ПНСТ 622-2023 Нефтяная и газовая промышленность. Системы подводной добычи. Трубы из термопластов, армированных волокном. Конструктивные требования, методы контроля и испытаний

        ПНСТ 622-2023

ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Нефтяная и газовая промышленность

СИСТЕМЫ ПОДВОДНОЙ ДОБЫЧИ

Трубы из термопластов, армированных волокном. Конструктивные требования, методы контроля и испытаний

Petroleum and natural gas industry. Subsea production systems. Fibre reinforced thermoplastic pipes. Design requirements, inspection methods and test methods

ОКС 75.020

23.040

83.120

Срок действия с 2023-11-01

до 2026-11-01

Предисловие

1 РАЗРАБОТАН Обществом с ограниченной ответственностью "Газпром 335" (ООО "Газпром 335") при участии Объединения юридических лиц "Союз производителей композитов"

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 023 "Нефтяная и газовая промышленность"

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 8 сентября 2023 г. N 33-пнст

Правила применения настоящего стандарта и проведения его мониторинга установлены в ГОСТ Р 1.16-2011 (разделы 5 и 6).

Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии собирает сведения о практическом применении настоящего стандарта. Данные сведения, а также замечания и предложения по содержанию стандарта можно направить не позднее чем за 4 мес до истечения срока его действия разработчику настоящего стандарта по адресу: [email protected] и/или в Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии по адресу: 123112 Москва, Пресненская набережная, д.10, стр.2.

В случае отмены настоящего стандарта соответствующая информация будет опубликована в ежемесячном информационном указателе "Национальные стандарты" и также будет размещена на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.rst.gov.ru)

Введение

Создание и развитие отечественных технологий и техники для освоения глубоководных шельфовых нефтегазовых месторождений должно быть обеспечено современными стандартами, устанавливающими требования к проектированию, строительству и эксплуатации систем подводной добычи. Для решения данной задачи Министерством промышленности и торговли Российской Федерации и Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии реализуется "Программа по обеспечению нормативной документацией создания отечественной системы подводной добычи для освоения морских нефтегазовых месторождений". В объеме работ программы предусмотрена разработка национальных стандартов и предварительных национальных стандартов, областью применения которых являются системы подводной добычи углеводородов.

Трубы из термопластов, армированных волокном, применяемые для систем подводной добычи, представляют собой многослойные гибкие связанные структуры, основу которых образуют ламинаты с термопластичной матрицей, армированные волокном. Данные трубы аналогичны трубам из реактопластов, армированных волокном. Однако термопластичные материалы являются более гибкими по сравнению с термореактивными материалами, что позволяет использовать термопластичные трубы в тех случаях, когда требуются более высокие деформации при изгибе.

Таким образом, настоящий стандарт в значительной степени основан на технологиях и знаниях, касающихся изготовления и применения труб из реактопластов, армированных волокном для трубопроводов или райзеров, а также несвязанных гибких труб или райзеров, армированных металлом, и устанавливает требования, учитывающие особенности непрерывных связанных многослойных труб из термопластов, армированных волокном, и учитывает особенности термопластичных материалов в целом.

1 Область применения

1.1 Настоящий стандарт распространяется на трубы из термопластов, армированных волокном (далее - термопластичные композитные трубы, ТПКТ), предназначенные для применения в системах динамических райзеров и промысловых морских трубопроводах систем подводной добычи нефти и газа.

1.2 Настоящий стандарт устанавливает:

- конструктивные требования при проектировании новых ТПКТ, реконструкции или ремонта существующих ТПКТ;

- методы контроля и испытаний ТПКТ на этапе проектирования и в процессе их эксплуатации.

1.3 Настоящий стандарт рекомендуется для применения заказчиками и проектными организациями при проектировании систем подводной добычи углеводородов, а также производителями ТПКТ из полимерных композитов.

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ 4647 Пластмассы. Метод определения ударной вязкости по Шарпи

ГОСТ 4650 (ISO 62:2008) Пластмассы. Методы определения водопоглощения

ГОСТ 4651 (ISO 604:2002) Пластмассы. Метод испытания на сжатие

ГОСТ 11262 (ISO 527-2:2012) Пластмассы. Метод испытания на растяжение

ГОСТ 12020 (ISO 175:2010) Пластмассы. Методы определения стойкости к действию химических сред

ГОСТ 12423 (ISO 291:2008) Пластмассы. Условия кондиционирования и испытания образцов (проб)

ГОСТ 24621 (ISO 868:2003) Пластмассы и эбонит. Определение твердости при вдавливании с помощью дюрометра (твердость по Шору)

ГОСТ 27751 Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения

ГОСТ 32618.2 (ISO 11359-2:1999) Пластмассы. Термомеханический анализ (ТМА). Часть 2. Определение коэффициента линейного теплового расширения и температуры стеклования

ГОСТ 32794 Композиты полимерные. Термины и определения

ГОСТ 33843 (ISO 15310:1999) Композиты полимерные. Метод определения модуля сдвига в плоскости методом кручения

ГОСТ 34370 (ISO 527-1:2012) Пластмассы. Определение механических свойств при растяжении. Часть 1. Общие принципы

ГОСТ Р 56800 Композиты полимерные. Определение механических свойств при растяжении неармированных и армированных материалов

ГОСТ Р 57143 Композиты полимерные. Метод испытания на усталость при циклическом растяжении

ГОСТ Р 57714 Композиты полимерные. Определение ползучести при растяжении, ползучести при сжатии и разрушения при ползучести

ГОСТ Р 57858 Композиты полимерные. Метод определения объемной доли волокон и характера распределения волокон в полимерной матрице

ГОСТ Р 57994 Композиты полимерные. Методы определения вязкости разрушения и скорости высвобождения энергии

ГОСТ Р 59304 Нефтяная и газовая промышленность. Системы подводной добычи. Термины и определения

Примечание - При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю "Национальные стандарты", который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты" за текущий год. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана недатированная ссылка, то рекомендуется использовать действующую версию этого стандарта с учетом всех внесенных в данную версию изменений. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, то рекомендуется использовать версию этого стандарта с указанным выше годом утверждения (принятия). Если после утверждения настоящего стандарта в ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение рекомендуется применять без учета данного изменения. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, рекомендуется применять в части, не затрагивающей эту ссылку.

3 Термины, определения, сокращения и обозначения

3.1 Термины и определения

В настоящем стандарте применены термины по ГОСТ Р 59304, ГОСТ 32794, а также следующие термины с соответствующими определениями:

3.1.1 динамический райзер: Трубопровод, служащий в качестве продолжения буровой скважины от аппаратуры управления скважиной на оборудовании устья скважины на морском дне до плавучей буровой установки.

3.1.2 система райзера: Совокупность элементов райзера, включающая все интегрированные компоненты райзера и систему защиты от коррозии.

3.1.3 звено райзера: Часть райзера, состоящая из средней секции элемента трубы, с вертикальными соединительными деталями на каждом торце.

Примечание - Звенья райзера обычно поставляют длиной от 9,14 до 15,24 м.

3.1.4 труба райзера: Труба, которая образует главный трубопровод звена райзера.

Примечание - Например, вертикальная труба является линией для подачи потока рабочей жидкости из скважины в надводную фонтанную арматуру.

3.1.5 термопластичная композитная труба райзера; ТПКТ райзера: Труба райзера, представляющая собой изделие из связанных компонентов, основным из которых является многослойная труба из термопластов, армированных волокном.

Примечание - К связанным компонентам ТПКТ также относятся внутренний и внешний защитные слои.

