Виробництво труб великого діаметру з поліетилену
Початок виробництва труб великого діаметру в СРСР відноситься до кінця 70-х років минулого століття, коли фахівцями Вільнюського заводу пластмасових виробів і НВО "Пластик" (м. Москва) на базі вітчизняного обладнання власної розробки було освоєно виробництво труб діаметром до 630 мм. Трохи пізніше на базі закупленого по імпорту обладнання на Казанському ВО "Органічний синтез" було освоєно виробництво труб діаметром до 1000 мм.
Будь-яка лінія виробництва труб з поліетилену складається з наступних основних елементів: екструдера, трубної головки, калібру, вакуумних і (або) охолоджуючих ванн, тягне і відрізного пристроїв. Процес отримання труби при її безперервному русі по технологічному ланцюжку складається з наступних стадій: отримання розплаву поліетилену в екструдері, формування трубної заготовки в екструзійної трубної голівці, калібрування заготовки про охолоджувану поверхню калібру, охолодження каліброваної труби в охолоджувальних (вакуумних) ваннах, різка труби на мірні відрізки. Відомі й практикуються два різні способи виробництва поліетиленових труб, що відрізняються за способом калібрування: пневмокаліброваніе і вакуумкаліброваніе. Які ж труднощі на шляху освоєння виробництва труб великого діаметру зустрічали розробники обладнання і виробники труб?
1. Відсутність екструдерів великої одиничної продуктивності, низька продуктивність процесу
Одношнековий екструдер довгий час розглядали як гвинтовий насос, в якому тиск створювалося в розплаві на останньому етапі в зоні нагнітання. Відповідно, попередні зони розглядалися як допоміжні: зона харчування - 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, пристосованої до реологическим і теплофізичних властивостей матеріалу. Такий екструдер був надзвичайно чутливим до протитиску екструзійної головки, величиною зазору між гребенем витка шнека і циліндром, температурному 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 дорівнює п'яти діаметрам, в зоні втулки ще на твердому матеріалі розвивається все чинне в екструдері тиск. На всій довжині залишилася 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, у тому числі із застосуванням бар'єрних шнеків, а також збільшення живильної здібності зони рифленою втулки, завдяки чому продуктивність була підвищена ще більш ніж в 2 рази. Для сучасного екструдера з діаметром шнека 120 мм нормальною є продуктивність ЕОО 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, формує внутрішню поверхню труби, дорнодержатель, зовнішній корпус, матрицю, яка формує зовнішню поверхню труб. Наявність дорна і дорнодержателя, що розтинає потік розплаву, є випущеною особливістю прямоточних головок для екструзії заготовок полого профілю. Для труб малого діаметра традиційно використовувався дорнодержатель у вигляді чотирьох-шести пір'я обтічної форми, що пов'язують внутрішній дорн із зовнішнім корпусом. Розтин потоку розплаву перешкодою (дорнодержателем) призводить до того, що в потоці розплаву за перешкодою тягнеться шлейф, який має іншу деформаційну історію і по-іншому розбухає при виході з головки, ніж решта (по периметру) маса розплаву. Зі збільшенням діаметрів труб і зростанням продуктивності при такій примітивної конструкції дорнодержателя неминуче виникає ограновування внутрішньої, не калібруемой поверхні труби. Так що при освоєнні процесу виробництва труб великого діаметру розробникам довелося серйозно попрацювати над конструкцією екструзійної голівки. Основна ідея боротьби з огранюванням - піддати розплав після його проходження через дорнодержатель новому, інтенсивному і по можливості рівномірного, деформаційного впливу в спеціальних вирівнювальних зонах головки. До справжнього моменту склалося в основному два типи конструкції головки, певною мірою відповідають цій ідеї:
1. Дорнодержатель виконаний у вигляді циліндричних каналів, практично перпендикулярних до осі головки. Вирівнює зона - у вигляді гвинтових каналів з зменшується по ходу руху глибиною.
2. Дорнодержатель по суті той же, а вирівнює зона - у вигляді перфорованого стакана-сітки.
Цікаво, що такі конструкції головок спочатку були розроблені і застосовані у виробництві труб великого діаметра 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 охолоджуваної 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 (пневмокаліброваніе), або ми створюємо розрідження зовні труби (вакуумкаліброваніе). Усі відмінності між пневмо-і вакуумкаліброваніем відносяться тільки до апаратного оформлення та прийомів запуску і ведення процесу.
Пневмокаліброваніе
Для створення надлишкового тиску всередині труби методом пневмокаліброванія 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 плаваючою пробки, прикріпленою 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. Зі збільшенням продуктивності ця відстань збільшується, збільшується стріла провиса троса під власною вагою, і трос починає стосуватися внутрішньої ще розплавленої поверхні труби. Виявилося, що тільки з цієї причини навіть трубу діаметром 160 мм SDR 11 можна отримати з продуктивністю більше 165 кг / год, а діаметром 225 мм (допустима стріла провиса чисто геометрично більше) - до 250 кг / год. З ростом продуктивності екструдерів такі показники 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 пневмокаліброванія (в Казані, наприклад, вони випускаються так і до цих пір). Але зі збільшенням діаметру труби плаваюча пробка набуває все більш кошмарний вигляд. Пробка для труби, наприклад, діаметром 630 мм має довжину близько 1,5 метра і вага 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 ненатягнута тросі пробка автоматично розгерметизується елементом безпеки або, якщо його немає, при подачі тиску калібрування "стрибне" уперед 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 тягнуче пристрій. Якщо врахувати, що запуск процесу відбувається наосліп, коли калібр вже зістикований з матрицею, про такі дрібниці, як повна перебирання комплекту діафрагм при переході до виробництва труби з іншим SDR або їх заміна через два-три тижні роботи, можна й не згадувати. Вакуумна ванна для вакуумкаліброванія труб великого діаметру складніше і дорожче герметизирующей 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 і в цьому випадку природним чином пішла шляхом застосування вакуумного калібрування.
Вакуумкаліброваніе
Для створення надлишкового тиску всередині труби методом вакуумкаліброванія трубна заготівля 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 чинників, які важко врахувати при проектуванні, і, як правило, до складу лінії входить цілий набір калібрів для виробництва труби одного діаметра, але різних SDR. При виробництві труб великого діаметра це перетворюється на серйозну технічну і фінансову проблему. Для забезпечення умов вакуумного калібрування заготівля повинна входити в калібр з невеликим напливом, і внутрішній діаметр матриці повинен бути більше діаметра калібру. При вході в калібр заготівля труби витягується, отже, формує зазор між матрицею і дорном також більше номінальної товщини стінки 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 3000 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 та калібру не тільки для виробництва труб одного діаметра з різним SOR, але навіть для виробництва труб різного діаметру. Використання такого інструмента може призвести до збільшення кількості некондиційної труби при виході на режим і різкого погіршення якості вироблених труб взагалі. Розрідження у вакуумній ванні не тільки забезпечує щільний контакт поверхні заготовки з калібром, встановленим на вході у ванну, а й перешкоджає її реалізації під дією неминучих при подальшому охолодженні термічних напружень в стінці заготовки. Час дії розрідження (довжина вакуумних ванн) повинно бути таким, щоб постійно збільшується міцність охолоджуваної заготовки перевищила дію внутрішніх напружень, які деформують форму. Цей 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 діаметра - від 315 та 1200 мм - методом вакуумкаліброванія була створена і освоєна в 2003 році на Климовським трубному заводі (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 обладнання - калібри, вакуумні і охолоджуючі ванни - була розроблена технічними службами холдингу і виготовлена в Росії. Екструдер, екструзійна головка, що тягне і відрізне 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 аж до діаметру 1200 мм SDR 17,6 (ПЕ 100). Продуктивність лінії по трубах становить 900-1100 кг / год.
