологический процесс изготовления труб из стеклоплас­ тиков и производительность оборудования.

2 0 3

В качестве связующего используют сочетания из полимерных и мономерных соединений или их смесей и различных добавок — ини­ циаторов, инертных разбавителей (растворителей), катализаторов, пластификаторов, стабилизаторов и др.

Инертные растворители (спирт, толуол, ацетон) применяют для смол, которые имеют высокую вязкость и плохо смачивают и пропи­ тывают стекловолокнистый-наполнитель, например для таких, как фенолформальдегидные и эпоксидные.

Полиэфирные смолы обычно разбавляют не растворителями, а мо­ номером-стиролом. Такой раствор полимера и мономера хорошо про­ питывает стекловолокнистый наполнитель и не требует предваритель­ ного испарения растворителя, из-за которого в готовой трубе могут образоваться поры. Стирол служит также сополимером при отвержде­ нии. Стеклопластиковые трубы на основе ненасыщенных полиэфирных и эпоксидных смол холодного отверждения можно изготовлять при обычной температуре и без приложения формовочного давления или при небольшом давлении. Но при формовании труб из смол холод­ ного отверждения при высоком давлении и температуре обеспечивает­ ся более высокая их механическая прочность.

Стеклопластиковые трубы на основе фенолформальдегидных, кар­ бамидных, фурановых и других смол горячего отверждения изготовляют только при высоких температурах (до 170° С и выше) и формовочных давлениях (до 2,5 —10 МПа) .

В производстве стеклопластиков связующее на основе фенол­ формальдегидных смол — смол горячего отверждения — применяют мало. Кроме того, они обладают более низкой адгезией к стекловолок­ ну по сравнению с другими смолами. В связи с этим их используют в сочетании с поливинилбутиралем (бутваром) или с фурановыми, кремнийорганическими и эпоксидными смолами, например, в виде

Фурановые смолы применяют для получения теплостойких и хи­ мически стойких стеклопластиковых труб. В этих случаях в качестве связующих используют фенолофуриловую смолу марки ФФС или ла­ ки марок ФЛ-1, ФЛ-2, ФЛ-10, ФЛ-12 и др. Стеклопластики на основе фурановых смол не уступают по своим свойствам стеклопластикам на фенольных смолах. Более широкое применение нашли эпоксидные смо­ лы, как обладающие высокой прочностью, хорошей адгезией к стекло­ волокну и имеющие незначительную усадку при отверждении. В случаях отверждения при температуре 15—25°С в качестве отвердителей приме­ няют различные полиамины — гексаметилендиамин, полиэтиленполиамин, метафенилендиамин и др. При их отверждении в условиях повы­ шенных температур (до 120 —180°С) в качестве отвердителей исполь­

204

зуют малеиновый и фталевый ангидриды, а также различные смолы — фенолформальдегидные, анилиноформальдегидные.

Стеклопластики на основе эпоксидных смол превосходят по ме­ ханическим свойствам стеклопластики на основе всех других смол. Но подавляющее большинство стеклопластиковых труб и других из­ делий изготовляют на основе ненасыщенных полиэфирных смол. Из­ вестны смолы марок ПН-1, ПН-2, ПН-3, ПН-4, ПН-6, ПН-7, ПН-10, ПН-62 и другие, отличающиеся друг от друга по теплостойкости и физико­ механическим свойствам. Самая водостойкая и химически стойкая из них — смола марки ПН-10. К наиболее теплостойким и трудновоспламеняющимся относятся смолы марок ПН-6 , ПН-7 и ПН-62. При изготовлении более высокопрочных стеклопластиковых труб можно применять полиэфиракрилатные смолы марок МГФ-9, ТМГФ-11 и ТГМ-3.

Для отверждения полиэфирных смол в качестве отвердителей при­ меняют различные перекисные соединения — перекись бензола, гидро­ перекись кумола, перекись метилэтилкетона, циклогексанона и др. За рубежом применяют метилдициклогексил, а в качестве ускорителей отверждения вводят различные нафтенаты металлов, например нафтенат кобальта.

