Содержание к диссертации
Введение
1 Технология полимерных композитов и высокона-груженных соединений на их основе 16
1.1 Применение полимерных композиционных материалов 16
1.2 Технология стеклопластиков однонаправленного армирования 17
1.2.1 Факторный параметрический анализ технологии полимерных компози ционных материалов 17
1.2.2 Технологические требования к обеспечению прочности полимерного композита 18
1.3 Обеспечение прочностных характеристик полимерных композиционных материалов однонаправленного армирования 20
1.3.1 Зависимость прочности полимерных композиционных материалов от объемного армирования 20
1.3.2 Критерии прочности. Прочностные свойства стеклопластика 25
1.4 Конструктивно-технологические решения узлов соединений из полимерных композиционных материалов 27
1.4.1 Принципы конструирования соединений композит - металл 27
1.4.2 Анализ особенностей технологии изготовления изделий из стеклопластика 30
1.5 Анализ конструкции стекло пластиков ой насосной штанги 33
1.5.1 Состояние вопроса применения насосных штанг из стеклопластика 33
2 Технология получения изделий из полимерных композитов с заматываемыми узлами соединений 40
2.1 Обоснование применения и анализ технологий 40
2.2 История создания способа получения стержней 44
2.3 Морфологический анализ конструкций утяжек 45
2.4 Конструктивные схемы утяжек 47
2.4.1 Геометрия размещения рабочих элементов 47
2.4.2 Схемы передачи энергии на утяжку 49
2.4.3 Физические свойства утяжки 50
2.4.4 Практическое применение утяжек 52
2.5 Алгоритм расчета утяжек 55
2.5.1 Блок схема алгоритма 55
2.5.2 Задачи расчёта параметров утяжки 55
2.5.3 Расчёт параметров обжатия жгута как гибкой нити 57
2.5.4 Расчёт контактных давлений 60
2.5.5 Влияние скорости вращения вертлюга на обжатие жгута 63
2.5.6 Влияние центробежных сил на пружины рабочих элементов 64
2.5.7 Влияние инерционных масс рабочих элементов утяжки на обжатие ...66
2.5.8 Определение параметров отжима излишнего связующего 67
2.6 Техиолошя изготовления стеклопластаковых насосных штанг 69
3 Исследование свойств полимерных композитов 72
3.1 Прогнозирование значений механических характеристик стержней 72
3.2 Влияние температуры на прочность стержней из композитных материалов 76
3.3 Исследование стойкости композиционных материалов в агрессивных средах нефтяных месторождений 77
3.3.1 Проблемы химической стойкости стеклопласта ко и 77
33.2 Исследование снижения прочностных характеристик ПКМ после воздействия агрессивной среды 84
3.3.3 Сравнительные характеристики методов испытаний после проведения исследования полимерных композиционных материалов в среде 30% соляной кислоты 92
3.3.4 Исследование химической стойкости ПКМ на образцах микропластика 96
3.4 Коррозионные характеристики насосных штанг 99
4 Исследование конструкций стеклопластиковых насосных штанг 103
4.1 Исследование конструктивных схем стеклопластиковых насосных штанг 103
4.2 Анализ схем конструкций стеклопластиковых насосных штанг охватывающего типа 104
4.2.1 Схемы стеклопластиковых насосных штанг со стержнем, имеющим диаметральное уширение на концах 105
4.2-2 Исследования схем анкерных соединений 107
4.2.3 Схемы со стержнем постоянного диаметра 110
4.3 Анализ схем заматываемого и комбинированного типа 111
4.3.1 Физические аспекты выполнения схем соединений заматываемого типа lit
4.3.2 Адгезионная прочность соединений 112
4.4 Выбор конструктивной схемы заматываемого соединения 117
4.4.1 Исследования по выбору формы закладного элемента 117
4.4.2 Исследование влияния площади сечения стеклопластика и закрепления бандажа па характер нагружения соединения 119
4.5 Изучение роли бандажей в заматываемом соединении 120
4.5 Л Исследования по выбору формы и параметров бандажа 120
4.5.2 Исследования по выбору конструкций бандажей 122
4.6 Анализ конструктивной схемы с волнообразной формой поверхности за кладного элемента 127
4.6.1 Концепция разработки закладного элемента волнообразной формы..127
4.6.2 Конструкция стсклопластиковых насосных штанг комбинированной схемы с заматываемым закладным элементом 129
4.7 Исследования прочностных характеристик стеклоплаешковых насосных штанг 130
4.7.1 Исследование прочностных характеристик материала стсклопластико-вого стержня 130
4.7.2 Статические испытания стсклопластиковых насосных штанг 132
4.7.3 Циклические испытания стеклопластиковых насосных штат1 134
4.8 Оценка качества насосных штанг по критерию «удельная материалоём кость» 139
Основные результаты работы 143
Библиографический список использованной литературы 144
Приложения 159
- Обеспечение прочностных характеристик полимерных композиционных материалов однонаправленного армирования
- Влияние инерционных масс рабочих элементов утяжки на обжатие
- Исследование стойкости композиционных материалов в агрессивных средах нефтяных месторождений
- Анализ схем конструкций стеклопластиковых насосных штанг охватывающего типа
Введение к работе
Технология волокнистых полимерных композиционных материалов (ПКМ) в последние годы активно развивается. Это обусловлено не только потребностью в создании новых изделий с применением композитов, но и порождено появлением новых волокнистых материалов и полимерных связующих.
