«Химия и технология переработки пластмасс и полимерных композитов»

Вид материала

Содержание

Подобный материал:

На правах рукописи

СОКОЛОВ

СЕРГЕЙ ВИТАЛЬЕВИЧ

ГИБРИДНЫЕ ПЛАСТИКИ СЛОИСТОЙ СТРУКТУРЫ И

БЕСТРАНШЕЙНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РЕМОНТА

ПОДЗЕМНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ И КОММУНИКАЦИЙ

Специальность: 05.17.06 – Технология и переработка полимеров и

композитов

АВТОРЕФЕРАТ

на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва - 2007

Работа выполнена в Московской государственной академии тонкой химической технологии им. М. В. Ломоносова на кафедре «Химия и технология переработки пластмасс и полимерных композитов» и НПО «Стеклопластик»

Научный руководитель Доктор технических наук, профессор

Симонов-Емельянов

Игорь Дмитриевич

Официальные оппоненты Доктор технических наук, профессор

Коврига Владислав Витальевич

Доктор технических наук, профессор

Головкин Геннадий Сергеевич

Ведущая организация – ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» «ВИАМ»

Защита диссертации состоится «28» мая 2007г. в 16-30 в ауд. 301 на заседании диссертационного совета Д 212.120.07 при МИТХТ им. М. В. Ломоносова по адресу: 119831, г. Москва, ул. М. Пироговская, дом 1.

С диссертацией можно знакомиться в библиотеке МИТХТ им. М. В. Ломоносова

Автореферат диссертации размещен на сайте www.mitht.ru

Автореферат диссертации разослан 27 апреля 2007г.

Отзывы и замечания просим направлять по адресу: 119571, г. Москва, пр. Вернадского, дом 86, МИТХТ им. М. В. Ломоносова. Ученому секретарю диссертационного совета.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.120.07

доктор физ.-мат. наук, профессор В. В. Шевелев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Реформа жилищно - коммунального хозяйства страны, намеченная Правительством страны, невозможна без проведения ремонтных работ сетей трубопроводов различного назначения и канализационных сетей, износ которых в настоящее время достиг 70%. В связи с этим на первый план выдвигается проблема разработки современных высокоэффективных материалов и технологий ремонта существующих трубопроводов. Как показывают расчеты и практика экономически выгодны, особенно в крупных городах, технологии ремонта, которые позволяют восстанавливать работоспособность подземных трубопроводов и канализационных сетей без проведения их вскрытия, так называемая бестраншейная технология ремонта.

Условия проведения ремонта по бестраншейной технологии и эксплуатация трубопроводов предъявляют достаточно жесткие требования к выбору ремонтных материалов. Исходные компоненты и материал на стадии создания конструкции и во время ремонта должны обладать высокой деформируемостью, а при эксплуатации необходимо обеспечить конструкции герметичность, прочность, трещиностойкость, химическую стойкость и длительную работоспособность при воздействии различных факторов.

Анализ проблемы показал, что в качестве ремонтного материала наиболее целесообразно использовать гибридные полимерные композиционные материалы (ПКМ) слоистой структуры (конструкции), которые при правильном выборе исходных компонентов и оптимальной технологии, полностью соответствуют предъявляемым технологическим, техническим, эксплуатационным и экономическим требованиям.

Имеющиеся в научно-технической и патентной литературе данные, как по материаловедческим, так и технологическим вопросам данной проблемы, весьма ограничены и разрозненны, что не позволяет разработать научно обоснованную технологию получения ПКМ с заданными свойствами и эффективно проводить ремонтные работы трубопроводов и канализационных сетей по бестраншейной технологии.

Цель работы заключается в разработке технологии получения гибридного ПКМ слоистой структуры с заданным уровнем технологических и эксплуатационных свойств и бестраншейной технологии ремонта трубопроводов и канализационных сетей с использованием разработанных ПКМ.

Научная новизна работы заключается в том, что

разработан комплексный подход создания высокоэффективной научно обоснованной технологии получения гибридных ПКМ слоистой структуры с позиций теории монолитности и требований к проведению ремонта подземных трубопроводов и канализационных сетей бестраншейным методом;
установлены основные закономерности уплотнения и структурообразования дисперсных и волокнистых наполнителей разной структуры, предложена математическая модель для описания пропитки волокнистых наполнителей полимерными связующими в динамическом режиме с учетом влияния вязкости на угол смачивания и установлены технологические параметры получения ПКМ с пористостью не превышающей 4%;
впервые установлена количественная связь характеристик исходных компонентов с коэффициентом монолитности ПКМ слоистой структуры на основе полиэфирной смолы марки ПН-1 и показано, что, чем выше монолитность материала, тем выше коэффициент интенсивности напряжений при разрушении, прочность и трещиностойкость ПКМ;
показано, что гибридные ПКМ на основе полиэфирной смолы слоистой структуры, сочетающие в качестве наполнителя стеклоткань и нетканый материал на основе ПЭТФ - войлока, обладают высокой деформируемостью рукавной конструкции при ремонте трубопроводов и в 2 раза большей трещиностойкостью в условиях эксплуатации;
установлено влияние воздействия агрессивных модельных сред на монолитность ПКМ, коэффициент интенсивности напряжений при разрушении, прочность, трещиностойкость и определены значения безопасного и критического напряжений, а также длительной прочности при эксплуатации ПКМ, специально разработанных для ремонта трубопроводов;
оптимизированы технологические параметры получения ПКМ, отдельных стадий и всей технологии ремонта подземных трубопроводов и канализационных сетей в целом бестраншейным методом.