Полиэфирные и другие стеклопластики не огнестойки. Для обес­ печения огнестойкости применяют связующие с инертными наполни­ телями. Так, в качестве инертного наполнителя полиэфирного связую­ щего наиболее часто используют гидроокись алюминия, обеспечиваю­ щую очень высокие самозатухающие свойства стеклопластиков. В качестве добавок, способствующих повышению огнестойкости, при­ меняют также галогены. Наиболее часто используется хлор, а веществ, содержащих бром, избегают из-за нестабильности при хранении или эксплуатации и большой стоимости. Обычно вместе с хлором в ком­ паунд добавляют около 5 % треххлористой сурьмы, которая способ­ ствует образованию при термическом разложении очень эффективного пламягасителя—оксихлорида сурьмы. Однако следует отметить, что добавление треххлористой сурьмы без галогеносодержащих компонен­ тов не совсем эффективно. В настоящее время имеется группа огне­ стойких полиэфирных смол, которые в своем составе содержат тетрахлорфталевую кислоту. Существуют и негорящие эпоксидные смолы, содержащие 15 % хлорированного полифенола и 5 % оксида сурьмы.

Свойства и применение труб из стеклопластиков. Свойства труб из стеклопластиков зависят от вида и свойств наполнителя и связую­ щего, их количественного соотношения, способа изготовления труб И др.

Трубы из стеклопластиков обладают высокой коррозионной стой­ костью, хорошими диэлектрическими свойствами, низким коэффи­ циентом шероховатости, малой плотностью и большой прочностью. Они не подвержены действию блуждающих токов. Масса труб из стек­

205

лопластиков в 4 раза меньше массы стальных и в 1,5 раза меньше мас­ сы дюралюминиевых труб, что является важным их преимуществом при транспортных и монтажных работах в осложненных условиях трубо­ проводного строительства.

Материал труб имеет относительно низкий модуль упругости (8 — 16 раз ниже, чем у стали) и, следовательно, обладает значительной гиб­ костью, что облегчает работу трубопровода в грунте.

Коэффициент линейного расширения стеклопластиковых труб сос­ тавляет примерно от 1/5 до 1/8 коэффициента линейного расширения термопластичных и 1/2 стальных труб. В связи с этим изменение их длины в результате термического расширения небольшое, а так как трубы имеют сравнительно невысокий модуль упругости, то и внут­ ренние напряжения при нагреве незначительны. Указанное различие в коэффициентах линейного расширения не препятствует совместной работе стальных и стеклопластиковых труб.

Стеклопластиковые трубы имеют коэффициент теплопередачи, в 200 раз меньший по сравнению с коэффициентом теплопередачи сталь­ ных труб. Это свойство труб позволяет во многих случаях избежать применения теплоизоляции для предотвращения охлаждения и кон­ денсации транспортируемой жидкости.

Стеклопластиковые трубы совершенно не подвержены обычно­ му коррозионному разрушению электрохимического характера. Кор­ розионная стойкость и другие свойства стеклопластиковых труб за­ висят также от вида связующего. Так, трубы на полиэфирном связую­ щем стойки в кислых средах и в различных минеральных кислотах, включая концентрированные окисляющие агенты, которым не могут противостоять трубы на эпоксидном связующем. Эпоксидные стек­ лопластиковые трубы обладают высокой коррозионной стойкостью в щелочных средах. При этом они имеют большую прочность благо­ даря лучшей адгезии эпоксидной смолы со стеклом, чем полиэфир­ ной смолы.

Свойства стеклопластиковых труб в значительной мере зависят также от вида и количества наполнителя. Трубы, армированные не­ прерывным стекловолокном, обладают большей механической проч­ ностью, особенно при динамическом нагружении. В то же время тру­ бы с беспорядочным расположением стекловолокна в меньшей сте­ пени подвержены коррозионному воздействию, чем трубы с непре­ рывным стекловолокном.