Наибольшие проблемы в применении ПКМ вызывает анизотропия их свойств. Поэтому конструктору важно провести анализ распределения напряжений в изделии и предложить структуру армирования, наиболее полно реализующую прочностные качества ПКМ. Технологу важно выбрать наиболее приемлемый технологический процесс для обеспечения оптимальной структуры материала. В связи с этим, качественных характеристик изделий из ПКМ можно добиться .только согласованными усилиями конструктора, технолога и материаловеда. Объемы производства ПКМ и их номенклатура с каждым годом увеличиваются. Объем мирового производства изделий из ПКМ в 2004 г. составил 12 млн. тонн, из них стеклопластиков - около 10,7 млн. тонн [1].
Одной из важнейших областей применения ПКМ является их использование в стержневых конструкциях для передачи нагрузок. В частности, это применение стеклопластиковых стержней в строительстве, в качестве арматуры железобетонных конструкций и связей для утепленных стен. Началось применение стержней из ПКМ в сооружениях Байтовых конструкций. В электроэнергетике происходит широкое внедрение стсклопластиковых стержней в подвесных и опорных полимерных изоляторах. В нефтедобыче - находят применение стержни в стеклопластиковых насосных штангах. Следует отметить разнообразие условий, в которых используются изделия из ПКМ. Так, стсклопла-стиковая арматура помещается в щелочную среду бетона, стеклопластиковые насосные штанги - в кислую, с присутствием солей и углеводородов, среду нефтяных месторождений. Всё это накладывает особые эксплуатационные
9 требования для каждого разрабатываемого изделия из ПКМ Особенности вида нагружсиия - от статического, в строительной арматуре, до циклического в насосных штангах, еще более усложняет задачу получения изделий, в полной мере отвечающих требованиям условий применения.
Важнейшей проблемой технологии при создании стержневых изделий из композиционных материалов (КМ) является получение надежных узлов соединений пластик- металл. Не смотря на важность решения многочисленных проблем механики и прочности, проектирования конструкций и технологии получения ПКМ, самой значимой проблемой остается проблема разработка конструктивно-технологических решений (КТР) соединений высокоиагруженных изделий из волокнистых КМ. Это связано с тем, что большинство разрушений конструкций из КМ происходит в зоне соединений (65-85%), хотя масса зоны стыков составляет 20-30% от массы конструкции. Вопросам комплексного изучения прочности, технологии и проектирования соединении уделяется ещё недостаточное внимание. В настоящее время практически отсутствуют работы по исследованию прочности соединений при длительном статическом и переменном нагружении. Слабо изучены ползучесть и долговечность соединений из ПКМ. Из-за недостатка опыта в различных отраслях машиностроения отсутствуют достоверные данные но влиянию условий эксплуатации па свойства КМ в зонах соединений [2]. Одной из сложнейших конструкций, с точки зрения на-гружения и условий эксплуатации, является стеклопластаковая насосная штанга (ПШС). В отличие от стержневых изделий из ПКМ, применяемых в строительстве и изоляторах, ШНС работает в сложных условиях динамических циклических наїрузок, отягощенных влиянием на стержень и узел соединения агрессивной среды нефтяной жидкости.
