Патент на изобретение №2396169

(54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТРУБЫ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И ТРУБА С ОТВОДОМ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ (ВАРИАНТЫ)

(57) Реферат:

Группа изобретений относится к способу изготовления трубы из композиционных материалов и трубе с отводом из композиционных материалов, выполненной указанным способом. Способ включает укладку на составную оправку герметизирующего слоя, намотку спиральных слоев силовой оболочки и термообработку. Часть оправки выполняют с изгибаемой без искажения радиуса R поперечного сечения осью, а спиральные витки закрепляют по краю зоны изгиба оправки. Затем изгибают часть оправки со слоями композиционных материалов по радиусу ее средней оси r₀, деформируя герметизирующий слой, и фиксируют изгиб до термообработки. Причем закрепление спиральных витков осуществляют по линии, построенной с касанием окружности края в зоне изгиба, представляющей собой на развертке этой окружности синусообразную волну с максимальным отклонением, не превышающим 0,04 Н, где Н – длина образующей цилиндра зоны изгиба. Спиральные витки укладывают с углом намотки где ₃ – постоянный угол намотки спиральных витков на цилиндрической трубе-заготовке; к_mp – коэффициент трения для пропитанной связующим нити витка – для мокрого способа намотки коэффициент трения находится в диапазоне 0,1-0,2; t – параметр изгиба трубы, отвода; где r₀ – средний радиус изгиба оси трубы; R – радиус поперечного сечения изгибаемой части оправки. Достигаемый при этом технический результат заключается в повышении надежности работы композиционных трубопроводов высокого давления с криволинейными отводами за счет повышения равномерности напряженного состояния армирующих волокон на криволинейных участках. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретения относятся к области машиностроения, к оболочечным конструкциям, выполненным методом намотки из однонаправленных нитей или жгутов и способам их изготовления и могут быть использованы при изготовлении труб-оболочек, применяемых в трубопроводах нефтехимической и газовой промышленности, а также в авиационной и ракетно-космической технике для изготовления патрубков сложной, пространственно ориентированной формы.

Известна труба-оболочка по патенту USA 4646618, НКИ 89-20, публ. 1987 г., содержащая слоистую стеклопластиковую силовую оболочку. Известен способ изготовления труб-оболочек и труба-оболочка по патенту RU 2115056 от 20.06.96 г., МПК⁷ F41F 3/042.

При прокладке трубопроводов в местах их поворота к цилиндрическим композитным трубам необходимо присоединить криволинейные отводы. Как правило, такие отводы являются металлическими, что существенно снижает эффект применения композитных труб вследствие коррозии металлических отводов.

Известна технология намотки криволинейных отводов в форме кругового тора, изготавливаемых на специальных торонамоточных станках, см. Буланов И.М., Воробей В.В. «Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композитных материалов». – М.: Издательство МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1998 г.

Известен способ намотки криволинейных труб по патенту SU 1039605 А1 от 03.01.80 г., МПК В21С 47/04.

Известен способ изготовления труб-оболочек из композиционных материалов на составной оправке и труба-оболочка из композиционных материалов по патенту RU 2030336 от 1991.03.05, МПК⁷ B64F 5/00.

Также известен способ изготовления труб из композиционных материалов на составной оправке и труба из композиционных материалов по патенту RU 2201345 от 2001.05.29, МПК⁷ В29С 53/82.

В известном решении реализован способ изготовления трубы из композиционных материалов, при котором на составную оправку укладывают герметизирующий слой, наматывают спиральные слои силовой оболочки и термообрабатывают.

Известная труба с отводом из композиционных материалов содержит внутренний герметизирующий слой и силовую оболочку.

Недостатком известного способа является необходимость применения сложного специализированного намоточного оборудования, которое сдерживает массовое производство отводов из композиционных материалов. Также недостатком является низкое качество отводов из композитов из-за неравномерности натяжения волокон при трансформации цилиндрического участка трубопровода, изготовленного известным способом, в криволинейный, что приводит к разрыву нитей в критических сечениях и преждевременному разрушению отвода при действии внутреннего давления.

