Стеклопластиковые трубы: особенности производства и производители

Благодаря комбинации положительных характеристик стекла и полимеров стеклопластиковые трубы получили практически безграничные перспективы применения – от обустройства вентканалов до прокладки нефтехимических трасс. Сфера эксплуатации композита во многом определяется спецификой его производства и составом связующих компонентов. Немаловажная роль в качестве продукции отведена техническим мощностям и репутации изготовителя.

Содержание:

• Стеклопластик: характеристики полимерного композита
• Технологии изготовления стеклопластиковых труб
  • Экструзия – получение бескаркасного композита
  • Пултрузия – производство труб малого диаметра
  • Центробежное литье – запатентованная техника Hobas
  • Разновидности поступательной намотки
• Параметры выбора стеклопластиковых трубопроводов
  • Жесткость и номинальное давление
  • Тип связующего материала: полиэфиры и эпоксиды
  • Конструкция стенок композитных труб
  • Метод стыковки стеклопластиковой магистрали
  • Маркировка защитного внутреннего слоя
• Обзор товаров лидирующих производителей
  • HOBAS – GRT-трубы с полиэфирным связующим
  • Flowtech – многообразие габаритных размеров
  • Технология Flowtite от Amiantit
  • Fpipes – широкий ассортимент трубной продукции
• Видео: производство стеклокомпозитных труб

Стеклопластик: характеристики полимерного композита

Стеклопластик – пластический материал, в составе которого есть стекловолокнистые компоненты и связующий наполнитель (термопластичные и термореактивные полимеры). Наряду с относительно невысокой плотностью стеклопластиковые изделия отличаются хорошими прочностными качествами.

Последние 30-40 лет стеклопластик массово применяется для изготовления трубопроводов разного назначения.

Полимерный композит является достойной альтернативой стекла, керамики, металла и бетона при производстве конструкций, рассчитанных на эксплуатацию в экстремальных условиях (нефтехимия, авиация, добыча газа, судостроение и т.п.)

Магистрали сочетают в себе качества стекла и полимеров:

1. Малый вес. Средний вес стеклопласта составляет 1,1 г/куб.см. Для сравнения, этот же параметр по стали и меди гораздо выше – 7,8 и 8,9 соответственно. Благодаря легкости, облегчаются монтажные работы и транспортировка материала.
2. Коррозийная стойкость. Составляющие композита имеют низкую реакционную способность, поэтому не подвергаются электрохимической коррозии и бактериальному разложению. Это качество – решающий аргумент в пользу стеклопласта для подземных инженерных сетей.
3. Высокие механические свойства. Абсолютный предел прочности композита уступает показателю стали, но параметр удельной прочности значительно превосходит термопластичные полимеры (ПВХ, ПНД).
4. Атмосферостойкость. Диапазон граничных температур (-60°С..+80°С), обработка труб защитным слоем из гелькоута обеспечивает невосприимчивость к лучам УФ-диапазона. Кроме того, материал стоек к ветру (предел – 300 км/ч). Некоторые производители заявляют о сейсмостойкости трубной арматуры.
5. Огнеупорность. Негорючее стекло – главный компонент стеклопласта, поэтому материал трудновоспламеняем. При горении не выделяется отравляющий газ диоксин.

Стеклопластик имеет низкую теплопроводность, что объясняет его теплоизоляционные качества.

Недостатки композитных труб: подверженность абразивному износу, образование канцерогенной пыли вследствие механической обработки и высокая стоимость в сравнении с пластиком

По мере истирания внутренних стенок оголяются и обламываются волокна – частицы могут попадать в транспортируемую среду.

Технологии изготовления стеклопластиковых труб

Физико-механические характеристики готового изделия зависят от техники производства. Композитная арматура изготавливается четырьмя разными методами: экструзия, пултрузия, центробежное литье и намотка.

Экструзия – получение бескаркасного композита

Экструзия – технологический процесс, основанный на непрерывном продавливании пастообразного или высоковязкого материала через формующий инструмент. Смола перемешивается с дробленым стекловолокном и пластичным отвердителем, а после подается в экструдер.

Готовое изделие не имеет сплошного армирующего каркаса, так как связующее наполняется стекловолокном хаотично. Отсутствие «армопояса» сказывается на снижении прочности труб

Высокопроизводительная экструзивная линия позволяет получить продукцию по низкой цене, однако спрос на нее ограничен ввиду невысоких механических свойств. Основа полимерной матрицы – полипропилен и полиэтилен.

