В течение длительного времени полагали, что потеря сплошности материала (разрыв или скол) наступает тогда, когда напряжение достигает некоторого критического значения, и что при меньших напряжениях разрушения не происходит.

В настоящее время установлено, что представление о критическом характере процесса разрушения является неверным, так как все материалы при длительном воздействии внешних сил разрушаются при напряжениях, величина которых значительно меньше, чем при быстром воздействии силы. Это означает, что величина сопротивления разрыву зависит от времени действия силы. Время от момента приложения силы до момента разрыва называется долговечностью материала [1].

 Рис. 1. Испытательный стенд компании Hoechst AG

Дальнейшее развитие этого метода привело к созданию Международного Стандарта ИСО 9080 «Пластмассовые трубы и трубопроводы – Определение длительной гидростатической прочности термопластичных материалов в форме труб путем экстраполяции» [2].

В соответствии с указанным стандартом образцы труб при различных температурах нагружают внутренним давлением с фиксацией возникающего напряжения и времени до их разрушения. Стандарт устанавливает требования к количеству испытываемых образцов, предельным значениям температур испытания, диапазонам напряжений и распределению получаемых времен разрушения образцов. При этом максимальное время разрушения хотя бы одного образца должно превышать 9000 часов для каждой температуры испытания. Стандартом предписан способ статистической обработки данных и правила их экстраполяции на требуемый срок службы.

1) уравнения длительной прочности вида

                                  lg t = C₁ +C₂/T + C₃ (lg σ) + C₄(lg σ)/T,             (1)

где t – время разрушения, ч;

Т – температура, °К;

σ – кольцевое напряжение, МПа;

С₁ – С₄ – коэффициенты уравнения;

3) нижний доверительный предел длительной гидростатической прочности σ_LPL = σ_(T,t,0,975) с 97,5 % уровнем вероятности при заданной температуре Т и времени экстраполяции t.

 Рис. 2. Результаты испытаний полиэтилена марки CRP 100

Классификация по MRS осуществляется по стандарту ИСО 12162:1995 [3]. Пример классификации показан в табл. 1, являющейся выдержкой из указанного стандарта.

Таблица 1

 

                                                       2 МРС

                                          МОР = ---------------,          (2)

                                                       (SDR-1)·C

где SDR – стандартизованное отношение размеров труб (наружного диаметра к толщине стенки);

С – коэффициент запаса прочности, зависящий от типа полимера и назначения трубопровода (например, для водопроводов из полиэтиленовых труб С = 1,25, а для газопроводов С ≥ 2,0).

Рассмотренный показатель длительной прочности является первоочередной характеристикой трубных марок полимеров и в том числе полиэтилена. На его основе производится расчет рабочего давления трубопроводов. Установленные контрольные режимы испытания на стойкость к внутреннему давлению, предусмотренные в нормативной документации [5, 6] и [7, 8] на изготавливаемые трубы, также основаны на уравнениях длительной прочности. Однако помимо указанных требований по стойкости к внутреннему давлению трубы из полиэтилена, в первую очередь, трубы для газопроводов, контролируются по ряду дополнительных показателей, зависящих в значительной степени от свойств использованного полиэтилена. К ним относятся:

● стойкость к медленному распространению трещин, характеризующая стойкость полиэтилена к растрескиванию под воздействием напряжения и способность труб противостоять концентрации напряжений, возникающих, например, при местных сосредоточенных деформациях стенок трубы. Такие требования и методы испытания предусмотрены в стандартах [5 – 10].

Для проведения этих испытаний на трубном образце наносится четыре надреза глубиной, составляющей около 20 % от толщины стенки (рис. 3). Подготовленный таким образом образец трубы подвергается испытанию внутренним давлением при температуре 80 °С в течение заданного контрольного времени.

Рис. 3. Схема испытания на стойкость к медленному распространению трешин: D – наружный диаметртрубы; е – толщина стенки трубы; е_ост – остаточная толщина стенки трубы; J – длина надреза; L – свободная длина образца поГОСТИ 24157; b – ширина надреза; І – двусторонняя фреза с зубьями под углом 60°

● стойкость к быстрому распространению трещин для труб, главным образом, работающих под давлением газообразных сред. Определение этого показателя предусмотрено стандартами [6, 8,12]. Испытание проводится на установке, схема которой показана на рис. 4. В охлажденный до 0 °С образец подается испытательное давление, и по нему наносится удар бойком, проникающим на всю толщину стенки трубы и инициирующим образование продольной трещины. За результат испытания – критическое давление Р_С – принимается максимальное давление, при котором трещина не распространяется на длину более 4,7 наружных диаметров трубы.

Рис. 4. Схема испытаний на стойкость к быстрому распространению трещин:

 a – зона инициирования; b – зона измерения > 5d_n;

1 – кольца наружной обоймы; 2 – наковальня; 3 – несущий стержень;
4 – декомпрессионные перегородки; 5 – заглушки; 6 – боек; 7 – испытуемый образец

Таблица 2

Таблица 3

Мы надеемся, что представленная информация поможет производителям труб технически правильно, с точки зрения надежности эксплуатационных свойств трубопроводов, подходить к выбору марок полиэтилена, в первую очередь, для труб больших диаметров, предназначенных для эксплуатации при высоких давлениях и для ответственных применений.

Авторы: Мирон Гориловский, Игорь Гвоздев

Библиография

1. Тагер А.А. Физико-химия полимеров. – М.: Госхимиздат, 1963.

2.  ISO 9080:2003 – Plastic piping and ducting systems – Determination of the long-term hydrostatic strength of thermoplastics materials in pipe form by extrapolation.

3.  ISO 12162:1995 – Thermoplastics materials for pipes and fittings for pressure application – Classification and designation – Overall service (design) coefficient.

4. ISO 13760:1998 – Plastics pipes for conveyance of fluids under pressure – Miner’s rule- Calculation method for cumulative damage.

5. ДСТУ Б В.2.7-151-2009. Трубы полиэтиленовые для подачи холодной воды.

6. ДСТУ Б В.2.7-73-1998. Трубы полиэтиленовые для подачи горючих газов.

7.  ISO 4427 – Polyethylene (PE) pipes and fittings for water supply.

8. ISO 4437 – Buried polyethylene (PE) pipes for supply of gaseous fuels.

9. ISO 13479 – Determination of resistance to crack propagation – Test method for slow growth on notched pipes (notch test).

10. ISO 13480 – Resistance to slow crack growth – Cone test method.

11.  ISO 13477 – Determination of resistance to crack propagation (RCP) – Small-scale steady test (S4 test).