Практическая значимость работы

1. Разработана бестраншейная технология ремонта подземных трубопроводов и канализационных сетей с помощью разработанных гибридных ПКМ слоистой структуры на основе смолы ПН-1 и проведены успешные ремонтные работы по восстановлению трубопроводов, водостоков и канализационных сетей в гг. Москве, Нижнем Новгороде, Твери и Московской области (г. Красногорск, Люберцы, Зеленоград и др.). Отремонтировано более 50км трубопроводов.

2. Организовано опытно-промышленное и промышленное производство на фирме «Комстек 92» (г. Москва) и НПО «Стеклопластик» (п. Андреевка, Московская область) новых гибридных ПКМ на основе полиэфирной смолы марки ПН-1 слоистой структуры оптимальных составов и рукавов разных типоразмеров.

3. Создано специальное оборудование для получения гибридных ПКМ слоистой структуры с требуемыми свойствами и проведения ремонтных работ по восстановлению трубопроводов и канализационных сетей в натурных условиях.

4. Разработаны практические рекомендации и комплект технической документации на производство рукавов из гибридных ПКМ и проведение ремонтных работ по восстановлению трубопроводов различного назначения и типоразмеров с использованием новых материалов и бестраншейной технологии.

Апробация работы основные результаты работы были доложены (2 доклада) на Международной конференции «Вопросы теории и расчета рабочих процессов тепловых двигателей», г. Уфа, 2004.

Содержание и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка использованных литературных источников и приложения. Общий объем диссертации составляет 180 страниц текста, содержит 51 рисунок, 14 таблиц и включает список литературы из 120 наименований. В приложении приведены акты внедрения результатов работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Методы, технологии и основные требования к полимерным композиционным материалам для бестраншейного подземного ремонта трубопроводов и коммуникаций.

В литературном обзоре рассмотрены основные методы и проблемы связанные с проведением ремонтных работ трубопроводов различного назначения, а также материаловедческие задачи по выбору исходных компонентов и созданию технологии получения ПКМ слоистой структуры с заданным комплексом свойств с позиций теории монолитности.

Анализ научно-технической литературы позволил обобщить имеющиеся результаты и сформулировать основные задачи, направленные на создание рукавных гибких препрегов из гибридных ПКМ слоистой структуры, а также монолитной и прочной конструкции в виде трубы при ремонте трубопроводов по бестраншейной технологии.

Глава 2. Исследование состава, структуры и свойств ПКМ слоистой структуры для ремонта трубопроводов и коммуникаций по бестраншейной технологии.

Вопросы выбора исходных компонентов, обоснование состава ПКМ, структуры и ее параметров, а также состояние границы раздела фаз являются основополагающими при конструировании ПКМ с комплексом заданных свойств, удовлетворяющих требованиям проведения бестраншейной технологии ремонта трубопроводов.

Анализ бестраншейной технологии ремонта трубопроводов предопределяет слоистую конструкцию ПКМ, выбор в качестве гибкого прочного несущего рукава (наполнителя)– стеклоткани, слоя повышающего ударопрочность - нектанного полимерного войлока (ударопрочного наполнителя), а для герметизации конструкции при пропитке и отверждении - пленок из полиэтилена (внешний слой) и полиэтилентерефталата (внутренний слой).

Пропитка материала, его монолитность (сплошность) обеспечивается полимерным связующим, которое позволяет на первой стадии получать гибкий рукав (препрег) с практически неотвержденным связующим, а на второй стадии прочный, герметичный ПКМ слоистой структуры и изделие в виде трубы, которая формируется внутри ремонтируемого дефектного трубопровода.

2.1. Уплотнение дисперсных и армирующих наполнителей под давлением и структурообразование ПКМ.

Для создания монолитных ПКМ необходимо иметь данные о параметрах их структуры, которые для наполненных систем задаются жестким наполнителем. Роль полимерного связующего (матрицы) сводится к объемному деформированию, обеспечению текучести наполненных систем, а также заполнению пористого пространства между частицами (волокнами) наполнителя и созданию монолитного ПКМ. Условия сплошности для ПКМ можно записать как – φ₁ + φ₂ + φ_i=1 (где φ- содержание компонентов).

Основным параметром структуры наполненных ПКМ разного строения является – φ_макс . Минимальное содержание связующего необходимого для заполнения пор (П) и создания монолитного ПКМ будет равно – (1 – φ_макс ). В зависимости от строения наполнителя, его упаковки значение φ_макс меняется и изменяется содержание полимерного связующего в ПКМ.