Недостатком известного устройства является низкая надежность его работы из-за большой неравномерности напряжений в армирующих волокнах при действии внутреннего давления.

Известный способ и известная труба, как наиболее близкие по технической сущности и достигаемому результату, выбраны в качестве прототипа.

Технической задачей, на решение которой направлены заявляемые изобретения, является создание композитных труб с криволинейными отводами повышенной технологичности и повышенной надежности работы.

Технический результат, который может быть достигнут при решении поставленной задачи для способа, заключается в применении для намотки композитных труб с отводами широко используемого оборудования – 3-х, 5-ти координатных намоточных станков, а также в повышении надежности работы композитных трубопроводов высокого давления с криволинейными отводами за счет оптимального расположения армирующих волокон на криволинейных участках, обеспечивающего повышения равномерности их напряженного состояния и компенсирующего отклонения от геодезического расположения на поверхности намотки трением.

Технический результат, который может быть достигнут при решении поставленной задачи для устройства, заключается в повышении надежности работы композитных трубопроводов высокого давления с криволинейными отводами за счет повышения равномерности напряженного состояния армирующих волокон на криволинейных участках.

Поставленная задача с достижением технического результата решается за счет того, что способ изготовления трубы из композиционных материалов, при котором на составную оправку укладывают герметизирующий слой, наматывают спиральные слои силовой оболочки и термообрабатывают, а, в соответствии с изобретением, часть оправки выполняют с изгибаемой без искажения радиуса R поперечного сечения осью, спиральные витки закрепляют по краю зоны изгиба оправки, изгибают часть оправки со слоями композиционных материалов по радиусу ее средней оси r₀, деформируя герметизирующий слой, фиксируют изгиб до термообработки, причем закрепление спиральных витков осуществляют по линии, построенной с касанием окружности края в зоне изгиба, представляющей собой на развертке этой окружности синусообразную волну с максимальным отклонением, не превышающим 0,04 Н, где Н – длина образующей цилиндра зоны изгиба, а спиральные витки укладывают с углом намотки

где ₃ – постоянный угол намотки спиральных витков на цилиндрической трубе-заготовке;

к_mp – коэффициент трения для пропитанной связующим нити витка (для мокрого способа намотки коэффициент трения находится в диапазоне 0,1-0,2);

t – параметр изгиба трубы (отвода), ,

где r₀ – средний радиус изгиба оси трубы;

R – радиус поперечного сечения изгибаемой части оправки.

Изгибаемую часть оправки выполняют в виде пружины.

Герметизирующий слой выполняют из резиноподобного материала, деформируя его перед намоткой в осевом направлении до деформации , причем при изгибе увеличивают деформацию на внешнем радиусе, а на внутреннем – снижают до 0.

В качестве элемента оправки используют неудаляемый тонкостенный лейнер с гофрированной изгибаемой частью. Для устройства поставленная задача с достижением технического результата решается тем, что труба с отводом из композиционных материалов, содержит внутренний герметизирующий слой и силовую оболочку, а, в соответствии с изобретением, она выполнена описанным выше способом.

Отличительными признаками для способа являются следующие признаки:

– часть оправки выполняют с изгибаемой без искажения радиуса R поперечного сечения осью – признак существенный, предусматривает новую последовательность операций и их новое исполнение, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата, на повышение технологичности композитных труб с отводами при их массовом производстве за счет изготовления на широко используемом оборудовании;

– спиральные витки закрепляют по краю зоны изгиба оправки – признак существенный, предусматривает наличие новых операций, новую последовательность их выполнения и их новое исполнение, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата, на повышение технологичности труб и их качества за счет оптимального расположения армирующих волокон на криволинейных участках;

– изгибают часть оправки со слоями композиционных материалов по радиусу ее средней оси r₀, деформируя герметизирующий слой, фиксируют изгиб до термообработки – признак существенный, предусматривает наличие новых операции, новую последовательность их выполнения и их новое исполнение, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата, на повышение технологичности и качества композитных труб с отводами при их массовом производстве за счет возможности изготовления на широко используемом оборудовании;

