Испытания образцов-свидетелей армированного полиэтиленового газопровода

Аннотация

Испытания образцов-свидетелей армированного полиэтиленового газопровода

Ю.Ю. Федоров, А. В. Саввина, Институт проблем нефти и газа Сибирского отделения Российской академии наук, Якутск.

В статье приведены результаты исследований образцов-свидетелей армированных полиэтиленовых труб со средним технологическим (адгезионным) слоем, вырезанных из трубы, изъятой из опытно-промышленного участка газопровода через десять лет эксплуатации. Исследования деформационно-прочностных свойств образцов-свидетелей показывают понижение температуры вязко-хрупкого перехода до минус 15 °C, что говорит об ухудшении адгезионной связи между внешними слоями из ПЭ 80 и средним технологическим слоем, существование которого и приводило к зарождению хрупкой трещины. В целом, по результатам исследований армированная полиэтиленовая труба за десять лет эксплуатации на опытно-промышленном участке газопровода не ухудшила свои деформационно-прочностные свойства.

Ключевые слова: армированная полиэтиленовая труба, образцы-свидетели, адгезия, растяжение, вязко-хрупкий переход, стойкость при постоянном внутреннем давлении.

Важнейшей характеристикой прочностных свойств полимерных конструкционных материалов является долговечность, отражающая особый характер процесса их разрушения. В инженерной практике были введены понятия кратковременной и длительной прочности. Кратковременная прочность или разрывное напряжение обычно определяется на разрывных машинах при заданных режимах скорости нагружения. Длительная прочность обычно определяется при нагружении статическими или переменными нагрузками, меньшими по сравнению с разрывным напряжением. На данный момент известны результаты многочисленных исследований, позволивших получить достаточно корректное представление о механическом поведении полимеров [1−6].

В последнее время растет необходимость повышения допустимого давления в газораспределительных сетях с применением полиэтилена до 1,2 МПа. Один из путей решения задачи — использование армированных полиэтиленовых труб (АПТ). Для регионов холодного климата применение изделий из армированных термопластов является весьма перспективным [7, 8]. Однако, для АПТ, которые используются для газопроводов высокого давления, исследования прочностных характеристик в условиях холодного климата ранее не проводились.

На объекте МПГ Тулагино-Капитоновка-Кангалассы в 2006 г. был построен опытно-промышленный участок газопровода из армированных полиэтиленовых труб (АПТ) производства ОАО «Запсибтехнология», в конструкции которых предусмотрен технологический (адгезионный) слой, связывающий армирующую и полиэтиленовые оболочки труб. В течение четырех лет проводились мониторинговые исследования [9]. В сентябре 2016 г. сотрудниками Института проблем нефти и газа СО РАН, совместно с ОАО «Сахатранснефтегаз» была проведена выемка образцов-свидетелей армированной полиэтиленовой трубы.

Образцы-свидетели предназначены для контроля изменений механических свойств полиэтилена, из которого были изготовлены полиэтиленовые трубы для газопровода [ГОСТ Р 8.637−2007 ГСИ]. Образцами для контроля являются: образцы-свидетели, вырезанные из тела трубы, которая являлась частью опытно-промышленного участка газопровода, для испытаний на внутреннее давление, а также образцы-лопатки для испытаний на растяжение.

Образцы, вырезанные в виде лопаток, испытывались на растяжение на универсальной разрывной машине UTS-20К при температурах: +20, +5, 0, -5, -10, -15, -20°С, при скорости движения захватов испытательной машины 25 и 100 мм/мин. Результаты испытаний на растяжение приведены в таблице № 1.

Результаты ранее проведенных на этих же трубах испытаний, показывали появление вязко-хрупкого перехода (ВХП) в промежутке температур от 0 до минус 15 °C, в зависимости от скорости движения захватов разрывной машины. При этом «спектр растрескивания» среднего слоя, определяющий хрупкое разрушение характеризовался параметрами: по = 2,06,7%; по = 16,431,7МПа. Настоящие данные, по прошествии десяти лет эксплуатации на опытно-промышленном участке газопровода, показывают появление ВХП при минус 15 °C, результаты полученные по параметрам и соответствуют предыдущему «спектру растрескивания» [10]. свойство армированная полиэтиленовая газопровод Таблица № 1. Результаты испытаний образцов-лопаток АПТ тип II на растяжение, после 10 лет опытной эксплуатации.

