способ определения сопротивления полимерного покрытия растрескиванию при деформировании металла под действием внешних нагрузок

Формула изобретения

1. Способ определения сопротивления полимерного покрытия растрескиванию при деформировании металла под действием внешних нагрузок, включающий изготовление образца в виде металлической пластины с полимерным покрытием, нагружение пластины по схеме трехточечного изгиба воздействием на ее среднюю часть, отличающийся тем, что предварительно рассчитывают величину максимальных напряжений, возникающих в наиболее опасных точках реальной металлоконструкции при ее эксплуатации, рассчитывают величину стрелы прогиба, обеспечивающую создание величины напряжения в среднем сечении пластины с покрытием, равной рассчитанной величине максимального напряжения в металлоконструкции, нагружают образец до рассчитанной величины стрелы прогиба и констатируют сохранение диэлектрической сплошности покрытия, после чего образец помещают в эксплуатационную среду или среду, моделирующую эксплуатационную, выдерживают на заданной базе времени, вновь проверяют диэлектрическую сплошность покрытия и судят о сопротивлении полимерного покрытия растрескиванию.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что диэлектрическую сплошность покрытия определяют посредством электроискрового или электролитического метода.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам определения сопротивления изоляционного полимерного покрытия растрескиванию при деформировании под действием внешних нагрузок защищаемых им металлических конструкций, в частности труб, подвергающихся деформированию при изгибе, например, при их погрузке, транспортировке, строительстве трубопровода; резервуаров, подвергающихся деформированию при их заполнении рабочей средой и ее удалении; а также полимерных покрытий других видов оборудования и сооружений, и может быть использовано, в частности, при выборе защитного полимерного покрытия труб, оборудования, используемого в нефтегазовой промышленности.

Известны способы определения сопротивления полимерного покрытия растрескиванию при деформировании.

Во французском стандарте NFA 49710 приведен способ определения сопротивления изоляционного полимерного покрытия растрескиванию при деформировании под действием внешних нагрузок, где показателем сопротивления полимерного покрытия трубы растрескиванию является сохранение диэлектрической сплошности покрытия при радиусе изгиба трубы, равном двадцатикратной длине ее диаметра.

Недостатком указанного способа является то, что он не отражает фактического напряженно-деформированного состояния металла трубы с покрытием на практике.

В немецком стандарте DIN 30670 и отечественном стандарте ГОСТ Р 51164-98 приведен способ определения сопротивления изоляционного полимерного покрытия растрескиванию при деформировании под действием внешних нагрузок, где показателем сопротивления покрытия труб растрескиванию является относительное удлинение при разрыве пленочных образцов, изготовленных из полоски покрытия, оторванной от поверхности трубы.

Однако указанный показатель является характеристикой материала покрытия, а не самого покрытия, связанного с металлом силами адгезии, существенно влияющими на его деформацию и сопротивление растрескиванию при деформировании защищаемого металла. Кроме того, как отмечалось выше, относительное удлинение при разрыве не может являться показателем сопротивления покрытия растрескиванию при конкретном напряженно-деформированном состоянии защищаемого металла.

В отечественном стандарте ГОСТ 6806-73 приведен способ определения сопротивления изоляционного полимерного покрытия растрескиванию при деформировании под действием внешних нагрузок, где показателем сопротивления изоляционного покрытия растрескиванию является минимальный диаметр стального стержня в мм, при изгибе вокруг которого полосы жести толщиной 0,2-0,3 мм с нанесенным на ее поверхность полимерным покрытием последнее сохраняет диэлектрическую сплошность.

Однако и данный способ также не моделирует фактическое напряженно-деформированное состояние различных металлоконструкций с полимерным покрытием при их эксплуатации, следовательно, не позволяет объективно оценить сопротивление изоляционного полимерного покрытия растрескиванию при фактическом напряженно-деформированном состоянии металла в реальных условиях эксплуатации, т.е. при конкретной величине максимального напряжения и соответствующей максимальной деформации металла с покрытием.