Пултрузия – производство труб малого диаметра

Пултрузия – технология изготовления композитных длинномерных элементов с неизменным поперечным сечением. Проходя через разгоряченную формообразующую фильеру (+140°С), «вытягиваются» детали из стекловолокнистой материи, пропитанной термореактивной смолой.

В отличие от экструзивного процесса, где определяющим воздействием является давление, в пултрузивном агрегате эту роль выполняет тянущее воздействие.

Основные рабочие узлы пултрузионной установки: комплекс подачи волокна, полимерный резервуар, преформовочный прибор, термо-прессформа, тянущая лента и отрезная машина

Технологический процесс:

1. Волокнистые нити с катушек подаются в полимерную ванну, где пропитываются термопластичными смолами.
2. Обработанные волокна проходят через преформовочную установку – нити выравниваются и приобретают нужную форму.
3. Незатвердевший полимер поступает на фильеру. За счет нескольких нагревателей создается оптимальный режим для полимеризации и выбирается скорость протяжки.

Отвержденный продукт вытягивается тянущей машиной и распиливается на сегменты.

Отличительные особенности пултрузионной технологии:

• допустимые к обработке полимеры: эпоксидые, полиэфирные смолы, винилы;
• использование инновационных оптимизированных «пултрузионных» полимеров позволяет ускорить протяжку до 4-6 м/мин. (стандарт – 2-3 м/мин.);
• разбег рабочей зоны: минимум – 3,05*1 м (усилие протяжки до 5,5 т), максимум – 1,27*3,05 м (усилие – 18 т).

На выходе получается труба с идеально гладкими внешними и внутренними стенками, на высоком уровне и прочностные показатели.

Характеристики стеклопласта, полученного методом пултрузии: разрушающее напряжение на изгиб – 700-1240 МПа, теплопроводность – 0,35 Вт/кв.м°С, степень упругости на растяжение  – 21-41 ГПа

Недостатки метода относятся не к качеству исходной продукции, а к самой технологии. Аргументы «против»: высокая стоимость и длительность производственного процесса, невозможность изготовления труб большого диаметра, рассчитанных на значительные нагрузки.

Центробежное литье – запатентованная техника Hobas

Швейцарская компания Hobas разработала и запатентовала технику центробежного формирования. В этом случае производство осуществляется от наружной стенки трубы к внутренней при задействовании вращающейся формы. В состав трубопровода входят: измельченные стеклянные жгуты, песок и полиэфирные смолы.

Сырьевые компоненты подаются во вращающуюся матрицу – формируется структура внешней поверхности трубопровода. По мере производства к жидкой смоле подмешиваются твердые составляющие, наполнитель и стекловолокно – под действием катализатора полимеризация проходит быстрее.

В результате формируются многослойные гладкие стенки. Благодаря технике центробежного «напыления» структура трубы монолитная, однородная без расслоений и газообразных частиц

Дополнительные достоинства:

• высокая точность габаритов исходной продукции (внутреннее сечение вращающейся формы соответствует внешнему диаметру готового изделия);
• возможность отлить стенку любой толщины;
• высокая кольцевая жесткость полимерного композита;
• получение гладкой поверхности снаружи и внутри трубной арматуры.

Недостаток центробежного производства стеклопластиковых труб – энергоемкость и дороговизна конечного товара.

Разновидности поступательной намотки

Самая популярная техника – непрерывная намотка. Труба создается при переменном чередовании оправки стекловолокном с полимерами с процессами охлаждения. Производственный метод имеет несколько подвидов.

Спирально-кольцевая техника. Укладчиком волокон является специальное кольцо, по окружности которого расположены фильеры с нитями. Рабочий элемент непрерывно перемещается вдоль оси движущейся оправы и распределяет волокна по ходу винтовых линий.

При изменении скорости вращения оправы и перемещения укладчика, меняется угол расположения стекловолокон. На торцах трубы кольцо работает в режиме «реверс» и укладывает нити с минимальным уклоном

Основные преимущества метода:

• получение высокопрочных труб, рассчитанных на эксплуатацию под большим давлением (насосно-компрессорные инженерные сети);
• равномерная прочность по всей поверхности магистрали;
• отличная переносимость растягивающих нагрузок – трещины исключены;
• создание изделий переменного диаметра и сечений сложной конфигурацией.

