СПОСОБ ОЦЕНКИ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МНОГОСЛОЙНОГО ПОЛИМЕРНОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ НЕФТЕПРОДУКТООБЕСПЕЧЕНИЯ Российский патент 2007 года по МПК G01N33/22 G01N33/44 

Изобретение относится к методам исследования свойств многослойных полимерных материалов, применяемых для изготовления эластичных резервуаров, поддонов, рукавов, фильтроэлементов, трубопроводов, бочек, канистр, барабанов, внутренних покрытий и т.д., и может быть использовано при разработке (модернизации), производстве, эксплуатации и ремонте технических средств нефтепродуктообеспечения.

Технические средства нефтепродуктообеспечения предназначены для хранения и транспортирования товарных нефтепродуктов, представляющих собой сложную смесь углеводородов различной групповой принадлежности, молекулярной массы и строения, а также неуглеводородных (сернистых, азотистых, кислородных) соединений и различных (вязкостных, противоизносных, моющих и других) присадок.

В последние годы все более актуальной становится проблема снижения габаритно-массовых характеристик с одновременным повышением надежности эксплуатации технических средств нефтепродуктообеспечения за счет использования в их конструкции полимерных материалов.

Применение полимеров обусловлено рядом преимуществ перед металлическими материалами: низкая плотность, высокая прочность, стойкость к агрессивным средам, долговечность, способность принимать требуемую форму, возможность использования современных технологий производства, хранения и утилизации [В.К.Крыжановский, В.В.Бурлов, А.Д.Паниматченко, Ю.В.Крыжановская. Технические свойства полимерных материалов, Санкт-Петербург, издательство «Профессия», 2003, с.6].

В настоящее время проявляется повышенный интерес к многослойным полимерным материалам, обладающим барьерными свойствами к нефтепродуктам, кроме этого комбинация слоев позволяет добиться лучших механических свойств, при этом суммарная толщина многослойного материала может быть на 15-20% меньше, чем однослойного [А.Павленко. Оборудование для производства полимерных пленок и перспективы использования полученной на нем продукции. Тематическое приложение к журналу «Индустрия упаковки», №2-3, 2005, с.36]. Улучшение барьерных свойств достигается за счет наличия в полимерном материале нанокомпозита, который содержит полимер (сополимер этилена и винилового спирта EVON, найлон 6, MXD6, полиакрилнитрил ПАН, полиэтилентерефталат ПЭТФ, поликетон, термопластик и этилен/малеиновый ангидрид ЭМА) и частицы модифицированной глины, имеющие наноразмеры (патент РФ № 2270146, МПК B65D 35/08). Известно также, что эксплуатационные свойства полимерных материалов: прочность, плотность, электропроводность, теплоемкость, фрикционность, стойкость к биоповреждениям и др. повышают с помощью специальных добавок [В.К.Крыжановский, В.В.Бурлов, А.Д.Паниматченко, Ю.В.Крыжановская Технические свойства полимерных материалов, Санкт-Петербург, издательство «Профессия», 2003, с.16, 17].

Применение современных многослойных полимерных материалов (L 328 NESU, ТПОЭР ТУ 405831-2005, «Полифуд С(30)140» ТУ 2245-001-52186250-2005 и др.) в технических средствах нефтепродуктообеспечения позволяют обеспечить высокую надежность и экологическую безопасность эксплуатации.

Особенностью эксплуатации технических средств нефтепродуктообеспечения является периодический контакт внутренней поверхности топливостойкого слоя с нефтепродуктом (заполнение, хранение и опорожнение), а также испарение и проницаемость нефтепродукта через многослойный полимерный материал.

Проницаемость нефтепродукта - важнейший эксплуатационный показатель оценки возможности использования многослойных полимерных материалов для изготовления технических средств нефтепродуктообеспечения. Проницаемость позволяет определить не только количественные потери нефтепродукта, но и степень пожароопасности, загрязнения окружающей среды, влияния на обслуживающий персонал и другие факторы при эксплуатации технических средств.

Практика показала, что при контакте с нефтепродуктом из многослойного полимерного конструкционного материала экстрагируются наполнители: антифризы, антистарители, пластификаторы, отвердители, реологические добавки, красители, антисептики, антистатики. Экстракция наполнителей ухудшает деформационно-прочностные свойства не только технического средства из многослойного полимерного материала, но и качество хранимых (транспортируемых) нефтепродуктов.

Кроме того, средства нефтепродуктообеспечения используются в различных климатических районах I₁-II₁₂ (очень холодный - очень жаркий) с интервалом температур от минус 50 до плюс 70°С [ГОСТ 16350-80 Климат СССР. Районирование и статистические параметры климатических факторов для технических целей, Москва, Издательство стандартов, 1986, с.2].

Температура оказывает существенное влияние на многослойные полимерные материалы: с повышением температуры степень и скорость изменения физико-механических свойств многослойных полимерных материалов при контакте с нефтепродуктами увеличивается.

Одной из проблем эффективного применения многослойных полимерных материалов для изготовления технических средств нефтепродуктообеспечения является прогнозирование надежности эксплуатации в конкретных климатических условиях.

Известен способ определения стойкости полимерных материалов (пластмасс) к действию химических сред, включающий подготовку стандартных образцов пластмасс, образцов реагентов: жидких химических веществ, растворов твердых химических веществ и технических жидких сред (топлива, масла и т.п.) заданного качества и определения при заданных температуре и времени их стойкости к указанному воздействию по изменению величины одного или нескольких показателей: массы, линейных размеров и механических свойств в ненапряженном и напряженно-деформированном состоянии [ГОСТ 12020-72 Пластмассы. Методы определения стойкости к действию химических сред, Москва, Издательство стандартов, 1980, с.1].

Недостатком известного способа определения стойкости полимерных материалов к действию химических сред является низкая достоверность оценки изменения физико-механических показателей полимерных материалов после воздействия агрессивной среды, не отражающая реальных условий эксплуатации, что связано с характером контакта (объемное погружение) испытуемых образцов в агрессивную среду.

