Технология изготовления полимерных труб
и соединительных деталей

Изготовление всех термопластичных труб, в том числе металлопластиковых, полипропиленовых и армированных полипропиленовых производится на трубных линиях. Принципиальный вид и отдельные составляющие элементы такой линии показаны на рисунке 1.

схема технологической линии по производству полимерных труб методом экструзии

Рис. 1. Принципиальная классическая схема технологической линии по производству полимерных труб методом экструзии: 1 — смеситель компонентов, 2 — загрузочное устройство, 3 — экструдер, 4 — экструзионная головка, 5 — калибровочное устройство, 6 — охлаждающая ванна, 7 — тянущее устройство, 8 — маркировочное устройство, 9 — наматывающее устройство — барабан; применяется при выпуске труб бухтами; 10 — отрезное устройство; применяется при выпуске труб отрезками.

Трубы из термопластов изготавливают на специальных машинах — экструдерах, методом экструзии — непрерывным выдавливанием вязкотекучего полимера через его рабочую, выходную часть — головку, имеющую кольцевую щель, которая непосредственно и образует трубу.

Полностью технологическая схема по изготовлению металлополимерных труб и последовательность операций выглядят таким образом:

схема по изготовлению металлополимерных труб
  • 1 — приемка сырья — полиэтиленовые гранулы, алюминиевая лента, клеящий состав и др., складирование исходных материалов,
  • 2 — дозирование и смешивание компонентов,
  • 3 — экструзия полиэтиленового внутреннего слоя трубы(5-й слой на рис. 2),
  • 4а — экструзия клеящего состава (4-й слой) на наружную поверхность изготовленной полиэтиленовой трубы,
  • 5 — формование плоской алюминиевой ленты в цилиндрическую оболочку (3-й слой), вплотную охватывающую без нахлеста предыдущие выполненные 2 слоя (другие изготовители производят формование оболочки с перекрытием — нахлестом — ленты),
  • 6 — продольная (по образующей) сварка встык краев алюминиевой оболочки,
  • 7 — контроль качества сварного шва,
  • 8 — индукционный нагрев полученного изделия,
  • 4б — экструзия клеящего состава (2-й слой) на наружную поверхность алюминиевой оболочки,
  • 9 — экструзия полиэтиленового наружного (1-ого) слоя трубы,
  • 10 — охлаждение готового изделия и маркировка трубы,
  • 11 - резка трубы на мерные отрезки, либо - 12,
  • 12 — намотка трубы в бухты,
  • 13 — контроль на герметичность,
  • 14 — упаковка трубы,
  • 15 — складирование готовой продукции.

Рабочим органом экструдера, рис. 3, является вращающийся червяк (шнек), обычно с постепенно уменьшающимся к выходу диаметром винтового канала. Исходное сырье в виде гранул захватывается червяком и продвигаясь в зазоре между внутренней стенкой корпуса экструдера и каналом червяка, сжимается (давление достигает 15 — 50 МПа), разогревается, пластицируется и гомогенезируется. Тепло, необходимое для разогрева и пластикации, подводится от электронагревателей, установленных на корпусе экструдера, а также выделяется вследствие интенсивного деформирования полимера и трения его о стенки корпуса и червяка.

схема червячного экструдера

Рис. 3. Схема червячного экструдера: 1 — экструзионная головка, 2 — винтовой червячный вал, шнек, 3 — втулка шнека, 4 — загрузочный бункер, 5 — электронагреватели, 6 — термопары для контроля температуры, 7 — подача и отвод циркуляционной охлаждающей воды, 8 — каналы для водяного охлаждения, 9 — электродвигатель, 10 — редуктор, 11 — эластичная муфта.

экструдер

Рис. 4. Внешний вид современного экструдера: 1 — экструзионная головка, 2 — двойной червячный вал, 3 — загрузочный бункер, 4 — дозатор, 5 — редукторная вариационная система, 6 — асинхронный электродвигатель, 7 — емкость водяного охлаждения, 8 — блок термоконтроля зон нагрева расплава по длине червячного вала, 9 — насос системы смазки, 10 — пульт управления.