Здесь Т — температура испытаний; у_ср — среднее значение максимальной прочности при растяжении; е_Тср-среднее значение относительного удлинения при максимальной нагрузке; е_р ср — среднее значение относительного удлинения при разрушении внешнего слоя образца.

Вид хрупкого разрушения во всех случаях одинаков. Нет образования двух коллинеарных поверхностей разлома, или разделения внешнего и внутреннего слоев одного образца на хрупкое и вязкое разрушение, как это происходило в ранее проведенных испытаниях. Характерная диаграмма, модельная схема и фотографии образца представлены на рис. 1.

Рис. 1. Диаграмма деформирования, модельная схема и фотографии поверхностей разрушения образцов-свидетелей АПТ разрушившихся хрупко в испытаниях при Т= -20

Повышение температуры ВХП говорит об ухудшении адгезионной связи между внешними слоями из ПЭ 80 и средним технологическим слоем, существование которого и приводило к зарождению хрупкой трещины.

Испытания проводились при двух скоростях движения захватов разрывной машины: 25мм/мин и 100мм/мин. В исходных образцах при повышении скорости испытаний температура ВХП повышалась с -15°С до 0 °C. В проведенных испытаниях хрупкое разрушение при температуре -15°С появляется при скорости 25мм/мин, при скорости 100мм/мин разрушение образцов вязкое. Таким образом, хрупкое разрушение проявляется в образцах-свидетелях сохранивших хорошую адгезию между слоями.

Метод определения стойкости при постоянном внутреннем давлении регламентируется ГОСТ 24 157–80. Сущность метода заключается в том, что образец подвергают действию постоянного внутреннего давления в течение заданного промежутка времени. Для труб с номинальным наружным диаметром ?315мм, свободная длина l₀ между заглушками должна соответствовать значению 3d (d — диаметр трубы), но не менее 250 мм. Испытательное давление Р в МПа для образцов вычисляют по формуле:

.

где у — начальное напряжение, МПа; d_em — средний наружный диаметр образца, полученный при измерении в зоне свободной длины, в одном сечении равный 140 мм; e_min — минимальная толщина стенки образца, полученная при измерении равна 17,5 мм. Для контрольных испытаний отбирают не менее трех образцов.

Для АПТ диаметром 140 мм и толщиной стенок 17,5 мм, были изготовлены специальные заглушки, устанавливаемые с обоих концов испытуемых образцов. Конструкция заглушек обеспечивала герметичное соединение с образцом и приспособлением для подачи давления. Схема испытаний представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема испытаний на определение стойкости при постоянном внутреннем давлении АПТ

Свободная длина образца l₀= 420 мм, начальное напряжение 12,4МПа, испытательное давление 3,4МПа, заданное время испытаний 100ч. Среда испытаний — воздух, внутри образцы заполняли водой при положительной температуре испытаний и морозостойким маслом при отрицательной температуре.

Для испытаний при минус 15 °C, образец в заглушках был размещен в помещении с температурой окружающего воздуха ниже температуры испытаний, постоянная температура поддерживалась с помощью программного регулятора температуры Термодат 17Е 3. Указанный прибор имеет универсальный вход, предназначенный для подключения термопар и может управлять нагревателем. По результатам испытаний ни один образец не разрушился до истечения контрольного времени испытаний.

Таким образом, результаты испытания образцов-свидетелей АПТ, изъятых из опытно-промышленного участка подземного газопровода, показали стабильность деформационно-прочностных свойств. Следовательно, показана возможность широкого использования армированных полиэтиленовых труб для газораспределительных сетей давлением до 1,2 МПа в районах холодного климата и распространения многолетнемерзлых грунтов.

