Научная статья на тему 'Температурные ограничения по применению армированных полиэтиленовых труб для газопроводов в условиях холодного климата'

Температурные ограничения по применению армированных полиэтиленовых труб для газопроводов в условиях холодного климата Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
311
35
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Область наук
Ключевые слова
АРМИРОВАННАЯ ПОЛИЭТИЛЕНОВАЯ ТРУБА / ТЕМПЕРАТУРА / АДГЕЗИОННЫЙ СЛОЙ / ПРОЧНОСТЬ / ТРЕЩИНА / ВЯЗКОСТЬ / ХРУПКОСТЬ / REINFORCED POLYETHYLENE PIPE / PIPELINE / TEMPERATURE / ADHESIVE LAYER / STRENGTH / CRACK / VISCOSITY / BRITTLENESS / COLD CLIMATE

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Бабенко Ф. И., Федоров Ю. Ю., Саввина А. В.

В квазистатических испытаниях на кратковременную прочность при растяжении армированных синтетическими нитями полиэтиленовых труб (АПТ) в конструкции которых предусмотрен технологический (адгезионный) слой, связывающий армирующую и полиэтиленовые оболочки трубы, экспериментально установлена зависимость температуры вязко-хрупкого перехода в механизме разрушения модельных образцов от скорости испытаний, которая при скорости 100 мм/мин достигает значения 0°С. Интерпретирован механизм разрушения модельного образца АПТ, который заключается в зарождении трещины в технологическом слое и способности внутренних и внешних слоев защитных оболочек АПТ к ее торможению в зависимости от температуры и скорости испытаний.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Бабенко Ф. И., Федоров Ю. Ю., Саввина А. В.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Temperature limits for the use of reinforced polyethylene pipes for gas pipelines in cold climates

Implemented assessment of the mechanical behavior of reinforced synthetic fibers of polyethylene pipes, which are provided in the construction adhesive layer connecting the reinforcing plastic shells and pipes. Presents the results of quasistatic tests the tensile strength of model samples in the range of low climatic temperature and speed tests 25-100mm/min. The dependence of the temperature of ductile-brittle transition in the mechanism of destruction of model samples of speed tests, which at 100 mm/min up to 0°С. The mechanism of destruction of a model sample of the reinforced polyethylene pipe, consisting in cracking of the technological layer connected with layers of PE80 which ability to braking of a crack and defines transition from viscous destruction to fragile at fall of temperature of tests is interpreted. It appears that this result emphasizes the need to further clarify and harmonize the existing regulatory requirements on the use and operation of pipes and polyethylene pipelines in cold climate regions.

Текст научной работы на тему «Температурные ограничения по применению армированных полиэтиленовых труб для газопроводов в условиях холодного климата»

Температурные ограничения по применению армированных полиэтиленовых труб для газопроводов в условиях холодного климата

Ф.И. Бабенко, Ю.Ю.Федоров, А.В. Саввина

Институт проблем нефти и газа Сибирского отделения Российской академии

наук, Якутск

Аннотация: В квазистатических испытаниях на кратковременную прочность при растяжении армированных синтетическими нитями полиэтиленовых труб (АПТ) в конструкции которых предусмотрен технологический (адгезионный) слой, связывающий армирующую и полиэтиленовые оболочки трубы, экспериментально установлена зависимость температуры вязко-хрупкого перехода в механизме разрушения модельных образцов от скорости испытаний, которая при скорости 100 мм/мин достигает значения 0°С. Интерпретирован механизм разрушения модельного образца АПТ, который заключается в зарождении трещины в технологическом слое и способности внутренних и внешних слоев защитных оболочек АПТ к ее торможению в зависимости от температуры и скорости испытаний.

Ключевые слова: армированная полиэтиленовая труба, температура, адгезионный слой, прочность, трещина, вязкость, хрупкость.

