ПНСТ 598-2022 Нефтяная и газовая промышленность. Системы подводной добычи. Полимерное покрытие для гибких труб. Технические условия

        ПНСТ 598-2022

ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Нефтяная и газовая промышленность

СИСТЕМЫ ПОДВОДНОЙ ДОБЫЧИ

Полимерное покрытие для гибких труб

Технические условия

Petroleum and natural gas industry. Subsea production systems. Polymeric coating for flexible pipe. Specifications

ОКС 75.020

Срок действия с 2022-12-30

до 2025-12-30

Предисловие

1 РАЗРАБОТАН Обществом с ограниченной ответственностью "Газпром 335" (ООО "Газпром 335")

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 18 ноября 2022 г. N 123-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 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.

Целью разработки настоящего стандарта является определение общих требований, предъявляемых к полимерным материалам, предназначенным для покрытия внутренних поверхностей многослойных гибких трубных систем многослойной структуры без связующих слоев, применяемых в системах подводной добычи углеводородов.

Настоящий стандарт разработан с учетом положений зарубежных стандартов, указанных в разделе "Библиография".

1 Область применения

1.1 Настоящий стандарт распространяется на полимерные материалы, предназначенные для покрытия внутренних поверхностей многослойных гибких трубных систем многослойной структуры без связующих слоев, применяемых в системах подводной добычи углеводородов в условиях высоких давлений и температур при непосредственном контакте с рабочей средой.

1.2 Настоящий стандарт содержит требования к характеристикам полимерных материалов и методику их оценки, при этом требования касаются только термопластичных полимерных материалов. Эластомерные материалы, применяемые в конструкции гибких трубных систем многослойной структуры без связующих слоев, в настоящем стандарте не рассматриваются.

1.3 Настоящий стандарт предназначен:

- для оценки возможности применения полимерного материала в качестве конструкционного при изготовлении гибких трубных систем многослойной структуры без связующих слоев, работающих при высоких давлениях и температурах;

- исследования полимерного материала с целью определения механических и эксплуатационных характеристик.

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:

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

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

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 и определения

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

3.1 гибкая труба: Совокупность тела трубы и концевых фитингов, где корпус трубы состоит из нескольких разнородных по материалу слоев, образующих контур, работающий под давлением, а конструкция трубы обеспечивает значительные углы изгиба без существенного увеличения изгибающих напряжений.

Примечания

1 Как правило, корпус трубы формируют из нескольких слоев материала, включающих металлические и полимерные слои.

2 В настоящем стандарте термин "гибкая труба" использован как общий термин для обозначения гибкой трубы многослойной структуры, состоящей из несвязанных слоев.

3.2 гибкая труба многослойной структуры, состоящая из не связанных между собой слоев: Труба, содержащая один или более полимерных слоев, рассчитанных на соответствующую нагрузку, и металлический слой, обеспечивающий конструкционную прочность каркаса трубы.

3.3 корпус трубы: Многослойная конструкция, включающая не связанные между собой полимерные и металлические слои, что при эксплуатации допускает их перемещение относительно друг друга.

3.4 гибкая труба для нормальных условий эксплуатации: Гибкая труба, допускающая транспортировку газов и жидкостей с температурами не выше 130°С.

3.5 гибкая труба термостойкая: Гибкая труба, допускающая транспортировку газов и жидкостей температурой от 130°С до 200°С.

3.6 внутренняя оболочка, работающая под давлением: Внутреннее полимерное покрытие гибкой трубы, рассчитанное на контакт с транспортируемыми средами, нагруженное внутренним избыточным давлением.

3.7 испытуемый полимерный материал: Полимерный материал, который использован для изготовления гибкой трубы, который нагружен внутренним давлением и подвергнут аттестационному испытанию.

3.8 соединитель: Устройство, используемое для герметичного конструкционного соединения концевого фитинга и сопряженного трубопровода.

Примечания

1 Соединители включают в себя болтовые фланцы, стыковочные втулки и специальные соединители.

2 Соединители могут быть спроектированы для сборки с помощью водолазных работ или без водолазных работ с использованием механической или гидравлической аппаратуры.

