Glasfiberrör

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 18 december 2015; kontroller kräver 24 redigeringar .

Glasfiberrör  är rör av glasfiber . De används både för att transportera olika medier längs dem och som strukturella element (stöd, pelare, tvärbalkar, skal).

Historik

Utseendet och tillverkningen av glasfiberrör blev möjlig i mitten av 1950-talet, då den industriella produktionen av termoplastiska bindemedel (främst epoxihartser) och glasfibrer bemästrades. Redan då blev fördelarna med dessa rör uppenbara: låg vikt och hög korrosionsbeständighet. Men under denna period kunde de ännu inte vinna någon marknadsandel av rörprodukter på grund av det låga priset på "traditionella" rörmaterial: stål (inklusive rostfritt stål), koppar och aluminium. I mitten av 1960-talet började situationen förändras. För det första steg priset på legerat stål och aluminium kraftigt. För det andra krävde början av oljeproduktion på havshyllorna och i svåråtkomliga landområden användning av lätta och korrosionsbeständiga rör. För det tredje har produktionstekniken för glasfiberrör förbättrats och produktens prestanda har förbättrats. Under dessa år behärskade Ameron (USA) den storskaliga produktionen av högtrycksglasfiberrör (upp till 30 MPa) för oljefält. Rören blev en kommersiell framgång och många tillverkare av glasfiberprodukter dök upp i USA. På 1970-talet blev amerikanskt tillverkade glasfiberrör utbredda i oljefälten i Nordamerika och Mellanöstern.

På 1980-talet dök intresset för glasfiberrör upp i alla industriländer. Deras produktion och tillämpning har behärskat i Europa, Japan, Taiwan. Experiment började på användningen av glasfiberrör i Sovjetunionen.

Produktionsteknik

Från och med 2020 är fem fundamentalt olika tekniker för tillverkning av glasfiberrör kända:

Winding

Lindningstekniken (lindnings) är den enklaste att implementera och ger hög prestanda. Lindningen kan vara både periodisk och kontinuerlig. Lindningstekniken säkerställer hög kvalitet på rörets inre yta på grund av dess formning på dornens yttre yta, men kvaliteten på den yttre ytan är låg på grund av frånvaron av formelement utanför. För rör som används för att transportera vätskor och gaser är den senare omständigheten inte väsentlig.

Känd lindning med användning av värmehärdande (polyester, epoxi, fenol-formaldehyd och andra hartser) och termoplastiska (polypropen, polyeten, polyamid, polyetylentereftalat, etc.) polymerbindemedel. Vid användning av termoplastiska bindemedel är enstegs- och tvåstegslindningsteknologier möjliga. Vid användning av en enstegsteknik sker processen att kombinera (impregnera) ett fibröst fyllmedel med ett termoplastiskt bindemedel och lindning på en dorn sekventiellt på samma tekniska installation [1] . Vid användning av en tvåstegsteknik erhålls först, som ett resultat av kombinationsoperationen, ett förimpregnerat material (prepreg) i form av en tråd, tejp, sträng. Den resulterande prepregn återupphettas sedan och appliceras på dornen.

Det finns många sätt att lägga armerande glasfibrer, men spiral-ringformiga, spiral-tejp, longitudinella-tvärgående och sned längsgående-tvärgående metoder har funnit industriell tillämpning.

Spiral-ringlindning

Metoden föreslogs och implementerades först av Ameron (USA) på 1960-talet för tillverkning av glasfiberrör. Med spiralringlindning (SKN) rör sig staplaren, som är en ring med stansar jämnt fördelade runt omkretsen, fram och tillbaka längs den roterande dornens axel. Denna rörelse säkerställer att fibrerna är kontinuerliga längs hela längden med samma stigning längs de spiralformade linjerna. Genom att variera förhållandet mellan dornens rotationshastighet och staplarens translationsrörelse är det möjligt att ändra vinkeln på fiberstaplingen. Vid rörets ändsektioner i staplarens omkastningszon reduceras fibrernas läggningsvinkel så att de hålls på dornytan av friktionskrafter. På grund av detta behåller fibrerna den spänning som staplaren ger dem, och efter härdning av bindemedlet blir rörförstärkningen belastad, vilket förbättrar produktens fysiska och mekaniska egenskaper.

