Applicability evaluation of the method of direct and inverse impact for determining the properties of internal anti-corrosion coatings pipelines

Full Text

В настоящее время существуют два подхода к определению стойкости внутренних покрытий к ударным воздействиям - методы прямого и обратного удара. Оба метода основаны на методиках, изложенных в ГОСТ 4765-73 и ГОСТ 51164-98 [1, 2]. Метод обратного удара заключается в воздействии бойка на наружную поверхность труб. Данный метод активно применяется на многих заводах, наносящих покрытия на внутреннюю поверхность труб, таких как ЗАО «УПоРТ» (ТУ 1390-003-52534308-2008), ООО «ЮКОРТ» (ТУ 139000-012-01297958-01), ООО «Предприятие Трубопласт» (ТУ 1381-012-00154341-02) [3, 4, 5]. Метод моделирует реальное ударное воздействие, возможное в процессе хранения, транспортировки и СМР. Однако, как показывает практика, отбраковки по данному показателю как при приемо-сдаточных, так и при периодических испытаниях не происходит. С другой стороны, определение ударной прочности методом прямого удара, при котором воздействие бойка маятникового копра приходится на внутреннюю поверхность, непосредственно на покрытие, дает экспресс-данные о целом ряде параметров. В качестве примера можно привести данные о недостаточной полимеризации эпокси-новолачного покрытия производства ООО «Темерсо-инженеринг». В исходном состоянии прочность покрытия при прямом ударе составляла 3 Дж, при этом теплота реакции полимеризации составляла 12,28 Дж/г. После настройки сушильных печей теплота полимеризации уменьшилась до 3,70-3,82 Дж/г, а стойкость к прямому удару возросла до 12 Дж. Поскольку не у всех производителей есть возможность использовать методы дифференциальной сканирующей калориметрии или дифференциального термического анализа, определение стойкости к прямому удару для некоторых типов покрытий может косвенно характеризовать степень отверждения покрытия. В данной статье произведен прочностной расчет нагрузок при воздействии бойка на внутреннюю и наружную поверхность трубы. Расчет воздействия обратного удара осуществлялся методом конечных элементов с помощью программы Ansys [6, 7]. В качестве исходных данных были установлены следующие параметры: - масса бойка с нагрузкой - 3 кг (стандартная для копра типа «Константа-КП» и аналогов); - E = 15 Дж (максимальная энергия для копра типа «Константа-КП» и аналогов); - начальная скорость бойка рассчитана по формуле ; (1) - материал трубы - сталь 20; - физические свойства материала при ; ; ; ; - материал бойка принят абсолютно жестким. Свойства пластичности материала трубы не учитывались. Расчет производился для типоразмеров труб, указанных в табл. 1. Таблица 1 Типоразмеры труб, для которых производились расчеты Наружный диаметр D, мм Толщины стенок t, мм 73 5,5 89 6, 8, 10, 12 114 6, 8, 10, 12 159 6, 8, 10, 12 219 6, 8, 10, 12 325 6, 8, 10, 12 426 6, 8, 10, 12 Расчетная модель стального патрубка В качестве граничного условия был запрет перемещения в направлении оси Y по нижнему ребру трубы. Расстояние между трубой и полусферой в начальный момент задано 10 мкм. Нагрузки определялись для узла А. Четверть расчетной модели представлена на рисунке. Результаты пиковых значений напряжений для труб разных наружных диаметров с различной толщиной стенки представлены в табл. 2. Таблица 2 Пиковые значения напряжений Наружный диаметр, мм Толщина стенки, мм Напряжение, МПа 73 5,5 99,0 89 6 82,0 8 54,2 10 36,2 12 27,8 114 6 78,0 8 53,5 10 35,4 12 23,0 159 6 59,5 8 46,9 10 32,7 12 20,8 219 6 51,1 8 42,1 10 33,8 12 24,7 325 6 37,1 8 31,2 10 22,7 12 19,2 426 6 46,5 8 29,1 10 24,3 12 20,4 Расчет напряжений (σd), при воздействии бойка непосредственно на покрытие производился по формуле [4] , (2) где σst - напряжение, возникающее при статическом приложении массы бойка; kdin - динамический коэффициент. В свою очередь, , (3) где H - высота падения груза (в нашем случае для 15 Дж она составляет 0,5м); δst - перемещение расчетной точки трубы при приложении статической нагрузки; для трубы [8] , (4) где Е - модуль упругости. Результаты расчетов динамических напряжений, а также соотношение напряжений при прямом и обратном ударе представлены в табл. 3. Таблица 3 Расчетные данные Деформация образца (δst) × 10-6, м Наружный диаметр образца (D), м Толщина образца (t), м k din σd, Мпа σdп/σdо 5,02 0,073 0,0055 447,16 670,8 6,78 6,90 0,089 0,006 381,603 572,4 6,98 5,05 0,089 0,008 445,8748 668,8 12,34 3,94 