Известен способ оценки влияния светлых нефтепродуктов на изделия из полимерных материалов, включающий подготовку образцов полимерных материалов заданной массы, взаимодействие этих образцов с агрессивной средой при заданной температуре в течение заданного времени и последующее определение информативного показателя по расчетной формуле. При этом задают коэффициент кратности конкретного изделия заданной вместимости светлого нефтепродукта, который используют в качестве агрессивной среды, готовят образец светлого нефтепродукта с заданной концентрацией фактических смол и разделяют его на две равные по массе части, по отношению массы одной части образца к заданному коэффициенту кратности определяют массу образца полимерного материала, который помещают в одну из частей образца светлого нефтепродукта, выдерживают в герметичном контейнере обе части образца светлого нефтепродукта при температуре от 20 до 50°С, причем выдержку светлого нефтепродукта с образцом полимерного материала осуществляют до достижения этим образцом равновесного состояния набухания, которое устанавливают по достижении образцом постоянного значения массы, охлаждают обе части образца светлого нефтепродукта до комнатной температуры и определяют концентрации фактических смол в обеих частях этого образца, а в качестве информативного показателя используют разность этих концентраций, которая для полимерного материала, применимого для хранения данного светлого нефтепродукта, составляет для авиационных бензинов и реактивных топлив от 0,1 до 3 мг/100 см³, для автомобильных бензинов от 0,1 до 5 мг/100 см³, для дизельных топлив от 0,1 до 10 мг/100 см³ [заявка № 2005123851/04 (026855) от 27.07.2005 г., МПК 7 G01N 33/44, решение о выдаче патента от 12 мая 2006 г.].

Недостатками известного способа являются:

низкая достоверность оценки показателей после воздействия агрессивной среды, не отражающая реальных условий эксплуатации, что связано с характером контакта (объемное погружение) испытуемых образцов в агрессивную среду;

контакт образца многослойного полимерного материала с агрессивной средой осуществляется без учета барьерных свойств (максимальной проницаемости нефтепродукта через испытуемый материал) топливостойкого слоя;

оценка влияния нефтепродуктов на изделия из полимерных материалов по изменению углеводородного состава является необходимым, но недостаточным условием для принятия решения о допуске полимерного материала к применению в технических средствах нефтепродуктообеспечения и требует проведения исследований изменения физико-механических показателей полимерного материала после контакта с нефтепродуктом.

Наиболее близким по технической сущности и взятым за прототип является метод определения стойкости полимерных материалов (резин) в ненапряженном состоянии к воздействию жидких агрессивных сред, включающий подготовку образцов полимерного материала заданной геометрической формы, воздействие на эти образцы жидких агрессивных сред заданного качества при заданных температуре и продолжительности и последующее определение их стойкости к указанному воздействию по изменению значения одного или нескольких показателей физико-механических свойств, рассчитываемому по математической зависимости [ГОСТ 9.030-74 «ЕСЗКР. Резины. Метод испытаний на стойкость в ненапряженном состоянии к воздействию жидких агрессивных сред», метод В с.43].

Недостатками известного способа, взятого за прототип, являются:

низкая достоверность оценки изменения физико-механических показателей полимерных материалов после воздействия агрессивных сред, не отражающая реальных условий эксплуатации, что связано с характером контакта (объемное погружение) испытуемых образцов в агрессивную среду;

использование стандартных жидкостей А, Б, В, Г, Д, Е [ГОСТ 9.030-74 «ЕСЗКР. Резины. Метод испытаний на стойкость в ненапряженном состоянии к воздействию жидких агрессивных сред» метод В с.45, приложение 1, табл.3] в качестве рабочих сред не моделирует реальные условия эксплуатации технических средств нефтепродуктообеспечения, что не позволяет достоверно оценить изменение физико-механических показателей испытуемых полимерных материалов при контакте с нефтепродуктами.

Учитывая вышесказанное, можно сделать вывод, что известный способ не позволяет корректно оценить возможность использования многослойных полимерных материалов для изготовления технических средств нефтепродуктообеспечения без определенной доработки, касающейся особенностей их эксплуатации (температурные зоны эксплуатации конкретных технических средств для конкретных нефтепродуктов).

Технический результат изобретения - повышение точности и достоверности результатов за счет приближения условий испытаний к натурным условиям эксплуатации.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе оценки возможности использования многослойного полимерного материала для изготовления технических средств нефтепродуктообеспечения, включающем подготовку исходных образцов многослойного полимерного материала заданной геометрической формы, измерение исходных разрывных нагрузок материала F и шва F_ш, удлинения l при разрыве, прочности связи σ_р между слоями при расслоении, сопротивления раздиру F_p и температуры хрупкости Т_хр, сравнение их с заданными значениями и отбраковку материала при отклонении хотя бы одного из этих показателей, а при отсутствии рассогласования - осуществление взаимодействия образцов с нефтепродуктом при температуре (70±2)°С в течение заданного времени, определение тех же показателей после воздействия нефтепродукта и оценку по величине отклонения физико-механических показателей от исходных возможности использования испытуемого многослойного полимерного материала в техническом средстве нефтепродуктообеспечения, согласно изобретению перед подготовкой образцов заданной геометрической формы определяют максимальную проницаемость П_max г/м²сут конкретного нефтепродукта через исследуемый многослойный полимерный материал при температуре предполагаемой зоны использования технического средства, фиксируют отрезок времени Т_Пmax достижения максимальной проницаемости и при П_max≤35 г/м²сут определяют физико-механические показатели образцов заданной геометрической формы, при отсутствии рассогласования значений которых от нормативных задают коэффициент вместимости конкретного технического средства для конкретного нефтепродукта, массу которого определяют путем умножения коэффициента вместимости конкретного технического средства на площадь посадочного места герметичного контейнера, в котором осуществляют с полученной массой нефтепродукта односторонний контакт многослойного полимерного материала со стороны топливостойкого слоя при температуре предполагаемой зоны использования технического средства в течение отрезка времени Т_Пmax достижения максимальной проницаемости, по истечении которого из этого многослойного полимерного материала изготавливают идентичные исходным образцы заданной геометрической формы, разделяют их на партии, определяют физико-механические показатели одной партии образцов и при отклонении полученных значений от исходных менее чем на 20% следующую партию образцов дополнительно выдерживают при температуре (70±2)°С в течение (72±2) ч, охлаждают до комнатной температуры, определяют те же физико-механические показатели и при отклонении каждого из определяемых показателей менее чем на 20% от исходных делают заключение о возможности использования многослойного полимерного материала для изготовления конкретных технических средств нефтепродуктообеспечения.