3.1.6

3.1.7

3.1.8 ламинат ТПКТ: Многослойный конструкционный полимерный композит термопластичной композитной трубы, матрица которого образована из термопластичного полимера, армированного волокном.

3.1.9

Примечание - Под полимерным композитом в настоящем стандарте понимается композит, матрица которого образована из термопластичных полимеров.

3.1.10 термопластичный стеклокомпозит: Термопласт, армированный стекловолокном.

3.1.11 термопластичный базальтокомпозит: Термопласт, армированный базальтоволокном.

3.1.12 термопластичный углекомпозит: Термопласт, армированный углеволокном.

3.1.13 термопластичный арамидокомпозит: Термопласт, армированный арамидным волокном.

3.1.14 термопластичный полиэтиленокомпозит: Термопласт, армированный волокном из сверхвысокомолекулярного полиэтилена.

3.1.15

3.1.16 сухой образец: Образец материала, не абсорбировавший вещества, входящие в состав транспортируемой среды.

3.1.17 сухие испытания: Испытание сухого образца в стандартных условиях испытаний (температура, влажность, давление) в испытательной лаборатории.

3.1.18 концевой фитинг: Вертикальная соединительная деталь на каждом торце ТПКТ.

3.1.19 предельные температуры: Минимальная и максимальная температуры эксплуатации ТПКТ.

3.1.20 транспортируемая (рабочая) среда: Жидкость с содержанием или без содержания газовой фазы или газ, транспортируемые по ТПКТ.

3.1.21 граница раздела связанных компонентов ТПКТ: Граница раздела между защитным слоем и ламинатом конструкционного слоя ТПКТ.

3.2.22 нижняя часть концевого фитинга: Донный концевой фитинг ТПКТ.

3.1.23 верхняя часть концевого фитинга: Концевой фитинг ТПКТ, используемый в ее верхней части (если используется как райзер).

3.1.24

3.2 Сокращения и обозначения

В настоящем стандарте применены следующие сокращения и обозначения:

4 Конструктивные требования

4.1 Общие требования

4.1.1 ТПКТ следует конструировать для следующих применений:

- райзеры;

- перемычки;

- линии глушения и дроссельные линии;

- секции расширения;

- линии доступа к скважине;

- линии закачки химических веществ;

- нисходящие линии для предпусковых операций на трубопроводе;

- линии для внеплановых работ.

4.1.2 ТПКТ следует конструировать для транспортирования следующих рабочих сред:

- углеводороды;

- вода;

- воздух;

- азот;

- химикаты для впрыска.

4.1.3 При конструировании следует учитывать, что ТПКТ должны соответствовать требованиям ГОСТ 27751 в части их надежности в процессе установки и эксплуатации, в том числе с учетом особых воздействий, а также изменений свойств полимерных композитов во времени в процессе эксплуатации под воздействием агрессивных сред, влажности, ультрафиолетового излучения, повышенных и пониженных температур.

4.1.4 Характеристики деформативности и прочности ТПКТ должны быть определены на основе расчетов напряженно-деформированного состояния по методу предельных состояний на неблагоприятные сочетания постоянных и временных нагрузок.

4.1.5 При конструировании ТПКТ необходимо учитывать следующие предельные состояния:

- предельное состояние по прочности (ULS);

- предельное состояние по критериям пригодности к нормальной эксплуатации (SLS);

- предельное состояние по усталости (FLS);

- предельное состояние, связанное с аварийной ситуацией (ALS).

4.1.6 Предельное состояние по прочности предусматривает полное разрушение или отказ конструкции или компонента и является необратимым, т.е. при превышении предельного состояния компонент может быть окончательно поврежден и более не подлежит использованию.

Примечания

1 Отказы, которые угрожают человеческой жизни или окружающей среде должны быть отнесены к предельному состоянию по прочности. Например, ULS может соответствовать максимальной грузоподъемности.

2 Классы безопасности по ULS определяют в соответствии с техническими, экологическими и финансовыми последствиями отказа.

4.1.7 Предельное состояние по работоспособности предусматривает отказы конструкции или элемента конструкции, которые приводят к временному прекращению или ограничению эксплуатации.

Примечание - Высокий, средний или низкий классы эксплуатации определяют в соответствии с частотой перерывов в эксплуатации из-за указанных видов отказа и последствиями отказов для эксплуатирующей организации.

4.1.8 Предельное состояние по усталости предусматривает наступление предельного состояния вследствие накопления эффектов от воздействия циклических или статических нагрузок.

4.1.9 Предельное состояние, связанное с аварийной ситуацией, предусматривает наступление предельного состояния вследствие воздействия случайных (неповторяющихся) нагрузок.

4.1.10 По результатам расчетов напряженно-деформированного состояния ТПКТ по методу предельных состояний на неблагоприятные сочетания постоянных и временных нагрузок назначают классы безопасности и классы эксплуатации ТПКТ.

4.1.11 Классы безопасности назначают исходя из последствий отказа:

а) низкий класс безопасности - назначают в случаях, когда отказ предполагает низкий риск причинения вреда здоровью человека и незначительные экологические и экономические последствия;

б) средний класс безопасности - назначают в случаях, когда отказ предполагает риск травмирования человека, значительное загрязнение окружающей среды или очень серьезные экономические или политические последствия;

в) высокий класс безопасности - назначают в случаях, когда отказ предполагает риск травмирования человека, значительное загрязнение окружающей среды или очень серьезные экономические или политические последствия.

4.1.12 Классы эксплуатации определяют по частоте временных прекращений или ограничений эксплуатации, вызванных отказами конструкции или элемента конструкции, связанными с предельным состоянием по работоспособности.

В соответствии с годовым количеством отказов при эксплуатации назначают следующие классы эксплуатации: высокий, средний, низкий.

Сопоставимость классов эксплуатации с вероятностью возникновения отказов при эксплуатации приведена в таблице 1.

Примечание - Указанные виды отказов не предусматривают риск травмирования человека и предусматривают риск лишь незначительных экологических последствий. Эксплуатирующая организация должна указать класс эксплуатации, в соответствии с которым должна быть спроектирована конструкция.

Таблица 1 - Сопоставимость классов эксплуатации с вероятностью возникновения отказов при эксплуатации (см. [1]*)

4.1.13 Производителем должны быть разработаны и переданы заказчику рекомендации по эксплуатации ТПКТ. Требования к рекомендациям по эксплуатации приведены в приложении А.

4.2 Конструктивные требования к ТПКТ

4.2.1 ТПКТ следует конструировать:

а) по количеству связанных слоев:

1) конструкционные ТПКТ без защитных слоев;

2) конструкционные ТПКТ с внутренним защитным слоем;

3) конструкционные ТПКТ с внешним защитным слоем;

4) конструкционные ТПКТ с внешним и внутренним защитными слоями;

б) по типу армирующего наполнителя полимерного композита ТПКТ:

1) стеклокомпозитные термопластичные;

2) базальтокомпозитные термопластичные;

3) углекомпозитные термопластичные;

4) арамидокомпозитные термопластичные;

5) полиэтиленокомпозитные термопластичные;

6) комбинированные композитные термопластичные.

4.2.2 Общий вид конструкции ТПКТ приведен на рисунке 1.

1 - внешний защитный слой; 2 - основной конструкционный слой из многослойного полимерного композита на основе термопластичного материала и непрерывных армирующих наполнителей (ламинат ТПКТ); 3 - внутренний защитный слой, например для уменьшения абразивного износа поверхности звена ТПКТ и/или защиты материала звена ТПКТ от воздействия агрессивной среды или повышенной температуры; 4 - граница раздела между внешним защитным и основным конструкционным слоями ТПКТ; 5 - граница раздела между основным конструкционным и внутренним защитным слоями ТПКТ

Рисунок 1 - Общий вид конструкции ТПКТ

4.2.3 Конструкция ТПКТ должна представлять собой многослойный полимерный композит, изготовляемый методом намотки из непрерывных армирующих наполнителей из волокна (виды волокон по 4.2.1, типы наполнителей - ленты или нити) и термопластичных материалов, с добавлением или без добавления других наполнителей, с нанесенными на него (при необходимости) методом экструзии внутренним и/или внешним защитными слоями.

Примечание - В качестве дополнительных наполнителей могут быть использованы, в том числе, штапельные волокна.

4.2.5 ТПКТ следует конструировать с концевыми соединительными деталями (фитингами) из металла или полимерного композита на основе термореактивного полимера. Конструкция ТПКТ с концевым фитингом приведена на рисунке 2.

1 - внешний защитный слой; 2 - основной конструкционный слой из многослойного полимерного композита на основе термопластичного материала и непрерывных армирующих наполнителей (ламинат ТПКТ); 3 - внутренний защитный слой; 4 - концевой фитинг

Рисунок 2 - Конструкция ТПКТ с концевым фитингом

Примечание - При конструировании концевых фитингов ТПКТ предпочтение следует отдавать изделиям из металла.

4.2.6 Расчеты напряженно-деформированного состояния ТПКТ по методу предельных состояний следует выполнять аналитическими или численными методами, в частности методом конечных элементов.

4.2.7 При проведении расчетов аналитическими методами для каждого предельного состояния определяют расчетное уравнение и критерий конструирования, несоблюдение которого определяет наступление предельного состояния.

Расчетные уравнения должны включать в себя нормативные значения нагрузки, увеличенные на частные коэффициенты запаса по нагрузке, и нормативные значения сопротивления материала, уменьшенные на частные коэффициенты запаса по материалу.

4.2.8 При конструировании ТПКТ на этапе проектирования нормативные значения основных физико-механических характеристик многослойного полимерного композита принимают по техническим условиям производителя ТПКТ, с подтверждением данных характеристик испытаниями образцов по 5.2 с учетом 5.1, подтверждаемых протоколами испытаний испытательных лабораторий или центров, аккредитованных на проведение видов испытаний, приведенных в 5.2.

4.2.9 При конструировании ТПКТ следует учитывать требования, предъявляемые к исходным данным для конструирования, приведенные в приложении Б, соблюдение которых обеспечивает работоспособность ТПКТ в соответствии с функциональным назначением в течение всего срока службы.

4.2.10 Полный перечень требований по нагрузкам и коэффициентам запаса по нагрузкам и по материалам должен быть установлен в техническом задании на проектирование трубопровода с учетом требований настоящего стандарта (см. также [1]).

4.2.11 Расчеты ТПКТ численными методами следует выполнять в ПО КМ, позволяющем выполнять методом конечных элементов численное моделирование и расчеты характеристик конструкций ТПКТ в САЕ-системах или САЕ-подсистемах.

4.3 Требования к применению покрытий

При необходимости на ТПКТ наносят внешний или внутренний защитный слой (покрытие).

ТПКТ должны быть сконструированы таким образом, чтобы выдерживать повреждения внутреннего или внешнего покрытия, при этом конструкция ТПКТ должна обеспечивать выполнение следующих требований:

- повреждения защитных покрытий не изменяют эксплуатационные показатели ламината ТПКТ;

- повреждения внешнего покрытия не приводят к повреждениям ламината ТПКТ снаружи;

- повреждения внутреннего покрытия не приводят к повреждениям ламината ТПКТ изнутри;

- повреждения внутреннего покрытия не оказывают влияние на прочность его соединения с ламинатом ТПКТ;

- повреждения внутреннего покрытия не приводят к повреждению ламината ТПКТ вследствие кратковременного воздействия рабочей среды;

- повреждения внешнего покрытия не приводят к повреждению ламината ТПКТ вследствие воздействия внешних факторов;

- конструкция позволяет применять методы неразрушающего контроля для обнаружения повреждений внутреннего или внешнего покрытия до того, как они станут критическими.

5 Методы контроля и испытаний

5.1 Методы контроля

5.1.1 Контроль ТПКТ в соответствии с требованиями настоящего стандарта проводят для анализа результатов расчетов и проверки выполнения критериев конструирования, соблюдение которых предотвращает наступление предельного состояния и отказов ТПКТ при их эксплуатации.

5.1.2 Контроль ТПКТ предусматривает разрушающий и неразрушающий контроль образцов материалов всех элементов ТПКТ, конструктивно-подобных и полноразмерных образцов ТПКТ.

5.1.3 Перечень контрольных испытаний для определения соответствия внутреннего и внешнего защитных слоев ТПКТ заданным критериям приведены в таблице 2.

Перечень и состав контрольных испытаний для определения соответствия ламината ТПКТ заданным критериям приведены в таблице 3.

Таблица 2 - Перечень и состав контрольных испытаний для определения соответствия внутреннего и внешнего защитных слоев ТПКТ заданным критериям

Таблица 3 - Перечень и состав контрольных испытаний для определения соответствия ламината ТПКТ заданным критериям

5.1.4 Приемо-сдаточные испытания

5.1.4.1 Контрольные испытания ТПКТ гидростатическим давлением

Каждая партия ТПКТ с установленными концевыми фитингами должна быть испытана под давлением, превышающим расчетное в 1,3 раза.

Если ТПКТ содержит детали не из полимерных композитов, которые были спроектированы по документу по стандартизации, требующему испытания давлением, превышающим расчетное более чем в 1,3 раза, то партия таких ТПКТ с установленными концевыми фитингами должна быть испытана под более высоким давлением, установленным данным документом.

Испытательное давление также не должно быть ниже любого требуемого испытательного давления для трубопровода, в том числе для проведения гидравлических испытаний перед вводом трубопровода в эксплуатацию.

Для проведения испытаний должна быть разработана и утверждена подробная программа испытаний, которая должна содержать следующие минимальные обязательные условия проведения испытаний:

- скорость увеличения давления;

- время удержания заданного давления;

- время, в течение которого давление в системе не должно падать без активного поддержания давления (испытание на герметичность).

Испытания должны обеспечить выявление максимального возможного количества дефектов ТПКТ.

Общие требования к условиям проведения и оценке результатов испытаний:

а) для трубопроводов, которые не проявляют ползучести, минимальное время, в течение которого максимальное испытательное давление в системе не должно падать без активного поддерживания давления, должно составлять не менее 8 ч.

Давление должно оставаться постоянным в пределах 5% величины в начале испытания. Изменения давления из-за изменения температуры могут быть компенсированы;

б) для трубопроводов, демонстрирующих ползучесть, максимальное испытательное давление должно поддерживаться в течение 1 ч путем активно поддерживаемого давления. Затем за давлением следует следить еще 1 ч без активно поддерживаемого давления. Падение давления должно быть расчетным, и результат испытания не должен превышать 10% расчетных значений;

в) если предполагается возможность медленного мигрирования транспортируемой среды через дефекты материала, материалы или границы раздела материалов компонентов ТПКТ, то для обнаружения возможных утечек следует проводить испытание в течение 24 ч;

г) для проверки того, соответствуют ли показатели деформативности ТПКТ (модули упругости, деформации) расчетным значениям, следует проводить тензометрические измерения. Измеренные значения должны находиться в пределах не более ±10% от расчетных;

д) испытания под давлением для ТПКТ с низким классом безопасности следует проводить в течение не менее 1 ч;

е) полный перечень и содержание требований к условиям проведения и оценке результатов испытаний может отличаться от приведенных в перечислениях а)-д) и устанавливается программой испытаний, согласованной изготовителем, покупателем и, при необходимости, третьей компетентной стороной.