В последние годы отмечается устойчивая тенденция к использованию в условиях холодного климата изделий и элементов конструкций из полимерных и композитных материалов на их основе. Особенно явно эта тенденция наблюдается в нефтегазодобывающей и нефтегазотранспортной отраслях при сооружении трубопроводов [1]. При этом отметим, что достоверная оценка надежности пластмассовых труб в условиях эксплуатации производится путем проведения комплексных исследований [2-4], результаты которых используются при формулировке соответствующих положений в действующих нормативно-технических документах.

Строительство и эксплуатация полиэтиленовых газопроводов в регионах холодного климата и многолетнемерзлых грунтов на давление до 0,6МПа стало возможным, начиная с 2004г., с введением в действие СНиП 42-01-2002 «Газораспределительные системы».

:

В настоящее время, в масштабе страны, решается инновационная задача перехода на давление 1,2МПа. Один из путей решения задачи -использование армированных полиэтиленовых труб (АПТ). Отметим, что для регионов холодного климата применение изделий из армированных термопластов представляется весьма перспективным [5, 6].

АПТ производства ЗАО «Сибгазаппарат» (ТУ 2248-003-35323946-2003) состоит из трех слоев: армирующего и двух защитных из полиэтилена ПЭ80, которые соединены с армирующим адгезионным слоем, см. рис.1.

*_внешний слой

армировка

внутренний слой Рис.1. Конструктивная схема армированной полиэтиленовой трубы

Действующие на настоящее время нормативно-технические документы предусматривают ряд температурных ограничений на применение полиэтиленовых труб при строительстве подземных газопроводов, в частности, определяющим служит требование о недопустимости охлаждения стенки трубы газопровода в условиях температуры эксплуатации ниже минус 15°С (СП 42-103-2003).

Ранее, в квазистатических испытаниях на прочность при растяжении модельных образцов (скорость испытаний 25мм/мин), вырезанных из АПТ производства «Сибгазаппарат» в диапазоне климатических температур, нами выявлен, при температуре -150С, вязко-хрупкий переход (ВХП) в механизме разрушения модельных образцов [7], см. рис.2. Модельные образцы (лопатки, ГОСТ 11262-80, тип 2) изготовлены из АПТ диаметром 140мм и

номинальной толщиной стенки 17,5мм. Продольная ось образца совпадает с осью трубы.

а) б)

Рис.2. Зависимость относительного удлинения внешнего слоя образца АПТ

от температуры испытаний (а): ♦ - вязкий разрыв; о - хрупкий разрыв и характерные диаграммы деформирования образцов АПТ (б) при растяжении: 1 - +20°С; 2 и 2' - -15 °С; 3 и 3'- при температуре -60°С

Основные особенности проявления механизма разрушения модельных образцов, при скорости испытаний 25 мм/мин, изложены в [7]. Отметим лишь, что если при Т>-15 образцы разрушаются вязко, то при Т<-15 наблюдаются, наряду с вязкими, и хрупкие разрушения (см. рис.2), что связано с проявлением случайного характера трещинообразования в технологическом слое.

В настоящей работе те же испытания проведены в расширенном скоростном диапазоне. Сравнительные результаты испытаний (при скоростях 25, 100 и 1000 мм/мин) приведены на рис.3 и 4.

Отмечаем, что переход от вязкого разрушения модельного образца АПТ к хрупкому (ВХП) смещается в область положительных температур при

увеличении скорости испытаний и, вероятно, определяется ВХП в механизме разрушения защитных полимерных (ПЭ80) слоев АПТ.

28 <7Т, <7р ,МПа

27 -

26 -

25

24 -

23

22

21

\/(Ф)=25 мм/мин

v(*)=1000mm/muh

т, с

-15

-10

Рис.3. Температурные зависимости прочности при разрыве внешнего слоя АПТ при скорости испытаний: 25, 100 и 1000 мм/мин. (•, ▲, ♦ - вязкие, о,

А, ◊ - хрупкие разрушения)

25 i

20 -

15 -

10 -

5 -

£р1, %

t 1

А ♦

щ ♦

о

А

Г с

И-1-1-1-1-г

-5 0 5

Рис4. Температурные зависимости относительной деформации при разрыве внешнего слоя АПТ при скорости испытаний: 100 и 1000 мм/мин. (▲, ♦ -