Техническая сущность изобретения заключается в том, что авторы, обработав большое количество статистических данных по техническим средствам нефтепродуктообеспечения (эластичные резервуары, трубопроводы, бочки, канистры с внутренним полимерным покрытием; пластиковые трубопроводы, рукава, полимерная тара, и др.) для хранения и транспортирования нефтепродуктов, получили зависимости площади внутренней поверхности конкретного технического средства от массы хранимого нефтепродукта. Фрагменты результатов статистической обработки результатов исследования эксплуатационных характеристик технических средств нефтепродуктообеспечения представлены в табл. 1-5:

табл.1 - результаты исследования эксплуатационных характеристик эластичных резервуаров;

табл.2 - результаты исследования эксплуатационных характеристик барабанов (бочек) из полимерных материалов;

табл.3 - результаты исследования эксплуатационных характеристик канистр из полимерных материалов;

табл.4 - результаты исследования эксплуатационных характеристик рукавов резиновых напорно-всасывающих;

табл.5 - результаты исследования эксплуатационных характеристик труб стеклопластиковых для сборно-разборных магистральных трубопроводов.

На основе проведенного исследования получен коэффициент вместимости К_в, представляющий собой отношение массы нефтепродукта к площади контактирующей с ним внутренней поверхности конкретного технического средства (табл.1-5, строки 6, 7, 8).

Учитывая, что образцы заданной геометрической формы должны быть изготовлены из многослойного полимерного материала, который предварительно подвергают одностороннему контакту с нефтепродуктом со стороны топливостойкого слоя, авторы экспериментально доказали, что площадь контакта (площадь посадочного места) должна быть больше суммарной площади всех образцов заданной геометрической формы. Исходя из этого требования, экспериментально доказано, что для оценки качества топливостойкого слоя многослойного полимерного материала необходимо и достаточно конкретной массы нефтепродукта, которую предлагается определять как произведение коэффициента вместимости и площади посадочного места. Для удобства выполнения исследований при осуществлении одностороннего контакта можно использовать известные герметичные контейнеры с площадью посадочного места ≈490 см² (для 3-6 образцов заданной геометрической формы).

Максимальную П_max проницаемость и отрезок времени Т_Пmax достижения максимальной проницаемости нефтепродукта через многослойный полимерный материал определяют известным методом [ГОСТ 27896-88 «Резины, полимерные эластичные материалы, прорезиненные ткани и ткани с полимерным эластичным покрытием. Методы определения топливопроницаемости» с.8] при температуре предполагаемой зоны использования.

Контейнер для одностороннего контакта многослойных полимерных материалов с нефтепродуктом со стороны топливостойкого слоя изготавливается из материала, стойкого к действию нефтепродуктов (сплава из алюминия, легированной или нержавеющей стали), и состоит из цилиндрического металлического стакана с промежуточным кольцом и зажимной втулкой. В верхней части стакана имеется внутренняя резьба, на которую навинчивается зажимная втулка, обеспечивающая герметичность.

Объем контейнера выбирают с учетом максимальной массы нефтепродукта, необходимой для одностороннего контакта с образцом многослойного полимерного материала со стороны топливостойкого слоя, при этом габаритные размеры контейнера выбирают из условий возможности его размещения в термостате.

Проведя исследования различных многослойных полимерных материалов, авторы экспериментально получили предельнодо пустимые значение максимальной проницаемости П_max (35 г/м²сут) нефтепродукта через многослойный полимерный материал, а также величину рассогласования исходных значений физико-механических показателей (F, l, F_ш, σ_р, F_p, Т_хр) и этих же показателей образцов, изготовленных после одностороннего контакта с нефтепродуктом многослойного полимерного материала со стороны топливостойкого слоя при температуре предполагаемой зоны использования в течение отрезка времени Т_Пmax достижения максимальной проницаемости (менее чем на 20% от исходных).

Так, установлено, что многослойный полимерный материал можно рекомендовать для изготовления конкретного технического средства нефтепродуктообеспечения при следующих условиях:

максимальная проницаемость П_max нефтепродукта составляет не более 35 г/м²сут;

отклонение значений физико-механических показателей (F_н, l_н, F_шн, σ_рн, F_рн, Т_хр.н.) многослойного полимерного материала после одностороннего контакта со стороны топливостойкого слоя с нефтепродуктом при температуре предполагаемой зоны использования в течение отрезка времени Т_Пmax составляет менее чем 20% от исходных (F, l, F_ш, σ_p, F_p, Т_хр);

отклонение значений физико-механических показателей (F_и, l_и, F_ши, σ_ри, F_ри, Т_хр.и) после дополнительной выдержки образцов многослойного полимерного материала при температуре (70±2)°С в течение (72±2) ч составляет менее чем 20% от исходных (F, l, F_ш, σ_р, F_p, Т_хр).

По каждому из определяемых показателей можно оценить физическое состояние технических средств нефтепродуктообеспечения с достаточной степенью достоверности.

Так, разрывная нагрузка F многослойного полимерного материала и сопротивление F_p раздиру характеризуют его предельное сопротивление механическому разрушению при деформациях растяжения и раздира соответственно.

Разрывная нагрузка F_ш шва определяет прочность шва (сварного, клеевого и т.д.) многослойного полимерного материала и технического средства в целом.