Известен способ определения сопротивления изоляционного полимерного покрытия растрескиванию при деформировании под действием внешних нагрузок, приведенный в стандарте DIN 30671, в котором показателем сопротивления покрытия труб растрескиванию является величина относительного удлинения при разрыве материала покрытия, нанесенного на стальную пластину, подвергаемую поперечному изгибу. Перед началом поперечного изгиба пластины с покрытием на поверхность покрытия наносят поперечную измерительную риску слева и справа от середины образца на расстоянии 5 мм от средней линии. Образец с покрытием устанавливают на две опоры, имеющие форму цилиндра, и осуществляют поперечный изгиб нагружением образца с покрытием пуансоном, имеющим в продольном сечении форму полукруга, до разрушения покрытия, определяемого визуально. Относительное удлинение при разрыве определяют по относительному изменению расстояния между метками на поверхности покрытия до нагружения и после его разрушения.

Недостатком данного способа является сложность точного определения относительного удлинения покрытия в связи с малым изменением расстояния и возникающей кривизной поверхности покрытия после нагружения образца, что влечет за собой, соответственно, большую ошибку в определении самого показателя сопротивления покрытия к растрескиванию.

Кроме того, этот показатель характеризует предельную деформацию конкретного материала покрытия при разрыве и совершенно не связан с фактической деформацией металла трубы с покрытием на практике, а следовательно, не является показателем сопротивления покрытия растрескиванию при заданном напряженно-деформированном состоянии защищаемого металла изделия.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату является способ определения сопротивления полимерного покрытия растрескиванию при деформировании под действием внешних нагрузок, описанный в SU 1350541, 1986, заключающийся в том, что образец в виде пластины с нанесенным на ее поверхность защитным покрытием устанавливают на опоры испытательной машины. После этого осуществляют изгиб образца с переменной по его длине деформацией по схеме трехточечного изгиба при помощи пуансона. Изгиб осуществляют до состояния, при котором трещины в покрытии образца, возникающие в зоне максимальной деформации, т.е. в средней части, располагаются на площади 1/3-1/2 площади покрытия. Затем определяют границу области трещин и измеряют прогибы образца в ряде точек границы области трещин. После этого определяют величину деформации пластины, соответствующую границе зоны трещин.

Недостатком данного способа является то, что при его использовании оценивается предельное состояние покрытия, определяющее его прочность, в то время как на практике в большинстве случаев необходимо оценивать сопротивление покрытия растрескиванию при фактической величине напряжений, возникающих в металлоконструкции с покрытием при действии внешних сил и определяющих фактическую деформацию металла с покрытием.

Задача изобретения состоит в разработке способа, позволяющего оценить сопротивление полимерного покрытия металла растрескиванию при фактическом напряженно-деформированном состоянии металла, характерном для реальных условий эксплуатации защищаемых им металлических конструкций, подвергающихся воздействию внешних нагрузок.

Поставленная задача решается тем, что в способе определения сопротивления полимерного покрытия растрескиванию при деформировании металла под действием внешних нагрузок, включающем изготовление образца в виде металлической пластины с полимерным покрытием, нагружение пластины, установленной на цилиндрических опорах, по схеме трехточечного изгиба воздействием на ее среднюю часть, согласно изобретению предварительно рассчитывают величину максимальных напряжений, возникающих в наиболее опасных точках реальной металлоконструкции при ее эксплуатации, рассчитывают стрелу прогиба, обеспечивающую создание величины напряжения в среднем сечении пластины с покрытием, равной рассчитанной величине максимального напряжения в металлоконструкции, нагружают образец до рассчитанной стрелы прогиба и констатируют сохранение диэлектрической сплошности покрытия, после чего образец помещают в эксплуатационную среду или среду, моделирующую эксплуатационную, выдерживают на заданной базе времени, вновь проверяют диэлектрическую сплошность покрытия и судят о сопротивлении полимерного покрытия растрескиванию, а также тем, что диэлектрическую сплошность покрытия определяют посредством электроискрового или электролитического метода.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Известными методами теории упругости и пластичности [Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М.: Наука, 1986 г., стр.133-250] предварительно рассчитывают максимальные напряжения _max, возникающие в металлоконструкции при ее нагружении в процессе эксплуатации. Такие же напряжения _max создают в модельных образцах в виде металлических пластин («балок») с нанесенным на их поверхность полимерным покрытием, используя схему нагружения, соответствующую трехточечному изгибу пластины с покрытием при стреле прогиба f_max, обеспечивающей требуемую величину максимальных напряжений _max и определяемой по формуле:

, где

Е - модуль упругости материала пластины, Па;

h - толщина пластины, м;

l - половина расстояния между точками опоры, м;

_max - максимальные напряжения в металлоконструкции, Па.

