Виробництво труб великого діаметру з поліетилену
Процес виробництва труб великого діаметру з поліетилену ще 20-25 років тому вважався унікальним і до кінця 1980-х років минулого століття назви фірм, що випускають труби діаметром до 630 мм можна було пам'ятати напам'ять, а дві-три, що випускають труби діаметром до 1200 мм , були предметом заздрості екструзійної промисловості всього світу.
Будь яка лінія виробництва труб з поліетилену складається з наступних основних елементів: екструдера, трубної головки, калібру, вакуумних і (або) охолоджуючих ванн, тягнучого пристрою, відрізного пристрою. Процес отримання труби при її безперервному русі по технологічному ланцюжку складається з наступних стадій: отримання розплаву поліетилену в екструдері, формування трубної заготовки в екструзійній трубній голівці, калібрування заготовки об охолоджуєму поверхню калібру, охолодження каліброваної труби в охолоджуючих (вакуумних) ваннах, розрізання труби на мірні відрізки. Відомі й практикуються два різні способи виробництва поліетиленових труб, що відрізняються за способом калібрування: пневмокалібровані і вакуумкалібровані.
Які ж труднощі на шляху освоєння виробництва труб великого діаметру зустрічали розробники устаткування і виробники труб?
1. Відсутність екструдерів великої одиничної продуктивності, низька продуктивність процесу.
Одношнековий екструдер довгий час розглядали як гвинтовий насос, в якому тиск створювався в розплаві на останньому етапі в зоні нагнітання. Відповідно, попередні зони розглядалися як допоміжні: зона живлення - для подачі гранул в зону плавлення, наступна зона - для плавлення матеріалу. Від відомих з кінця позаминулого століття екструдерів для переробки гуми, екструдер для переробки, наприклад, поліетилену відрізнявся лише довжиною і геометрією шнека, пристосованого до реологічних і теплофізичних властивостей матеріалу. Такий екструдер був надзвичайно чутливим до протитиску екструзійної головки, величиною зазору між гребенем витка шнека і циліндром, температурного режиму і властивостями матеріалу навіть одного і того ж виду. Продуктивність же екструдера з діаметром шнека, наприклад, 160 мм, на якому базувалася лінія виробництва труб великого діаметру Вільнюського заводу, не перевищувала 200-250 кг/год.
Із застосуванням в зоні завантаження рифлених охолоджуваних втулок характер роботи екструдера революційно змінився. Тепер на довжині шнека, що рівний п'яти діаметрам, в зоні втулки ще на твердому матеріалі розвивається все діючий в екструдері тиск. На всієї , що залишилася довжині шнека йде нагрівання, плавлення гранул і гомогенізація розплаву полімеру без функції його транспортування, тобто шнек разом з головкою є вимушеним, але необхідним для якісної підготовки розплаву, опором руху розплаву. Вже перші екструдери з діаметром шнека 90 мм, забезпечені рифленою втулкою, мали продуктивність 300 кг/год, а екструдер з діаметром шнека 200 мм - 600 кг/год. Саме на базі таких екструдерів було побудовано виробництво труб Казанського ВО "Органічний синтез". Надалі розробниками екструдерів еволюційно вирішувалися питання інтенсифікації нагріву і перемішування ламінарних потоків розплаву, в тому числі із застосуванням "бар'єрних" шнеків, а також збільшення живильної здатності зони рифленої втулки, завдяки чому продуктивність була підвищена ще більш ніж в 2 рази. Для сучасного екструдера з діаметром шнека 120 мм, "нормальною" є продуктивність 900-1200 кг/год, при цьому розплав поліетилену має високу температурну однорідність.
