Многослойная лента для упрочнения пустотелых испытывающих давление корпусов, способ ее изготовления и способ ремонта корпусов с использованием этой ленты

Многослойная лента для упрочнения пустотелых испытывающих давление корпусов, способ ее изготовления и способ ремонта корпусов с использованием этой ленты

Реферат

 

Использование: строительство и ремонт подземных и подводных трубопроводов. Сущность изобретения: многослойная лента для упрочнения пустотелых испытывающих давление корпусов содержит внешний слой из композиционного материала, клейкий слой, слой из пластической несущей пленки и клейкий слой, контактирующий с трубопроводом. На внешний слой дополнительно наносят слой грунтовки. Способ изготовления многослойной ленты заключается в соединении нескольких ее слоев при "холодных" или "горячих" условиях с проведением полотен между обжимными роликами с последующей резкой полотен на ленты. Способ ремонта и упрочнения изношенных пустотелых испытывающих давление корпусов заключается в намотке на них с нахлестом слоев предварительно натянутой многослойной ленты с последующим снижением натяжения ленты до нуля. 3 с. и 9 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к строительству и может быть использовано для ремонта и упрочнения испытывающих давление пустотелых корпусов, в частности в области ремонта трубопровода, проложенного под водой. Проблемы ремонта пустотелых испытывающих давление корпусов, в частности, трубопроводов и резервуаров под давлением, известны в данной области техники.

Что касается собственно трубопроводов, то они выполнены из отрезков металлической трубы, сваренных вместе. Непрерывный трубопровод, выполненный таким образом, укладывается на постоянной опоре.

Хотя предусмотрены защитные меры против ржавчины (влажность имеет место как в случае подземной прокладки, так и в случае подводной прокладки трубопровода), сами покрывающие материалы не лишены, обычно, определенной проницаемости и со временем также теряют до некоторой степени свои свойства. Более того, существующая процедура, включающая покрытие, укладку и возможно повторные закапывания трубопровода, может вызывать легкие повреждения и/или отслаивание покрытия. Коррозия может привести к серьезным повреждениям трубопровода. Другие виды поломок могут происходить вследствие естественных явлений таких, как землетрясения или оползни.

В данной области предлагались и находили применение различные способы ремонта поврежденных секций.

Наиболее радикальный из них заключается в том, что заменяют поврежденную секцию путем удаления куска металлической трубы, в котором оказалось повреждение, и врезания нового куска трубы на это место, отсюда, в основном, повторяется процедура, обычная в конструировании трубопроводов. Этот способ имеет ряд серьезных недостатков из-за того что он очень трудоемкий, дорогой и не всегда может быть осуществлен, а кроме того, для его проведения требуется выключать из работы целиком весь трубопровод на длительное время.

Альтернативно может быть использована термопластическая лента из композиционного материала после предварительного нагревания открытым пламенем или струей горячего воздуха, с помощью которых осуществляется размягчение вяжущей основы, использованной в ленте для того, чтобы можно было скрепить различные слои ленты, необходимые для обеспечения механической прочности ремонтируемого корпуса.

Эта система, которая обладает тем преимуществом, что для ремонта не требуется перекрывать действующий трубопровод, имеет другие недостатки. Склеивание ленты с трубопроводом настолько недостаточно, что требуется соответствующая грунтовка поверхности для улучшения приклеивания термопластичной ленты к трубе.

Существуют также большие затруднения при нагревании трубы до нужной температуры (180 200^oC) ввиду ее значительной теплопроводности, и, если ремонтные работы проводятся в поле, то, как правило, невозможно обеспечить необходимый источник нагревания. Если бы можно было сконструировать передвижную установку для полевых ремонтных работ, то такая машина стала бы невыгодной по соображениям веса и размеров из-за того, что невозможно разместить нагревательные средства, вроде нужного ряда газовых цилиндров, на вращающейся части, которая подает ленту.

Очевидно, что описанный выше способ не пригоден для ремонта трубопровода с подводной прокладкой.

В заявке GB-A N 2080475 описан способ для ремонта трубопровода с подводной прокладкой, использующий корпус из двух частей, который приваривается к трубе вблизи дефекта. Затем в корпус накачивают эпоксидную смолу до его полного заполнения. Спустя некоторое время, необходимое для затвердевания смолы, трубопровод снова включают в работу под давлением. Основной недостаток этого метода состоит в необходимости выключать трубопровод из работы. В дополнение к этому, способ пригоден только для ремонта мелких несквозных отверстий и мелких трещин.

