Охолодження полімерних труб в процесі їх виробництва методом екструзії
На підприємстві ТД "Євротрубпласт" запущений процес внутрішнього охолодження труб діаметром 315 - 800 мм з інтенсивністю, порівнянної з інтенсивністю зовнішнього охолодження.
Переробка термопласта у виріб, в тому числі і екструзією, складається виключно з процесів його нагріву (плавлення) і охолодження. Формування ж виробу (скажімо, вприскування розплаву в ливарні форми або його продавлювання через формуючий інструмент) - процес вельми швидкоплинний і якщо і сполучений з якимись проблемами, то не з точки зору 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 формувань до двох тон розплаву на годину.
Охолодження виробу відбувається тільки за механізмом теплопровідності, а це на порядки більш повільний процес, тому саме час, необхідний для охолодження виробу, визначає продуктивність будь-якого агрегату, що випускає той чи інший виріб з термопласта.
Температурне поле в стінці полімерної труби описується нелінійним диференціальним рівнянням теплопровідності в приватних похідних:
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 формувань до двох тон розплаву на годину.
Охолодження виробу відбувається тільки за механізмом теплопровідності, а це на порядки більш повільний процес, тому саме час, необхідний для охолодження виробу, визначає продуктивність будь-якого агрегату, що випускає той чи інший виріб з термопласта.
Температурне поле в стінці полімерної труби описується нелінійним диференціальним рівнянням теплопровідності в приватних похідних:
де Т (y,τ) - Температура в стінці труби, функція координати і часу, ° С;
y - координата поперек стінки труби, м;
τ- 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 не має точного аналітичного рішення, але його вже давно з легкістю інтегрують чисельними методами. У результаті інтегрування отримуємо час охолодження, що при заданій продуктивності екструзії і вазі погонного метра труби дає так звану довжину охолодження (довжину охолоджуючих ванн).
На рис. 1 показаний процес охолодження труби діаметром 630 мм, SDR 11 при продуктивності 1000 кг / ч. У даному випадку простежується зміна температури зовні труби (y = 0), всередині труби (y = S) і в трьох проміжних по товщині стінки труби точках. З рис. 1 видно, що зовнішня поверхня практично відразу приймає температуру орошаючої її води (20 ° С), тоді як внутрішня твердне тільки через 4 год (довжина охолодження 36 м). Після 42 метрів (7 ванн довжиною по 6 м) примусове охолодження труби припинено.
На рис. 1 показаний процес охолодження труби діаметром 630 мм, SDR 11 при продуктивності 1000 кг / ч. У даному випадку простежується зміна температури зовні труби (y = 0), всередині труби (y = S) і в трьох проміжних по товщині стінки труби точках. З рис. 1 видно, що зовнішня поверхня практично відразу приймає температуру орошаючої її води (20 ° С), тоді як внутрішня твердне тільки через 4 год (довжина охолодження 36 м). Після 42 метрів (7 ванн довжиною по 6 м) примусове охолодження труби припинено.
У цей момент температура в стінці труби практично лінійно розподілена від 90 ° С на внутрішній поверхні до 20 ° С - на зовнішній. При підході до відрізаючого пристрою, тобто приблизно через півтори години, температура в стінці труби приймає середнє значення на рівні 60-65 ° С.
Подібну картину можна отримати для охолодження труби будь-яких габаритів і для будь-якої продуктивності процесу. Однак на практиці для визначення необхідної довжини охолодження (Lохл, м) достатньо скористатись наступним співвідношенням:
Подібну картину можна отримати для охолодження труби будь-яких габаритів і для будь-якої продуктивності процесу. Однак на практиці для визначення необхідної довжини охолодження (Lохл, м) достатньо скористатись наступним співвідношенням:
де: Q е - 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).
Цікаво, що в рівняння (2) не входить діаметр труби, а тільки SDR. Це означає, що і труба діаметром 110 мм, і труба діаметром 1200 мм одного SDR при однаковій продуктивності зажадають однакової довжини охолодження. Визначимо її, наприклад, для продуктивності 1000 кг / год, труба SDR 11, температура охолоджуючої води 20 ° С і усереднена температура труби на виході з процесу 50 ° С (Kохл = 0,5):
У випадку, розглянутому на рис. 1, ми маємо меншу довжину охолодження, і труба виходить більш гарячою.
