Procédé pour former une conduite en matière plastique renforcée La présente invention a pour objet un procédé pour former une conduite en matière plastique renforcée ayant un raccord mâle et un raccord femelle et destinée à résis ter à la fois à des pressions internes et externes.
Les conduites en matière plastique renforcée sont communément réalisées en engendrant un cylindre à par tir d'une matière filamenteuse appropriée, en enroulant de façon continue des filaments sur un mandrin amovi ble ;les filaments sont imprégnés d'une matière résineuse capable de cuisson, soit avant soit pendant leur applica tion sur le mandrin, et la structure est ensuite cuite et le mandrin enlevé. En choisissant de façon appropriée la matière filamenteuse et le liant dont les types sont : fila ments de verre et résine époxy ou polyester, on peut fabriquer des structures solides résistant à la corrosion.
Grâce à la résistance élevée des filaments en fibre de verre, une telle structure peut supporter des pressions internes substantielles. Cependant, dans la plupart des applications pour des conduites de grand diamètre telles que les conduites souterraines, l'épaisseur de la paroi est imposée par la pression externe et les efforts non unifor mes D (voir ASTM C-76-63-T) produits par la charge du sol plutôt que par la pression interne, demandant donc des structures dont les parois sont substantielle ment plus épaisses que ce qui serait nécessaire pour sup porter les pressions internes normalement rencontrées.
Comme le coût des matières premières nécessaires pour une conduite en plastique renforcé pouvant supporter une pression externe donnée est substantiellement supé rieur au coût des matières concurrentes telles que le béton armé ou l'acier, ces dernières matières sont géné ralement utilisées pour les conduites de grand diamètre bien que les conduites en plastique renforcé aient géné ralement des propriétés physiques et chimiques supé rieures.
Pour surmonter cette difficulté, on a proposé de réa liser la conduite en plastique renforcé de grand diamè- tre sous la forme de structures en sandwich . Une telle structure consiste en une fine couche de plastique ren forcé par des fibres de verre pouvant supporter la pres sion interne, entourée par une masse épaisse d'une ma tière d'armature, par exemple du béton armé, capable de supporter la compression et les charges D , sur laquelle est enroulée une fine couche de plastique ren forcé.
Cependant, lorsque ces structures sont soumises à des charges externes, la résistance à la déformation de la section circulaire se fait par des efforts de cisaille ment aux interfaces entre la matière d'armature et le plastique renforcé, et la rupture de la structure se pro duit aux liaisons entre ces matières.
L'invention a pour but de permettre de fabriquer des conduites peu coûteuses en matière plastique renforcée, capables de supporter, sans rupture, des pressions exter nes et des charges D substantielles.
Le procédé faisant l'objet de l'invention est caracté risé en ce que, sur un mandrin présentant une surface extérieure profilée pour former la surface intérieure d'une conduite et la surface intérieure d'un raccord femelle d'un plus grand diamètre intérieur, on applique une couche uniforme de matière plastique comportant de la matière de renforcement, en ce qu'on applique une matière plastique non durcie sur ladite couche pour for mer le raccord mâle distant du raccord femelle et en ce qu'on cuit ladite couche et ladite matière plastique non durcie simultanément ou l'une après l'autre.
L'invention a également pour objet une conduite en matière plastique renforcée obtenue par ce procédé et qui est caractérisée par une paroi annulaire définissant une ouverture axiale centrale, la paroi étant formée de couches de filaments et de particules maintenues cohé rentes par une résine cuite, un raccord femelle à une extrémité de la conduite et formé à partir de la paroi, et un raccord mâle à l'autre extrémité de la conduite, le raccord mâle comprenant une masse polymérique cuite superposée sur la paroi.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, une forme de mise en oeuvre du procédé, objet de l'invention. La fig. 1 est une représentation schématique de la fabrication d'une conduite.
La fi.. 2 est une coupe, à échelle agrandie, dans la paroi d'une conduite.
La fi-. 3 est une coupe à travers un mandrin illus trant la formation des raccords mâles et femelles de la conduite.
La fig. 4 est une coupe à échelle agrandie montrant la formation du raccord mâle.
La fig. 5 est une coupe d'un assemblage d'un man drin et d'un moule, et la fig. 6 est une coupe d'un autre arrangement, d'un mandrin et d'un moule.