2. Екструзіонная головка
Екструзіонная трубна головка призначена для формування трубної заготовки з циліндричного потоку розплаву полімеру. Трубна головка кріпиться на фланцях до корпусу екструдера, має дорн, що формує внутрішню поверхню труби, дорнотриматель, зовнішній корпус, матрицю, яка формує зовнішню поверхню труби. Наявність дорна і дорнотримателя, расікаючого потік розплаву, є вимушеною особливістю прямоточних головок для екструзії заготовок полого профілю. Для труб малого діаметра традиційно використовувався дорнотриматель у вигляді чотирьох-шести пір'їн обтічної форми, що пов'язують внутрішній дорн із зовнішнім корпусом. Розсічення потоку розплаву поперечною перепоною (дорнотримателем) призводить до того, що в потоці розплаву за перешкодою тягнеться шлейф, що має іншу деформаційну історію і по-іншому розбухає при виході з головки, ніж інша (по периметру) маса розплаву. Із збільшенням діаметрів труб і зростанням продуктивності, при такій примітивній конструкції дорнотримателя неминуче виникає ограновування внутрішньої поверхні труби, що не калібрується. Так що при освоєнні процесу виробництва труб великого діаметру розробникам довелося серйозно попрацювати над конструкцією екструзійної головки. Основна ідея боротьби з огранюванням - піддати розплав після його проходження через дорнотриматель новому, інтенсивному і по можливості рівномірному деформаційному впливу в спеціальних вирівнюючих зонах головки.
До справжнього моменту склалося в основному два типи конструкції головки, що в певній мірі відповідають цій ідеї:
1) Дорнотриматель виконаний у вигляді циліндричних каналів практично перпендикулярних до осі головки. Вирівнювальна зона - у вигляді гвинтових каналів з зменшуємою по ходу руху глибиною.
2) Дорнотриматель по суті той же, а вирівнювальна зона - у вигляді перфорованої склянки-сітки.
Цікаво, що такі конструкції головок спочатку були розроблені і застосовані у виробництві труб великого діаметру і лише пізніше повернулися в високопродуктивні лінії для виробництва труб малого діаметру.
3. Спосіб калібрування.
Вихідна з екструзійної головки розплавлена заготовка повинна бути відкалібрована. Калібрування заготовки здійснюється охолоджуємою металевою поверхнею, до якої вона притискається надлишковим внутрішнім тиском повітря. На власне процес калібрування не впливає спосіб створення надлишку тиску - або ми піднімаємо тиск всередині труби більше атмосферного (пневмокалібрування), або ми створюємо розрідження зовні труби (вакуумкалібрування). Усі відмінності між пневмо- і вакуумкалібруванням відносяться тільки до апаратного оформлення та прийомам запуску і ведення процесу.
Пневмокалібрування.
Для створення надлишкового тиску всередині труби методом пневмокалібрування її вільний, передній кінець необхідно заглушити. Якщо труба має діаметр 10-40 мм, можна просто перегнути її кінець і направити на намотування, в інших випадках трубу заглушають за допомогою "плаваючої" пробки, прикріпленої до дорна екструзійної головки тросом. Здавалося б, нічого страшного, і весь світ десятиліттями так і працював. Однак пробка повинна бути встановлена на такій відстані від головки, на якому труба затверділа наскрізь. Із збільшенням продуктивності ця відстань збільшується, збільшується стріла провиса троса під власною вагою, трос починає торкатися внутрішньої ще розплавленої поверхні труби. Виявилося, що тільки з цієї причини навіть трубу діаметром 160 мм SDR 11, не можна отримати з продуктивністю більшою, ніж 165 кг/год, а діаметром 225 мм (допустима стріла провиса чисто геометрично більше) - до 250 кг/год.
З ростом продуктивності екструдерів такі продуктивності не могли задовольнити виробників, тому перші лінії з вакуумним калібруванням і перші вакуумні ванни були створені для цього діапазону розмірів труб, а труби великого діаметра (315-1200 мм) ще деякий час випускали за допомогою пневмокалібрування. (В Казані, наприклад, вони випускаються і досі).
Але зі збільшенням діаметра труби "плаваюча" пробка набуває все більш кошмарний вигляд. Пробка для труби, наприклад, діаметром 630 мм має довжину близько 1,5 метра і вагу близько 500 кг: в 5-6 рядів встановлені набори гумових діафрагм з підпірними шайбами. Є роликові опори, розвантажують діафрагми від власної ваги пробки і елементи безпеки, так як потенційно при використанні такої пробки ми маємо готову до пострілу пневматичну гармату, здатну пробити стіну будівлі і закинути пробку на сусідню територію.
