Способ нанесения полимерного покрытия на металлическую трубу

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ПОЛИМЕРНОГО ПОКРЫТИЯ НА МЕТАЛЛИЧЕСКУЮ ТРУБУ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Объединенный институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Белоцерковский Марат Артемович Гоман Аркадий Михайлович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Объединенный институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси(56) Белоцерковский М.А. Технологии активированного газопламенного напыления антифрикционных покрытий. Минск Технопринт, 2004. - С. 167-171.2234382 2, 2002.5768 1, 2003.2041744 1, 1995.(57) Способ нанесения полимерного покрытия на металлическую трубу, включающий подготовку поверхности трубы и последующее формирование полимерного покрытия термонапылением, отличающийся тем, что для термонапыления используют полимерный материал, величина коэффициента термического расширения которого удовлетворяет следующему соотношению(2 П) где П - коэффициент термического расширения полимерного материала, используемого для термонапыления, 1/ С- коэффициент термического расширения металла трубы, 1/ С сц - прочность сцепления полимерного покрытия на отрыв, обеспечиваемая используемым способом термонапыления, МПа- максимальная температура эксплуатации трубы, С- диаметр трубы, м П - толщина полимерного покрытия, м Т - толщина стенки трубы, м- отношение предела прочности полимерного покрытия при одноосном растяжении к пределу прочности полимерного покрытия при одноосном сжатии 1 П, где П - коэффициент Пуассона полимерного покрытия, ЕП - модуль упПП ругости полимерного покрытия, МПа 1, где- коэффициент Пуассона металла трубы,- модуль упругости ме 10551 1 2008.04.30 Изобретение относится к технологии защиты металлических труб от коррозии полимерными покрытиями, наносимыми методами термонапыления, например газопламенного напыления. Оно предназначено для нанесения защитных полимерных покрытий на промышленные и бытовые трубопроводы по транспортировке воды, природного газа, жидких нефтепродуктов и других технологических жидкостей. Кроме того, изобретение может быть использовано для нанесения защитных покрытий на трубчатые элементы опор морских буровых платформ, антенных устройств и мачт. Известен способ нанесения полимерного покрытия на металлические трубы (см. Довгяло В.А., Юркевич О.Р. Композиционные материалы и покрытия на основе дисперсных полимеров. Технологические процессы. - Мн. Наука и техника, 1992. - 256 с.), включающий подготовку поверхности трубы, ее нагрев и погружение на определенное время в слой порошка полимерного материала, находящегося в подвижном (псевдоожиженном) состоянии и плавление частиц порошка полимера на поверхности трубы с образованием покрытия. Недостатком известного способа является невозможность его реализации на трубах длиной более 3-4 метров, а также на месте эксплуатации труб. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ нанесения полимерного покрытия на металлические трубы (см. Белоцерковский М.А. Технологии активированного газопламенного напыления антифрикционных покрытий. - Мн. Технопринт, 2004. - С. 167-171), включающий подготовку поверхности трубы и последующее формирование полимерного слоя одним из методов термонапыления, например газопламенного напыления. Недостатком известного способа является низкая долговечность покрытий при эксплуатации труб в широком интервале температур. Так, при периодическом (и даже кратковременном) нагреве трубы выше 50 С происходит растрескивание и отслаивание покрытий из многих ненаполненных термопластов, таких как полиэтилентерефталат, полиамид, полиэтилен, поливинилбутираль, что обусловлено значительной разностью коэффициентов термического напряжения металлов и полимеров. Возникающие при нагреве или охлаждении трубы напряжения приводят к отслоению и разрушению покрытий, если их величина превышает величину прочности сцепления. Задачей изобретения является повышение долговечности полимерных покрытий на трубах в широком температурном диапазоне их использования. Для решения поставленной задачи в способе нанесения полимерного покрытия на металлическую трубу, включающем подготовку поверхности трубы и последующее формирование полимерного слоя термонапылением, согласно изобретению, для термонапыления используют полимерный материал, величина коэффициента термического расширения которого удовлетворяет следующему соотношению(2 П) где П - коэффициент термического расширения полимерного материала, используемого для термонапыления, 1/град- коэффициент термического расширения