Спирально-ленточная намотка. Техника аналогична предыдущей, отличие – укладчик подает узкую ленту из волокон. Плотный армирующий слой достигается увеличением количества проходов.

В производстве задействовано более дешевое оборудование, чем при спирально-кольцевом методе, но «ленточной» намотке присущи пару весомых недостатков:

• ограниченная производительность;
• рыхлая укладка волокон снижает прочность трубопровода.

Спирально-ленточный способ актуален при изготовлении трубной арматуры под низкое, умеренное давление.

Продольно-поперечный метод. Осуществляется непрерывная намотка – укладчик размещает продольные и поперечные волокна одновременно. Реверсное движение отсутствует.

Под вращающуюся оправку используются движущиеся катушки, подающие продольные армирующие волокна. При изготовлении объемных труб требуется задействовать большое количества бобин

Характеристики метода:

• используется преимущественно при создании труб сечением до 75 мм;
• есть возможность натяжения осевых нитей, за счет чего достигается прочность, как при спиральном способе.

Продольно-поперечная технология высокопроизводительна. Станки позволяют менять соотношение осевой и кольцевой арматуры в широком диапазоне.

Косослойная поперечно-продольная технология. Разработка харьковских инженеров пользуется спросом среди отечественных производителей. При косослойной намотке укладчик выводит «вуаль», состоящую из пучка связующих нитей. Лента подается на оправу под незначительным углом внахлест с предыдущим витком – образуется кольцевая арматура.

По завершению обработки всей оправки волокна обкатываются роликами – остатки связующих полимеров удаляются, армирующее покрытие уплотняется.

Прикатка позволяет добиться минимально необходимого содержания пластика. Доля стекла в отвержденном композите составляет около 80% — оптимальный результат, обеспечивающий высокую прочность и низкую воспламеняемость

Особенности косослойной накатки:

• плотность прилегания стекловолокон;
• неограниченный диаметр производимых труб;
• высокие диэлектрические свойства за счет отсутствия сплошной арматуры по оси.

Модуль упругости «косослойного» стеклопласта уступает аналогичному параметру других техник. Из-за риска появления межслойных трещин метод не реализуем при создании трубопроводов под высокое давление.

Параметры выбора стеклопластиковых трубопроводов

Выбор стеклокомпозитных труб базируется на следующих критериях: жесткости и расчетном давлении, типе связующего компонента, конструктивных особенностях стенок и способе соединения. Значимые параметры указаны в сопроводительных документах и на каждой тубе – сокращенная маркировка.

Жесткость и номинальное давление

Жесткость стеклопласта определяет способность материала противостоять внешним нагрузкам (тяжести грунта, движению транспорта) и давлению на стенки изнутри. Согласно стандартизации ISO трубная арматура классифицируется на несколько классов жесткости (SN).

Максимально допустимый уровень рабочего давления для каждого из классов: SN 2500 – 0,4 МПа, SN 5000 – 1 МПа, SN 10000 – 2,5 МПа

Степень жесткости возрастает по мере увеличения толщины стенки стеклопластикового трубопровода.

Классификация по номинальному давлению (PN) отображает градацию изделий относительно безопасного давления жидкости при температуре +20°С в течение всего срока службы (порядка 50-ти лет). Единица измерения для PN – МПа.

Некоторые производители, например Hobas, указывают комбинированные характеристики по двум параметрам (давлению и жесткости) через дробь. Трубы с рабочим давлением 0,4 МПа (класс PN — 4) со степенью жесткости (SN) в 2500 Па будут маркироваться – 4/2500.

Тип связующего материала: полиэфиры и эпоксиды

Эксплуатационные свойства трубы во многом зависят от типа связующего вещества. В большинстве случаях применяются полиэфирные или эпоксидные добавки.

>ПЭФ-связующее. Стенки формируются из термореактивных полиэфирных смол, укрепленных стекловолокном и песчаными добавками. Используемые полимеры обладают важными качествами:

• низкая токсичность;
• отверждение в условиях комнатного температурного режима;
• надежная сцепка с волокнами стекла;
• химическая инертность.

Композитные трубы с ПЭФ-полимерами не подвержены коррозии и действию агрессивных сред.