5.1.4.2 Контрольные испытания внутреннего и/или внешнего защитного слоя ТПКТ

Для внутреннего и/или внешнего защитного слоя ТПКТ должна быть измерена толщина слоя с учетом допусков, а также проведен визуальный контроль на наличие дефектов.

5.1.4.3 Измерение геометрических параметров ТПКТ

Для каждой ТПКТ должны измерены с учетом допусков:

- длина ТПКТ;

- наружный диаметр ТПКТ;

- внутренний диаметр ТПКТ.

5.1.5 Периодические разрушающие испытания

Разрушающие испытания проводят в соответствии с таблицей 4.

Таблица 4 - Требования к проведению разрушающих испытаний

Испытание на гидростатическое механическое разрушение следует проводить при постоянном давлении, которое соответствует сроку службы приблизительно 10 ч.

Если за один непрерывный процесс изготовления изготовлена непрерывная ТПКТ более минимального интервала длины, то требуется провести только одно разрушающее испытание (например, ТПКТ высокого класса безопасности длиной 4000 м требует только одного разрушающего испытания).

5.2 Методы испытаний

5.2.1 Определение показателей свойств материалов внутреннего и/или внешнего защитных слоев

5.2.1.1 Общие требования к проведению испытаний

Объем проводимых испытаний определяется классом безопасности ТПКТ.

Если внутренний или внешний защитный слой имеет сварные швы, должны быть определены показатели образцов материала со сварными швами и без них.

Для каждого показателя проводят не менее трех испытаний, при этом при каждом испытании следует испытывать не менее пяти образцов.

По результатам испытаний для каждого показателя должны быть рассчитаны нормативные и средние значения по В.3.

5.2.1.2 Краткосрочные испытания образцов материалов внутренних и внешних защитных слоев

Показатели, определяемые в рамках краткосрочных испытаний образцов термопластичных полимеров, используемых во внутренних и внешних защитных слоях, со сварными швами или без них, приведены в таблице 5.

Таблица 5 - Показатели, определяемые в рамках краткосрочных испытаний материалов внутренних и внешних защитных слоев

5.2.1.3 Долгосрочные испытания образцов материалов внутренних и внешних защитных слоев

Показатели, определяемые в рамках долгосрочных испытаний образцов термопластичных полимеров, используемых в несущих нагрузки изотропных внутренних и внешних защитных слоях, приведены в таблице 6.

Требования к продолжительности испытаний - по В.6.3 и В.7.3 для циклической усталости и длительной прочности при ползучести, соответственно.

Оценка результатов испытаний - по В.6 и В.7.

Таблица 6 - Показатели, определяемые в рамках долгосрочных испытаний материалов внутренних и внешних защитных слоев

5.2.2 Определение показателей свойств материала ламели ламината конструкционного слоя ТПКТ

5.2.2.1 Общие требования к проведению испытаний

Для каждого показателя проводят не менее трех испытаний, при этом при каждом испытании следует испытывать не менее пяти образцов.

По результатам испытаний для каждого показателя должны быть рассчитаны нормативные и средние значения по В.3.

5.2.2.2 Краткосрочные статические испытания образцов материала ламели ламината конструкционного слоя ТПКТ

Показатели, определяемые в рамках краткосрочных статических испытаний образцов материала ламели ламината конструкционного слоя ТПКТ, приведены в таблице 7.

Показатели свойств материала ламели определяют на специально изготовленных образцах, выполненных из тех же волокон и матрицы, что и ТПКТ. Образцы могут быть плоскими или кольцевыми, повторяющими поверхность ТПКТ.

Отбор образцов - по В.4.1, таблица В.2.

Таблица 7 - Показатели, определяемые в рамках краткосрочных статических испытаний образцов материала ламели ламината конструкционного слоя ТПКТ

5.2.3 Определение показателей свойств материала ламината конструкционного слоя ТПКТ

5.2.3.1 Общие требования к проведению испытаний

Показатели свойств материала ламината определяют на специально изготовленных образцах, конструкция и исходные материалы для изготовления которых (волокна, материал матрицы) полностью соответствуют конструкции и исходным материалам ламината полноразмерной ТПКТ, или на конструктивно-подобных образцах, ламинат которых полностью соответствует ламинату полноразмерной ТПКТ.

Ламинат ТПКТ испытывают под давлением (внутренним или внешним) при следующих видах напряженно-деформированного состояния:

- осевое растяжение;

- осевое сжатие;

- окружное растяжение;

- окружное сжатие;

- осевой изгиб;

- кручение.

5.2.3.2 Краткосрочные статические испытания образцов материала ламината конструкционного слоя ТПКТ

Показатели, определяемые в рамках краткосрочных статических испытаний образцов материала ламината конструкционного слоя ТПКТ, приведены в таблице 8.

Таблица 8 - Показатели, определяемые в рамках краткосрочных статических испытаний образцов материала ламината конструкционного слоя ТПКТ

5.2.3.3 Долгосрочные испытания образцов материалов материала ламината конструкционного слоя ТПКТ

Показатели свойств материала ламината определяют на специально изготовленных образцах, конструкция и исходные материалы для изготовления которых (волокна, материал матрицы) полностью соответствуют конструкции и исходным материалам ламината полноразмерной ТПКТ, или на конструктивно-подобных образцах, ламинат которых полностью соответствует ламинату полноразмерной ТПКТ.

Испытания проводят для получения нормативных долгосрочных кривых по В.6.2 для усталости и по В.7.2 для напряжения разрушения.

Коэффициент R для испытаний на усталость - по В.6.4.

Оценка результатов испытаний - по В.6 и В.7.

Показатели, определяемые в рамках долгосрочных испытаний образцов материала ламината конструкционного слоя ТПКТ, приведены в таблице 9.

Таблица 9 - Показатели, определяемые в рамках долгосрочных испытаний образцов материала ламината конструкционного слоя ТПКТ

5.2.3.4 Испытание на напряжение разрыва следует проводить при растяжении и сжатии. Возможно проведение испытания только на растяжение или только на сжатие, если один из видов НДС не является критическим для применения.

Особые условия испытаний на усталость при растяжении и разрушения при растяжении в направлении армирования:

- испытания допускается не проводить, если имеются данные для аналогичных волокон, насыщенных в той же среде при той же температуре, но соединенных с матрицей из другого материала;

- данные циклической усталости получают при аналогичной объемной доле волокна;

- результаты для слоев, армированных углеволокном, не зависят от температуры, при условии, что экстремальные температуры на 20°C ниже температуры плавления матрицы, а рабочие или экстремальные условия выходят за границы температуры стеклования матрицы не более, чем на ±20°C, при этом углеродные волокна должны быть стабильными в диапазоне экстремальных температур;

- можно сделать предположение, что углеродные волокна инертны к углеводородам и воде, т.е. результаты испытаний, полученные на воздухе, допускается также использовать при испытаниях с насыщением этими рабочими жидкостями;

- можно сделать предположение, что стеклянные волокна инертны по отношению к углеводородам, т.е. результаты испытаний, полученные на воздухе, допускается также использовать при испытаниях с насыщением углеводородами (но не водой);

5.2.4 Верификация расчетных показателей свойств ТПКТ

5.2.4.1 Общие требования к проведению испытаний

Для подтверждения расчетных показателей свойств ТПКТ, полученных по результатам испытаний образцов материалов и/или конструктивно-подобных элементов, проводят испытания полноразмерных или конструктивно-подобных полноразмерным ТПКТ.

