СПОСОБ ОЦЕНКИ СПОСОБНОСТИ ПОЛИМЕРНОЙ ТРУБЫ К ПЛАСТИЧЕСКОМУ РАЗРУШЕНИЮ
METHOD OF ASSESSING THE DUCTILE RUPTURE ABILITY OF THE POLYMER PIPE

Область техники
Изобретение относится к способам оценки состояния полимерной трубы, а именно, к способам оценки, то есть определения, способности полимерной трубы к пластическому разрушению, в том числе - полиэтиленовой трубы для газопровода.
Уровень техники
Применение полимерных труб в промышленности, в частности, при строительстве газопроводов осуществляется более пятидесяти лет. Свойства полимерных труб со временем могут изменяться, что может привести к внезапному разрушению трубы, поэтому необходимо контролировать эти изменения и определять состояние полимерной трубы в процессе ее эксплуатации и хранения. Особенно важна проверка свойств полиэтиленовых труб, находящихся в эксплуатации более 40 лет для принятия решений о возможности их дальнейшей эксплуатации с учетом пятидесятилетнего прогнозного срока эксплуатации полиэтиленовых труб. Не менее важен контроль свойств для труб, хранение которых до начала эксплуатации осуществлялось длительное время.
Полимерная труба из термопласта может разрушаться по хрупкому или пластическому типу разрушения. Эксплуатация трубы, не обладающей способностью к пластическому разрушению, сопровождается высоким риском внезапного хрупкого разрушения трубы, например, в результате природных сдвиговых напряжений -оползней, землетрясений и др., при случайном ударе или нанесении дефектов. Разрушение трубы происходит по пластическому типу, если материал стенки трубы обладает способностью к пластической деформации. При этом риск внезапного разрушения трубы остается минимальным. Известно также, что полимерный материал, способный к пластической деформации характеризуется замедленным ростом трещин, возникающих при ударе или надрезе, т.е. труба из такого материала обладает повышенным сопротивлением разрушению.
Таким образом способность полимерной трубы к пластической деформации и, соответственно, к пластическому разрушению, относится к числу важнейших показателей состояния трубы.
Для изготовления полимерной трубы используют термопластичные материалы, способные к пластической деформации. В ходе эксплуатации такая способность может быть утрачена, например, под действием различных факторов, вызывающих процессы старения материала. При этом труба приобретает склонность к хрупкому разрушению. Известно (Уиллоуби Д.А. Полимерные трубы и трубопроводы. Справочник. Гл. 13. «Хрупкое разрушение пластмассовых газопроводов», стр. 366, изд. Профессия, 2010 г С-Петербург), что потеря способности к пластическому разрушению и возникновение хрупкого разрушения в изделиях из полимерных материалов является главной причиной потери ими работоспособности.
Известен способ определения типа разрушения трубы (ГОСТ ISO 1167-1-2013 Трубы, соединительные детали и узлы соединений из термопластов для транспортирования жидких и газообразных сред. Определение стойкости к внутреннему давлению. Часть 1. Общий метод, п. 10.3), заключающийся в отборе образца трубы, испытании образца и визуальном определении типа разрушения. Этот способ является ближайшим аналогом к заявленному изобретению.
Недостатком известного способа является низкая надежность, так как имеет место только визуальная оценка типа разрушения по наличию деформации текучести на поверхности разрушения. Такая оценка, носящая субъективный характер, ведет либо к неоправданному увеличению ресурса трубы, либо к преждевременной отбраковке трубы и решению о ее замене.
Раскрытие сущности изобретения
Задачей изобретения является повышение надежности оценки состояния полимерной трубы и отбраковки полимерной трубы.
Технический результат заключается в повышении надежности оценки способности полимерной трубы к пластическому разрушению, в результате чего снижается риск аварий при длительной эксплуатации трубопровода, а также в расширении арсенала средств оценки состояния трубы.
Технический результат способа оценки способности полимерной трубы к пластическому разрушению достигается за счет того, что из полимерной трубы изготавливают образец, проводят его испытание и по результатам испытаний определяют способность трубы к пластическому разрушению, при этом испытание образца заключается в его растяжении при одноосной нагрузке, при растяжении определяют деформацию образца при пределе текучести и деформацию образца при естественной кратности вытяжки, определяют разность этих показателей - «скачок деформации», и по наличию скачка деформации определяют способность трубы к пластическому разрушению: при наличии скачка деформации трубу оценивают как способную к пластическому разрушению, а при отсутствии скачка деформации - как утратившую способность к пластическому разрушению.
Испытание при одноосном растягивающем нагружении может быть проведено с использованием образца в форме двойной лопатки или полоски, изготовленного по ГОСТ 11262-80 «Пластмассы. Метод испытания на растяжение».
Используя предложенный способ оценки способности полимерной трубы к пластическому разрушению, можно принять решение о выбраковке трубы. Если труба оценена как утратившая способность к пластической разрушению, то принимают решение о выбраковке трубы.
