Сопротивление полимерных покрытий разрушению при действии контактных нагрузок Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ

в.н. протасов, РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина

сопротивление полимерных

покрытий разрушению

при действии контактных нагрузок

Полимерные покрытия, применяемые в оборудовании и сооружениях нефтегазовой отрасли, часто испытывают действие значительных контактных нагрузок, в частности, наружное покрытие подземных нефтегазопроводов, покрытие уплотнительных поверхностей затворов запорной арматуры, покрытие резьбовой поверхности муфты насосно-компрессорных труб и др.

Механические воздействия на покрытие способны вызвать нарушение целостности полимерной пленки (макроразрушение), ее растрескивание (микроразрушение), отслаивание от металла, разрушение отдельных химических связей в полимере, образование свободных радикалов, обусловливающих химические превращения в материале покрытия, так называемый механокрекинг. Покрытие является гетерогенной системой. Его прочность определяется прочностью полимерной пленки (когезион-ная прочность) и прочностью ее сцепления с металлом (адгезионная прочность). Известно, что прочность полимерного покрытия в значительной степени связана с его толщиной. С увеличением толщины прочность снижается. Тесную связь прочности покрытия с

его толщиной объясняют в основном двумя причинами.

Одна из них — возрастание усадки в процессе пленкообразования вследствие испарения растворителя, содержащегося в лакокрасочном материале. Это обусловливает рост остаточных напряжений и, следовательно, снижение прочности. Другая причина — проявление масштабного фактора. Согласно статистическим теориям прочности уменьшение прочности материала с увеличением его объема объясняется тем, что в больших образцах вероятность наличия наиболее опасных дефектов или наиболее опасных напряжений второго рода больше, чем в малых. Установлена следующая связь между прочностью и масштабным фактором

для материалов, не имеющих анизотропии прочностных свойств:

ан = аД1|п, где ан— наиболее вероятностная прочность; а — постоянная, зависящая от свойств материала и характера напряженного состояния; V — объем образца; п — постоянная, учитывающая характер распределения дефектов. Для выявления степени влияния толщины и деформационных характеристик полимерного слоя на сопротивление покрытия разрушению при контактном нагружении были проведены соответствующие исследования. Исследования проводили на образцах типа дисков из стали 20 с покрытием из различных лакокрасочных и полимерных материалов и на образцах в виде свободных пленок из тех же материалов (рис. 1).

Использовали следующие материалы: эпоксидную порошковую краску П-ЭП-534, порошковый пентапласт, порошковый полиамид ПА-12АП-1, порошковый полиэтилен высокого давления. Контактное нагружение образца осуществляли при одноосном сжатии по схеме сфера-плоскость на установке, схема которой приведена на рис. 2. Образец устанавливают в ванночке с электролитом (3%-ный водный раствор NaCL). Нагружение осуществляют индентором, рабочим элементом которого является шарик диаметром 8 мм. При отсутствии сквозных пор в испыты-

Таблица 1. Параметры деформирования пленок из различных лакокрасочных и полимерных материалов (Е — модуль упругости при растяжении, С— модуль сдвига, К — модуль объемного сжатия, т — коэффициент Пуассона)

Материал пленки Е, МПа С, МПа К, МПа

Эпоксидная порошковая краска П-ЭП-534 1970 730 2189 0,35

Порошковый пентапласт марки А 1470 525 2450 0,4

Порошковый полиамид ПА-12АП-1 1100 387 2292 0,42

Порошковый полиэтилен высокого давления 345 116 5750 0,49

1 1 1 ) \

I

1 1 1 11

—► .6 —► .5

Рис.1. Образцы покрытия (а) и пленки (б) для испытания на сопротивление разрушению при контактном нагружении

ваемом полимерном покрытии электролит не контактирует с поверхностью металла опорного диска и в электрической цепи сохраняется высокое сопротивление, т.к. нагружаемое покрытие обладает свойствами диэлектрика. При нарушении

сплошности покрытия, вследствие его разрушения при контактном нагружении, возникает контакт электролита с металлом опорного диска и сопротивление в цепи резко падает.

Величину контактного давления, соответствующую этому моменту, принимают за разрушающую. В качестве измерительного устройства используют вольтметр. По величине отпечатка индентора на поверхности покрытия рассчитывают разрушающее контактное давление рк.пк по по формуле:

0,478 . Рразр.пк

рк.пк = - ,

г2

где г — радиус отпечатка; Рразр.пк— разрушающая нагрузка. На рис. 3 представлены графики зависимости разрушающего напряжения при сжатии покрытия и свободной полимерной пленки из того же материала от их толщины.