– закрепление спиральных витков осуществляют по линии, построенной с касанием окружности края в зоне изгиба, представляющей собой на развертке этой окружности синусообразную волну с максимальным отклонением, не превышающим 0,04 Н, где Н – длина образующей цилиндра зоны изгиба – признак существенный, предусматривает наличие новых операций, новую последовательность их выполнения и их новое исполнение, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата, на повышение качества труб за счет повышения надежности их работы в условиях действия высокого внутреннего давления, так как при изгибе длина нити витка не должна меняться, иначе это приведет к потере натяжения и провисанию отдельных нитей или, наоборот, к дополнительному их натяжению, и под действием внутреннего давления предельная их деформация превысит допустимую ~2-4%;

– спиральные витки укладывают с углом намотки

где ₃ – постоянный угол намотки спиральных витков на цилиндрической трубе-заготовке;

к_mp – коэффициент трения для пропитанной связующим нити витка (для мокрого способа намотки коэффициент трения находится в диапазоне 0,1-0,2);

t – параметр изгиба трубы (отвода), ,

где r₀ – радиус изгиба оси трубы;

R – радиус поперечного сечения изгибаемой части оправки – признак существенный, предусматривает новое исполнение операции, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата, на повышение качества труб за счет повышения надежности их работы, так как при изгибе до отверждения нить отклоняется от геодезического расположения в зависимости от первоначального угла намотки, а при указанных параметрах она будет находиться в равновесии и не сползать в процессе изгиба трубы (см. аналог Буланов И.М., Воробей В.В. «Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композитных материалов»);

– изгибаемую часть оправки выполняют в виде пружины – признак существенный, предусматривает наличие новой операции и новое ее исполнение, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата, на повышение технологичности труб за счет возможности трансформации оправки без искажения радиуса R ее поперечного сечения в зоне изгиба;

– герметизирующий слой выполняют из резиноподобного материала, деформируя его перед намоткой в осевом направлении до деформации , причем при изгибе увеличивают деформацию на внешнем радиусе, а на внутреннем – снижают до 0 – признак существенный, предусматривает наличие новой операции и новое ее исполнение, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата, на повышение качества труб за счет повышения качества внутренней поверхности трубы в зоне изгиба и отсутствия гофр в герметизирующем слое;

– в качестве элемента оправки используют неудаляемый тонкостенный лейнер с гофрированной изгибаемой частью – признак существенный, предусматривает наличие новой операции и новое ее исполнение, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата, на повышение технологичности и качества труб за счет возможности трансформации оправки без искажения радиуса R ее поперечного сечения в зоне изгиба и повышения герметичности, признак совмещает функции элемента гибкой оправки и герметизирующего слоя.

Отличительными признаками трубы, выполненной описанным выше способом, являются следующие признаки:

– спиральные витки закреплены по краю зоны изгиба – признак существенный, предусматривает новую взаимосвязь элементов, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата, на повышение надежности работы трубы за счет оптимального расположения армирующих волокон на криволинейных участках;

– закрепление спиральных витков осуществлено по линии, построенной с касанием окружности края в зоне изгиба, представляющей собой на развертке этой окружности синусообразную волну с максимальным отклонением, не превышающим 0,04 Н, где Н – длина образующей цилиндра зоны изгиба – признак существенный, предусматривает новую форму элементов и их новое расположение, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата, на повышение надежности работы трубы за счет повышения равномерности натяжения нитей;

– спиральные витки уложены с оптимальным углом намотки – признак существенный, предусматривает новую форму элементов, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата, на повышение надежности работы трубы за счет оптимального расположения нити на криволинейных участках;

– герметизирующий слой выполнен из резиноподобного материала и сдеформирован на внутреннем радиусе отвода до относительного удлинения 0 – признак существенный, предусматривает новое расположение элементов и их новую взаимосвязь, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата, на повышение надежности работы за счет повышения качества внутренней поверхности трубы в зоне отвода;

– труба снабжена тонкостенным лейнером с гофрированной изгибаемой частью – признак существенный, предусматривает наличие новых элементов, и их новую форму, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата, на повышение надежности работы за счет повышения герметичности и совмещения функций оправки и герметизирующего лейнера.