Хто має фантазію, нехай тепер подумки встановить цю пробку всередину пускової труби і проштовхне її вперед, щоб попередньо натягнути трос. При ненатянутом тросі пробка автоматично розгерметизується елементом безпеки або, якщо його немає, при подачі тиску калібрування "стрибне" вперед на відстань слабини троса. Залишається тепер так спритно запустити процес, щоб на стартовому стику не утворилося помітного внутрішнього напливу, на якому пробка через три-чотири години може застрягти і, в кращому випадку, зупинити тягнучий пристрій. Якщо врахувати, що запуск процесу відбувається наосліп, коли калібр вже зістикований з матрицею, про такі дрібниці, як про повне перебирання комплекту діафрагм при переході до виробництва труби з іншим SDR або про їх заміну через два-три тижні роботи, можна і не згадувати.
Вакуумна ванна для вакуумкалібрування труб великого діаметру складніше і дорожче герметизуючої пробки, але, накопичивши досвід проектування, виготовлення і експлуатації вакуумних ванн для труб діаметром до 225 мм, при розширенні виробництва труб великого діаметру промисловість екструзії труб природним чином пішла шляхом застосування вакуумного калібрування і в цьому випадку.
Вакуумкалібруванне.
Для створення надлишкового тиску всередині труби методом вакуумкалібрування трубна заготовка розплаву подається в спеціальний пристрій - вакуумну ванну, в якій підтримується вакуум від 0,01 до 0,09 МПа. На вході у вакуумну ванну встановлений калібр. Внутрішній діаметр і довжина калібру залежать від багатьох факторів, які важко врахувати при проектуванні і, як правило, до складу лінії входить цілий набір калібрів для виробництва труби одного діаметру, але різних SDR. При виробництві труб великого діаметру це перетворюється на серйозну технічну і фінансову проблему.
Для забезпечення умов вакуумного калібрування заготовка повинна входити в калібр з невеликим напливом і внутрішній діаметр матриці повинен бути більше діаметра калібру. При вході в калібр заготовка труби витягується, отже, формуючий зазор між матрицею і дорном також більше номінальної товщини труби. Сказане автоматично передбачає застосування для виробництва труби заданого SDR індивідуального дорна.
Інструмент (дорн, матриця) і калібри для виробництва труб великого діаметру - складні, важкі, дорогі деталі. Маса комплекту дорн-матриця для виробництва труб 1200 мм досягає 8000 кг, маса калібру на 1200 мм - близько 1000 кг, вартість комплекту інструменту і калібрів набагато вище вартості трубної головки і може досягати до 25% вартості всієї лінії. У зв'язку з цим деякі фірми-виробники обладнання з метою скорочення вартості ліній рекомендують використання одного інструменту і калібру не тільки для виробництва труб одного діаметру з різним SDR але навіть для виробництва труб різного діаметру. Використання такого інструменту може привести до збільшення кількості некондиційної труби при виході на режим і абсолютно неприпустимо з точки зору якості вироблених труб.
Розрідження у вакуумній ванні не тільки забезпечує щільний контакт поверхні заготовки з калібром, встановленим на вході у ванну, а й перешкоджає її овалізаціі під дією неминучих, при подальшому охолодженні, термічних напружень в стінці заготовки. Час дії розрідження (довжина вакуумних ванн) повинно бути таким, щоб постійно збільшується міцність охолоджуємої заготовки перевищила дію внутрішніх напружень, які деформують форму. Це час відповідає приблизно половині довжини повного охолодження і при сучасному рівні продуктивності вимагає встановлення двох-трьох вакуумних ванн довжиною не менше 6 метрів.
Перша в Росії лінія виробництва поліетиленових труб великого діаметру - від 315 до 1200 мм методом вакуумкалібрування була створена і освоєна в 2003 році (холдинг "Євротрубпласт"). Перед створенням лінії були вивчені технічні та комерційні пропозиції провідних західноєвропейських і азіатських виробників обладнання (пропозиції були отримані від восьми фірм). Було прийнято рішення не купувати комплектну лінію. Значна частина технологічного устаткування - калібри, вакуумні і охолоджуючі ванни - була розроблена технічними службами холдингу і виготовлена в Росії. Екструдер, екструзіонная головка, тягнучий і відрізний пристрої були придбані у провідних європейських виробників.
В даний час на лінії освоєно випуск всіх видів труб з ПЕ 80 і ПЕ 100 діаметром від 630 до 1200 мм, передбачених ГОСТ 18599-2001. Продуктивність лінії по трубах становить 900-1100 кг/год.
