Матеріали й конструкції рукавів для бензовозів: сучасний стан і напрями досліджень

Перекачування бензину та дизельного палива з автоцистерн відбувається через гнучкі рукави, які одночасно працюють під тиском, вигинами, стиранням і дією вуглеводнів та присадок. Від вибору конструкційних матеріалів (лінер, армування, антистатичні елементи, зовнішня оболонка) залежать витоки, пожежо- і вибухобезпека та ресурс. Поширення біокомпонентів і жорсткіші вимоги до електростатики та викидів парів підсилюють потребу науково обґрунтованого добору матеріалів і оптимізації конструкції рукавів. Найпоширенішими є напірний всмоктувальний шланг для бензовозів 50 мм та шланг всмоктувальний 76 мм для бензовоза.

Рисунок 1 - Злив палива з автоцистерни: робота оператора з гнучким рукавом [12].

Аналіз видів рукавів для бензовозів

Рукави, що застосовуються на бензовозах для наливу та зливу нафтопродуктів (а також для паровідведення у системах Stage I/VR), доцільно класифікувати за матеріалом внутрішнього лінера і типом силового підсилення. Саме ці два фактори визначають стійкість до палива, допустимі тиск і вакуум, гнучкість, електростатичні властивості та ресурс.

1) Гумові рукави з текстильним армуванням (гумотканинні). Конструкція зазвичай багатошарова: паливостійкий лінер (найпоширеніше NBR; для підвищеної хімстійкості - FKM/Viton), далі 2-6 шарів кордної тканини (поліестер, поліамід) і зовнішня оболонка з озоно- та атмосферостійкої гуми. Переваги: відносно невисока ціна, технологічність виготовлення, ремонтопридатність, хороше демпфування вібрацій. Недоліки: старіння еластомеру (тріщини, озонування), набухання та зміна міцності лінера при контакті з сумішами дизель/біодизель або бензин/етанол [3, 6], а також потреба регулярного контролю електропровідності для запобігання іскрам.

2) Гумові рукави з металевим армуванням (дротове плетіння або спіраль). Дротяне підсилення суттєво підвищує стійкість до роздавлювання, захищаючи від сплющування під час всмоктування або при спорожненні через насос, а також забезпечує кращу геометричну стабільність. З іншого боку, такі рукави важчі, мають більшу згинальну жорсткість, гірше працюють при малих радіусах вигину та потребують уважного контролю втомного руйнування біля муфт і в зоні переходу жорсткого з’єднання в гнучку частину. Для рукавів, призначених саме для нафтопродуктів у режимах всмоктування/подачі, широко застосовується нормативний підхід EN 1765, який описує типи та загальні експлуатаційні рамки таких рукавів [9].

3) Композитні рукави. Їхня стінка формується багатошаровою спіраллю полімерних плівок/тканин (наприклад PP, PET, поліамід) у поєднанні з внутрішньою та зовнішньою дротяною спіраллю, що сприймає осьові зусилля, стабілізує форму та може виконувати роль 

антистатичного провідника. Переваги: низька маса, висока гнучкість, зручність для оператора при щоденних підключеннях, добра стійкість до широкого спектра продуктів за рахунок підбору пакета плівок. Недоліки: чутливість до неправильного перегину (кінкінг), до абразивного зносу зовнішнього шару та до локальних пошкоджень, які можуть розвиватися всередині пакета шарів без очевидних зовнішніх ознак. У науковій літературі саме композитні конструкції активно аналізують методами скінченно-елементного моделювання: показано характерні зони концентрації напружень і механізми втрати стійкості при розриві та при зовнішньому тиску [1], а також вплив підсилення по спіралі на деформації [2].

4) Термопластикові та PTFE-рукави. У таких рукавах лінер виконують із термопластика або PTFE, далі додають силовий шар (текстильне плетіння, металева оплітка) і зовнішню оболонку. Перевага - висока хімічна інертність (особливо PTFE) і прогнозована стійкість до присадок та біокомпонентів. Недолік - вища вартість і підвищені вимоги до забезпечення антистатичності, адже потік малопровідних рідин здатен накопичувати заряд, що підвищує ризик розряду [7, 8].