В условиях коррозионно-активных сред с температурой выше 80° С в стеклопластиковых трубах могут возникать значительные терми­ ческие напряжения из-за различия в коэффициентах линейного рас­ ширения стеклонаполнителя и связующего. Причем их значение за­

206

торые трубы разрушаются в результате термических напряжений даже без коррозионного воздействия среды. Увеличение количества стеклонаполнителя до соотношения со смолой 40 : 60 по массе и выше предот­ вращает такое разрушение труб. Оптимальным соотношением стекло­ волокна и смолы считают 60 : 40 по массе, при котором наблюдается сочетание наиболее высоких химической стойкости и прочности труб. При более высоком содержании стеклонаполнителя (до 75 %) трубы хотя и обладают высокой прочностью, но при контакте с агрессивной средой имеют невысокую коррозионную стойкость.

Стеклопластиковые трубы обладают также способностью предот­ вращать отложения парафина, так что во многих случаях отложений парафина в них вообще не образуется. Это объясняется низкой тепло­ проводностью стеклопластика, его инертностью по отношению к пара­ фину, гладкостью внутренней поверхности труб. Стеклопластиковые трубы обладают этим преимуществом не только перед-стальными, но

ч- и перед трубами из термопластов.

Внутренняя поверхность стеклопластиковых труб менее шерохо­

Трубы из стеклопластиков имеют высокие прочностные показа­ тели, близкие к сталям, но высокая прочность материала на разрыв не может быть использована ввиду раннего образования в нем неплот­ ностей разного вида (при 1 / 6 —1 / 1 0 напряжений, при которых проис­ ходит разрушение).

Одна из основных причин появления неплотностей в стеклопласти­ ковых трубах — их склонность к растрескиванию, под которой пони­ мают образование микроскопических трещин в структуре смолы под действием нагрузки. Вследствие образования неплотностей трубы из стеклопластиков становятся газопроницаемыми. Это считается глав­ ным фактором, ограничивающим их применение для трубопроводов, работающих под высоким давлением. Исследованиями возникновения и распространения трещин установлено, что ухудшение механических свойств стеклопластиков после растрескивания происходит из-за ад­ сорбции влаги. Так, для эпоксидной смолы растрескивание начинается при относительной деформации, равной 0,3—0,4 %, а наличие дефек­ тов в смоле, особенно мельчайших пустот, способствует образова­ нию трещин.

Особенно чувствительны стеклопластики к перегрузкам: долго­ вечность стеклопластиковых труб, рассчитанных на 10-летнюю рабо­ ту, снижается до 1 года при превышении давления в трубопроводной системе выше нормативного на 25 %.

Прочность труб в продольном направлении примерно в 2 раза ни­ же прочности в направлении, перпендикулярном к их оси (по кольцу),

т.е. трубы обладают анизотропией свойств.

207

Изготовляемые в настоящее время трубы имеют большой разброс значений показателей механических свойств. Поэтому при расчете трубо­ проводов из таких труб приходится исходить из наиболее низких по­ казателей прочности.

Рабочее давление в трубопроводах из стеклопластиков пока не мо­ жет быть принято более 1/3 от давления, при котором появляется в трубах течь, т.е. оно составляет примерно 1,5 —2,5 МПа.

Важное условие применения стеклопластиковых труб в нефтяной и газовой промышленности — их огнестойкость. Известно много слу­ чаев горения стеклопластиковых трубопроводов, емкостей и т.д., ког­ да происходит обугливание наружной поверхности. Однако поврежде­ ние поверхности распространяется только на несколько десятков мик­ рометров в глубину, так как полимерный материал не может передать достаточного количества тепла из-за весьма низкой теплопроводности.