Указанный способ может быть реализован преимущественно для полиэтилена.
Надежность получаемых результатов существенно увеличивается при использовании для испытаний стандартизованных образцов по ГОСТ 11262-80, поскольку для таких образцов разработаны методики изготовления и аппаратура, позволяющая с высокой точностью и воспроизводимостью определять деформацию образцов в различные моменты испытания, в том числе и в автоматическом режиме.
Предлагаемый способ определения способности трубы к пластическому разрушению может быть использован для труб, изготовленных из материалов, обладающих способностью к пластической деформации до начала эксплуатации, преимущественно, из полиэтиленов.
К таким материалам относятся традиционные материалы для изготовления труб, например, различные марки полиэтилена и другие термопластичные материалы. При этом величина скачка деформации является характерным показателем для конкретного материала. В таблице приведены экспериментально установленные значения скачка деформации для некоторых типов трубного полиэтилена.
Скачок деформации может быть измерен следующим образом.
0
1
П
Образец для измерения изготавливают в форме двойной лопатки по ГОСТ 11262-80. «Пластмассы. Методы испытаний на растяжение». Выделяют метками базу рабочего участка лопатки и измеряют ее длину L. Определяют площадь S поперечного сечения выделенной базы, измеряя ширину и толщину рабочей зоны лопатки на испытательной машине, соответствующей требованиям ГОСТ 11262-80, проводят одноосное растяжение лопатки, измеряют (например, с помощью линейки) длину L рабочего участка между метками в тот момент, когда на растягиваемом образце появляется локальное сужение (в этот момент прекращается рост напряжения при растяжении образца) и определяют значение деформации образца при пределе текучести Е по формуле:
П
1
0
0
Е=(L – L)/L
Е
Е
Далее проводят растяжение образца до распространения этого локального сужения на длину, достаточную для проведения измерения, и измеряют площадь поперечного сечения образца S в месте сужения. Стабильность деформации (постоянство поперечного сечения) указывает на то, что это зона естественной кратности вытяжки. По формуле рассчитывают деформацию в зоне естественной кратности вытяжки - Е:
Е
E
E=S/S-1;
Е
Где: S и S - площадь поперечного сечения базы рабочего участка лопатки до растяжения и в зоне локального сужения после растяжения.
Е
П
Величину скачка деформации определяют по разности: Е - Е
Если при растяжении образца произошло его разрушение до образования
локального сужения, то скачок деформации отсутствует.
При осуществлении способа измеряют деформацию при пределе текучести и деформацию в зоне локального сужения образца, т.е. в зоне естественной кратности вытяжки. Таким образом получают количественную характеристику, указывающую на наличие или отсутствие скачка деформации, что указывает на способность трубы к пластическому разрушению или на потерю этой способности. Использование количественной характеристики для определения способности трубы к пластическому разрушению повышает надежность способа по сравнению с ближайшим аналогом. Использование нового показателя, а именно «скачка деформации», расширяет арсенал средств оценки способности трубы к пластическому разрушению.
Скачок деформации, а именно значительное увеличение деформации при отсутствии роста нагрузки выше предела текучести, обусловлен внутренней структурной перестройкой полимера, при которой возникает значительная остаточная деформация. Способность полимера к такому структурному перестроению основана на пластичности полимера. И, следовательно, наличие скачка деформации указывает на пластический характер деформации и позволяет оценить тип разрушения как «пластическое».
Величина скачка деформации является характерной для каждого полимерного материала.
Трубные марки полиэтилена характеризуются показателем скачка деформации, по крайней мере, не менее 2.
Если труба при длительной эксплуатации из-за старения полимера утрачивает способность к структурному перестроению и не реализует скачка деформации, ее разрушение становится хрупким. Полимерную трубу оценивают, как непригодную к дальнейшей эксплуатации, если при растяжении образца не наблюдается скачок деформации.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 изображен образец 1 для определения скачка деформации, метками 2 отмечена база рабочего участка для измерения деформации.
На фиг. 2 - изображена двойная лопатка после испытания на растяжение с образованием локального сужения, под изображением лопатки приведено распределение деформации по длине лопатки. Позицией 1 обозначен испытуемый образец, позицией 3 обозначен участок с деформацией при пределе текучести, позицией 4 - переходная зона, в которой реализуется скачок деформации, 5 - участок с деформацией зоны естественной кратности вытяжки. F - обозначено растягивающее нагружение.
На фиг. 3 изображен образец 1- двойная лопатка после испытания на растяжение с хрупким типом разрушения 6.
Реализации способа проиллюстрирована следующими примерами:
Пример 1
Определение способности к пластическому разрушению трубы из полиэтилена по МРТУ 6 №05-917-63, находящейся в эксплуатации 35 лет.