Теперь найден способ ремонта пустотелых испытывающих давление корпусов, который состоит в том, что обертывают дефектную трубу несколькими слоями из особой ленты без использования грунтовки или источников нагревания. Способ является не только пригодным для ремонта подземных трубопроводов, но и обладает преимуществами для трубопроводов с подводной прокладкой.

Указанная лента имеет значительное преимущество благодаря простому применению в холодных условиях на трубах в присутствии воды и благодаря способности приклеиваться к трубе, создает тем самым препятствие для образования коррозии.

В соответствии с этим, изобретение, в первую очередь, предусматривает наличие многослойной ленты для упрочнения пустотелых, испытывающих давление корпусов, которая состоит из: a первого гибкого слоя композиционного материала, содержащего волокна с полимерной вяжущей основой; b второго клейкого слоя; с третьего слоя, содержащего пластическую несущую пленку; d - четвертого клейкого слоя.

По предпочтительному варианту, тонкий слой грунтовки предусмотрен на внешней поверхности многослойной ленты по настоящему изобретению для того, чтобы улучшить склеивание ленты по ленте.

Лента, по изобретению, которая по предпочтительному варианту имеет ширину от 8 до 20 мм, имеет общую толщину от 0,5 до 2 мм, предпочтительно 0,8 1,5 мм и наиболее предпочтительно 0,9 1,2 мм.

Гибкий слой "а" из композиционного материала представляет собой полотно с высокими механическими свойствами, которое содержит непрерывные однонаправленные волокна, внедренные в термопластичную смолу, причем весовое содержание волокнистой части составляет по меньшей мере 50% а предпочтительно по меньшей мере 70% по весу. Предварительная обработка этих материалов описана в заявке США N A-4626306 и в релевантной заявке США A-4514245, приведенной в отчете о поиске (в качестве материала для упрочнения испытывающих давление пустотелых корпусов, таких как трубы и резервуары).

Волокнистую часть этих композиционных полотен выбирают из таких волокон, у которых точках размягчения превышает ту же точку у пластического полимера, например, асбест, стекло, бор, углерод, графит или ароматические полиамидные волокна.

Смола для такого композиционного материала может быть полиамидной, поливинилхлоридной, поликарбонатной или полиэфирной смолой или их смесями, или любым термопластическим или термореактивным материалом.

По предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения волокно этого композиционного материала представляет собой поли-(п-фенилентерефталамид), более известный по торговому названию как Кевлар-29, а смола является алифатическим полиамидом, предпочтительно - найлон-12.

Назначение слоя "с" пластической пленки состоит в том, чтобы поддерживать клейкие слои "b" и "d", по предпочтительному примеру реализации он выполнен как полиолефиновая пленка, предпочтительно, из полиэтилена или полипропилена или их смесей, допускается также в смеси с эластомером.

Назначение клейкого слоя "b" состоит в том, чтобы соединить слой из композиционного материала "а" с пластической несущей пленкой "с", а назначение клейкого слоя "d" приклеить ленту по настоящему изобретению к металлической трубе.

Последующие слои ленты, уложенные на первый слой ленты, контактируют с ним посредством клейкого слоя "d", к которому прижимается внешняя поверхность (с грунтовкой) слоя "а".

Клейкий слой обычно состоит из эластомеров таких, как сырой или регенерированный бутил-каучук, либо таких, как галлоидированный натуральный каучук, этилен-пропилен-диеновый (ЭПДМ) терполимер или стирол-бутадиеновый каучук (СБК). Клейкий слой обычно содержит также клеящие смолы, полибутиновые масла, минеральные наполнители (вроде углекислого кальция, каолина, талька) и антиокислителя на основе пространственно затрудненных фенолов и/или фосфитов. По предпочтительному варианту реализации клейкий слой состоит из бутил-каучука в качестве добавленных клеящих синтетических смол.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения многослойная лента может быть обычным образом предварительно приготовлена путем соединения вместе в горячих или холодных условиях полотна композиционного материала, состоящего из волокон, включенных в полимерную вяжущую основу, и клейкого с двух сторон антикоррозионного полотна, состоящего из несущего и двух клейких слоев.

