Установлено, что для бездефектных областей среднее значение адгезионной прочности, измеренное как в осевом, так и окружном направлении составляет
130-150 Н/см (рис. 1, а, б), при этом распределение контрольного параметра по интервалам приближенно соответствует нормальному.
В местах контакта смежных труб среднее значение адгезионной прочности составляет 170-250 Н/см, при этом, если непосредственно в области контакта произошло разупрочнение клеевого соединения (адгезионная прочность 30-50 Н/см), то по границе этой области наблюдается значительное увеличение контролируемого параметра до 350 - 370 Н/см (рис. 1, в, г).
Результаты измерения адгезионной прочности покрытия в окрестности отслоений показали, что на расстоянии в 3-5 см от границы отслоения наблюдается значительное упрочнение клеевого соединения покрытия и трубы, при этом контролируемый параметр достигает 370-390 Н/см (рис. 1, д, е). Среднее значение адгезионной прочности покрытия в окрестности отслоений по сравнению с бездефектными выше на 50-60 единиц и составляет 190-210 Н/см.
Таким образом, установлено, что в том случае, если покрытие не подвергалось каким-либо механическим воздействиям, его адгезионная прочность в пределах допустимого срока хранения изменяется незначительно. Увеличение адгезионной прочности покрытия на границе отслоений можно объяснить изменением свойств клеевого слоя (потеря эластичности, отверждение) под воздействием воздушной среды в полости отслоения при колебании температуры хранения.
Следует отметить разный механизм отслаивания при проведении измерений. Так, низкие значения контролируемого параметра наблюдаются при отслаивании покрытия со слоем сополимера и грунтовки (при этом под отслаиваемой контрольной полосой видна чистая металлическая поверхность), средние и высокие значения, при отслаивании с разрушением клеевого слоя (при этом на металле трубы остаются остатки клеевого слоя).
Рис. 1 Адгезионная прочность защитного покрытия в бездефектной области (а, б), в области контакта смежных труб в штабеле (в, г) и в области сквозного дефекта с отслаиванием (д, е) а, в, д - поле значений, б, г, е - гистограмма
Таким образом, можно сделать вывод, что любые механические воздействия, даже не способствующие возникновению сквозных повреждений вызывают изменения качества прилипания грунтовочного слоя к металлу. Очевидно, что любое сквозное повреждение также сопровождается снижением качества соединения грунтовочного слоя и металла, то есть в том случае, если повреждение будет отремонтировано стандартными методами, но при этом ремонтные материалы будут наноситься на старый грунтовочный слой, в окрестностях такого повреждения, под действием внутренних напряжений возможно развитие отслоений.
Во второй главе выполнены экспериментальные исследования по разработке и внедрению метода неразрушающего диагностирования защитных покрытий труб. Диагностирование отслоений под неповреждённым защитным покрытием труб возможно только с использованием ультразвукового и акустического импедансного методов неразрушающего контроля. Применяемый электроискровой метод, предназначенный для определения качества нанесения защитного покрытия по пробою электрическим разрядом, возникающим в местах сквозных дефектов, не чувствителен к отслаиваниям покрытия, не обладает необходимой разрешающей способностью и не позволяет установить границы отслоений.
Ультразвуковой (УЗ) высокочастотный эхо-метод позволяет с высокой точность определять границы отслоений при контроле, как с поверхности покрытия, так и с внутренней стороны стенки трубы. Основными недостатками УЗ-метода являются:
а) сложность интерпретации результатов;
б) необходимость использования контактной среды между пьезоэлектрическим преобразователем и поверхностью покрытия, что затрудняет контроль при отрицательных температурах.
С целью устранения указанных недостатков для диагностирования защитных покрытий труб был экспериментально адаптирован акустический импедансный метод, который основан на зависимости механического импеданса Z, характеризующимся отношением комплексной амплитуды F возмущающей силы к комплексной амплитуде возбуждаемой ею колебательной скорости контролируемого объекта, от наличия дефектов в контролируемом покрытии. При этом в трубе с покрытием возбуждаются изгибные упругие колебания звукового диапазона частот. В отличие от характеристического импеданса Z = ·с ( - плотность среды, с - скорость звука в ней), являющегося свойством среды, механический импеданс является параметром конструкции.