Прочность связи σ_р между слоями при расслоении определяет силу сцепления полимерного материала с силовой оболочкой и способность многослойного полимерного материала противостоять различным деформациям без расслоений.

Удлинение l при разрыве позволяет прямо или косвенно оценить высокоэластические и упругие свойства материала при воздействии деформаций растяжения, сжатия, изгиба, сдвига и др.

Температура Т_хр хрупкости характеризует морозостойкость многослойного полимерного материала, возможность эксплуатации технических средств нефтепродуктообеспечения в различных климатических зонах.

Таким образом, суть способа заключается в том, что перед подготовкой образцов заданной геометрической формы из исследуемого многослойного полимерного материала для определения исходных физико-механических показателей (F, l, F_ш, σ_р, F_p, T_xp) предварительно исследуют барьерные свойства многослойного полимерного материала, определяя максимальную П_max проницаемость нефтепродукта и отрезок Т_Пmax времени ее достижения при температуре предполагаемой зоны использования технического средства. При П_max>35 г/м²сут бракуют материал, а при П_max>35 г/м²сут как и в прототипе готовят образцы заданной геометрической формы и определяют исходные физико-механические показатели, при величине рассогласования с нормативными значениями >20% материал бракуют, а ≤20% осуществляют односторонний контакт самого многослойного полимерного материала со стороны топливостойкого слоя с нефтепродуктом, массу которого определяют по коэффициенту вместимости К_в конкретного технического средства, полученному экспериментально, и площади контакта многослойного полимерного материала (площадь посадочного места). После одностороннего контакта многослойного полимерного материала с нефтепродуктом при температуре предполагаемой зоны использования технического средства в течение времени Т_Пmax готовят образцы заданной геометрической формы.

Способ реализуется следующим образом.

Пример 1. Необходимо оценить возможность использования многослойного полимерного материала марки ТПОЭР ТУ 405831-2005 г. производства ОАО «Тульский завод РТИ» для изготовления эластичного резервуара вместимостью 25 м³ (ЭР-25) для хранения автомобильных бензинов [ГОСТ Р 51105-97 Топлива для двигателей внутреннего сгорания. Неэтилированный бензин. Технические условия, Москва, Издательство стандартов, 1999] в климатическом районе II₁₂ (очень жаркий сухой) со средней месячной температурой воздуха июля выше 30°С.

В качестве нефтепродукта для проведения испытаний использовали широко применяемую марку высокооктанового автобензина Регуляр-92 по ГОСТ Р 51105-97, имеющего в своем составе ароматические углеводороды, а также кислородсодержащие антидетонационные (октаноповышающие) присадки.

За температуру предполагаемой зоны использования принимают температуру (70±2)°С - максимальная температура эксплуатации эластичных резервуаров в экстремальных условиях [С.В.Левинин. Мягкие резервуары для хранения и транспортирования нефтепродуктов, часть II, Москва, Издательство «ЦНИИТЭнефтехим», 1993, с.24]).

В соответствии с алгоритмом (см. чертеж) реализации способа оценки возможности использования многослойного полимерного материала для изготовления технических средств нефтепродуктообеспечения определяют максимальную проницаемость П_max (этап 3) автобензина Регуляр-92 через испытуемый материал, фиксируют отрезок Т_Пmax времени (этап 4) достижения максимальной проницаемости при температуре (70±2)°С известным методом по ГОСТ 27896-88. По результатам испытаний определено, что через 48 часов П_max автобензина Регуляр-92 через многослойный материал марки ТПОЭР составила 449 г/м²сут.

Полученное значение максимальной проницаемости в ˜13 раз превышает допустимое (П_max≤35 г/м²сут.). Материал бракуют (этап 14).

Вывод: многослойный полимерный материал марки ТПОЭР ТУ 405831-2005 г. производства ОАО «Тульский завод РТИ» не может применяться в конструкции эластичного резервуара вместимостью 25 м³ (ЭР-25) для хранения автомобильных бензинов в очень жарком сухом климатическом районе.

Пример 2. Необходимо оценить возможность использования многослойного полимерного материала марки «Полифуд С(30) 140» ТУ 2245-001-52186250-2005 производства ООО «Технопак» в качестве конструкционного материала для изготовления эластичного резервуара вместимостью 4 м³ (ЭР-4) для хранения и транспортирования топлив для реактивных двигателей [ГОСТ 10227-86 Топливо для реактивных двигателей. Технические условия, Москва, Издательство стандартов, 1998] в климатическом районе II₁₂ (очень жаркий сухой) со средней месячной температурой воздуха июля выше 30°С.

В качестве нефтепродукта для проведения испытаний использовали широко применяемую марку топлива для реактивных двигателей ТС-1 по ГОСТ 10227-86.

За температуру предполагаемой зоны использования принимают температуру (70±2)°С - максимальная температура эксплуатации эластичных резервуаров в экстремальных условиях.

Определяют максимальную проницаемость П_max (этап 3 алгоритма) топлива ТС-1 через испытуемый материал, фиксируют отрезок Т_Пmax времени (этап 4 алгоритма) достижения максимальной проницаемости при температуре (70±2)°С известным методом по ГОСТ 27896-88. По результатам испытаний определено, что через 9 суток П_max топлива ТС-1 через многослойный материал марки «Полифуд С(30)» составила 8 г/м² сут., что меньше предельнодопустимого значения (П_max≤35 г/м² сут.).

Из испытуемого материала готовят образцы (этап 5 алгоритма) заданной геометрической формы и определяют исходные физико-механические показатели (этап 6 алгоритма) известными методами.

В соответствии с требованиями, предъявляемыми к материалам для эластичных резервуаров, определяются следующие показатели: разрывные нагрузки F (этап 7 алгоритма) материала, F_ш (этап 9 алгоритма) шва и удлинение (этап 8 алгоритма) при разрыве по ГОСТ 30303-95, температура Т_хр (этап 12 алгоритма) хрупкости по ГОСТ 16783-71.

