Определение механических характеристик полимерных материалов, входящих в конструкцию гибкой полимерно-металлической трубы

Полный текст

Вопросам повышения коррозионной устойчивости промысловых трубопроводов, а также уменьшения времени на строительство выкидных линий полностью отвечают гибкие полимерно-металлические трубы (ГПМТ), выпускаемые рядом российских заводов. Их основной особенностью является то, что поверхности контакта труба/продукт и труба/грунт выполнены из полиэтилена. Рассматриваемая в работе конструкция [1] ГПМТ представлена на рис. 1. Для изготовления ГПМТ [2] используются пять материалов: - ПНД (полиэтилен низкого давления); - ПВД (полиэтилен высокого давления); - ПВХ (поливинилхлорид); - ПП (полипропилен); - сталь конструкционная пружинно-рессорная. Для проведения прочностных расчетов и моделирования ГПМТ необходимо знать механические характеристики составляющих трубу материалов и их диаграммы прочности, которые неизвестны. Рис. 1. Конструкция ГПМТ: 1 - внутренний слой ПНД; 2 - стальной проволочный бандаж (d=3 мм); 3 - ленты ПВХ (внутренняя и внешняя); 4 - слои повивов из ПП шпагата (d=4мм) (внутренний и внешний); 5 - внешний слой ПВД Применяемая в конструкции стальная проволока проволочного бандажа [3] выполняется из конструкционных сталей марок Сталь 55, 60, 65, ее механические характеристики указаны в ГОСТ [4]. Механические свойства полимерных материалов могут варьироваться в широких пределах. Важным вопросом является характер зависимостей нагрузка/деформация для них. Исследования ПВД не проводились, так как его свойства сопоставимы со свойствами ПНД, а изготовленная из ПВД внешняя камера не участвует в процессе восприятия радиальных и осевых нагрузок. Были определены свойства полипропиленового шпагата диаметром 4 мм, используемого для изготовления грузонесущих элементов ГПМТ. На базе кафедры «Механика» СамГТУ были проведены испытания на разрывной машине, в рамках которых было исследовано 10 образцов шпагатов с длиной рабочей части 75 мм. Для обеспечения закрепления в зажимах разрывной машины концы шпагата были закреплены в цилиндры длиной 40 мм из алюминиевой трубки диаметром 9 мм, после чего залиты эпоксидной смолой. В экспериментах на разрывной машине Instron 5988, рекомендованной для подобных испытаний [5], определялись как предел прочности и текучести шпагата, так и влияние его скручивания на прочностные характеристики. Скорость растяжения была постоянной и составила 50 мм/мин [6]. Графики зависимости нагрузки от абсолютного и относительного удлинения представлены на рис. 2 (здесь и далее в целях наглядности графики смещены по оси абсцисс). Рис. 2. Графики зависимости нагрузки от относительного и абсолютного удлинений для нескрученных образцов ПП Результаты испытаний представлены в табл. 1. Таблица 1 Основные результаты исследования механических свойств нескрученных образцов ПП № образца σв, МПа σ0,2, МПа Отн. деформация при разрушении, % Модуль Юнга, МПа 1 77,04 74,78 7,78 1303,22 2 76,71 74,09 7,45 1571,90 3 69,73 62,90 6,80 1267,13 4 75,07 69,37 7,56 1376,46 5 70,46 65,81 7,46 1292,54 Минимум 69,73 62,90 6,80 1276,13 Максимум 77,04 74,78 7,78 1571,90 Среднее 73,80 69,39 7,41 1362,25 Аналогичные данные для пяти предварительно скрученных образцов представлены на рис. 3 и в табл. 2. Рис. 3. Графики зависимости нагрузки от относительного и абсолютного удлинений для скрученных образцов ПП Таблица 2 Основные результаты исследования механических свойств скрученных образцов ПП № образца σв, МПа σ0,2, МПа Отн. деформация