Зміна теплоємності поліетилену високої щільності при його охолодженні від 220 ° С до 30-40 ° С становить 600-650 кДж / кг. Саме це кількість тепла відводиться від труби охолоджуючої водою, а потім від води в холодильному агрегаті. Таким чином, на кожні 1000 кг / год продуктивності екструзії труби необхідна наступна «потужність теплоз'єму»:
Зміна теплоємності поліетилену високої щільності при його охолодженні від 220 ° С до 30-40 ° С становить 600-650 кДж / кг. Саме це кількість тепла відводиться від труби охолоджуючої водою, а потім від води в холодильному агрегаті. Таким чином, на кожні 1000 кг / год продуктивності екструзії труби необхідна наступна «потужність теплоз'єму»:
Можливості інтенсифікації традиційного процесу охолодження труби вичерпуються застосуванням зрошувальних ванн з інтенсивним і рівномірним поливом труби водою. При цьому ми показали, що для охолодження труби SDR 11 при продуктивності 1000 кг / г необхідна довжина ванн становить не менше 50 м. Якщо до них додати довжину зони розташування тягне і відрізного пристроїв, то тільки після виготовлення не менше 60 м труби апаратник зможе реально проконтролювати її геометричні параметри. А 60 м бракованої труби діаметром 630 мм SDR 11 - це втрата не менше 6,5 т сировини і 2340 кВт • год електроенергії. Звичайно, сучасні методи контролю технологічного процесу (гравіметрія, ультразвукові вимірювачі товщини стінки) і накопичений досвід не допускають таких приголомшливих втрат при кожному запуску процесу, але ризик цілком реальний.
Істотно змінити показники процесу охолодження можливо тільки при використанні технології охолодження труби зсередини. Розробкою таких технологій займаються всі провідні фірми-виробники трубного обладнання, але поки ще жодна з них не представила на ринок весь комплекс обладнання.
Фахівці групи займаються розробкою такої технології та відповідного обладнання з 2004 року. Традиційна схема формування заготовки труби була істотно змінена, і з початку 2007 року був запущений в промислову експлуатацію процес внутрішнього охолодження труб діаметром 315-800 мм з інтенсивністю, порівнянної з інтенсивністю зовнішнього охолодження. Запропонована схема істотно розширює технологічні можливості управління процесом охолодження труби, і з часом очікується досягнення більш широкого спектра результатів, ніж розглянутий нижче.
На рис. 2 представлена картина охолодження тієї ж труби (діаметр 630 мм SDR 11), але при продуктивності 1600 кг / год і задіяному внутрішньому охолодженні.
Після 42 м зовнішнє охолодження труби також припиняється. У цей момент температура в стінці труби становить 20-50 ° С. При підході до відрізного пристрою температура в стінці труби приймає середнє значення на рівні 30-35 ° С.
Ми поки не маємо в своєму розпорядженні екструдера з продуктивністю 1600 кг / год, тому на рис. 2 відображена ситуація майбутнього. Реально ж, при продуктивності 1000 кг / год, введення внутрішнього охолодження дозволило нам з наявних в лінії семи охолоджуючих ванн відключити три останні, тобто довжина зовнішнього охолодження склала 24 м (рис. 3).
Істотно змінити показники процесу охолодження можливо тільки при використанні технології охолодження труби зсередини. Розробкою таких технологій займаються всі провідні фірми-виробники трубного обладнання, але поки ще жодна з них не представила на ринок весь комплекс обладнання.
Фахівці групи займаються розробкою такої технології та відповідного обладнання з 2004 року. Традиційна схема формування заготовки труби була істотно змінена, і з початку 2007 року був запущений в промислову експлуатацію процес внутрішнього охолодження труб діаметром 315-800 мм з інтенсивністю, порівнянної з інтенсивністю зовнішнього охолодження. Запропонована схема істотно розширює технологічні можливості управління процесом охолодження труби, і з часом очікується досягнення більш широкого спектра результатів, ніж розглянутий нижче.
На рис. 2 представлена картина охолодження тієї ж труби (діаметр 630 мм SDR 11), але при продуктивності 1600 кг / год і задіяному внутрішньому охолодженні.
Після 42 м зовнішнє охолодження труби також припиняється. У цей момент температура в стінці труби становить 20-50 ° С. При підході до відрізного пристрою температура в стінці труби приймає середнє значення на рівні 30-35 ° С.
Ми поки не маємо в своєму розпорядженні екструдера з продуктивністю 1600 кг / год, тому на рис. 2 відображена ситуація майбутнього. Реально ж, при продуктивності 1000 кг / год, введення внутрішнього охолодження дозволило нам з наявних в лінії семи охолоджуючих ванн відключити три останні, тобто довжина зовнішнього охолодження склала 24 м (рис. 3).
Які ще результати ми отримали, крім того, що на 40% зменшили довжину охолодження, а на виході отримали більш холодну трубу (30 ° С замість 60 ° С)?
1. Попередній розрахунок теплового балансу показує, що «потужність теплоз'єму» від внутрішньої поверхні становить 65-70 кВт. Оскільки це тепло утилізується нами без витрат енергії, на цю ж величину знижується «холодильне» навантаження у системі загального водообігу.
2. З порівняння даних рис. 2 і 3 з даними рис. 1 видно, що при двосторонньому охолодженні внутрішня поверхня заготовки охолоджується до температури затвердіння втричі швидше, ніж при односторонньому.
1. Попередній розрахунок теплового балансу показує, що «потужність теплоз'єму» від внутрішньої поверхні становить 65-70 кВт. Оскільки це тепло утилізується нами без витрат енергії, на цю ж величину знижується «холодильне» навантаження у системі загального водообігу.
