ГОСТ Р ИСО 13760-2021 Трубы из пластмасс для транспортирования жидкостей под давлением. Правило Майнера. Метод расчета накопленного повреждения

    ГОСТ Р ИСО 13760-2021

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ТРУБЫ ИЗ ПЛАСТМАСС ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ ЖИДКОСТЕЙ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

Правило Майнера. Метод расчета накопленного повреждения

Plastics pipes for the conveyance of fluids under pressure. Miner’s rule. Calculation method for cumulative damage

ОКС 23.040.20

23.040.45

Дата введения 2021-12-01

Предисловие

1 ПОДГОТОВЛЕН Обществом с ограниченной ответственностью "Группа ПОЛИМЕРТЕПЛО" (ООО "Группа ПОЛИМЕРТЕПЛО") на основе собственного перевода на русский язык англоязычной версии стандарта, указанного в пункте 4

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 241 "Трубы, фитинги и другие изделия из пластмасс, методы испытания"

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 28 октября 2021 г. N 1370-ст

4 Настоящий стандарт идентичен международному стандарту ИСО 13760:1998* "Трубы из пластмасс для транспортирования жидкостей под давлением. Правило Майнера. Метод расчета накопленного повреждения" (ISO 13760:1998 "Plastics pipes for the conveyance of fluids under pressure - Miner’s rule - Calculation method for cumulative damage", IDT).

Стандарт разработан подкомитетом SC 5 "Общие свойства труб, фитингов и арматуры из пластмасс и их комплектующих. Методы испытаний и основные технические требования" Технического комитета ISO/TC 138 "Пластмассовые трубы, фитинги и арматура для транспортирования текучих сред" Международной организации по стандартизации (ISO).

При применении настоящего стандарта рекомендуется использовать вместо ссылочных международных стандартов соответствующие им национальные стандарты, сведения о которых приведены в дополнительном приложении ДА

5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

Правила применения настоящего стандарта установлены в статье 26 Федерального закона от 29 июня 2015 г. N 162-ФЗ "О стандартизации в Российской Федерации". Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе "Национальные стандарты", а официальный текст изменений и поправок - в ежемесячном информационном указателе "Национальные стандарты". В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты". Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.rst.gov.ru)

1 Область применения

Настоящий стандарт устанавливает метод расчета максимально допустимого кольцевого напряжения, применимого к трубам, подверженным воздействию изменяющихся внутренних давлений и/или температур в течение ожидаемого срока их службы. Этот метод известен как правило Майнера.

Правило Майнера следует применять индивидуально к каждому (или разным) механизму разрушения. При механическом разрушении под воздействием внутреннего давления следует пренебрегать другими механизмами разрушения, такими как окислительные или дегидрохлорирующие механизмы разрушения (при условии отсутствия их взаимодействия). Материал для производства труб используют только в том случае, если доказано, что он соответствует всем критериям механизма разрушения.

Примечание - Правило Майнера - это эмпирически обоснованная методика, которая является лишь первым приближением к действительности.

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты. Для датированных ссылок применяют только указанное издание ссылочного стандарта, для недатированых - последнее издание (включая все изменения).

ISO 10508:1995

, Plastics piping systems for hot and cold water installations - Guidance for classification and design (Системы трубопроводов из пластмасс для горячего и холодного водоснабжения. Руководство по классификации и проектированию)

_______________

Заменен на ISO 10508:2006. Однако для однозначного соблюдения требований настоящего стандарта, выраженного в датированной ссылке, рекомендуется использовать только указанное в этой ссылке издание.

3 Обозначения и сокращения

В настоящем стандарте используют следующие условные обозначения и сокращения:

- доля за год, выраженная в процентах, применительно к набору условий "

i

’";

- срок службы при заданном наборе условий "

i

’" (

i

=1, 2, 3 и т.д.), год;

- срок службы при аварийной температуре

в соответствии с ИСО 10508:1995;

- срок службы при максимальной рабочей температуре

в соответствии с ИСО 10508:1995;

- срок службы при рабочей температуре

, в соответствии с ИСО 10508:1995;

- максимально допустимое время эксплуатации при различных условиях, год;

TYD - суммарное годовое повреждение, %.

4 Сущность метода

Правило Майнера основано на следующих предположениях:

a) суммарное повреждение материалу или изделию, которое может быть причинено определенным видом воздействия, является постоянным (100%);

b) при неизменных условиях причиненные повреждения пропорциональны длительности воздействия. Материал или изделие прослужит до тех пор, пока не будет достигнут уровень повреждения 100%. Время, необходимое для этого,

в этом контексте выражено в годах. За год размер причиненных повреждений составляет

, %. Это правило пропорциональности.

