Содержание к диссертации
стр.
Введение 9
Глава 1. Основные аспекты проблемы хладостойкости пластмассовых
труб, предназначенных для транспортировки нефти и газа 11
Актуальность работы 11
Холодный климат и основные причины возникновения проблемы хладостойкости пластмассовых трубопроводов 13
Терминология и стандартизация 15
Фундаментальные и практические основы исследований 17
Цель и задачи диссертации 25
Основное содержание работы 27
Связь работы с научными программами и проектами 31
Глава 2. Объекты и методы исследований 33
Методика исследования хладостойкости 33
Испытательные установки, приспособления и программные средства „ 37
Устройства измерения температур : 37
Установка двухосная низких давлений (УДОНД) 38
Установка внутренних давлений (УВД-40) 42
Оборудование для исследования трубопроводов подземного заложения 44
Разработка зондов для комплексного исследования перемещений газопровода 44
Конструкция реперной точки 45
Разработка аппаратуры для автоматизированной
регистрации температур 46
2.2.4.4. Методика измерительных работ 47
Приспособление для исследования микроразрушений трубопроводов в полевых условиях 48
Приспособление для исследования труб в атмосферных условиях.. .49
Статистическая обработка опытных данных, разработанные и использованные программные средства 50
2.3. Объекты экспериментальных исследований 58
Линейные и бимодальные полиэтилены 58
Перспективные сшитые полиэтилены ПЭХ 60
2.3.2.1. Технология и свойства поперечносшитого полиэтилена
РЕХЬ 61
2.3.2.2. Химические аспекты и сравнительная характеристика
Изопласта 61
Стеклопластики и органопластики 63
Бипластмассовые трубы 64
2.4. Методы механических испытаний полиэтиленов 66
^ 2.4.1. Натурные испытания полиэтиленовых труб 66
2.4.1.1. ПЭ трубопроводы подземного заложения 66
2АЛ.2. ПЭ трубопроводы в атмосферных условиях 66
2.4.2. Растяжение ПЭ труб и образцов из них 67
Осевое растяжение трубчатых образцов из ПЭ 67
Двухосное растяжение трубчатых образцов из ПЭ 67
Растяжение вырубленных образцов из ПЭ труб 68
Специфические методы исследования ПЭ труб 68
Длительные испытания вырубленных образцов при
постоянной нагрузке 68
2.4.3. Внутреннее давление ПЭ труб 70
Испытание при рабочих давлениях до 0,6 МПа 70
Испытание при повышенных давлениях 70
Стойкость при низких климатических температурах
трубчатых образцов под внутренним давлением 71
2.4.4. Методы определения хрупкости, твердости, трещиностоикости
и вязкости разрушения материалов ПЭ труб 72
Температура хрупкости 72
Твердость материалов 73
Оценка трещиностоикости 73
Ударная вязкость 74
2.5. Методика определения допустимых температурных режимов
хранения, транспортировки и монтажа пластмассовых труб 74
Хранение пластмассовых труб 74
Транспортные и монтажные ограничения 74
2.6. Методы механических испытаний стеклопластиков 77
2.6.1. Натурные испытания стеклопластиковых труб 80
СП трубопроводы подземного заложения 80
СП трубопроводы в атмосферных условиях 82
2.6.2. Растяжение СП труб и образцов из них 83
Влияние структурно-технологических параметров 83
Влияние масштабного фактора 87
Растяжение кольцевых образцов 87
Изгиб сегментов и полосок 88
Нестандартизированные методы испытаний СП 89
Несимметричный изгиб 90
Растяжение и сжатие слоистых образцов
с несимметричными вырезами 90
2.6.4.3. Специфические методы испытаний из вырезанных
колец СП труб 90
2.6.4.4. Испытание внутренним давлением СП труб 91
ГШ 2.7. Методы испытаний бипластмассовых труб 91
2.7.1. Механические испытания вырезанного кольца 92
2.8. Методы физических и структурных исследований 93
Акустическая эмиссия 93
Метод вынужденных резонансных колебаний 93
Механо-динамическая спектроскопия 94
Поляризационная оптика 95
Рентгеноструктурный анализ 95
Дилатометрия 96
Сорбционный метод 96
Выводы к главе 2 98
Глава 3. Трубные полиэтилены 100
3.1. Деформируемость полиэтиленовых труб из ПЭ80 при осевом
нагружении, включая вариант наличия внутреннего давления 100
Анализ результатов при температурах выше -20С 100