2. З порівняння даних рис. 2 і 3 з даними рис. 1 видно, що при двосторонньому охолодженні внутрішня поверхня заготовки охолоджується до температури затвердіння втричі швидше, ніж при односторонньому.
Ця обставина істотно зменшує ефект стікання розплаву при виробництві великогабаритних труб і дозволяє досягати прийнятною різнотовщинності труби навіть без застосування спеціальних «не стікаючих» композицій поліетилену.
3. Помітно зменшилась «бочковидність» кінців відрізків труб, що говорить про істотне зниження рівня внутрішніх напружень в стінці труби. Це повинно сприятливо позначитись на експлуатаційних характеристиках труби і процесі її зварювання у стик.
Відомо, що на стадії охолодження труби в її стінці утворюються внутрішні (так звані «заморожені») напруги. Треба відзначити, що напруги є взаємно врівноваженими (рис. 4) і виявляються тільки на кінцях відрізка труби, надаючи їм бочкоподібну форму.
3. Помітно зменшилась «бочковидність» кінців відрізків труб, що говорить про істотне зниження рівня внутрішніх напружень в стінці труби. Це повинно сприятливо позначитись на експлуатаційних характеристиках труби і процесі її зварювання у стик.
Відомо, що на стадії охолодження труби в її стінці утворюються внутрішні (так звані «заморожені») напруги. Треба відзначити, що напруги є взаємно врівноваженими (рис. 4) і виявляються тільки на кінцях відрізка труби, надаючи їм бочкоподібну форму.
При литті фітингів виріб однаково охолоджується як зсередини, так і зовні, і напруги стиснення виникають і на внутрішній стінці (рис. 5). Відповідно виникає баланс позитивних і негативних напруг, що не дає викривлення форми, якщо фітінг (або аналогічним чином охолоджену трубу) розрізати.
Розглянемо один із способів оцінки рівня внутрішніх напружень. Якщо у відрізку труби вздовж осі вирізати щілину шириною h1, вивільнені напруги викличуть зміни її периметра, і ширина розрізу скоротиться (рис. 6). Позначивши а = h1 - h2, абсолютну величину напруги визначають за рівнянням:
де Е - модуль пружності матеріалу, МПа..
«Миттєво» досягнувши після розрізання певної величини, ширина h2 продовжує з часом зменшуватись (величина а - зростає). За рівнянням (3) це означає зростання напруги σ з часом (рис. 7), що насправді неможливо. Насправді «заморожені» напруги продовжують скорочувати периметр розрізаного кільця за механізмом повзучості. Визначити «миттєву» величину h2 можна лише з великою похибкою, тому спостереження за її зміною ведуть якийсь час безперервно, а для розрахунку σ приймають час, рівний 3 хвилинам, при величині Е = 900 МПа.
З урахуванням цих умов, накопичені до цього часу вимірювання дають наступну оцінку рівня внутрішніх напружень в стінці труби: ≈ 5 МПа - без застосування внутрішнього охолодження і ≈ 2,5 МПа - з внутрішнім охолодженням.
Зрозуміло, що всі труби - і ті, які тестуються на гідравлічних стендах, і ті, які знаходяться в експлуатації, - мають «заморожені» напруги по природі їх виготовлення. І хоча з часом в процесі релаксації вони зменшуються (за 10 років приблизно вдвічі), можливість їх початкового зменшення забезпечить більш надійну роботу напірного трубопроводу.
У вересні 2007 р. почалася дослідно-промислова експлуатація лінії з виробництва труб діаметрами 315-800 мм з продуктивністю до 1450 кг / год, а в даний час освоюється процес внутрішнього охолодження для труб діаметром до 1200 мм. Сподіваємось, що практичні результати на цій установці повністю підтвердять розрахункові та вже наявні практичні показники і дозволять говорити про кардинально новий підхід до технології виробництва поліетиленових труб.
З урахуванням цих умов, накопичені до цього часу вимірювання дають наступну оцінку рівня внутрішніх напружень в стінці труби: ≈ 5 МПа - без застосування внутрішнього охолодження і ≈ 2,5 МПа - з внутрішнім охолодженням.
Зрозуміло, що всі труби - і ті, які тестуються на гідравлічних стендах, і ті, які знаходяться в експлуатації, - мають «заморожені» напруги по природі їх виготовлення. І хоча з часом в процесі релаксації вони зменшуються (за 10 років приблизно вдвічі), можливість їх початкового зменшення забезпечить більш надійну роботу напірного трубопроводу.
У вересні 2007 р. почалася дослідно-промислова експлуатація лінії з виробництва труб діаметрами 315-800 мм з продуктивністю до 1450 кг / год, а в даний час освоюється процес внутрішнього охолодження для труб діаметром до 1200 мм. Сподіваємось, що практичні результати на цій установці повністю підтвердять розрахункові та вже наявні практичні показники і дозволять говорити про кардинально новий підхід до технології виробництва поліетиленових труб.
Джерело: журнал "Полімерні труби - Україна"