Штанговая насосная добыча стала применяться в США и в России, на Бакинских промыслах с начала XX века. Сейчас около 57% общего фонда добывающих С7сважип в России и странах СНГ эксплуатируются штанговыми глу-
10 бинными (ШГН) насосами [3]. В старых нефтедобывающих районах России, например, в Башкирии штанговая добыча составляет до 80 % всей добычи [4]. В Западной Европе штанговая добыча применяется на 90% всех добывающих скважин [5]. В США штанговая добыча составляет около 85% всего эксплуатируемого фонда скважин. В 1983 г. в США эксплуатировалось 450 тыс. скважин со штанговой добычей [б].
При штанговой добыче плунжерный глубинный насос, погруженный в нефтеносный слой, приводят в действие путем передачи возвратно-поступательного движения через колонну насосных штанг, соединенную с расположенным на поверхности земли станком-качалкой. Колонна насосных штапг составлена из штанг разного сечения в соответствии с действующими напряжениями и свойствами добываемой среды. Насосные штанги при эксплуатации подвержены переменным усилиям и поэтому в процессе откачки жидкости работают в условиях многоцикловой усталости. Добываемая среда, кроме углеводородов, содержит воду, соли, газы СО;, U2> S и S02 , что подвергает штаиги коррозии. Коррозия стальных штанг в несколько раз снижает циклический ресурс штанг [5,7],
Другой серьёзной трудностью в штанговой добыче является влияние кривизны скважин. На месторождениях Западной Сибири угол наклона скважины достигает 40 - 60\ Средняя кривизна ствола скважин составляет 27 [3]. Это увеличивает нагрузки на колонну штанг, снижая межремонтный период. Проблемой в штанговой добыче являются псскопроявление и отложение асфальто -парафиновых и солевых отложений (АСПО). Обводнённость нефтяных скважин приводит к повышенному отложению солей. Например, в эксплуатационных скважинах в колоннах насосно-комлрессорных труб (НКТ) накапливаются гипсовые пробки мощностью до 500 м, а производительность скважин за десятидневный период может падать со 120 до 5 тв сутки. В Западной Сибири аварийный фонд добывающих скважин, оборудованных штанговыми насосами, из-за
отложения солей (в 90-е годы XX века) составлял 60 - 80% [8], В ОАО «ПК «Роснефть-Пурнефтегаз»» около 70% скважин работает в осложненных условиях, в том числе 7,3% с пескопроявленисм и 59% скважин с гидратао-парафшюпыми отложениями. В наличии также высокая агрессивность пластовых вод. Скорость коррозии стального оборудования достигает 6 мм/год [3]. Ущерб нефтедобывающей промышленности СІЛА от потерь, связанных с коррозией в 1975 году составил 676,9 млн долларов [9].
Все разнообразие конструкций штанговых колонн возникло из необходимости увеличения ресурса оборудования. Кроме того, кривизна скважин увеличивает трение штанг о НКТ, что также приводит к увеличению обрывности. Так в условиях 110 «Башнефть» при увеличении темпа набора кривизны с 2 до 4 на 10 м и обводнением продукции с 20 до 90% наработка на отказ штангового оборудования снижается примерно в два раза [3,10].
Причинами неисправностей, регистрируемых при эксплуатации колонн стальных насосных штанг, служат [5,7]:
выход из строя штанг в результате механического повреждения поверхности стержня;
выход из строя штанг в результате изгиба. Любой изгиб стальных штанг меняет структуру металла и приводит к повышению напряжений в этих местах;
выход из строя штанг в результате знакопеременных нагрузок. Колонна насосных штанг подвергается вибрациям в результате работы привода. Резьбовые участки стальных штанг более жесткие на изгиб, что вызывает усталостные изломы;
выход из строя штанг в результате коррозии.
В общем, в условиях циклического нагружения коррозионная среда снижает циклическую прочность стальных штжіг от 3 до 9 раз [5]. 'Гак как значительная часть разрушений штанговой колонны связано с резьбовыми соединениями и зонами свинчивания (муфтами, квадратами под ключ,
высадками) имеется выгода применения непрерывной штанги с длиной равной
длине штанговой колонны. Это подтверждают опытные данные эксплуатации стальных штапг НГДУ «Чекмагушнефть» АНК «Башнефть» [4]. Обрывность по элементам ШІІ составляет:
по іелу штанги- 67%; -по резьбе- 5,3%; -по муфте-18,3%;
по высадке и квадрату под ключ-19%.