La fig. 1 est une représentation schématique d'un appareil pour fabriquer une conduite. Comme l'appareil ne fait pas partie de cette invention, il n'y a que les élé ments nécessaires pour la compréhension de l'invention qui sont représentés une description complète d'une ma chine appropriée apparaissant dans le brevet américain N^ 3228616.
Un mandrin 1, adapté pour tourner dans le sens de la flèche, est recouvert en continu par une bande 2 de filaments 3 enduits de résine par un passage dans un pot à résine 4 et à travers des rouleaux exprimeurs 5. Les filaments sont enroulés en continu autour du mandrin et sur sa longueur, en produisant un déplacement longi- tudinal_ relatif entre le mandrin et la bande pendant que le mandrin tourne. La pente ou angle d'enroulement peut être commandé. comme c'est connu dans la techni que, en choisissant de façon appropriée la vitesse de rotation du mandrin et la vitesse du déplacement longi tudinal.
La bande 2 de filaments est de préférence appli quée avec un angle d'enroulement très élevé de sorte que les filaments continus disposés en anneaux réalisent un enroulement essentiellement périphérique.
Un assemblage à trémies 6 est maintenu au-dessus du mandrin 1, là où la bande 2 entre en contact avec lui. L'assemblage 6 à trémies comprend de préférence deux décharges 7 et 8, chacune de celles-ci ayant des ali mentations 9 et 10 séparées. La décharge 7 est située à l'avant de la décharge 8, la distance entre elles étant exa gérée à la fig. 1 en vue de la clarté, et se situe de préfé rence à la verticale du point de contact de la bande de filaments 2 et du mandrin, de sorte que les particules ali mentées par la décharge 7 soient sur la bande 2 juste avant qu'elle n'arrive sur le mandrin, et au fur et à mesure que le mandrin tourne, des particules de la dé charge 8 seront appliquées sur les particules venant de la décharge 7.
Il y a suffisamment de résine dans la bande 2 pour y faire adhérer les particules qui y sont appliquées. Les particules se trouvant dans l'ementa- tion 9 ont un calibre supérieur à celui des particules se trouvant dans l'alimentation 10, de sorte que les parti cules de calibre supérieur sont appliquées d'abord, les particules de calibre inférieur étant appliquées sur les premières ainsi que dans les espaces laissés entre elles.
Ce procédé est continué pendant un nombre de pas ses suffisant pour produire l'épaisseur de paroi désirée et, ensuite, la résine est cuite et le mandrin enlevé. Par cette technique, on obtient une uniformité plus grande de l'épaisseur des couches de sable ainsi que des charges en solides plus élevées que lorsqu'on utilise des particules de dimensions aléatoires ou d'un seul calibre. Lorsqu'on utilise des particules de dimensions aléatoires, l'épaisseur de la couche de sable est irrégulière. Lorsqu'on utilise des particules d'un seul calibre, l'épaisseur peut être com mandée mais la charge en solides est relativement faible.
Par la présente technique, les particules de calibre supé rieur sont appliquées d'abord sur la bande, établissant une couche d'épaisseur uniforme, et les particules de cali bre inférieur sont alors appliquées et passent entre les premières pour augmenter la charge en solides sans aug menter l'épaisseur des couches de particules.
Les calibres des particules peuvent être choisis entre des limites extrêmement larges, les dimensions suivantes étant des exemples plutôt que des limitations. On a trouvé que de grandes particules dont les dimensions se situent entre 2,38 et 1,19 mm et de petites particules dont les dimensions vont de 0,149 mm à 0,005 mm pro duisent des conduites ayant les caractéristiques désirées.
La fig. 2 est une coupe dans la paroi d'une conduite fabriquée selon l'invention. Il faudrait remarquer que les épaisseurs des couches de sable et des couches de fila ments ne sont pas à l'échelle et que les épaisseurs sont choisies à l'intérieur des limites établies plus haut. La couche intérieure 20 est du tissu de voile 26 contenant un enduit de gel, qui a initialement été appliqué autour du mandrin enduit de résine. Des particules telles que du sable de 0,149 mm peuvent être incorporées à l'en duit de gel 20 pour augmenter la résistance à l'érosion de la conduite terminée.
