аспирант
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
аспирант
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
сотрудник
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
УДК 620.178.169 Прочие методы испытаний на износ
В данной статье представлены исследования абразивной изностойкости внутренней поверхности стеклокомпозит-ных труб, которые прокладываются по технологии микротоннелирования при строительстве водопроводов питье-вой воды, ирригационных и канализационных систем. Благодаря очень гладкой внутренней поверхности, трубы име-ют высокий коэффициент скорости прохождения жидкости по трубе и низкий коэффициент шероховатости. При длительной эксплуатации перемещения воды и твердых частиц по трубопроводу в конечном итоге приводит к изно-су внутренних стенок трубы. Изучение данных по абразивному износу и абразивной стойкости стеклокомпозитных труб позволяет рассчитывать работоспособность трубопровода при заданных условиях, прогнозировать срок без-аварийной эксплуатации трубопроводов, а также проводить обоснованный выбор материала для изготовления трубопровода. В качестве объектов исследования были выбраны образцы стеклокомпозитных труб, изготовленные ООО «Новые Трубные Технологии» методом непрерывной намотки с внутренним слоем на основе: ортофталевой по-лиэфирной, изофталевой полиэфирной и винилэфирной смол. Оценка общей износостойкости внутренней поверхно-сти труб проводилась на испытательном стенде по Дармштадскому методу (ГОСТ Р 55877-2013, метод Б). Данный метод позволяет имитировать истирание и износ футеровок и труб, которые могут возникнуть в реальных условиях эксплуатации. В качестве абразивного материала использовался дробленый кварц. По результатам исследований были определены среднеарифметические значения износа и коэффициенты безопасности стеклокомпозитных труб в зависимости от количества испытательных циклов. Данные были использованы для выбора наиболее перспективно-го материала в качестве полимерной матрицы для производства стеклопластиковых труб для систем водоснабже-ния и водоотведения.
композиционные материалы, стеклокомпозиты, абразивный износ, срок эксплуатации, микротоннелирование, дармштадский метод
Введение
С начала XXI века изделия из стеклокомпозитов составляют все большую конкуренцию в строительной промышленности таким материалам как сталь, чугун, полиэтилен, полипропилен, железобетон и другое, благодаря своим высоким механическим и эксплуатационным характеристикам. В частности, стеклокомпозит нашел применение как материал для изготовления труб при сооружении водопроводов, трубопроводов бытовой канализации, промышленных и других водостоков. Для производства водопроводных и канализационных труб большого диаметра до 4000 мм обычно используются стеклокомпозиты на основе связующего из полиэфирных или винилэфирных смол. Полиэфиры обладают отличной общей водостойкостью и химической стойкостью, а также отличаются устойчивостью к кислотам. Винилэфирные смолы представляют собой отдельный тип смол, хотя они отверждаются и перерабатываются так же, как полиэфиры [1 – 3].
В сфере жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ) одним из наиболее перспективных методов строительства новых инженерных сетей является метод бестраншейной прокладки – микротоннелирование. Микротоннелирование позволяет прокладывать трубопроводы и тоннели без вскрытия поверхности развитой инфраструктуры и обустройства объездных путей, что значительно сокращает стоимость и сроки проведения работ. Выбор стеклокомпозитных труб для микротоннелирования определяется сочетанием эксплуатационных требований к трубе, а также оценкой способности трубы и системы соединения труб выдерживать осевые усилия во время монтажа [4 – 8].
После установки трубы должны отвечать строгим требованиям по устойчивости к коррозии, абразивному износу, герметичности самой трубы и соединительных элементов, высоким гидравлическим характеристикам и способности воспринимать значительные нагрузки при усадке грунта в течение всего периода эксплуатации.