Указанные отличительные признаки являются существенными, поскольку каждый в отдельности и все совместно направлены на решение поставленной задачи с достижением технического результата. Использование единой совокупности существенных отличительных признаков в известных решениях не обнаружено, что характеризует соответствие технического решения критерию «новизна».

Единая совокупность новых существенных признаков с общими известными обеспечивает решение поставленной задачи с достижением технического результата и характеризует предложенные технические решения существенными отличиями по сравнению с известным уровнем техники и аналогами. Данные технические решения являются результатом научно-исследовательской и экспериментальной работы по повышению технологичности изготовления и надежности работы композитных труб с криволинейными отводами без использования известных проектировочных решений, рекомендаций, материалов и обладают неочевидностью, что свидетельствует об их соответствии критерию «изобретательский уровень». Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид (в аксонометрии) способа намотки, на фиг.2 – общий вид (в аксонометрии) трубы с криволинейным отводом, на фиг.3 – общий вид трубы с криволинейным отводом, на фиг.4 – общий вид отвода с желобом, на фиг.5 – поперечное сечение отвода с желобом, на фиг.6 – общий вид (в аксонометрии) трубы с линией закрепления спиральных витков, на фиг.7 – развертка окружности края с синусообразной линией закрепления, на фиг.8 – общий вид способа пружинной вставкой, на фиг.9 – труба с тонкостенным лейнером.

Способ изготовления трубы 1 из композиционных материалов, при котором на составную оправку 2 укладывают герметизирующий слой 3, наматывают спиральные слои 4 силовой оболочки 5 и термообрабатывают.

Часть оправки 6 выполняют с изгибаемой, без искажения радиуса R поперечного сечения, осью 7, спиральные витки 4 закрепляют по краю 8 зоны изгиба 9 оправки 2.

Изгибают оправку 2 со слоями композиционных материалов по радиусу ее средней оси r₀, деформируя герметизирующий слой 3, фиксируют изгиб до термообработки с помощью, например, разъемного криволинейного желоба 10.

Закрепление спиральных витков 4 осуществляют по линии 11, построенной с касанием 12 окружности 13 края в зоне 6 изгиба, представляющей собой на развертке 14 этой окружности 13 синусообразную волну 15 с максимальным отклонением 16, не превышающим 0,04 Н, где Н – длина образующей цилиндра зоны изгиба, а спиральные витки 4 укладывают с углом намотки ₃ – 17.

Изгибаемую часть 6 оправки 2 выполняют в виде пружины 18.

Герметизирующий слой 3 выполняют из резиноподобного материала, деформируя его перед намоткой в осевом направлении до 6, причем при изгибе увеличивают деформацию на внешнем радиусе 19, а на внутреннем – 20 – снижают до 0.

В качестве элемента оправки используют неудаляемый лейнер 21 с гофрированной 22 изгибаемой частью 6.

Труба 1 с отводом из композиционных материалов содержит внутренний герметизирующий слой 3 и силовую оболочку 5.

Спиральные витки 4 закреплены по краю 8 зоны изгиба 9.

Закрепление спиральных витков 4 осуществлено по линии 11, построенной с касанием 12 окружности 13 края 8 в зоне изгиба 9, представляющей собой на развертке 14 этой окружности синусообразную волну 15 с максимальным отклонением 16, не превышающим 0,04 Н, где Н – длина образующей цилиндра зоны изгиба 9.

Спиральные витки 4 уложены с оптимальным углом намотки ₃.

Герметизирующий слой 3 выполнен из резиноподобного материала и сдеформирован на внутреннем радиусе 20 отвода до относительного удлинения 0. Труба 1 снабжена тонкостенным лейнером 21 с гофрированной 22 изгибаемой частью 6.

Вариант исполнения способа заключается в том, что перед изгибанием трубы 1 спиральные витки 4 закрепляют, нанося по линии 11 тонкую полоску клея быстрого отверждения. Положение точки касания 12 по углу (см. фиг.6), положение и величину максимального отклонения 16 синусообразной волны и длину нити на отводе определяют расчетным путем в зависимости от параметров отвода t, ₃, . После отверждения трубы оправку 2 с изгибаемой частью 6, выполненной в виде пружины 18, выкручивают из трубы в одну или в обе стороны, при этом оправка должна быть разъемной.