Получены следующие значения показателей: F по основе и утку - 415 Н и 405 Н соответственно; l по основе и утку - 437% и 492% соответственно; F_ш - 350 Н; Т_хр - ниже минус 58°С.

Сравнивают (этап 13 алгоритма) полученные результаты с заданными (см. табл.6).

Таблица 6Результаты испытаний многослойного полимерного материала марки «Полифуд С(30) 140» ТУ 2245-001-52186250-2005 производства ООО «Технопак», г.Санкт-ПетербургПоказательЗаданное (предельно допустимое) значениеФактическиосноваутокПроницаемость, П_max, г/м²сутНе более 358Разрывная нагрузка, Нисходная, FНе менее 400415405после одностороннего контакта с топливом ТС-1, F_нНе менее 320402385после испарения топлива ТС-1, F_и408394Удлинение при разрыве, %исходное, lНе менее 300437492после одностороннего контакта с топливом ТС-1, l_нНе менее 240441486после испарения топлива ТС-1, l_и433460Разрывная нагрузка сварного шва, Нисходная, F_шнНе менее 340350после контакта с топливом TC-1 F_шНе менее 272280после испарения топлива ТС-1,F_ши325Температура хрупкости, °Сисходная, Т_хрНе выше - 50Ниже - 58после контакта с топливом TC-1, Т_хр.нНе выше - 40Ниже - 60после испарения топлива ТС-1, T_xp.и- 52

Все значения соответствуют заданным. Продолжают исследования.

Задают для ЭР-4 коэффициент вместимости (этап 15 алгоритма) К_в=M_TC-1/S_{пов.ЭР -4}=3200/267800=11,9 г/см² (см. табл.1).

Площадь (S_{пов.ЭР-4}) внутренней поверхности в см² резервуара ЭР-4, имеющего форму прямоугольного параллелепипеда, рассчитывается по формуле [В.А.Гусев, А.Г.Мордкович. Математика. Справочные материалы, Москва, Просвещение, 1988, с.402]:

S_{пов.ЭР-4}=2(ab+bc+ac),

где а - длина, см; b - ширина, см; с - высота в заполненном состоянии, см.

S_{пов.ЭР-4}=(360×260+260×65+360×65)=267800 см²

Масса М_ТС-1 хранимого топлива ТС-1 при плотности составляет 3200 кг.

Массу (m_ТС-1) топлива ТС-1, необходимого для одностороннего контакта с образцом многослойного полимерного материала, определяют по формуле m_ТС-1=S_{пов.обр} K_в=490,6×11,9=5855 г или по табл.1 (этап 16 алгоритма).

Для определения физико-механических показателей многослойного полимерного материала необходимо три контейнера: два - для разрывной F_н нагрузки и удлинения l_н при разрыве по основе и утку и один - для разрывной F_шн нагрузки шва. Образцы для определения температуры хрупкости имеют сравнительно небольшие геометрические размеры (6,5×25 мм) и не требуют дополнительного контейнера.

В каждый контейнер мерным цилиндром заливают рассчитанную m_ТС-1 массу топлива ТС-1 (5855 г), устанавливают в каждое посадочное место образец (S_{пов.обр}=490 см²) многослойного полимерного материала топливостойким слоем внутрь. Контейнеры в сборе переворачивают образцом многослойного полимерного материала вниз и проверяют их герметичность известным способом (например, по отсутствию видимого подтекания топлива).

Затем герметичные контейнеры помещают в предварительно нагретые до максимальной температуры климатического района II₁₂ (70±2)°С термостаты (этап 17 алгоритма) и выдерживают в течение отрезка времени T_Пmax=9 сут. (этап 4 алгоритма).

После истечения 9 сут контейнеры извлекают из термостата и охлаждают при температуре (23±2)°С не менее 0,5 ч до комнатной температуры (этап 18 алгоритма), разбирают контейнеры по одному, готовят из этого многослойного полимерного материала образцы заданной (в виде полосок - 6 шт.) геометрической формы (этап 19 алгоритма), разделяют их на две равные партии (этапы 20 и 21 алгоритма), одну из которых (этап 20 алгоритма) помещают в эксикатор и не позднее чем через 30 с определяют физико-механические показатели (этап 22 алгоритма) образцов F_н=402 Н и 385 Н, l_н=441% и 486% по основе и утку соответственно, F_шн=280 Н, Т_хр.н=ниже минус 60°С (табл.6) и сравнивают с исходными (этапы 7, 8, 9, 12 алгоритма).

Результаты испытаний показывают, что изменение физико-механических показателей образцов материала «Полифуд С(30) 140» после одностороннего контакта с топливом ТС-1 не превышает 20% от исходных значений.

Переходят к следующему этапу испытаний. Вторую партию образцов заданной геометрической формы дополнительно выдерживают как в прототипе при температуре (70±2)°С в течение 72 ч (этап 23 алгоритма) и после охлаждения до комнатной температуры (этап 24 алгоритма) определяют известными методами значения тех же физико-механических показателей (этап 25 алгоритма) F_и=408 Н и 394 Н, l_и=433% и 460% по основе и утку соответственно, F_ши=325 Н, Т_хр.и.=минус 52°С (см. табл.6) и сравнивают с исходными (этапы 7, 8, 9, 12 алгоритма).

Как показали полученные результаты, рассогласование значений физико-механических показателей не превышает 20% от исходных.

Вывод: многослойный полимерный материал марки «Полифуд С(30) 140» ТУ 2245-001-52186250-2005 производства ООО «Технопак» может применяться в качестве конструкционного материала эластичного резервуара вместимостью 4 м³ (ЭР-4) для хранения и транспортирования топлив для реактивных двигателей в очень жарком сухом климатическом районе (этапы 26 и 27 алгоритма).

Пример 3. Необходимо оценить возможность использования многослойного полимерного материала марки 2-1000 производства ЗАО «Курскрезинотехника» для изготовления напорно-всасывающих рукавов диаметром ⊘100 длиной 6 м ТУ 38 105620-86 «Рукава резиновые для перекачивания авиатоплив и авиамасел на нефтяной основе» для перекачивания автомобильных бензинов в климатическом районе II₄ (умеренно холодный) со средней месячной температурой воздуха июля до 25°С.