Благодаря очень гладкой внутренней поверхности трубы имеют высокий коэффициент скорости прохождения жидкости по трубе и низкий коэффициент шероховатости. В результате скорость прохождения жидкости по трубе на 15 % больше, чем у железобетонных и других типов труб при таком же угле наклона. При длительной эксплуатации перемещения воды и твердых частиц по трубопроводу в конечном итоге приводит к износу внутренних стенок трубы. Скорость и степень износа зависят от свойств абразивного материала, таких как гранулометрический состав, химический состав, скорость прохождения абразивного материала через трубу и другие [9]. В связи с этим, абразивный износ или истирание в системах водоотведения является одним из основных критерием оценки срока службы труб.
Целью данной работы являлось изучение данных по абразивному износу и абразивной стойкости стеклокомпозитных труб, изготовленных на основе различных полимерных матриц. В результате исследований будет рассчитана работоспособность трубопровода при заданных условиях, спрогнозирован срок безаварийной эксплуатации трубопроводов, а также проведен обоснованный выбор материала для изготовления трубопровода.
Материалы и методы
В качестве объекта исследования выбрана стеклокомпозитная труба для микротоннелирования, изготовленная методом непрерывной намотки с внутренним слоем на основе:
– изофталевой полиэфирной смолы (образец № 1);
– ортофталевой полиэфирной смолы (образец № 2);
– винилэфирной смолы (образец № 3).
Образцы для испытаний представляли собой отрезки труб (диаметр DN 400 мм, рабочее давление PN 0,6 МПа, кольцевая жесткость SN 5000 Па), торцы которых были гладкими, ровными и перпендикулярными оси трубы. Верхняя часть отрезков трубы была срезана на половину диаметра плоскостью, параллельной продольной оси трубы. С торцов образцы герметично перекрывались пластинами, являющимися частью испытательного стенда.
Длина образца была принята 1000 ± 10 мм по ГОСТ Р 55877-2013. Количество образцов для испытаний трубной продукции одного наименования – 1 шт. Исходные трубы изготовлены в соответствии ТУ 22.21.21-004-99675234-2019 [10, 11].
Перед проведением испытаний были измерены: длина каждого образца; внутренний диаметр; толщина стенки с точностью ± 0,5 мм. Численные значения измерений представлены в табл. 1.
Испытания выполнялись на экспериментальной установке, состав, основные характеристики и схема которой описаны в ГОСТ Р 55877-2013 (метод Б – Дармштадский метод). Принципиальная схема испытательного стенда, позволяющего имитировать истирание и износ футеровок и труб, которые могут возникнуть в реальных условиях эксплуатации представлена на рис. 1.
В данной работе для проведения исследований применяли «Испытательный стенд для выполнения испытаний образцов труб из реактопластов, армированных стекловолокном, по ГОСТ Р 55877-2013 (метод Б)» (заводской номер ДШС-001), который состоит из рамы испытательного стенда с мотором-редуктором, измерительного устройства с индикатором и счетчика импульсов. Стенд оснащен устройствами для фиксации образца, исключающими его возможные смещения в течение всего времени испытаний, и позволяет проводить испытания одновременно трех образцов трубной продукции [12].
В качестве абразивного материала использовался дробленый кварц, изготовленный по ТУ 571726-002-45588031-01, с размером макрогранул 4,0…5,0 мм (условно соответствует зернистости F4 корунда). Фотография просеянного абразивного материала, применявшегося в испытаниях, представлена на рис. 2. Для наполнения одного образца абразивной смесью (кварцит и вода) использовалось 5,8 кг кварцита. Ширина зеркала воды после размещения абразивной смеси составляла 235 ± 3 мм. Такое соотношение абразивного материала и воды обеспечило равномерное перемещение абразивной смеси по поверхности испытуемых образцов.
Перед началом испытаний рама испытательного стенда была установлена в горизонтальном положении. В раме закреплялись образцы с торцевыми пластинами. Изображение установленных образцов представлено на рис. 3.
В «нулевой зоне» каждого образца на расстоянии 20 мм от края были выбраны точки сравнения, не подвергаемые истиранию в процессе испытаний (маскировались армированной лентой). Относительно этих точек была измерена относительная высота контрольных точек до начала испытаний для последующего измерения величины износа.
