»Ускоренное развитие производства и потребления пластмассовых труб, несмотря на их ценные качества (неподверженность коррозии, малая масса., низкий коэффициент трения) не коснулось в должной мере газовой промышленности»
В отличие от отраслей с массовым применением труб из термопластов, в газодобывающей отрасли можно отметить использование таких труб для газораспределительных сетей. И, в первую очередь, это связано с таким недостатком труб из термопластов, как их способностью нести лишь невысокие рабочие давления (до 12 МПа), транспортируемых по ним сред.
В связи с этим были созданы трубы из пластмасс, усиленные металлической арматурой, рассчитанные на транспортирование сред при более высоких внутренних давлениях.
В то же время, производство оборудования для выпуска металлопластовых конструкций (МПК) разбросано по отраслям, нет единой технической политики и технологических режимов производства, не существует систематизированных данных по определению работоспособности и долговечности пластмассовых труб, армированных металлическими элементами, нет опубликованных материалов по прочностным расчётам предлагаемых конструкций МПТ и по опыту длительных наработок в трубопроводах высокого давления.
Тем не менее, анализ ситуации подтвердил следующие их преимущества:
- кратное увеличение сроков службы и эксплуатационной надёжности по сравнению с металлическими трубопроводами, транспортирующими агрессивные среды;
- улучшенные гидравлические характеристики, стабильные во времени;
- упрощение и ускорение монтажных работ;
- кратное снижение металлоёмкости.
Кроме того, целый ряд предприятий уже освоил производство сразу двух видов конструкций труб из полиэтилена (ПЭ) газовых марок: с мягким (МПШ) и жёстким (МПТ) металлическими каркасами.
В то же время известно, что особенностью полимерных материалов и полиэтилена в частности, является изменение их механических свойств под напряжением со временем, поэтому для пластмассовых труб необходимы испытания на длительную прочность внутренним давлением.
В данной работе авторами сделана пЪпытка на основе кратковременных испытаний и разработки в упругой постановке расчётной модели определить в первом приближении уровень длительной работоспособности металлопластовых труб.
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:
Comment