вязкие; А, ◊ - хрупкие разрушения)

Действительно, на основании визуального и оптико-микроскопического анализа поверхности разрушенных образцов констатируем, что в испытаниях на растяжение механизм разрушения модельного образца АПТ, заключается в зарождении трещины в технологическом слое и способности внутренних и внешних слоев защитных оболочек АПТ к ее торможению в зависимости от температуры и скорости испытаний. (см. рис.5). Другими словами, возможность движения разрушающей модельный образец АПТ трещины в полимерных слоях (ПЭ80) должна определяться напряженно-деформированным состоянием в её вершине, которая зависит от температуры и скорости (через скоростную зависимость предела текучести материала) испытаний [8].

Рис.5. Деформационно-прочностные диаграммы и условная схема модельного образца АПТ (а) и фото трещины в адгезионном слое образца (б), где: а) 1, 2 - вязкий и хрупкий характер разрушения; б) 1 - адгезионный слой; 2 - полиэтиленовые оболочки АПТ; 3 -армирующая нить; 4 - трещина

Как показывают данные оптической фрактографии рельефа поверхностей излома модельных образцов АПТ (рис.6), возможность движения разрушающей трещины в защитных слоях (ПЭ80) — хрупкое разрушение образца, определяется переходом из состояния плоского напряжения (ПНС) в состояние плоской деформации (ПДС) в вершине трещины при понижении температуры и повышении скорости испытаний на растяжение [9].

2

1

Рис. 6. Фото поверхностей разрушения при одноосном растяжении (скорость испытаний 1000 мин/мин) образцов АПТ при температурах: а) -5°С; б) 0°С;

в) +5°С

Отметим, что проникновение разрушающей трещины (сформировавшейся в адгезионном технологическом слое) в защитные слои АПТ (перфорация границы раздела адгезив-защитный слой), очевидно, становится возможным при выполнении соответствующих критериев МР, а именно, К = К1С, где К — коэффициент интенсивности напряжений в вершине разрушающей трещины, выходящей из адгезионного слоя, К1С —

критический коэффициент интенсивности напряжений материала защитного слоя для условий ПДС [10, 11].

Природа трещинообразования, развивающегося в технологическом слое АПТ (либо на границе раздела, см. рис.5), требует специального исследования, без которого в настоящий момент невозможно убедительно интерпретировать случайный характер проявления вязко-хрупкого перехода в механизме разрушения модельного образца АПТ. При этом, с учетом результатов испытаний образцов при трех скоростях растяжения, спектр растрескивания: по £=2,0^6,7%; по о=16,4^31 ,7МПа.

Заключение: В испытаниях на кратковременную прочность при растяжении армированных синтетическими нитями полиэтиленовых труб в конструкции которых предусмотрен адгезионный слой, связывающий армирующую и полиэтиленовые оболочки трубы, экспериментально установлена зависимость температуры вязко-хрупкого перехода (ВХП) в механизме разрушения модельных образцов от скорости испытаний, которая при скорости 100 мм/мин достигает значения 0°С, что значительно превышает регламентируемое СП 42-103-2003 значение нижней допустимой температуры применения - минус 15°С. Механизм разрушения модельного образца АПТ в испытаниях на растяжение, заключается в зарождении трещины в технологическом слое и способности внутренних и внешних слоев защитных оболочек АПТ к ее торможению в зависимости от температуры и скорости испытаний. Возможность движения разрушающей трещины в защитных слоях АПТ — хрупкое разрушение образца, определяется переходом из состояния плоского напряжения (ПНС) в состояние плоской деформации (ПДС) в вершине трещины при понижении температуры и повышении скорости испытаний на растяжение.