Обрыв по телу стальной штанги также связан с зоной высадки и режимами термообработки поскольку происходит вблизи головки. По этой причине используются непрерывные прутковые штанги типа «Corod» [3]. Известно также применение стальных канатных и ленточных непрерывных штанг, однако применение таких штанг из стеклопластика практически неизвестно, по-видимому, из-за трудности подгонки длины колонны штанг для разных скважин.
В связи с этим, практически единственной возможностью при использовании технологии сегодняшнего дня является применение комбинированных штапг с соединением стеклопластик-металл.
Так как надежность соединений стеклопластик-металл целиком и полностью зависит от технологии их получения, исключение или снижение роли «человеческого фактора» в процессе изготовления соединений является весьма важной задачей. Технологические непрерывные процессы в наибольшей степени решают эту задачу, поскольку уменьшают внутрипартионные разбросы характеристик прочности и снижаюз трудоемкость производства,
В настоящей работе рассматриваются проблемы создания конструктивно-технологических решений высоконагруженных соединений стеклопластик-металл с использованием технологии непрерывного формования при производстве стеклопластиковой насосной штанги.
13 Общий интерес к применению стеклопластиковых насосных штанг вызван тем, что оки, в отличие от стальных, имеют:
меньшую в три раза массу;
большую прочность на разрыв;
высокую коррозионную стойкость;
больший, чем у стальных штанг ресурс циклических нагрузок. Применение ШНС способствует увеличению подачи на одной скважине
до 23% за счет увеличения длины хода плунжера насоса, а также за счет большей податливости материала штанг. Снижение массы колонны штанг ведет к экономик энергии на единицу продукции до 20%, расчетная потребляемая мощность снижается на 22-26%о. Производительность по нефти возрастает на 70% [11]. Меньшая масса штанговой колонны с применением ШНС позволяет увеличить глубину штанговой добычи до 3000-5000м.
Актуальность работы заключается в недостаточном изучении вопросов разработки соединений стеклопластик-металл, решения проблем прочности стеклопластиковых стержней и их соединений, вопросов эксплуатационной пригодности изделий из ПКМ в условиях циклического нагружения при воздействии агрессивных сред и высоких температур.
Целью работы является разработка технологии непрерывного формирования соединительных узлов стеклопластик-металл, пригодного для использования в стержневых конструкциях в условиях динамического нагружения, в частности, стеклопластиковых насосных штангах.
Для реализации поставленной цели определены следующие основные задачи:
- разработать технологию непрерывного формирования узлов соединения стеклопластикового стержня со стальной головкой методом радиального обжатия;
определить влияние параметров радиального обжатия на прочностные свойства стеклопластика, в том числе заматываемого соединения;
изучить прочностные свойства полимерных композитов стеклопластика, в том числе в условиях агрессивной среды нефтяных месторождений;
получить методом макетного моделирования различные конструктивно-технологические схемы узлов соединений ШНС пригодные для непрерывного формирования;
разработать конструкцию ШНС, удовлетворяющую требованиям к прочностным и эксплуатационным характеристикам в условиях применения в скважинах нефтяных месторождений;
- исследовать прочность полученных образцов различных конструкций
ШНС от статических нагрузок и циклическую прочность разработанной конст
рукции стеклонластиковой насосной штанги,
В настоящей работе объектом исследования является процесс технологии непрерывного производства стержневых конструкций с соединением стеклопластик-металл. Предметом исследования являются технология получения стеклопластикового стержня с заформованным вовнутрь него стального элемента головки штанги, а также материал, конструктивно-компоновочные схемы соединений стеклопластик-металл, пригодных для стеклонластиковой насосной штанги
Автор выражает свою признательность и благодарность: научному руководителю - доктору технических наук, старшему научному сотруднику Афанасьеву Ю.Г.; директору ООО БЗС Рудольфу А.Я - за помощь и поддержку при выполнении работы; д.х.н. проф. Верещагину А.Л., канд. техн. наук Блаз-нову АЛІ., канд, техн. наук Башаре В.А. - за помощь в разработке программы исследований и обсуждении научных материалов диссертационной работы, а также; Савину В.Ф., Ткачеву С,К, Бочкареву АС, Куклиной СВ. - за помощь
15 в проведении экспериментальных работ, обсуждении полученных результатов,
получении замечаний, консультации и поддержку.