3.9 концевой фитинг: Механическое устройство, формирующее переход между корпусом гибкой трубы и соединителем, в котором заделывают все трубные слои таким образом, чтобы обеспечить передачу нагрузок между гибкой трубой и соединителем.

3.11 результат испытания: Итог испытания материалов, представляемый в виде значения конкретной физической величины или заключения с указанием причины или характера несоответствия.

3.12 максимальная допустимая температура эксплуатации полимерного материала по одному параметру; MPT: Максимальная температура, при которой контролируемый параметр, определенный техническими требованиями, отвечает критериям работоспособности.

Примечание - Например, если полимерный материал набухает на 50% в нефти при температуре 165°С, но только на 1% при температуре 160°С, то температура максимума свойства полимера (MPT) будет составлять 160°С, если предполагается, что набухание объемом 1% определено как приемлемое для эксплуатации (см. рисунок 1).

Рисунок 1 - Связь между MPT, MST и MPST

3.13 максимальная допустимая температура эксплуатации полимерного материала по группе параметров; MST: Максимальная температура, при которой все контролируемые параметры соответствуют заданным условиям работоспособности.

Примечание - Например, если исследуемый полимерный материал имеет следующие значения максимальной допускаемой температуры (MPT) при испытаниях: на устойчивость к взрывной декомпрессии газа (RGD) - 190°С; на растяжение - выше 190°С; на распространения усталостной трещины при растяжении - 165°С; определения стойкости к действию трех различных химических сред 180°С, выше 190°С и выше 170°С - то максимальной температурой эксплуатации (MST) материала принимается минимальное значение MPT, в данном случае - 165°С. Подразумевается, что MST значительно ниже точки плавления полимерного материала.

3.14 максимальная температура эксплуатации изделия; MPST: Максимальная температура, при которой все контролируемые параметры соответствуют условиям работоспособности.

Примечание - Например, допустимое значение деформации полимерного материала с максимальной температурой эксплуатации (MST) 180°С может быть превышено при определенных условиях изгиба при температуре 175°С, но не при температуре 170°С - следовательно, максимальную температуру эксплуатации трубы (MPST) принимают как 170°С. Методики определение MPST в настоящем стандарте не рассмотрены (см. рисунок 1).

3.15 критерий оценки: Предварительно заданный критерий, с которым сравнивают результаты испытаний с целью упрощения оценки исследуемого полимерного материала.

3.16 критерий работоспособности: Критерий, определяющий допускаемое(ый) значение или диапазон для свойства полимерного материала, в рамках которого он должен находиться для обеспечения работоспособности.

3.17 экструзия: Переход материала в вязкотекучее состояние под действием высоких давлений и температур, сопровождающийся выходом изделия из строя.

Примечания

1 При экструзии полимерный материал последовательно пребывает в следующих трех состояниях: упругой деформации - мгновенной реакции на приложенную нагрузку; пластической деформации, и в зависимости от времени и величины приложенной нагрузки - вязкого течения.

2 Технология производства из полимерного материала внутреннего слоя гибкой трубы также называется экструзией и подразумевает технологический метод получения заготовки - "труба экструдированная" и т.п.

3.18 предел текучести: Значение напряжения, при котором происходит переход пластического материала из области упругой деформации в область пластической деформации.

4 Обозначения и сокращения

В настоящем стандарте использованы следующие обозначения и сокращения:

5 Функциональные требования

5.1 Общие положения

В данном разделе описывается взаимосвязь потенциальных причин отказа оболочки внутреннего давления в условиях эксплуатации при высоких температурах с действительными причинами отказов, обусловленными физико-механическими характеристиками полимерного материала. Эти характеристики формируют основу программы испытания для оценки работоспособности материала, как указано в разделе 6. К потенциальным причинам отказа относят причины, наиболее вероятные исходя из опыта эксплуатации; к действительным причинам отказа - причины, фактически проявившиеся в процессе эксплуатации и индивидуальные для каждого конкретного полимера.

5.2 Виды потенциальных отказов и относящиеся к ним свойства материала

5.2.1 В таблице 1 перечислены виды потенциальных отказов оболочки, нагруженной внутренним давлением, обусловленные особенностями эксплуатации в условиях высоких температур. Каждый вид и соответствующий механизм отказа имеют ряд причин отказа, которые относят к свойствам испытуемого материала.

5.2.2 В таблице 2 представлен перечень факторов, обусловливающих особенности эксплуатации гибких труб и требующих учета при выборе полимерного материала. Указанные факторы определяют допустимые при испытаниях диапазоны изменения значений температуры, давления и т.д. В приложении А приведено подробное описание указанных условий эксплуатации, включая аналитические предположения и характерные значения.

Таблица 2 - Факторы, существенные для условий эксплуатации

5.2.3 Программа испытаний материалов должна обеспечивать оценку их свойств по всем параметрам, указанным в таблицах 1 и 3.

Таблица 3 - Критичные свойства материала

5.2.4 Перечисленные в таблице 1 виды отказа указаны исходя из имеющегося опыта эксплуатации гибких труб, уточненные для высокотемпературных областей применения.

6 Методика оценки полимерного материала

6.1 Общие положения

Данный раздел описывает методику оценки полимерных материалов, применяемых для изготовления внутреннего слоя гибкой трубы, работающей в условиях высокой температуры. Подобная методика включает исследование полимерного материала и сравнение полученных данных с рядом критериев работоспособности, которые определяют в зависимости от условий эксплуатации.

6.2 Методика

6.2.1 Полимерный материал

Полимерный материал определяют как подходящий для изготовления оболочки внутреннего давления на основе доступной информации о его характеристиках. Принципиальные характеристики материала классифицированы следующим образом:

- механические;

- физические/термические;

- характеристики проникания при HT;

- совместимость и старение.

Стоимость, доступность и обрабатываемость полимерного материала также относят к значимым параметрам, учитываемым при оценке возможности их применимости в конструкции гибких труб.

6.2.2 Условия эксплуатации

6.2.2.1 Условия эксплуатации трубы характеризуются температурой транспортируемой среды, внутренним давлением, свойствами транспортируемой среды и особенностями механической нагрузки.

6.2.2.2 Условия испытаний, устанавливаемые программой испытаний, определяют в зависимости от тех условий, в которых будет находиться гибкая труба в течение всего срока эксплуатации. Если условия эксплуатации не определены техническими требованиями, использование универсальной программы испытаний гибкой трубы может быть обосновано с учетом имеющихся данных или опыта эксплуатации соответствующих технических служб.

6.2.3 Критерии работоспособности

Для оценки пригодности полимера для применения в конкретных рабочих условиях необходимо определить ряд требований работоспособности или критериев работоспособности, в соответствии с которыми будут установлены требования, предъявляемые к материалу. Критерии работоспособности указаны в разделе 7.

6.2.4 Программа испытаний

Решение о допустимости использования материала следует принимать на основе данных, полученных при проведении испытаний (исследований) как по минимальной предварительной, так и по полной программам испытаний. Полная программа испытаний включает в себя проведение длительных испытаний. Рекомендации по организации предварительной и полной программ испытаний приведены в разделе 7.

6.2.5 Оценка материала

Завершающий этап в процессе оценки представляет собой сверку результатов испытаний с критериями работоспособности. Это показывает, подходит ли полимерный материал для заданных условий эксплуатации трубы. Если материал разрушается на данном этапе, это не препятствует его использованию при эксплуатации труб в будущем: изменения в конструкции трубы и/или в занижении рабочих параметров могут влиять на будущие расчеты. Процесс оценки материала рассмотрен более подробно в разделе 8.

7 Программа испытаний полимерного материала

7.1 Общие положения

Оценка полимерного материала может быть представлена на двух уровнях: предварительной оценке и полной оценке. Приложение Б содержит общие протоколы испытаний для программы испытаний. Механические, зависимые от времени и физико-химические методы испытаний, используемые в настоящем стандарте, полностью описаны в приложениях В и Г; ссылку на стандартные процедуры испытаний приводят при необходимости.

7.2 Методы испытаний

7.2.1 Оценка пригодности материала включает проведение соответствующих испытаний для квалификации свойств материала и характеристик, относящихся к работоспособности, которые соответствуют эксплуатации. Это включает в себя проведение ряда испытаний материала с целью определения критических свойств. Для оценки свойств и пригодности материала к эксплуатации могут быть применены методы испытаний, описанные как в отечественной нормативной документации, так и в действующих международных стандартах.

