microbik.ru
1
Глава 1. Материалы, применяемые для изготовления труб и деталей

Раздел I ТРУБЫ И ДЕТАЛИ ТРУБОПРОВОДОВ

Глава 1. МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТРУБ И СОЕДИНИТЕЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ

1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МАТЕРИАЛАХ

Применяемые в настоящее время для про­изводства труб пластмассы условно можно разлепить на две группы: пластмассы для круп­нотоннажных производств труб и соедини­тельных деталей и пластмассы для производства труб специального назначения.

К первой группе относятся пластмассы на основе полиэтилена низкого давления (ПНД)*, полиэтилена высокого давления (ПВД)*, поли-винилхлорида (ПВХ), полипропилена (ПП), акрилнитрилбутадиенстирола (АБС), ко второй -пластмассы на основе полибугана (ПБ), фтор-содержащих полимеров, хлорированного поли-винилхлорида (ХПВХ), полиметилметакрилата (ПМ), полистирола (ПС), полиамида (ПА), поликарбоната (ПК) и ряда других полимеров.

Широкое применение таких полимерных материалов первой группы, как ПНД, ПВД и ПВХ, объясняется тем, что более 90% всех используемых трубопроводных систем предназ­начено для эксплуатации при нормальных температурах и давлениях, не превышающих 1 МПа, или для работы в безнапорном режиме.

Максимальная температура при эксплу­атации труб на основе ПНД и ПВХ составляет 50-60'С. При эксплуатации труб на основе ПП она может быть увеличена на 10-15 'С и более. Полимеры на базе ПСП используются в первую очередь при производстве труб для газорас­пределительных сетей, а также длинномерных труб повышенной гибкости, используемых, например, в оросительной технике.

К трубам специального назначения отно­сятся трубы с повышенной теплостойкостью, изготовляемые из полибутена, модифицирован­ного полиэтилена, хлорированного поливинил-хлорида и фторсодержаших полимеров.

Трубы из первых трех полимеров предназна­чены для транспортировки среды при темпе­ратуре 80-90'С; некоторые типы фторсодержа­ших полимеров, например поливинилиденфто-рид (ПВДФ), способны выдерживать температу­ру среды до 140'С.

Трубы из таких материалов, как поли-метилметакрилат и сополимеры метилмета-крилата, благодаря хорошим оптическим свой­ствам используют для изготовления светиль­ников, мерников и уровнемеров в приборе- и аппаратостроении. В зарубежной практике для
указанных целей наряду с полиметилмета-крилатом применяют такой высокопрочный ма­териал, как поликарбонат, обладающий не толь­ко хорошими оптическими свойствами, но и трещиностойкостыо и ударной прочностью.

Для изготовления гибких армированных и неармированных труб-шлангов, применяемых в качестве трубопроводных систем различных ма­шин, станков и аппаратов, используют такие по­лимерные материалы, как пластифицированный поливинилхлориц (ППВХ), полиамид (жесткий и пластифицированный), полиуретан и др.

Фактором, предопределяющим широкое применение пластмассовых труб как взамен металлических, так и самостоятельно, является комплекс свойств, присущих полимерным ма­териалам, позволяющий изготавливать трубы, выгодно отличающиеся по сочетанию эксплу­атационных характеристик от труб из тради­ционных материалов. Эти свойства полимеров объясняются их структурой, характерным признаком которой является высокомолеку­лярное строение.

Фундаментом наиболее распространенных карбоцепных полимеров является четырех­валентный атом углерода, обладающий способ­ностью вступать в гомополярные связи, в результате чего из многократно повторяющихся мономерных элементов образуются цепные молекулы теоретически неограниченной длины (макромолекулы). Схематически макромолекулы можно представить в следующем виде:



где я - коэффициент повторения, определяющий молекулярную массу; R - любой радикал, например, -Н-СНз-С! и т.д.