Представляется, что полученный результат подчеркивает необходимость дальнейшего уточнения и согласования существующих

регламентных требований по применению труб и эксплуатации полиэтиленовых трубопроводов в регионах холодного климата

Литература

1. Вирясов А.Н., Гостинин И.А., Семенова М.А. Применение труб коррозионно-стойкого исполнения для обеспечения надежности нефтегазотранспортных систем Западной Сибири // Инженерный Вестник Дона, 2013. №1 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2013/1487/.

2. Аношкин А.Н, Поспелов А.Б. Расчетно-экспериментальная оценка прочности композитных бипластмассовых труб при их эксплуатации в условиях низких температур // Экспозиция Нефть Газ. 2008. №Н/5 (73). С. 1417.

3. Сальников А.Ф. Сыпачева Е.С. Оценка несущей способности полимерно-армированных труб различных типоразмеров // Вестник ИжГТУ / ИжГТУ. Ижевск, 2003. №4. С. 20-23.

4. Изменение №1 СНиП 42-01-2002 "Газораспределительные системы" // Полимергаз. 2009. №4. С. 63-67, п.4.11.

5. 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/.

6. 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.

7. Бабенко Ф.И., Федоров Ю.Ю. Деформационно-прочностные свойства армированных полиэтиленовых труб российского производства при низких температурах // Электронный научный журнал Нефтегазовое дело. 2010. № 2. URL: ogbus.ru/article/deformacionno-prochnostnye-svojstva-

armirovannyx-polietilenovyx-trub-rossijskogo-proizvodstva-pri-nizkix-temperaturax/.

8. Бабенко Ф.И., Лапий Г.П. Исследование атмосферостойкости термопластов в условиях холодного климата // Пластические массы. 1999. №8. С.31-35.

9. Maugis D. Review subcritical crack growth, surface energy, fracture toughness, stick-slip and embrittlement. J. Mat. Science. 1985. Vol.20. pp. 30413073.

10. Williams J. A Linear Elastic Fracture Mechanics Standard for Determing KC, GC for Plastics. In: Proceedings of the 7th European conference on Fracture. London: EMAS, 1988. pp. 405-408.

11. Бабенко Ф.И., Козырев Ю.П., Семенов В.А. Температурные зависимости прочности неоднородно стареющих полимерных и композитных материалов // Механика композитных материалов. 1987. №2. С. 353-355.

References

1. Viryasov A.N., Gostinin I.A., Semenova M.A. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2013. №1 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2013/1487/.

2. Anoshkin A.N, Pospelov A.B. Ekspozitsiya Neft' Gaz. 2008. №N/5 (73). pp. 14-17.

3. Sal'nikov A.F. Sypacheva E.S. Vestnik IzhGTU / IzhGTU. Izhevsk, 2003. №4. pp. 20-23.

4. Polimergaz. 2009. №4. pp. 63-67, p.4.11.

5. Babenko F.I., Sukhov A.A., Fedorov Yu.Yu., Savvinova M.E. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2011. №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2011/551/.

6. Babenko F.I., Suhov A.A., Fedorov Ju.Ju., Savvinova M.E. Perspektivnye materialy. 2013. №4. pp. 45-52.

7. Babenko F.I., Fedorov Yu.Yu. Elektronnyy nauchnyy zhurnal Neftegazovoe delo. 2010. № 2. URL: ogbus.ru/article/deformacionno-

prochnostnye-svojstva-armirovannyx-polietilenovyx-trub-rossijskogo-proizvodstva-pri-nizkix-temperaturax/.

8. Babenko F.I., Lapiy G.P. Plasticheskie massy. 1999. №8. pp. 31-35.

9. Maugis D. Review subcritical crack growth, surface energy, fracture toughness, stick-slip and embrittlement. J. Mat. Science. 1985. Vol.20. pp. 30413073.

10. Williams J. A Linear Elastic Fracture Mechanics Standard for Determing KC, GC for Plastics. In: Proceedings of the 7th European conference on Fracture. London: EMAS, 1988. pp. 405-408.

11.Babenko F.I., Kozyrev Yu.P., Semenov V.A. Mekhanika kompozitnykh materialov. 1987. №2. pp. 353-355.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.