0
1
1
П
1
0
0
П
Е
Е
2
2
Из трубы вырезают участок, достаточный для изготовления образца в форме двойной лопатки, тип 2 по ГОСТ 11262-80 «Пластмассы. Методы испытаний на растяжение». Общая длина лопатки составляет 150 мм. Выделяют метками базу рабочего участка лопатки и измеряют ее длину L, она составляет 50 мм, определяют площадь поперечного сечения выделенной базы, измеряя ширину (10,5 мм) и толщину (4 мм) рабочей зоны лопатки S=42 мм. Одноосное растяжение образца проводят на испытательной машине со скоростью раздвижения зажимов 5 мм/мин. Образец растягивают и, не освобождая образец из зажимов испытательной машины, измеряют с помощью линейки длину L рабочего участка между метками в тот момент, когда на растягиваемом образце появляется сужение. L=55,5 мм. Определяют значение деформации образца при пределе текучести Е как отношение приращения длины (L-L) базы к длине базы L. В данном примере Е=0,11. Далее проводят растяжение образца до распространения этого локального сужения на длину, достаточную для проведения измерения. Измеряют площадь поперечного сечения образца в месте сужения. Ширина лопатки в месте локального сужения составляет - 4,3 мм, а толщина - 2 мм. Из измеренных величин определяют площадь поперечного сечения S=8,6 мм образца в месте сужения. По формуле рассчитывают деформацию в зоне естественной кратности вытяжки - Е: Она ровна 3,88
Е
П
Величина скачка деформации, определенная как разность Е - Е составила 3,77.
По наличию скачка деформации, делают вывод о том, что труба способна к пластическому разрушению.
Пример 2
Определение способности к пластическому разрушению трубы по МРТУ 6 №05-917-63 находящейся в эксплуатации 46 лет.
0
1
П
2
Из трубы изготавливают образец в форме двойной лопатки, тип 1 по ГОСТ 11262-80 «Пластмассы. Методы испытаний на растяжение». Общая длина лопатки составляет 115 мм. Отмечают метками базу рабочего участка лопатки, ее длина составляет 50 мм (L), определяют площадь поперечного сечения выделенной базы S=12 мм, измеряя ширину - 6 мм и толщину -2 мм рабочей зоны лопатки. Одноосное растяжение образца проводят на машине со скоростью раздвижения зажимов 5 мм/мин., измеряют длину L (56 мм) рабочего участка между метками в тот момент, когда на растягиваемом образце появляется сужение и определяют значение деформации образца при пределе текучести Е, которое в данном случае равно 0,12.
2
Е
Далее проводят растяжение образца до распространения этого локального сужения на длину, достаточную для проведения измерения и измеряют площадь поперечного сечения образца в месте сужения (2,3 мм). Рассчитывают деформацию в зоне естественной кратности вытяжки - Е=4,22. Таким образом, величина скачка деформации составляет 4,1, что подтверждает сохранение способности трубы к пластическому разрушению.
Пример 3
Определение способности к пластическому разрушению трубы по МРТУ 6 №05-917-63 находящейся в эксплуатации 47 лет.
0
2
Из трубы изготавливают образец в форме двойной лопатки, тип 2 по ГОСТ 11262-80. Общая длина лопатки составляет 150 мм. Выделяют базу рабочего участка лопатки, которую отмечают метками для измерения деформации, ее длина составляет 50 мм (L), определяют площадь поперечного сечения выделенной базы S=40 мм, измеряя ширину - 10 мм и толщину -4 мм рабочей зоны лопатки. Одноосное растяжение образца проводят на машине со скоростью раздвижения зажимов 5 мм/мин. Образец разрывается до момента образования сужения. На основании сказанного выше сделан вывод о потере способности трубы к пластическому разрушению в ходе эксплуатации. Дальнейшая эксплуатация трубы сопряжена с большим риском внезапного хрупкого разрушения при случайных механических повреждениях. Труба подлежит выбраковке.
Пример 4
Способность к пластическому разрушению трубы из полиэтилена после ее хранения на открытой складской площадке в течение более 5 лет.
Труба производства ОАО «Ставропольполимер» из полиэтилена марки ПЕ 80 РР25 В хранилась на открытой складской площадке в течение более 5 лет.Для принятия решения о ее выбраковке определена способность трубы к пластическому разрушению путем измерения показателя скачка деформации при испытании на растяжение образца в виде двойной лопатки, вырезанной из материала трубы. Скачок деформации равен 4,85, что соответствует показателю исходного материала и подтверждает сохранение способности трубы к пластическому разрушению.
Таким образом, по наличию скачка деформации, подтвержденному измерением его величины, может быть сделан вывод о сохранении способности трубы к пластическому разрушению и принято решение о годности трубы для дальнейшей эксплуатации по этому показателю.
Таким образом, благодаря возможности определения количественного показателя, указывающего на тип разрушения трубы, повышена надежность оценки состояния трубы, а использование нового показателя - «скачка деформации» -расширяет арсенал средств оценки технического состояния трубы.