В ходе экспериментальной отработки метода на образцах установлено, что при возбуждении контролируемого покрытия трубы излучающим вибратором раздельно-совмещенного преобразователя амплитуда сигнала на выходе его приемного вибратора зависит от механического импеданса изделия в точках соприкосновения вибраторов с объектом. На дефектных участках контролируемого покрытия модуль импеданса меньше, чем в бездефектных зонах, поэтому амплитуда сигнала на выходе приемного вибратора обычно увеличивается, что является признаком дефекта.
Для калибровки прибора разработан и изготовлен контрольный образец (рис. 2).
Рис. 2 Имитационный образец для настройки импедансного дефектоскопа 1 - верхний стяжной элемент; 2 - нижний стяжной элемент; 3 - полиэтиленовое покрытие; 4 - стяжной болт; 5 - нажимной болт; 6 - нажимной элемент
Целью экспериментов является улучшение информативности неразрушающего импедансного метода за счет создания оптимальных условий контроля, при которых характеристики физико-акустических свойств покрытия соответствуют величинам оптимальной чувствительности импедансного метода, а также за счет использования калибровочных зависимостей наличия нарушений соединения, получаемых на образце и применяемых для процедуры настройки приборов.
Образец состоит из верхнего 1 и нижнего 2 кольцевых стяжных элементов, между которыми зажимается полиэтиленовое покрытие. В образце имитируется плотное прилегание отслоившегося покрытия. Нажимные болты 5 при закручивании упираются в нажимной элемент 6, при этом верхняя часть нажимного элемента взаимодействует с нижней поверхностью полиэтиленового покрытия 3.
Контактные поверхности верхнего зажимного и нижнего зажимных элементов имеют шероховатость, исключающую проскальзывание полиэтиленового покрытия при нагружении. После завершения сборки, образец постепенно нагревается, при этом производятся контрольные замеры с помощью импедансного дефектоскопа. При нагреве образца происходит расширение полиэтиленового изоляционного покрытия, в результате чего зазор между нажимным элементом и нижней поверхностью полиэтиленового покрытия увеличивается до некоторой величины, что способствует увеличению выходного сигнала индикатора дефектоскопа при проведении измерений. На основании замеров, проведённых на образце, строят калибровочные зависимости величины выходного сигнала импедансного дефектоскопа и температуры полиэтиленового изоляционного покрытия, по которой определяют оптимальный диапазон температур контроля t (рис. 3). На калибровочных зависимостях также указывается график, характеризующий выходной сигнал дефектоскопа при контроле хорошо приклеенного покрытия при различной температуре, а так же график, показывающий усилие отрыва приклеенного полиэтиленового покрытия от поверхности трубы, в зависимости от температуры.
Рис. 3 Зависимости усилия отрыва защитного покрытия (1), выходного сигнала дефектоскопа (2) и хорошо приклеенного покрытия (3) от температуры
Контроль защитного покрытия после сварки труб выполняется в прикромочной зоне покрытия, а также в районе продольного сварного шва трубы. Перед проведением измерений область проведения исследований нагревается до необходимой температуры, после чего датчик дефектоскопа перемещается по поверхности покрытия и по показаниям прибора устанавливается наличие отслоений, а также их геометрические размеры.
В ходе промышленного внедрения импедансного метода выявлены единичные сквозные и несквозные, одиночные и групповые дефекты защитного покрытия, в том числе в окрестности сквозных дефектов выявлены скрытые, значительные по площади отслоения, которые не могли быть выявлены другими методами. Практически все дефекты покрытия сопровождаются отслоениями площадью, превышающую площадь видимого дефекта в 2-10 раз.
В третьей главе разработаны рекомендации по поддержанию защитной способности покрытий при длительном хранении труб. Новыми, ранее не применяющимися организационно-техническими мероприятиями, обеспечивающими сохранность защитных покрытий при хранении труб, являются:
- периодическая перекладка труб в штабелях;
- использование защитных укрытий (экранов).