У СРСР виробництво труб великого діаметра розпочалося наприкінці 70-х років минулого століття.
Будь яка лінія виробництва труб з поліетилену складається з наступних основних елементів: екструдера, трубної головки, калібру, вакуумних і (або) охолоджуючих ванн, тягнучого пристрою, відрізного пристрою. Процес отримання труби при її безперервному русі по технологічному ланцюжку складається з наступних стадій: отримання розплаву поліетилену в екструдері, формування трубної заготовки в екструзійній трубній голівці, калібрування заготовки об охолоджуєму поверхню калібру, охолодження каліброваної труби в охолоджуючих (вакуумних) ваннах, розрізання труби на мірні відрізки. Відомі й практикуються два різні способи виробництва поліетиленових труб, що відрізняються за способом калібрування: пневмокалібровані і вакуумкалібровані.
Які ж труднощі на шляху освоєння виробництва труб великого діаметру зустрічали розробники устаткування і виробники труб?
1. Відсутність екструдерів великої одиничної продуктивності, низька продуктивність процесу.
Одношнековий екструдер довгий час розглядали як гвинтовий насос, в якому тиск створювався в розплаві на останньому етапі в зоні нагнітання. Відповідно, попередні зони розглядалися як допоміжні: зона живлення - для подачі гранул в зону плавлення, наступна зона - для плавлення матеріалу. Від відомих з кінця позаминулого століття екструдерів для переробки гуми, екструдер для переробки, наприклад, поліетилену відрізнявся лише довжиною і геометрією шнека, пристосованого до реологічних і теплофізичних властивостей матеріалу. Такий екструдер був надзвичайно чутливим до протитиску екструзійної головки, величиною зазору між гребенем витка шнека і циліндром, температурного режиму і властивостями матеріалу навіть одного і того ж виду. Продуктивність же екструдера з діаметром шнека, наприклад, 160 мм, на якому базувалася лінія виробництва труб великого діаметру Вільнюського заводу, не перевищувала 200-250 кг/год.
Із застосуванням в зоні завантаження рифлених охолоджуваних втулок характер роботи екструдера революційно змінився. Тепер на довжині шнека, що рівний п'яти діаметрам, в зоні втулки ще на твердому матеріалі розвивається все діючий в екструдері тиск. На всієї , що залишилася довжині шнека йде нагрівання, плавлення гранул і гомогенізація розплаву полімеру без функції його транспортування, тобто шнек разом з головкою є вимушеним, але необхідним для якісної підготовки розплаву, опором руху розплаву. Вже перші екструдери з діаметром шнека 90 мм, забезпечені рифленою втулкою, мали продуктивність 300 кг/год, а екструдер з діаметром шнека 200 мм - 600 кг/год. Саме на базі таких екструдерів було побудовано виробництво труб Казанського ВО "Органічний синтез". Надалі розробниками екструдерів еволюційно вирішувалися питання інтенсифікації нагріву і перемішування ламінарних потоків розплаву, в тому числі із застосуванням "бар'єрних" шнеків, а також збільшення живильної здатності зони рифленої втулки, завдяки чому продуктивність була підвищена ще більш ніж в 2 рази. Для сучасного екструдера з діаметром шнека 120 мм, "нормальною" є продуктивність 900-1200 кг/год, при цьому розплав поліетилену має високу температурну однорідність.
2. Екструзіонная головка
Екструзіонная трубна головка призначена для формування трубної заготовки з циліндричного потоку розплаву полімеру. Трубна головка кріпиться на фланцях до корпусу екструдера, має дорн, що формує внутрішню поверхню труби, дорнотриматель, зовнішній корпус, матрицю, яка формує зовнішню поверхню труби. Наявність дорна і дорнотримателя, расікаючого потік розплаву, є вимушеною особливістю прямоточних головок для екструзії заготовок полого профілю. Для труб малого діаметра традиційно використовувався дорнотриматель у вигляді чотирьох-шести пір'їн обтічної форми, що пов'язують внутрішній дорн із зовнішнім корпусом. Розсічення потоку розплаву поперечною перепоною (дорнотримателем) призводить до того, що в потоці розплаву за перешкодою тягнеться шлейф, що має іншу деформаційну історію і по-іншому розбухає при виході з головки, ніж інша (по периметру) маса розплаву. Із збільшенням діаметрів труб і зростанням продуктивності, при такій примітивній конструкції дорнотримателя неминуче виникає ограновування внутрішньої поверхні труби, що не калібрується. Так що при освоєнні процесу виробництва труб великого діаметру розробникам довелося серйозно попрацювати над конструкцією екструзійної головки. Основна ідея боротьби з огранюванням - піддати розплав після його проходження через дорнотриматель новому, інтенсивному і по можливості рівномірному деформаційному впливу в спеціальних вирівнюючих зонах головки.