К трубам для испытаний предъявляют следующие требования:

- процесс изготовления трубы должен быть идентичен процессу изготовления полноразмерной ТПКТ;

- диаметр трубы должен находиться в пределах ±50% фактического диаметра полноразмерной ТПКТ.

Испытания проводят на образцах труб с внутренним и внешним покрытиями или без них, поскольку основной целью испытаний является проверка расчетных свойств ламината конструкционного слоя ТПКТ.

5.2.4.2 Статические кратковременные испытания

Показатели, определяемые в рамках статических испытаний для подтверждения расчетных показателей свойств ТПКТ, приведены в таблице 10.

Должно быть проведено:

- не менее трех разрушающих испытаний на сжатие в осевом направлении;

- не менее трех разрушающих испытаний на растяжение в окружном направлении под давлением;

- не менее трех разрушающих испытаний на изгиб в окружном направлении.

Таблица 10 - Показатели, определяемые в рамках статических кратковременных испытаний для подтверждения расчетных показателей свойств ТПКТ

5.2.4.3 Долгосрочные испытания

Показатели, определяемые в рамках долгосрочных испытаний для подтверждения расчетных показателей свойств ТПКТ, приведены в таблице 11.

Должно быть проведено не менее трех разрушающих испытаний по каждому показателю.

Таблица 11 - Показатели, определяемые в рамках долгосрочных испытаний для подтверждения расчетных показателей свойств ТПКТ

5.2.5 Определение показателей свойств границы раздела между внутренним и/или внешним защитными слоями и ламинатом конструкционного слоя ТПКТ

5.2.5.1 Общие требования к проведению испытаний

Испытания следует проводить на полноразмерных ТПКТ.

5.2.5.2 Кратковременные испытания

Показатели, определяемые в рамках кратковременных испытаний для определения показателей свойств границы раздела между внутренним и/или внешним защитными слоями и ламинатом конструкционного слоя ТПКТ, приведены в таблице 12.

Таблица 12 - Показатели, определяемые в рамках кратковременных испытаний для определения показателей свойств границы раздела между внутренним и/или внешним защитными слоями и ламинатом конструкционного слоя ТПКТ

Упрощенное испытание на межслойный сдвиг

Вместо испытания всех материалов и стыков сначала может быть испытана минимальная межслойная прочность ТПКТ на сдвиг методом изгиба короткой балки, совмещенным с испытанием на сдвиг внахлест.

Испытание на сдвиг методом изгиба короткой балки позволяет определить только самый слабый фрагмент ТПКТ. Следовательно, межслойная прочность на сдвиг самого слабого фрагмента должна быть испытана с использованием метода сдвига внахлест или сдвига при кручении.

Минимальная прочность на сдвиг также может быть измерена методом кручения всей ТПКТ.

Если самым слабым компонентом ТПКТ является граница раздела, необходимо провести испытания на вздутие этой границы.

5.2.5.3 Долговременные испытания

Показатели, определяемые в рамках долговременных испытаний для определения показателей свойств границы раздела между внутренним и/или внешним защитными слоями и ламинатом конструкционного слоя ТПКТ, приведены в таблице 13.

Таблица 13 - Показатели, определяемые в рамках долговременных испытаний для определения показателей свойств границы раздела между внутренним и/или внешним защитными слоями и ламинатом конструкционного слоя ТПКТ

Требования к продолжительности испытания по В.6.3 - для циклической усталости и по В.7.3 - для напряжения разрыва.

Приложение А

(обязательное)

Требования к рекомендациям по эксплуатации термопластичных композитных труб

А.1 Производителем ТПКТ должны быть разработаны инструкции по эксплуатации, в которых должны быть учтены все работы по техническому обслуживанию и ремонту, ограничения в процессе эксплуатации, а также действия в нештатных ситуациях.

А.2 Инструкция по эксплуатации ТПКТ должна содержать следующую информацию:

а) требования к процедурам транспортировки, хранения, намотки/разматывания;

б) требования к монтажу трубопровода из ТПКТ;

в) требования к методам и процедурам ремонтных работ;

г) требования к очистке труб и проходным выкидным трубопроводам (TFL);

д) допускаемые к применению чистящие средства;

е) описание системы газоотвода (если она предусмотрена конструкторской документацией) и скорость проникновения газов через слои ТПКТ;

ж) скорость декомпрессии ТПКТ (для газовых сред);

к) ссылка на исполнительную техническую документацию;

л) документ по стандартизации производителя на ТПКТ, содержащий:

- описание материала конструкционного слоя ТПКТ (толщина, углы намотки, послойная укладка и т.д.);

- диаметры ТПКТ (внутренний и внешний);

- вес одного метра ТПКТ (пустой и заполненный морской водой на воздухе, пустой и заполненный морской водой в морской воде);

- расчетные минимальное и максимальное давления и испытательные давления (следует указать является ли расчетное давление абсолютным или дифференциальным);

- расчетная минимальная и максимальная температуры эксплуатации;

- расчетная глубина эксплуатации;

- предельные нагрузки.

А.3 Исполнительная техническая документация

Исполнительная техническая документация должна содержать следующий минимальный обязательный объем информации:

а) справочный номер заказа покупателя;

б) описание поставляемой продукции;

в) ссылки на техническое здание на разработку и конструкторскую документацию;

г) сертификаты соответствия (декларации соответствия) на материалы;

д) контрольные измерения размеров;

е) результаты заводских приемо-сдаточных испытаний;

ж) несоответствия, выявленные во время изготовления и произведенные ремонты;

и) технические требования к процедуре сварки и аттестации персонала;

к) акты аттестации сварщиков;

л) карту соединений и соединения;

м) акты аттестации операторов NDT;

н) протоколы результатов NDT;

п) протоколы термообработки.

Приложение Б

(справочное)

Требования к исходным данным для конструирования термопластичных композитных труб

Требования к исходным данным для конструирования ТПКТ, соблюдение которых обеспечивает работоспособность ТПКТ в соответствии с функциональным назначением в течение всего срока службы, приведены в таблице Б.1.

Таблица Б.1 - Требования к исходным данным для конструирования ТПКТ

Приложение В

(рекомендуемое)

Общие требования к подготовке и проведению испытаний термопластичных композитных труб

В.1 Кондиционирование образцов (ламинат конструкционного слоя ТПКТ, внутренний, внешний защитные слои)

В.1.1 Наличие добавок в материалах образцов

Для полимеров должны быть определены показатели для сухих образцов и для образцов, насыщенных средой, характерной для окружающей среды и транспортируемых сред.

Если полимер содержит добавки, то следует оценить, могут ли добавки выщелачиваться транспортируемыми средами или испаряться на воздухе.

Типичными добавками, которые могут выщелачиваться, являются пластификаторы или низкомолекулярные сополимеры. Выщелачивание этих добавок может сделать полимер более жестким и хрупким.

Необходимо оценить, будут ли выщелоченные добавки заменены в полимере молекулами транспортируемых сред внутри или водой.

В.1.2 Сухие образцы

Образцы, испытуемые в сухих условиях, должны соответствовать ГОСТ 12423. Должны быть проведены измерения веса в зависимости от времени, чтобы убедиться, что образцы достигали стабильного веса и более не поглощают какие-либо среды. Рекомендуется следовать процедурам, изложенным в ГОСТ 12020.

