RU2279601C2

RU2279601C2 - Tube made from fibrous composite material

Info

Publication number: RU2279601C2
Application number: RU2004126120/06A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Цезаревич Рапопорт (RU); Анатолий Цезаревич Рапопорт; Иван Иванович Кравченко (RU); Иван Иванович Кравченко; Гисса Индрисович Гучетль (RU); Гисса Индрисович Гучетль
Original assignee: Закрытое акционерное общество "СОЮЗНЕФТЕГАЗ РД"
Priority date: 2004-08-30
Filing date: 2004-08-30
Publication date: 2006-07-10

Abstract

FIELD: manufacture of articles from composite materials; manufacture of hermetic articles made from reinforced materials in form of bodies of revolution; chemical, petrochemical industries; aviation.

SUBSTANCE: tube made from fibrous composite material has layers of reinforced fibrous material impregnated with binder and oriented in longitudinal and transverse directions; in circular direction two layers are formed: outer layer and inner layer; outer layer is reinforced with rigid material at elasticity modulus exceeding elasticity modulus of material used for inner circular layer and longitudinal layers (flexible material) by at least 30%; thickness of outer circular layer is 40-150% of thickness of inner circular layer; used as rigid material is basalt fiber and used as flexible material is glass fiber.

EFFECT: enhanced strength of tubes; resistance of tubes to loads arising during underground laying and to bending loads; increased internal pressure of depressurization of tubes.

3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к созданию изделий из композиционных материалов, в частности герметичных изделий из армированных материалов, имеющих форму тел вращения, и может быть использовано в различных отраслях техники, например в химической, нефтехимической и авиационной.The invention relates to the creation of products from composite materials, in particular sealed products from reinforced materials having the form of bodies of revolution, and can be used in various fields of technology, for example, in the chemical, petrochemical and aviation.

Известны многослойные трубы из композиционного материала по патенту 2167357 (опубл. 20.05.2001), в которых конструкционный слой трубы из композиционного материала выполнен из армирующего материала в виде чередующихся монослоев с поперечной и продольной укладкой армирующего материала, пропитанного, например, термореактивным связующим, при этом в продольном направлении армирующий материал уложен зигзагом.Known multilayer pipes made of composite material according to patent 2167357 (publ. 05.20.2001), in which the structural layer of a pipe made of composite material is made of reinforcing material in the form of alternating monolayers with transverse and longitudinal laying of reinforcing material, impregnated with, for example, thermosetting binder, while in the longitudinal direction, the reinforcing material is zigzagged.

Данная конструкция трубы не решает проблемы повышения несущей способности при действии наружного давления грунта в случае подземной прокладки трубопровода. Подвижки грунта, особенно в поперечном направлении трубы, приводят к ее изгибу, вследствие которого нарушается целостность или герметичность. К недостаткам относится также пониженная прочность композиционного материала на сдвиг, которая отрицательно сказывается, например, при работе трубы на изгиб.This pipe design does not solve the problem of increasing the bearing capacity under the action of external soil pressure in the case of an underground pipeline. Soil movements, especially in the transverse direction of the pipe, lead to its bending, as a result of which integrity or tightness is violated. The disadvantages include the reduced shear strength of the composite material, which adversely affects, for example, when the pipe is bent.

Известна труба из конструкционных материалов по заявке 2001134004, выполненная из армирующих материалов в виде чередующихся монослоев с поперечной и продольной укладкой армирующего материала, пропитанного, например, термореактивным связующим, при этом в продольном направлении армирующий материал уложен зигзагом, вершины каждой петли зигзага зафиксированы прижимными стеклонитями, образуя косослойную продольно-поперечную структуру, при которой продольно и поперечно уложенный армирующий материал образует слоистую структуру, в которой каждый последующий монослой смещен относительно предыдущего в продольном направлении и по окружности, она состоит из внутреннего и наружного конструкционных слоев, разделенных барьерным слоем с повышенным содержанием связующего, причем толщина барьерного слоя составляет 0,5...1 мм, а толщина внутреннего конструкционного слоя равна 25...40% от оставшейся толщины трубы, а барьерный слой образован намоткой низкоплотной тканой или нетканой ленты и намоткой кольцевого ровинга.Known pipe made of structural materials according to the application 2001134004, made of reinforcing materials in the form of alternating monolayers with transverse and longitudinal laying of the reinforcing material, impregnated, for example, with thermosetting binder, while in the longitudinal direction the reinforcing material is zigzagged, the vertices of each zigzag loop are fixed by pressing glass fibers, forming a slanting longitudinal-transverse structure, in which the longitudinally and transversely laid reinforcing material forms a layered structure in which each the next monolayer is offset relative to the previous one in the longitudinal direction and around the circumference, it consists of inner and outer structural layers separated by a barrier layer with a high content of binder, and the thickness of the barrier layer is 0.5 ... 1 mm, and the thickness of the inner structural layer is 25 ... 40% of the remaining pipe thickness, and the barrier layer is formed by winding a low-density woven or non-woven tape and winding an annular roving.

