.РЕЗЮМЕ
Разработано новое семейство полиэтиленовых материалов со значительно улучшенной технологичностью и долгосрочной прочность при высоких температурах. Эти полимеры составляют основу нового класса полиэтиленовых материалов: PE-RT (Полиэтилен повышенной термостойкости) для трубопроводов горячего и холодного водоснабжения, отопления а также для промышленных трубопроводов, таких как Термопластичные композитные трубы TCP (Thermoplastic composite pipe).
Эти материалы обладают уникальной молекулярной структурой и кристаллической микроструктурой, что обеспечивает отличную долгосрочную гидростатическую прочность при высоких температурах без необходимости сшивания материала.
Материалы типа PE-RT более 30 лет успешно используются в трубопроводах систем горячего и холодного водоснабжения, отопления, и в таких областях применения, как полы с подогревом и системы поверхностного отопления и охлаждения.
В последнее время простота обработки и превосходные свойства материала также сделали эти смолы привлекательными для использования во многих промышленных применениях большего диаметра, где обычно нельзя использовать Полиэтилен из-за его высоких температурных ограничений. Кроме того, благодаря своей эластичности он находит применение в гибких композитных трубопроводах для нефтегазовой промышленности и водородной энергетике таких как TCP, RTP, причем не только в производстве лайнеров и оболочек композитных труб, но и в качестве связующего однонаправленных лент армированных волокнами (UD tape).
В этом отношении PE-RT может также конкурировать с высококачественными инженерными пластиками, предлагая значительную экономию средств.
Использование PERT материалы обеспечивают значительные технологические преимущества экструзионным линиям, обеспечивая высокую скорость производства труб и обеспечивает отличную гибкость и простоту установки для применения.
Недавно разработанный материал типа PE-RT по-прежнему обеспечивает более высокую долговременную прочность при высоких температурах, и дальнейшее улучшение технологичности, например, в охлаждающих труб большего диаметра трубы в электростанциях, высоконапорных гибких трубопроводах на нефтепромыслах.
Трубы на основе этих материалов можно соединять с помощью сварки плавлением, или с помощью механических приспособлений (фитингов).
Кроме того, этот материал можно использовать в промышленных применения, где его термостойкость может обеспечить замену традиционных полиэтиленовых трубопроводов, а его инертность заменить металлические трубопроводы страдающие от коррозии.
Отличная свариваемость этих материалов обеспечивает различные возможность соединения труб еще большего размера в промышленных приложениях, пример этого используется в многослойных структурированных нефтепроводах на суше и на море.
В этой статье представлены концепции материаловедения и проектирования изделий, которые определяют долгосрочную гидростатическая прочность при высоких температурах. Контролируя молекулярную структуру, можно влиять на реологию расплава и твердотельные свойства, что приводит к уникальному балансу технологичность и гидростатической прочности.
Также обсуждаются характеристики продукта и преимущества материалов PE-RT. В документе показано примеры области применения
ВСТУПЛЕНИЕ
Внедрение новых материалов для труб и процессов производства труб продолжает развиваться, с использованием PE-RT, переходящего от бытовых систем горячего и холодного водоснабжения, где этот материал использовался более 30 лет, к более широкому спектру промышленных применений. .
Разработчики и установщики промышленных систем реагируют на механические и технологические преимущества смол PE-RT в трубопроводах больших размеров, где нельзя использовать обычный полиэтилен или существуют температурные ограничения. Универсальность PE-RT и возможность использования при более высоких температурах без необходимости сшивания делают его предпочтительным выбором для широкого спектра применений, где температурные профили могут варьироваться от ниже температуры окружающей среды до сверх того, что считается нормальным для традиционных систем PE.
Чтобы предоставить ряд технических и механических ориентиров, в этом документе основное внимание уделяется применению бытовых труб из PE-RT с дополнительными данными по промышленным применениям, где это уместно.