В.1.3 Репрезентативные транспортируемые среды и окружающие условия

Для общей оценки ТПКТ рекомендуется проверить свойства материала в репрезентативной транспортируемой среде.

К репрезентативным транспортируемым средам относятся:

- пентан/октан;

- толуол;

- метанол;

- вода.

Должны быть выбраны условия кислотность/щелочность, которые подходят для условий эксплуатации.

Выбор репрезентативной среды должен быть согласован между изготовителем и покупателем.

В.1.4 Температура кондиционирования образцов

Для ускорения диффузии температуру процесса выщелачивания/насыщения выгоднее выбирать высокой. Однако процесс насыщения не должен вызывать фазовых преобразований или морфологических изменений. Следует рассмотреть возможность рекристаллизации. Процесс насыщения также может создавать некоторое старение при высоких температурах.

В.1.5 Выщелачивание добавок и насыщение водой

Испытуемые образцы помещают в водяную баню и оставляют в воде до тех пор, пока добавки не будут удалены и произойдет насыщение водой.

В зависимости от применения вода может быть морской или пресной. Если для удобства выбрана пресная вода, то должно быть документально подтверждено, что старение в пресной воде сопоставимо со старением материала в морской воде.

При удалении добавок из образца масса образца может уменьшиться. Потеря добавок может быть измерена высокоэффективной жидкостной хроматографией (ВЭЖХ) или другими подобными методами.

Если расчет более не показывает каких-либо значительных количеств добавок, добавки могут рассматриваться как отсутствующие. Некоторые материалы через какое-то время могут только диффундировать наружу. При коротких интервалах для предотвращения высоких концентраций добавок вода должна быть заменена новой порцией, которая должна замедлять диффузионный процесс.

Время насыщения устанавливают путем измерения веса образцов. Насыщение достигается, когда масса образцов больше не увеличивается. Рекомендуется тестировать тонкие образцы для уменьшения времени насыщения.

Объем воды должен быть большим по сравнению с площадью поверхности образцов. Объем воды должен составлять не менее 8 мл на квадратный сантиметр площади поверхности и не менее 300 мл на образец. Если используют меньшие объемы воды, то либо должна обеспечиваться хорошая циркуляция, либо должно быть показано, что вода не насыщается выщелачиваемыми материалами, что уменьшает дальнейшее выщелачивание.

Если добавки не выщелачиваются, то следует проводить кондиционирование для насыщения водой, а вымывание добавок может быть проигнорировано.

В.1.6 Выщелачивание добавок и насыщение углеводородами

Выщелачивание добавок и насыщение углеводородами проводят таким же образом, как для воды по В.1.5. Углеводороды должны быть репрезентативными для применения. Обычно для представления более сложной транспортируемой жидкости выбирают простой низкомолекулярный углеводород (см. В.1.3).

В.1.7 Выщелачивание добавок и насыщение водой и углеводородами

Добавки должны выщелачиваться в среде, наиболее подходящей для их удаления. Затем образцы подвергают воздействию репрезентативной смеси воды и углеводородов для получения насыщения.

Следует использовать методы по В.1.5 и В.1.6.

Должно быть обеспечено хорошее перемешивание многофазной транспортируемой жидкости.

Если известно, что полимер будет абсорбировать только один или несколько компонентов многофазной транспортируемой жидкости, то абсорбционная ванна может содержать только эти компоненты.

В.1.8 Удаление добавок на воздухе

Если полимер используется в сухих условиях и добавки могут испаряться на воздухе, их следует удалять на воздухе.

Если полимер в основном используют погруженным в воду или углеводороды, добавки могут выщелачиваться, как приведено в В.1.5 и В.1.6, при условии, что они растворимы в этих жидкостях.

Эти точки перехода можно получить двумя методами:

Рисунок В.1 - Изменение модуля упругости E в зависимости от температуры стеклования

Таблица В.1 - Условия для определения показателей полимеров

В.2 Температура испытаний и скорость нагрузки

В.2.1 Экстремальные температуры

Температурную зависимость свойств полимера устанавливают путем испытаний при самой низкой и самой высокой рабочих температурах. Для проектирования может быть необходимо получить свойства типичной рабочей температуры.

Проектирование ТПКТ только для экстремальных условий может привести к слишком большим запасам прочности.

Для различных транспортируемых жидкостей могут потребоваться различные экстремальные температуры испытаний, поскольку их сочетание должно быть физически возможно и применимо для условий эксплуатации.

Корректировка температур испытаний - в соответствии с В.2.4.

В.2.2 Допустимые температуры

Все пределы отклонения представляют собой относительные процентные значения испытаний.

Должны быть установлены предпосылки для испытания только при одной допустимой температуре для каждого условия абсорбции добавок и транспортируемых сред в полимере.

В.2.3 Скорости нагрузки

В течение срока службы ТПКТ будут подвергаться относительно низкой нагрузке. Здесь предполагается, что типичные скорости лабораторных испытаний являются репрезентативными для условий срока службы, т.е. статические механические свойства не зависят от скорости.

Если волокна проявляют ползучесть более 15% их деформации при статических испытаниях, могут потребоваться дополнительные испытания.

Ползучесть термопластичных полимеров в ТПКТ рассматривается как деградация материала матрицы.

В.2.4 Изменение температуры испытаний

Проводят оценку того, может ли этот эффект применим в программе испытаний. В случае необходимости могут потребоваться изменения температуры испытаний.

В.3 Нормативные значения

В.3.1 Прочность

Все данные о прочности и деформации следует указывать как среднее значение, среднеквадратическое отклонение и число испытуемых образцов. По данной информации можно вычислить нормативные значения. Нормативные значения могут быть получены только при наличии среднеквадратического отклонения и количества испытуемых образцов.

n - число измерений.

В.3.2 Деформативность

Нормативные значения показателей деформативности обычно приводят в виде средних значений. Должно быть указано среднеквадратическое отклонение измерений.

В некоторых случаях среднее значение может быть без запаса прочности. Если рассчитывают силы, вызванные изгибом, следует использовать максимальную жесткость. Если рассчитывают деформацию, вызванную данной силой, используют минимальные значения.

В.4 Определение показателей свойств ламелей ламината ТПКТ

В.4.1 Свойства ламелей

Ламинат ТПКТ обычно изготавливают из однонаправленной ленты, состоящей из слоев однонаправленных нитей. Координаты слоя:

1 - в направлении волокна;

2 - в плоскости, перпендикулярной к волокнам;

3 - по толщине, перпендикулярно к волокнам.

Координаты слоев (ламелей) и ламината схематически показаны на рисунке В.2. Координаты ламината являются цилиндрическими, но они приведены в более часто используемых обозначениях x, y, z для плоских ламинатов.

Если ламинат ТПКТ выполнен другим способом, например намоткой нити, ламинат должен быть описан как последовательность однонаправленных слоев.

Температура стеклования и температура плавления имеют то же значение, что и для полимеров.

Модули упругости при растяжении и сжатии одинаковы для линейного материала. Однако экспериментальные результаты несколько отличаются друг от друга. Этот подход позволяет фиксировать оба значения.

Рисунок В.2 - Координаты ламината и ламелей конструкционного слоя ТПКТ

Коэффициенты линейного теплового расширения приводят как линейные коэффициенты, независящие от фактической температуры:

Следует отметить, что характерная температура, не приводящая к тепловым напряжениям в ламинате, приблизительно соответствует температуре плавления или рабочей температуре ламината. Из-за процессов релаксации эта характерная температура может изменяться со временем.