В работе исследовали дисперсные, волокнистые, тканные и нетканные наполнители разного строения и природы. В качестве объектов использовали стеклосферы марки МС-7А, стеклоровинг рубленный с длиной волокон 7мм, рулонный нетканый стекломатериал МПС-А-35, нетканый листовой материал на основе полиэтилентерефталатных волокон ТУ 01867882 и стеклоткань марки – ТР-07. Уплотнение наполнителей под давлением изучали на специальной установке.

Уплотнение всех систем происходит в три стадии, определяемых начальной пористостью и деформационными характеристиками наполнителей. На рис 1 в качестве примера приведена зависимость параметра φ_макс от давления уплотнения для рулонного нетканого материала на основе волокон полиэтилентерефталата. Начальная пористость однослойных и многослойных образцов ПЭТФ - войлока (1 – φ_макс ) - изменяется в пределах 50-55%, а вклад межслоевой пористости составляет не более 2-5%. Полимерные волокна, в отличие от стеклянных волокон и частиц под давлением до 8 МПа деформируются и существенно уплотняются, при этом φ_макс достигает значения 0,99, а пористость материала - 1%. Плотность уплотненного материала стремится к значению истинной плотности ПЭТФ - волокна, равного 1320 кг/м³ . Количество полимерного связующего, которое поглощается нетканым ПЭТФ материалом, составляет 48 об. %, что хорошо согласуется со значением начальной пористости материала (П = 55%) При формовании изделия из материала, армированного ПЭТФ – войлоком, под давлением вследствие деформирования полимерных волокон количество полимерного связующего в ПКМ можно регулировать в пределах от 45 до 95 об. %, что приведет к изменению комплекса эксплуатационных свойств.

Стеклоткани разного плетения под давлением уплотняются не более чем на 10-20% в зависимости от исходной структуры (за исключением тканей объемного плетения) и значение пористости снижается на 10-20%, а φ_макс достигает значения равного 0, 65 – 0,7.

Рис. 1

В результате проведенных исследований показана возможность направленного изменения структуры ПКМ и ее параметров путем изменения давления формования, а также определены условия получения монолитных ПКМ дисперсной и армированной структуры с порошкообразными, коротковолокнистыми, тканными, неткаными и каркасными наполнителями, что позволяет проектировать составы монолитных ПКМ разных типов структур.

2.2. Исследование процесса пропитки армирующих наполнителей

полимерным связующим в динамических условиях.

Процесс пропитки стекловолокнистных материалов полимерным связующим – одна из основных стадий получения монолитного ПКМ. Качество пропитки определяет монолитность, пористость, прочность ПКМ и стабильность его физико-механических характеристик в условиях эксплуатации.

Процесс пропитки волокнистых наполнителей и получения качественных материалов рассмотрен с учетом динамики (скорости) нанесения связующего на волокно, пропитки по механизму фильтрации и влияния вязкостной составляющей связующего на смачивание. Приведены расчетные формулы, позволяющие рассчитать оптимальные скорости, время и давление пропитки материалов волокнистой слоистой структуры с заданными параметрами. Показано, что толщина слоя связующего наносимого на элементарное волокно в процессе его движения с заданной скоростью, возрастает с увеличением скорости и зависит от радиуса волокна, вязкости и поверхностной энергии связующего. Следует отметить, что количества наносимого связующего на элементарное волокно недостаточно для создания монолитного ПКМ.

Расчет процесса пропитки по механизму фильтрации и с учетом влияния вязкостной составляющей на смачивание (статический и динамический угол) на практике приводит к одним и тем же результатам, однако предпочтение следует отдать более обобщенным зависимостям, полученным с использованием критерия Дерягина:

При проведении пропитки в динамическом режиме, процессы являются термодинамически неравновесными и сопровождаются необратимыми диссипационными потерями энергии, а краевой угол смачивания, который принято называть в этом случае динамическим краевым углом смачивания θ_дин, зависит от статического краевого угла смачивания, а также и от скорости движения жидкости относительно твердой поверхности.

На специальной установке НПО «Стеклопластик» для полимерных связующих на основе полиэфирной и эпоксидной смол были определены значения поверхностного натяжения (σ) статического (θ _ст) и динамического (θ _дин) углов смачивания при разных скоростях (W).

В случае динамического краевого угла смачивания _дин  60^о, величина _дин практически гарантирует хорошее качество пропитки (пористость менее 2%). При превышении величины _дин   60^о наблюдается резкий рост пористости пропитанных образцов с увеличением динамического краевого угла смачивания.

При критическом значении динамического краевого угла смачивания получено уравнение, которое позволяет рассчитывать оптимальную скорость пропитки W_опт (пористость изделий менее 2-4%):

Для упрощения нахождения оптимальной скорости пропитки W_опт была построена номограмма (Рис. 2), позволяющая с достаточной для инженерных расчетов точностью находить численные значения W_опт в зависимости от характеристик связующих (m, s, q_ст), охватывающих практически весь диапазон их реальных значений.

Рис. 2. Номограмма для определения оптимальной скорости пропитки W_опт.

2.3. Критерии физико-механической совместимости армирующего наполнителя с полимерным связующим и конструирование слоистой структуры ПКМ.

