Способ определения стойкости к прокалыванию полимерных и композиционных материалов
METHOD FOR DETERMINATION OF RESISTANCE TO PIERCING OF POLYMER AND COMPOSITE MATERIALS

Изобретение относится к области определения прочностных характеристик материалов и может быть использовано для определения стойкости к прокалыванию полимерных и композиционных материалов, применяемых для защиты от механических повреждений подземных нефтегазопроводов.
Актуальность разработки способа определения прочностных характеристик полимерных и композиционных материалов вызвана расширением номенклатуры таких материалов, применяемых для защиты от механических повреждений подземных нефтегазопроводов. Это обуславливает необходимость сравнительного анализа защитных свойств указанных материалов и их ранжирования по классам защиты с целью оптимизации области применения конкретного материала.
Защита трубопровода от механических повреждений подразумевает предохранение от повреждений защитного изоляционного покрытия металла труб.
Механические повреждения защитного изоляционного покрытия труб выражаются в нарушениях сплошности, утонениях, гофрах, царапинах, проколах и существенно снижают эффективность комплексной защиты трубопроводов от коррозии, в результате чего повышается риск их отказов.
Основными причинами таких повреждений являются:
- прокладка трубопровода в многолетнемерзлых, скальных грунтах и грунтах с каменистыми включениями;
- нарушение технологии укладки трубопровода;
- трение трубопровода о стенки траншеи при укладке;
- отсутствие подготовки дна траншеи;
- отсутствие песчаной подсыпки дна траншеи на участках с каменистыми и щебенистыми грунтами;
- плохое рыхление мерзлых грунтов;
- длительная статическая нагрузка при эксплуатации, вызванная весом трубопровода.
В настоящее время для защиты от повреждений поверхности трубопроводов в грунтах, вызывающих повреждение защитного изоляционного покрытия труб, применяются усиленные многослойные защитные покрытия труб, скальные листы и другие средства.
В результате анализа современного уровня развития механики материалов и конструкций, перспективным признан подход к исследованию характера деформирования и механики разрушения материалов защитных покрытий при воздействии на них со стороны отдельных крупных фракций грунта, заключающийся в моделировании внешнего воздействия вдавливанием инденторов различной геометрии, в том числе в лабораторных условиях.
Индентор при этом изготовлен из материала, обладающего заведомо более высокой твердостью, чем исследуемый образец. При внедрении индентора в материал в области контакта создается сложное напряженное состояние, близкое к всестороннему сжатию, а деформация, распространяющаяся вглубь материала, складывается из упругой и пластической компонент.
В последнее десятилетие испытания индентированием стали действенным методом определения механических свойств материалов. Однако до настоящего момента в этой области проведено мало исследований эластомерных и полимерных композиционных материалов, используемых для зашиты трубопроводов. Механическое поведение этих материалов характеризуется существенными геометрическими изменениями их начальной формы, а также нелинейной зависимостью между напряжениями и деформациями, которые развиваются при нагружении.
Известен способ акустическо-эмиссионного определения момента возникновения начальной пластической деформации (патент РФ №2149396, G01N 29/14, опубл. 20.05.2000). Согласно указанному способу, осуществляют измерение сигналов акустической эмиссии при деформации металла. Измерение сигналов акустической эмиссии осуществляют при вдавливании индентора в зоне его отпечатка, устанавливают зависимость усилие вдавливания - суммарное число импульсов акустической эмиссии, а за момент возникновения начальной пластической деформации принимают начало изменения хода этой зависимости.
Недостатком указанного способа является необходимость использования акустическо-эмиссионного оборудования. Кроме того, область применения способа ограничена областью применения метода акустической эмиссии, который весьма чувствителен к структуре исследуемого материала и подразумевает определение механических свойств твердых однородных материалов, обладающих кристаллической решеткой.
Известен способ определения механических характеристик материалов (патент РФ №2145071, G01N 3/42, опубл. 27.01.2000), включающий внедрение индентора в исследуемый материал, регистрацию кинематических характеристик ударного вдавливания и определение механических характеристик материала. Измерение проводят неравноосным индентором с различной ориентацией большой оси индентора относительно оси анизотропии материала и расчет механических характеристик производят с учетом ориентации материала относительно индентора и энергии пластического деформирования.
