CC BY
10DOI: 10.24412М-37269-2024-1-30-33
ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПКМ В ОБОРУДОВАНИИ ДЛЯ СЕВЕРНЫХ ТЕРРИТОРИЙ РФ
Ермаков Б.С.1, Швецов О.В.1, Голиков Н.И.2, Карпов И.Д.1
1 Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург 2 Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАН, Якутск
Выполнена оценка надежности и работоспособности наиболее широко распространённых в строительной отрасли полимерных композиционных материалов (ПКМ) в условиях эксплуатации изделий из ПКМ при обустройстве месторождений нефти и газа в Арктическом регионе страны. Приведены результаты исследований влияния на свойства и структуру ПКМ таких факторов как низкие температуры, влажность, соляной туман, циклические переходы температуры через ноль и соляной туман. Проведен анализ влияния защитных покрытий на повышение работоспособности изделий из ПКМ. Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (тема № Р8Е0-2в24-0009 Разработка моделей деградации служебных свойств металлических и композиционных материалов для строительства в условиях многолетнемерзлых грунтах).
Особенностью развития нефте- и газодобычи на современном этапе заключается в постепенной миграции основных добывающих мощностей в наиболее удаленные северные регионы РФ. Отсутствие транспортных путей доставки грузов на новые участки добычи, крайне низкие температуры в зимние месяцы и высокий уровень кислотности заторфованных почв требует пересмотра проектных решений и выбора используемых для таких месторождений материалов. К таким материалам предъявляется ряд весьма жестких требований - это срок службы, который должен достигать 30 и более лет, высокая надежность и работоспособность при экстремально низких температурах, ремонтопригодность, высокая коррозионная стойкость в условиях добычи коррозионно-агрессивного нефтяного флюида и агрессивного воздействия внешних сред, минимизация массы доставляемых сборочных единиц. Одним из наиболее перспективных путей обустройства новых месторождений в северных регионах страны является постепенная замена традиционных металлических материалов на перспективные полимерные композиционные материалы (ПКМ) на основе стекло- и базальтопластов. Эти материалы уже находят применение в строительстве зданий и сооружений, расположенных в средней полосе и юге страны, где применяются в качестве балок, мачт, ферм, арматуры, свай и других элементов фундаментов и несущих конструкций. Однако, общепринятой практикой обоснования сроков безопасной эксплуатации различных групп материалов для северных широт является метод климатической квалификации, состоящий в комплексном исследовании материалов в лабораторных условиях и на полигонах, расположенных в тех климатических зонах, где планируется их эксплуатация. Такие исследования должны включать в себя анализ механических свойств, внешних, климатических воздействий - влаги, низких и повышенных температур, коррозионно-агрессивных сред и т. п. В случае использования труб из ПКМ в качестве промысловых трубопроводов должны быть исследования влияния на свойства ПКМ агрессивных воздействий добываемых сред.
В качестве материалов для исследования были выбраны образцы из широко распространённых полимерных композитных материалов на основе стеклоткани, изготовленных методом RTM-формования и намотки, обеспечивающие наивысшее качество получаемых изделий. В настоящей работе приведены результаты лабораторных исследований стабильности структуры и свойств образцов после испытаний в диапазоне температур 20 - минус 60 0С. Были испытаны статические механические свойства образцов в соответствии с требованиями ГОСТ 56785-2015 и ударной вязкости по Шарпи (ГОСТ 4647-2015) как в состоянии поставки, так и после ряда климатических воздействий - старения при температурах минус 60 0С ими-
тирующего длительное температурное воздействие на материал холодного климата; нахождения в воде, термоциклирования, которое заключалось в воздействии быстроменяющихся максимального и минимального значения температуры (20 - минус 60 0С) имитирующих «ночные» и «дневные» температурные воздействия внешней среды (переходы через 0 0С в весенний и осенний периоды), влияние морского климата было смоделировано испытаниями образцов после воздействия соляного тумана. Воздействие климатических факторов на образцы осуществлялось как в исходном состоянии - без защитных покрытий и после нанесения на рабочие части образцов водоотталкивающего лака.
В табл.1 приведены данные о механических свойствах образцов ПКМ в диапазоне температур от 20 до минус 60 0С в исходном состоянии и после длительного (1000 час) пребывания в камере холода при температуре минус 60 0С. Представленные в таблице результаты являются средними значениями от результатов испытаний серии из пяти образцов. Отклонение результатов испытаний внутри одной серии не превышало 8-10%.