Коэффициенты набухания задаются по набуханию материала при насыщении водой:

Набухание регулируется диффузией, а насыщение достигается только через определенное время. Набухание также зависит от жидкости, которая не всегда может быть водой.

В.4.2 Вычисление свойств ламели вместо проведения испытаний

Вместо определения в рамках проведения испытаний некоторые свойства могут быть вычислены.

Приведенные аналитические уравнения основаны на предположении, что ламели являются поперечно-изотропными. Это предположение действительно в большинстве случаев, пока микроструктура ламели не представляет условия симметрии, требуемые для ортотропного слоя.

Для большинства ламинатов граница раздела между ламелями имеет свойства, отличающиеся от свойств ламелей. Границы раздела, как правило, насыщены полимером и часто слабее. В таком случае допускается использовать только упрощенную формулу для типичной ламели/ламината:

Только для поперечно-изотропного слоя (без поверхности раздела) прочность с преобладанием матрицы в направлениях в плоскости и по толщине может быть определена следующим образом:

Преобладающие в матрице деформации разрушения в плоскости и в направлении по толщине могут быть установлены равными:

Коэффициенты теплового расширения и коэффициенты набухания в плоскости и в направлении по толщине могут быть установлены равными:

Для прогнозирования свойств ламелей иногда используют микромеханические или многоуровневые расчеты. Эти методы следует использовать только в том случае, если они могут быть подтверждены экспериментальными данными для конкретного материала.

В.4.3 Объемное содержание волокна

Свойства ламелей зависят от объемного содержания волокна.

Свойства могут быть скорректированы в пределах абсолютного изменения 15% объемного содержания волокна, например между 45% и 60%.

Для поправок следует использовать следующие формулы:

модуль упругости в направлении волокна

модуль упругости в направлении, перпендикулярном к волокну

модуль сдвига в плоскости

прочность при растяжении в направлении волокна

прочность при сжатии в направлении волокна

и

прочность при растяжении перпендикулярно к волокну

прочность при сжатии перпендикулярно к волокну

прочность при сдвиге в плоскости

В.5 Нелинейное поведение

Некоторые свойства материала могут быть нелинейными.

Нелинейность может быть эластичной, вязкоупругой или пластичной. К тому же граница линейности не может быть четко определена. Кривая напряжение-деформация на рисунке В.3 показывает пример кривой напряжение-деформация с границей линейности, которая трудно идентифицируется, см. также [7].

Рисунок В.3 - Пример кривой нелинейной зависимости напряжения от деформации при сдвиге

Наилучшим способом определения хрупкого и пластического поведений является многократное измерение кривых зависимости напряжения от деформации при сдвиге при нагрузке и разгрузке, постепенно увеличивая максимальную нагрузку.

Пластичность или вязкоупругость установлены, когда кривая разгрузки больше не совпадает с кривой нагрузки. Для целей расчета этот переход можно определить как предел текучести. Допускается использовать другие способы, если они подходят для расчета.

В качестве простого подхода предел текучести и деформации текучести могут быть взяты как точка, где пластическая деформация составляет более 20% линейной упругой деформации.

Модуль упругости, который должен быть выбран для целей расчета, следует определять на основе требований расчета. Оптимальными являются значения, соответствующие уровням напряжения или деформации в фактическом компоненте ТПКТ.

В.6 Циклические усталостные свойства

В.6.1 Общие требования

Циклические усталостные свойства должны быть проверены и документально подтверждены для конструкции каждого компонента динамического райзера. Расчет усталости в данном стандарте основан на кривых S-N (кривые Веллера). Данный раздел определяет, как должны быть получены кривые S-N для материалов, используемых в ТПКТ.

В.6.2 Получение нормативных кривых S-N

Нормативные кривые S-N необходимо использовать во всех расчетах проекта. Как правило, все данные о циклической усталости для ламината, внутреннего и внешнего защитных слоев ТПКТ следует измерять при регулируемой нагрузке. Если можно показать, что ламинат ТПКТ находится только в условиях регулируемого перемещения, то данные кривой S-N могут быть измерены при регулируемом перемещении.

Если внутренний защитный слой только двигается за ламинатом ТПКТ и не является несущим нагрузку, то данные для внутреннего и внешнего защитных слоев могут быть измерены при управляемом перемещении.

Внутренний и внешний защитные слои обычно являются несущими нагрузку элементами на концевом фитинге, особенно для межслойного сдвига. В этом случае кривые S-N должны быть измерены при регулируемой нагрузке.

R-отношение должно поддерживаться постоянным в течение одной серии испытаний. R-отношение вычисляют по формуле

Если кривые S-N измеряют при контроле нагрузки, смещение относительно числа циклов регистрируют периодически в зависимости от количества циклов нагрузки.

Данные измерения должны быть более или менее равномерно распределены по диапазону измерений на логарифмическом графике, схематически показанном на рисунке В.4.

Линия регрессии может быть получена только в случае отказа всех образцов из-за одного и того же механизма разрушения.

Рисунок В.4 - Схематическая кривая S-N, показывающая данные, среднюю кривую и нормативные кривые для интерполяции и экстраполяции

Кривые S-N полимера лучше всего представить в виде логарифма напряжения в зависимости от логарифма числа циклов.

Кривые S-N ТПКТ лучше всего представить в виде логарифмической деформации в зависимости от логарифмического числа циклов, поскольку это означает, что данные не зависят от объемного содержания волокна. Деформация, нанесенная на кривую S-N, является исходной деформацией, когда начинается испытание.

Изменение упругих свойств в зависимости от числа циклов может быть учтено в конструкции.

Среднюю кривую данных об усталости получают путем линейного регрессионного расчета для:

где N - число циклов;

Остатки для зависимой переменной log N должны быть сведены к минимуму, и должно быть вычислено среднеквадратическое отклонение логарифма N.

Уравнения (В.23) и (В.24) могут быть преобразованы следующим образом:

Нормативную кривую S-N следует рассчитывать с допуском 97,5% и доверительным интервалом 95%:

где среднеквадратическое отклонение кривой S-N - как описано выше, k приведено в таблице В.3. k зависит от количества испытаний и от того, интерполирована или экстраполирована нормативная кривая.

Таблица В.3 - Коэффициент сдвига k для характеристики кривой S-N

Скорость деформации должна поддерживаться постоянной во время серии испытаний. Испытательные частоты должны быть достаточно низкими для предотвращения разогрева образца внутренним трением. Температура не должна повышаться более чем на 5°C-10°C. Фазовые преобразования не должны происходить из-за повышения температуры. Температура испытания должна контролироваться во время испытания.

В случае использования устройства, препятствующего изгибу, при испытании на сжатие, следует удостовериться в том, что данное устройство не влияет на результаты испытаний.

Функция кривой S-N может быть нелинейна в log-log-представлении, описанном выше. В этом случае для расчета данных с учетом нелинейности используют эквивалентный статистический подход.

В.6.3 Число циклов при испытании и экстраполяция данных

Если ожидается более 106 циклов, данные могут быть экстраполированы. Нормативная кривая должна быть вычислена с использованием коэффициента k для экстраполяции, приведенного в таблице В.3.

Данные экстраполируются только в том случае, если не ожидается изменения в механизме разрушения. Следует подтвердить, что механизм разрушения не изменяется.

где N - предполагаемое число циклов без применения коэффициентов безопасности.

Остальные данные испытаний должны быть более или менее равномерно распределены по диапазону измерений на дважды логарифмическом графике, схематически показанном на рисунке В.4.

