авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Гибридные пластики слоистой структуры и бестраншейные технологии ремонта подземных трубопроводов и коммуникаций

-- [ Страница 1 ] --

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 http://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 – 1 + 2 + i =1 (где - содержание компонентов).

Основным параметром структуры наполненных ПКМ разного строения является – макс. Минимальное содержание связующего необходимого для заполнения пор (П) и создания монолитного ПКМ будет равно – (1 – макс ). В зависимости от строения наполнителя, его упаковки значение 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 макс от давления уплотнения для рулонного нетканого материала на основе волокон полиэтилентерефталата. Начальная пористость однослойных и многослойных образцов ПЭТФ - войлока (1 – 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 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 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 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 () статического ( ст) и динамического ( дин) углов смачивания при разных скоростях (W).

В случае динамического краевого угла смачивания дин< 60о, величина дин практически гарантирует хорошее качество пропитки (пористость менее 2%). При превышении величины дин > 60о 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 Wопт (пористость изделий менее 2-4%):

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

 Номограмма для определения-3

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

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:

Ec/Ea 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
E адг
Растяжение 0,06 - 0,20 0,74
Сжатие - 0,17 0,34 0,49
Сдвиг - 0,16 0,20 0,64


Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.