Бытовые трубопроводные системы - справочное исследование
Бытовые трубы можно охарактеризовать как трубы для горячей и / или холодной воды в системах отопления и питьевого водоснабжения внутри зданий. Требования для этих бытовых применений включены в Таблицу 1. К этому классу также относятся системы «таяния снега» и «рекуперации тепла».
Такие системы трубопроводов обычно работают при давлении от 2 до 10 бар и температуре до 80 ° C с аварийной температурой до 100 ° C. Условия использования для различных классов / применений труб для горячей воды (теплый пол, соединители радиаторов и водопроводная труба) описаны в ISO 105081.
ТАБЛИЦА 1: Требования ISO 105081
• Давление: 2-10 бар
• Температура: 20 - 110ºC (температура неисправности 95-100ºC, термостойкость до 110ºC)
• Срок службы: минимум 50 лет
Соблюдение требований к питьевой воде
На внутреннем [Европейском] рынке труб традиционно преобладали медные и оцинкованные стальные трубы.
За последние 25-30 лет пластмассы значительно завоевали этот рынок. В большинстве стран мира медь по-прежнему является доминирующим материалом. Проникновение пластмасс в Европе продвинулось дальше всего, с долей рынка около 50 процентов. Мировое потребление пластмасс в трубопроводах горячего водоснабжения оценивается в 120 000 метрических тонн, половина из которых используется в Европе.
Преимущества пластмасс в том, что они не подвержены коррозии и устойчивы ко многим химическим веществам. Они гибкие и простые в установке (также как «бесконечные» трубы), герметичны благодаря сварке плавлением и легкие, что облегчает их транспортировку и транспортировку на месте.
Предпочтительными пластиковыми материалами, используемыми в бытовых трубах, являются полиэтилен (PE), за ним следуют рандом сополимер полипропилена (PP-R) и полибутен (PB) и, в меньшей степени, хлорированный ПВХ (C-PVC). В то время как PP-R, PB и C-PVC по своей природе обладают хорошими высокотемпературными свойствами, традиционно PE не подходил для этого рынка из-за слишком низкой верхней рабочей температуры.
Чтобы обеспечить выполнение этих более высоких температурных требований, было необходимо сшивание полиэтилена (PEX) для получения желаемой длительной гидростатической прочности (LTHS) при высокой температуре. PE-RT позволяет получить те же свойства без необходимости химической модификации или постэкструзионного отверждения и может быть легко изготовлен на обычном экструдере для полиэтилена.
Преимущества PE-RT можно легко перенести на трубы больших размеров, такие как промышленные трубы и трубы с многослойной структурой (TCP, FCP, RTP) . Это позволяет пользователям расширить использование таких систем трубопроводов до более высоких температур, чем это возможно в настоящее время с обычными трубами на основе HDPE.
ПРИНЦИПЫ ДИЗАЙНА НОВЫХ ПРОДУКТОВ
Полиэтилен высокой плотности, как известно, обладает хорошей механической прочностью при повышенных температурах и поэтому часто используется в упаковках, где требуются хорошие характеристики при высоких температурах. Однако ограниченные долговременные характеристики ползучести HDPE при таких более высоких температурах часто не подходят для долговечных применений, таких как трубы для горячей воды и отопления. Свойства ползучести полиэтилена могут быть улучшены за счет уменьшения плотности смолы, но, к сожалению, это отрицательно повлияет на долговременную гидростатическую прочность (LTHS).
Значительные успехи были достигнуты в понимании взаимосвязи структурных свойств полиэтиленовых полимеров. Благодаря усовершенствованной конструкции процесса и разработке катализатора можно контролировать включение и размещение сомономера в основной цепи полимера. Эта более высокая точность определения микрокристалличности полимера позволяет наблюдать новую комбинацию рабочих параметров, как показано в таблице 2. Теперь возможны полиэтиленовые полимеры, сочетающие высокотемпературные характеристики с гибкостью или лучшей долгосрочной ползучестью для данной кристалличности.