Fördelarna med spiral-ringlindning inkluderar:

  • hög produktivitet på grund av läggning av ett stort antal fibrer i ett pass;
  • hög hållfasthet hos de resulterande rören;
  • möjligheten att erhålla lika hållfasthet i de ringformiga och axiella riktningarna;
  • högt värde på den axiella elasticitetsmodulen;
  • på grund av förspänningen av armeringen tolererar bindemedlet dragbelastningar väl utan att spricka;
  • möjligheten att bilda en generatris med en komplex form, såväl som rör med variabel diameter;
  • möjligheten att lägga glasrovings, bestående av ett stort antal elementära fibrer (över 2400 tex);
  • vid användning av en hopfällbar eller förstörbar dorn, möjligheten att bilda slutna skal (cylindrar, raketmotorhus).

På grund av dessa fördelar har spiral-ringlindning blivit utbredd vid tillverkning av högtrycksrör (särskilt rör), strukturella rör, kompositstöd för kraftöverföringsledningar och höljen till raketmotorer för fasta drivmedel.

Men denna teknik har sina nackdelar:

  • hög komplexitet av utrustning;
  • staplarens stora massa, i kombination med dess snabba fram- och återgående rörelse, leder till ökade belastningar på drivningarna och styrmekanismerna;
  • komplexiteten i att ladda glasfiber i den trådbärande banan;
  • en betydande ökning av antalet (upp till flera hundra och till och med tusentals) fibrer som ska läggas vid lindning av rör med stor diameter, vilket kräver användning av ett stort antal spinndysor och andra delar av den trådbärande banan;
  • på grund av behovet av en omvänd rörelse av staplaren i förhållande till dornen är spiralmetoden inte särskilt lämplig för kontinuerlig lindning.

På grund av dessa nackdelar används spiralringlindning sällan för tillverkning av rör med stor diameter.

Spiralbandlindning

Enligt principen skiljer sig spiralbandlindning (SLN) inte från spiralringlindning, dock bildar staplaren endast en smal tejp bestående av flera tiotals fibrer. Kontinuiteten hos förstärkningen säkerställs genom flera genomgångar av staplaren. Denna teknik är enklare än den spiralformade och tillåter bildandet av rör med stora diametrar, men har ett antal nackdelar:

  • metodens produktivitet är betydligt lägre på grund av behovet av ett stort antal passager av staplaren;
  • läggningen av fibrerna är ojämn och lös, vilket försämrar rörens fysiska och mekaniska egenskaper.

Emellertid används spiralbandlindning i stor utsträckning vid tillverkning av låg- och medeltrycksrör för allmänt ändamål.

Longitudinell-tvärlindning

Med longitudinell-tvärlindning (PPN) läggs fibrerna som förstärker röret i längsgående och tvärgående riktningar oberoende av varandra. I detta fall finns det inget behov av en omvänd rörelse av staplaren och denna metod är lämplig för kontinuerlig lindning. Fördelarna med PNP inkluderar:

  • hög prestanda;
  • förmågan att ändra förhållandet mellan den ringformiga och axiella förstärkningen i ett bredare område än med spiralmetoder;
  • möjligheten att implementera kontinuerlig lindning;
  • kontinuiteten hos de axiella fibrerna och möjligheten till deras spänning, som ett resultat av vilket rörens fysiska och mekaniska egenskaper inte är sämre än med spiralmetoder.

Nackdelar med PPN:

  • Behovet av att använda en roterande längsgående fiberstaplare, vilket komplicerar utrustningen;
  • I fallet med stora rördiametrar, behovet av att rymma ett stort antal spolar av fibrer i en roterande staplare.

Längsgående tvärlindning har funnit bred tillämpning vid in-line produktion av glasfiberrör med små diametrar (upp till 75 mm).

Sned longitudinell-tvärlindning

Tekniken utvecklades i Sovjetunionen vid Kharkov Aviation Institute för massproduktion av glasfiberskal för raketer. Lite känd utanför Ryssland och Ukraina. I Ryssland var den tvärtom utbredd fram till mitten av 2000-talet. Vid sned longitudinell-tvärlindning (CCW) bildar en staplare en pseudo-tejp som består av ett parallellt knippe av fibrer impregnerade med ett bindemedel, lindade i en liten vinkel på dornens yta (bildar en ringformig förstärkning), som preliminärt är omlindad med oimpregnerade fibrer, som bildar axiell förstärkning efter läggning. Pseudo-dolent placeras på dornen med en överlappning på den föregående spolen. Efter att ha lagts på dornen rullas pseudotapelagren av rullar, vars yttre yta har spiralformade linjer. Rullrullning komprimerar förstärkningsskiktet och tar bort överflödigt bindemedel. Som ett resultat är staplingen av fibrer mycket tät, och bindemedelsskiktet mellan dem har en minimal tjocklek, vilket har en positiv effekt på styrkan hos glasfiber och minskar dess brännbarhet. Tack vare valsning är det möjligt att få en glashalt i den härdade glasfibern på 75-85 viktprocent - ett resultat ouppnåeligt för andra metoder (SKN ger en glashalt i storleksordningen 65-70%, och SLN och PPN - 45-60 %). Genom att variera överlappningen är det möjligt att ändra tjockleken på den utlagda rörväggen i en gång. Denna metod gör det möjligt att implementera kontinuerlig lindning, såväl som lindning av rör med stor diameter med ett litet antal samtidigt lagda fibrer.