Трубы данной конструкции также плохо противостоят наружному давлению грунта, подвижкам в земной коре и изгибающим нагрузкам.Pipes of this design also poorly withstand the external pressure of the soil, movements in the earth's crust and bending loads.

Предлагаемым изобретением решается задача создания прочных труб, способных противостоять нагрузкам, возникающим при подземной прокладке трубопроводов, и изгибающим нагрузкам. Кроме того, предлагаемым изобретением решается задача повышения внутреннего давления разгерметизации трубы.The present invention solves the problem of creating durable pipes that can withstand the stresses arising from underground pipelines and bending loads. In addition, the present invention solves the problem of increasing the internal pressure of the depressurization of the pipe.

Для достижения указанного технического результата труба из композиционно-волокнистого материала, содержащая слои с армирующим волокнистым материалом, пропитанным связующим и ориентированным в продольном и поперечном направлениях, причем в кольцевом направлении образованы два слоя - наружный и внутренний, наружный слой армирован материалом - жестким материалом, имеющим модуль упругости не менее чем на 30% больше, чем материал, используемый для внутреннего кольцевого и продольного слоев - нежесткий материал, толщина наружного кольцевого слоя составляет 40-150% от толщины внутреннего кольцевого слоя, в качестве жесткого материала применяется базальтовое волокно, а в качестве нежесткого материала - стеклянное волокно.To achieve the technical result, a pipe made of composite fiber material containing layers with a reinforcing fiber material impregnated with a binder and oriented in the longitudinal and transverse directions, moreover, two layers are formed in the annular direction - the outer and inner, the outer layer is reinforced with a material - hard material having the elastic modulus is not less than 30% more than the material used for the inner annular and longitudinal layers - non-rigid material, the thickness of the outer annular layer is 40-150% of the thickness of the inner annular layer, basalt fiber is used as a rigid material, and glass fiber is used as a non-rigid material.

Отличительными признаками предлагаемой трубы из композиционно-волокнистых материалов от указанной выше, наиболее близкой к ней является то, что в кольцевом направлении образованы два слоя - наружный и внутренний, причем наружный слой армирован материалом - жестким материалом, имеющим модуль упругости не менее чем на 30% больше, чем материал, используемый для армирования внутреннего кольцевого и продольного слоев нежесткий материал, толщина наружного кольцевого слоя составляет 40-150% от толщины внутреннего кольцевого слоя и в качестве жесткого материала применяется базальтовое волокно, а в качестве нежесткого материала - стеклянное волокно.The distinctive features of the proposed composite fiber pipe from the above, the closest to it is that two layers are formed in the annular direction - the outer and inner, and the outer layer is reinforced with material - a rigid material having an elastic modulus of at least 30% more than the material used to reinforce the inner annular and longitudinal layers; non-rigid material; the thickness of the outer annular layer is 40-150% of the thickness of the inner annular layer and as a gesture Basalt fiber is used as material, and glass fiber is used as a non-rigid material.