Из сказанного ясно, что свойства полимеров определяются их структурным строением и зависят от количества мономерных звеньев, т.е. длины цепи, от типа и количества радикалов, от


• В принятом обозначении полиэтилена ПНД, ПВД отражены технологические особенности (давление и температура) его производства. В технической литературе можно встретить обозначение полиэтилена по платности:

полиэтилен высокой плотности - ПВП, полиэтилен низкой плотности - ПНП и полиэтилен средней плотности -ПСП.

1.2. Полиэтилен


взаимного расположения звеньев цепи. Взаим­ное расположение макромолекул одна относи­тельно другой может быть различным и зависит от их разветвленности.

Вследствие многообразия структурообразу­ющих факторов и появилось огромное число различных полимеров с разнообразнейшими свойствами, а химики приобрели возможность "конструировать" материалы с заранее задан­ными свойствами.

Из всего многообразия свойств полимеров следует выделить два: их высокую химическую стойкость и неспособность вступать в электро­химические реакции, благодаря чему исключа­ется возможность;- появления коррозии, харак­терной для металлов.

Между звеньями микромолекулярной цепи действуют валентные (химические) связи, определяющие разрывную прочность полиме­ров. Между макромолекулами действуют силы межмолекулярного взаимодействия (ван-дер-ваальсовы силы), которые значительно слабее сил химического взаимодействия в самой цепи. Последнее обстоятельство предопределяет одно из важнейших свойств полимеров - способность к значительным деформациям без нарушения целостности материала. С повышением темпера­туры силы межмолекулярного взаимодействия ослабевают, характер деформации меняется: из
обратимой она становится пластической. При последующем понижении температуры дефор-мативность термопласта вновь приобретает обратимый характер.

Способность термопласта к значительным деформациям при нагревании без нарушения целостности используется при изготовлении изделий и полуфабрикатов способами экструзии (непрерывного выдавливания), литья под дав­лением, деформирования (формования) заго­товки, а также способом сварки. Однако при повышении температуры свойства термопласта как конструкционного материала изменяются:

снижается его способность сопротивляться дей­ствующим внешним силовым нагрузкам.

Управление свойствами термопластов возможно изменением не только их молекуляр­ной массы (в зависимости от степени полимери­зации п), но и пространственного расположения групп мономерных звеньев в пределах каждой макромолекулы (это так называемый стери-ческий эффект). Одним из способов регулиро­вания свойств термопластов является также сополимеризация, при которой происходит одновременная полимеризация мономерных групп двух или нескольких исходных веществ.

Характеристика основных полимерных мате­риалов, применяемых для изготовления труб и соединительных деталей, приведена в табл. 1.1.

Таблица 1.1. Характеристика некоторых полимерных материалов, применяемых для производства труб и соединительных деталей

Показатели


Значение показателей для материала


ПНД (ПВП)


ПНД (ПСП)


ПВД (ПНП)


ПВХ


ПП


ПБ


ПВДФ


ПА (пласти­фициро­ванного)


Плотность, г/см3


0,94-0,96


0,93-0,94


0,91-0,93


1,4


0,91


0,92


1,78


1,1








Предел текучести при растяжении, МПа


20-30


15-18


10-12


50-56


25-28


17-19


57-60


35


Удлинение при разрыве, %


800


800


600


50


350


300


20


100


Модуль упругости, МПа


900


600


200


3000


1200


500


2000


800


Коэффициент линейного расширения, "С"! х 10"4


2


2


2


0,7


1,5


1,2


1,2


0,9


Расчетное допускаемое напряжение для труб, МПа


50-63


50


25-32


100-125


50-63


80


160


100





1.2. ПОЛИЭТИЛЕН

Полиэтилен получают полимеризацией эти­лена, в структурной формуле которого в качес­


тве радикала выступает водород. В зависимости от параметров режимов полимеризации и при­меняемых катализаторов получают полиэтялены разных типов, существенно отличающихся по своим свойствам.

Полимеризацией при высоком давлении получают разветвленный полиэтилен с низкой плотностью. Макромолекулы полимера, полу­ченного таким способом, имеют .длинные, боковые цепи, вследствие чего не могут; •плотно ' "упаковываться" и получаемый полимер обла­дает сравнительно низкой кристалличностью (~50%) и низкой плотностью (0,918-0,93 г/см3).