Glasfiberrør

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 18. december 2015; checks kræver 24 redigeringer .

Glasfiberrør er rør lavet af glasfiber . De bruges både til at transportere forskellige medier langs dem og som strukturelle elementer (støtter, søjler, tværbjælker, skaller).

Historie

Udseendet og produktionen af glasfiberrør blev mulig i midten af 1950'erne, da man mestrede den industrielle produktion af termoplastiske bindemidler (primært epoxyharpikser) og glasfibre. Allerede dengang blev fordelene ved disse rør indlysende: lav vægt og høj korrosionsbestandighed. Men i denne periode kunne de endnu ikke vinde nogen markedsandel af rørprodukter på grund af den lave pris på "traditionelle" rørmaterialer: stål (inklusive rustfrit stål), kobber og aluminium. I midten af 1960'erne begyndte situationen at ændre sig. For det første steg prisen på legeret stål og aluminium markant. For det andet krævede begyndelsen af olieproduktion på havhylderne og i svært tilgængelige landområder brug af lette og korrosionsbestandige rør. For det tredje er produktionsteknologien af glasfiberrør blevet forbedret, og produktets ydeevne er blevet forbedret. I løbet af disse år mestrede Ameron (USA) produktionen i stor skala af højtryksglasfiberrør (op til 30 MPa) til oliefelter. Piberne var en kommerciel succes, og mange producenter af glasfiberprodukter dukkede op i USA. I 1970'erne blev amerikansk fremstillede glasfiberrør udbredt i oliefelterne i Nordamerika og Mellemøsten.

I 1980'erne opstod interessen for glasfiberrør i alle industrialiserede lande. Deres produktion og anvendelse har mestret i Europa, Japan, Taiwan. Eksperimenter begyndte med brugen af glasfiberrør i USSR.

Produktionsteknologier

Fra 2020 kendes fem fundamentalt forskellige teknologier til produktion af glasfiberrør:

Vindeglasforstærkning imprægneret med et bindemiddel på den ydre overflade af en teknologisk dorn (dorn);
centrifugal støbning;
Centrifugalstøbning fra prepreg på den indvendige overflade af den teknologiske dorn (form);
Pultrusion i mellemrummet mellem den ydre og den indre dorn;
Ekstrudering af et bindemiddel fyldt i volumen med hakket glasfiber.

Winding

Oprulningsteknologien er den enkleste at implementere og giver høj ydeevne. Vikling kan være både periodisk og kontinuerlig. Vikleteknologien sikrer høj kvalitet af rørets indre overflade på grund af dets støbning på dornens ydre overflade, men kvaliteten af den ydre overflade er lav på grund af fraværet af formelementer udenfor. For rør, der bruges til at transportere væsker og gasser, er sidstnævnte forhold ikke afgørende.

Kendt vikling ved anvendelse af termohærdende (polyester, epoxy, phenol-formaldehyd og andre harpikser) og termoplastiske (polypropylen, polyethylen, polyamid, polyethylenterephthalat, etc.) polymerbindemidler. Ved brug af termoplastiske bindemidler er et-trins og to-trins viklingsteknologier mulige. Ved anvendelse af en et-trins teknologi sker processen med at kombinere (imprægnere) et fibrøst fyldstof med et termoplastisk bindemiddel og vikling på en dorn sekventielt på den samme teknologiske installation [1] . Ved brug af en to-trins teknologi opnås først, som et resultat af kombinationsoperationen, et præimprægneret materiale (prepreg) i form af en tråd, tape, streng. Den resulterende prepreg genopvarmes derefter og påføres dornen.

Der er mange måder at lægge forstærkende glasfibre på, men spiral-ringformet, spiral-tape, langsgående-tværgående og skrå langsgående-tværgående metoder har fundet industriel anvendelse.

Spiral-ring vikling

Metoden blev først foreslået og implementeret af Ameron (USA) i 1960'erne til produktion af glasfiberrør. Med spiral-ring vikling (SKN) bevæger stableren, som er en ring med matricer jævnt fordelt rundt om omkredsen, frem og tilbage langs den roterende dorns akse. Denne bevægelse sikrer, at fibrene er kontinuerlige langs hele længden med ens stigning langs de spiralformede linjer. Ved at variere forholdet mellem dornens rotationshastighed og stablerens translationsbevægelse er det muligt at ændre vinklen på fiberstablingen. Ved rørets endesektioner i stablerens vendezone reduceres fibrenes lægningsvinkel, så de holdes på dornens overflade af friktionskræfter. På grund af dette bevarer fibrene den spænding, som stableren giver dem, og efter hærdning af bindemidlet bliver rørarmeringen belastet, hvilket forbedrer produktets fysiske og mekaniske egenskaber.