В качестве нефтепродукта для проведения испытаний использовали широко применяемую марку высокооктанового автобензина Регуляр-92 по ГОСТ Р 51105-97, имеющего в своем составе ароматические углеводороды, а также кислородосодержащие антидетонационные (октаноповышающие) присадки.

За температуру предполагаемой зоны использования принимают температуру (23±2)°С.

Определяют максимальную проницаемость П_max (этап 3 алгоритма) автобензина Регуляр-92 через испытуемый материал, фиксируют отрезок Т_Пmax времени (этап 4 алгоритма) достижения максимальной проницаемости при температуре (23±2)°С известным методом по ГОСТ 27896-88. По результатам испытаний определено, что через 7 суток П_max автобензина Регуляр-92 через многослойный материал марки 2-1000 составил 34 г/м²сут, что меньше предельно допустимого значения (П_max≤35 г/м²сут).

Из испытуемого материала готовят образцы (этап 5 алгоритма) заданной геометрической формы и определяют исходные физико-механические показатели (этап 6 алгоритма) известными методами.

В соответствии с требованиями, предъявляемыми к материалам для напорно-всасывающих рукавов, определяются следующие показатели: разрывная нагрузки F (этап 7 алгоритма) материала и удлинение l при разрыве (этап 8 алгоритма) по ГОСТ 30303-95, прочность связи σ_р между слоями при расслоении (этап 10 алгоритма) по ГОСТ 6768-75, сопротивление F_p раздиру (этап 11 алгоритма) по ГОСТ 30304-95, температура Т_хр (этап 12 алгоритма) хрупкости по ГОСТ 16783-71.

Получены следующие значения показателей: F по основе и утку - 1015 Н и 1005 Н соответственно; l по основе и утку - 237% и 298% соответственно; σ_р=25 Н/см; F_p по основе и утку - 56 Н и 53 Н соответственно; Т_хр - минус 52°С.

Сравнивают (этап 13 алгоритма) полученные результаты с заданными (см. табл.7).

Таблица 7Результаты испытаний многослойного полимерного материала марки 2-1000 производства ЗАО «Курскрезинотехника» для изготовления напорно-всасывающих рукавов диаметром ⊘100 длиной 6 м ТУ 38 105620-86ПоказательЗаданное (предельно допустимое) значениеФактическиосноваутокПроницаемость, П_max, г/м²сут,Не более 3534Разрывная нагрузка, Нисходная, FНе менее 100010151005после одностороннего контакта с топливом ТС-1, F_нНе менее 800902890Удлинение при разрыве,%исходное, lНе менее 200237298после одностороннего контакта с топливом ТС-1, l_нНе менее 160240285Прочность связи между слоями, Н/смисходная. σ_pНе менее 20,025после одностороннего контакта с топливом ТС-1, σ_рнНе менее 16,010Сопротивление раздиру, Нисходное, F_pНе менее 505653после одностороннего контакта с топливом ТС-1, F_рнНе менее 404541Температура хрупкости, °Сисходная, T_xpНе выше - 50- 52после одностороннего контакта с топливом ТС-1, Т_хр.нНе выше - 40Ниже - 60

Все значения соответствуют заданным. Продолжают исследования.

Задают для напорно-всасывающего рукава диаметром ⊘100 мм длиной 6 м коэффициент вместимости (этап 15 алгоритма).

К_в=М_{Регуляр-92}/S_{пов.⊘100}=18997/34,4=1,8 г/см² (см. табл.4).

Площадь (S_{пов.⊘100}) внутренней поверхности в см² рукава, имеющего форму цилиндра, рассчитывается по формуле [В.А.Гусев, А.Г.Мордкович. Математика. Справочные материалы, Москва, Просвещение, 1988, с.403].

S_{пов.⊘100}=2πRH+2πR²,

где R - радиус основания цилиндра, см;

Н - высота цилиндра, см;

S_{пов.⊘100}=2×3,14×5×600+2×3,14×5²=18997 см²

Масса автобензина Регуляр-92 в рукаве диаметром ⊘100 мм длиной 6 м при плотности составляет 34,4 кг.

Массу (m_{регуляр-92} ) автобензина Регуляр-92, необходимого для одностороннего контакта с образцом многослойного полимерного материала, определяют по формуле m_{Регуляр-92}=S_{пов.обр}К_в=490,6×1,8=882 г или по табл.1 (этап 16 алгоритма).

Для определения физико-механических показателей многослойного полимерного материала необходимо семь контейнеров: два - для разрывной F нагрузки и удлинения l при разрыве по основе и утку и один - для прочности связи σ_р, четыре - для сопротивления F_p раздиру по основе и утку. Образцы для определения температуры хрупкости имеют сравнительно небольшие геометрические размеры (6,5×25 мм) и не требуют дополнительного контейнера.

В каждый контейнер мерным цилиндром заливают рассчитанную m_{регуляр-92} массу автобензина Регуляр-92 (882 г), устанавливают в каждое посадочное место образец (S_{пов.обр}=490 см²) многослойного полимерного материала топливостойким слоем внутрь. Контейнеры в сборе переворачивают образцом многослойного полимерного материала вниз и проверяют их герметичность известным способом (например, по отсутствию видимого подтекания автобензина).

Затем герметичные контейнеры выдерживают при температуре климатического района II₄(23±2)°C (этап 17 алгоритма) в течение отрезка времени Т_Пmax=7 сут (этап 4 алгоритма).

После истечения 7 сут разбирают контейнеры по одному, готовят из этого многослойного полимерного материала образцы заданной (в виде полосок) геометрической формы (этап 19 алгоритма), разделяют их на две равные партии (этапы 20 и 21 алгоритма), одну из которых (этап 20 алгоритма) помещают в эксикатор и не позднее чем через 30 с определяют физико-механические показатели (этап 22 алгоритма) образцов F_н=902 Н и 890 Н, l_н=240% и 285% по основе и утку соответственно, σ_рн=10 Н/см; F_рн по основе и утку - 45 Н и 41 Н соответственно; Т_хр.н - ниже минус 60°С (табл.7) и сравнивают с исходными (этапы 7, 8, 10, 11, 12 алгоритма).