Область применения: ЖКХ, водозабор, трубопровод очистных установок, промышленная и бытовая канализация. Эксплуатационные ограничения: температура свыше +90°С, давление более 32 атмосфер >Эпоксидная смола. Связующее придает материалу повышенную прочность. Температурный предел композитов с эпоксидами до +130°С, максимальное давление – 240 атмосфер. Дополнительное преимущество – практически нулевая теплопроводность, поэтому собранные магистрали не требует дополнительной теплоизоляции. Трубы этого класса обойдутся дороже ПЭФ-изделий. Как правило, стеклопластиковые трубопроводы с эпоксидным связующим используются в нефтегазовой, нефтехимической промышленности и при организации инфраструктуры морских портов

Конструкция стенок композитных труб

По конструктивному исполнению различают: одно-, двух- и трехслойные стеклопластиковые трубы.

>Однослойные изделия. Трубы не имеют защитного футерованного покрытия, за счет чего отличаются низкой стоимостью. Особенности трубной арматуры:

• невозможность использования в регионах со сложным рельефом и суровым климатом;
• необходимость бережного монтажа (выкапывание траншеи большого объема, обустройство песчаной «подушки») – смета установочных работ возрастает.

>Двухслойные трубы. Изделия изнутри футерованы пленочным покрытием – полиэтиленом высокого давления. Защита повышает химическую стойкость и улучшает герметичность магистрали при внешних нагрузках. Однако эксплуатация арматуры в нефтепромышленных трубопроводах выявила слабые стороны двухслойных модификаций:

• недостаточность адгезии между конструктивным слоем и футеровкой – нарушение монолитности стенок;
• ухудшение эластичности защитной пленки при минусовых температурах.

При транспортировке газосодержащей среды возможно отслоение футеровки.

Предназначение двухслойного трубопровода – транспортировка разгазированных масс. Композитные трубы подходят для перекачки сточных вод, прокладки канализационных и водопроводных магистралей

Трехслойный трубопровод. Структура стеклопластиковой трубы:

1. Внешний полимерный слой (толщина 1-3 мм) – повышение механического и химического сопротивления.
2. Структурный слой – конструкционная прослойка, отвечающая за прочность изделия.
3. Лайнер (толщина 3-6 мм) – внутренняя оболочка из стеклопластика.

Внутренний слой обеспечивает гладкость, герметичность и сглаживает циклические колебания внутреннего давления.

Физико-механические характеристики трехслойных стеклопластиковых труб позволяют задействовать их в различных отраслях для транспортировки газосодержащей и жидкой среды

Метод стыковки стеклопластиковой магистрали

По способу соединения ассортимент трубной арматуры из композита подразделяется на 4 группы.

№1. Раструбно-шиповая стыковка c уплотняющим кольцом. Эластичные резиновые прокладки монтируются в ответные канавки на торцевых шипах труб. Посадочные кольца формируются на оборудовании с электронным управлением, обеспечивая точность их расположения и размеров.

Зависимо от места размещения инженерной сети и типа транспортирующей среды подбирается вид резинового уплотнителя. Трубная арматура комплектуется необходимыми кольцами

№ 2. Раструбно-шиповая с уплотнением и стопором. При обустройстве наземной магистрали необходимо компенсировать действие осевых сил на трубопровод. С этой целью кроме уплотнителя размещается стопор. Элемент изготавливается из металлического троса, поливинилхлорида или полиамида.

Стопор устанавливается в кольцевые пазы через раструбное отверстие на шиповой законцовке. Ограничитель не допускает осевое перемещение элементов магистрали

№ 3. Фланцевое соединение. Стыковка композитного трубопровода с фасонной арматурой или трубами из металла. Присоединительные габариты стеклопластиковых фланцев регламентируются ГОСТ 12815-80.

Для фланцевой фиксации у основания трубы предусмотрена специальная «стопа» с отверстиями под крепежные элементы. Ширина стыковочных бортов зависит от параметров трубопровода

№ 4. Клеевая фиксация. Неразборной метод соединения – на законцовки наносится состав из армирующих стекломатериалов с добавлением полиэфирного компонента «холодного» отверждения. Способ обеспечивает прочность и герметичность магистрали.

Маркировка защитного внутреннего слоя

Методика производства трубной продукции позволяет выпускать изделия с разным составом внутреннего слоя, определяющим стойкость магистрали к транспортируемой среде.

Многообразие товаров подразделено на 4 группы. Стеклопластиковые трубы категории HP спокойно выдерживают регулярную перекачку жидкости до +90°С, при этом придельное значение pH не должно превышать 14

Отечественные производители применяют следующую маркировку защитных покрытий. Буквенное обозначение отображает допустимую сферу использования:

• А – транспортировка жидкости с абразивами;
• П – подача и отвод холодной воды, в том числе питьевой;
• Х – допустимо использование в химически агрессивной газовой и жидкостной среде;
• Г – системы горячего водоснабжения (предел 75°С);
• С – другие жидкости, в том числе с повышенной кислотностью.