До справжнього моменту склалося в основному два типи конструкції головки, що в певній мірі відповідають цій ідеї:
1) Дорнотриматель виконаний у вигляді циліндричних каналів практично перпендикулярних до осі головки. Вирівнювальна зона - у вигляді гвинтових каналів з зменшуємою по ходу руху глибиною.
2) Дорнотриматель по суті той же, а вирівнювальна зона - у вигляді перфорованої склянки-сітки.
Цікаво, що такі конструкції головок спочатку були розроблені і застосовані у виробництві труб великого діаметру і лише пізніше повернулися в високопродуктивні лінії для виробництва труб малого діаметру.
3. Спосіб калібрування.
Вихідна з екструзійної головки розплавлена заготовка повинна бути відкалібрована. Калібрування заготовки здійснюється охолоджуємою металевою поверхнею, до якої вона притискається надлишковим внутрішнім тиском повітря. На власне процес калібрування не впливає спосіб створення надлишку тиску - або ми піднімаємо тиск всередині труби більше атмосферного (пневмокалібрування), або ми створюємо розрідження зовні труби (вакуумкалібрування). Усі відмінності між пневмо- і вакуумкалібруванням відносяться тільки до апаратного оформлення та прийомам запуску і ведення процесу.
Пневмокалібрування.
Для створення надлишкового тиску всередині труби методом пневмокалібрування її вільний, передній кінець необхідно заглушити. Якщо труба має діаметр 10-40 мм, можна просто перегнути її кінець і направити на намотування, в інших випадках трубу заглушають за допомогою "плаваючої" пробки, прикріпленої до дорна екструзійної головки тросом. Здавалося б, нічого страшного, і весь світ десятиліттями так і працював. Однак пробка повинна бути встановлена на такій відстані від головки, на якому труба затверділа наскрізь. Із збільшенням продуктивності ця відстань збільшується, збільшується стріла провиса троса під власною вагою, трос починає торкатися внутрішньої ще розплавленої поверхні труби. Виявилося, що тільки з цієї причини навіть трубу діаметром 160 мм SDR 11, не можна отримати з продуктивністю більшою, ніж 165 кг/год, а діаметром 225 мм (допустима стріла провиса чисто геометрично більше) - до 250 кг/год.
З ростом продуктивності екструдерів такі продуктивності не могли задовольнити виробників, тому перші лінії з вакуумним калібруванням і перші вакуумні ванни були створені для цього діапазону розмірів труб, а труби великого діаметра (315-1200 мм) ще деякий час випускали за допомогою пневмокалібрування. (В Казані, наприклад, вони випускаються і досі).
Але зі збільшенням діаметра труби "плаваюча" пробка набуває все більш кошмарний вигляд. Пробка для труби, наприклад, діаметром 630 мм має довжину близько 1,5 метра і вагу близько 500 кг: в 5-6 рядів встановлені набори гумових діафрагм з підпірними шайбами. Є роликові опори, розвантажують діафрагми від власної ваги пробки і елементи безпеки, так як потенційно при використанні такої пробки ми маємо готову до пострілу пневматичну гармату, здатну пробити стіну будівлі і закинути пробку на сусідню територію.
Хто має фантазію, нехай тепер подумки встановить цю пробку всередину пускової труби і проштовхне її вперед, щоб попередньо натягнути трос. При ненатянутом тросі пробка автоматично розгерметизується елементом безпеки або, якщо його немає, при подачі тиску калібрування "стрибне" вперед на відстань слабини троса. Залишається тепер так спритно запустити процес, щоб на стартовому стику не утворилося помітного внутрішнього напливу, на якому пробка через три-чотири години може застрягти і, в кращому випадку, зупинити тягнучий пристрій. Якщо врахувати, що запуск процесу відбувається наосліп, коли калібр вже зістикований з матрицею, про такі дрібниці, як про повне перебирання комплекту діафрагм при переході до виробництва труби з іншим SDR або про їх заміну через два-три тижні роботи, можна і не згадувати.