Pour fournir un renforcement longitudinal, des cou ches 21 de filaments longitudinaux ont été appliquées sur le tissu de voile, à proximité de la surface extérieure de la conduite, pour augmenter la résistance à la flexion. Le renforcement longitudinal devrait se situer unique ment à proximité de la surface intérieure et de la surface extérieure de la paroi, là où se concentre l'effort de flexion, et il est enroulé sur le mandrin sous la forme d'une bande à recouvrement partiel.
Des couches de filaments 22 à résistance élevée dis posées annulairement, séparées par des couches de par ticules 23 composées de préférence de grandes particules 24 et de particules plus petites 25 forment la structure de la paroi, entre les couches 21, et, des couches de fila ments et de particules peuvent également être appliquées sur la couche de filaments extérieure 21 pour maintenir l'orientation de cette couche. La structure globale est maintenue cohérente par la résine cuite.
<I>Exemple 1</I> Une conduite dont le diamètre intérieur fait 61 cm et le diamètre extérieur 62,9 cm a été fabriquée en utilisant des filaments de fibres de verre et du sable dont les dimensions moyennes étaient 1,19 mm et 0,149 mm. Les couches en fibres de verre avaient environ 0,0127 cm d'épaisseur et les couches de particules avaient environ 0,127 cm d'épaisseur. La conduite terminée se composait d'environ 35 % de résine, 15 % de verre et 50 % de sable, environ 10 % en poids du sable étant sous la forme de fines particules.
La formation des raccords mâles et femelles est illus trée aux fig. 3 et 4. Le mandrin 30 possède, à une de ses extrémités, une surface extérieure profilée pour for mer l'intérieur du raccord femelle comprenant une par tie d'entrée 32, une surface d'étanchéité 33 et une butée 34. L'extrémité opposée du mandrin 30 peut être équipée d'un flan vertical 35 pour donner une extrémité lisse à la conduite 36. Un flan semblable peut être utilisé à l'extré- mité femelle si on le désire.
La partie mâle 37, contenant une rainure 38 pour bague en O d'étanchéité, comprend un corps en plastique pouvant recevoir une charge telle que par exemple des mèches de fragments de verre ou du sable liés à la paroi de la conduite 36 qui a de préférence été épaissie dans cette zone par l'enroulement de couches de filaments et de couches de particules supplémentaires. Avant de cuire la résine de la conduite, un enduit de même résine est appliqué autour de cette partie de la conduite 36 et un moule annulaire en deux pièces, 50, de configuration appropriée pour former la rainure 38, est rempli de la résine crue chargée de préférence comme décrit plus haut et est serré hermétiquement autour de la conduite 36.
Toute la conduite est alors cuite, le moule étant en place. Après cuisson, le moule et le mandrin sont enlevés. De cette façon, il ne se forme pas d'inter face entre la résine de la conduite et la résine de l'élé ment mâle et une opération inutile d'usinage est éliminée.
Dans certains cas, il peut être possible de réaliser plu sieurs conduites sur le même mandrin et ceci peut être réalisé comme représenté aux fig. 5 et 6.
A la fig. 5, le mandrin 30 a, à ses deux extrémités, des accessoires 40 de forme appropriée pour former l'intérieur du raccord femelle et un moule 41 formant deux rainures pour bague en O est appliqué au centre de la conduite, comme décrit plus haut. Après cuisson, les parties 40 d'extrémité sont enlevées du mandrin et le moule 41 est enlevé de la conduite. La conduite 36 est alors enlevée du mandrin et coupée transversalement, le long de la ligne a-a, pour produire deux conduites com plètes.
De façon semblable, de nombreuses conduites peu vent être réalisées sur un mandrin en utilisant le systùme représenté à la fig. 6. En utilisant les éléments encastrés 42 et le moule 41, quatre conduites peuvent être produi tes en coupant les structures enlevées du mandrin selon les lignes a-a.
Method for forming a reinforced plastic pipe The present invention relates to a method for forming a reinforced plastic pipe having a male connector and a female connector and intended to withstand both internal and external pressures.
Reinforced plastic conduits are commonly made by generating a cylinder from a suitable filamentous material, by continuously winding filaments on a removable mandrel; the filaments are impregnated with a resinous material capable of cooking, either before or during their application to the mandrel, and the structure is then fired and the mandrel removed. By appropriately selecting the filamentous material and the binder, the types of which are: glass filaments and epoxy or polyester resin, strong structures resistant to corrosion can be made.