Таблица 1. Механические свойства образцов ПКМ без защитного покрытия в состоянии поставки
после длительного вымораживания
Время выдержки, Температура испытания Способ производства
RTM-формования намотка
бв 5 KCV бв 5 KCV
час Т, 0С МПа % Дж/см2 МПа % Дж/см2
0 20 139 8,0 12,3 131 7,4 10,6
-60 172 8,8 11,4 169 7,7 8,9
1000 20 131 7,4 11,7 121 6,6 9,7
-60 160 7,6 10,7 149 7,1 8,0
Как видно, механическая прочность образцов без защитного покрытия ПКМ обоих способов формования растет при понижении температуры, а длительная выдержка в камере холода приводит к некоторому снижению их прочностных характеристик и ударной вязкости. Так, отношение предела прочности стеклопластика RTM-формования после 1000 часов холодного старения и в исходном состоянии составили 0,94 при нормальной температуре и 0,93 при минус 60 0С; после намотки - 0,92 и 0,88 соответственно, что подтверждает данные других авторов, в том числе [9]. Механические свойства образцов с нанесенным защитным покрытием оказались практически идентичными. Дальнейшее увеличение времени нахождения образцов ПКМ в камере холода (2-5 тыс. час) и построение кривых деградации механических свойств показало, что на базе 100 тыс. час падение прочности и ударной вязкости ПКМ составит около 20-25%. То есть длительное нахождение исследуемых ПКМ в зоне низких температур некритически сказывается на их прочностных свойствах, достаточно легко прогнозируется и, может быть, с высокой степенью достоверности учтено при проведении прочностных расчетах и проектировании конструкций, эксплуатация которых планируется в условиях Северных регионов РФ.
Анализ изломов всех образцов ПКМ, вне зависимости от вида изготовления и нагруже-ния подтвердил единство механизма разрушения и позволил уточнить, что поверхности разрушения образцов отличаются глубоко проработанным рельефом с четко очерченными участками зарождения и развития трещины и жгутами нитей стеклоткани с нарушенной упорядоченностью, присущей исходной ткани, и пустотами между жгутами нитей, что связано с выкрашиванием смолы при движении трещины. Поверхность нитей покрыта слоем мелкодисперсных частиц смолы с хорошей адгезией к поверхности и значительным количеством мелких осколков стекла.
Известно, что все ПКМ в той или иной степени склонны к водопоглощению при нахождении во влажных средах, поэтому были проведены испытания образцов после длительного (1000 час, 20 0С) нахождения в воде. При этом прирост массы образца (объем поглощенной жидкости) составил 0,174% для РТМ образцов и 0,197% для образцов, вырезанных из труб, полученных методом намотки. Так как процесс водопоглощения связан с летними месяцами эксплуатации в работе были проведены исследования влияния тепловлажностного воздей-
ствия и воздействия морского соленого воздуха на свойства ПКМ. Показано, что при насыщении всех образцов влагой происходит постепенная деградация всех механических свойств, в первую очередь при испытаниях в области отрицательных температур. Было определено, что насыщение образцов влагой неравномерно и наибольшему воздействию подвергаются их контактные с внешней средой поверхности. Фрактографический анализ наружных поверхностей образцов до испытаний и изломов образцов, разрушенных при температуре минус 60 0С показал, что в поверхностных слоях таких образцов вокруг нитей стеклопластика возникают микрообъемы воды, которые при понижении температуры кристаллизуются в мелкие кластеры льда. Образование ледяных кластеров приводит к появлению внутренних напряжений в матрице ПКМ, отслоению полимерной составляющей от нитей стеклоткани, при увеличении объема поглощенной воды происходит разрушение полимерной матрицы с разрывом стеклянных нитей и образование в поверхностном слое пор округлой формы.
В первую очередь насыщение образцов влагой проявляется в условиях термоциклического воздействия на материал - после многократных изменений температуры в область положительных и отрицательных значений - при образовании на поверхности материалов слоя льда - инея, образующегося в ночные часы и росы - капель воды, возникающих на поверхности оборудования при таянии ледовой корки. Число циклов перехода через ноль зависит от климатической зоны и в условиях Арктического и Субарктического климатических поясов может достигать 50 и более. Так, например, в Якутске число годовых переходов через ноль достигает 54 [1]. Результаты испытаний механических свойств образцов после водопоглоще-ния и воздействия соляного тумана приведены в табл. 2. Для испытаний были использованы образцы, вырезанные из заранее изготовленных пластин после RTM-формования и трубной заготовки, изготовленной намоткой. Поверхности образцов после механического воздействия не были защищены. Это позволило имитировать условия монтажа оборудования из ПКМ, когда при сборке конструкций используются обрезка заготовок «в размер», подгонка, сверление и другие вычитающие механические операции.
Анализ табл. 2 показывает, что природные факторы могут значимо влиять на механические свойства полимерных материалов, незащищенных влагоотталкивающими покрытиями. Однако воздействие этих факторов неравнозначно. Если после насыщения поверхности образцов влагой прочность ПКМ снижалась на 4-5%, то после 250-кратного термоциклического воздействия уже ~ 20%, а после пребывания в среде соляного тумана в течение 720 часов примерно на четверть.