Окрему групу становлять паровідвідні рукави Stage I/VR, що працюють у режимі близькому до вакууму і повинні мати низьку проникність, щоб зменшувати емісії вуглеводневих парів під час наливу/зливу [8, 11]. Для них матеріали лінера підбирають з урахуванням стійкості саме до парової фази та циклічних деформацій.

З інженерної точки зору вибір рукава для бензовоза - це компроміс «гнучкість-міцність-хімстійкість-електробезпека-маса». Найбільш стандартизованою та масово застосовуваною групою для перекачування нафтопродуктів залишаються еластомерні (гумові) рукави з текстильним або дротяним армуванням, для яких існує напрацьована база вимог і випробувань [9]. Водночас саме в цих рукавах проблемними є старіння лінера, зміна властивостей у сумішах з біокомпонентами та деградація електропровідності в процесі експлуатації [3, 6].

Отже, з наукової та практичної позиції доцільно зосередити подальші дослідження на конструкційних особливостях найпоширеніших армованих гумових рукавів: оптимізації складу лінера, геометрії шарів, способів забезпечення стабільної антистатичності та прогнозуванні ресурсу за реальними циклами навантаження.

Таблиця 1 - Порівняння основних типів рукавів, що застосовуються в операціях наливу/зливу нафтопродуктів.

Вимоги щодо основних показників рукавів

Вимоги до основних показників рукавів бензовозів формуються режимом експлуатації: часті цикли підключення, робота на вулиці у широкому діапазоні температур, контакт з вуглеводнями та присадками, механічні удари і стирання. Для зручності їх групують на показники продуктивності, надійності та безпеки.

Продуктивність. Головне завдання шланга для бензовоза - забезпечити задану подачу Q без надмірних втрат тиску та без кавітаційних явищ у насосі. Подача визначається швидкістю потоку v та площею перерізу A:

Q = v·A = v·(π·D²/4).

Мінімальними гідравлічні втрати будуть за умови оптимальної швидкості та достатньому внутрішньому діаметру D. Оцінка падіння тиску на рукаві довжиною L може виконуватися за рівнянням Дарсі-Вейсбаха:

Δp = f·(L/D)·(ρ·v²/2) + ΣK·(ρ·v²/2),

де f - коефіцієнт тертя, ρ - густина, ΣK - сума місцевих опорів (муфти, коліна, клапани). Звідси випливає практична вимога: внутрішня поверхня лінера має бути гладкою, а з’єднання - мінімізувати місцеві втрати.

Надійність. Ключові параметри - робочий тиск P_work, випробувальний тиск P_test, тиск руйнування P_burst, стійкість до вакууму, втомна довговічність при згинанні та скручуванні, а також стійкість до абразиву. Для первинної оцінки міцності стінки часто використовують модель тонкостінного циліндра (для інженерного підбору товщини t):

σ_θ ≈ (Р·D)/(2·t),  σ_z ≈ (Р·D)/(4·t),

де σ_θ - кільцеве напруження, σ_z - осьове напруження, Р - внутрішній тиск. Для конструкцій із багатьма шарами та спіральним підсиленням точніші оцінки отримують методом скінченних елементів. На практиці надійність задають через коефіцієнт запасу:

n = P_burst / P_work.

Окрім статичної міцності критичними є циклічні навантаження: один і той самий шланг для бензовоза щоденно багаторазово гнуть, тягнуть і кладуть на землю. Тому, вимагається гарантований мінімальний радіус вигину R_min без утворення заломів і без відшарування шарів, а також стабільність характеристик після старіння та контакту з паливом.

Безпека. Для рукавів із легкозаймистими рідинами найбільш критичні такі показники: електростатична безпека, герметичність/проникність та хімічна сумісність матеріалів. Потік малопровідних рідин здатен генерувати заряд на межі «рідина - полімер»; накопичення заряду і подальший розряд може стати джерелом займання [7, 8]. Тому, рукав повинен мати антистатичні елементи (провідний шар, провідні нитки або дріт) і забезпечувати контрольовану електричну неперервність від муфти до муфти. У стандартах для гумових і термопластикових шлангів у вибухонебезпечних середовищах розглядають методи оцінки електричного опору та підходи до заземлення [10].