Однако данный способ не обеспечивает возможности мгновенного определения момента образования сквозного прокола в материале.
Известен способ экспресс-определения прочностных характеристик твердых материалов (патент РФ №2227283, G01N 3/44, опубл. 20.04.2004), заключающийся в том, что в испытуемый материал внедряют индентор, измеряют глубину остаточного отпечатка исследуемой точки на поверхности испытуемого материала и определяют его прочностные характеристики. Перпендикулярно плоскости испытуемого материала в исследуемой точке прикладывают предварительную нагрузку с получением контрольного отпечатка заданной глубины, служащего началом отсчета измерения глубины внедрения индентора. В исследуемой точке создают основную нагрузку, измеряя при этом глубину проникновения индентора, затем осуществляют выдержку индентора под суммарной нагрузкой в течение 120-150 с, соответственно определяя при этом глубину проникновения индентора, а также общую глубину внедрения индентора в материал. Снимают основную нагрузку, осуществляют выдержку индентора под предварительной нагрузкой в течение 30-50 с, после чего также снимают предварительную нагрузку, и по величине глубин проникновения индентора в материал определяют прочностные характеристики испытуемого материала в расчетных единицах.
Недостаток указанного способа заключается в том, что отсутствует возможность мгновенного определения момента образования прокола в исследуемом материале.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототипом) является способ сравнительной оценки свойств материалов (патент РФ №2495412, G01N 29/00, опубл. 10.10.2013), включающий инденторное нагружение исследуемых материалов, регистрацию сигналов акустической эмиссии в процессе нагружения, обработку сигналов акустической эмиссии и выявление параметра сигналов, информативного за физико-механическую характеристику материала и, соответственно, за эксплуатационное свойство изделия, выполненного из данного материала, отличающийся тем, что в качестве информативного параметра сигнала используют энергию импульсов акустических сигналов, а сравнение эксплуатационных свойств изделий, выполненных из разных исследуемых материалов, производят по величинам накопленной энергии импульсов за время нагружения, в том числе по величине угла наклона касательной на графике зависимости «накопленная величина энергии сигналов - время нагружения материала».
К недостаткам данного способа относятся отсутствие возможности мгновенного определения момента образования прокола в исследуемом материале, необходимость использования дополнительного специального оборудования, а также неэффективность приложения используемого метода акустической эмиссии к исследованию неоднородных и пластичных материалов.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является разработка способа, обеспечивающего возможность оперативного и достоверного определения минимальной нагрузки, необходимой для образования сквозного отверстия (прокола) в образце исследуемого неметаллического материала.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является повышение точности определения минимальной нагрузки, необходимой для образования сквозного отверстия в исследуемом материале за счет мгновенной фиксации момента образования сквозного отверстия, а также простота реализации за счет использования компактных и легкодоступных средств контроля и измерений.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе определения стойкости к прокалыванию полимерных и композиционных материалов, включающем инденторное нагружение образца исследуемого материала, инденторное нагружение осуществляют путем вдавливания закрепленного посредством металлической муфты металлического индентора, выполненного в форме конуса, при равномерно возрастающей нагрузке в произвольную зону закрепленного на металлической пластине образца исследуемого материала до образования в упомянутом образце сквозного отверстия. Момент образования сквозного отверстия регистрируют с помощью электрического сигнала, полученного при замыкании электрической цепи между металлической муфтой и металлической пластиной. При этом в момент образования сквозного отверстия в образце исследуемого материала фиксируют величину инденторной нагрузки. По результатам нагружения, по меньшей мере, двух образцов исследуемого материала принимают среднее арифметическое значение полученных величин инденторной нагрузки за критическое значение, приводящее к разрушению исследуемого материала. Способ осуществляют следующим образом.