По предпочтительному варианту изобретения многослойную ленту предварительно приготавливают путем соединения вместе алифатического полиамидного полотна с ароматическими полиамидными волокнами, более предпочтительно полотна из найлона-12, армированного поли-(п-фенилентерефталамид)ом, а клейкое с двух сторон полотно состоит из полиолефинового несущего и двух клейких слоев.

Типичным примером клейкого с двух сторон полотна является лента марки Alta S.p.A, с названием Altene TP1822, содержащая устойчивый полиолефиновый несущий и два клейких слоя, состоящих из бутил-каучука с добавлением клеящих синтетических смол.

Полотно из композиционного материала и клейкое с двух сторон полотно могут быть соединены вместе для создания единой ленты, или многослойной ленты (отдельные ленты, проходящие бок о бок и затем разделенные продольным разрезанием).

Перед соединением с клейким с двух сторон полотном, предпочтительно было бы пропитать полотно из композиционного материала грунтовкой или распылить ее на нем с одной из двух сторон. Это достигается накаткой влажным роликом или погружением.

Грунтовка, в основном, состоит из растворов и/или суспензий в соответствующих, предпочтительно, легкоиспаряющихся растворителях клеящих смол и эластомеров, таких как сырой или регенерированный бутил-каучук либо галоидный натуральный каучук, ЭПДМ терполимеры или СБК каучук. Полибутиновые масла, битум, смола, минеральные добавки, антиокислители на основе пространственно затрудненных фенолов и/или фосфатов и фунгициды, такие как салициланилид, могут быть добавлены в раствор.

Таким образом, остается тонкий слой грунтовки на внешней поверхности многослойной ленты по настоящему изобретению, и этот тонкий слой способствует улучшению склеивания ленты по ленте при применении для ремонта труб.

Лента по настоящему изобретению может храниться долгое время без потери качества, если наружный клейкий слой покрыт слоем силиконовой бумаги, которая легко снимается во время применения.

Она может быть легко упакована в разные формы, предпочтительно в рулоны.

Фиг. 1 показывает предпочтительный пример реализации многослойной ленты по настоящему изобретению: a композиционное полотно Кевлар-29 и найлон-12, на внешнюю сторону которого нанесен тонкий слой грунтовки; b клейкий слой, состоящий, главным образом, из бутил-каучука; с пластическая несущая пленка, состоящая из полиолефина; d следующий клейкий слой, состоящий, главным образом, из бутил-каучука; е защитный слой из силиконовой бумаги, который снимают перед использованием.

Ленту по настоящему изобретению спирально обматывают вокруг трубы соответствующей оберточной машиной или вручную, она может быть использована одноразово по месту или в непрерывном процессе.

Желательно очистить предварительно часть трубопровода, предназначенную для ремонта, например, пескоструйным способом.

Многослойная лента по настоящему изобретению может быть использована либо непосредственно на поверхности металла трубы или через грунтовку, чтобы улучшить склеивание.

Такое применение не требует наличия источника нагревания, как это необходимо для случая с обычными термопластичными полимерами. Это, несомненно, имеет преимущества, в частности при ремонте труб под давлением, ослабленных коррозией или другим внешним агентом, будь то прокладка под землей или под водой.

В соответствии с этим настоящее изобретение предусматривает также способ ремонта испытывающих давление пустотелых корпусов, уложенных в земле или под водой, заключающийся в применении для испытывающих давление корпусов многослойной предварительно натянутой ленты, состоящей из: a первого гибкого слоя, состоящего из композиционного материала с волокнами, включенными в полимерную вяжущую основу; b второго клейкого слоя; c третьего слоя, состоящего из пластической несущей пленки; d четвертого клейкого слоя В предпочтительном примере реализации настоящего изобретения многослойная предварительно натянутая лента несет тонкий слой грунтовки на поверхности первого гибкого слоя "а".

Указанная лента может быть применена на дефектных полых корпусах напрямую, без перекрытия газового или жидкостного потока и без вспомогательного источника для подогрева.

Простота применения ленты означает, что не только открытые или закрытые в земле полые корпуса могут быть отремонтированы таким образом, но и те, что погружены в воду. Это представляет значительные преимущества перед известным уровнем техники.