Связующие цепи играют ключевую роль в долговременной пластичной ползучести. Путем введения коротких боковых цепей за счет включения сомономеров создаются дефекты в структуре полимера. Боковая гексильная группа октенового сомономера слишком велика для включения в пластинчатую кристаллическую структуру, и полимерная цепь выталкивается из кристалла. Когда эта цепочка теперь включается в другой кристалл, образуется связующая цепочка.
ТАБЛИЦА 2: ХАРАКТЕРИСТИКИ НОВОГО РЕ-RT С ПОМОЩЬЮ МОЛЕКУЛЯРНОЙ АРХИТЕКТУРЫ
• Оптимизация концентрации связующей цепи
• Контроль того, как сомономер включается в основную цепь полимера: кристаллическая микроструктура
На графике 1 показано, как формируются поперечные (связующие) цепи. Кристаллическая структура линейного полиэтилена без боковых цепей или ответвлений с короткой цепью показана слева. Полимерная цепь складывается, образуя пластинчатую кристаллическую структуру.
Гексильная ветвь:
- Исключает цепочку из кристалла
- Цепь складывается дольше.
- Одно ответвление влияет только на цепь рядом с точкой присоединения.
Пластинчатые кристаллические структуры соединены между собой сегментами аморфного полимера: связующими цепочками. Вероятность образования связующей цепочки увеличивается с увеличением длины полимерной цепи. Молекулы связывающих цепочек, как известно, повышают ударную вязкость и сопротивление растрескиванию под воздействием изгиба (ESCR) или свойства длительной ползучести, «связывая» несколько кристаллов вместе.
Боковые цепочки демонстрируют способность к растяжению и мобильность и как таковые могут абсорбировать и рассеивать энергию. Это графически представлено на Рисунке 2.
Тип включенного сомономера также влияет на концентрацию связующей цепи.
Октен-1 более эффективен, чем более короткие α-олефины (График 3). Причина этого в том, что боковые цепи на основе октена длиннее и поэтому их труднее включить в растущий кристалл. Для данной концентрации сомономера это приводит к более высокой вероятности образования связующей цепочек.
Важным аспектом конструкции является контроль количества сомономера и того, как он включается в полимерную цепь. На графике 4 показаны кривые Crystaf для сополимеров этилена и октена разной плотности, полученных с использованием запатентованного технологического решения Dow.
Управляя включением сомономера, можно получить полимеры различной морфологии с различным балансом свойств. Кривая Crystaf ниже на самом деле является отпечатком молекулярной архитектуры, полученной в результате гетерогенного процесса полимеризации. Линейные молекулы с самой высокой степенью кристалличности кристаллизуются при самой высокой температуре. Поскольку гетерогенный полимер состоит из молекул с различной концентрацией сомономера, приведенная ниже кривая Crystaf представляет собой распределение сомономера.
Молекулы, кристаллизующиеся при промежуточной температуре, имеют наибольшую вероятность образования связующих цепей с фиксированной молекулярной массой. Регулирование распределения сомономера, наряду с молекулярной массой полимера, контролирует концентрацию связующей цепи.
Применяя эти концепции дизайна, было разработано новое семейство смол DOWLEX ™ PE для рынка труб для горячей и холодной воды.
Эти разработки легли в основу создания нового класса полиэтиленовых материалов для высокотемпературных применений. Эти смолы определены в ISO-1043-14 «Полиэтилен повышенной термостойкости (PE-RT)». PE-RT демонстрирует отличную долговременную гидростатическую прочность без необходимости сшивания. Это дает производителям труб значительные преимущества в переработке по сравнению с PEX. Материалы PE-RT можно использовать во всех трубопроводах горячей воды, описанных в ISO 10508.
Первой смолой DOWLEX PE для труб в этой категории является DOWLEX 2344, сополимер этилена и октена, производимый с помощью запатентованного технологического процесса Dow. Этот продукт сочетает в себе очень хорошую долгосрочную гидростатическую прочность с превосходной гибкостью.