Стеклопластик имеет низкую электропроводность и способен на­ капливать статический заряд электричества, поэтому при транспорти­ ровке взрывоопасных газов, жидкостей или сыпучих материалов су­ ществует серьезная опасность взрыва в результате разряда накопив­ шихся статических зарядов на поверхности пластика. Интенсивность накопления статических зарядов возрастает с увеличением скорости потока. Когда заряд достигает высокого потенциала, внезапно проис­ ходит его разрядка на грунт или соседнее заземленное оборудование, а сопровождающая этот разряд искра может воспламенять взрыво­ опасный газ или горючую жидкость. Во избежание этого применяют различные способы предотвращения накопления электростатичес­ ких зарядов. Наиболее общий способ —поддержание высокой относи­ тельной влажности внутри трубы, в результате чего на поверхности образуется пленка влаги. Действуя как поверхностный проводник, эта пленка отводит статические заряды. Тем не менее постоянное под­ держание высокой относительной влажности не всегда практически выполнимо. Другой способ — использование статических нейтрализа­ торов, которые насыщают зазор между нейтрализатором и наэлектризо­ ванным пластиком положительными и отрицательными ионами. Это могут быть высоковольтные, радиоактивные или индукционные нейт­ рализаторы.

Отвод статических зарядов можно осуществлять через заземленную металлическую сетку или фольгу, а также посредством антистатичес­ ких брызг.

Наиболее простой и перспективный способ, предупреждающий на­ копление статических зарядов, — превращение пластика из электричес­ кого изолятора в электрический проводник с различной электропро водностью за счет введения в полимерный материал наполнителей в вид< графита, ацетиленовой сажи и т.п.

Стеклопластиковым трубам свойственны и другие недостатки: низ

208

Особенности свойств труб зависят от методов их изготовления. Существует несколько способов изготовления стеклопластиковых

труб; способ намотки на оправку стекловолокнистого материала, про­ питанного смолой (при этом формование трубы ведут по внутренне­ му диаметру); центробежный способ, при котором смесь из смолы и стеклонаполнителя равномерно распределяется при вращении формы на ее внутренней поверхности, формующей наружный диаметр трубы; способ прессования или протяжки, при котором для производства тру­ бы используют оправку и форму, когда оформляют одновременно на­ ружную и внутреннюю поверхности трубы. Но любой процесс их произ­ водства обязательно включает в себя операции пропитки стекловолок­ нистого наполнителя связующим, формования трубы и полимеризации связующего. Наибольшее применение нашел способ намотки, при ко­ тором стекломатериал (нить, ровница, лента и др.) пропитывают термо­ реактивной смолой и наматывают на оправку необходимого размера. Способ намотки позволяет изготовлять трубы высокой прочности лю­ бых размеров (до нескольких метров в диаметре д нескольких десят­ ков метров в длину). i

По типу оправок, применяемых в различных странах, способ намот­ ки подразделяют на следующие разновидности.

1.Намотка армирующего материала на жесткую оправку, закреп­ ленную с обоих концов. По окончании формования стеклопластико­ вой трубы оправку вместе с ней вынимают из машины и освобождают от трубы. Таким периодическим способом можно изготовлять и бипластмассовые трубы, если перед намоткой на оправку надеть трубу из термопласта.

2.Намотка стеклопластика на оправку, представляющую собой трубу из термопласта. Оправку перед намоткой нагревают (при этом

она расширяется под действием внутреннего давления) и охлаждают в таком напряженном виде. После формования и отверждения на этой оправке трубы из стеклопластика и снижения давления оправку снова нагревают до восстановления исходных размеров. При этом оправка из термопласта сокращается в размерах и сформованная стекло­ пластиковая труба с нее свободно снимается.

3.Намотка стеклопластика на консольно закрепленную оправку. На одном участке оправки непрерывно происходит формование тру­ бы, а на другом — ее отверждение и стягивание специальным устройст­ вом. При этом можно применять пленочное герметизирующее пок­ рытие.

4.Намотка на консольную оправку с подвижными секторами (ша­

говую .оправку). Формование трубы аналогично предыдущему спосо­ бу, но перемещение готовой трубы вдоль оправки осуществляется осе­ вым перемещением попарно противоположных секторов оправки. Иногда на оправку перед зоной намотки армирующего стекломатериа-

2 1 0