Выпадающие данные допускается использовать для вычисления наклона кривой S-N, но не следует использовать для вычисления среднеквадратического отклонения. Выпадающие данные всегда должны иметь больше циклов испытаний, чем 80% испытанных и вышедших из строя образцов.

Если минимальное число испытательных циклов выбрано равным 100, то максимальное число испытательных циклов должно соответствовать графику функции, приведенной рисунке В.5.

Рисунок В.5 - Требуемые испытательные циклы в зависимости от предполагаемого числа циклов в течение не менее 100 испытательных циклов

В.6.4 Усталость при разных R-отношениях

В идеальном случае кривые S-N должны быть установлены для трех R-отношений:

R = 0,1 (растяжение-растяжение);

R = -1 (растяжение-сжатие);

R = 10 (сжатие-сжатие).

Если можно измерить только одну кривую S-N, и материал подвергается воздействию различных условий нагрузки, то он должен быть измерен при R = -1.

Если материал используют для сжатия менее 10 циклов, то его достаточно проверить при R = 0,1. Также могут быть выбраны аналогичные R-отношения, такие как R = 0 или R = 0,05.

Если материал никогда не подвергается растяжению, то его достаточно проверить при R = 10. Также могут быть выбраны аналогичные R-соотношения. По данным испытаний должна быть построена диаграмма постоянного срока службы (диаграмма Goodman или Haigh, как показано на рисунке В.6), что позволяет прогнозировать срок службы до разрушения от усталости в различных комбинациях диапазонов деформации и средних значений. Схема должна основываться на нормативных кривых S-N. Прочность на растяжение и сжатие, используемая на диаграмме, также должна быть нормативной величиной. Пример диаграммы постоянного срока службы приведен на рисунке В.6.

Рисунок В.6 - Диаграмма постоянного срока службы

Полимеры часто показывают большую ползучесть во время испытания и могут быть протестированы только при R=-1.

В.7 Напряжение разрыва

В.7.1 Общие требования

Для проектирования каждого компонента ТПКТ показатели напряжения разрыва должны быть подтверждены испытаниями. В данном стандарте сопротивление длительным постоянным нагрузкам основано на кривых напряжения разрыва. Этот подраздел определяет, как должны быть получены кривые для материалов, используемых для ТПКТ.

В.7.2 Получение нормативных кривых напряжения разрыва

Кривые нормативного напряжения разрыва следует использовать при расчетах конструкции.

Все данные о напряжении при разрыве для материалов ТПКТ должны быть измерены при регулируемой нагрузке.

Данные должны быть представлены в виде log-напряжения в зависимости от log-времени. Данные испытаний должны более или менее равномерно распределяться в диапазоне измерений на дважды логарифмическом графике, как схематично показано на рисунке В.7.

Линия регрессии может быть получена только в том случае, если все образцы не выдерживают испытания с одним и тем же механизмом разрушения.

Рисунок В.7 - Схематическая кривая напряжения разрыва, показывающая данные, среднюю кривую и нормативные кривые для интерполяции и экстраполяции

Характеристики ползучести материала могут быть проверены при проведении испытаний для определения напряжения разрыва. Среднюю кривую данных о напряжении разрыва получают путем линейного регрессионного анализа для:

где t - время;

Чаще уравнение (В.30) записывают следующим образом:

Нормативную кривую S-N рассчитывают с допуском 97,5% и доверительным интервалом 95% (см. также [7]).

Следует отметить, что при использовании устройства, препятствующего смятию при испытании на сжатие, необходимо следить за тем, чтобы устройство, препятствующее смятию, не переносило каких-либо нагрузок, приводящих к увеличению срока службы.

Иногда кривая напряжения разрыва не является линейной в дважды логарифмическом представлении, описанном выше. В этом случае для расчета данных используют равноценный статистический подход с учетом нелинейности.

В.7.3 Время испытания и экстраполяция данных

Если время испытания менее 1000 ч, то кривые напряжения разрыва следует измерять до предполагаемого времени применения постоянной нагрузки на ТПКТ.

Если предполагается более 1000 ч применения постоянной нагрузки, то испытание следует проводить по крайней мере до 1000 ч. Для более длительного времени данные могут быть экстраполированы. При экстраполяции нормативную кривую следует вычислять с использованием коэффициента k, приведенного в таблице В.3.

Данные должны экстраполироваться только в том случае, если не ожидается изменения механизмов отказа. Следует обосновать утверждение, что механизм отказа не изменится.

где t - это время, когда статические нагрузки прилагаются без коэффициентов безопасности.

Остальные данные испытаний должны быть более или менее равномерно распределены по диапазону измерений на дважды логарифмическом графике, схематически показанном на рисунке В.7.

Выпадающие данные допускается использовать для расчета наклона кривой напряжения разрыва, но не следует использовать для расчета среднеквадратического отклонения. Выпадающие данные всегда должны иметь время испытания дольше, чем 80% времени испытанных и вышедших из строя образцов.

Минимальное время испытания должно составлять не менее 24 ч, и материал не должен проявлять текучесть при самых высоких испытательных нагрузках.

Рисунок В.8 - Требуемое время испытания в зависимости от периода применяемой нагрузки при минимальном времени испытания 24 ч (пример)

В.8 Влияние ультрафиолетового излучения

Должно быть подтверждено, что внешняя поверхность трубы устойчива к воздействию УФ-излучения в течение расчетного срока службы.

Испытание допускается выполнять на внешнем защитном слое ТПКТ или на полноразмерной ТПКТ. Толщина образца защитного слоя не должна превышать реальную толщину защитного слоя.

Допускается использовать ускоренные испытания, проведенные с учетом [8]. В качестве источника света метод А (см. [9]) определяет дуговые ксеноновые лампы, оснащенные фильтрами, с ограниченным спектральным излучением.

В.9 Испытания на проницаемость и диффузию

Методы испытаний, приведенные в настоящем разделе, являются рекомендательными и применимы только для ограниченного круга транспортируемых сред и образцов (см. [10]-[13]).

В.10 Испытание на сопротивление вздутию

В.10.1 Общие требования

Методы испытаний, приведенные в настоящем разделе, носят рекомендательный характер. Допускается использовать и другие методы испытаний. Обоснованность методов испытаний должна оцениваться для каждого отдельного случая.

В.10.2 Испытания полимера

Термопластичные полимеры внутренних и внешних защитных слоев могут быть испытаны с учетом [14]-[16]. Эти стандарты требуют повторного создания и снятия давления. При отсутствии ослабления термопластичного материала после пяти циклов испытания могут быть прекращены.

В.10.3 Испытания полимерного композита

Армированные волокном композиты ТПКТ следует испытывать по методикам, которые используют при испытании полимеров.

В.10.4 Испытания границ раздела

Если границы раздела между ламинатом и внутренним и внешним защитными слоями слабые, то должна быть измерена устойчивость к образованию вздутий. Образцы подвергают воздействию соответствующего газа под высоким давлением. Должны быть проведены расчеты, подтверждающие диффузию газа с поверхности через испытуемые границы раздела. После того как образцы достаточно долго будут подвергаться воздействию газа, должна быть выполнена программа испытаний, аналогичная программе для полимеров.

В.10.5 Определение характеристик деформативности ТПКТ в окружном направлении

Проведение испытания - см. [17].

Должны быть определены модуль упругости при изгибе в окружном направлении, предельная нагрузка при изгибе, предельный прогиб при изгибе.

Испытание проводят до момента нарушения сплошности материала ТПКТ или момента начала деламинации слоев ТПКТ.

Библиография