Анализ несущей способности и долговечности

     Нами были выбраны следующие ускоренные ме­тоды предварительных испытаний образцов метал­лопластовых труб:

-  оценка стойкости полиэтилена к транспортируе­мым агрессивным средам: газовый конденсат, щелоч­ная и кислотная среды;

-  испытание образцов труб, наполненных газо­вым конденсатом избыточным внутренним давлени­ем при нормальной и повышенной температурах с различной длительностью нагружения;

-  разработка расчётных моделей (в упругой по­становке), позволяющая произвести прочностную оценку работоспособности выбранной конструкции МПШ и МПТ и простую оценку снижения уровня кри­тического давления, обусловленную старением ПЭ.

Рассмотрим результаты исследований. Так, с це­лью моделирования рабочих условий и определения стойкости материала к агрессивным средам была выбрана оценка химического сопротивления, регла­ментированная ГОСТ 12020, а испытание на набуха­ние проводилось по методике ВНИИГАЗа. Критерия­ми оценки стойкости являлись: изменение массы и прочностных характеристик.

В качестве сред были выбраны условия, пред­полагаемые условиями эксплуатации: газовый кон­денсат, солевой раствор NaСl с уксусной кислотой, а также смесь соляной и серной кислот в соотношении 1:1.

Набухаемость определялась на образцах типа лопатки при двустороннем воздействии среды в те­чение месяца при давлении 5,5 МПа и температурах +20° С и +60° С.

Установлено, что интенсивное набухание в тече­ние первых 336 часов — 75% от максимального увели­чения массы испытуемого образца. Наибольшее на­бухание (~ 6%) наблюдается при выдержке в газовом конденсате, что естественно отразилось на снижении прочности (~ 20%). Таким образом, низкая стойкость материала отмечена в среде газового конденсата при температуре +60° С.

Одновременно проводились ускоренные кли­матические испытания (УКИ) по методу 1 ГОСТ 9.707, целью которых было исследование сохраняемости свойств внутреннего ПЭ слоя металлопластовых из­делий при старении в агрессивных средах в процессе длительной эксплуатации.

УКИ имитировали старение полиэтилена марки РЕ4РР-25В (соответствует марке ПЭ 63) [2] в ненапря­жённом состоянии в контакте с газовым конденсатом, подкисленным соляным раствором и кислой жидкой средой.

Общее время испытаний составило 140 суток. В процессе УКИ при каждой температуре испытаний (температуры 20°, 40°, 60° и 80° С) периодически про­водились съёмы образцов для определения контро­лируемых показателей (предела текучести, проч­ности и относительного удлинения при разрыве по ГОСТ 11262). Механические испытания ПЭ осущест­влялись на разрывной машине «1п51гоп» при скоро­сти деформирования 50 мм/мин.

По результатам испытаний видно, что для об­разцов полиэтилена, выдержанных в газовом кон­денсате при различных температурах, наблюдается существенное уменьшение предела текучести при растяжении и прочности при разрыве уже после 2 су­ток контакта с этой средой. При дальнейшей выдерж­ке в конденсате происходит стабилизация значений этих показателей, причём их предельные значения зависят от температуры выдержки. Так, при 20° С стабилизация наблюдается при достижении 23-25% снижения от исходного значения для прочностных показателей при разрыве; при 80° С — при достиже­нии 33-35% и 15-17% снижения соответственно.

Следует отметить, что достижение предельных значений показателей происходит тем быстрее, чем выше температура, при которой осуществляется кон­такт полиэтилена с газовым конденсатом. При 20° С предельные значения достигаются через 30-35 суток выдержки в конденсате, при 80° С — через 1 -2 суток.

Расчёт кривой прогноза относительного изме­нения показателя от продолжительности контакта полиэтилена с газовым конденсатом при 20° С про­водился по значениям предела текучести при растя­жении. Начальный участок кривой прогноза (до 140 суток) получен экспериментально, за это время до­стигнуто предельное значение показателя.

Для того, чтобы определить срок хранения по­лиэтилена в заданных условиях (при 20° С в контакте с газовым конденсатом), имитируемый за 140 суток испытаний при 80° С по методу 1 ГОСТ 9.^07, был рас­считан коэффициент Е, характеризирующий зависи­мость скорости изменения показателя от температу­ры при старении — эффективная энергия активации старения полиэтилена в системе полиэтилен-газовый конденсат. Значение Е составило 12 ккал/моль. Расчёт проводился по формуле, указанной в ГОСТ 9.707-81.

Следовательно, сохраняемость предела текуче­сти при растяжении в процессе старения полиэти­лена в конденсате при 80° С в течение 140 суток на уровне, достигнутом через 1 -2 суток (на 33-35% ниже исходного значения), указывает на сохраняемость этого показателя при контакте полиэтилена с конден­сатом при 20° С в течение 17,5 лет на уровне, достиг­нутом через 30-35 суток (на 23-25% ниже исходного значения).

При испытаниях в подкисленном соляном рас­творе и кислой жидкой среде изменения контро­лируемых показателей находились в пределах раз­броса, что не позволяет определить коэффициент Е, неоходимый для прогнозирования.

Таким образом, проведённые ускоренные испы­тания по оценке стойкости ПЭ-металлопластовых из­делий позволили:

1. Построить кривую, прогнозирующую измене­ние предела текучести при растяжении полиэтилена, контактирующего с газовым конденсатом в ненапря­жённом состоянии при 20° С в течение 18-20 лет.
2. Установить, что снижение предела прочности при растяжении полиэтилена, контактирующего с газовым конденсатом при 20° С в течение 18-20 лет составляет 23-25% от исходного значения, причём такая величина снижения указанного показателя до­стигается через 30-35 суток контакта полиэтилена с конденсатом.
3. Показать, что в соответствии с ГОСТ 12020 и ГОСТ 9.707 рассмотренный полиэтилен является стойким к воздействию подкисленного соляного рас­твора и кислой жидкой среды.