7.2.2 В таблице 4 перечислены методы испытания, которые используют на этапе предварительной и полной оценок. Также представлены измеренные свойства для всех испытаний, на основе которых оценивают работоспособность материалов полимерных покрытий гибких труб. Соответствующая информация о проведении каждого испытания кратко представлена в дальнейших разделах.

Таблица 4 - Испытания материалов и измеряемые свойства

7.2.3 Проведение испытания в диапазоне рабочих температур требует, чтобы температура образца была равна температуре испытаний. Соответственно, датчик температуры следует располагать максимально близко (насколько возможно) к предполагаемому месту разрушения испытуемого образца.

7.3 Предварительные испытания

7.3.1 Предварительные испытания опциональны и, как правило, не требуют значительных временных и материальных затрат. Правильно проведенные предварительные испытания дают возможность на ранних этапах получить представление об имеющихся недостатках полимерного материала, что позволяет незамедлительно исключить материал из дальнейшего рассмотрения.

7.3.2 Предварительные испытания позволяют сэкономить время и уменьшить затраты, исключив неподходящие материалы на раннем этапе. Однако предварительных испытаний недостаточно для аттестации полимерного материала, для этого необходимо прохождение материалом полной программы испытаний.

7.3.3 Порядок предварительных испытаний полимерных материалов схематично показан на рисунке 2. Однако если информация уже получена (например, из источников технической литературы поставщика полимерных материалов), она может быть использована по назначению. В иных случаях следует выполнить необходимые испытания, приведенные в таблице 4.

Программа включает следующие этапы:

- обзор и идентификация. Обзор доступной литературы и идентификации испытаний, необходимых для восполнения недостающей информации о свойствах полимерного материала. В результате обоснование выбора материала в первом приближении основывается на доступных аналитических данных, а именно - на требованиях к работоспособности в условиях эксплуатации и стоимости. Основное внимание уделено тем испытаниям на работоспособность, при которых выявляют любые принципиальные несоответствия в работоспособности материала. Испытания, указанные в таблице 4, номинально имеют одинаковую значимость, но в действительности некоторые из них стоят в приоритете;

- выбор параметров испытания, определяемый в зависимости от свойств транспортируемых жидкостей, рабочих температур и давлений и т.п.

Рисунок 2 - Порядок проведения предварительных испытаний

7.4 Полный комплекс испытаний

7.4.1 Полный комплекс испытаний полимерного материала включает в себя применение ряда испытаний материалов, необходимых для получения информации о критическом свойстве. Некоторые из этих испытаний проводят дольше (например, ускоренное химическое старение). Цель программы полного комплекса испытаний - всесторонне оценить пригодность полимерного материала для эксплуатации в составе конструкции гибкой трубы, что дает возможность определить, имеет ли материал необходимые характеристики, удовлетворяющие производителя, и проведение испытания прототипа гибкой трубы будет основано на оценке результатов данного испытания. Испытания, необходимые для оценки работоспособности, перечислены в таблице 4, а общий порядок проведения испытаний показан на рисунке 3.

7.4.2 Основной упор в полном комплексе испытаний делается на их максимальной приближенности к рабочим условиям. Обязательным требованием является необходимость использования образцов для испытаний из экструдированной трубы; образцы трубы, изготовленной иным способом (например, методом литья), недопустимы при выполнении полного комплекса испытаний. Как и при предварительных испытаниях, должны быть определены параметры испытания.

Рисунок 3 - Порядок проведения полного комплекса испытаний

7.5 Испытание на растяжение

7.5.1 Испытание на растяжение - это основное средство получения данных о материале, таких как полная кривая деформирования упругопластических материалов, модуль Юнга, растяжение (предельное), предел прочности на разрыв и относительное удлинение на разрыв, а также для оценки изменений, обусловленных старением материала. Испытания на растяжение должны проводить в соответствии с ГОСТ 11262, а также приложением В.