• 1. John Scheirs, Ludwig L. Bцhn, Jesse C. Boot and Pat S. Leevers. PE100 resin for pipe applications: Continuing the demelopment into the 21st century/Trends Polymer Science, Vol. 4, December 1996, pp. 408−414.
• 2. Ward I.M., Hadley D.W. An introduction to the mechanical properties of solid polymers. Wiley, Chichester. 1993. pp. 334.
• 3. Woodward Arthur E., Hanser Carl. Understanding Polymer Morphology. Munich. 1994. pp. 130.
• 4. Бартенев Г. М. Прочность и механизм разрушения полимеров: Учеб. пособие. М.: Химия, 1984. — 280 с.
• 5. Бартенев Г. М., Зеленев Ю. В. Физика и механика полимеров. Учеб. пособие. — М.: Высшая школа, 1983. — 391 с.
• 6. Грэлльман В., Зайдлер С. Испытания пластмасс / пер с англ. под ред. А. Я. Малкина. — СПб.: ЦОП «Профессия», 2010. — 720с.
• 7. Бабенко Ф. И., Сухов А. А., Федоров Ю. Ю., Саввинова М. Е. Влияние факторов холодного климата на прочность и трещиностойкость дисперсно-армированных термопластов // Инженерный Вестник Дона, 2011, № 4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2011/551/.
• 8. Бабенко Ф. И., Сухов А. А., Федоров Ю. Ю., Саввинова М. Е. Климатическая стойкость дисперсно-армированного полиамида в холодном климате // Перспективные материалы. 2013. № 4. — С. 45−52.
• 9. Попов С. Н., Саввина А. В., Федоров Ю. Ю. Мониторинг опытно-промышленного подземного газопровода из армированных полиэтиленовых труб // Наука и образование. 2017. № 1(85). — С. 63−67.
• 10. Бабенко Ф. И., Федоров Ю. Ю., Саввина А. В. Температурные ограничения по применению армированных полиэтиленовых труб для газопроводов в условиях холодного климата // Инженерный вестник Дона, 2015, № 3 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2015/3102/.

References:

• 1. John Scheirs, Ludwig L. Bцhn, Jesse C. Boot and Pat S. Leevers. PE100 resin for pipe applications: Continuing the demelopment into the 21st century. Trends Polymer Science, Vol. 4, December 1996, pp. 408−414.
• 2. Ward I.M., Hadley D.W. An introduction to the mechanical properties of solid polymers. Wiley, Chichester. 1993. pp. 334.
• 3. Woodward Arthur E., Hanser Carl. Understanding Polymer Morphology. Munich. 1994. pp. 130.
• 4. Bartenev G.M. Prochnost' i mekhanizm razrusheniya polimerov: Ucheb. posobie [Strength and mechanism of polymer destruction: Tutorial]. M.: Khimiya, 1984. 280 p.
• 5. Bartenev G.M., Zelenev Yu.V. Fizika i mekhanika polimerov. Ucheb. Posobie [Physics and mechanics of polymers. Tutorial]. M.: Vysshaya shkola, 1983. 391 p.
• 6. Grell’man V., Zaydler S. Ispytaniya plastmass [Testing of plastics]. Per s angl. pod red. A. Ya.Malkina. SPb.: TsOP «Professiya», 2010. 720 p.
• 7. Babenko F.I., Sukhov A.A., Fedorov Yu.Yu., Savvinova M.E. Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2011, № 4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2011/551/.
• 8. Babenko F.I., Sukhov A.A., Fedorov Yu.Yu., Savvinova M.E. Perspektivnye materialy. 2013. № 4. pp. 45−52.
• 9. Popov S.N., Savvina A.V., Fedorov Yu.Yu. Nauka i obrazovanie. 2017. № 1 (85). pp. 63−67.
• 10. Babenko F.I., Fedorov Yu.Yu., Savvina A.V. Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2015, № 3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2015/3102/.