Для осуществления указанной схемы нагружения образец с покрытием устанавливают в приспособление (см. чертеж), представляющее струбцину 3, на которой установлены две опоры 5, имеющие форму полуцилиндров. На опоры устанавливают испытываемый образец. В центре установлен нажимной винт 1 с самоустанавливающимся опорным элементом 2. На струбцине закреплена державка 6 с направляющей втулкой под индикатор, который фиксирует величину стрелы прогиба образца при нагружении поперечной силой, создаваемой нажимным винтом 1. Положение индикатора 8 в осевом направлении фиксируется винтом 9.

Затем образец нагружают до заданной стрелы прогиба f_max, после чего известным способом проверяют диэлектрическую сплошность покрытия образца, например электроискровым или электролитическим (ГОСТ Р 51164-98).

В случае, если покрытие сохранило диэлектрическую сплошность, производят оценку влияния эксплуатационной среды на сопротивление покрытия растрескиванию при заданной, предварительно рассчитанной стреле прогиба f_max, для чего нагруженный по вышеописанной схеме образец помещают в эксплуатационную среду или среду, ее моделирующую, и выдерживают на заданной базе времени, затем вновь проверяют образец на диэлектрическую сплошность покрытия.

Покрытие считается соответствующим техническим требованиям, если по результатам контроля оно сохранило диэлектрическую сплошность.

Заявляемый способ позволяет оценить сопротивление полимерного покрытия металлов растрескиванию не только при кратковременном воздействии внешних нагрузок, но и при длительном их воздействии в агрессивных средах.

Приведенные ниже примеры только иллюстрируют заявленное изобретение, но не ограничивают его.

Пример 1. Определяли сопротивление растрескиванию эпоксидного покрытия «Эпобен-Терма», используемого для противокоррозионной защиты внутренней поверхности трубопровода, при фактическом напряженно-деформированном состоянии металла труб в процессе его укладки в траншею одним трубоукладчиком и последующей его эксплуатации в условиях воздействия агрессивной среды.

С этой целью для трубопровода 114×5 рассчитали величину максимальных напряжений _max=481,0 МПа.

Изготовили модельный образец, представляющий собой пластину из стали 20 размером 170×60×2 мм, на поверхности которой сформировано эпоксидное покрытие «Эпобен-Терма» толщиной 600 мкм, и проверили это покрытие на диэлектрическую сплошность электролитическим методом.

Рассчитали величину стрелы прогиба образца для создания величины _max, равной 481,0 МПа, по формуле

, где

Е - модуль упругости материала пластины Е=2,1 10⁵ МПа;

h - толщина пластины, h=0,002 м;

l₀ - половина расстояния между точками опоры, l₀=0,075 м;

f_max=0,00215 м,

и нагрузили образец с покрытием по схеме трехточечного изгиба до рассчитанной стрелы прогиба f_max=0,00215 м, после чего повторно проверили диэлектрическую сплошность покрытия.

Сохранение сплошности покрытия свидетельствует об отсутствии трещин в покрытии при заданном напряженно-деформированном состоянии металла.

Затем нагруженный до стрелы прогиба f_max =0,00215 м образец поместили в 3-х процентный водный раствор NaCl, имеющий температуру 50°С, выдерживали в течение 1000 часов, вновь проконтролировали диэлектрическую сплошность покрытия, на основании чего оценили возможность применения данного покрытия для противокоррозионной защиты промысловых трубопроводов, используемых для сбора нефти.