7.5.2 Влияние температуры на механические свойства подтверждают соответствующими испытаниями. Охватываемый диапазон температур должен быть определен крайними значениями, характерными для условий эксплуатации, и включать в себя ожидаемый максимум, нормальную температуру эксплуатации и температуру условий выхода трубы из строя. Температуры испытаний: 23°С, 120°С, 150°С, 175°С и 200°С. Испытания на стойкость к RGD при MPT (см. 7.12) выполняют на образцах, прошедших старение в соответствующих условиях. Испытания на растяжение следует проводить как на несостаренных, так и на состаренных образцах; подробнее условия старения приведены в 7.13.

7.6 Исследование распространения усталостных трещин

7.7 Испытание на усталость

7.7.3 Испытания должны охватывать спектр рабочей температуры гибкой трубы и включать в себя состаренные пробы. Дополнительная информация об испытании приведена в приложении В.

7.8 Испытание по определению релаксации напряжения

7.8.1 Данное свойство относится главным образом к концевым фитингам гибкой трубы, когда в скрепляющем кольце корпуса трубы возникает напряжение в результате ослабления напряжения при коррекции давления жидкости: в таких условиях явление экструзии становится существенным, как описано в подразделе 7.9. Локальные изменения свойств трубы после изгиба (во время хранения, обслуживания) могут сопровождаться снижением рабочих характеристик.

7.8.2 Может потребоваться проведение стандартных испытаний. Метод, использованный в разработке настоящего стандарта, измеряет релаксацию напряжений при сжатии с помощью специального сферического индентора; последний имеет радиус, который имитирует (соответствует) радиус кривизны кромки при ее заделке в концевой фитинг (изогнутое состояние). Данный метод подробно описан в приложении В.

7.8.3 Испытания следует проводить в пределах всего спектра температуры (см. в 7.5.2) и как для несостаренных, так и для состаренных образцов (условия старения см. 7.13). Следует учитывать, что скорость релаксации напряжения в полимерном материале находится в узких пределах при температурах вплоть до MPT и RGD.

7.9 Испытание экструзией/испытание на ползучесть

7.9.1 Целью является изучение особенностей течения (экструзии) полимерного материала в зазоры между элементами армирования, окружающими оболочку внутреннего давления при температурах и давлениях, максимально приближенных к эксплуатационным.

7.9.2 Экструзию определяют для целей настоящего испытания как изменение в нарушении (деформации) оболочки полимера с течением времени вследствие постоянного давления (напряжения). Реакция вязкоупругого материала на напряжение начинается с резкого удлинения, за которым следует его упругая деформация (сначала стремительно, затем снижается до постоянной скорости) и спустя более длительный период вязкое течение. Когда напряжение снимается, изначальная упругая реакция немедленно восстанавливается; любое невосстанавливаемое нарушение является результатом вязкого течения материала.

7.9.3 В специальной барокамере внутренняя поверхность образца для испытаний (соответствующая внутренней поверхности оболочки) подвергается постоянному поднимаемому давлению при температуре испытаний посредством инертной жидкости. Образец для испытаний поддерживается по внешней поверхности с помощью вставки, имитирующей армирование. Экструзию материала в зазорах армирования контролируют как функцию времени. Характеристики экструзии/ползучести зависят от ряда факторов: модуля полимера; толщины образца для испытаний; геометрии армирующих элементов; температуры и давления (напряжения). Камера испытания и ее эксплуатация более подробно рассмотрены в приложении В.

7.9.4 Для полимерного материала, изучаемого в настоящем стандарте, локально создаваемые деформации в экструдированных областях могут превысить допустимый предел напряжения 7,5%. Причина отказа от полимерного материала зависит от других факторов, в частности от того, планируется ли использование высокотемпературного газа (см. 7.12).

7.9.5 Считают, что полимерный материал не прошел испытание на экструзию/ползучесть, если образец для испытаний (который имеет соответствующие реальным условиям геометрию и толщину, см. приложение В) подвергают более чем 30-процентному уменьшению толщины на протяжении срока службы, которое оценивают путем экстраполяции кривой ползучести. Данное условие зависит от геометрии зазоров между армирующими элементами и от толщины оболочки. Вероятность разрыва оболочки тем больше вероятна, чем больше утонение оболочки.

7.10 Испытания на стабильность размеров

7.10.1 Для предварительной оценки рекомендуется проводить испытания на стабильность размеров, так как их изменения в точках крепления концевых фитингов могут быть существенными. Детали проводимого испытания приведены в приложении Г.