Результаты испытаний показывают, что изменение прочности связи σ_рн между слоями при расслоении образцов материала 2-1000 после одностороннего контакта с автобензином Регуляр-92 составило 37,5% по отношению к исходному значению, что превышает 20%. Материал бракуют (этап 14 алгоритма), испытания прекращают.

Вывод: многослойный полимерный материал марки 2-1000 производства ЗАО «Курскрезинотехника» не может применяться для изготовления напорно-всасывающих рукавов диаметром ⊘100 длиной 6 м ТУ 38 105620-86 «Рукава резиновые для перекачивания авиатоплив и авиамасел на нефтяной основе» для перекачивания автомобильных бензинов в умеренно-холодном климатическом районе.

Таким образом, способ оценки возможности использования многослойного полимерного материала для изготовления технических средств нефтепродуктообеспечения позволяет:

повысить достоверность результатов исследования за счет приближения условий испытаний к условиям эксплуатации конкретных технических средств из многослойных полимерных материалов в различных климатических районах;

обеспечить надежность и экологическую безопасность эксплуатации технических средств из многослойных полимерных материалов (получены максимальное значение проницаемости товарных нефтепродуктов через многослойный полимерный материал, а также предельно допустимое изменение его физико-механических показателей после контакта с нефтепродуктами по отношению к исходным).

Изобретение может быть использовано при разработке (модернизации), производстве, эксплуатации и ремонте технических средств нефтепродуктообеспечения.

Таблица 1Результаты исследования эксплуатационных характеристик эластичных резервуаров№ п.пНаименование показателяЧисловые значения1234561Вместимость, м³4610252Площадь S_пов внутренней поверхности, см²2678002808004212009388003Масса М_{Регуляр-92} хранимого автобензина Регуляр-92, кг, при 290044007300183004Масса М_ТС-1 хранимого топлива ТС-1, кг, при 320048008000200005Масса М_ДТ-Л хранимого топлива ДТ-Л, кг, при 340050008400210006Коэффициент вместимости К_{вРегуляр-92}, г/см²10,82915,67017,33119,4937Коэффициент вместимости К_вТС-1, г/см²11,94917,09418,99321,38Коэффициент вместимости К_вДТ-Л, г/см²12,69617,80619,94322,3699Площадь S_{пов.обр.} посадочного места контейнера для образца многослойного полимерного материала, см²49049049049010Масса m_{Регуляр-92} автобензина Регуляр-92 для испытания, г530676788492955211Масса m_ТС-1 топлива ТС-1 для испытания, г5855837693071043712Масса m_ДТ-Л топлива ДТ-Л для испытания, г62218725977210961

Таблица 2Результаты исследования эксплуатационных характеристик барабанов (бочек) из полимерных материалов№ п.п.Наименование показателяЧисловые значения12345678910111Вместимость, л32414851651051272272502Площадь S_пов внутренней поверхности, см²790477568918877010613145531608222548244923Масса М_{Регуляр-92} хранимого автобензина Регуляр-92, кг, при 233035374877931661834Масса М_ТС-1 хранимого топлива ТС-1, кг, при 2633384152841021822005Масса М_ДТ-Л хранимого топлива ДТ-Л, кг, при 2735414355891081932136Коэффициент вместимости К_{вРегуляр-92}, г/см²2,93,93,94,24,55,35,87,47,57Коэффициент вместимости К_вТС-1 г/см²3,34,34,34,74,95,86,38,18,28Коэффициент вместимости К_вДТ-Л, г/см²3,44,54,64,95,26,16,78,68,79Площадь S_{пов.обр.} посадочного места контейнера для образца многослойного полимерного материала, см²49049049049049049049049049010Масса m_{Регуляр-92} автобензина Регуляр-92 для испытания, г14211911191120582205259728423626367511Масса m_ТС-1 топлива ТС-1 для испытания, г16172107210723032401284230873969401812Масса m_ДТ-Л топлива ДТ-Л для испытания, г166622052254240125482989328342144263

Таблица 3Результаты исследования эксплуатационных характеристик канистр из полимерных материалов№ п.п.Наименование показателяЧисловые значения123456781Вместимость, л35112131632Площадь S_пов внутренней поверхности, см²17212381360055597012118823Масса М_{Регуляр-92} хранимого автобензина Регуляр-92, кг, при 2,23,78,015,322,646,04Масса М_ТС-1 хранимого топлива ТС-1, кг, при 2,44,08,816,824,850,45Масса М_ДТ-Л хранимого топлива ДТ-Л, кг, при 2,64,39,417,926,453,66Коэффициент вместимости К_{вРегуляр-92}, г/см²1.31,62,22,83,23,97Коэффициент вместимости К_вТС-1, г/см²1,41,72,43,03,54,28Коэффициент вместимости К_вДТ-Л, г/см²1,51,82,63,23,84,59Площадь S_{пов.обр.} посадочного места контейнера для образца многослойного полимерного материала, см²49049049049049049010Масса m_{Регуляр-92} автобензина Регуляр-92 для испытания, г637784107813721568191111Масса m_ТС-1 топлива ТС-1 для испытания, г686833117614701715205812Масса m_ДТ-Л топлива ДТ-Л для испытания, г7358821274156818622205