Обеспечение прочностных характеристик полимерных композиционных материалов однонаправленного армирования
Для получения сплошного монолитного анизотропного материала создание высокопрочных ІІКМ возможно только при наличии условий совместности деформаций армирующих элементов и полимерного связующего. Анизотропия прочности ГЖМ должна соответствовать условиям нагружения. Для стержневых конструкций однонаправленного армирования превалирует напряжение вдоль армирующих волокон. Однако в реальности, в частности при эксплуатации насосных штанг наблюдается сложное нагружение, включающее изгибающие моменты и гидравлическое обжатие. Возможно и нагружение сжимающими вдоль волокон силами. Поэтому расчетные методы дают погрешности, которые не позволяют без экспериментальной проверки сделать вывод о правильности выбранной конструктивной схемы, особенно в узлах соединения [19]. Объёмная доля волокна в стеклопластике или объёмная степень армирования определяется выражением: где Х , Xf.,- массовые доли волокна и матрицы; рвэ Рм плотность волокна и матрицы.
Прочность стеклопластика определяется по правилу смесей [29]; где ам эов - разрушающее напряжение при растяжении матрицы и волокна, С учетом особенностей материала и технологии в современном представлении правило смесей выразится как [30] где к (к] 1) - комплексный коэффициент, характеризующий особенности структуры ПКМ; к2 (к2 1) и кз (кз 1) - коэффициенты учитывающие различные предельные деформации при разрыве матрицы и волокон; ам (ав) - разрушающее напряжение при растяжении матрицы (волокна); \\, (VB) - относительное объемное содержание матрицы (волокна). Выражение (1.8) справедливо при длине волокна больше его критической длины. Под критической длиной волокна понимают его минимальную длину (для непрерывных волокон равную минимальному расстоянию между дефектами), при которой величина предельных касательных напряжений тс на границе раздела с матрицей при передаче внешней нагрузки оказывается достаточной для реализации прочности ов волокон. Приблизительно значение ]кр рассчитывают из выражения. ER - модуль упругости армирующего материала (для алюмоооро силикатных волокон, согласно литературным данным [12,18,21.31], fl=72-78,5 ГПа). Предел прочности стекловолокна марки Е составляет [18]: сгг=3440МПа. Ей - модуль упругости матрицы (для эпоксидных компаундов, применяемых при изютовлении композитных материалов, по литературным данным [32], м 3,5 ГПа), Предел прочности связующего ЭДИ составляет [21]: на растяжение- ау,=90МПа, на сжатиестсда=120 МПа. Коэффициент Пуассона р для композита по правилу смесей выразится как [33]: где, соответственно, /itff/Ju -коэффициенты Пуассона для волокна и матрицы. Расчёты теоретических модулей упругости для однонаправленного стеклопластика приводятся также в работах [34,35,36]. Механические характеристики композитного материала можно определить расчетным способом, если известны механические характеристики входящих її него армирующего материала и полимерной матрицы [14,37,38,39]. 10. М Тарнопольский и Л. М. Скудра [31] приводят следующую зависимость, по которой напряжение, передаваемое волокну полимерной матрицей, равно:
Влияние инерционных масс рабочих элементов утяжки на обжатие
Влияние центробежных сил тем больше, чем больше масса вращающихся частей утяжки, связанных с контактируемыми со жгутом рабочими элементами. Имеется тенденция повышения производительности оборудования, связанная с ростом скорости вращения вертлюга. Поэтому актуальность задачи учета влияния центробежных сил на утяжку будет нарастать. 2.5.8 Определение параметров отжима излишнего связующего Удаление связующего под действием сил давления рабочих элементов утяжки может быть охарактеризовано как движение жидкости в условиях течения Ку-этта между двумя плоскостями Одна из них неподвижна и составляет поверхность вкладыша заматываемого в стеклопластик, а другая (контактная поверхность рабочих элементов утяжки) параллельна первой и подвижна [92]. Средняя скорость вытекающего связующего будет равна: где V - окружная скорость вращения рабочих элементов вокруг оси стержня; Р- перепад давления; h - расстояние между контактной поверхностью рабочего элемента и вкладыша; ц- коэффициент динамической вязкости. Коэффициент вязкости связующего, продавливаемого через армирующие волокна, определяется согласно [93] зависимостью; где Рср- среднее контактное давление; D - расстояние между волокнами; ft - скорость сближения волокон при сжатии (скорость уплотнения). Скорость отжима связующего можно вывести из уравнения скорости фильтрования под постоянным давлением [32] где V- объём удаляемого связующего за время z; - эмпирический коэффициент; F- площадь контакта рабочих элементов; Rff- сопротивление фильтрации армирующих волокон, м" ; хо - объёмное содержание связующего; г0 - среднее удельное сопротивление обжимаемого стержня, м"2.