Экструзионные головки конструктивно разработаны в многочисленных вариантах приема поступивших в них компонентов и выхода расплава композиционной массы полимера, при которых может быть изготовлена однородная по материалу труба, также труба из двух (трех) материалов, различаемых, например, по цвету или свойствам, технологический процесс, при котором одновременно экструдируются два или более компонентов полимерной массы, называется соэкструзия (со - extrusion) и одна из возможных схем такого процесса представлена на рис. 4. схема процесса соэкструзии

Рис. 4. Принципиальная схема процесса соэкструзии при из готовлении трехцветной трубы (подача тремя шнеками расплава к кольцевой щели головки)

Подача расплава из экструзионной головки может происходить в продольном, либо в поперечном направлении относительно оси производимой трубы. В первом случае материал формируется непосредственно в трубу путем выхода полимерной массы через кольцевую щель. Во втором случае материал выдавливается и наносится на другое, уже готовое изделие, проходящее через головку экструдера. Роль внутренней стенки изготавливаемой трубы при этом варианте выполняет наружная стенка предварительно сделанной трубы.

Калибровочное устройство выполняет роль первоначального охлаждения отформованной трубы. Калибровка — обеспечение точных размеров изделия в пределах допуска — производится по внутреннему или наружному диаметру трубы в зависимости от требований, предъявляемых к изделию.

Поскольку температура полученного изделия на выходе из экструдерной головки достаточно высока, близкая к температуре расплава: у полиэтилена высокой плотности в 170-280 °С, а у пропилена в 204-218 °С, то после экструдера установлено охлаждающее устройство. Оно предназначено для охлаждения готовой трубы и придания ей жесткости и выполнено в виде удлиненной открытой или закрытой водяной проточной ванны, разделенной на несколько самостоятельных отсеков. Труба в ванне находится под уровнем воды поэтому герметизация отсеков, при входе и выходе трубы из ванны достигается установкой резиновых манжет, круглое отверстие в которых чуть меньше диаметра полимерной трубы.

Оттягивание трубы от экструдера и дальнейшее ее перемещение по технологической линии производится тянущим устройством гусеничного типа.

Маркировочное устройство, осуществляет нанесение необходимых данных на наружную поверхность трубы. Если раньше маркировка труб производилась механическим способом — горячей штамповкой с углублением маркировочного штампа в тело трубы на величину 0,1-0,2 мм, то теперь на современном этапе технического прогресса данная операция выполняется компьютером, подающим команды на краско-распылительное устройство (например, в виде струйного принтера), наносящее на наружную поверхность трубы циклически повторяющиеся информационционные сведения.

Отрезное устройство, настроенное на определенную, заданную длину резки, срабатывает автоматически, от конечного выключателя. Так как труба находится в постояннном поступательном движении при ее формовании, то и отрезное устройство при резке также перемещается со скоростью движения трубы.

Герметизация бухты в ходе процесса производства достигается механическим пережимом (сплющиванием) поперечного сечения трубы. По этому пережиму производится резка трубы ножницами. Один конец перерезанного герметичного участка является окончанием нужной длины бухты (определяется по нанесенной маркировке погонных метров), наматываемой на барабан, а другой конец перерезанного участка, также герметичный, служит началом новой бухты, наматываемый на второй — свободный барабан линии.

Процесс получения полипропиленовой трубы экструзией выполняется одностадийно, в отличие от экструзии металлопластиковой трубы здесь отсутствуют операции по нанесению клеящих слоев и созданию алюминиевой оболочки.

Преимущество экструзионного способа производства в том, что он обеспечивает непрерывность и стабильность процесса, точность размеров и высокое качество изделия, высокую производительность, легкость регулирования и автоматизацию процесса.

Ввиду эластичности полимера и малой толщины стенок, изготавливаемые трубы гибки и это позволило, выпуская их неограниченной длиной, производить намотку труб в бухты, а не нарезать отрезками по 4 - 6 м.

Процесс получения армированных полипропиленовых труб, способом экструзии пополняется включением в трубную линию дополнительного технологического оборудования.

Технологический режим экструзии труб и, соответственно, качество трубы зависят от многих факторов: химического состава исходного сырья с набором добавок, технической совершенности составных элементов технологического оборудования, последних достижений технологии переработки пластмасс на уровне ноу-хау ("know-how", в дословном переводе с английского — "знаю как").

Рассматривая технологию изготовления термопластичных труб, необходимо остановиться на самом материале труб. Он представляет собой композицию, в состав которой кроме основного материала: полиэтилен или полипропилен, входят различные добавки: наполнители, пластификаторы, стабилизаторы, мягчители (смазывающие вещества), пигменты и красители, антистарители, отверждающие добавки. Каждый из этих компонентов придает полимерной массе определенные свойства, а в совокупности, получается композиционная технологическая марка, изделия из которой имеют задаваемые технические характеристики. При наличии рыночной конкуренции полученная марка разработчиком-технологом по набору компонентов не раскрывается, это ноу-хау фирмы.