Fordelene ved spiral-ringvikling omfatter:

høj produktivitet på grund af lægning af et stort antal fibre i en pas;
høj styrke af de resulterende rør;
muligheden for at opnå samme styrke i de ringformede og aksiale retninger;
høj værdi af det aksiale elasticitetsmodul;
på grund af forspændingen af armeringen tolererer bindemidlet godt trækbelastninger uden at revne;
muligheden for at danne en generatrix med en kompleks form såvel som rør med variabel diameter;
muligheden for at lægge glasrovings, bestående af et stort antal elementære fibre (over 2400 tex);
ved brug af en sammenklappelig eller ødelæggelig dorn, muligheden for at danne lukkede skaller (cylindre, raketmotorhuse).

På grund af disse fordele er spiral-ringvikling blevet udbredt i fremstillingen af højtryksrør (især rør), strukturelle rør, kompositunderstøtninger til krafttransmissionsledninger og huse til raketmotorer med fast drivmiddel.

Denne teknologi har dog sine ulemper:

høj kompleksitet af udstyr;
den store masse af stableren, kombineret med dens hurtige frem- og tilbagegående bevægelse, fører til øgede belastninger på drevene og styremekanismerne;
kompleksiteten ved at indlæse glasfiber i den trådbærende bane;
en betydelig stigning i antallet (op til flere hundrede og endda tusinder) af fibre, der skal lægges ved vikling af rør med stor diameter, hvilket nødvendiggør brugen af et stort antal spindedyser og andre elementer i den trådbærende bane;
på grund af behovet for en omvendt bevægelse af stableren i forhold til dornen, er spiralmetoden ikke særlig velegnet til kontinuerlig oprulning.

På grund af disse ulemper bruges spiral-ringvikling sjældent til produktion af rør med stor diameter.

Spiral tape vikling

Ifølge princippet adskiller spiral-tape winding (SLN) sig ikke fra spiral-ring winding, dog danner stableren kun et smalt tape bestående af flere tiere af fibre. Kontinuiteten af armeringen sikres ved flere gennemløb af stableren. Denne teknologi er enklere end den spiral-ringformede og tillader dannelsen af rør med store diametre, men har en række ulemper:

produktiviteten af metoden er væsentligt lavere på grund af behovet for et stort antal passager af stableren;
lægningen af fibrene er ujævn og løs, hvilket forværrer rørenes fysiske og mekaniske egenskaber.

Spiraltapevikling er dog meget udbredt i produktionen af lav- og mellemtryksrør til generelle formål.

Længde-tvær vikling

Med langsgående-tværgående vikling (PPN) lægges de fibre, der forstærker røret i længde- og tværretningen, uafhængigt af hinanden. I dette tilfælde er der ikke behov for en omvendt bevægelse af stableren, og denne metode er velegnet til kontinuerlig vikling. Fordelene ved PNP omfatter:

Høj ydeevne;
evnen til at ændre forholdet mellem den ringformede og aksiale forstærkning i et bredere område end med spiralmetoder;
muligheden for at implementere kontinuerlig vikling;
kontinuiteten af de aksiale fibre og muligheden for deres spænding, som et resultat af, at rørenes fysiske og mekaniske egenskaber ikke er værre end med spiralmetoder.

Ulemper ved PPN:

Behovet for at bruge en roterende langsgående fiberstabler, hvilket komplicerer udstyret;
I tilfælde af store rørdiametre er behovet for at rumme et stort antal spoler af fibre i en roterende stabler.

Langsgående tværgående vikling har fundet bred anvendelse i in-line produktion af glasfiberrør med små diametre (op til 75 mm).

Skrå langsgående-tvær vikling

Teknologien blev udviklet i USSR på Kharkov Aviation Institute til masseproduktion af glasfiberskaller til raketter. Lidt kendt uden for Rusland og Ukraine. I Rusland var det tværtimod udbredt indtil midten af 2000'erne. I tilfælde af skrå langsgående-tværgående vikling (CCW) danner en stabler et pseudo-bånd bestående af et parallelt bundt af fibre imprægneret med et bindemiddel, viklet i en lille vinkel på dornens overflade (danner en ringformet forstærkning), som foreløbig er omviklet med uimprægnerede fibre, som danner aksial forstærkning efter lægning. Pseudo-dolent er placeret på dornen med et overlap på den forrige spole. Efter lægning på dornen rulles pseudotapelagene af ruller, hvis ydre overflade har spiralformede linjer. Rullerullning komprimerer forstærkningslaget og fjerner overskydende bindemiddel. Som et resultat er stablingen af fibre meget tæt, og bindemiddellaget mellem dem har en minimal tykkelse, hvilket har en positiv effekt på styrken af glasfiber og reducerer dets brændbarhed. Takket være valsning er det muligt at opnå et glasindhold i den hærdede glasfiber på 75-85 vægt% - et resultat uopnåeligt for andre metoder (SKN giver et glasindhold i størrelsesordenen 65-70%, og SLN og PPN - 45-60 %). Ved at variere overlapningen er det muligt at ændre tykkelsen af rørvæggen lagt i én gang. Denne metode gør det muligt at implementere kontinuerlig vikling såvel som vikling af rør med stor diameter med et lille antal samtidigt lagt fibre.