Появление технологии получения стержней однонаправленного армирования методом радиального обжатия позволяет создать новый класс стержневых изделий для передачи нагрузок. Это могут быть стержни для ферменных конструкций и стержни длиной в десятки и сотий метров на замену тросовых систем налтовых сооружений, используемых для перекрытий [94,95], а также для сооружения пантовых и подвесных мостов. Мобильная установка формования на месте строительства решит проблему перевозки длинных, в сотни метров длиной, стержней. Развитие этой технологии потребует точных расчетных методов для определения технологических усилий обжатия. Приведенный в главе алгоритм расчета позволяет определить задачи расчета и пути их решения. По патенту [96] технологический процесс изготовления ШНС с заматываемым закладным элементом для реализации в материале конструкции штанги состоит из следующих основных операций, показанных на схеме рисунка 2,23. Технология включает следующие стадии: формование полуфабриката в виде стержня мерной длины с вмотанными вовнутрь закладными элементами соединения; - освобождение резьбовой поверхности закладного элемента от технологических приливов; - сборка с бандажами; - упаковка. На рисунке 2.24 показана схема технологической линии формования стержней с заматываемыми в стержень закладными элементами. Линия формования такой конфигурации использовалась при отработке технологии формова ния макетов ШНС со стержнями от 13 до 22мм, а также изготовления анкерных шахтных крепей с диаметром основного стержня от 14 до 30мм. Технология формования включает (см. рисунок 2,24): - пропитку в ванне поз.2 жгутов ровинга; - аскладку жгутов па кольцевой гребенке поз.З; - формование трубки из жгутов ровинга; - укладка в трубку закладного элемента в виде парного фрагмента; обжим утяжкой поз. 5 с одновременной фиксацией кольцевой питью; - полимеризация в тоннельной печи поз.7; - отрезка по торцу закладного элемента отрезным устройством поз.9.
Исследование стойкости композиционных материалов в агрессивных средах нефтяных месторождений
Проблемы химической стойкости стеклопластиков Согласно [103], воздействие агрессивной среды на полимер сводится к трём основным процессам: диффузии, набухании и химическим реакциям. Наполнители, особенно неорганические, увеличивают химическую стойкость. Воздействие водосодержащих агрессивных сред на эпоксидные полимерные композиционные материалы определяется процессом диффузии жидкости в объём материала и адсорбцией молекул воды на поверхности волокон [104,105]. Причиной этого являются несплошности между матрицей и армирующими волокнами. Основным в химической стойкости стеклопластиков к агрессивным средам считается способность стеклопластиков сопротивляться проникновению влаги в поры, капилляры и другие дефектные места материала.
Эпоксидная смола, хотя и способна поглощать довольно большое количество влаги, обладает химическими связями, устойчивыми к гидролизу [14,106,107,108]. Поэтому снижение прочности ее незначительно даже после длительного кипячения в воде.
Коррозионная же стойкость стекла, даже в воде, составляет серьезную проблему. Стекло Е имеет малое содержание щелочных металлов и лучше, чем другие стекла, противостоит коррозионному действию воды, В то же время, химическое взаимодействие находящихся на поверхности стекла групп Si-O-Na с водой приводит к образованию путем гидролиза свободной щелочи. Стекло от. щелочи корродирует по поверхности или растворяется в связующем [60]. Особенно это сказывается при температурах 65 - 95С [25]. Для увеличения химической стойкости стекла на него наносят замасливатель, одной из задач которого служит снижения сорбции влаги к стеклу, В работе [103] отражено положительное влияние аппретирования стеклянных волокон на химическую стойкость стеклопластика в кислой среде, особенно в начальный период её воздействия. Замасливатель не покрывает стекло сплошной пленкой, а имеет разрывы, и поэтому коррозии стекла избежать не удается.