Эксперименты при температуре -40С 103
Упругая деформация при температуре-60С 104
Вязкоупругая деформация при температуре-60С 104
Остаточная деформация при температуре-60С 105
3.2. Упруго-прочностные свойства материалов ПЭ100 при
растяжении 107
3.2.1. Сравнительный анализ результатов низкотемпературных
испытаний материалов ПЭ80 и ПЭ100 107
Анализ концепции экстраполяции термомеханической кривой в области низких температур 109
Поведение трубчатых образцов из ПЭ80 и ПЭ100 при нагружении повышенным внутренним давлением 115
Испытания при нормальной температуре 115
Испытания при отрицательных температурах 117
Анализ полученных результатов 117
Внутреннее давление образцов со сварными
соединениями 119
3.4.5. Смена моды разрушения бимодальных полиэтиленов 124
Воздействие внутреннего давления ниже температуры -40С 124
Искусственный дефект 126
Смешанный вид разрушения при низких температурах 127
3.4.6. Трещиностойкость бимодальных полиэтиленов 130
Вязкость разрушения 130
Температура хрупкости 130
Коэффициент интенсивность напряжений 132
3.5. Работоспособность сварных соединений 134
3.5.1. Механические свойства сварных соединений 136
Влияние температуры окружающей среды на формирование сварного соединения 137
Анализ особенностей стыковой сварки 140
Образцы со сплошным швом 146
Муфтовые соединения закладными нагревательными
элементами ....Л 48
3.6. Поведение полиэтиленового трубопровода в атмосферных
условиях 149
3.6.1. Температурные перемещения труб в диапазоне низких
климатических температур 150
3.6.1.1. Анализ результатов испытаний 151
3.6.2. Осевые температурные напряжения 155
Натурные испытания в закрытом ангаре 156
Натурные испытания в атмосферных условиях 157
Обсуждение результатов 157
Температурное последействие при нагреве 158
3.7. Низкотемпературные свойства сшитого полиэтилена ПЭХ 160
3.7.1. Анализ результатов низкотемпературных испытаний 160
3.8. Структурные исследования 162
Дилатометрия и термомеханический анализ 163
Рентгеноструктурный анализ 168
Определение степени кристалличности 168
Дефектный сварной шов 170
Термоциклирование 173
Анализ рефлексов в области больших углов отражения 176
3.8.3. Динамо-механическая спектроскопия 180
Вынужденные резонансные колебания 180
Свободные крутильные колебания 182
3.9. Обсуждение и интерпретация результатов структурных
исследований 185
3.9.1. Эффекты при низких температурах 185
3.9.1.1. Низкотемпературная глобализация надмолекулярных
структур 185
3.9.1.2. Природа поворота или сдвига мезоморфоз и
деформационный эффект при снижении температуры 189
3.9.2. Эффекты при положительных температурах 193
Температурные деформации при нагреве 193
Термомеханические эффекты в сварных соединениях 195
3.9.3. Влияние низких температур на структурные изменения
зоны сварного соединения 200
Выводы к главе 3 203
Глава 4. Намоточные композитные трубы 207
4.1. Поведение намоточных труб при осевом нагружении 207
4.1.1. Особенности деформирования и разрушения намоточных
стеклопластиков и органопластиков при нормальной и
отрицательной температуре 209
Стеклопластики, влияние угла намотки 209
Влияние коэффициента армирования 211
Органопластики, влияние структуры армирующего волокна 213
Особенности деформирования и разрушения при
температуре -60С 217
4.2. Моделирование деформирования и разрушения перекрестно
армированных стеклопластиковых труб при осевом растяжении 220
Деформирование стеклопластиковой оболочки до предельного состояния матрицы 220
Оценка влияния моментных эффектов на упругие характеристики композита 222
Учет нелинейно-упругого деформирования 223
Моделирование прогрессирующего разрушения
связующего 226
4.3. Сравнение теоретических и экспериментальных результатов
деформирования и разрушения стеклопластиковых труб 229
4.3.1. Описание деформирования композита до предельного
состояния матрицы . 229
4.3.2. Описание прогрессирующего разрушения композита 233
Выводы к главе 4 235
Глава 5. Поведение композитов в условиях низких климатических