Вариант исполнения устройства заключается в том, что для криволинейной трубы с параметрами отвода t5, =90° (см. фиг.3), угол намотки оболочки-заготовки находится в диапазоне 36°16₃25°. Нижнее ограничение рассчитано по приведенному выше существенному признаку, а верхний предел соответствует известному равновесному углу намотки спиральных слоев на цилиндре, когда давление воспринимается за счет растягивания нитей (см. Лепетов В.А. Расчеты и конструирование резиновых технических изделий и форм. – Изд. Химия. Ленинградское отд., стр.133). Угол намотки на отводе (в зоне 9) является переменным, причем минимум угла намотки совпадает с углом намотки цилиндрической частив. Толщина цилиндрической части трубы является постоянной, а толщина отвода – переменной. Отношение максимальной толщины спиральных слоев на внутреннем экваторе отвода к толщине спиральных слоев на цилиндрической части составляет 1,25-1,0, а минимальной толщины на внешнем экваторе – 0,8-1,0.

Работает труба следующим образом. Внутреннее давление воспринимается в отводе (в зоне 9) за счет растягивания нитей спиральных витков 4. Уменьшение угла намотки отвода ниже 25° приводит к значительному снижению осевой прочности отвода в зоне внешнего экватора по сравнению с цилиндрической частью.

Таким образом, использование изобретений позволит создать высокотехнологичную конструкцию криволинейных труб из композиционных материалов с повышенной надежностью их работы, что и подтверждает использование по назначению. Осуществимость изобретений подтверждена положительными результатами испытаний образцов и фрагментов конструкций, разработка и изготовление которых полностью основаны на представленном описании. В связи с этим новое техническое решение соответствует и критерию «промышленная применимость», т.е. уровню изобретения.

Формула изобретения

1. Способ изготовления трубы из композиционных материалов, при котором на составную оправку укладывают герметизирующий слой, наматывают спиральные слои силовой оболочки и термообрабатывают, отличающийся тем, что часть оправки выполняют с изгибаемой без искажения радиуса R поперечного сечения осью, спиральные витки закрепляют по краю зоны изгиба оправки, изгибают часть оправки со слоями композиционных материалов по радиусу ее средней оси r₀, деформируя герметизирующий слой, фиксируют изгиб до термообработки, причем закрепление спиральных витков осуществляют по линии, построенной с касанием окружности края в зоне изгиба, представляющей собой на развертке этой окружности синусообразную волну с максимальным отклонением, не превышающим 0,04 Н, где Н – длина образующей цилиндра зоны изгиба, а спиральные витки укладывают с углом намотки

где ₃ – постоянный угол намотки спиральных витков на цилиндрической трубе-заготовке;
к_mp – коэффициент трения для пропитанной связующим нити витка, для мокрого способа намотки коэффициент трения находится в диапазоне 0,1-0,2;
t – параметр изгиба трубы-отвода,
где r₀ – средний радиус изгиба оси трубы;
R – радиус поперечного сечения изгибаемой части оправки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что изгибаемую часть оправки выполняют в виде пружины.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что герметизирующий слой выполняют из резиноподобного материала, деформируя его перед намоткой в осевом направлении до деформации , причем при изгибе увеличивают деформацию на внешнем радиусе, а на внутреннем снижают до 0.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве элемента оправки используют неудаляемый тонкостенный лейнер с гофрированной изгибаемой частью.

5. Труба с отводом из композиционных материалов, содержащая внутренний герметизирующий слой и силовую оболочку, отличающаяся тем, что она выполнена способом по п.1.

6. Труба с отводом из композиционных материалов, содержащая внутренний герметизирующий слой и силовую оболочку, отличающаяся тем, что она выполнена способом по п.3.

7. Труба с отводом композиционных материалов, содержащая внутренний герметизирующий слой и силовую оболочку, отличающаяся тем, что она выполнена способом по п.4.

РИСУНКИ