Материал для ремонта трубопроводов должен быть на стадии монтажа гибким и эластичным, а при эксплуатации монолитным, герметичным и обеспечивать прочность несущей конструкции в течение длительного времени. К выбору исходных компонентов ПКМ следует подходить с позиций анализа их совместной работы при нагружении и обеспечении монолитности ПКМ при эксплуатации.

Ранее были предложены условия обеспечения монолитности и физико-механической совместимости армирующего наполнителя и полимерного связующего в виде следующей системы неравенств:

E_c/E_a  0,06; _с/_а  1,5; _с /_а  0,06; _с/_а  0,04

где Е, , ,   соответственно, модуль упругости, деформация, прочность при растяжении и сдвиге; индекс «с» относится к связующему, «а»  к армирующему наполнителю.

Выполнение приведенных условий по монолитности являются обязательными для получения высокопрочных и герметичных материалов. Как было показано, удельный вклад параметров - _адг, _с и _c в свойства композита неодинаков. В табл. 1 приведены значения коэффициентов значимости этих параметров.

Таблица 1

Коэффициенты значимости упруго-прочностных свойств элементов ПКМ

Вид нагружения	Коэффициент значимости параметров
Вид нагружения	_	_E	_	_адг
Растяжение	0,06	-	0,20	0,74
Сжатие	-	0,17	0,34	0,49
Сдвиг	-	0,16	0,20	0,64

Введем коэффициенты отклонения, показывающие, насколько свойства связующего соответствуют теоретическим значениям, найденным из критериальных уравнений:

.

Тогда за меру монолитности (М) ПКМ можно принять некоторый функционал

, представив его в виде линейной комбинации _i и _i, :

.

В табл. 2 приведены необходимые для расчета значения М данные по наполнителю, полимерным связующим и коэффициентов отклонения _i .

Таблица 2.

Упруго-прочностные характеристики связующих и стекловолокна марки Е

Характеристики	Стекловолокно марки Е	Условия совместной работы волокно - связующее		Требования к связующему	_i
Характеристики	Стекловолокно марки Е	ПН-1	ЭД-20	Требования к связующему	ПН-1	ЭД-20
, МПа	2350	60	80	140	0,43	0,57
Е х 10^-4, МПа	7,5	0,3	0,4	0,45	0,67	0,89
, %	3	3,5	0,3	4,5	0,78	0,67
τ_адг.	-	42	60	94	0,455	0,64

Значение коэффициента М для выбранных материалов будут равны:

- для полиэфирного связующего

М = Σ_i_i= 0,62 х·0,45 + 0,25 х 0,43 + 0,17 х 0,67 = 0,5

- для эпоксидного связующего

М = Σ_i_i= 0,62 х 0,64 + 0,25 х 0,57 + 0,17 х 0,89 = 0,69

Как видно из приведенных расчетов, что эпоксидное связующее более эффективно, однако, учитывая стоимость смолы и комплекс требований к ПКМ целесообразно использовать в качестве связующего менее дефицитную и более дешевую полиэфирную смолу марки ПН-1.

С увеличением значения коэффициента М физико-механические свойства ПКМ возрастают. Коэффициент монолитности может быть использован в качестве критерия физико-механической совместимости свойств армирующего наполнителя и полимерного связующего, для прогнозирования прочности ПКМ по известным свойствам и содержанию исходных компонентов.

2.6. Исследование трещиностойкости ПКМ слоистой структуры и ее связь с монолитностью и прочностью композитов

Трещиностойкость ПКМ и критический коэффициент интенсивности напряжений (K_Q) для случая обобщенного плоского напряженного состояния материала, определяемого в момент начала роста трещины (надрез), являются основными характеристиками, определяющими работоспособность и герметичность конструкции.

Одним из наиболее сложных моментов при определении роста трещины является установление точного времени начала ее роста. Было предложено одновременно с записью кривой «усилие – смещение» проводить запись в реальном масштабе времени дифференциальных и интегральных параметров акустической эмиссии. Таким образом, удалось создать новую экспериментальную установку в НПО «Стеклопалстик» и методику, позволяющую одновременно регистрировать как физико-механическое воздействие на образец ПКМ, так и акустические сигналы, образующиеся при его разрушении и начале роста самой трещины в материале.

Экспериментальным путем было установлено, что минимальная амплитуда импульса акустической эмиссии, связанного с началом микроразрушения исследуемых композитов, составляет 50 мкВ. Сигналы акустической эмиссии амплитудой менее 100 мкВ связаны с накоплением микротрещин в материале. За начало роста магистральной трещины нами принимался момент появления характерного скачка на диаграмме «усилие-смещение» и появление сигнала превышающего уровень 150 мкВ. Полагая, что процесс микроразрушения композита представляет собой процесс зарождения микротрещин, обозначим коэффициент интенсивности напряжений, соответствующий этому процессу – K₀.

При установлении на диаграмме «усилие – смещение» моментов возникновения первых сигналов акустической эмиссии и начала роста трещины можно определить значения K₀ и K_Q по соотношениям:

где P₀ и P_Q – нагрузка соответственно в момент получения первого сигнала акустической эмиссии и начала роста трещины; V₀ и V_Q – раскрытие берегов трещины соответственно в момент первого сигнала акустической эмиссии и начала роста трещины; b – толщина образца в окрестности вершины трещины-надреза, l – исходная длина трещины (надрез).