Компаунды DOWLEX PE успешно используются в трубопроводах горячего водоснабжения более 30 лет. Его хорошая долговременная гидростатическая прочность при высоких температурах в сочетании с очень высокой гибкостью сделали DOWLEX 2344 предпочтительным материалом для труб отопления.
Характеристики DOWLEX 2344 приведены в Таблице 3. Труба, изготовленная из DOWLEX 2344, демонстрирует отличную долговременную гидростатическую прочность без необходимости сшивания. Это делает продукт особенно подходящим для трубопроводов горячего водоснабжения, для которых смола имеет множество различных разрешений во многих странах. Например, DOWLEX 2344 одобрен, например, в: Германия: DIN 168333 (PE-RT) и соответствующий прикладной стандарт DIN 4721; Нидерланды: Сертификат KIWA4 для всех приложений горячего водоснабжения; США: список PPI 5 180 ° F (DOWLEX 2344 как единственный несшитый полиэтилен) и для многослойных труб ASTM1282-01A6 и ISO 24033 (PE-RT), а также соответствующий системный стандарт ISO DIS 22391, части с 1 по 5 ( PE-RT для горячей и холодной воды).
Труба из DOWLEX 2344 чрезвычайно гибкая, что облегчает установку труб для бытового и промышленного применения. Труба может изготавливаться с высокой производительностью без образования поперечных связей, что позволяет производить последующую сварку. Высокая гладкость поверхности трубы DOWLEX 2344 снижает потери давления и приводит к минимальному образованию отложений.
Из-за отсутствия стадии поперечного сшивания переработка смол PE-RT обеспечивает более высокую экономичность по сравнению со смолами PE-X, требующими сшивания. Это преимущество является самым большим для многослойных композитных труб.
ТАБЛИЦА 3: ХАРАКТЕРИСТИКИ DOWLEX 2344 В КАЧЕСТВЕ КОМПАУНДА ДЛЯ ТРУБ ДЛЯ ГОРЯЧЕЙ И ХОЛОДНОЙ ВОДЫ
- Допуск для труб горячего водоснабжения во многих странах, например:
- DIN 16833 (PE-RT); KIWA для всех труб горячего водоснабжения
- Листинг PPI при 180 ° F; ASTM F 1282 (многослойная труба)
- Системный стандарт ISO / FDIS 24033 для систем пластиковых трубопроводов
- ISO / FDIS 22391 часть 1-5 для систем пластмассовых трубопроводов для систем горячего и холодного водоснабжения
- Низкая стоимость производственного процесса: 1 этап, без сшивки
- Высокая гибкость = простота монтажа однослойной трубы.
- Превосходная свариваемость.
- Предпочтительный материал в быстрорастущем сегменте композитных труб благодаря значительным технологическим преимуществам.
Новейшим членом семейства смол для труб DOWLEX PE является DOWLEX 2388, продукт, который сочетает в себе превосходную долговременную гидростатическую прочность (рисунок 5) с превосходной технологичностью.
Время испытаний значительно превышает один год при 110 ° C, что позволяет экстраполировать характеристики труб на более чем 50 лет при 70 ° C с использованием коэффициентов экстраполяции ISO 90809. Этот материал имеет расчетную нагрузку, сравнимую с материалами PEX, но без необходимости сшивания. Расчетное напряжение является основой для расчета толщины стенки для различных условий, определенных в ISO 10508 и национальных классах давления.
В таблице 4 показано сравнение расчетных напряжений для DOWLEX 2388, PEX и PE-RT для санитарных труб (классы 1–5 по ISO-10508). Из-за их сопоставимого расчетного напряжения требуемая толщина стенки будет одинаковой для труб из DOWLEX 2388 и PEX для всех труб.
В таблице 5 показаны расчетные сроки службы труб из DOWLEX 2388 при повышенных температурах. Эти числа основаны на экстраполяции точек данных, измеренных при 110 ° C, в соответствии с методами расчета ISO 9080. Коэффициенты экстраполяции Ke определены в ISO9080, следуя принципам Аррениуса, которые позволяют экстраполировать срок службы при более низких температурах. При разнице температур, например, 40 ° C, коэффициент Ke равен 50, что практически означает, что испытания в течение одного года при 110 ° C позволяют экстраполировать 50 лет при 70 ° C. Обычно основанием для экстраполяции является среднее логарифмическое значение пяти самых продолжительных времен испытаний при самой высокой температуре испытания.
