Єдина Країна! Единая Страна!
Полипластик
RU   UA
     
Забули пароль? -->
Вхід         Реєстрація
Прайс-листи Акції Продукція Документація Філіали Про нас

Популярні статті

Полімерні газопроводи служать довго

21 Липня 2009г.
Результати дослідження складу і структури труби ПЕВП після 38 років експлуатації 

Предметом дослідження були відрізки труби чорного кольору від газопроводу, що йде до піонерського табору «Чайка» Радянського району Саратовської області. Газопровід побудований в 1969 році, зразки витягнуті 7 травня 2007 представниками «СаратовзасібНІІпроект-2000». 
Для дослідження представлені два об'єкти: 
1. Відрізок труби. 
2. Відрізок елемента труби в місці зварювального з'єднання. 

Підготовка зразків 

За допомогою мікротому готували зрізи із зовнішньої й внутрішньої поверхні труб. Для отримання проби із середньої зони труби висвердлювали внутрішній шар. 

Методом диференціальної скануючої калориметрії (ДСК) на калориметрі Perkin Elmer Pyris 6 DSC досліджували такі параметри: 

1. Індукційний період окислення труби (ДСТУ Б В.2.7-73-98). Метод полягає в оцінці поглинання кисню (зміні теплового потоку) як функції часу в середовищі кисню в ізотермічних умовах (200 ° С). Зваженний зразок (зріз з труби в кількості не менше 15 мг) поміщається в піч і нагрівається зі швидкістю 20 град / хв в потоці азоту до температури 200 ° С, потім газоносій перемикається на кисень, і цей момент фіксується як «початок експерименту» . Інтервал часу до початку екзотермічного піку є «індукційним періодом окислення» (ІПО). 

2. Температури плавлення і кристалізації і ступінь кристалічності оцінювали при динамічному нагріванні і охолодженні зразка зі швидкістю 20 град / хв в потоці азоту. Ступінь кристалічності розраховували з ентальпії плавлення, приймаючи, що ПЕ з 100% ступенем кристалічності характеризується ентальпією плавлення 293 Дж / м. 

3. Швидкість кристалізації оцінювали за ізотерми кристалізації, яку фіксували при температурі 120 ° С в потоці азоту.


Изображение
Изображение

За допомогою системи у варіанті «on-line ТГА-Фур'є-ІКС» з обігрівною газовою кюветою досліджували термостабільність і склад летких продуктів зразків труби. 

В якості термоаналізатору використані термоваги Piris Diamond TGA / DTA фірми Perkin Elmer, в якості аналізатора летючих продуктів - Фур'є-ІЧ-спектрометр Thermo Electron Avatar 370, оснащений обігрівною газовою кюветою Smart Performer, яка під'єднується до ТГА обігрівної лінії. 

Аналіз проводили в потоці аргону, швидкість нагріву 10 град / хв в інтервалі температур 20-900 ° С, температура сполучної лінії 200 ° С, температура кювети 250 ° С. 

Ідентифікацію складу летких продуктів проводили за допомогою банку даних ІЧ-спектра приладу Avatar 370. 

Методом високотемпературної ЦПХ (гель-проникаючої хроматографії) досліджували молекулярно-масовий розподіл зразків труб. 

Вимірювання проводили на високотемпературному рідинному хроматографі Waters 150C з рефрактометричним детектором при 140 ° С, колонці Styragel HT 6E 300х7, 8 мм, як елюент використовували 1,2,4 трихлорбензол. 

Результати 

У табл. 1 наведені результати ДСК-аналізу. Ізотерми кристалізації наведено на рис. 1. 
Пошарове дослідження теплофізичних параметрів і термостабільності двох зразків труби показало, що: 

1) у внутрішньому шарі окислення відбувається практично відразу при подачі в систему кисню - індукційний період (ІПО) відсутній, проміжний і зовнішній шари характеризуються ІПО близько 5 хв.; 
2) внутрішні шари також характеризуються дещо меншим значенням ентальпії плавлення і, отже, ступенем кристалічності; 
3) кінетика і швидкості кристалізації внутрішнього і зовнішнього шарів досліджених труб близькі; відмічено незначну відмінність - уповільнення швидкості кристалізації в проміжному шарі труби.


Изображение

Изображение
Отримані результати цілком логічні - антиоксиданти можуть вимиватись з внутрішніх шарів ПЕ труб природним газом, викликаючи втрату термостабільності, рекристалізацію та інші процеси старіння полімерного матеріалу. 

Досліджені зразки труб за структурою і складом ідентичні, тому подальші дослідження проводили на одному зразку труби. 

Методом високотемпературної ЦПХ досліджували молекулярно-масові характеристики труби. Окремо досліджували ММР зовнішнього, внутрішнього і середнього шарів. 