Вид замасливателя (аппрета) и технология его нанесения влияет на сорбцию воды в ПКМ. Чем прочнее связь замасливателя со связующим, тем выше стойкость композита к влиянию среды [55,60]. Вымывание с поверхности стекла катионов приводит к образованию микроскопических полостей, заполненных щелочной средой, с высоким осмотическим давлением (более 10 МГТа), что приводит к разрыву адгезионных связей волокно- связующее. Явление сорбции связано с замасливателем и с качеством нанесения его на волокна, его химической структурой. Диффузия зависит и от микроразрушений волокон при нагру-жении уже свыше 0,1 от разрушающей нагрузки [39,109], Влияние агрессивных сред на ПКМ зависит также от степени полимеризации [ПО]- Исследование ГЖМ в агрессивной среде на натурных образцах является достаточно длительным процессом и весьма трудоемким, поскольку требует достаточно большого объёма выборки. Этому способствует зависимость химической стойкости от многих факторов, взаимосвязанных с собой. Так в работе [111] авторы связывают диффузию влаги и тепла. Скорость диффузии связана с технологическими факторами. С увеличением давления формования скорость диффузии падает [104].
Химическая стойкость эпоксидных смол исследовалась и отражена в работах [103,112]. Показано, что эта стойкость зависит от химической структуры эпоксидной смолы и природы отвердителя. Диановые смолы, к которым относятся смолы ЭД-20 и ЭД-22, имеют в молекуле не более двух эпоксидных групп, что не позволяет получить теплостойкость связующего на их основе выше 120"С [103]- Более высокой теплостойкостью отличаются полиэпоксидные смолы (ЭН, ЭЦ, ЭТФ), содержащие в молекуле более двух эпоксидных групп. Влияние вида отвердителя на теплостойкость определяется следующим образом. Связующее с системой горячего отверждения на ангидридном отвер-дителе менее теплостойко, чем на аминном.
Влияние теплостойкости связующего на химическую стойкость отражено в работе [113]. Стойкость к агрессивным средам при эксплуатации ПКМ в условиях температур эксплуатации, превышающих температуру стеклования, резко снижается.
Имеется влияние на химическую стойкость неоднородности структуры пространственно сшитых полимеров. Неполнота сшивки также оказывает свое влияние на химическую стойкость ПКМ, Так, в работе [105] дана зависимость влияния стехиометрии на сорбцию влаги, что особенно очевидно при недостатке отвердителя (в источнике - аминного). Наиболее вероятной причиной диффузии жидкости - считается локализация её в дефектах структуры, где происходит агрегатизация агрессивной среды, что и является причиной упрочнения полимера на определенной стадии воздействия агрессивной среды. Это также приводит к охрупчиванию и увеличению твердости полимера [114]. Такое возможно как за счёт пластификации в зоне предразрушения, так и в результате роста плотности молекулярной упаковки. По данным обзора [115], влага при комнатной температуре вызывает растрескивание, в основном, на границе наполнитель-матрица. Основной причиной растрескивания являются остаточные микронапряжения набухания, имеющих место вследствие неоднородности набухания по толщине образца. В работе [116] этот процесс оценивается математически. При этом отмечается факт аномального увеличения трансверсального коэффициента диффузии при высоком объемном содержании волокон. При увеличении контакта полимера с агрессивной средой свыше 10-15 суток типичным для эпоксидных полимеров является снижение прочностных характеристик вследствие развития деструктивных процессов [117]. Коэффициент диффузии воды в эпоксидные полимеры разной природы при температуре ниже температуры стеклования практически одинаков [118]. При превышении температуры стеклования при температуре выше 80С для полиэфирных стеклопластиков происходит резкое изменение водопоглощения [115]. Важным фактором, влияющим на диффузию, является качество ПКМ, определяемое техпроцессом [103ДО9Д18]. К основным технологическим параметрам качества относятся
Анализ схем конструкций стеклопластиковых насосных штанг охватывающего типа