7.10.2 Основными переменными испытания являются температура и время. Испытание на стабильность размеров, как правило, проводят в вакуумной печи. В целях предварительной оценки температуру испытания следует использовать равной или близкой к MST; если MST не известна, следует установить температуру 150°С. Изменения в массе, объеме и размерах образца для испытаний фиксируют в интервалах на протяжении периода испытания, который может длиться несколько недель. В нормальных условиях существенных изменений следует ожидать только от пластифицированных полимерных материалов.

7.11 Испытания газопроницаемости при высокой температуре

7.12 Испытание на устойчивость к взрывной декомпрессии

7.12.3 Условия проведения испытания на RGD следует постоянно применять на протяжении любой программы испытаний, например: испытательное давление - 34,5 МПа; диапазон температур - 150°С-200°C; скорость декомпрессии - 0,7 МПа/мин и период охлаждения/дегазации - 2 ч.

7.12.4 Когда к образцу для испытаний применяют высокое давление газа, происходит деформация (экструдирование/ползучесть) в поддерживающий слой армирования. Затем газ диффундирует через полимер нормальным способом; газ может выйти из материала только через зазор армирования - в других местах полимер становится пропитанным, в худшем случае может быть обнаружено, что "ребра" из полимерного материала оболочки, которые выступают в зазоры между элементами армирования, значительно слабее противостоят разрушению RGD, чем основной корпус полимерной оболочки. Это результат изменений в локальной морфологии полимера вследствие экструзии/ползучести и других концентраторов напряжения.

7.12.5 В соответствии со стратегией испытания на стойкость материала к RGD необходимо, чтобы для определения значений максимальной температуры эксплуатации при единичном и циклическом воздействиях применялись несостаренные образцы. Значение мультицикла не может превышать уровня единичного цикла. Такой же метод должен быть применен к образцам для испытаний, подвергнутым химическому старению. Окончательный выбор материала из условия соответствия максимальной температуре свойства MPT и устойчивости к RGD будет результатом циклических испытаний образцов, прошедших старение; необходимо провести максимум 20 циклов и контролировать изменения плотности и внешнего вида образца для испытаний. Для текущих вероятных полимерных материалов MPT RGD обозначает MST. Дополнительная информация об испытании представлена в приложении Г.

7.12.6 Для вероятных полимерных материалов, исследованных при разработке настоящего стандарта, MPT RGD является пределом, выше которого повреждение при массовой декомпрессии, за исключением микрорастрескивания, происходит как в несостаренных, так и химически состаренных образцах после нескольких циклов испытаний на RGD (из насыщенного состояния); на практике состаренные образцы, вероятно, определяют MPT.

7.12.7 Для мультицикличных испытаний на RGD, проводимых при максимальной температуре, свойства MPT RGD, плотность и внешний вид образца для испытаний должны быть зафиксированы после каждого цикла. Если плотность остается приблизительно постоянной для всех циклов, это интерпретируется как показатель хорошей работоспособности. Для материалов, использованных в разработке настоящего стандарта, значительная "белесоватость" (вследствие микрорастрескивания) являлась характеристикой начального события декомпрессии, что приводило к увеличению объема. При этом обнаружено, что объем образца для испытаний (и, как следствие, внутреннее повреждение трещин) оставался стабильным ниже максимальной температуры свойств MPT RGD во время последующих циклов. За пределами MPT RGD вспучивание/растрескивание материала делает его непригодным для эксплуатации.

7.13 Жидкостная совместимость и старение, устойчивость к химическому старению

7.13.1 Следует учитывать несколько факторов при определении жидкостной совместимости испытуемого полимера, среди которых выделяется разнообразие жидких веществ, которые могут контактировать с оболочкой внутреннего давления во время срока эксплуатации гибкой трубы. Для предварительной оценки подходят испытания кратковременного воздействия. Они включают в себя воздействие на образцы соответствующих жидкостей (например, нефти, метанола, морской воды) при повышенных температуре и давлении в течение фиксированного временного периода (как правило, этого достаточно для установления равновесного массового поглощения). Минимальная температура испытания, применявшаяся в разработке настоящего стандарта, составляла 150°C. Изменения в массе и объеме образца для испытаний могут быть записаны интервалами во время периода воздействия, поэтому фиксируют любое изменение во внешнем виде образца; подробности приведены в приложении Г.