Герметичність включає відсутність підтікання на муфтах, стійкість до розтріскування і низьку пермеацію через лінер. Зниження викидів парів під час наливу/зливу є окремим напрямом, де важливі саме матеріали лінера і їхня проникність. Хімічна сумісність охоплює 

не лише класичні бензин/дизель, а й суміші з біокомпонентами, які можуть прискорювати набухання, екстракцію пластифікаторів та зміну механічних властивостей еластомерів.

Таким чином, якщо узагальнити, то для рукавів бензовозів найбільш «вагомими» показниками є: високий запас міцності за тиском (P_burst і n), стабільна антистатичність/електрична неперервність та підтверджена хімічна стійкість лінера до конкретного палива (включно з біодобавками).

Рисунок 2 - Типова багатошарова будова паливного рукава.

Рисунок 3 - Вплив діаметра рукава на гідравлічні втрати (ілюстративний розрахунок за Δp = f·(L / D)·(ρ·v² / 2)).

Рисунок 4 - Залежність кільцевих напружень від тиску (ілюстративний розрахунок за σ_θ ≈ p·D/(2·t)).

Таблиця 2 - Ключові показники якості та типові методи їх підтвердження.

Опис відомого дослідження основних показників

Актуальними є наукові дослідження в яких досліджують механічну міцність і деформативність багатошарових рукавів, оскільки саме ці властивості визначають межі робочого тиску, стійкість до колапсу та поведінку при перегинах.

У роботі [1] виконано скінченно-елементне моделювання механічної поведінки морського рукава (MBCH) у режимах розриву від внутрішнього тиску під дією зовнішнього тиску. В результаті цього побудовано геометричну модель багатошарової стінки, задано контакт між шарами та проананалізовано поля напружень/деформацій. Ключовий результат важливий і для бензовозних рукавів: навіть при наявності підсилення максимальні еквівалентні напруження концентруються у локальних зонах - біля закінчення підсилювальних елементів і поблизу місць закріплення, тобто у «переходах жорсткості». Це узгоджується з практичними відмовами рукавів, коли руйнування починається не в середині довжини, а біля муфти.

Рисунок 5 – Досліджувані моделі рукавів

У продовженні цієї тематики було досліджено локальний дизайн MBCH і вплив гвинтового підсилення [2]. Отримані результати показують, що геометрія спіралі (крок, діаметр дроту, положення у стінці) змінює жорсткість і перерозподіляє напруження, а отже може підвищувати стійкість до локальної втрати форми при згинанні. Для рукавів бензовозів це перетворюється у вимогу проектувати підсилення так, щоб запобігати кінкінгу та мікротріщинам лінера під час багаторазового згину.

Хімічна стійкість і довговічність лінера - другий блок показників. У відкритій публікації українських авторів досліджено деградацію паливного шланга на основі FKM при дії дизельного палива та сумішей дизель/біодизель з відпрацьованої олії [3]. Робота демонструє типову проблему еластомерів: контакт з біокомпонентами може змінювати масу зразків (набухання), а також впливати на механічні властивості, що з часом погіршує надійність. Цей висновок підсилюється масштабним звітом ORNL, де системно розглянуто сумісність пластиків, еластомерів і металів паливної інфраструктури з різними паливами та присадками [6]. Для інженера рукавів важливо, що ORNL підкреслює: одна й та сама «гума» може поводитися по-різному залежно від рецептури, а тому матеріал лінера слід верифікувати випробуваннями саме на цільових паливних сумішах.

Електростатична складова безпеки - третій блок. У статті MDPI Energies наведено експериментальний аналіз заряджання у потоках непровідних займистих рідин та показано, що матеріал контактної поверхні каналу істотно впливає на рівень накопичуваного заряду [7]. У роботі Scientific Reports виконано аналіз ризиків статичної електрики в неметалевих трубопроводах та обговорено механізми накопичення заряду і критичність контролю електричних властивостей у полімерних каналах [8]. Для рукавів бензовозів це означає, що антистатичний шлях (провідний шар/дріт) має бути конструкційно стабільним і контрольованим протягом усього строку служби.