Примечание - Сумма повреждений не обязательно видима или измеряема; это может быть, например, время индукции;

c) если материал подвергают определенному воздействию в течение только части года (например,

, % года, а не 100% года), то повреждения составляют не

, %, а

, % в год. Это следует из правила пропорциональности;

d) При последовательных повреждениях одного и того же типа, но при разных условиях (разные степень тяжести, температура, давление, напряжение и т.д.), суммарное повреждение за год будет представлять собой совокупное воздействие разных групп условий. Согласно правилу аддитивности, суммируют разные виды повреждений. В результате получают накопленные повреждения при разных условиях.

5 Вычисление

Вычисляют суммарные годовые повреждения TYD, в процентах от общих допустимых повреждений, по формуле

. (1)

Вычисляют максимально допустимое время использования

, год, по формуле

. (2)

Примечание - Примеры расчетов для оценки окислительной стабильности приведены в приложениях A и B.

Приложение A

(справочное)

Примеры использования правила Майнера

A.1 Пример различных условий эксплуатации

В качестве примера приведен расчет ожидаемого срока службы труб горячего водоснабжения 2-го класса эксплуатации в соответствии с ИСО 10508:1995.

Настоящий стандарт определяет температурный профиль в течение 50-летнего срока службы, состоящего из 49 лет при стандартной рабочей температуре

70°С, одного года - при максимальной рабочей температуре

80°С и 100 ч при аварийной температуре

95°С для учета ошибок в управлении нагревательным прибором.

Для получения надлежащей толщины стенки трубы (или отношения SDR, т.е. отношения диаметра трубы к толщине ее стенки) необходимо знать максимально допустимое кольцевое напряжение в стенке трубы, которое будет выдерживать данные условия. Однако в предлагаемых спецификациях класса указано, что, например, для полибутилена коэффициент безопасности 1,5 следует применять к напряжению при

, коэффициент безопасности 1,3 применяют для напряжения при

и коэффициент безопасности 1,0 применяют для напряжения при

(это уже само по себе является коэффициентом запаса).

Для фактических расчетов обоснованно предполагают допустимое расчетное напряжение

и ожидаемый срок службы

, определяемые при постоянном воздействии на трубу напряжения 1,5

и при температуре

70°С, а также

при 1,3

и

80°С и

при

и

95°С.

Для фактических расчетов обоснованно предполагают приемлемое расчетное напряжение

s

и ожидаемый срок службы, определяемые при непрерывном воздействии на трубу 1,5

и при температуре

70°С, а также

, определяемый при 1,3

и

80°С и

- при

и

95°С.

Ожидаемые сроки службы

определяют графически или вычисляют по формулам, приведенным в ISO/TR 9080.

Коэффициенты

- составляют 98%, 2% и 0,0228% соответственно. Заменяя эти значения и значения для

(подстрочный индекс "

i

", обозначающий три компонента температурной кривой) в формуле (1) настоящего стандарта, получают значение TYD.

Максимальное время, в течение которого можно эксплуатировать трубу, составляет

лет.

Если время

более или менее требуемого (в данном случае 50 лет), то рабочее напряжение

может быть выше или ниже. Выбор нового рабочего напряжения требует полного пересчета, пока не будет найдено правильное значение

с помощью последовательных приближений.

Практику последовательных приближений легче проводить с помощью компьютера. Электронная таблица является удобным инструментом, особенно когда можно рассчитать ожидаемое время разрушения при разных температурах и кольцевых напряжениях с помощью модели, подобной приведенной в ISO/TR 9080.

.

Используя коэффициенты, описывающие

как функцию

и

T

, с помощью алгоритма построения электронных таблиц можно легко получить

в качестве функции

.

А.2 Пример фактического расчета

Используя для фактического расчета значения кольцевого напряжения для труб из полибутилена (ИСО 1167 и ИСО 12230), следует начинать, например, со значения

5,0 МПа и менять это значение на большее, если полученное время

слишком большое, и наоборот. Значения для

t

(

,

и

) получены с использованием уравнений, приведенных в ИСО 12230.

При вычислениях за единицу времени принимают час, как общепринятую единицу измерения на диаграммах кольцевых напряжений. Конечный результат значения времени преобразуют в год.

В таблице А.1 приведены расчеты нескольких этапов. Для фактического расчета

используют больше десятичных разрядов, чем указано в таблице А.1.

По результатам вычисления установлено, что для соответствия требованиям 2-го класса по ИСО 10508:1998, расчетное напряжение труб из полибутилена не должно превышать 5,04 МПа в течение срока службы 50 лет.