Анкерное соединение интересно тем, что закрепление в соединении осуществляется за счет диаметрального утолщения стержня на конце. Учитывая особенность конструкции соединения с анкерным уширением (рисунок 4.6), имеем аналог конструкции «поршень-цилиндр». Испытания выявили следующие достоинства и недостатки цанговой схемы соединения. Достоинства, Удобство сборки, возможность визуального контроля момента окончания сборки по схождению лепестков на стержне. Недостатки. Повышенные радиальные габариты, большие усилия завинчивания при сборке. Сложность обеспечения равномерного обжатия стержня и анкера лепестками цанг, вследствие отклонений формы сечения от заданной в чертеже. Последний недостаток частично устраняется, если использовать лепестки цанги, не скрепленные с корпусом. Лучшая приспособляемость лепестков к форме анкера способствует повышению прочности соединения (опыты 1 и 4 в таблице 4.1). б) Схема с ввинчиваемой разрезной гайкой. Вид схемы показан на рисунке 4.8. - стержень; 2 - корпус; 3 - разрезная гайка Рисунок 4.8 - Схема ІШ-ІС с разрезной гайкой При проверке соединения с разрезной гайкой использовался стержень диаметром 13мм со степенью анкерного уширения К=1Д Результаты модельной отработки представлены в таблице 4.2. Анализ результатов исследований схемы соединения с разрезной гайкой показал следующее. Достоинства схемы. Возможность предварительно контролируемой склейки гайки со стержнем. Это позволяет выбрать лишние зазоры, заполнив их компаундом. Имеется возможность горизонтальной сборки. Недостатки схемы. Разрезная гайка требует точной сборки, не допускающей перекоса резьбы. В целом схема имеет удовлетворительные характеристики, пригодные для штанг группы прочности D классификации API. Общий недостаток схемы с цанговым зажимом и схемы с разрезной гайкой - в больших радиальных размерах, делающих проблематичной реализацию этих схем в габаритах ШНС 19 и выше.
Из всех возможных схем со стержнем постоянного диаметра и охватывающей головкой была исследована схема с разрезным стержнем, вставляемым с расклиниванием в коническую полость головки (рисунок 1.3). Схема соединения с расклиниванием стержня в конической полости головки. Результаты модельных испытаний такой схемы приведены в таблице 4,3. Стержень с диаметром 13 мм крестообразно распиливался и расклинивался в залитой эпоксидным компаундом полости головки. Выводы по отработке соединений охватывающего типа. В результате анализа рассмотренных схем охватывающего типа: - цанговой; - с разрезной гайкой; - с расклиниванием разрезанного стержня, на модельных штангах со стержнем диаметром 13-15 мм выявлено, что эти схемы удовлетворяют прочностным характеристикам, предъяачяемым к штангам класса С и D. Однако они трудно реализуемы в габаритных ограничениях по диаметру, накладываемых на штанги в технических условиях (Приложение А). Другой недостаток таких схем - в наличии сложных сборочных операций, связанных со склейкой, свинчиванием резьбовых соединений и т.п. Это приводит к повышенным технологическим требованиям, связанных с «человеческим фактором», что является определяющим условием в получении качественного -соединения, В конечном итоге, высокая трудоемкость, сложность деталей соединений делают применение таких конструкции штанг малоприменимыми по экономическим условиям. Дальнейшие исследования конструкций стеклопластиковых насосных штанг были направлены на исследование заматываемых соединений.
Соединением «заматываемого типа» названо соединение стсклопластико-вого стержня с металлической головкой, когда в формуемый «мокрым способом» стержень однонаправленного армирования заформовывается силовая конструкция из металла. Это соединение интересно тем, что монолитно собранная из разнородных материалов конструкция получается машинным способом и допускает технологию непрерывного производства- Основная проблема получения такой конструкции - технологическая, поскольку создать плотную связь между двумя разнородными материалами, какими являются сталь и стек дршшггак, непростая задача Нд рисунке 4.9 исшвдта упродшншя схема такого соединения, если не учитывать бандаж. Соединение с Овдш&ом в главе I шь тжю шмбищгройашшм. Далее дм упровдшш термюшпгогш все соединения такого типа будем называть заматываемыми»