Еще одна особенность DOWLEX 2388 - отличная технологичность. На графике 6 сравниваются кривые вязкости DOWLEX 2388 и DOWLEX 2344.
Более низкая вязкость DOWLEX 2388 при высоких скоростях сдвига позволяет увеличить линейную скорость при экструзии труб, особенно при обработке с высокими скоростями сдвига, например, при экструзии тонкостенных труб и композитных труб PE / Al / PE. Во время испытаний у производителей экструзионного оборудования труба диаметром 20 мм с толщиной стенки 2 мм была произведена при линейных скоростях > 60 м / мин.
DOWLEX 2388 охватывает все классы ISO 10508 для трубопроводов горячей воды, бытовых и промышленных. DOWLEX 2388 специально разработан, чтобы эффективно конкурировать с монолитными водопроводными трубами (покрытыми ISO 10508, класс 2), из-за его более высокой долговременной гидростатической прочности при высоких температурах.
Еще одна область применения, в которой DOWLEX 2388 предлагает преимущества, - это высокоскоростная экструзия композитных труб PE / Al / PE. Для промышленного применения может быть интересно использовать выдающуюся долгосрочную термическую стабильность DOWLEX 2388 (например, 70 ° C в течение более 73 лет или 80 ° C в течение более 25 лет) вместе с превосходной свариваемостью для установки труб больших размеров путем стыковая сварка или сварка плавлением.
PE-RT В НЕФТЕГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Использование PE-RT в течение длительного периода в таком требовательном сегменте, как трубопроводы водоснабжения и отопления, вселило уверенность в производителей труб и конечных пользователей, чтобы рассмотреть этот материал для широкого спектра альтернативных применений.
Ясно, что преимущества существующие у этого полиэтиленового материала, который охватывает гораздо более широкий температурный диапазон, чем традиционный полиэтилен, расширят диапазон применения. Рассматриваются новые привлекательные рынки, на которых полиэтилен традиционно был бы исключен.
Одна из таких областей - использование PE-RT в качестве рентабельной облицовки (лайнеров) RTP (Reinforced Thermoplastic Pipes) в выкидных линиях нагнетания воды, которые используются на нефтепромыслах (морских и наземных) в нефтегазовой промышленности, где обычны температуры до 80 ° C.
Чтобы обеспечить экономичное извлечение нефти из источника, скважинная вода обычно закачивается по выкидной линии для сохранения пластового давления. Помимо высокой термостойкости, использование PE-RT в качестве лайнеров (футеровки) обеспечивает гибкость и минимальные потери потока благодаря характеристикам гладкой поверхности полиэтилена.
В стальных трубопроводах использование нагнетания воды может привести к образованию H2S, который увеличивает скорость коррозии металлического напорного трубопровода, что приводит к значительному увеличению скорости коррозии. Коррозия является серьезной проблемой, поскольку стоимость замены или восстановления трубопровода из гибких стальных труб может определить окончательный срок службы скважины.
Наиболее полно преимущества PE-RT в этой отрасли могут быть реализованы в Термопластичных композитных трубах TCP (Thermoplastic composite pipes), в которых PE-RT используется и для изготовления лайнера и оболочки, а так же в качестве связующего матрицы полимерных лент армированных однонаправленными волокнами (UD tape). В TCP из однонаправленных лент формируется армирующая система, в процессе намотки лент на лайнер, благодаря превосходной свариваемости PE-RT все слои сплавляются, образуя устойчивую к расслоению, и обладающую высокой стойкости к давлению трубу.
Хорошая химическая стойкость в сочетании с диапазоном рабочих температур делает PE-RT подходящей компаундом для этого высокотехнологичного применения. Ожидаемый длительный срок службы может продлить срок эксплуатации месторождений.