металла трубы, 1/град сц - прочность сцепления полимерного покрытия на отрыв, обеспечиваемая используемым способом термонапыления, МПа- максимальная температура эксплуатации трубы, С- диаметр трубы, м П - толщина полимерного покрытия, м Т - толщина стенки трубы, м- отношение предела прочности полимерного покрытия при одноосном растяжении к пределу прочности полимерного покрытия при одноосном сжатии 2, где П - коэффициент Пуассона полимерного покрытия, П - модуль упП ругости полимерного покрытия, МПа 1, где- коэффициент Пуассона металла трубы,- модуль упругости ме талла трубы, МПа. В основу заявляемого способа положена методология выбора материала покрытия и режимов нанесения слоя для защиты изделия, заключающаяся в рассмотрении изделия с покрытием, как элемента динамической системы, рассчитываемого на прочностную надежность. Любые напряжения, вызывающие деформацию всего изделия (в данном случае трубы) или отдельных участков, воздействуют на покрытие, адгезионные и когезионные характеристики которого и будут в конечном итоге определять его работоспособность. Напряженное состояние в покрытии в зоне сцепления с трубой, обусловленное температурными напряжениями, является объемным, определяется сжимающими напряжениями в осевом и окружном направлениях и растягивающим контактным напряжением в зоне сцепления с металлом. Определив контактные напряжения в зоне сцепления покрытия с трубой, получили выражение, описывающее зависимость коэффициента линейного расширения наносимого полимерного материала от температуры эксплуатации трубы, ее размеров и величины прочности сцепления покрытия. Поскольку для всех методов напыления полимерных покрытий и напыляемых материалов известна максимальная величина достигаемой прочности сцепления с основой на отрыв, определение необходимого коэффициента термического расширения по выражению (1) не вызывает затруднений. В таблице приведены необходимая величина коэффициента линейного расширения полимера, наносимого в виде покрытия толщиной 350 мкм газопламенным методом на стальную трубу диаметром 1,2 м, а также обеспечиваемая при этом прочность сцепления. П Напыляемый материал,Необходимый коэффициобеспечивающий необхоент термического расшидимый коэф. термического рения полимера, 1/град расширения 6 полиамид ПА 6 11410 полиамид ПА 64 об.95106 наполнителя (23) полиамид ПА 67 об.80106 23 полиамид ПА 612 об.62106 23 Коэффициент термического расширения полиамида ПА 6 составляет (96100)106 1/град. Расчеты показали, что для того чтобы покрытие не отслоилось при больших перепадах температур, необходимо снижать коэффициент термического расширения. С этой целью в полимер вводят наполнители - порошки металлов или керамики (см. стр. 209 - Общетехнический справочник / Е.А. Свиридов, В.П. Законников, А.Б. Пакнис и др. - М. Машиностроение, 1990. - 491 с.). Например, введение наполнителей позволяет снизить П винипласта со 150106 1/град до 50106 1/град., П капролона с 90106 1/град до 66106 1/град. Представленные в таблице результаты свидетельствуют о том, что напыляемый материал с выбранной величиной П формирует покрытие, которое может надежно эксплуатироваться в требуемом интервале температур. 10551 1 2008.04.30 Пример реализации способа Участок внутризаводского трубопровода (диаметр 120 мм) по транспортировке природного газа длиной 8 м был зачищен от краски, обработан карцеванием и покрыт методом газопламенного напыления с помощью установки ТЕРКО-П слоем полимера(полиэтилентерефталат ТУ 6-06-С 199-86), толщиной 200-250 мкм. Предварительные замеры показали, что труба в данном участке нагревается в летнее время до 60 С. Используя выражение (1) и учитывая, что прочность сцепления на отрыв полиэтилентерефталата при газопламенном напылении составляет 11-13 МПа, была определена величина П(75-79) 106 1/град. Для обеспечения требуемой величины П в порошок полиэтилентерефталата добавили 11-13 об.порошка оксида алюминия с размером частиц менее 50 мкм. Наблюдения за покрытым участком трубопровода в течение двух лет показали,что точечные дефекты, трещины и отслоения не появились. Соседний участок длиной трубы 2 м был покрыт согласно прототипу слоем полиэтилентерефталата без наполнителя. К концу первого года наблюдалось отслоение около 30 площади покрытия, и практически все покрытие покрылось сеткой трещин. После следующих 4-х месяцев эксплуатации отслоилось более 70 покрытия. Таким образом, покрытия, нанесенные по заявляемому способу, обладают большей долговечностью благодаря повышенной адгезии, чем полученные по прототипу. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4