Графики имеют различный качественный характер. С увеличением толщины полимерного слоя до определенного значения прочность покрытия уменьшается, а затем стабилизируется, стремясь к некоторому пределу.

Прочность свободной полимерной пленки из того же материала практически не изменяется в исследованном диапазоне реальных толщин покрытия, что свидетельствует о слабом проявлении масштабного фактора, связанного с возрастанием вероятности наличия опасных дефектов в объеме материала. Использованные для формирования исследованных

WWW.NEFTEGAS.INFO

ООО «Копейскии завод изоляции труб»

Россия, 456056, Челябинская обл., г. Копейск, пос. Железнодорожный, у л .Мечником, 1 тел^Э512) 70-93-59 тел./факс: (3512) 62-Шб www.kilt.rij е-паП: .kzit@cticl.siirnet.ru

щ

—

(.Изоляция

Имеющееся на завале оборудование позволяет наносить следующие виды антикоррозионных покрытий; эпоксидное, двух и трёхслойное экструдированное. Диаметр изолируемых трубе 273 по 1420 мм. Проектная мощность 300 км усреднённого диаметра (Ю20мм) в год. В 2004 году получены положительные результаты испытаний заводского покрытия нз соответствие Техническим требованиям ОАО«АК» Транснефть. Трубы завода с наружным защитным покрытием используются при капитальном ремонте и строительстве газопроводов ОАО «Газпром».

II, Изготовление гнутых отводов

Создан и успешно функционирует цех по изготовлению гнутых отводов как из изолированных так и из чёрных труб диаметром от2Т9мм да1420ммвключительно. Гнутые отводы соответствуют требованиям ГОСТ 24950-01 и ТУ 146&-013-00154341-01

Ш.Восстановлвние труб бывших в эксплуатации

Введён в строй цех по восстановлению труб бывших в эксплуатации диаметром от 530 мм до 1420мм, мощность цеха 100 км в год усреднённого диаметра {1020мм).

ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ

Таблица 2. Расчетные и экспериментальные значения разрушающего напряжения для покрытий и свободных пленок при различной толщине полимерного слоя

Предел Предел

Толщина прочности прочности Равновесная

Материал полимерного покрытия при пленки при толщина

покрытия слоя, 6 • 106, сжатии, МПа сжатии, МПа покрытия,

м апк ^ расч апк ^экс апл ^ расч апл экс 6„ . 106, м

100 1563 1600 218 240

Эпоксид П-ЭП-534 300 500 902 699 900 700 218 218 230 220 612,5

700 631 635 218 220

50 1601 1500 177,3 -

100 1132 1150 177,3 -

Пентапласт 200 800 800 177,3 - 529,0

300 653 700 177,3 -

500 506 600 177,3 -

100 823 800 144,3 -

Полиамид ПА-12АП-1 200 300 400 582 475 411 520 400 390 144,3 144,3 144,3 138 130 135 457,7

500 385 350 144,3 132

110 230 225 63,4 -

ПЭВД 200 300 162 143,6 161 145 63,4 63,4 62,5 62 256,0

550 143,6 140 63,4 63

покрытий и свободных полимерных пленок порошковые лакокрасочные и полимерные материалы не содержат растворителей, усадка их незначительна.

Поэтому возникающие при структурировании покрытия остаточные напряжения малы и практически не изменяются при увеличении толщины полимерного слоя (в покрытии из П-ЭП-534 аост = 5,5 МПа, из ПА-12АП-1 аост = 4,0 МПа и из ПЭВД аост = 2,52 МПа). Следовательно, недостаточно объяснять снижение прочности покрытия с ростом его толщины только увеличением числа дефектов в объеме полимерного слоя или возрастанием усадочных напряжений. Значительную роль играет ориентирующее действие сил

Рис. 2. Схема установки для изучения прочности покрытия и пленки при контактном нагружении. 1 — образец в виде стального диска с покрытием или в виде пленки; 2 — вольтметр; 3 — ванночка с электролитом; 4 — электрод; 5 — опорный диск; 6 — гайка; 7 — пуансон; 8, 10 — прокладки; 9 — захваты.

адгезии на полимерный слой, снижающееся по мере увеличения его толщины.

Так как прочность полимерных материалов тесно связана с их деформационными свойствами,то ограничение деформации покрытия силами адгезии должно оказывать существенное влияние на прочность поли-м е р н о г о с л о я .