Таблица А.1 - Пример фактического применения правила Майнера

, МПа

1,5 , МПа

, °C

, ч

, %

, %/ч

1,3 , МПа

, °C

, ч

, %

, %/ч

, °С

, ч

, %

, %/ч

, %/ч

, год

5,00

7,50

70

5,5·10

97,98

1,8·10

6,50

80

1,4·10

2

1,4·10

95

10,5·10

0,0228

2,2·10

1,9·10

58,9

5,10

7,65

3,7·10

2,6·10

6,63

1,0·10

2,0·10

8,2·10

2,8·10

2,9·10

39,9

5,04

7,56

4,7·10

2,1·10

6,55

1,2·10

1,6·10

9,5·10

2,4·10

2,3·10

50,4

Приложение B

(справочное)

Правило Майнера и окислительная стабильность

Окислительная стабильность полиолефинов в диапазоне от 60°С до 120°С, как правило, очень хорошо описывается уравнением Аррениуса:

, (B.1)

где t - срок службы при окислении при температуре T;

T - температура, K;

A - постоянная для данной реакции;

E - энергия активации, Дж/моль;

R - универсальная газовая постоянная (приблизительно 8,32 Дж/моль·K).

Энергия активации, выявленная к настоящему времени для полиолефинов в диапазоне от 60°С до 120°С, составляет примерно 110 кДж/моль.

В ISO/TR 9080 коэффициент экстраполяции по времени

, равный 50, применяют в диапазоне от 110°С до 70°С или 75°С, что эквивалентно энергии активации 107 кДж/моль или 125 кДж/моль. Коэффициент экстраполяции для экстраполяции во времени на 1 год при температуре 110°С соответствует

, в годах, при более низкой температуре, где

- коэффициент экстраполяции, зависящий от разности температур.

Рекомендуется использовать значение энергии активации, равное 110 кДж/моль, если экспериментальные данные не указывают на иное. Это представляет собой консервативный (безопасный) подход.

По формуле (B.1) вычисляют коэффициенты экстраполяции при различных температурах (чтобы более точно определить разность температур, например от 110°С до 70°С). Когда экспериментально известна окислительная стабильность в определенной контрольной точке, например 110°С, умножение на эти коэффициенты экстраполяции приводит к ожидаемой окислительной стабильности для каждой более низкой температуры. Данные сроки эксплуатации могут быть включены в формулу Майнера, что позволяет рассчитать ожидаемую окислительную стабильность для данного температурного профиля.

Поскольку все эти сроки службы пропорциональны окислительной стойкости в контрольной точке, результат, полученный по правилу Майнера (расчетный срок службы для температурного профиля), также пропорционален

. Таким образом, конечным результатом является коэффициент экстраполяции для профиля, а срок службы трубы или фитинга при окислении для профиля равен сроку службы при окислении при 110°С, умноженному на коэффициент экстраполяции для этого профиля.

Следовательно, при использовании коэффициента экстраполяции по окислению, который составляет более 50 лет, срок службы при окислении для соответствующего температурного профиля превысит 50 лет (стандартное требование к сроку службы при температуре 110°С составляет 1 год). И наоборот, при использовании коэффициента экстраполяции по окислению, который менее 50, необходим срок службы при температуре 110°С более 1 года для расчетного срока в 50 лет.

Приложение C

(справочное)

Библиография

[1]	ISO 1167:1996	Thermoplastics pipes for the conveyance of fluids - Resistance to internal pressure - Test method (Трубы из термопластов для транспортировки жидких сред. Сопротивление внутреннему давлению. Метод испытания)
_______________ Действует серия стандартов ГОСТ ISO 1167 "Трубы, соединительные детали и узлы соединений из термопластов для транспортирования жидких и газообразных сред. Определение стойкости к внутреннему давлению".
[2]	ISO/TR 9080:1992	Thermoplastics pipes for the transport of fluids - Methods of extrapolation of hydrostatic stress rupture data to determine the long-term hydrostatic strength of thermoplastics pipe materials (Трубы термопластичные для транспортирования жидкостей. Методы экстраполяции данных о разрушении при гидростатическом напряжении для определения длительной гидростатической прочности термопластичных материалов для труб)
_______________ Действует ГОСТ Р 54866-2011 (ИСО 9080:2003) "Трубы из термопластичных материалов. Определение длительной гидростатической прочности на образцах труб методом экстраполяции".
[3]	ISO 12230:1996	Polybutene (РВ) pipes - Effect of time and temperature on the expected strength [Трубы полибутеновые (РВ). Прогнозируемая прочность как функция времени и температуры]
[4]	The original article by M.A. Miner, "How cumulative damage affects fatigue life" (Machine Design, December 1945, pp.111-115), deals with fatigue analysis at various stress levels. Experimental verification has been carried out on an aluminium alloy
[5]	In Germany, Miner’s rule is incorporated in Richtlinie (Guide) DVS 2205, Part 1 (November 1985), for thermoplastics pipes

Приложение ДА

(справочное)

Сведения о соответствии ссылочных международных стандартов национальным стандартам

Таблица ДА.1