Пример 2. Определяли сопротивление растрескиванию полиуретанового покрытия Полиур Т-12, применяемого для противокоррозионной защиты внутренней поверхности нефтяных резервуаров типа РВС 5000 для хранения сырой нефти на месторождении ООО «ЛУКойл - Западная Сибирь», при фактическом напряженно-деформированном состоянии металла при заполнении резервуара нефтью.

Для резервуара РВС 5000 рассчитали известным способом величину максимальных напряжений _max=320,0 МПа.

Изготовили модельный образец, представляющий собой пластину из стали 20 размером 170×60×2 мм, на поверхности которой сформировано полиуретановое покрытие Полиур Т-12 толщиной 200 мкм, и рассчитали величину стрелы прогиба образца для создания _max, равной 320,0 МПа, по формуле [1]:

где Е - модуль упругости материала пластины Е=2,1 10⁵ МПа;

h - толщина пластины, h=0,002 м;

l₀ - половина расстояния между точками опоры, l₀=0,075 м,

f_max=0,00143 м.

Полученный образец с покрытием проверили на диэлектрическую сплошность электролитическим методом, затем нагрузили по схеме трехточечного изгиба до рассчитанной стрелы прогиба f_max=0,00143 м, после чего повторно проверили диэлектрическую сплошность покрытия. Сохранение диэлектрической сплошности покрытия свидетельствует об отсутствии трещин в покрытии при заданном напряженно-деформированном состоянии металла образца.

Затем модельный образец погрузили в резервуар с сырой нефтью, ЦДНГ 1 ТПП «Лангепаснефтегаз» ООО «ЛУКойл - Западная Сибирь», и выдержали 1000 часов, после чего вновь проконтролировали диэлектрическую сплошность покрытия.

Диэлектрическая сплошность покрытия сохранилась, что свидетельствует об отсутствии трещин в покрытии при заданном напряженно-деформированном состоянии металла в реальной эксплуатационной среде.

Это позволяет сделать вывод о возможности применения данного покрытия для защиты резервуаров для хранения сырой нефти.

Пример 3. Определяли сопротивление растрескиванию полиуретанового покрытия Полиур Т-12, используемого для противокоррозионной защиты наружной поверхности трубопровода, при фактическом напряженно-деформированном состоянии металла труб при эксплуатации в ЦДНГ 1 ТПП «Лангепаснефтегаз» ООО «ЛУКойл - Западная Сибирь».

Для трубопровода 114×5 рассчитали величину максимальных напряжений _max=352,0 МПа.

Изготовили модельный образец, представляющий собой пластину из стали 20 размером 170×60×2 мм, на поверхности которой сформировано полиуретановое покрытие Полиур Т-12 толщиной 600 мкм, и рассчитали величину стрелы прогиба образца для создания _max, равной 352,0 МПа, по формуле:

где Е - модуль упругости материала пластины Е=2,1 10⁵ МПа;

h - толщина пластины, h=0,002 м;

l₀ - половина расстояния между точками опоры, l₀=0,075 м;

f_max=0,00157 м.

Электролитическим методом проверили диэлектрическую сплошность покрытия образца, затем его нагрузили по схеме трехточечного изгиба до рассчитанной стрелы прогиба f_max=0,00157 м, после чего повторно проверили диэлектрическую сплошность покрытия. Диэлектрическая сплошность покрытия сохранилась, что свидетельствует об отсутствии трещин в покрытии при заданном напряженно-деформированном состоянии металла.

Затем образец поместили в шурф, выкопанный при ремонте трубопровода на ЦДНГ 1 ТПП «Лангепаснефтегаз» ООО «ЛУКойл - Западная Сибирь», засыпали грунтом вместе с трубопроводом и после выдержки образца в течение 1000 часов в условиях реальной эксплуатации трубопровода извлекали его из грунта, вновь проконтролировали диэлектрическую сплошность покрытия.

Сохранение диэлектрической сплошности покрытия свидетельствует об отсутствии трещин в покрытии, защищавшем металл, находившийся в течение 1000 часов в напряженно-деформированном состоянии в реальной агрессивной эксплуатационной среде.

Это позволяет сделать вывод о возможности применении данного покрытия для защиты наружной поверхности промысловых трубопроводов, используемых для сбора нефти.