Также были проведены подобные испытания образцов после покрытия зон резов влаго-отталкивающим лаком. Наличие защитного покрытия позволило значительно ослабить воздействие климатических факторов, однако полностью устранить их влияние не удалось. Так предел прочности образцов двух технологий производства ПКМ после термоциклического воздействия снизился на 4-6%, после соляного тумана =- в первые 100 часов испытаний - на 5-7% и на 6-9% после 720 часов выдержки.
Таблица 2. Влияние влажностного воздействия на механические свойства ПКМ_
Время в среде час Температура испытания Способ производства
RTM-формования намотка
вода Соль циклы бв, 5, KCV бв 5 KCV
0С МПа % Дж/см2 МПа % Дж/см2
0 0 0 20 139 8,0 12,3 131 7,4 10,6
-60 172 8,8 11,4 169 7,7 8,9
2160 0 0 20 134 7,7 11,5 127 7,0 9,9
-60 166 7,9 10,8 154 6,7 7,3
0 720 0 20 107 6,0 10,1 100 5,3 5,1
-60 136 5,1 8,9 131 4,8 4,5
2160 720 0 20 101 5,3 9,1 98 4,2 4,0
-60 127 4,4 7,1 121 3,9 3,6
0 0 250 20 119 6.2 9.9 118 6,2 9,8
-60 153 6,0 9,7 151 6,0 9,6
2160 0 250 20 116 5,7 8,6 114 5,7 9,6
-60 150 5,0 7,9 149 5,5 9,4
На основании проведенных исследований была показана принципиальная возможность использования полимерных композиционных материалов при производстве и эксплуатации различных групп изделий для обустройства нефтегазовых месторождений, расположенных в Арктическом и Субарктическом климатических поясах. Установлено, что длительное пребывание этих материалов в условиях низких климатических температур в зимний период и насыщение образцов влагой в теплое время года незначительно изменяют механические свойства ПКМ, и достаточно надежно прогнозируются при проектировании и прочностных расчетах конструкций, эксплуатация которых планируется в условиях экстремально низких температур. Воздействие переходов через ноль и морского воздуха могут привести к снижению механических свойств ПКМ при их длительной эксплуатации и должны быть нейтрализованы путем повышения качества поверхности изделий и дополнительной обработкой влагоотталкива-ющими составами.
Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (тема № ¥8БО-2024-0009 Разработка моделей деградации служебных свойств металлических и композиционных материалов для строительства в условиях многолетнемерзлых грунтах)
Литература
1. Старцев О.В. Старение полимерных композиционных материалов в условиях экстремально холодного климата / Старцев О.В., Лебедев М.П., Кычкин А.К. // Известия АлтГУ. Физика, 2020, 3 (111). С.41-49.
DOI: 10.24412/^-37269-2024-1-33-36
НАТУРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ МАТЕРИАЛОВ, ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ И ИЗДЕЛИЙ В УСЛОВИЯХ ХОЛОДНОГО КЛИМАТА
Голиков НИ., Сараев Ю.Н., Лебедев МП., Сидоров ММ.
Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова обособленное подразделение ФИЦ «Якутский научный центр СО РАН», г. Якутск
На территории Якутии, которая относится к очень холодному и арктическому климатическим районам, проводятся натурные испытания материалов, элементов конструкций и изделий. Это связано с зависимостью физико-механических характеристик материалов от климатических факторов. Исследования проводятся с 1970-х годов в институтахИФТПС СО РАН и ИПНГ СО РАН, и за это время были разработаны оригинальные методики и получены обширные данные по изменениям свойств материалов. В настоящее время испытания проводятся на полигоне в экспериментальной площадке ИФТПС СО РАН, где помимо материалов и элементов конструкций, также проводятся климатические натурные испытания сварочного оборудования и сварочных материалов отечественного производства в естественных условиях Якутии.
По климатическому районированию территория Якутии согласно ГОСТ 16350-80 относится к очень холодному району, с представительными пунктами: г. Якутск и с. Оймякон; а также к арктическому восточному с представительным пунктом - п. Тикси. Практически вся территория республики находится в пределах арктического и субарктического климатических поясов, а также характерна наличием многолетнемерзлых пород. Якутия самый холодный из обжитых регионов планеты. Температура воздуха здесь понижается ниже минус 60 оС, и отличается продолжительным зимним и коротким летним периодами. По результатам многолетних наблюдений среднегодовая температура в этих районах ниже минус 10 оС. Годовой размах колебаний температуры воздуха достигает около 100 оС, а суточный около 35 оС.
