МАЛОМАСШТАБНЫЙ МЕТОД ИСПЫТАНИЯ НА ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТОЙКОСТИ К БЫСТРОМУ РАСПРОСТРАНЕНИЮ ТРЕЩИН В ПОЛИЭТИЛЕНОВЫХ ТРУБАХ

SMALL SCALE TEST METHOD FOR DETERMINATION OF RESISTANCE TO RAPID CRACK PROPAGATION IN PLASTIC PIPES

Yuri Fedorov

Candidate of Engineering Sciences, Senior Research Officer Institute of Oil and Gas Problems SB RAS,

Russia, Republic of Sakha (Yakutia), Yakutsk

Alexandra Savvina

engineer Institute of Oil and Gas Problems SB RAS

Russia, Republic of Sakha (Yakutia), Yakutsk

АННОТАЦИЯ

В стандартных квазистатических испытаниях на растяжение модельных образцов полиэтиленовых труб из материалов ПЭ80 и ПЭ100 с хрупким поверхностным слоем произведена предварительная оценка стойкости к быстрой трещине в диапазоне предполагаемых температур эксплуатации подземного трубопровода. Оценка показала, что нижняя  допустимая температурная граница эксплуатации труб должна назначаться в диапазоне: минус 5 ÷ 0°С для ПЭ80 и минус 15 ÷ минус 20°С для ПЭ100.

ABSTRACT

In standard quasi-static tests for stretching of model samples of polyethylene pipes from the materials PE80 and PE100 with a brittle surface layer the preliminary estimate of resistance to a fast crack in the range of expected temperatures of the underground pipeline operation is made. Evaluation showed that the lowest admitted temperature limit must be specified between 5°С below zero and 0°С for PE80 and between 15°С below zero and 20°С below zero for PE100.

Ключевые слова: газопровод; полиэтилен; прочность; трещина; стойкость к быстрому распространению трещин; хрупкий слой.

Keywords: pipeline; polyethylene; toughness; crack; resistance to rapid crack propagation; brittle layer.

Оценка надежности материала для полиэтиленового (ПЭ) трубопровода базируется на рассмотрении трех ключевых параметров: длительная прочность (MRS), стойкость к медленному распространению трещин (SCG) и стойкости к быстрому распространению трещин (RCP). Что касается ПЭ газопроводов, то учитывая необходимость прокладки трубы в земле, определяющим является параметр RCP. Условия холодного климата и многолетнемерзлого грунта определяют актуальность задачи установления регламентных требований по допустимой нижней эксплуатационной температуре ПЭ газопровода и, соответственно, минимально приемлемой глубине заложения, определяющей существенную долю затрат в общей стоимости сооружения.

Всвязи с тем, что существующие в настоящее время экспериментальные методики определения RCP признаются чрезмерно дорогими, технически сложными и трудоемкими в реализации, стоит задача разработки и обоснования более простых и оперативных методик. Как ни парадоксально, но основные усилия в решении этой задачи предпринимаются зарубежными исследователями. При очевидной актуальности задачи для природно-климатических условий России, сведения о соответствующих отечественных исследованиях и разработках в научной литературе отсутствуют.

Согласно требованиям трубной индустрии, задача сводится к разработке и научному обоснованию оперативного маломасштабного метода испытания модельных образцов трубного материала, изготовленных непосредственно из «тела» трубы, который позволит получать экспериментальную информацию адекватную той, которая определяется при реализации метода S4 [2], см. рис.1 (отечественный аналог – ГОСТ Р 50838-95, раздел 8 – Методы испытаний, п.8.10 – Определение стойкости к быстрому распространению трещин). И, кроме того, позволит производить учет масштабного фактора (типоразмера труб).