Due to the high strength of fiberglass filaments, such a structure can withstand substantial internal pressures. However, in most applications for large diameter pipes such as underground pipes, the wall thickness is imposed by the external pressure and the non-uniform forces D (see ASTM C-76-63-T) produced. by soil load rather than internal pressure, therefore requiring structures whose walls are substantially thicker than what would be necessary to withstand the internal pressures normally encountered.
As the cost of the raw materials required for a reinforced plastic pipe that can withstand a given external pressure is substantially higher than the cost of competing materials such as reinforced concrete or steel, the latter materials are generally used for large pipes. diameter although reinforced plastic pipes generally have superior physical and chemical properties.
In order to overcome this difficulty, it has been proposed to make the large diameter reinforced plastic pipe in the form of sandwich structures. Such a structure consists of a thin layer of plastic reinforced with glass fibers capable of withstanding internal pressure, surrounded by a thick mass of a reinforcing material, for example reinforced concrete, capable of withstanding compression and the loads D, on which is wound a thin layer of reinforced plastic.
However, when these structures are subjected to external loads, the resistance to deformation of the circular section is achieved by shear forces at the interfaces between the reinforcing material and the reinforced plastic, and the rupture of the structure is pro due to the links between these materials.
The object of the invention is to make it possible to manufacture inexpensive pipes in reinforced plastic material, capable of withstanding, without rupture, external pressures and substantial loads D.
The method forming the subject of the invention is characterized in that, on a mandrel having an outer surface profiled to form the inner surface of a pipe and the inner surface of a female connector with a larger inner diameter , applying a uniform layer of plastic material comprising reinforcing material, applying an uncured plastic material to said layer to form the male connector remote from the female connector and baking said layer and said uncured plastic material simultaneously or one after the other.
The subject of the invention is also a pipe made of reinforced plastic material obtained by this method and which is characterized by an annular wall defining a central axial opening, the wall being formed of layers of filaments and particles kept coherent by a cured resin, a female connector at one end of the pipe and formed from the wall, and a male connector at the other end of the pipe, the male connector comprising a baked polymer mass superimposed on the wall.
The appended drawing represents, by way of example, one form of implementation of the method, object of the invention. Fig. 1 is a schematic representation of the manufacture of a pipe.
The fi .. 2 is a section, on an enlarged scale, in the wall of a pipe.
The fi-. 3 is a section through a mandrel illustrating the formation of the male and female fittings of the pipe.
Fig. 4 is a section on an enlarged scale showing the formation of the male connector.
Fig. 5 is a sectional view of an assembly of a man drin and a mold, and FIG. 6 is a section through another arrangement, a mandrel and a mold.
Fig. 1 is a schematic representation of an apparatus for manufacturing a pipe. As the apparatus does not form part of this invention, there are only those elements necessary for an understanding of the invention which is shown in a full description of a suitable machine appearing in US Patent No. 3228616.
A mandrel 1, adapted to rotate in the direction of the arrow, is covered continuously by a strip 2 of filaments 3 coated with resin by passing through a resin pot 4 and through squeezing rollers 5. The filaments are wound in continuous around and along the length of the mandrel, producing a relative longitudinal movement between the mandrel and the web as the mandrel rotates. The slope or winding angle can be controlled. as is known in the art, by appropriately choosing the speed of rotation of the mandrel and the speed of longitudinal travel.
The strip 2 of filaments is preferably applied with a very high winding angle so that the continuous filaments arranged in rings form an essentially peripheral winding.
A hopper assembly 6 is held above the mandrel 1 where the web 2 contacts it. The hopper assembly 6 preferably comprises two discharges 7 and 8, each of which has separate inlets 9 and 10. The discharge 7 is situated in front of the discharge 8, the distance between them being exa managed in FIG. 1 for clarity, and is preferably located vertically above the point of contact of the filament web 2 and the mandrel, so that the particles fed by the discharge 7 are on the web 2 just before it does not reach the mandrel, and as the mandrel rotates, particles from the discharge 8 will be applied to the particles coming from the discharge 7.