Вакуумна ванна для вакуумкалібрування труб великого діаметру складніше і дорожче герметизуючої пробки, але, накопичивши досвід проектування, виготовлення і експлуатації вакуумних ванн для труб діаметром до 225 мм, при розширенні виробництва труб великого діаметру промисловість екструзії труб природним чином пішла шляхом застосування вакуумного калібрування і в цьому випадку.
Вакуумкалібруванне.
Для створення надлишкового тиску всередині труби методом вакуумкалібрування трубна заготовка розплаву подається в спеціальний пристрій - вакуумну ванну, в якій підтримується вакуум від 0,01 до 0,09 МПа. На вході у вакуумну ванну встановлений калібр. Внутрішній діаметр і довжина калібру залежать від багатьох факторів, які важко врахувати при проектуванні і, як правило, до складу лінії входить цілий набір калібрів для виробництва труби одного діаметру, але різних SDR. При виробництві труб великого діаметру це перетворюється на серйозну технічну і фінансову проблему.
Для забезпечення умов вакуумного калібрування заготовка повинна входити в калібр з невеликим напливом і внутрішній діаметр матриці повинен бути більше діаметра калібру. При вході в калібр заготовка труби витягується, отже, формуючий зазор між матрицею і дорном також більше номінальної товщини труби. Сказане автоматично передбачає застосування для виробництва труби заданого SDR індивідуального дорна.
Інструмент (дорн, матриця) і калібри для виробництва труб великого діаметру - складні, важкі, дорогі деталі. Маса комплекту дорн-матриця для виробництва труб 1200 мм досягає 8000 кг, маса калібру на 1200 мм - близько 1000 кг, вартість комплекту інструменту і калібрів набагато вище вартості трубної головки і може досягати до 25% вартості всієї лінії. У зв'язку з цим деякі фірми-виробники обладнання з метою скорочення вартості ліній рекомендують використання одного інструменту і калібру не тільки для виробництва труб одного діаметру з різним SDR але навіть для виробництва труб різного діаметру. Використання такого інструменту може привести до збільшення кількості некондиційної труби при виході на режим і абсолютно неприпустимо з точки зору якості вироблених труб.
Розрідження у вакуумній ванні не тільки забезпечує щільний контакт поверхні заготовки з калібром, встановленим на вході у ванну, а й перешкоджає її овалізаціі під дією неминучих, при подальшому охолодженні, термічних напружень в стінці заготовки. Час дії розрідження (довжина вакуумних ванн) повинно бути таким, щоб постійно збільшується міцність охолоджуємої заготовки перевищила дію внутрішніх напружень, які деформують форму. Це час відповідає приблизно половині довжини повного охолодження і при сучасному рівні продуктивності вимагає встановлення двох-трьох вакуумних ванн довжиною не менше 6 метрів.
Перша в Росії лінія виробництва поліетиленових труб великого діаметру - від 315 до 1200 мм методом вакуумкалібрування була створена і освоєна в 2003 році (холдинг "Євротрубпласт"). Перед створенням лінії були вивчені технічні та комерційні пропозиції провідних західноєвропейських і азіатських виробників обладнання (пропозиції були отримані від восьми фірм). Було прийнято рішення не купувати комплектну лінію. Значна частина технологічного устаткування - калібри, вакуумні і охолоджуючі ванни - була розроблена технічними службами холдингу і виготовлена в Росії. Екструдер, екструзіонная головка, тягнучий і відрізний пристрої були придбані у провідних європейських виробників.
В даний час на лінії освоєно випуск всіх видів труб з ПЕ 80 і ПЕ 100 діаметром від 630 до 1200 мм, передбачених ГОСТ 18599-2001. Продуктивність лінії по трубах становить 900-1100 кг/год.
Автори: Ігор Гвоздьов, Володимир Швабауер
Джерело: (Журнал "Полімерні труби")