В случае применения пластмасс для хозяйственно-пищевых целей, компоненты сырьевой марки не должны оказывать вредного воздействия на живой организм и поэтому они проходят тесты на соответствие их гигиеническим требованиям.

Сырьевая марка полимера изготовляется и поставляется в виде гранул — шароподобных, цилиндрических, чечевицеобразных, либо других округлых "зернышек" малого размера, максимальным диаметральным размером порядка 3 мм или в виде суспензионных порошков.

Покажем назначение добавок отдельно.

Наполнители — нейтральные к полимеру вещества органического или нейтрального происхождения, добавляемые для экономии самого полимера и в то же время придания ему ценных эксплуатационных свойств: механической прочности, термостойкости и т.д. В качестве наполнителей применяют хлопчатобумажную и асбестовую ткань, стеклоткань, синтетическое волокно и стекловолокно; в виде порошков: двуокись титана, окислы железа и кремния, карбонат кальция, асбест, графит, сажу, тальк, слюду, каолин, древесную муку и др. Наполнение может достигать 60%, а количество исходного полимера составлять 40%. При введении в состав полимерной композиции газообразователей получают газонаполненные, вспененные пластмассы — пенопласты.

Пластификаторы — вещества, снижающие температуру перехода полимера в текучее пластическое состояние и при нагреве уменьшающие вязкость полимера, тем самым увеличивая подвижность макромолекул и облегчая переработку полимера в изделия. Увеличение количества пластификатора понижает прочность полимера на растяжение и сжатие, но при этом резко повышается прочность на удар и способность к растяжению. В качестве пластификаторов применяют жидкие маслообразные вещества: фталаты, алкил- и арилфосфаты и др. При введении большого количества пластификатора до 30 — 50% полимер называют пластифицированным.

Стабилизаторы — вещества, которые замедляют старение полимеров, делают их менее чувствительными к воздействию солнечных лучей (светостабилизаторы), кислорода, тепла, позволяют продлить срок эксплуатации.

Мягчители (смазывающие вешества) предназначены для уменьшения трения как между полимерной композицией и металлическими оформляющими поверхностями перерабатывающего оборудования, так и снижения внутреннего трения в самой массе полимера. Вводят в композицию для облегчения проталкивания расплава полимера через формующую насадку. Примеры смазок: парафин, воск, жирные кислоты, спирт, стеарин, соли стеариновой кислоты.

Красители и пигменты придают полимеру требуемую расцветку изделия, которая, касаясь труб, различает изделия различных фирм-производителей, имеющих только ей одной присущий, зарегистрированный фирменный цвет изделий, и в то же время дает возможность оценить назначение трубы — холодное, горячее водоснабжение, отопление и доступность визуального контроля правильности применения трубы для данной санитарно—технической системы. Примеры красителей: двуокись титана, окиси железа, алюминиевая пудра (придает изделию перламутровый металлический блеск), пигменты — алый, оранжевый, голубой, зеленый, коричневый и др.

Антиоксиданты (антистарители) — продлевают долговечность трубы. Отверждающие вещества способствуют переходу полимера в неплавкое, отвержденное состояние. Сущность отверждения заключается в сшивке молекулярных цепей. В качестве отвердителей применяют полиамины.

Главным условием обеспечения надежности металлопластиковых труб и полипропиленовых труб их авторами, а также лицензионными государственными службами, было поставлено требование о регламентированной проверке качества производимых труб. С целью безусловного выполнения данного требования на заводе-производителе требовалось обязательное наличие тестовой заводской лаборатории.

В ее обязанности входят следующие периодические испытания пробных образцов непосредственно с технологического процесса, проводимые в определенные Методикой проверки или Инструкцией сроки:

гравиметрические:
  • взвешивание на электронных весах стандартного образца трубы для определения его массы и соответствия ее эталону
механические:
  • определение микрометром толщины стенок трубы
  • разрыв кольцевого образца трубы с целью определения качества сварного шва алюминиевой оболочки
гидравлические:
  • определение разрушающего давления образца трубы
  • испытание серии образцов труб на долговечность путем моделирования ускоренного режима эксплуатации образцов, помещенных в горячую ванну и находящихся под рабочим гидростатическим давлением

Исходным материалом для производства соединительных деталей служат: латунь для МП труб и полипропилен для ПП и ПП армированных труб.

Латунные соединительные детали изготавливают на высокопроизводительных автоматах горячей штамповки с последующей механообработкой.

Полипропиленовые соединительные детали, включая также и комбинированные с закладными латунными вкладышами, производят на термопластавтоматах литьем под давлением.