Fordelene ved CPP omfatter:

meget høj produktivitet, især ved vikling af rør med store diametre (over 150 mm);
muligheden for at vikle rør med vilkårligt store diametre (teoretisk - til det uendelige);
muligheden for kontinuerlig vikling;
meget høj fiberpakningstæthed;
lav brændbarhed af den opnåede glasfiber;
muligheden for at variere forholdet mellem ringformet og aksial forstærkning over et bredt område;
fraværet af kontinuerlig aksial forstærkning, hvilket forbedrer de dielektriske egenskaber af glasfiber.

Ulemperne ved CPP omfatter:

muligheden for mellemlagsrevner, hvilket ikke tillader oprettelsen af højtryksrør ved hjælp af denne teknologi;
brugen af syruller komplicerer brugen af hurtighærdende bindemidler;
manglen på forspænding af den aksiale forstærkning reducerer elasticitetsmodulet af glasfiber.

Oprulning med glasfiber

Oprulning med glasdug bruges relativt sjældent, på grund af de højere omkostninger ved glasdug sammenlignet med ikke-vævede fibre. Med hensyn til teknologiske egenskaber er vikling med glasfiber tæt på CPV og bruges nogle gange til småskala produktion af store rør.

Centrifugalstøbning

I 1957, i den schweiziske by Basel, blev ideen født om at bruge centrifugalstøbte glasfiberforstærkede plastrør (CC-GRP - Centrifugally Cast Glassfiber Reinforced Plastic). Denne teknologi blev først udviklet, anvendt og patenteret af HOBAS

I denne metode bliver de materialer, der udgør rørvæggen, tilført af en feeder styret af en digital controller ind i det indre af en hurtigt roterende stålform.

Sammensætningen af materialerne er polyesterharpiks, hakket glasfiberroving, kvartssand og marmormel.

Den roterende forms indre diameter er den ydre diameter af det færdige glasfiberrør. Dette gør det muligt at opnå et rør med en udvendig diameternøjagtighed på 0,1 mm.

Denne metode gør det også muligt at gøre rørvæggen mere homogen og monolitisk, for at undgå gasformige indeslutninger og delamineringer.

Da rørvæggen kan støbes i næsten alle tykkelser, fremstilles kompositprodukter med øget ringstivhed (mere end SN 12.000 n/m² og rør til mikrotunnelering, der kan modstå høje aksiale belastninger, hovedsageligt på denne måde.

Pultrusion

Pultrusion er en højtydende metode til fremstilling af glasfiberrør og sikrer høj kvalitet af den ydre og indre overflade. Samtidig har pultrudering en række begrænsninger:

kompleksiteten af implementeringen af ringforstærkning;
vanskeligheden ved at få rør med store diametre;
kompleksitet af teknologisk implementering i sammenligning med vikling;
behovet for at bruge specielle bindemidler med kort indledende hærdetid.

Pultrusion bruges til masseproduktion af glasfiberrør med små diametre med lavt arbejdstryk til VVS- og varmeformål samt til produktion af glasfiberstænger.

Ekstrudering

Ekstruderet glasfiberrør har ikke en solid regulær forstærkningsramme. Bindemidlet er fyldt med tilfældigt orienteret hakket glasfiber. Denne teknologi er enkel og yderst produktiv, men fraværet af solid forstærkning forværrer rørenes fysiske og mekaniske egenskaber markant. Termoplast (polyethylen, polypropylen) bruges hovedsageligt som polymermatrix til ekstruderet glasfiberrør.

Applikations- og ydeevnefunktioner

Relevansen og den økonomiske gennemførlighed af at bruge glasfiberrør er bestemt af en række af deres operationelle egenskaber sammenlignet med andre typer rør.