Рисунок 1. Зависимость критического давления от температуры, установленная в маломасштабном испытании по определению стойкости к быстрому распространению трещины (S4), для образцов труб из материалов ПЭ63, ПЭ80 и ПЭ100 [2]

Значимость результатов, приведенных на рис.1 заключается:

- в установлении факта существования температурной границы (температуры перехода Т_хр), определяющей возможность распространения быстрой трещины (область Т<Т_хр) при внутреннем давлении транспортируемой среды Р>Р_кр (Р_кр - критическое давление в трубе, ниже которого невозможно поддержание процесса быстрого распространения трещины) и ее торможения (область Т>Т_хр) в ПЭ трубе, - признак 1;

- в выявлении процесса формирования так называемых «губ сдвига» на поверхностях разрушения образцов ПЭ труб. Они начинают проявляться при температуре испытаний, несколько меньшей Т_хр и имеют ограниченную ширину – меньше 0,5мм [3]. При Т³ Т_хр «губы сдвига» быстро растут приводя к аресту трещину, - признак 2;

- в констатации факта, что природа наблюдаемого при Т= Т_хр хрупко-вязкого перехода неизвестна и отлична от природы перехода, выявляемого в ударных испытаниях образцов трубных марок ПЭ по методу Шарпи (Т_хр, определенная по методу Шарпи лежит, примерно, на 15°С ниже Т_хр, определенной по методу S4).

Кроме того, авторы нового метода испытаний, разработанного с целью решения сформулированной выше задачи [3] указывают, что с формированием и развитием «губ среза» наблюдается резкое повышение «послепиковой» энергии – признак 3, идущей на разрушение, которую рассчитывали используя диаграмму деформирования и разрушения трубного образца с надрезом в разработанном «инвертном» ударном методе испытания. Метод предполагает использование инструментального оснащения (с записью диаграммы процесса) аналогичного методу Шарпи. Отличие от метода Шарпи заключается в том, что удар наносится по надрезанной поверхности образца.

Нами была рассмотрена и апробирована следующая методика выявления «искомого» температурного перехода. Суть методики сводится к испытаниям на растяжение, в предполагаемом диапазоне температур эксплуатации трубопровода, модельных образцов трубных марок полиэтиленов с хрупкими поверхностными слоями. Главная особенность методики – быстрая трещина инициируется и распространяется из хрупкого поверхностного слоя. Один из возможных способов изготовления модельного образца на основе образца-полоски, вырезанного непосредственно из «тела» трубы, разработан нами ранее [1]. Таким образом, методика предполагает использование стандартного метода испытаний – испытание на прочность при растяжении, который реализуется на стандартном оборудовании – разрывная машина, оснащенная термокриокамерой.

Рисунок 2. Поверхности разрушения и диаграммы нагрузка-перемещение в  испытаниях на прочность при растяжении модельных образцов труб ПЭ100 с хрупким поверхностным слоем. Скорость перемещения 50 мм/мин, температура: -10ºС (а), -15°С (б), -20°С (в)

На рис.2. представлены результаты по оценке допустимой нижней температурной границы эксплуатации трубопровода из материала марки ПЭ100. Анализ результатов – фрактографические изображения изломов и диаграммы разрушения модельных образцов, показывает, что разрабатываемый нами метод испытаний способен выявлять температуру перехода -20°С<Т_хр<-15°С и все три, отмеченные выше, характерные признака, определяющие температуру перехода Т_хр. Для трубного материала ПЭ80 значение соответствующей температуры перехода составило -5°С<Т_хр<-0°С. При этом необходимо отметить, что приведенные результаты (рис.2) получены на модельных образцах, изготовленных из ПЭ труб диаметром 63мм SDR11, при скорости испытаний 50мм/мин.

Произведенная в рамках разрабатываемой оригинальной методики оценка допустимой нижней температуры эксплуатации напорного ПЭ трубопровода показала существенную разницу значений показателей для материалов ПЭ80 (-5°С<Т<-0°С) и ПЭ100(-20°С<Т<-15°С).

Таким образом, разработанный маломасштабный метод, позволит сэкономить время и средства и позволит оперативно определять стойкость к быстрому распространению трещин полимерных труб и нижние температурные пределы эксплуатации.

Список литературы:

1. Патент 2454663 РФ RU G01N33/44. Способ создания хрупкого покрытия на поверхности изделий из светостабилизированного полиэтилена / Бабенко Ф.И., Родионов А.К., Федоров Ю.Ю., Архипов А.А., Саввинова М.Е.; заявитель ИПНГ СО РАН. № 2010148971 заявл. 30.11.2010; опубл. 27.06.2012, бюлл. №18.
2. John Scheirs, Ludwig L. Böhn, 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.
3. S.J.K. Ritchie, P. Davis and P.S. Leevers. Brittle-tough transition of rapid crack propagation in polyethylene/ Polymer, Vol. 39, Number 25, 1998, pp. 6657-6663.