В работе проведены исследования отвержденной полиэфирной смолы марки ПН-1, а также ПКМ на ее основе. Было изучено влияние наполнителей разной структуры на трещиностойкость. Испытания проводили на образцах: ПН-1 + ПЭТФ - войлок, ПН-1 + стеклоткань и ПН-1 + ПЭТФ – войлок + стеклоткань.

В табл.3 представлены значения коэффициентов K₀ и K_Q композиционных материалов на основе полиэфирной смолы ПН-1.

Таблица 3

Значения K₀ и K_Q для полиэфирной смолы и композиционных материалов

Материал	K₀, Н/мм^3/2	Коэффициент вариации по K₀,, %	K_Q, Н/мм^3/2	Коэффициент вариации по K_Q, %
ПН-1	18	9,0	18	9,0
ПН-1 + ПЭТФ - войлок	30	10	30	11
ПН-1+ стеклоткань	50	11	115	12
ПН-1 + ПЭТФ – войлок + стеклоткань	67	14	130	14

Из полученных данных следует, что чем больше коэффициент интенсивности напряжений, тем выше трещиностойкость композиционного материала. Введение в полиэфирную смолу наполнителей и создание гетерогенной структуры материала приводит к повышению коэффициента K_Q. Для создания высокопрочных материалов с повышенными значениями трещиностойкости для трубопроводов следует использовать слоистую структуру ПКМ, состоящую слоя стеклоткани, полимерного войлока и полимерного связующего на основе полиэфирной или эпоксидной смолы.

Параметры трещиностойкости композита K₀ и K_Q симбатно связаны с его прочностью и монолитностью. На рис. 3 приведены зависимости определяющие связь коэффициентов монолитности стеклопластиков с их прочностью и трещиностойкостью.

Р

ис.3. Зависимости K₀ , K_Q и _р ПКМ от их монолитности:

1 – ЭДТ-10 + ПЭТФ-СП, 2 – ПН-1 + ПЭТФ-СП, 3 – ПН-16 + ПЭТФ-СП, 4 – ПН-10 + ПЭТФ-СП

С увеличением коэффициента монолитности ПКМ возрастает его трещиностойкость и комплекс физико-механических характеристик при условии отсутствия в материале дефектов в виде пор, что обеспечивается технологией пропитки, рассмотренной выше. Наибольшей трещиностойкостью обладает трехслойный материал следующей конструкции: слой стеклоткани + слой ПЭТФ – войлока + слой стеклоткани. Однако с увеличением содержания стеклоткани в конструкции материала для ремонта трубопроводов резко возрастает масса одного погонного метра рукава, что существенно затрудняет проведение монтажных работ. Предпочтение в этом случае следует отдать двухслойной конструкции материала, включающей слой из ПЭТФ – войлока и стеклоткани.

Таким образом, впервые для композиционных материалов слоистой конструкции на основе полиэфирной смолы с высокой надежностью определены экспериментальные значения коэффициентов концентрации напряжений и установлена связь между свойствами исходных компонентов и монолитностью ПКМ с их трещиностойкостью, что позволяет целенаправленно конструировать ПКМ и создавать высокопрочные и трещиностойкие материалы.

Глава 3 Исследование влияния воздействия агрессивных сред на эксплуатационные характеристики ПКМ слоистой структуры на основе полиэфирной смолы

Полимерные композиционные материалы, используемые для ремонтных работ по восстановлению трубопроводов, в процессе эксплуатации под воздействием различных сред могут изменять свои исходные характеристики, что может привести к выходу из строя трубопровода, нарушить его герметичность.

В связи с этим возникают две проблемы при моделировании поведения ПКМ при эксплуатации: наиболее правильно смоделировать состав агрессивных сред и температурно-временные условия проведения испытаний.

Несомненно, что основной средой является вода, а в качестве агрессивных реагентов могут быть использования растворы щелочей и кислот в воде. Вода, проникая в ПКМ, нарушает взаимодействие на границе раздела фаз, а гидролиз может разрушить химические связи, что приведет к резкому снижению прочности материала (в 2-3 раза) после его выдержки в воде. Присутствие щелочей и кислот может привести к различным химическим реакциям, как стекловолокна, так и полимерного войлока и связующего. Все эти процессы не удается заранее спрогнозировать, что требует проведения соответствующих исследований.

Водостойкость разработанных композитов определяли по изменению массы образцов после экспозиции их в воде в течение времени, необходимого для установления сорбционного равновесия при температуре 20⁰С, а стойкость к агрессивным средам - к 10%-ной H₂SO₄ и NaOH при выдержке образцов в кислоте и щелочи в течение 43 и 150 суток. Испытания проводили по ГОСТ 12020-72.

По экспериментальным данным, основываясь на оценке химстойкости по установленным согласно ГОСТ показателям, исследованные композиты, предназначенные для ремонта трубопроводов можно отнести к химически стойким.