Таблица 4Результаты исследования эксплуатационных характеристик рукавов резиновых напорно-всасывающих№ п.п.Наименование показателяЧисловые значения123456781Длина 6 м, диаметр, мм⊘32⊘38⊘50⊘65⊘75⊘1002Площадь S_пов внутренней поверхности, см²6045718294591231214218189973Масса М_{Регуляр-92} хранимого автобензина Регуляр-92, кг, при 3,504,968.6014,5019,534,404Масса М_ТС-1 хранимого топлива ТС-1, кг, при 3,905,449,4215,9021,237,705Масса М_ДТ-Л хранимого топлива ДТ-Л, кг, при 4,105,8010,0016,9022,540,06Коэффициент вместимости K_{вРегуляр-92}, г/см²0,60,70,91,21,41,87Коэффициент вместимости К_вТС-1, г/см²0,70,81,01,31,52,08Коэффициент вместимости K_вДТ-Л, г/см²0,70,81,11,41,62,19Площадь S_{пов.обр.} посадочного места контейнера для образца многослойного полимерного материала, см²49049049049049049010Масса m_{Регуляр-92} автобензина Регуляр-92 для испытания, г29434344158868688211Масса m_ТС-1 топлива ТС-1 для испытания, г34339249063773598012Масса m_ДТ-Л топлива ДТ-Л для испытания, г3433925396867841029

Таблица 5Результаты исследования эксплуатационных характеристик труб стеклопластиковых для сборно-разборных магистральных трубопроводов№ п.пНаименование показателяЧисловые значения1234561Длина 6 м, диаметр, мм⊘75⊘100⊘150⊘2002Площадь S_пов внутренней поверхности, см²142181899728613383083Масса М_{Регуляр-92} хранимого автобензина Регуляр-92, кг, при 19,334,477,4137,54Масса М_ТС-1 хранимого топлива ТС-1, кг, при 21,237,784,8150,75Масса М_ДТ.Л хранимого топлива ДТ-Л, кг, при 22,540,090,1160,16Коэффициент вместимости К_{вРегуляр-92}, г/см²1,41,82,73,67Коэффициент вместимости К_вТС-1, г/см²1,52,03,03,98Коэффициент вместимости К_вДТ-Л, г/см²1,62,13,14,29Площадь S_{пов.обр.} посадочного места контейнера для образца многослойного полимерного материала, см²49049049049010Масса m_{Регуляр-92} автобензина Регуляр-92 для испытания, г6868821323176411Масса m_ТС-1 топлива ТС-1 для испытания, г7359801470191112Масса m_ДТ-Л топлива ДТ-Л для испытания, г784102915192058

Изобретение относится к методам исследования свойств многослойных полимерных материалов, используемых для изготовления эластичных резервуаров, поддонов, рукавов, фильтроэлементов, трубопроводов, бочек, канистр, барабанов, внутренних покрытий и т.д. Способ заключается в том, что перед подготовкой образцов заданной геометрической формы из исследуемого многослойного полимерного материала для определения исходных физико-механических показателей предварительно исследуют барьерные свойства многослойного полимерного материала, определяя максимальную П_max проницаемость нефтепродукта и отрезок Т_Пmax времени ее достижения при температуре предполагаемой зоны использования технического средства. При П_max>35 г/м²сут бракуют материал, а при П_max<35 г/м²сут готовят образцы заданной геометрической формы и определяют исходные физико-механические показатели, при величине рассогласования с нормативными значениями более чем на 20, материал бракуют, а менее 20% осуществляют односторонний контакт многослойного полимерного материала со стороны топливостойкого слоя с нефтепродуктом, массу которого определяют по коэффициенту вместимости К_в конкретного технического средства, полученному экспериментально, и площади контакта многослойного полимерного материала (площадь посадочного места). После одностороннего контакта многослойного полимерного материала с нефтепродуктом при температуре предполагаемой зоны использования технического средства в течение времени Т_Пmax готовят образцы заданной геометрической формы. Достигается повышение достоверности результатов исследования за счет приближения условий испытаний к натурным условиям эксплуатации. 7 табл., 1 ил.

Способ оценки возможности использования многослойного полимерного материала для изготовления технических средств нефтепродуктообеспечения, включающий подготовку исходных образцов многослойного полимерного материала заданной геометрической формы, измерение в качестве физико-механических показателей исходных разрывных нагрузок материала F и шва F_ш, удлинения l при разрыве, прочности связи σ_р между слоями при расслоении, сопротивления раздиру F_p и температуры хрупкости Т_хр, сравнение их с заданными значениями и отбраковку материала при отклонении хотя бы одного из этих показателей, а при отсутствии рассогласования - осуществление взаимодействия образцов с нефтепродуктом при температуре (70±2)°С в течение заданного времени, определение тех же показателей после воздействия нефтепродукта и оценку по величине отклонения физико-механических показателей от исходных возможности использования испытуемого многослойного полимерного материала в техническом средстве нефтепродуктообеспечения, отличающийся тем, что перед подготовкой образцов заданной геометрической формы определяют максимальную проницаемость П_max, г/м²сут конкретного нефтепродукта через исследуемый многослойный полимерный материал при температуре предполагаемой зоны использования технического средства, фиксируют отрезок времени достижения максимальной проницаемости и при П_max≤35 г/м²сут определяют физико-механические показатели образцов заданной геометрической формы, при отсутствии рассогласования значений которых от нормативных задают коэффициент вместимости конкретного технического средства для конкретного нефтепродукта, массу которого определяют путем умножения коэффициента вместимости конкретного технического средства на площадь посадочного места герметичного контейнера, в котором осуществляют с полученной массой нефтепродукта односторонний контакт многослойного полимерного материала со стороны топливостойкого слоя при температуре предполагаемой зоны использования технического средства в течение отрезка времени достижения максимальной проницаемости, по истечении которого из этого многослойного полимерного материала изготавливают идентичные исходным образцы заданной геометрической формы, разделяют их на партии, определяют физико-механические показатели одной партии образцов и при отклонении полученных значений от исходных менее чем на 20% следующую партию образцов дополнительно выдерживают при температуре (70±2)°С в течение (72±2) ч, охлаждают до комнатной температуры, определяют те же физико-механические показатели и при отклонении каждого из определяемых показателей менее чем на 20% от исходных делают заключение о возможности использования многослойного полимерного материала для изготовления конкретных технических средств нефтепродуктообеспечения.