Периодическая перекладка необходима при хранении труб без использования защитных экранов, так как в этом случае вследствие длительного воздействия (в летний период) прямых солнечных лучей, способствующих неравномерному нагреву поверхности труб, а также под действием внутренних напряжений возможны деформации некоторых участков покрытия и, как следствие, возникновение отслоений. Длительное воздействие солнечных ультрафиолетовых лучей способствует растрескиванию поверхности покрытия за счет деструкции. Перекладку штабелей труб выполняют один раз в 2 года в летний период при температуре воздуха не менее плюс 20 С. При перекладке трубы с защитным покрытием из нижнего ряда, покрытие которых испытывает наибольшее давление в зонах контактного соприкосновения, укладывают в верхний ряд вновь формируемого штабеля. При длительном (более 2 лет) хранении труб с защитными покрытиями в трассовых условиях применяют защитные укрытия (экраны), изготавливаемые из укрывного материала, отражающего солнечные лучи и обеспечивающего однородность распределения температур на поверхности защитного покрытия труб.
Разработаны мероприятия по предохранению защитных покрытий труб в ходе сварочных работ при строительстве трубопроводов. Расчетным путем проводилась оценка распределения теплового поля сварки по трубе с защитным покрытием заводского нанесения. Цель расчета - обосновать уравнение, позволяющее определять температуру покрытия для прогноза его состояния (твердое, эластичное, вязко-текучее) при сварке. За основу расчета была взята известная методика расчета температур сварки в трубе без покрытия Н.Н. Рыкалина (1959 г.). Данная методика была усовершенствована путем учета влияния полимерного защитного покрытия в процессах теплообмена (рис. 4).
Рис. 4 Схема к расчету распределения сварочного тепла по трубе с покрытием
1 - труба, 2 - покрытие, Q - теплота от сварочной дуги, Q1- теплота на кромке покрытия, Q/ - теплота на удалении L2 от кромки покрытия, Q// - теплота конвективной теплоотдачи через покрытие, Q/// - теплота конвективной теплоотдачи внутрь трубы, дП - толщина покрытия, дМ - толщина трубы
Теплота Q1 характеризует такой вид передачи тепла, как теплопроводность и определяется по формуле:
, (1)
где лм - коэффициент теплопроводности стали, Вт/(м·0С); Sсеч - площадь поперечного сечения трубы, м2; - время действия сварочной дуги, с.
Площадь поперечного сечения трубы Sсеч определяется по формуле:
(2)
где D - внешний диаметр газопровода, м.
Время сварки или время излучения электрической дугой теплоты определяется из выражения:
(3)
где Dср - срединный диаметр трубы, мм; - скорость перемещения источника, м/с; n - общее число проходов сварочного аппарата.
Теплота Q2 определяется по формуле:
(4)
где б3 - коэффициент теплоотдачи от трубы в пространство окружающей среды, Вт/(м2·0С); - площадь теплоотдающей поверхности (участок 1-2, внешняя поверхность трубы), м2; ДT1 - температурный напор, 0С; t - время с момента начала сварки, с.
Площадь теплоотдающей поверхности выражается формулой:
(5)
Температурный напор находится по формуле:
(6)
где Tср - средняя температура по трубе на участке длиной L1, 0C; Tос - температура окружающей среды, 0C
В общем случае средняя по длине участка трубы температура определяется по следующей формуле
(7)
Теплота Q3 определяется аналогично теплоте Q2:
, (8)
где - площадь теплоотдающей поверхности (участок 1-2, внутренняя поверхность трубы), м2.
Площадь теплоотдающей поверхности выражается формулой:
(9)
где d - внутренний диаметр газопровода, м.
Определив все исходные величины, составляем уравнение теплового баланса, для нахождения закона распределения температуры на участке 1-2:
(10)
Введем следующие обозначения:
;
.
Решая уравнение (10), получаем следующую зависимость:
(11)
где x - расстояние от источника тепла до искомой точки.
Теплота Q1, распространяясь на участке 2 - 3, разделится на 3 части:
Q/ - будет распространяться дальше вдоль трубы на участке длиной L2;
Q// - теплоотдачи от внешней поверхности трубы через слой покрытия в окружающую среду;
Q/// - теплоотдачи от внутренней поверхности трубы.
Меры этих теплот определяются подобно их аналогам на участке 1 - 2: