CC BY
25УДК 678.067:621.643
Оценка несущей способности армированных полиэтиленовых труб для газопроводов в условиях холодного климата
Ф.И. Бабенко, Ю.Ю. Федоров
Приведены результаты прочностных испытаний на растяжение модельных образцов армированных полиэтиленовых труб (АПТ) в диапазоне климатических температур. При этом на температурной зависимости кратковременной прочности модельных образцов АПТ, в диапазоне температур -10 + -15 °С, выявлен вязкохрупкий переход. Исследован и интерпретирован механизм разрушения образцов, заключающийся в растрескивании технологического слоя, адгезионно связанного со слоями ПЭ80 (внутренняя и внешняя оболочки АПТ), способность которых к торможению трещины и определяет переход от вязкого разрушения к хрупкому при понижении температуры испытаний.
Results durability tests for a stretching of modelling samples of the reinforced polyethylene pipes (RPP) in a range of climatic temperatures are resulted. Thus on temperature dependence of short-term durability of modelling samples RPP, in a range of temperatures -10 -r- -15 °C is ductle-to-brittle transition is revealed. The mechanism of fracture of the samples, consisting in occurrence of cracks a technological layer, adhesion connected with layers PE80 (internal and external environments RPP) which ability to braking a crack and defines transition from viscous destruction to fragile at downturn of temperature of tests is investigated and interpreted.
Ключевые слова: полиэтиленовые трубы, газопровод, деформация, трещины, климат.
Сегодня в России построено и эксплуатируется более 50 тыс. км внутри- и межпоселковых полиэтиленовых (ПЭ) газопроводов, подавляющее большинство которых рассчитаны на давление до 0,3 МПа и меньшая часть - до 0,6 МПа. В настоящее время первоочередной задачей является повышение надежности и долговечности газораспределительных сетей давлением до 1,2 МПа за счет внедрения труб из полимерных материалов. Ограничивающими факторами остаются низкие показатели механической прочности существующих трубных марок материалов и задаваемые действующими НТД коэффициенты запаса прочности С=2,5 (для условий многолетнемерзлых грунтов С=2,8).
Для решения этой задачи изучаются возможности использования армированных (АПТ) и неармированных (гомогенных) полимерных труб на основе современных марок полиэтиленов (ПЭ100). Исследовательская практика в области использования полимерных труб на давление до 1,2 МПа в основе своей базируется на опыте научных исследований и экспериментального строительства применительно к условиям умеренного климата. Главным препятствием на пути внедрения полимерных труб в практику строительства
БАБЕНКО Федор Иванович - к.т.н., в.н.с. ИПНГ СО РАН; ФЕДОРОВ Юрий Юристанович - к.т.н., с.н.с. ИПНГ СО РАН.
и эксплуатации газопроводов высокого давления в регионах холодного климата и многолетнемерзлых грунтов является неисследованность механического поведения изделий в этих условиях и, как следствие, несовершенство, либо полное отсутствие соответствующей нормативной базы.
Армированная полиэтиленовая труба состоит из трех слоев: внутреннего и внешнего из полиэтилена марки ПЭ80 и промежуточного - армирующего, состоящего из двух слоев арамидной нити, перекрестнонамотанных в направлении осей максимальных напряжений и покрытых технологическим слоем из полиэтилена низкой плотности (ПЭНП). Поэтому, очевидно, исследования не могут ограничиваться испытаниями отдельных слоев, т.к. многослойная труба имеет свои отличительные свойства, и, конечно же, её необходимо исследовать как единое целое, как систему [1].
В [2] была предложена декомпозиция задачи комплексной оценки несущей способности АПТ с определением трех основных подзадач, одна из которых предусматривает оценку кратковременной прочности конструктивных элементов АПТ при пиковых значениях нагрузок, т.е. при квази-стационарной рабочей нагрузке.
В работе проведена оценка несущей способности АПТ в условиях холодного климата при квазистатических испытаниях на растяжение мо-
дельных образцов-лопаток, изготовленных из армированных полиэтиленовых труб (0140мм) производства ОАО «Запсибтехнология» в диапазоне климатических температур.
Образцы изготовлены в соответствии с ГОСТ 11262-80, тип 2. Продольная ось образца совпадает с осью трубы. Испытательная машина - универсальная разрывная машина ИТ8-20К с температурной камерой. Температура испытаний: 20 °С, 0 °С, -5 °С, -10 °С, - 15 °С, -30 °С и -60 °С при скорости движения захватов испытательной машины 25 мм/мин.
Отметим основные особенности проявления механизма разрушения образцов, пользуясь данными экспериментов: диаграммы деформирования о-е; микрофотографии поверхностей изломов; модельные схемы и температурные зависимости ер(Т) (рис. 1-3). Индексом ер обозначены относительные удлинения, соответствующие моменту разрушения внешнего слоя модельного образца АПТ, который четко фиксируется на диаграммах деформирования о-е характерной «ступенькой» (рис. 1, а).
При температурах испытаний Т>-10°С все аг.МПа
Рис. 1. Характерные диаграммы деформирования образцов АПТ (а) и гомогенных образцов ПЭ80 (б) при растяжении при Т: 1 -
20°С; 2 и 2' - -15 °С; 3 и 3' - -60°С
образцы разрушились вязко. При Т<-15°С наряду с вязкими имеют место и хрупкие разрушения. Здесь и ниже термин «хрупкое разрушение образца» используется как в случае хрупкого разрыва всего образца (рис. 2, а), так и в случае хрупкого разрыва только внешнего (поверхностного для трубы) слоя образца АПТ (рис. 2, б). Иными словами, под «хрупким» разрушением следует понимать процесс хрупкого разрушения, как минимум, наружного слоя образца.
Таким образом, в квазистатических испытаниях на кратковременную прочность при растяжении модельных образцов АПТ на температурной зависимости прочности в диапазоне температур -10 -15°С выявлен вязкохрупкий переход
(ВХП).
При температуре испытаний Т>Т(ВХП) процессы деформирования в наружном и внутреннем
слоях модельных образцов АПТ происходят «раздельно» (условно не зависимы), что выражается в неодновременном (по времени) переходе слоев в стадии потери устойчивости (шейкообразования) и разрушения. При Т<Т(ВХП) часть образцов разрушается хрупко, часть - вязко, успевая образовать шейку.
При Т= -60°С один из двух образцов, разрушившихся хрупко, разрушился с образованием двух коллинеарных поверхностей разлома (соответственно внешнего и внутреннего слоев модельного образца), разделенных трещиной расслоения между внутренним и технологическим (срединным) слоями (рис. 2, в).
При всех Тисп вязкие разрушения модельных образцов характеризуются развитием необратимой деформации (переход в шейку и дальнейшее удлинение) раздельно в двух слоях: поверхност-
БАБЕНКО, ФЕДОРОВ
Рис. 2. Диаграммы деформирования, модельные схемы и микрофотографии поверхностей разрушения модельных образцов АПТ разрушившихся хрупко в испытаниях при Т: а, б - -15°С; и в, г - -60°С
Рис. 3. Температурная зависимость относительного удлинения при разрыве внешнего слоя модельного образца АПТ:
♦ - вязкий разрыв; о - хрупкий разрыв
ном и внутреннем. На диаграммах растяжения (о-е) момент разрыва первой шейки отмечается явно выраженной «ступенькой», которая отсутствует на диаграммах растяжения гомогенных образцов (рис. 1).
Таким образом, на основании вышеизложенного механизм разрушения модельного образца АПТ в испытаниях на растяжение заключается в растрескивании технологического слоя, адгезионно связанного со слоями ПЭ80 (внутренняя и внешняя оболочки АПТ), способность которых к торможению трещины и определяет переход от вязкого разрушения к хрупкому при понижении температуры испытаний.
Природа трещинообразования, развивающегося в технологическом слое АПТ, требует специального исследования, без которого в настоящий
момент невозможно убедительно интерпретировать случайный характер проявления вязкохрупкого перехода в механизме разрушения модельного образца АПТ. При этом отметим, что «спектр растрескивания» среднего слоя, определяющий хрупкое разрушение в температурном диапазоне испытаний, характеризуется параметрами: по е = 2,0* 6,7%; по о = 16,4* 31,7МПа.
Литература
1. Козодоев Л.В. Организация НИОКР по испытанию и сертификации армированного полиэтиленовых труб // Полимергаз. - 2001. - №4. - С. 40-43.
2. Сальников А.Ф., Сыпачева Е.С. Оценка несущей способности полимерно-армированных труб различных типоразмеров // Вестник ИжГТУ - Ижевск, 2003. - №4. - С. 20-23.