Пустотелый корпус обматывают, навивая различные частично наложенные друг на друга слои соответственно натягиваемой многослойной лентой в виде витков вокруг пустотелого корпуса.

Предпочтительно использовать тянущую машину, которая отслеживает контур обматывающего корпуса и может быть неподвижной или вращающейся.

Количество слоев, необходимых для эффективного ремонта пустотелого корпуса зависит от протяженности повреждения, однако, обычно достаточно 5 20 слоев. В случае ремонта труб витки обмотки могут быть многократными и слегка смещены. Поскольку они преимущественно перпендикулярны оси трубы, то значительно повышают сопротивление действию окружных сил.

Для дальнейшего повышения сопротивления окружным и продольным силам, предпочтительно, чтобы по меньшей мере часть витков была навита наискось по отношению к оси вращения трубы. В этом случае можно получить не только отремонтированный пустотелый корпус, но и создать дополнительный барьер для коррозии.

На фиг.2 показана возможная схема применения многослойной ленты по настоящему изобретению, в которой: 1 катушка ленты с регулируемым натяжением выполняет функцию опоры для ленты; 2 устройство для снятия силиконовой бумаги; 3 труба, предназначенная для ремонта; 4 рабочая головка, осуществляющая склеивание.

2 Как показано на фиг.2, катушка 1 ленты соединена для раскручивания с сервомотором, причем натяжение ленты регулируется, главным образом, усилием от 50 до 250 кг, и затем лента проводится через устройство 2 для снятия защитного слоя, обычно из силиконовой бумаги. Для лучшего склеивания с поверхностью трубы 3 клейкий слой принудительно приклеивают механическим прижатием от устройства 4 с давлением, в основном, от 25 до 50 кг/см².

Следующие примеры реализации приведены для лучшего понимания настоящего изобретения.

П р и м е р 1. На фиг.3 показана рабочая схема для предварительной подготовки многослойной ленты по настоящему изобретению в лабораторных условиях. Схема содержит: A: установку для раскручивания композиционного полотна из Кевлара-29 и найлона-12; B: установку для нанесения грунтовки на композиционный материал и последующего высушивания; C: установку для раскручивания полотна из Altene TP1822 и прикладывания его к композиционному материалу; D: установку для натягивания и обертывания окончательно полученной многослойной ленты.

Катушка, на которой намотано композиционное полотно, установлена для разматывания, полотно разматывают и подают вручную через различные производственные позиции до тех пор, пока оно не достигнет оберточной секции. Грунтовка начинается на неподвижном полотне (с использованием грунтовки Altene P16), а композиционное полотно медленно проводят через зону высушивания грунтовки.

Композиционное полотно доходит затем до зоны, в которой его соединяют с полотном Altene TP1822, предварительно разрезанным до нужного размера.

Два полотна затем проводят между двумя формовочными роликами, один из которых находится над грунтованным композиционным полотном, а другой над полотном Altene TP1822.

Таким образом, формуют многослойную ленту по настоящему изобретению с шириной 12 мм и толщиной 0,9 мм, и, наконец, она подходит к установке для ее измерения и обертывания.

На фиг.4 показана последняя производственная стадия, при которой два полотна проводят между двумя обжимными роликами для окончательного образования многослойной ленты.

П р и м е р 2. Продольный дефект, имеющий протяженность 400 мм и глубину около 80% от толщины стенки, искусственно вызван в трубе из стали марки Х60, длиной 3 м, с внешним диаметром 660 мм (24 дюйма) и толщиной 14,3 мм. Окончательные испытания показывают, что искусственный дефект не может выдерживать давление выше 60 бар.

Изношенная таким образом труба подвергалась многократному обертыванию в 16 слоев многослойной ленты, уложенной с натяжением 140 кг, причем последующие 2 слоя с постепенным снижением натяжения до нуля. Всего труба была обмотана оберткой примерно в 18 мм толщиной на длине 1400 мм.

Назначение обматывания состоит в том, чтобы проверить точность теоретических расчетов, относящихся к эффективному увеличению сопротивления в трубе, достигаемому при использованном упрочнении. В этом отношении количество слоев и натяжение, возникающее на ленте при обертывании, являются такими, чтобы приложить к трубе внешнее давление в 60 бар. Труба, следовательно, должна выдерживать внутреннее давление, по меньшей мере, в 120 бар.

