Охолодження полімерних труб у процесі їх виробництва методом екструзії
Переробка термопласту у виріб, у тому числі екструзією, складається виключно з процесів його нагрівання (плавлення) та охолодження. Формування ж виробу (скажімо, упорскування розплаву в ливарну форму або його продавлювання через формує інструмент) – процес дуже швидкоплинний і якщо і пов'язаний з якимись проблемами, то не з погляду витрат часу на його здійснення.
Нагрівання полімеру в працюючому екструдері відбувається в основному за рахунок дисипації енергії головного приводу, а перенесення теплової енергії - конвекції. Сучасне екструзійне обладнання дозволяє без особливих проблем якісно підготувати для формування до двох тонн розплаву на годину.
Охолодження ж виробу відбувається тільки за механізмом теплопровідності, а це на порядки повільніший процес, тому саме час, необхідний для охолодження виробу, визначає продуктивність будь-якого агрегату, що випускає той чи інший виріб з термопласту.
Температурне поле у стінці полімерної труби описується нелінійним диференціальним рівнянням теплопровідності у приватних похідних:
) – температура в стінці труби, функція координати та часу, °С; y - координата поперек стінки труби, м;
- Час від початку охолодження, с; А(Т) – коефіцієнт температуропровідності, функція температури, м2/с; Д(Т) – перша похідна коефіцієнта температуропровідності, м2/с
Рівняння (1) для змінних теплофізичних характеристик матеріалу немає точного аналітичного рішення, але його з легкістю інтегрують чисельними методами. В результаті інтегрування отримуємо час охолодження, що при заданій продуктивності екструзії та вазі погонного метра труби дає так звану довжину охолодження (довжину ванн, що охолоджують).
На рис. 1 показаний процесохолодження труби діаметром 630 мм, SDR 11 при продуктивності 1000 кг/год. В даному випадку відстежується зміна температури зовні труби (y = 0), всередині труби (y = S) і трьох проміжних по товщині стінки труби точках. З рис. 1 видно, що зовнішня поверхня практично відразу приймає температуру води, що зрошує (20 °С), тоді як внутрішня твердне тільки через 4 год (довжина охолодження 36 м). Після 42 метрів (7 ванн завдовжки по 6 м) примусове охолодження труби припинено.
У цей момент температура у стінці труби практично лінійно розподілена від 90 ° С на внутрішній поверхні до 20 ° С – на зовнішній. При підході до відрізного пристрою, тобто через півтори години, температура в стінці труби усереднюється на рівні 60-65 °С.
Подібну картину можна отримати для охолодження труби будь-яких габаритів та для будь-якої продуктивності процесу. Однак на практиці для визначення необхідної довжини охолодження (Lохл, м) достатньо скористатися таким співвідношенням:
де: Qе – продуктивність екструзії, кг/год; Kохл - чисельний коефіцієнт, що залежить від умов охолодження (табл. 1); SDR – відношення номінального зовнішнього діаметра до номінальної товщини стінки труби (стандартне розмірне відношення).
У разі розглянутому на рис. 1, ми маємо меншу довжину охолодження, і труба виходить трохи гарячішою.
Зміна тепломістку поліетилену високої щільності при його охолодженні від 220 до 30-40°С становить 600-650 кДж/кг. Саме ця кількість тепла відводиться від труби водою, що охолоджує, а потім від води в холодильному агрегаті. Таким чином, на кожні 1000 кг/год продуктивності екструзії труби необхідна наступна потужність теплознімання:
Можливості інтенсифікаціїтрадиційного процесу охолодження труби вичерпуються застосуванням зрошувальних ванн з інтенсивним та рівномірним поливом труби водою. При цьому ми показали, що для охолодження труби SDR 11 при продуктивності 1000 кг/год необхідна довжина ванн становить не менше 50 м. Якщо до них додати довжину зони розташування тягнучого і відрізного пристроїв, тільки після виготовлення не менше 60 м труби апаратчик зможе реально проконтролювати її геометричні параметри. А 60 м бракованої труби діаметром 630 мм SDR 11 – це витрати не менше 6,5 т сировини та 2340 кВт•год електроенергії. Звичайно, сучасні методи контролю технологічного процесу (гравіметрія, ультразвукові вимірювачі товщини стінки) та накопичений досвід не допускають таких приголомшливих втрат при кожному запуску процесу, але ризик цілком реальний.