Fördelarna med CPP inkluderar:

  • mycket hög produktivitet, speciellt vid lindning av rör med stora diametrar (över 150 mm);
  • möjligheten att linda rör med godtyckligt stora diametrar (teoretiskt - till oändlighet);
  • möjligheten till kontinuerlig lindning;
  • mycket hög fiberpackningsdensitet;
  • låg brännbarhet hos den erhållna glasfibern;
  • möjligheten att variera förhållandet mellan ringformig och axiell förstärkning över ett brett område;
  • frånvaron av kontinuerlig axiell förstärkning, vilket förbättrar de dielektriska egenskaperna hos glasfiber.

Nackdelarna med CPP inkluderar:

  • möjligheten att spricka mellan skikten, vilket inte tillåter skapandet av högtrycksrör med denna teknik;
  • användningen av stygnrullar komplicerar användningen av snabbhärdande bindemedel;
  • bristen på förspänning av den axiella förstärkningen minskar elasticitetsmodulen hos glasfiber.
Lindning med glasfiber

Lindning med glasduk används relativt sällan, på grund av den högre kostnaden för glasduk jämfört med non-woven fibrer. När det gäller tekniska egenskaper ligger lindning med glasfiber nära CPV och används ibland för småskalig produktion av stora rör.

Centrifugalgjutning

1957, i den schweiziska staden Basel, föddes idén att använda centrifugalgjutna glasfiberarmerade plaströr (CC-GRP - Centrifugally Cast Glassfiber Reinforced Plastic). Denna teknik utvecklades, tillämpades och patenterades först av HOBAS

I denna metod matas materialen som utgör rörväggen av en matare som styrs av en digital styrenhet in i det inre av en snabbt roterande stålform.   

Sammansättningen av materialen är polyesterharts, hackad glasfiberroving, kvartssand och marmormjöl.

Den roterande formens innerdiameter är ytterdiametern på det färdiga glasfiberröret. Detta gör det möjligt att få ett rör med en ytterdiameternoggrannhet på 0,1 mm.

Denna metod gör det också möjligt att göra rörväggen mer homogen och monolitisk, för att undvika gasinneslutningar och delamineringar.   

Eftersom rörväggen kan gjutas i nästan vilken tjocklek som helst tillverkas kompositprodukter med ökad ringstyvhet (mer än SN 12 000 n/m² och rör för mikrotunnel som tål höga axiella belastningar huvudsakligen på detta sätt.

Pultrusion

Pultrusion är en högpresterande metod för tillverkning av glasfiberrör och säkerställer hög kvalitet på den yttre och inre ytan. Samtidigt har pultrusion ett antal begränsningar:

  • komplexiteten i implementeringen av ringförstärkning;
  • svårigheten att få rör med stora diametrar;
  • komplexiteten hos teknisk implementering i jämförelse med lindning;
  • behovet av att använda speciella bindemedel med kort initial härdningstid.

Pultrusion används för massproduktion av glasfiberrör med små diametrar med lågt arbetstryck för VVS- och värmeändamål, samt för produktion av glasfiberstavar.

Extrudering

Extruderade glasfiberrör har inte en solid vanlig förstärkningsram. Bindemedlet är fyllt med slumpmässigt orienterad hackad glasfiber. Denna teknik är enkel och mycket produktiv, men frånvaron av solid förstärkning försämrar avsevärt rörens fysiska och mekaniska egenskaper. Termoplaster (polyeten, polypropen) används främst som polymermatris för extruderade glasfiberrör.

Applikations- och prestandafunktioner

Relevansen och den ekonomiska genomförbarheten av att använda glasfiberrör bestäms av ett antal av deras driftsegenskaper jämfört med andra typer av rör.