Для порівняння в табл. 2 наведено дані оцінки ММР ПЕ 80, не підданих старінню чи експлуатації. Експериментальні результати показали, що поверхневі шари (внутрішній або зовнішній) і проміжний (середній по товщині) шар труби розрізняються за молекулярною масою майже в 2 рази. Тут може бути як мінімум дві причини: віджимання низькомолекулярної фракції на поверхню в процесі виготовлення труби і процесі старіння, включаючи і фізичні (кристалізаційні процеси, зміна морфології і т.п.), і хімічні - деструкційні зміни в результаті витрачання антиоксиданту, що цілком узгоджується з різницею в величинах ІПО шарів труби.

 


З наведених даних видно, що найбільш близьким до вихідного зразка за молекулярною масою є середній шар. 

Для аналізу летких газоподібних продуктів використовували систему «on-line ТГА-Фур'є-ІКС» з обігрівною газовою кюветою. 

Для порівняння провели аналогічний експеримент із зразком труби ПЕ 80, виготовленої в 2007 р. На рис. 3 наведені оригінальні результати дослідження зрізу труби після кондиціонування. При дослідженні зразка свіжого зрізу і ПЕ 80 принцип аналізу і методичний підхід не змінювались. Основна різниця була в складі летких продуктів. 

У табл. 3 наведено зведені дані аналізу складу летючих в трьох досліджених зразках ПЕ. 

Склад летких продуктів при різних температурах різний. На ранніх стадіях нагрівання (до температур інтенсивної деструкції - 500 ° С і вище) спостерігається деяке розходження у складі летких продуктів і кондиціонованого зразка, і свіжого зрізу труби. Насамперед, це наявність сірковмісних похідних у свіжому зрізі. Меркаптани традиційно додають в природний газ для надання йому характерного запаху. При експлуатації газ дифундує в ПЕ і, як показало дослідження, зберігається в товстому шарі зразка досить тривалий час. Основними летючими продуктами при деструкції досліджених зразків, включаючи трубу 2007 випуску, є аліфатичні граничні і ненасичені вуглеводні з різною довжиною метиленового ланцюгу, циклічні вуглеводні. Важливо відзначити, що в трубі після 38 років експлуатації вдалося ідентифікувати антиоксидант - стерично ускладнений фосфіт. Це класичний вторинний антиоксидант, механізм дії якого спрямований саме на гальмування вторинних процесів старіння.
Изображение


Изображение
Изображение

Зазвичай цей домішок додаєиться до суміші з первинним фенольним антиоксидантом. Фенольний антиоксидант в даному зразку нам знайти не вдалося, ймовірно, він був повністю витрачений (або «вимитий» природним газом) у процесі експлуатації виробу. При аналізі летких продуктів труби з ПЕ 80, крім продуктів деструкції самого ПЕ (осколків макромолекул), виявлена система стабілізації, що представляє собою типову суміш стерично ускладненого фенолу і фосфіту. 

Проведені дослідження складу і структури труби ПЕВП після 38 років експлуатації показали, що матеріал зберіг певну термоокислювальну стабільність, що практично прямо пов'язане з неповним витраченням антиоксиданту.


Изображение

Механічні характеристики оцінювали шляхом розтягування стандартних зразків тип 1 (по ГОСТ 11262), вирубаних з труби штанцевим ножем. Зразки вирубувались як уздовж, так і впоперек щодо осі симетрії труби. Швидкість розсування затискачів випробувальної машини становила 100 мм / хв. Граничні характеристики зразків представлені в табл. 4. 

Поведінка зразків при розтягуванні характеризується наростанням навантаження із збільшенням деформації аж до появи на зразку локального звуження (шийки), при якій припиняється ріст навантаження (межа текучості). Подальше розтягнення зразка супроводжується локалізацією процесу деформації в області шийки (відбувається її звуження) аж до поділу зразка на дві частини. При цьому навантаження на зразку плавно падає до нуля. 

Наведені в табл. 4 значення показника «відносне подовження при розриві» розраховані (згідно ГОСТ 11262) як зміна розрахункової довжини зразка, пронормованої до його початкової довжини. Враховуючи, що при випробуванні зразків газової труби шийка не поширюється по всій довжині зразка, а процес деформування і руйнування локалізован у вузькій зоні, було проведено розрахунок деформації матеріалу в цій зоні по зміні перетину зразка. Розрахунок показав, що деформація зразка в зоні шийки досягає 500%.


Изображение

Визначення щільності матеріалу труби проводилось за ГОСТ 15139 методом гідростатичного зважування фрагментів зразків. Зразки прямокутної форми розміром 10х10 мм і товщиною 3 мм вирізались з труби механічним способом так, щоб зовнішня чи внутрішня поверхня труби становила одну з відповідних поверхонь зразка. Результати вимірювання густини зразків, вирізаних з різних частин труби, показали близькі значення і становили 0,955 г / см.