Испытания проводят при температуре окружающей среды от 5 до 40°С. На металлической пластине в горизонтальном положении закрепляют образец исследуемого неметаллического материала. На стандартной разрывной машине, работающей на сжатие, оснащенной электромеханическим приводом и электронным силомером, с помощью металлической муфты закрепляют металлический индентор, выполненный в форме конуса. Затем включают цифровой мультиметр (например, Fluke 113) в режим прозвона, предварительно подсоединив один из его щупов к металлической пластине, а второй - к металлической муфте. После чего с помощью разрывной машины осуществляют индентирование образца исследуемого материала путем вдавливания, плавно увеличивая нагрузку, до образования сквозного отверстия (прокола). Момент образования прокола определяют по звуковому сигналу и показаниям мультиметра (сопротивление цепи при этом падает до 0 Ом). Фиксируют величину нагрузки в момент образования прокола и по результатам нагружения, по меньшей мере, двух образцов исследуемого материала принимают среднее арифметическое значение полученных величин инденторной нагрузки за критическое значение, приводящее к разрушению исследуемого материала.
Пример осуществления способа.
Проводили испытания по предлагаемому способу образцов футеровочного мата, применяемого для защиты поверхности трубопроводов от механических повреждений (размером 360×152×27 мм).
Целью проведения испытаний являлось получение наглядной картины разрушения и определение стойкости к прокалыванию средств защиты трубопроводов при внедрении наконечника индентора в испытуемый образец под действием плавно возрастающей сжимающей нагрузки путем фиксации минимальной нагрузки, необходимой для образования сквозного отверстия в исследуемом материале.
При проведении испытаний использовали разрывную машину ТВС Tester ИР 5145-500-11 с электромеханическим приводом и электронным силомером на 500 кН, пульт оператора, принтер, программно-технический комплекс, муфту, металлическую пластину размером 250×250 мм; мультиметр цифровой Fluke ИЗ, конический индентор (радиус сферического наконечника индентора R=1,6 мм, угол конусности А=90°.
Перед проведением испытаний на разрывную машину установили металлические (например, стальные) муфту и индентор, а на металлической пластине, размещенной под индентором, закрепили образец испытуемого материала (футеровочного мата), на поверхности которого отсутствовали дефекты (наплывы, впадины, трещины и т.д.). Один щуп мультиметра подсоединили к муфте, второй щуп - к металлической пластине.
Привели разрывную машину в действие и нагружали образец футеровочного мата вдавливанием индентора со скоростью 0,15 кН/с вплоть до образования сквозного прокола. Момент образования сквозного прокола определяли по показаниям мультиметра (сопротивление цепи при этом составляло 0 Ом) и фиксировали в этот момент силу нагружения (силу вдавливания) в килоньютонах (кН). Нагружение выполняли трижды, получив для каждого из образцов значения силы вдавливания, равные 29,02, 28,33 и 31,06 (кН), соответственно. За критическое значение, приводящее к разрушению исследуемого материала, принимали среднее арифметическое значение, равное 29,47 кН.
Согласно нормативным документам (Временные технические требования ПАО «Газпром» к оболочкам для защиты поверхности трубопроводов при прокладке в сложных грунтовых условиях, утверждены 13.10.2017) полимерные и композиционные защитные покрытия по степени обеспечения защиты поверхности трубопровода от внешних механических воздействий подразделяются на шесть классов защиты. Каждый класс защиты соответствует условиям прокладки трубопровода. Нормативные требования по стойкости к прокалыванию к защитным материалам, применяемым в сложных условиях прокладки трубопроводов, указаны в таблице.
Исходя из величин стойкости к прокалыванию различных защитных материалов, полученных в результате испытаний описанным способом, ранжируют защитные материалы, применяемые при строительстве трубопроводов в сложных грунтовых условиях по классу защиты в соответствии с таблицей. В частности, футеровочному мату по результатам проведенных испытаний присвоен II-й класс защиты. В дальнейшем на основе указанных данных при проектировании трубопроводов устанавливают оптимальную область применения для каждого из защитных материалов, таких как футеровка, скальный лист, геотекстиль, защитные бетонные скорлупы и т.д. для обеспечения защиты поверхности трубопровода от механических повреждений.