температур 237
5.1. Влияние низких температур на механические свойства компонентов
волокнистого композита 237
5.1.1. Влияние на связующее композитов 238
Влияние на армирующие волокна 241
Влияние на границу раздела 241
5.2. Механические свойства стекло- и органопластиков пластиков
при низких температурах 243
Растяжение 246
Межслойный сдвиг 249
Изгиб 254
Предел монолитности 257
5.3. Низкотемпературная смена моды разрушения 260
Макродеформационные эффекты 262
Проявление в прочностных показателях эффекта низкотемпературной локализации деформаций 265
Анализ напряжений при низкотемпературной смене моды разрушения .". 267
Влияние влаги и низких температур 271
5.7.1. Влияние влаги на физические и механические свойства
композитов 271
5.7.1.1. Влияние величины водопоглощения на низкотемпературную
прочность стеклопластиков 275
5.7.2. Влияние знакопеременных температур 276
5.7.2.1. Влияние термоциклирование на увлажненные образцы под
нагрузкой 280
5.8. Релаксационные явления при низких температурах 282
5.8.1. Релаксация напряжений 283
5.9. Структурные исследования 284
5.9.1. Анализ результатов на основе мезоуровневого представления
структур 286
5.10. Общие закономерности, определяющие работоспособность
намоточных композитов при низких климатических
температурах 291
Выводы к главе 5 292
Глава 6. Бипластмассовые трубы 295
Особенности технологии изготовления 297
Границы раздела термопласт - реактопласт 301
Ударные испытания 309
6.3.1. Прочность намоточного слоя после предварительного ударного
воздействия 312
6.4. Внутреннее давление 317
6.4.1. Трансверсальные свойства стеклопластикового слоя 319
6.5. Оценка соединений бипластмассовых труб со стальными 327
6.6. Обзор результатов практического внедрения
бипластмассовых труб 334
Выводы к главе 6 335
Глава 7. Опытно-промышленные испытания пластмассовых
трубопроводов в натурных условиях 336
7.1. Мониторинг подземного газопровода из полиэтилена ПЭ80 336
7.1.1. Анализ результатов по исследованию опытно-промышленного
газопровода 336
Характеристики грунтов в местах контрольных точек 336
Замеры температур 337
Вертикальные перемещения 338
Осевые перемещения 342
Анализ воздействия на газопровод сил морозного пучения 343
Консольный изгиб труб из ПЭ80 345
Взаимодействие труб с грунтами 346
7.2. Разработка и испытание крупногабаритного стеклопластикового
водопропускного трубопровода 348
Монтаж водопропускной трубы на участке заложения 349
Анализ результатов 349
Вертикальные и горизонтальные деформации 350
Микроскопические исследования 351
Оценка хладостойкости материала 352
Выводы к главе 7 357
Заключение 359
Список литературы 362
Приложения 395
Введение к работе
В диссертации изложены основные положения и результаты по исследованию проблемы хладостойкости пластмассовых труб, изготовленных на основе термопластов с гарантированной долговечностью и намоточных композитов, имеющих высокую конструкционную прочность и надежность.
Работа состоит из 7 глав, основное содержание изложено в 6 главах. Их структурная взаимосвязь приведена на рис.1.
Вводная часть работы, содержащая сведения о проблеме хладостойкости пластмасс, об актуальности работы, о характеристике холодного климата, используемая терминология и стандарты, основы, цели и задачи исследований, связь работы с научными программами и проектами, а также краткое содержание работы приведены в первой главе. Во второй главе на основе поставленных задач рассматриваются методика, объекты и методы исследований. Как видно из рис.1, из-за сложности объекта исследований 4 главы — намоточных композитных труб, изложение результатов при низких температурах выделено в отдельную 5 главу. 6 глава является логическим продолжением 3 и 4 глав, в которой рассматривается бипластмассовая труба, как интеграция полиэтилена и стеклопластика. 7 глава посвящена результатам опытно-промышленных испытаний и мониторинга трубопроводов, рассмотренных в главах 3 и 4.
„.„
ПРОБЛЕМА X НАДО СЮ И КОСТИ ПЛАСТМАССОВЫХ ТРУБ