0,089 0,01 504,6415 757,0 20,91 3,20 0,089 0,012 559,8306 839,7 30,21 1,15 0,114 0,006 295,8105 443,7 5,69 8,46 0,114 0,008 344,6139 516,9 9,66 6,64 0,114 0,01 388,848 583,3 16,48 5,43 0,114 0,012 430,0111 645,0 28,04 22,73 0,159 0,006 210,7324 316,1 5,31 16,82 0,159 0,008 244,7759 367,2 7,83 13,28 0,159 0,01 275,3724 413,1 12,63 10,92 0,159 0,012 303,5972 455,4 21,89 43,59 0,219 0,006 152,4616 228,7 4,48 32,38 0,219 0,008 176,7187 265,1 6,30 25,66 0,219 0,01 198,3966 297,6 8,80 21,18 0,219 0,012 218,2787 327,4 13,26 96,88 0,325 0,006 102,5989 153,9 4,15 72,20 0,325 0,008 118,6843 178,0 5,71 57,40 0,325 0,01 132,9911 199,5 8,79 47,53 0,325 0,012 146,0495 219,1 11,41 167,20 0,426 0,006 78,34134 117,5 2,53 124,80 0,426 0,008 90,51758 135,8 4,67 99,36 0,426 0,01 101,3227 152,0 6,26 82,40 0,426 0,012 111,1622 166,7 8,17 По результатам проведенных расчетов видно, что напряжения при обратном ударе ниже, чем при прямом, от 2,5 до 30 раз. Причем с увеличением толщины стенки и уменьшением диаметра разница возрастает. Поскольку для большинства внутренних покрытий стойкость к прямому удару выше 10 Дж, минимальная энергия удара с наружной поверхности должна быть не менее 25 Дж. Современное испытательное оборудование, такое как маятниковый копер «Константа-КП» и аналоги, может производить ударные воздействия с максимальной энергией 15 Дж. Для подтверждения расчетной модели было произведено определение ударной прочности образцов различных типоразмеров при прямом и обратном ударе (табл. 4). Таблица 4 Экспериментальные данные ударной прочности образцов Марка образца лакокрасочного покрытия Наружный диаметр образца (D), мм × толщина стенки, мм Сплошность после прямого удара при энергии удара 15 Дж (определялась из расчета 5 кВ/мм) Сплошность после обратного удара при энергии удара 15 Дж (определялась из расчета 5 кВ/мм) Фактическая ударная прочность при прямом ударе, Дж ТРЭПП-ТР 259 × 8 Несплошное Сплошное 9 ТРЭПП-ТР 114 × 8 Сплошное Сплошное 15 ТРЭПП-ТР 159 × 6 Сплошное Сплошное 15 ТРЭПП-ТР -90 259 × 8 Несплошное Сплошное 12 П-ЭП-585 325 × 6 Сплошное Сплошное 15 П-ЭП-585 426 × 8 Сплошное Сплошное 15 П-ЭП-585 219 × 8 Несплошное Сплошное 12 Аргоф 73 × 5,5 Несплошное Сплошное 3 Алмаз 73 × 5,5 Несплошное Сплошное 3 Major Pack MPLAG 14 73 × 5,5 Несплошное Сплошное 12 Major Pack MPAG 58 73 × 5,5 Несплошное Сплошное 6 Major Pack MPAG 96 73 × 5,5 Несплошное Сплошное 9 Poly-Plex-P 73 × 5,5 Несплошное Сплошное 3 Из полученных результатов видно, что расчетные данные хорошо согласуются с экспериментом. У девяти из тринадцати покрытий при воздействии бойка копра непосредственно на покрытие происходило его разрушение, которое фиксировалось при помощи электроискрового дефектоскопа с испытательным напряжением 5 кВ/мм по стандарту ASTM G62. Определить фактическое соотношение ударной прочности при прямом и обратном ударе не представлялось возможным, поскольку максимальная энергия копра составляет 15 Дж, однако для типоразмера 73 × 5,5 мм она более 15. Подводя итог проделанной работы, можно сделать следующие практически значимые выводы: - данные, полученные расчетным методом, соответствуют результатам, полученным экспериментальным путем; - значения напряжений, полученные методом компьютерного моделирования обратного удара, ниже, чем при прямом (в некоторых случаях на порядок). Причем с увеличением толщины стенки и уменьшением диаметра разница возрастает. Данный факт свидетельствует о большей информативности метода прямого удара, значения которого не зависят от диаметра и толщины стенки трубы; - метод обратного удара моделирует реальное ударное воздействие, возможное в процессе хранения, транспортировки и СМР, но, как показывает практика, отбраковки по данному показателю не происходит. В свою очередь, метод прямого удара косвенно характеризует целый ряд параметров покрытия (например степень отверждения полимерной основы, эластичность покрытия, адгезию и др.), что позволяет в ходе приемо-сдаточных испытаний на заводе-изготовителе проводить экспресс-отбраковку изделий для последующих детальных исследований.

About the authors

Pavel E Yudin

Samara State Technical University

Email: yudin@npcsamara.ru
Postgraduate Student 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100

Alexander A Akulinin

LTD «Research and Production Center» Samara»

Email: office@npcsamara.ru
Lead Engineer В letter, 3, Garage passage, Samara, 443022

References

Supplementary files