 

Изображение
Показник текучості розплаву (ПТР) матеріалу труби визначали на екструзійному пластометрі при температурі розплаву 190 ° С і навантаженні 5 кгс. Матеріал для випробування представляв собою стружку, зняту різцем з труби із зовнішньої й внутрішньої її сторін на товщину 0,5 мм. Підготовку матеріалу для визначення ПТР проводили за двома режимами: 1) режим сушіння для видалення поверхневої вологи проводили при 90 ° С - 1 година, 2) режим сушіння до постійної ваги при температурі 90 ° С. Дані ПТР наведено в табл. 5. 

Необхідно відзначити, що в процесі сушіння матеріалу до постійної ваги спостерігався спад маси у вигляді газоподібних продуктів в кількості до 0,12%. Таке різке зниження ПТР матеріалу, що піддалось тривалій сушці, швидше за все, можна пояснити видаленням газоподібних продуктів, що виконують «пластифікуючу» роль (див. табл. 5, режим 1,).

 

[B] Оцінка зварювальних з'єднань. [/ B] Для оцінки міцності зварного з'єднання газопроводу був наданий фрагмент з'єднання труба-труба. Саме з'єднання виконано за типом розтрубу на одному кінці труби, всередину якого введено в гарячому стані конічний кінець іншої труби на глибину близько 50 мм. 

Випробування на розтяг зварного з'єднання проводили на зразках, для чого відрізок труби довжиною 250 мм зі зварним з'єднанням в середній частині нарізали дисковою фрезою уздовж твірної на смужки шириною 15 мм. Таким чином, схема випробувань представляла собою випробування двох смужок, зварених «внахлест». 

Візуальний аналіз зрізу площини з'єднання двох труб показав однорідність матеріалу в зоні їх з'єднання: були відсутні видимі поверхні з'єднання, розшарування, пори і інші дефекти. Однак в місці виходу внутрішнього торця труби виявлені кільцеподібні тріщини, що розходяться по радіусу на різну глибину по товщині стінки труби. 

Для випробування були відібрані зразки без видимих дефектів (тріщин, пор і т.д.). Як показали випробування на розтяг зразків, адгезійна міцність зварного з'єднання виявилась значно вище когезійної міцності матеріалу зразка, тобто всі випробувані зразки руйнувались поза зоною зварювального з'єднання. 

Деформування зразка при випробуванні починалось поблизу зони зварного з'єднання, а далі спостерігались три типи поведінки матеріалу перед руйнуванням: 

- Швидке проростання поперечної тріщини і практично крихке руйнування; 
- Досягнення матеріалом межі текучості з утворенням характерного звуження зразка (утворення шийки) і наростаючого процесу руйнування з утворенням тріщини; 
- Утворення шийки та її звуження в міру деформування (локалізація процесу в зоні шийки), що характерне для зразків, вирізаних із зони труби, віддаленої від зварного з'єднання. 

Наведені дані свідчать про те, що створення розтрубних з'єднань істотно вплинуло на структуру і властивість труби в зоні зварювання. Теплова обробка труби при її зварюванні істотно змінила структуру і властивості матеріалу труби, а перехід, що виник, розтрубного з'єднання від тонкої стінки до товстої сформував зону, в якій сталось проростання кільцевих тріщин, тому зварні розтрубні з'єднання не дозволяють забезпечити надійну експлуатацію в майбутньому. Саме тому зварювання з використанням розтрубних з'єднань зараз не застосовується в газопроводах. 

Проведені дослідження властивостей матеріалу труби дозволяють зробити висновок про те, що труба може експлуатуватись в межах розрахункового ресурсу 50 років, тому що матеріал труби зберіг здатність до пластичних деформацій, високу жорсткість і ступінь кристалічності. У середніх і зовнішніх шарах труби є достатня кількість антиоксидантів. Оскільки розрахунковий ресурс, рівний 50 рокам, з'явився в стандарті ІСО 4437 в 1983 році (перше видання), природньо, що газопроводи, прокладені 38 років тому, не були орієнтовані на 50-річний термін служби. Однак, вони практично продемонстрували тривалу працездатність в цей проміжок часу. На сучасний газопровід, розрахований на період 50 років, для того, щоб прогнозувати залишковий ресурс труб і з'єднань, необхідно розробити методи оцінки на малих зразках або беззразковим методом.



Джерело: "Полімерні труби - Україна" 

Читати також: 
Пластика газу. Труби з полімерів витісняють метал. 
Пластик і мідь: кожному своє!



Знайшли помилку? Виділіть мишкою текст, і натисніть Ctrl + Enter.
Знайшли помилку?
Виділіть мишкою текст, і натисніть Ctrl + Enter
Виділений текст
Коментар