Glasfiber er kendetegnet ved en densitet på 1750-2100 kg/m 3 , mens deres trækstyrke er i området 150-350 MPa. Med hensyn til specifik styrke er glasfiber således sammenlignelig med højkvalitetsstål og overgår markant termoplastiske polymerer (HDPE, PVC) i denne indikator.
Glasfiber har en høj korrosionsbestandighed, da glas og hærdede termohærdende harpikser (polyester, epoxy), som er en del af det, har en lav reaktivitet. Ifølge denne indikator er glasfiber væsentligt bedre end jernholdige og ikke-jernholdige metaller og kan sammenlignes med rustfrit stål.
Glasfiber er et langsomt brændende, flammehæmmende selvslukkende materiale med et højt iltindeks , da ikke-brændbart glas udgør en betydelig del af massen af glasfiber. I denne indikator er glasfiber bedre end homogene og fyldte termoplastiske polymerer.
Glasfiber er et anisotropt materiale, og dets egenskaber i givne retninger kan let kontrolleres ved at variere fiberstablingsmønsteret. Således kan glasfiberrør fremstilles med lige stor sikkerhedsmargin i aksial og ringformet retning. I isotrope materialer, når rør belastes med indre tryk, er sikkerhedsmarginen i den ringformede retning altid 2 gange mindre end i den aksiale retning.
Flydegrænsen for glasfiber er tæt på trækstyrken, af denne grund er glasfiberrør meget mindre elastiske end stål- eller termoplastrør.
Glasfiber kan ikke svejses. Rørforbindelser er lavet ved hjælp af flanger, koblinger, nippel-muffeforbindelser, lim.

Baseret på disse funktioner er der dannet en række anvendelsesområder for glasfiberrør:

Olieproduktion

I olieindustrien anvendes glasfiberrør på grund af deres høje korrosionsbestandighed i aggressive miljøer (formationsvand, råolie, bore- og procesvæsker) sammenlignet med stål og høj specifik styrke sammenlignet med termoplastiske polymerer [2] .

Glasfiber bruges til fremstilling af rør- og ledningsrør (RPD-systemer) med en diameter på op til 130 mm til driftstryk på op til 30 MPa, rør til olieopsamlingsrør med en diameter på op til 300 mm til driftstryk på op til 5 MPa, hovedrør med en diameter på op til 1200 mm til driftstryk på op til 2,5 MPa.

Kulindustrien

I kulindustrien er der restriktioner på de materialer, der anvendes i lukkede minedrift. Så sikkerhedsreglerne i kulminer fastslår, at produkter fremstillet af ikke-metalliske materialer placeret i lukkede minedrift skal have et iltindeks på mindst 28%, være langsomt-brændende, vanskeligt at antænde (ifølge GOST 12.1.044) , og deres forbrændingsprodukter bør ikke være meget giftige. Af disse grunde er brugen af polyethylen- og polypropylenrør i kulminer umulig. Samtidig opfylder glasfiberrør disse krav. Det er tilrådeligt at bruge glasfiberrør i miner af en række årsager:

lav vægt, hvilket er meget vigtigt, da minerørledninger har store diametre (150-1200 mm) og monteres som regel manuelt;
korrosionsbestandighed i en mineatmosfære;
glat indre overflade, hvilket reducerer dannelsen af aflejringer af kulstøv og andet støv, der uundgåeligt er til stede i transporterede medier;
sikkerhed i metaneksplosioner, da ødelæggelsen af glasfiber sker uden dannelse af traumatiske fragmenter.

Bolig og kommunale tjenester

Glasfiberrør har fundet anvendelse i boliger og kommunale tjenester, hovedsageligt som kloakrør. Dette skyldes, at kloakrør har diametre i størrelsesordenen 600-2500 mm, de arbejder uden indvendigt tryk under ydre belastninger fra jord- og grundvandstrykket. Den høje ringstivhed af glasfiber giver dig mulighed for at skabe rør til disse forhold.

En anden anvendelse af glasfiberrør i boliger og kommunale tjenester er affaldsskakt. I de sidste 10-15 år er glasfiberrør også blevet brugt som røgrør i gaskedler og termiske kraftværker.

Noter

↑ O. I. Karpovich, A. L. Narkevich, E. A. Kuprash. Opvikling af cylindriske produkter og buede stænger fra forstærket PET (videnskabelig artikel) . Encyclopedia wiki.MPlast.by (1. marts 2014). Dato for adgang: 20. december 2015. Arkiveret fra originalen 22. december 2015. (ubestemt)
↑ En opdatering om brugen af glasfiberforingsrør og -rør i olie- og gasbrønde arkiveret 2. juni 2018 på Wayback Machine , Qatar, International Journal of Petroleum and Petrochemical Engineering (IJPPE), bind 3, udgave 4, 2017, PP 43- 53. ISSN 2454-7980 DOI:10.20431/2454-7980.0304004