Армирование наружного слоя жестким материалом, имеющим модуль упругости не менее чем на 30% больший, чем материал, используемый для армирования внутреннего кольцевого слоя, приводит к тому, что труба при подземной прокладке лучше противостоит наружному давлению грунта, поскольку имеет повышенную жесткость в кольцевом направлении и, следовательно, более высокое критическое давление потери устойчивости. Армирование продольного слоя нежестким материалом позволяет повысить несущую способность трубы при ее изгибе вследствие поперечных подвижек в земной коре, так как при этом увеличивается предельная относительная деформация материала в осевом направлении. Кроме того, за счет сочетания менее жесткого в кольцевом направлении внутреннего слоя и более жесткого наружного слоя в радиальном направлении трубы из композиционно-волокнистых материалов возникают нормальные напряжения сжатия, препятствующие расслоениям материала и повышающим внутреннее давление разгерметизации. Нормальные напряжения сжатия в радиальном направлении приводят к дополнительному эффекту увеличения несущей способности композиционного материала на межслойный сдвиг, благодаря чему повышается несущая способность трубы при изгибающих нагрузках.Reinforcing the outer layer with a rigid material having an elastic modulus of not less than 30% greater than the material used to reinforce the inner annular layer, makes the pipe better resistant to the external pressure of the soil during underground installation because it has increased stiffness in the annular direction and therefore, a higher critical pressure of buckling. Reinforcing the longitudinal layer with non-rigid material makes it possible to increase the bearing capacity of the pipe when it is bent due to transverse movements in the earth's crust, since this increases the ultimate relative deformation of the material in the axial direction. In addition, due to the combination of an inner layer less rigid in the annular direction and a stiffer outer layer in the radial direction of the composite fiber pipe, normal compressive stresses arise, which prevent the material from delaminating and increase the internal depressurization pressure. Normal compressive stresses in the radial direction lead to the additional effect of increasing the bearing capacity of the composite material on the interlayer shear, thereby increasing the bearing capacity of the pipe under bending loads.

Предлагаемая труба из композиционно-волокнистых материалов иллюстрируется чертежом.The proposed pipe made of composite fiber materials is illustrated in the drawing.

Труба из композиционных материалов состоит из внутреннего кольцевого слоя 1, наружного кольцевого слоя 2 и продольного слоя 3. Наружный кольцевой слой армирован жестким материалом, например базальтовым волокном, а внутренний кольцевой и продольный слои армированы нежестким материалом, например стеклянным волокном.A composite pipe consists of an inner annular layer 1, an outer annular layer 2 and a longitudinal layer 3. The outer annular layer is reinforced with a rigid material, such as basalt fiber, and the inner annular and longitudinal layers are reinforced with a non-rigid material, such as glass fiber.

Изобретение поясняется примером.The invention is illustrated by example.

Труба из композиционных материалов имеет наружный кольцевой слой с армирующим волокнистым жестким материалом, например базальтовым волокном, пропитанным связующим, а внутренний кольцевой и продольный слои армированы волокнистым нежестким материалом, например стеклянным волокном, пропитанным связующим, причем толщина наружного кольцевого слоя составляет 40-150% от толщины внутреннего кольцевого слоя.The pipe made of composite materials has an outer annular layer with a reinforcing fibrous rigid material, for example, basalt fiber impregnated with a binder, and the inner annular and longitudinal layers are reinforced with a fibrous non-rigid material, for example glass fiber, impregnated with a binder, and the thickness of the outer annular layer is 40-150% of thickness of the inner annular layer.

Наличие двух видов наполнителей в различных слоях трубы из композиционно-волокнистых материалов, а также различие модуля упругости наполнителей не менее чем на 30% и соотношение толщины кольцевого наружного слоя к толщине внутреннего как 40-150% приводит к тому, что трубы данной конструкции имеют более высокую надежность в связи со следующими обстоятельствами:The presence of two types of fillers in different layers of a pipe made of composite fiber materials, as well as a difference in the modulus of elasticity of fillers by at least 30% and the ratio of the thickness of the annular outer layer to the thickness of the inner as 40-150%, leads to the fact that pipes of this design have more high reliability due to the following circumstances:

- они лучше противостоят нагрузкам, возникающим в конструкции при подземной прокладке трубопроводов, таким как наружное давление и подвижки грунта;- they better withstand the loads that arise in the structure during underground pipelines, such as external pressure and soil movements;

- они имеют более высокую герметичность при действии внутреннего давления;- they have a higher tightness under the action of internal pressure;

- они имеют повышенную прочность при наличии изгибающих нагрузках.- they have increased strength in the presence of bending loads.

Claims

1. A pipe of composite fiber material containing layers with a reinforcing fibrous material impregnated with a binder and oriented in the longitudinal and transverse directions, characterized in that in the annular direction two layers are formed - the outer and inner, and the outer layer is reinforced with material - hard material, having an elastic modulus of not less than 30% more than the material used to reinforce the inner annular layer and the longitudinal layer — non-rigid material.

2. A pipe of composite fiber material according to claim 1, characterized in that the thickness of the outer annular layer is 40-150% of the thickness of the inner annular layer.

3. A pipe made of composite fiber material, characterized in that basalt fiber is used as a rigid material, and glass fiber is used as a non-rigid material.