3.1. Определение коэффициента монолитности ПКМ слоистой структуры после воздействия агрессивных сред

В критериальные показатели, описывающие условия монолитности композита, входят упруго-прочностные характеристики армирующего наполнителя полимерного связующего и границы раздела фаз, которые существенно зависят от внешнего воздействия (температура, давление, облучение и т.д.) и вида агрессивной среды (вода, кислота, щелочь). Совокупность этих параметров обуславливают условия работы изделия из ПКМ в процессе его эксплуатации. В первом приближении получим

где _c₀, _адг₀, _с₀, Е_с₀ – кратковременные значения упруго-прочностных характеристик связующего при нормальном режиме эксплуатации: k_I(i = 1  4) – коэффициенты, учитывающие изменение свойств связующего под воздействием агрессивной среды.

Анализ полученных экспериментальных данных показывает, что упруго-прочностные характеристики ПКМ после воздействия агрессивных сред достаточно хорошо описываются степенными зависимостями. При этом значения коэффициентов равны К₁= 0,03 1/мес.; К₂= 0,03 1/мес.; К₄= 0,02 1/мес.

Для случая воздействия различных эксплуатационных факторов на ПКМ получили следующие коэффициенты монолитности для ПКМ:

Как показывают результаты наибольшее влияние на монолитность ПКМ оказывает воздействие 10-% NаОН и наименьшее  вода. Причем коэффициент монолитности ПКМ снижается с 0,5 до соответственно - 0,35 – вода, 0,31 – кислота и 0,26 – щелочь, что может привести к снижению прочности и трещиностойкости материала.

3.2. Исследование кинетики разрушения и трещиностойкости ПКМ слоистой структуры в условиях воздействия агрессивных сред

С использованием приведенной выше методики (см. гл. 2) провели оценку воздействия различных эксплуатационных факторов на вязкость разрушения композитов. Оценку степени одновременного воздействия агрессивных сред и температур на вязкость разрушения композиционных материалов проводили на образцах композитов, предварительно экспонированных в дистиллированной воде, 10%-м растворе H₂SО₄ и 10%-м растворе NaOH в воде при 293, 323 и 353 K. Образцы испытывали после выдержки в агрессивной среде в течение 3, 6, 9 и 12 месяцев.

Статистическая обработка полученных результатов показала, что характер зависимости между трещиностойкостью и эксплуатационными факторами удовлетворительно описывается экспонентой:

где K_QXt – текущее значение K_Q при воздействии эксплуатационных факторов (среда, температура, нагрузка); K_QX₀ – начальное значение K_Q для ПКМ; X – эксплуатационные факторы; t – время экспозиции материала при воздействии эксплуатационных факторов; B_x – скорость изменения K_Q при заданном X.

В координатах lnK_Q  X зависимость вязкости разрушения композиционных материалов от воздействия эксплуатационных факторов представляет собой прямую: ln

Из полученных данных (табл. 4)следует, что наиболее трещиностойким материалом при нормальных условиях эксплуатации является выбранный в качестве материала трубопроводов композит на основе смолы ПН-1, стеклоткани и ПЭТФ - войлока. В случае воздействия эксплуатационных факторов (H₂О, H₂SО₄, NaOH и температуры) наибольшая скорость снижения трещиностойкости наблюдается у композита на основе стеклоткани, наименьшая - у композита на основе ПЭТФ - войлока. Композит же на основе их комбинации сочетает в себе достаточно высокую трещиностойкость, как при нормальных условиях, так и при воздействии эксплуатационных факторов.

Таблица 4.

Трещиностойкость композита ПН-1 + стеклоткань+ ПЭТФ - войлок

после экспозиции в агрессивных средах при повышенных температурах

К_Q н/мм^3/2	Т⁰К	Среда	К_Qt (н/мм^3/2) после эксплуатации в течение, мес.
К_Q н/мм^3/2	Т⁰К	Среда	3	6	9	12
130	293	А	105	20	82,5	79
130	293	Б	74	39	33	29
130	293	В	67	26	21	18
130	323	А	97	83	73	66
130	323	Б	67	29	26	24
130	323	В	46	20	16	14
130	353	А	86	72	63	57
130	353	Б	62	78	25	24
130	353	В	34	0	0	0
А  H₂О, Б  10% H₂SО₄, В  10% NaOH

Вязкость разрушения композитов тесно связана с такими фундаментальными прочностными характеристиками при оценке несущей способности композита, как σ_о  безопасное и σ_к  критическое напряжение: σ_о/σ_к = К_о/К_Q. Безопасное напряжение σ_о соответствует такому напряжению в композите, при котором трещина только зарождается, а при σ_к трещина начинает самопроизвольно расти.

В работе впервые построены термокинетические кривые разрушения композита на основе стеклоткани, ПЭТФ - войлока и смолы ПН-1, а также получены значения безопасного и критического напряжений для слоистых ПКМ на основе смолы ПН-1 при разных условиях эксплуатации. Термокинетические кривые разрушения композита были использованы для оценке несущей способности материала трубы при воздействии повышенных температур.