при разрушении, % Модуль Юнга, МПа 1 77,22 75,04 9,08 1075,37 2 52,61 48,75 7,78 866,45 3 59,10 53,84 7,79 888,87 4 66,22 59,91 7,47 974,88 5 66,87 64,21 8,65 868,93 Минимум 52,61 53,84 7,47 866,45 Максимум 72,22 75,04 9,08 1075,37 Среднее 63,41 60,35 8,15 934,90 Также были проведены прочностные испытания полиэтилена низкого давления и поливинилхлоридной ленты, из которой выполнены гидроизолирующие слои. Образцы ПНД были изготовлены из применяемого материала при изготовлении ГПМТ Dу 100 мм (толщина стенки внутренней камеры 10 мм). Ширина изготовленных образцов из ПНД составила 2,5 мм, длина - 180 мм (из которых рабочая часть 100 мм). Образцы ПВХ изготавливались из полученной от завода-изготовителя пленки толщиной 0,8 мм, длина образцов 250 мм (длина рабочей части 150 мм), ширина - 25 мм. В целях предотвращения выскальзывания и обрезки краями зажима ленты на части образца, предназначенные для фиксации в зажимах разрывной машины, была наклеена бумага. Режим растяжения ПНД был аналогичен предыдущему эксперименту с ПП шпагатами и составил 50 мм/мин, а для ПВХ - 25 мм/мин. На рис. 4 и 5 изображены графики зависимости нагрузки и напряжения от относительного и абсолютного удлинения. Рис. 4. Графики зависимости нагрузки и напряжения в образцах ПНД от удлинения Рис. 5. Графики зависимости нагрузки и напряжения в образцах ПНД от удлинения Результаты испытания образцов ПНД и ПВХ представлены в табл. 3 и 4. Таблица 3 Основные результаты исследования механических свойств образцов ПНД № образца σв, МПа σ0,2, МПа Отн. деформация при разрушении, % Модуль Юнга, МПа 1 24,40 24,39 17,58 1069,16 2 23,32 23,27 15,50 1037,76 3 23,07 22,88 17,33 898,32 4 23,44 23,43 17,25 1022,23 5 21,08 21,06 15,36 929,75 Минимум 21,08 21,06 15,36 898,32 Максимум 24,40 24,39 17,58 1069,16 Среднее 23,06 23,02 16,60 991,44 Таблица 4 Основные результаты исследования механических свойств образцов ПВХ № образца σв, МПа σ0,2, МПа Отн. деформация при разрушении, % Модуль Юнга, МПа 1 9,80 9,67 49,12 36,28 2 13,38 13,27 100,17 32,12 3 13,55 13,54 99,05 33,47 4 11,08 9,98 55,41 40,32 5 13,55 13,53 97,22 36,60 Минимум 9,80 9,67 49,12 32,12 Максимум 13,55 13,54 100,17 40,32 Среднее 12,27 11,99 80,19 35,76 В результате проведенных экспериментов были определены такие средние, минимальные и максимальные механические характеристики полимерных компонентов ГПМТ, как предел прочности, условный предел текучести, модуль упругости, а также получены графики деформации материалов. Результаты эксперимента не противоречат указанным в нормативной документации значениям мехсвойств [7, 8, 9]. Полученные данные позволят не только модернизировать прочностные расчеты ГПМТ, но и проводить компьютерное моделирование как ГПМТ в целом, так и ее фрагментов, в том числе с деформациями по мультилинейным законам.

Об авторах

Александр Александрович Синюгин

Самарский государственный технический университет

ассистент кафедры «Машины и оборудование нефтегазовых и химических производств» Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Владимир Борисович Опарин

Самарский государственный технический университет

(д.ф.-м.н., проф.), профессор кафедры «Машины и оборудование нефтегазовых и химических производств» Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Марина Владимировна Петровская

Самарский государственный технический университет

(к.ф.-м.н.), доцент кафедры «Машины и оборудование нефтегазовых и химических производств» Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Список литературы

Дополнительные файлы