There is enough resin in strip 2 to adhere the particles applied to it. The particles in item 9 have a larger size than the particles in feed 10, so the larger size particles are applied first, the lower size particles being applied to the feed. the former as well as in the spaces left between them.
This process is continued for a number of steps sufficient to produce the desired wall thickness, and then the resin is cured and the mandrel removed. This technique achieves greater uniformity of the thickness of the sand layers as well as higher solids loadings than when using particles of random size or of a single size. When using random sized particles, the thickness of the sand layer is irregular. When using single size particles, the thickness can be controlled but the solids load is relatively low.
By the present technique, the higher caliber particles are applied to the web first, establishing a layer of uniform thickness, and the lower caliber particles are then applied and pass between the first ones to increase the solids load without increase the thickness of the particle layers.
Particle sizes can be chosen from extremely wide limits, the following sizes being examples rather than limitations. It has been found that large particles ranging in size from 2.38 to 1.19 mm and small particles ranging in size from 0.149 mm to 0.005 mm produce conduits having the desired characteristics.
Fig. 2 is a section through the wall of a pipe manufactured according to the invention. It should be noted that the thicknesses of the sand layers and the filament layers are not to scale and that the thicknesses are chosen within the limits established above. The inner layer 20 is sail fabric 26 containing a gel coating, which was initially applied around the resin coated mandrel. Particles such as 0.149mm sand can be incorporated into gel pack 20 to increase the erosion resistance of the completed pipe.
To provide longitudinal reinforcement, layers 21 of longitudinal filaments have been applied to the sail fabric, near the outer surface of the pipe, to increase flexural strength. The longitudinal reinforcement should be located only near the inner surface and the outer surface of the wall, where the bending stress is concentrated, and it is wound on the mandrel as a partially overlapped tape. .
Annularly arranged high strength filament layers 22 separated by particle layers 23 preferably composed of large particles 24 and smaller particles 25 form the structure of the wall, between the layers 21, and, the layers of Filaments and particles can also be applied to the outer layer of filaments 21 to maintain the orientation of this layer. The overall structure is kept consistent by the cured resin.
<I> Example 1 </I> A pipe with an inside diameter of 61 cm and an outside diameter of 62.9 cm was fabricated using filaments of glass fibers and sand whose average dimensions were 1.19 mm and 0.149 mm. The fiberglass layers were about 0.0127 cm thick and the particle layers were about 0.127 cm thick. The completed pipe consisted of about 35% resin, 15% glass and 50% sand, with about 10% by weight of the sand being in the form of fine particles.
The formation of male and female connectors is illustrated in fig. 3 and 4. The mandrel 30 has, at one of its ends, a profiled outer surface for forging the inside of the female connector comprising an inlet part 32, a sealing surface 33 and a stop 34. L ' opposite end of mandrel 30 may be fitted with a vertical blank 35 to provide a smooth end to conduit 36. A similar blank may be used at the female end if desired.
The male part 37, containing a groove 38 for a sealing O-ring, comprises a plastic body capable of receiving a load such as for example wicks of fragments of glass or sand bonded to the wall of the pipe 36 which has preferably been thickened in this area by winding layers of filaments and additional layers of particles. Before firing the resin of the pipe, a coating of the same resin is applied around this part of the pipe 36 and a two-piece annular mold, 50, of suitable configuration to form the groove 38, is filled with the loaded raw resin. preferably as described above and is tightly tightened around pipe 36.
The entire pipe is then fired with the mold in place. After baking, the mold and the mandrel are removed. In this way, no interface is formed between the resin of the pipe and the resin of the male element and unnecessary machining operation is eliminated.
In some cases, it may be possible to make several pipes on the same mandrel and this can be done as shown in Figs. 5 and 6.
In fig. 5, the mandrel 30 has at its two ends accessories 40 of suitable shape to form the interior of the female fitting and a mold 41 forming two grooves for an O-ring is applied in the center of the pipe, as described above. After firing, the end portions 40 are removed from the mandrel and the mold 41 is removed from the pipeline. Line 36 is then removed from the mandrel and cut transversely, along line a-a, to produce two complete lines.
Similarly, many pipelines can be made on a mandrel using the system shown in fig. 6. Using the recessed elements 42 and the mold 41, four conduits can be produced by cutting the structures removed from the mandrel along lines a-a.