Толстостенные трубы большого диаметра: как избежать протека при экструзии труб

Растущая популярность труб большого диаметра, от 630 мм до 1200 мм, которые находят применение в различных сферах, является стимулом для разработки материалов PE100. Они подходят для изготовления труб большого диаметра и помогают избежать таких проблем во время экструзии, как стекание.

При экструзии толстостенных труб большого диаметра из ПЭВП (стенка > 75 мм) возникает проблема с соблюдением размеров в заданных пределах, которая вызвана стеканием, обусловленным недостаточной прочностью расплава смолы.

По мере увеличения диаметра трубы из ПЭВП в процессе экструзии:

• увеличивается толщина;
• труба неэффективно охлаждается изнутри, а также внутри сердечника;
• снижается линейная скорость.

Обычно процесс производства труб большого диаметра занимает 3,3 часа; при этом трубы могут иметь сегменты:

• с разной степенью кристалличности;
• разной толщины;
• c разной влажностью и т.п.

Развитие кристаллизации:

В большинстве процессов экструзии ПЭВП от 60% до 80% кристаллизации происходит на этапе охлаждения в рамках обработки и до 90% - в течение недели после обработки. Для завершения кристаллизации, в зависимости от температуры окружающей среды, могут потребоваться месяцы. В любом случае, кристаллизация продолжается до формирования устойчивой кристаллической структуры.

Проблема стекания при экструзии труб:

При производстве толстостенных труб внутренняя часть стенки в течение длительного времени остается расплавленной , что ведет к образованию нисходящего потока расплава, называемого протеком.

Протек при экструзии труб может вызвать значительную неравномерность по толщине стенки трубы, усиливает овальность и является причиной отклонения от концентричности трубы, ведет к образованию отходов на дне трубы и к увеличению производственных затрат на фоне неоптимального качества конечного продукта.

Протек всегда наблюдается при производстве толстостенных труб большого диаметра и представляет собой поток материала, стекающий сверху вниз по трубе до его замерзания под действием охлаждающей воды.

Существует два способа, помогающих устранить стекание при экструзии труб:

a) Коррекция зазора фильеры, но в этом случае потребуются определенное время и обязательное использование дополнительного материала; кроме того, это приведет к изменению толщины. Также коррекция фильеры помогает избежать излишнего утолщения стенок в нижней части.

b) Использование ПЭВП, слабо подверженного стеканию, и оптимизация процесса охлаждения. Считается, что бимодальная полиэтиленовая композиция с высокой вязкостью при низком напряжении сдвига улучшает склонность полимерного расплава к стеканию. Труба экструдируется через кольцевую фильеру, и ее поверхности охлаждаются изнутри и снаружи.

Коррекция зазора фильеры:

Традиционный способ уменьшить стекание в процессе экструзии труб заключается в ручной регулировке эксцентричности фильеры, вплоть до достижения приемлемого профиля толщины стенки. При применении этого трудоемкого метода проб и ошибок может потребоваться  несколько попыток для получения правильного профиля. Чтобы минимизировать усилия и скомпенсировать эффект стекания, перед началом экструзии зазор фильеры регулируется таким образом, чтобы в ее верхней части зазор был больше и меньше в нижней части.

Мы можем использовать встроенный ультразвуковой толщиномер, который отображает изменения толщины на дисплее и располагает четырьмя точками измерений, расположенными под углом 90°друг к другу. В качестве альтернативы можно пользоваться портативной аппаратурой, измеряя толщину в различных точках трубы непосредственно на линии.

Узнав колебания толщины, мы можем произвести точную регулировку, надлежащим образом изменяя температуру сегментного нагревателя, чтобы контролировать толщину и уменьшить потери, а также улучшить качество.

Что такое слабо подверженный стеканию ПЭВП?

Современные «низкотекучие» смолы обеспечивают возможность производить трубы с более крупным диаметром и более толстыми стенками, чем раньше. Поэтому требуются специальные полиэтиленовые композиции, обладающие улучшенным балансом между низкой склонностью к стеканию и технологическими характеристиками и пригодные для труб большого диаметра (до 1200 мм) и с толщиной стенки 100 мм, которые предназначены для работы под высоким давлением. При этом экструзия указанных труб должна осуществляться на уже существующих линиях и при стандартных настройках экструзионных головках. Кроме того, такая композиция должна демонстрировать хороший баланс между механическими свойствами и устойчивостью к давлению, для соответствия техническим характеристикам PE100. (Backman, M & Lind, C. 2001).

В связи с большой толщиной стенок и медленным процессом охлаждения, обусловленным теплопроводностью полиэтилена, очень важно, чтобы находящийся в расплавленном состоянии ПЭВП обладал достаточной прочностью расплава, чтобы предотвратить стекание материала на дно трубы.

Чтобы добиться этого, предпринимались попытки получить молекулярную структуру ПЭВП, сочетающую в себе высокую прочность расплава с хорошей технологичностью и скоростью обработки.

Использование гексена в качестве сомономера в смоле PE100, специально разработанной для труб очень большого диаметра, обеспечивает следующие преимущества:

• улучшенная стойкость к медленному росту трещин;
• улучшенная стойкость к быстрому распространению трещин;
• превосходная прочность расплава (устойчивость к натекам).

BorSafe HE3490-ELS-H, PE100 - это материал, в котором молекулярно-массовое распределение было скорректировано с целью увеличения вязкости при низких скоростях сдвига. Это позволило уменьшить протеки в процессе экструзии труб и использовать этот же материал для труб меньшего диаметра. MRS 10, бимодальный полиэтилен высокой плотности, представляет собой материал, специально разработанный для упрощения производства толстостенных труб большого диаметра из ПЭВП (толщиной более 80 мм), за счет исключительной устойчивости к натекам и превосходной прочности расплава. Многочисленные испытания показали, что при производстве труб с толщиной стенки более 80 мм (независимо от наружного диаметра трубы) обеспечиваются экономия материала, в среднем составляющая 7%, а также улучшенный размерный контроль по сравнению со стандартным PE100. Например, были проведены испытания труб диаметром 1200 мм с коэффициентом SDR 11, изготовленных из материалов со стандартной и высокой устойчивостью к натекам. Исследования ясно показали, что при использовании материала с высокой устойчивостью к натекам обеспечивается гораздо лучшее распределение толщины стенок. (Abdullah Saber & Hussein Basha,2021).

Более того, при использовании правильного оборудования и устойчивых к натекам материалов можно снизить значение излишнего веса, что ведет к сокращению расхода сырья и, соответственно, снижению себестоимости продукции. В принципе, всем производителям труб следует стремиться работать таким образом, чтобы не превышать 30% от допуска по толщине. Это объясняется двумя причинами: чтобы получить высокий уровень качества, но, в первую очередь, снизить себестоимость продукции. Целевая задача - добиться, чтобы излишний вес составлял 3–3,5%.