Такое приложение давления производится при наличии воды, чтобы продемонстрировать возможное подводное применение ремонтной технологии. Два удлинителя одинаковой толщины приваривают к куску трубы, обернутому таким способом, и к ним приваривают два кольца большей толщины, способные выдерживать давление, вдвое превосходящее давление разрушения обернутого куска трубы.

Окончательная конструкция затем включается под давление по следующим стадиям.

1) Три цикла нагружения конструкции давлением от 0 бар до максимального рабочего давления (МРД), равного 75 бар, проводят при подаче вакуумированной воды.

Каждый цикл включает поддержание МРД, после достижения его значения, примерно в течение 1 ч, за исключением последнего цикла, во время которого конструкция удерживается под давлением МРД в течение 12 ч.

2) По окончании первой стадии давление снимают, и конструкцию устанавливают на давление 120 бар, теоретически максимальное.

3) Давление снижают до 0 бар, все подвижное оборудование снимают и установку приготавливают для следующей стадии.

4) Испытательную конструкцию нагружают давлением до тех пор, пока она не разорвется.

Измеряют следующие параметры при испытании на разрушение: окружные и продольные деформации в различных точках конструкции; давление; объемный расход воды.

Конструкция разрывается при давлении 145 бар, вместо 60 бар теоретически разрывающего установку давления, без обертывания лентой, выполненной по настоящему изобретению.

Результаты этого испытания на разрывание показывают эффективность способа ремонта для изношенных труб, даже при наличии воды, путем наложения многослойной ленты, выполненной по настоящему изобретению. Тот факт, что разрушение происходит при давлении, большем, чем прогнозированное, подтверждает не только справедливость приложенной теории, но и, в частности прочность выбранной системы ремонта. Следовательно, при увеличении количества оберточных слоев ленты сопротивление трубы внутреннему давлению может быть повышено в соответствии с условиями, при которых эксплуатируется труба или достигается запас прочности.

Формула изобретения

1. Многослойная лента для упрочнения пустотелых испытывающих давление корпусов, содержащая первый слой на внешней поверхности ленты, выполненный из композиционного материала, состоящего из волокон, введенных в полимерную матрицу, отличающаяся тем, что содержит второй клейкий слой, третий слой, состоящий из пластической несущей пленки, и четвертый клейкий слой, контактирующий при намотке с трубопроводом.

2. Лента по п.1, отличающаяся тем, что на первый слой дополнительно наносят слой грунтовки толщиной от 30 до 100 мкм.

3. Лента по п.1 или 2, отличающаяся тем, что имеет ширину от 8 до 20 мм и толщину от 0,5 до 2 мм.

4. Лента по п.3, отличающаяся тем, что имеет толщину от 0,8 до 1,5 мм.

5. Лента по п. 4, отличающаяся тем, что имеет толщину от 0,9 до 1,2 мм.

6. Лента по п. 1, отличающаяся тем, что композиционный материал первого слоя состоит из поли-п-фенилентерефталамидного волокна и алифатической полиамидной смолы.

7. Лента по п.6, отличающаяся тем, что алифатическая полиамидная смола представляет собой нейлон-12.

8. Лента по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что клейкие второй и четвертый слои состоят по существу из бутилкаучука, смешанного с клеющими синтетическими смолами.

9. Лента по п.1 или 2, отличающаяся тем, что пластическая несущая пленка выполнена из полиолефина с нанесенным на него эластомером.

10. Способ изготовления многослойной ленты путем соединения вместе нескольких слоев при холодных или горячих условиях, отличающийся тем, что полотно из композиционного материала соединяют с одной стороной клейкого с двух сторон антикоррозионного полотна, состоящего из среднего несущего и двух клейких слоев, расположенных по обе стороны от среднего несущего слоя, путем проведения двух полотен между обжимными роликами, а затем готовое полотно разрезают в продольном направлении по требуемой ширине ленты.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что полотно из композиционного материала пропитывают или наносят на него грунтовку распылением перед соединением с антикоррозионным полотном.

12. Способ ремонта и упрочнения изношенных пустотелых испытывающих давление корпусов, установленных под землей или под водой, отличающийся тем, что корпус обертывают с частичным наложением слоев предварительно натянутой многослойной ленты, причем натяжение регулируют с постепенным снижением до нуля.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4