Показники герметичності та екологічності пов’язані з проникністю і втратами парів. Звіт JRC з випаровуваних емісій (EVAP) розглядає вплив складу бензину та етанолу на емісії і підкреслює роль пермеації через полімерні компоненти системи [8]. Хоча дослідження фокусоване на транспортних системах, методична ідея придатна і для рукавів: вимірювання масової втрати/пермеації та підбір матеріалів лінера з нижчою проникністю.

Узагальнюючи, сучасні наукові результати формують практичну «тріаду» для проектування рукавів бензовозів: механічне моделювання багатошарової стінки та зон переходу жорсткості; перевірка сумісності та старіння лінера на реальних паливних сумішах; забезпечення та моніторинг антистатичних властивостей у полімерних каналах, із врахуванням нормативних підходів до оцінки електричних властивостей.

Список використаних джерел

1. Amaechi C.V. та ін. Finite Element Modelling on the Mechanical Behaviour of Marine Bonded Composite Hose (MBCH) under Burst and Collapse. Journal of Marine Science and Engineering, 2022. https://www.mdpi.com/2077-1312/10/2/151.

2. Amaechi C.V. та ін. Numerical Modelling on the Local Design of a Marine Bonded Composite Hose (MBCH) and Its Helix Reinforcement. Journal of Composites Science, 2022. https://www.mdpi.com/2504-477X/6/3/79.

3. Characterization and Degradation of Viton Fuel Hose Exposed to Blended Diesel and Waste Cooking Oil Biodiesel/Diesel Fuel Blends. Journal of Engineering Sciences (Sumy State University), 2018. https://jes.sumdu.edu.ua/wp-content/uploads/2018/10/jes_2018_02_g1-g8.pdf.

4. Compatibility of Palm Biodiesel Blends on the Existing Elastomer Fuel Hose Using Dynamic Test Rig. Materials Science Forum, 2020. https://www.scientific.net/MSF.1010.172.pdf.

5. Compatibility Study for Plastic, Elastomeric, and Metallic Fueling Infrastructure. Oak Ridge National Laboratory (ORNL), 2012. https://info.ornl.gov/sites/publications/files/pub35074.pdf.

6. Comparative Analysis of Electrostatic Charging in Flammable Liquids Flow. Energies (MDPI), 2024. https://www.mdpi.com/1996-1073/17/23/5987.

7. Analysis of Static Electricity Risks in Nonmetallic Pipelines. Scientific Reports, 2025. https://www.nature.com/articles/s41598-025-16110-5.

8. Effects of Gasoline Vapour Pressure and Ethanol Content on Evaporative Emissions (EVAP Final Report). Joint Research Centre (JRC), PDF. https://publications.jrc.ec.europa.eu/repository/bitstream/JRC36839/6839%20-%20EVAP_Final_Report_final_isbn.pdf.

9. EN 1765:2016 - Rubber hose assemblies for oil suction and discharge services - Specification for the assemblies (оглядовий опис сфери застосування). https://standards.iteh.ai/catalog/standards/cen/db685128-d906-4244-b78c-73b17ca4f1ac/en-1765-2016.

10. EN 12115:2021 - Rubber and thermoplastic chemical hose assemblies (оглядовий опис електричних властивостей). https://standards.iteh.ai/catalog/standards/cen/58b4cec6-430e-4a3c-833a-55a2f682c1bb/en-12115-2021.

11. Ткаченко В.В. Магістерська дисертація: модернізація наливної консолі з додаванням рукава для відведення пароповітряної суміші. КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2018. https://ela.kpi.ua/bitstream/123456789/25857/1/Tkachenko_V_magistr.pdf.

12. Ildar Sagdejev (Specious). 2011-01-28 Driver massaging hose in Sheetz fill-up. Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:2011-01-28_Driver_massaging_hose_in_Sheetz_fill-up.jpg.