3.3. Исследование вязкоупругих свойств и длительной прочности ПКМ слоистой структуры, используемых для ремонта трубопроводов и коммуникаций

Долговечность полимерных композиционных материалов и, следовательно, конструкций трубопроводов имеет важное практическое значение. Прогнозирование срока эксплуатации материалов и конструкций в сложных условиях их работы является трудной задачей, так как это функция многих переменных. Длительную прочность композита можно определить, зная кратковременные упруго-прочностные характеристики композита, его предельную деформацию и реологические параметры. Задача в основном сводится к нахождению реологических констант композита и оценке его сплошности. Методика определения упругих констант и параметров А,  и  ПКМ ранее была детально разработана и заключается в построении экспериментальных кривых податливости материала:

и их сравнении с теоретическими кривыми:

.

Для прогнозирования долговечности и работоспособности ПКМ следует определить константы полимерных композитов, основываясь на рассмотренной выше методике. По полученным кривым податливости слоистого ПКМ видно, что они укладываются в узкий пучок с разбросом 6,6%. Следовательно, деформации композита в области напряжений 0    0,8_енаходятся в линейной области, что согласуется с определением длительной прочности, используя наследственное соотношение Больцмана – Вольтера, которое описывает поведение ПКМ только в линейной области.

Податливость исследуемого слоистого ПКМ описывается выражением:

.

Совмещая экспериментальные кривые с теоретическими, получим значения механических характеристик ПКМ: Е = 2,21 х10⁴ МПа,  = 0,025,  = 4,75 х 10^-5, А = 0,071 х10². Используя экспериментальные данные по характеристикам слоистого ПКМ, рассчитали коэффициент его монолитности М (табл.5).

В реальных условиях эксплуатации композитных материалов в трубопроводах значение действующих напряжений не превышает 0,5 МПа, что существенно меньше значений , приведенных в табл.5, что гарантирует длительную эксплуатацию изделий из ПКМ слоистой структуры.

Таблица 5

Значения вязкоупругих параметров и длительной прочности слоистого ПКМ на основе смолы ПН-1

Среда	Е10⁴, мпа		, МПа
А	2,21	0,5	20
б	2,11	0,35	16
в	2,06	0,31	13
с	2,01	0,26	10

А – нормальные условия эксплуатации; Б – вода; В – 10% Н₂SО₄; С – 10% NаОН

В реальных условиях эксплуатации композитных материалов в трубопроводах значение действующих напряжений не превышает 0,5 МПа, что существенно меньше значений , приведенных в табл.5, что гарантирует длительную эксплуатацию изделий из ПКМ слоистой структуры.

В работе впервые показано изменение коэффициента монолитности ПКМ при их эксплуатации в различных агрессивных средах и установлена связь М с длительной прочностью композиционного материала слоистой структуры.

Таким образом, как показывают эксперименты, созданные полимерные композиционные материалы слоистой структуры для ремонта трубопроводов обеспечивают им прочность, химическую стойкость, герметичность и длительную эксплуатацию в сложных условиях воздействия агрессивных сред.

Глава 4. Технология бестраншейного ремонта подземных трубопроводов и коммуникаций с помощью рукавных ПКМ слоистой структуры.

Бестраншейная технология ремонта подземных трубопроводов включает следующие основные этапы: изготовление заготовки слоистого гибридного рукавного наполнителя заданного типо - размера; рукава, пропитанного полимерным связующим (препрега); доставку рукава на ремонтируемую трассу; подготовку поверхности ремонтируемой трубы, транспортирование рукава через колодцы во внутрь ремонтируемого трубопровода; раздув рукава под давлением с прижимом его к стенкам трубопровода; отверждение ПКМ слоистой структуры внутри трубопровода и создание герметичной конструкции «труба в трубе»; удаление оснастки и пуск в эксплуатацию отремонтированного трубопровода.

Все этапы разработки бестраншейной технологии потребовали решения ряда специфических технических задач и оптимизации параметров процесса получения конструкции «труба в трубе» из разработанного гибридного ПКМ слоистой конструкции в натурных условиях.

Разработанный ПКМ слоистой структуры имеет следующий состав (об. %): стеклоткань марки ТР-07 – 30-32 , ПЭТФ – войлок - 20-21, полимерное связующее на основе полиэфирной смолы ПН-1 - 49-50. Ниже приведены значения некоторых характеристик полученного ПКМ: плотность - 1620 кг/м ³ , пористость - не более 4 %, разрушающее напряжение (МПа) при растяжении – 240 и при изгибе – 300, ударная вязкость - не менее 5,2 кДж/м²

Производительность одной ремонтной бригады из 4-х чел. составляет 100м трубопровода за 8 часов работы независимо от глубины залегания трубопровода.

В результате проведения комплекса работ впервые в России разработан и широко внедрен метод бестраншейного ремонта трубопроводов с использованием предварительно пропитанного рукава из полимерного композиционного материала слоистой структуры, отверждаемого непосредственно под землей в ремонтируемом трубопроводе.