Істотно змінити показники процесу охолодження можна лише за використанні технології охолодження труби зсередини. Розробкою таких технологій займаються всі провідні фірми-виробники трубного обладнання, але поки що жодна з них не представила ринку весь комплекс обладнання.
Фахівці групи «Поліпластик» займаються розробкою такої технології та відповідного обладнання з 2004 року. Традиційну схему формування заготівлі труби було суттєво змінено, і з початку 2007 року було запущено в промислову експлуатацію процес внутрішнього охолодження труб діаметром 315-800 мм з інтенсивністю, порівнянною з інтенсивністю зовнішнього охолодження. Запропонована схема суттєво розширює технологічні можливості керування процесом охолодження труби, і з часом очікується досягнення ширшого спектра результатів, ніж розглянутий нижче.
На рис. 2 представлена картина охолодження тієї ж труби (діаметр 630 мм SDR 11), але припродуктивності 1600 кг/год та задіяному внутрішньому охолодженні.
Після 42 м зовнішнє охолодження труби також припиняється. У цей момент температура у стінці труби становить 20-50 °С. При підході до відрізного пристрою температура стінки труби усереднюється лише на рівні 30-35 °З.
Ми поки що не маємо у своєму розпорядженні екструдера з продуктивністю 1600 кг/год, тому на рис. 2 відбито ситуацію майбутнього. Реально ж, при продуктивності 1000 кг/год, введення внутрішнього охолодження дозволило нам з наявних у лінії семи охолоджуючих ванн відключити останні три, тобто. довжина зовнішнього охолодження становила 24 м (рис. 3).
Ця обставина істотно зменшує ефект стікання розплаву при виробництві великогабаритних труб і дозволяє досягати прийнятної різнотовщинності труби навіть без застосування спеціальних «не стікаючих» композицій поліетилену.
3. Помітно зменшилася «бочкоподібність» кінців відрізків труб, що говорить про істотне зниження рівня внутрішньої напруги в стінці труби.Це має сприятливо позначитися на експлуатаційних характеристиках труби та процесі її зварювання встик. Відомо, що на стадії охолодження труби в її стінці утворюються внутрішні (так звані «заморожені») напруги. Слід зазначити, що напруги є взаємно врівноваженими (рис. 4) і виявляються лише кінцях відрізка труби, надаючи їм бочкообразную форму.
де Е - модуль пружності матеріалу, МПа.
"Миттєво" досягнувши після розрізання певної величини, ширина h2 продовжує з часом зменшуватися (величина а - зростає). По рівнянню (3) це означає зростання напруги з часом (рис. 7), що насправді неможливо. УНасправді «заморожені» напруги продовжують скорочувати периметр розрізаного кільця за механізмом повзучості. Визначити «миттєву» величину h2 можна тільки з великою похибкою, тому спостереження за її зміною ведуть якийсь час безперервно, а для розрахунку σ приймають час 3 хвилини, при величині Е = 900 МПа.
З урахуванням цих умов, накопичені до теперішнього часу вимірювання дають наступну оцінку рівня внутрішньої напруги в стінці труби: ≈ 5 МПа – без застосування внутрішнього охолодження та ≈ 2,5 МПа – з внутрішнім охолодженням.
Зрозуміло, що всі труби – і ті, що тестуються на гідравлічних стендах, і ті, що знаходяться в експлуатації – мають «заморожені» напруження за природою їх виготовлення. І хоча згодом у процесі релаксації вони зменшуються (за 10 років приблизно вдвічі), можливість їхнього початкового зменшення забезпечить більш надійну роботу напірного трубопроводу.
Джерело: журнал "Полімерні труби – Україна"