Экструзия лайнеров из PE-RT имеет некоторые особенности из-за высокой его текучести. Ряд интересных решений для PE-RT лайнеров предлагает компания Fartrouven R&D, специализацией которой является поставка заводов для производства композитных труб.
ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ
Очень широкий диапазон рабочих температур PE-RT делает его идеальным материалом для труб для любого проекта, где наблюдаются огромные перепады температур. Это может быть особенно актуально для промышленных химических применений, где температура может изменяться от минусовой до 70 ° C.
Хотя многие из приведенных примеров требовали высокой термостойкости, PE-RT можно также использовать для холодных температур. Например, PE-RT можно использовать для охлаждения смесей гликоль / вода при создании ледовой арены, где температура транспортируемой жидкости может достигать -40 ° C.
ТЕПЛООБМЕННИКИ
Компаунды PE-RT не ограничиваются только производством труб, но также могут быть формованы в изделия, используемые при более высоких температурах. Когда химическая стойкость и коррозионные свойства являются ключевыми при выборе материала, рассмотрение PE-RT часто является лучшим выбором. Металлические теплообменники, используемые на химических предприятиях, часто требуют обслуживания и замены из-за коррозионной природы химического вещества при повышенной температуре. Используя PE-RT, срок службы таких теплообменников может быть значительно увеличен.
.
ВЫВОДЫ
Благодаря усовершенствованной молекулярной архитектуре и улучшенному контролю процесса теперь возможно производство полиэтилена с превосходной долговременной гидростатической прочностью при высоких температурах.
Эти полимеры составляют основу нового класса полиэтиленовых материалов: PE-RT (Polyethylene of Raised Temperature resistance - полиэтилен повышенной термостойкости) для промышленных и бытовых трубопроводов горячего водоснабжения.
Уникальность этих материалов заключается в том, что они не нуждаются в поперечных связях для обеспечения желаемой длительной гидростатической прочности при высокой температуре. Это приводит к значительным преимуществам обработки по сравнению с системами PEX. PE-RT подходит для использования во всех трубопроводах горячего водоснабжения и отопления.
DOWLEX 2344 (тип I), первый представитель семейства компаундов для труб DOWLEX PE, разработан для обеспечения высокой гибкости и хорошей длительной гидростатической прочности при высоких температурах. Эта комбинация делает эту смолу предпочтительным материалом для труб отопления (соответствует классам 4 и 5 ISO 10508).
DOWLEX 2388 (тип II), обеспечивает еще более высокую долговременную гидростатическую прочность при высоких температурах, что позволяет эффективно конкурировать в монолитных водопроводных трубах (классы 1 и 2 по ISO 10508) и в промышленных применениях.
PE-RT обоих типов (тип I и тип II) являются превосходным материалом для гибких высоконапорных композитных труб TCP (Thermoplastic composite pipes) для нефтегазовой промышленности и водородной энергетики, в которых компаунд может быть использован и в качестве материала труб и оболочки, так и в качестве полимерного связующего армирующей системы на основе однонаправленных лент усиленных волокнами (UD tape). Хорошая гибкость, высокая температурная стойкость в сочетании с долговечностью и не высокая стоимость обеспечивают PE-RT преимущества по сравнению с традиционно используемым HDPE.
Еще одним преимуществом DOWLEX 2388 является его превосходная технологичность, что приводит к более высокой скорости линии экструзии, особенно для композитных труб PE / Al / PE.
Преимущества PE-RT могут быть применены к трубам и фасонным изделиям большего размера, таким как промышленные трубы и трубы с многослойной структурой. Это позволяет пользователям расширять использование таких трубопроводных систем до более высоких температур, чем это возможно в настоящее время с обычными трубами на основе HDPE, сохраняя при этом преимущества присущих полиэтилену хороших низкотемпературных характеристик, гибкости и химической стойкости.
Detlef Schramm, Mark Jeruzal
Plastics R & D, The Dow Chemical Company
.
.
|