Способ изготовления трубы из композиционных материалов и труба с отводом из композиционных материалов (варианты)
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 β3 - постоянный угол намотки спиральных витков на цилиндрической трубе-заготовке; кmp - 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 β3 - постоянный угол намотки спиральных витков на цилиндрической трубе-заготовке;
кmp - 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 ε, причем при изгибе увеличивают деформацию на внешнем радиусе, а на внутреннем - снижают до ε≥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 β3 - постоянный угол намотки спиральных витков на цилиндрической трубе-заготовке;
кmp - 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 ε, причем при изгибе увеличивают деформацию на внешнем радиусе, а на внутреннем - снижают до ε≥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 ε≥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 β3 - 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 ε≥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 β3.
Герметизирующий слой 3 выполнен из резиноподобного материала и сдеформирован на внутреннем радиусе 20 отвода до относительного удлинения ε≥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 ν (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, β3, α. 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 t≥5, α=90° (см. фиг.3), угол намотки оболочки-заготовки находится в диапазоне 36°16′≥β3≥25°. 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.
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 β3 - постоянный угол намотки спиральных витков на цилиндрической трубе-заготовке;
кmp - 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 ε, причем при изгибе увеличивают деформацию на внешнем радиусе, а на внутреннем снижают до ε≥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.