В тонкослойных покрытиях силы адгезии затрудняют рост трещин, возникающих в местах концентрации напряжений, локализуют их развитие. С увеличением толщины покрытия влияние сил адгезии на деформацию полимерного слоя уменьшается, что обусловливает снижение прочности. Интенсивность снижения прочности с ростом толщины полимерного слоя, ее значение и максимальная толщина покрытия, выше которой прочность стабилизируется, в большой степени зависят от модуля упругости покрытия (табл. 1). С возрастанием модуля упругости прочность покрытия и интенсивность ее снижения при увеличении толщины полимерного слоя повышаются; при этом в более широком диапазоне толщин проявляется влияние сил адгезии на деформацию, а следовательно, на прочность покрытия. Существует определенная, так называемая равновесная толщина покрытия, выше которой степень влияния адгезии на деформацию полимерного слоя стабилизируется и прочность покрытия сохраняет постоянное значение, оставаясь при этом выше прочности свободной полимерной пленки из того же материала. У покрытия из эпоксидной порошковой краски П-ЭП-534 эта толщина покрытия при-

близительно равна 6.10-4 м, из

пентапласта ■

5.10-4 м и из по-

лиэтилена высокого давления — 2,5.10-4 м, что хорошо согласуется с соотношением их моду-

\\ ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ \\

№ 2 \\ февраль \ 2007

Рис. 4. Характер разрушения покрытий из различных материалов при контактном нагружении. а — пенапласт; б — ЭП-0010; в — ЭП-49Д3; г — ПА-12АП-1; д — БЭЛ; е — П-ЭП-534

леи упругости.

Зависимость прочности покрытия при контактном нагружении от толщины полимерного слоя при толщинах меньше равновесной может быть представлена выражением

ас"Ж = кпк(Епл/Ео)а""(бр/6)1/2,

где кпк, Ео, а„к— постоянные (кпк = 1 МПа; Е0 = 1 МПа; апк = 0,85); 6 — фактическая толщина покрытия; 6р — равновесная толщина покрытия; Епл — модуль упругости свободной полимерной пленки из материала покрытия. Равновесная толщина покрытия в свою очередь зависит от модуля упругости и может быть определена по формуле

6р = кр(Епл/Ео)1/2, где кр = 13,5.10-6 м — постоянная. При толщинах больших равновесной для определения прочности покрытия можно использовать выражение

что механизм разрушение существенно зависит от структуры и механических свойств покрытия. Возможны три различных типа разрушения.

У покрытий из пространственно-сшитых жестких полимеров, имеющих более высокий модуль упругости по сравнению с термопластами, в частности у эпоксидных, происходит преимущественно хрупкопластическое разрушение полимерного слоя в виде трещин;

О, МПа

при этом покрытие сохраняет адгезию к металлу.

У покрытий из термопластов наблюдаются два различных типа разрушения. При контактных давлениях, вызывающих развитие пластических деформаций, в покрытии возникают плоскости сдвига, обусловливающие образование отдельных слоев по сечению покрытия и их относительное перемещение. Если у материала покрытия когезион-ная прочность ниже значения напряжения, вызывающего сдвиг образующихся слоев, то происходит расслоение и нарушение сплошности покрытия. В этом случае разрушение имеет вид отслаивающихся чешуек. Рассмотренный вид разрушения наблюдается у полиамидного покрытия. Если же когезионная прочность полимерного слоя выше значения напряжения, вызывающего сдвиг его отдельных слоев, а касательные напряжения на границе раздела полимерный слой — металл больше адгезионной прочности на сдвиг, происходит отслаивание покрытия от поверхности металла и его последующее разрушение как свободной полимерной пленки, прочность которой ниже, чем прочность покрытия. Этот тип разрушения характерен, в частности, для пентапластового покрытия.

1000

а"1

кпД^/Ео)0

100

а для свободной полимерной пленки

аж = кпД^/Ео)0™, где = апл = о,71 — постоянная. В табл. 2 приведены расчетные и экспериментальные значения, свидетельствующие об адекватности предложенных формул.

Изучение зоны разрушения покрытий при контактном нагружении показало,

/ 12 3 4 /II/

11 ! !

'

— — — — ——

_ _Д _ _С -н- 11 21 у 3' 4'

31,6 100 316 1000 б, мкм

Рис. 3. Зависимость прочности покрытия (1-4) и пленок (1'-4') при контактном нагружении от толщины полимерного слоя. 1, 1' — П-ЭП-534; 2, 2' — пентапласт; 3, 3' — ПА-12-АП-1; 4, 4' — полиэтилен высокого давления

WWW.NEFTEGAS.INFO

\\ защита от коррозии \\ 25