Защитное покрытие наносится слоем до 3-х мм.

Обзор товаров лидирующих производителей

Среди многообразия представленной продукции есть авторитетные бренды с многолетней положительной репутацией. К числу таких относятся товары компаний: Hobas (Швейцария), Стеклокомпозит (Россия), Amiantit (концерн из Саудовской Аравии с производственными мощностями в Германии, Испании, Польше), Ameron International (США).

Молодые и перспективные производители композитных стеклопластиковых труб: Полиэк (Россия), Arpipe (Россия) и Завод стеклопластиковых труб (Россия).

HOBAS – GRT-трубы с полиэфирным связующим

Заводы торговой марки расположены в США и многих странах Европы. Продукция группы Hobas заслужила всемирное признание за отменное качество. Трубы Hobas изготовлены по технике центробежного литья из стекловолокна и ненасыщенных полиэфирных смол.

Трубные системы Hobas широко используются в канализации, дренажных и водопроводных комплексах, промышленных трубопроводах и ГЭС. Допустима наземная укладка, размещение методом микротоннеля и протаскивания

Характеристики композитных труб Hobas:

• диаметр – 150-2900 мм;
• класс SN-жесткости – 630-10 000;
• уровень PN-давления – 1-25 (PN1 – безнапорный трубопровод);
• наличие внутреннего футеровочного антикоррозийного покрытия;
• стойкость к кислотной среде в широком диапазоне pH.

Налажено производство фасонных деталей: колен, переходников, фланцевых патрубков и тройников.

Flowtech – многообразие габаритных размеров

Компания «Стеклокомпозит» наладила линию по выпуску стеклопластиковых труб Flowtech, техника производства – непрерывная намотка. Задействовано оборудование с двойной подачей смолистых веществ. Высокотехничные смолы подаются на укладку внутреннего слоя, а более дешевый состав – на структурный слой. Методика позволяет рационализировать расход материала и удешевить продукцию.

Номенклатура труб Flowtech – 300-3000 мм, класс PN – 1-32. Стандартный метраж – 6, 12 м. Под заказ возможно производство в пределах 0,3-21 м

Технология Flowtite от Amiantit

Основные компоненты труб Flowtite: стекловолокно, полиэфирная смола, песок. Применяемая техника – непрерывная намотка, обеспечивающая создание многослойного трубопровода.

Структура стеклопластика включает шесть слоев:

• внешняя намотка из нетканой ленты;
• слой мощности – рубленое стекловолокно + смола;
• средняя прослойка – стекловолокно + песок + полиэфирная смола;
• повторный слой мощности;
• подкладка стеклянных нитей и смолы;
• защитное покрытие из нетканого стекловолокна.

Проведенные исследования показали высокую абразивную стойкость – за 100 тыс. циклов обработки гравием, потери защитного покрытия составили 0,34 мм.

Класс прочности изделий Flowtite – 2500 – 10000, под заказ возможно изготовление трубы SN-30000. Эксплуатационное давление – 1-32 атмосфер, максимальная скорость потока – 3 м/с (для чистой воды – 4 м/с)

Fpipes – широкий ассортимент трубной продукции

ООО «Полиэк» производит различные модификации трубной продукции из стеклопласта. Техника изготовления (непрерывная косослойная продольно-поперечная намотка) позволяет создавать трехслойные трубы до 130 см в диаметре.

Полимерные композитные материалы задействованы при создании обсадных труб, звеньев водоподъемных колонн, водоснабжающих трубопроводов и отопительных систем.

Номенклатурный ряд канализационных стеклопластиковых труб – 62,5-300 мм, высоконапорных изделий – 62,5-200 мм, вентиляционных каналов – 200-300 мм, обсадок скважин – 70-200 мм

Видео: производство стеклокомпозитных труб

Технология изготовления и целесообразность использования стеклопластиковых труб:

Сравнение техники непрерывной и периодической намотки волокна:

В частном домостроение стеклопластиковые трубы используются довольно редко. Основная причина – высокая стоимость, по сравнению с пластиковыми аналогами. Однако в промышленной сфере качества композита оценили по достоинству, и массово меняют изношенные металлические магистрали на стеклопластиковые.