Основные преимущества бестраншейных технологий ремонта трубопроводов с использованием ПКМ материалов слоистой конструкции:

- не роют траншеи, не ломают дорожные покрытия, не нарушают внешнего вида города и окружающего ландшафта, не останавливают движения транспорта и не перекрывают транспортные потоки;

- обеспечивают экологическую чистоту, сохраняют окружающую природу и осуществляют ремонт трубопроводов по схеме «от колодца к колодцу»;

- ремонтируют и восстанавливают практически полностью изношенные трубопроводы диаметром до 600мм и длиной до 100м;

- сокращают сроки проведения и трудозатраты на ремонтные работы в 10 раз;

- снижается стоимость ремонта одного погонного метра трубопровода в 2-7 раз.

В таблице 6 в качестве примера приведены данные об экономической эффективности применения новых технологий только на стадии ремонта.

Таблица 6

Данные об эффективности ремонтных работ канализационных трубопроводов по бестраншейной технологии

п/п	Наименование позиции	Традиционные технологии ремонта	Бестраншейная технология ремонта	Экономия
п/п	Наименование позиции	Традиционные технологии ремонта	Бестраншейная технология ремонта	в руб.	в %
1	Стоимость 1п.м. ремонта трубопровода Д = 450мм (руб.) при глубине залегания:
	2 метра	12633	7185	5448	76
	4-5 метров	21000	7185	13815	192
	9 метров	49712	7185	42527	700
2	Стоимость 1км. ремонта трубопровода Д = 450мм (руб.) при глубине залегания:
	2 метра	12.633.000	7.185.000	5,5 млн	175
	4-5 метров	21.000.000	7.185.000	13,8млн	292
	9 метров	49.712.000	7.185.000	42 млн.	692

В течение 5-и последних лет успешно ведется ремонт канализационных сетей и водостоков в г. Москве, Нижнем Новгороде, Твери и в Подмосковных городах – Красногорске, Люберцах, Зеленограде и др. В общей сложности отремонтировано более 50км трубопроводов.

5. ВЫВОДЫ

1. Проведены комплексные исследования, которые позволили научно обосновать выбор исходных компонентов, структуру, конструкцию и оптимизировать технологию получения ПКМ слоистой структуры, а также разработать и внедрить высокоэкономичный бестраншейный метод ремонта трубопроводов и канализационных сетей с помощью разработанных ПКМ.

2. По критериям физико-механической совместимости определены значения вкладов упруго-прочностных характеристик исходных компонентов в свойства ПКМ, рассчитаны значения коэффициента монолитности для ПКМ слоистой структуры на основе полиэфирного и эпоксидного связующего. Впервые установлена количественная связь коэффициента монолитности с коэффициентами интенсивности вязкого разрушения, трещиностойкостью, прочностью и долговечностью ПКМ.

3. С позиций физико-механической совместимости компонентов обосновано создание ПКМ слоистой структуры с высокими значениями вязкости разрушения, прочности, трещиностойкости и долговечности. Показано, что наилучшим сочетанием технологических и эксплуатационных характеристик обладают гибридные ПКМ слоистой структуры, включающие слои из стеклоткани и полимерного ПЭТФ – войлока, при этом трещиностойкость возрастает в 2 раза.

4. Изучены и установлены основные закономерности уплотнения под давлением и структурообразования дисперсных и волокнистых стеклянных наполнителей разной структуры, а также нетканных материалов из стеклянного и ПЭТФ - волокна.

5. Предложена модель для описания процесса пропитки волокнистых материалов полимерными связующими с разными скоростями. Определены основные характеристики полимерного связующего, углы статического и динамического смачивания, установлены оптимальные технологические параметры пропитки и предложена номограмма получения рукавных гибридных ПКМ на основе полиэфирной смолы ПН-1 с пористостью не более 4%.

6. Разработана современная методика испытаний и аппаратура для изучения прорастания трещин в ПКМ с использованием регистрации акустических сигналов, что позволило получить надежные данные о коэффициентах вязкого разрушения и определить трещиностойкость исследованных ПКМ.

7 . Исследовано влияние воздействия агрессивных сред (H₂О, H₂SО₄ и NaOН) при разных температурах на вязкоупругие свойства, вязкость и кинетику разрушения; трещиностойкость, прочность, длительную прочность и монолитность гибридного ПКМ слоистой структуры. Показано, что чем больше коэффициент монолитности ПКМ, тем выше уровень его характеристик.

8. Определены значения безопасного и критического напряжений, а также длительной прочности гибридного ПКМ слоистой структуры в условиях воздействия агрессивных сред, что позволило оценить время их эксплуатации.

9. Разработана высокоэкономичная бестраншейная технология ремонта трубопроводов, создана и оптимизирована технология получения рукавных гибридных ПКМ слоистой структуры и организовано их промышленное производство на фирме «Комстек» и НПО «Стеклопластик», создан комплект специального оборудования, техническая документация и успешно проведены ремонтные работы по восстановлению 50км трубопроводов в гг.Москве, Нижнем Новгороде, Твери и городах Московской области.

10 . Экономическая эффективность от применения новых гибридных ПКМ слоистой конструкции и бестраншейной технологии ремонта трубопроводов различного назначения, типоразмера и глубины залегания взамен традиционной технологии составляет от 76 до 700%, что делает технологию высокоэффективной и перспективной для широкого внедрения в разных регионах страны.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах: