| Тип профиля | Технология | Типовые размеры | Применение |
|---|---|---|---|
| Трубы круглые | Намотка, пултрузия | Ø 50-4000 мм | Трубопроводы, обсадные колонны, конструкционные элементы |
| Трубы прямоугольные | Пултрузия | 20×40 до 300×150 мм | Несущие каркасы, перила, конструкции |
| Балки двутавровые | Пултрузия | Высота до 300 мм | Несущие элементы, мостовые конструкции |
| Швеллер | Пултрузия | 40-200 мм | Опорные системы, каркасы зданий |
| Уголок | Пултрузия | 25×25 до 100×100 мм | Усиление конструкций, угловые соединения |
| Стержни круглые | Пултрузия | Ø 4-50 мм | Арматура для бетона, крепежные элементы |
| Параметр | Диапазон значений | Оптимальные условия | Примечание |
|---|---|---|---|
| Скорость протяжки | 0,5-7,6 м/мин | 4-6 м/мин | Зависит от толщины профиля и типа связующего |
| Температура фильеры (зона 1) | 100-130°C | 110-120°C | Зона предварительного нагрева |
| Температура фильеры (зона 2-4) | 130-170°C | 140-160°C | Зона полимеризации связующего |
| Температура фильеры (зона выхода) | 90-120°C | 100-110°C | Зона охлаждения и стабилизации |
| Усилие протяжки | 5,5-18 тонн | Зависит от размера | Определяется габаритами профиля |
| Содержание стекловолокна | 45-75% масс. | 65-75% масс. | Высокое содержание обеспечивает прочность |
| Свойство | Продольное направление | Поперечное направление | Метод испытаний |
|---|---|---|---|
| Предел прочности при растяжении | 240 МПа | 50 МПа | ГОСТ 32656, ASTM D638 |
| Модуль упругости при растяжении | 23 ГПа | 7 ГПа | ГОСТ 32656, ASTM D638 |
| Предел прочности при изгибе | 240 МПа | 100 МПа | ASTM D790, ISO 178 |
| Модуль упругости при изгибе | 23 ГПа | 7 ГПа | ASTM D790 |
| Предел прочности при сжатии | 220 МПа | 70 МПа | ASTM D695, ГОСТ 33519 |
| Плотность | 1,7-1,9 г/см³ | ГОСТ 15139, ASTM D792 | |
Технология намотки композитных труб
Намотка представляет собой автоматизированный процесс создания трубных изделий путем укладки стекловолокна, пропитанного полимерным связующим, на вращающуюся оправку. Метод обеспечивает высокую производительность и позволяет варьировать угол укладки волокон для достижения требуемых механических характеристик в соответствии с требованиями ГОСТ Р 53201-2023.
Спирально-кольцевая намотка
При спирально-кольцевой намотке укладочный механизм перемещается вдоль оси вращающейся оправки, обеспечивая укладку непрерывных волокон по винтовым траекториям. Изменение соотношения скорости вращения мандрели и поступательного движения укладчика позволяет регулировать угол армирования от пяти до восьмидесяти восьми градусов относительно оси трубы.
Технология впервые была реализована американской компанией Ameron в шестидесятых годах двадцатого века для изготовления насосно-компрессорных труб. Современные установки позволяют производить изделия диаметром до четырех тысяч миллиметров с кольцевой жесткостью до одного миллиона ньютонов на квадратный метр. Спирально-кольцевая намотка обеспечивает содержание стекловолокна порядка шестидесяти пяти-семидесяти процентов по массе.
Продольно-поперечная намотка
Метод был разработан в Харьковском авиационном институте и предназначался для серийного производства корпусов реактивных снарядов. При этой технологии стеклянная лента с нахлестом укладывается на оправку с одновременной прикаткой роликом, что обеспечивает плотную укладку и минимальную толщину слоя связующего между волокнами.
Благодаря прикатке достигается содержание стекловолокна от семидесяти пяти до восьмидесяти пяти процентов по массе, что превышает показатели других методов. Высокое наполнение армирующим компонентом обеспечивает выдающиеся прочностные характеристики и снижает горючесть материала. Метод позволяет реализовывать непрерывную намотку труб большого диаметра.
Процесс пултрузии профилей
Пултрузия является непрерывной технологией изготовления профильных изделий с постоянным поперечным сечением согласно ГОСТ 33344-2015. Название метода происходит от английских терминов pull (тянуть) и extrusion (экструзия), что отражает суть процесса протягивания армирующих материалов через нагретую фильеру.
Технологическая схема пултрузии
Стекловолокно в виде ровинга или комплексных нитей подается с бобин через направляющие устройства в ванну пропитки, где происходит насыщение волокон термореактивным связующим. После преформирования пропитанный материал поступает в многозонную фильеру, нагретую до температуры полимеризации от ста десяти до ста семидесяти градусов Цельсия.
Фильера обычно содержит от четырех до шести зон нагрева с температурным профилем, обеспечивающим последовательную полимеризацию связующего. Первая зона осуществляет предварительный нагрев, центральные зоны отвечают за полимеризацию, а выходная секция стабилизирует геометрию профиля и предотвращает деформацию.
Параметры процесса
Скорость протяжки составляет от четырех до шести метров в минуту для стандартных профилей, при этом максимальные значения до семи с половиной метров в минуту достигаются для тонкостенных изделий малого сечения. Усилие протяжки варьируется от пяти с половиной до восемнадцати тонн в зависимости от габаритов производимого профиля.
Качество пултрузионного профиля определяется оптимальным сочетанием скорости протяжки, температуры фильеры, вязкости связующего и степени пропитки волокон. Недостаточная температура приводит к неполной полимеризации, а избыточная может вызвать преждевременное отверждение и дефекты структуры. Контроль параметров осуществляется согласно методикам ГОСТ 33344-2015.
Материалы для пултрузии
В качестве армирующего компонента применяются стеклянные ровинги E-glass, обеспечивающие оптимальное соотношение прочности и стоимости. Для специальных применений используются углеродные или арамидные волокна. Связующими служат ненасыщенные полиэфирные, винилэфирные или эпоксидные смолы с малым временем начального отверждения.
Многослойные конструкции трубопроводов
Композитные трубы представляют собой многослойную конструкцию, где каждый слой выполняет определенную функцию согласно условиям эксплуатации и требованиям ГОСТ Р 53201-2023. Стенка трубы формируется из внутреннего коррозионностойкого слоя, несущего конструкционного слоя и наружного защитного покрытия.
Структура стенки
Внутренний слой изготавливается из химически стойкого связующего с минимальным содержанием армирования и обеспечивает герметичность и стойкость к транспортируемой среде. Конструкционный слой содержит от шестидесяти пяти до семидесяти пяти процентов стекловолокна и воспринимает эксплуатационные нагрузки. Наружное покрытие защищает трубу от механических повреждений и ультрафиолетового излучения.
Между слоями может размещаться кварцевый песок в полиэфирной матрице, увеличивающий толщину стенки и кольцевую жесткость без значительного повышения массы изделия. Такая конструкция позволяет достичь кольцевой жесткости до десяти тысяч ньютонов на квадратный метр.
Типы конструкций
Однослойные трубы состоят только из армированного стеклопластика и применяются для неагрессивных сред. Двухслойные изделия футеруются изнутри пленочными материалами, обеспечивающими повышенную химическую стойкость. Трехслойная конструкция включает внутренний коррозионностойкий слой, конструкционный слой и наружное защитное покрытие.
Композитные трубы сохраняют работоспособность в диапазоне от минус шестидесяти до плюс шестидесяти градусов Цельсия согласно ГОСТ Р 53201-2023. Повышенная температура до пятидесяти градусов практически не влияет на прочностные характеристики благодаря высокому содержанию стекловолокна, составляющему около семидесяти процентов объема материала.
Фитинги и соединения
Соединение композитных трубопроводов осуществляется с помощью специализированных фитингов, изготовленных по той же технологии намотки в соответствии с требованиями ГОСТ Р 53201-2023. Фитинги обеспечивают герметичное и долговечное соединение без применения сварки.
Муфтовые соединения
Наиболее распространенным типом являются раструбные муфты с эластомерными уплотнителями. Герметичность достигается за счет сжатия уплотнительного профиля между наружной поверхностью трубы и внутренней поверхностью муфты. Давление транспортируемой жидкости воздействует на лепестки уплотнителя, усиливая герметизацию.
Муфтовые соединения применяются для всех номинальных диаметров до четырех тысяч миллиметров и номинального давления до тридцати двух атмосфер. Центральное упорное кольцо предотвращает избыточное заглубление трубы и обеспечивает правильную посадку уплотнителя.
Фланцевые соединения
Фланцевые патрубки состоят из стеклопластиковой втулки и стального или композитного фланца. Свободные стеклопластиковые фланцы имеют плоскую контактную поверхность и используются для присоединения к арматуре или переходу на трубы из других материалов.
Резьбовые соединения
Композитные трубы под резьбовое соединение оснащаются конической резьбой с увеличенным шагом восемь ниток на дюйм и углом профиля шестьдесят градусов для повышения сдвиговой прочности. Затяжка выполняется ленточными или цепными ключами во избежание повреждения композитной стенки.
При монтаже фитингов необходимо соблюдать технологические требования производителя по усилию затяжки, глубине посадки и состоянию уплотнительных элементов. Применение обычных трубных ключей не допускается из-за риска повреждения композитной структуры.