  • Glasfiber kännetecknas av en densitet på 1750-2100 kg/m 3 , medan deras draghållfasthet ligger i intervallet 150-350 MPa. När det gäller specifik styrka är glasfiber jämförbart med högkvalitativt stål och överträffar termoplastiska polymerer (HDPE, PVC) avsevärt i denna indikator.
  • Glasfiber har en hög korrosionsbeständighet, eftersom glas och härdade härdplaster (polyester, epoxi), som ingår i det, har låg reaktivitet. Enligt denna indikator är glasfiber betydligt överlägsen järnhaltiga och icke-järnhaltiga metaller och är jämförbart med rostfritt stål.
  • Glasfiber är ett långsamt brinnande, flamskyddande självsläckande material med ett högt syreindex , eftersom obrännbart glas utgör en betydande del av massan av glasfiber. I denna indikator är glasfiber överlägset homogena och fyllda termoplastiska polymerer.
  • Glasfiber är ett anisotropiskt material och dess egenskaper i givna riktningar kan enkelt kontrolleras genom att variera fiberstaplingsmönstret. Således kan glasfiberrör tillverkas med lika säkerhetsmarginal i axiell och ringformig riktning. I isotropa material, när rör belastas med inre tryck, är säkerhetsmarginalen i ringriktningen alltid 2 gånger mindre än i axiell riktning.
  • Sträckgränsen för glasfiber är nära draghållfastheten, av denna anledning är glasfiberrör mycket mindre elastiska än stål- eller termoplaströr.
  • Glasfiber är inte svetsbart. Röranslutningar görs med hjälp av flänsar, kopplingar, nippel-sockelanslutningar, lim.

Baserat på dessa egenskaper har ett antal användningsområden för glasfiberrör bildats:

Oljeproduktion

Inom oljeindustrin används glasfiberrör på grund av deras höga korrosionsbeständighet i aggressiva miljöer (formationsvatten, råolja, borr- och processvätskor) jämfört med stål och hög specifik hållfasthet jämfört med termoplastiska polymerer [2] .

Glasfiber används för tillverkning av rör- och ledningsrör (RPD-system) med en diameter på upp till 130 mm för arbetstryck på upp till 30 MPa, rör för oljeuppsamlingsrör med en diameter på upp till 300 mm för arbetstryck på upp till 5 MPa, huvudrör med diameter upp till 1200 mm för drifttryck upp till 2,5 MPa.

Kolindustrin

Inom kolindustrin finns det restriktioner för de material som används i sluten gruvdrift. Så säkerhetsreglerna i kolgruvor fastställer att produkter gjorda av icke-metalliska material i slutna gruvor måste ha ett syreindex på minst 28%, vara långsamt brinnande, svårantändliga (enligt GOST 12.1.044) , och deras förbränningsprodukter bör inte vara mycket giftiga. Av dessa skäl är användningen av polyeten- och polypropenrör i kolgruvor omöjlig. Samtidigt uppfyller glasfiberrör dessa krav. Användningen av glasfiberrör i gruvor är att rekommendera av flera skäl:

  • låg vikt, vilket är mycket viktigt, eftersom gruvledningar har stora diametrar (150-1200 mm) och monteras som regel manuellt;
  • korrosionsbeständighet i en gruvatmosfär;
  • slät inre yta, vilket minskar bildningen av avlagringar av koldamm och annat damm som oundvikligen finns i transporterade medier;
  • säkerhet vid metanexplosioner, eftersom förstörelsen av glasfiber sker utan bildandet av traumatiska fragment.

Bostäder och kommunala tjänster

Glasfiberrör har funnits i bostäder och kommunala tjänster, främst som avloppsrör. Detta beror på att avloppsrör har diametrar i storleksordningen 600-2500 mm, de fungerar utan inre tryck under externa belastningar från mark- och grundvattentrycket. Den höga ringstyvheten hos glasfiber gör att du kan skapa rör för dessa förhållanden.

En annan tillämpning av glasfiberrör i bostäder och kommunal service är sopnedkast. De senaste 10-15 åren har glasfiberrör även använts som rökrör i gaspannor och värmekraftverk.

Anteckningar

  1. ↑ O. I. Karpovich, A. L. Narkevich, E. A. Kuprash. Lindning av cylindriska produkter och böjda stänger av förstärkt PET (Vetenskaplig artikel) . Encyclopedia wiki.MPlast.by (1 mars 2014). Tillträdesdatum: 20 december 2015. Arkiverad från originalet 22 december 2015.
  2. ↑ En uppdatering om användningen av glasfiberhölje och slangar i olje- och gaskällor Arkiverad 2 juni 2018 på Wayback Machine , Qatar, International Journal of Petroleum and Petrochemical Engineering (IJPPE), volym 3, nummer 4, 2017, PP 43- 53. ISSN 2454-7980 DOI:10.20431/2454-7980.0304004

Länkar