После проведения измерений образцы были заполнены абразивной смесью, как было описано ранее, а края образцов были закрыты армированной полимерной пленкой для предотвращения выплескивания. Стенд был включен в рабочий режим согласно ГОСТ Р 55877-2013: скорость качаний рамы испытательного стенда составляла 10 ± 2 испытательных циклов в минуту с углом наклона образцов ± 22,5° относительно горизонтальной плоскости. Таким образом, за один испытательный цикл образцу придавалось угловое перемещение равное 90°. Во время каждого наклона образца, закрепленного в раме испытательной установки, абразивный состав перемещается от одной торцевой пластины к другой, вызывая тем самым абразивный износ в нижней части внутренней поверхности образца.
Относительно выбранной измерительной базы были записаны координаты контрольных точек вдоль продольной линии, параллельной оси трубы, с помощью измерительного устройства ИЧЦ-0-25 0,001 (рис. 4).
Для каждого образца было установлено 69 контрольных точек следующим образом: первая точка в каждом образце располагалась на расстоянии 160 мм от края трубы, далее контрольные точки располагались с шагом 10 мм (точность не менее ± 0,02 мм). Последняя контрольная точка в каждом образце располагалась на расстоянии 160 мм от второго края образца.
Для измерения количества пройденных испытательных циклов использовался счетчик импульсов СИ20-У.Н.Р. с бесконтактным индуктивным датчиком LA.30-55.P4.U1.K. Суммарное количество испытательных циклов в серии разовых испытаний составляло 200000. Количество испытательных циклов в каждом разовом испытании – 50000. После выполнения каждого разового испытания (при достижении 50000 испытательных циклов, количество которых измерялось счётчиком импульсов) из образцов удалялась абразивная смесь и измерялся износ в каждой контрольной точке (ɑi). Помимо этого, визуально определялись и фиксировались признаки повреждения внутренней поверхности образцов.
Чистое время работы испытательного стенда составило 334 ч. Непрерывность работы испытательного стенда контролировалось системой видеонаблюдения и дистанционного управления работой привода.
После проведения испытаний для каждого разового испытания (k) вычисляли среднеарифметическое значение износа по формуле:
(1)
где ai – износ в каждой контрольной точке, мм; n – количество контрольных точек.
Результаты исследования
Значения среднеарифметического износа образцов труб после каждого единичного испытания, которые были рассчитаны на основании измеренных значений износа в контрольных точках для каждой трубы в зависимости от количества испытательных циклов представлены в табл. 2.
График зависимости износа от количества испытательных циклов представлен на рис. 5.
На основании полученных результатов в соответствии с пунктом 9.2.3 ГОСТ Р 55877-2013 были рассчитаны коэффициенты безопасности (Fбk) стеклокомпозитных труб систем водоотведения в зависимости от количества испытательных циклов по формуле:
(2)
где aсредн,k – среднеарифметическое значение износа для разового испытания номера k, мм; δл – толщина лайнерного слоя стеклокомпозитной трубы, мм.
Результаты расчетов представлены в табл. 3.
Показатель износа, именуемый как «дармштадский ресурс», определялся как длина потока абразивной смеси, вызывающая износ 100 % толщины лайнерного слоя. Предполагалось, что 200 000 испытательных циклов соответствуют пробегу потока взвеси протяженностью 400 км. Для оценки количества испытательных циклов, необходимых для истирания лайнерного слоя (толщиной 1,5 мм для всех трех образцов), полученные зависимости износа от количества циклов были аппроксимированы к полиномиальным функциям (в степени 2, величина достоверности аппроксимации R2 составила не менее 0,99). Полученные в графическом виде зависимости представлены на рис. 6.
По экстраполяции полученных зависимостей было определено предполагаемое количество испытательных циклов, необходимых для разрушения лайнерного слоя каждого образца (при допущении об устоявшемся характере разрушения лайнера). Результаты определения представлены в табл. 4.
Зная расчетную скорость течения воды на участке самотечного трубопровода, можно определить долговечность лайнерного слоя, выраженную через износостойкость. На рис. 7 представлена зависимость долговечности (стойкости к истиранию) лайнерного слоя испытываемых труб в зависимости от скорости потока абразивной смеси.
Полученные зависимости, выраженные через функции, представлены в табл. 5.
Кроме этого, проводился визуальный осмотр поверхностей образцов после испытаний (рис. 8 а, б, в). На поверхности образцов 1 и 2 были видны сколы, образовавшиеся при испытании. На образце 3 наличие образовавшихся дефектов носит единичный характер
Выводы
По результатам испытаний на определение износостойкости внутренней поверхности стеклокомпозитных труб в соответствии с ГОСТ Р 55877-2013 (метод Б – Дармштадский метод) срок эксплуатации труб составляет не менее 50 лет (эквивалент 100 000 циклов).
Максимальный износ лайнерногослоя за 100 000 циклов составил не более 5 % (0,073 мм). Дополнительно проведенные испытания до 200 000 циклов, показали, что максимальный износ составляет не более 24 % (0,355 мм)
от общей толщины лайнерного слоя.
Результаты расчетов были использованы для выбора наиболее перспективного материала в качестве полимерной матрицы при производстве стеклокомпозитных труб для их установки методом микротоннелирования. Стойкость труб с внутренним слоем на основе винилэфирной смолы не менее чем в 2 раза превосходит по абразивной стойкости трубы с внутренним слоем из орто- и изофталевой полиэфирной смолы.
1. Бьёркланд И. Пласмассовые трубы, их характе-ристики и области применения. М.: NPG, 2000. 116 с.
2. Li Hong (Ed.) Fiberglass Science and Technology: Chemistry, Characterization, Processing, Modeling, Appli-cation, and Sustainability. Springer, 2021. 555 p.
3. Асланова М.С., Колесов Ю.И., Хазанов В.Е., Ходаковский М.Д., Шейко В.Е. Стеклянные волокна. М.: Химия, 1979. 256 с.
4. Лопатина А.А., Сазонова С.А. Анализ техноло-гий укладки труб // Вестник ПНИПУ. Строительство и архитектура 2016. Т. 7. № 1. С. 93-111.
5. Li Hong (Ed.) Fiberglass Science and Technology: Chemistry, Characterization, Processing, Modeling, Appli-cation, and Sustainability. Springer, 2021. p.555
6. Альтмайер Г. Напорные трубы для воды, газа и промышленных трубопроводов. Справочник по пласт-массовым трубам / Л.: Химия, 1985. 248 с.
7. Ромейко В.С. Трубы и ускорение развития эко-номики. М.: Экономика, 1989. 150 с.
8. Мельников Д.А., Иванов С.В., Антошин В.А. Стеклокомпозитные трубы и изделия из них: заданное сочетание эксплуатационных и технологических свойств // Наилучшие доступные технологии водо-снабжения и водоотведения. 2020. № 6. С. 22-23.
9. Raymond L. Sterling. Developments and research directions in pipe jacking and microtunneling // Under-ground Space, 2020, Vol. 5, Issue 1. pp. 1-19.
10. ГОСТ Р 55877-2013. Трубы и детали трубо-проводов из реактопластов, армированных стеклово-локном. Методы испытаний. Определение износостой-кости внутренней поверхности.
11. ТУ 22.21.21-003-99675234-2019 (взамен ТУ 2296-003-99675234-2007). Трубы, муфты, фасонные и соединительные детали трубопроводов из реактопла-стов, армированных стекловолокном, изготовленные по технологии «НТТ», для питьевого водоснабжения. Тех-нические условия. Дата введения 01.07.2019 г.
12. Албагачиев А. Ю. Патент на полезную мо-дель. Российская Федерация, МПК G01N19/02 / Маши-на для измерения трибометрических параметров мате-риалов. // А.Ю. Албагачиев, А.Г. Абакумкин., Ю.В. Ба-ранов, В.Н. Хованский., Н.П. Хованская. Заявитель и патентообладатель: Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН (RU) - 2011138337/28; за-явл.20.09.2011115919. опубл. 20.09.2011.