При определении коэффициента диффузии следует исключить влияние открытых краев образца для испытаний.

7.13.3 Полная оценка должна обеспечивать оценку влияния имитирующих рабочую среду жидкостей на соответствующие механические свойства полимерного материала (например, модуль Юнга). Для этого требуется, чтобы образцы для испытаний на растяжение находились в контакте со средой в течение времени, достаточного для достижения равновесного состояния.

7.13.4 Любая оболочка давления гибкой трубы при эксплуатации состаривается: процессы изменений, зависящих от времени, и химического старения неизбежны. Полностью состаренной оболочкой считают оболочку, чей срок годности подошел к концу. По определению, такая труба будет обладать свойствами, превышающими порог, обозначенный для критериев отказа. Следовательно, при ускоренном химическом старении при повышенных температурах состаренные образцы получают после того, как свойства изменятся на отказные.

8 Оценка материала

8.1 Общая информация

8.1.1 Результат полного комплекса испытаний материала должен быть оценен в сравнении с критериями работоспособности для условий эксплуатации. В данном разделе обсуждены следующие темы:

а) определение критериев работоспособности;

б) интерпретация результатов испытания материала (см. таблицу 5).

Таблица 5 - Классификация критериев работоспособности

8.1.2 Критерий эффективности определяет допустимый диапазон или границу для свойства измеряемого материала, в рамках которого исследуемый полимер должен находиться при условии, что он может функционировать в высокотемпературных условиях эксплуатации. Превышение значения критерия работоспособности может привести к выходу трубы из строя.

8.2 Критерии работоспособности

8.2.1 Уменьшение толщины оболочки внутреннего давления

Рисунок 4 - Оценка с запасом уменьшения толщины оболочки внутреннего давления

8.2.2 Проницаемость при высоком давлении, сопротивление взрывной декомпрессии газа, жидкостная совместимость и требования к химическому старению

Критерии работоспособности, относящиеся к жидкостной совместимости, проницаемости при высоком давлении, сопротивлению RGD и химическому старению полимерного материала, обозначены как критерии 6-9 в таблице 6.

8.2.3 Проблемы концевых фитингов

Критерий работоспособности относительно требований к концевому фитингу полимерного материала представлен как критерий 10 в таблице 6. Обжатие внутренней оболочки под давлением на концевом фитинге приводит к локальной деформации сжатия. Свойства релаксации напряжения полимерного материала должны быть такими, чтобы требуемый захват манжеты на оболочке давления поддерживался на протяжении расчетного срока службы трубы. Значение в 20%-30% толщины слоя оболочки можно считать приемлемым для идентификации, используемой в текущих расчетах концевого фитинга. Проектирование работоспособной конструкции концевого фитинга зависит:

а) от деформаций, испытуемых во время эксплуатации, которые определяются в процессе проектирования базового варианта с использованием соответствующих свойств жесткости;

б) локальных деформаций, происходящих в тех местах, где материал экструдируется в зазоры элементов армирования;

в) усилия обжатия манжеты концевых фитингов.

8.3 Интерпретация результатов

8.3.1 Каждый критерий эффективности должен быть ранжирован в соответствии с его относительной значимостью. В таблице 5 представлены рекомендации для спецификации двух классов значимости критериев работоспособности.

В таблице 6 приведены типовые классификации для каждого критерия работоспособности.

8.3.2 В целях оценки работоспособности полимерного материала относительно критериев, обозначенных в данном подразделе, материал следует классифицировать по одной из следующих категорий:

- подходит для использования в высокотемпературной гибкой трубе - полимерные материалы, которые проходят все классы критериев работоспособности I и II;

- потенциально подходит для использования в будущем - полимерные материалы, которые проходят все классы критериев работоспособности I и не прошли некоторые критерии класса II;

- не подходит для использования в высокотемпературной гибкой трубе - полимерные материалы, которые не прошли любой из критериев работоспособности класса I.

8.3.3 В приложении Е представлено сравнение свойств полимерных материалов, находящихся в текущем использовании в оболочке давления в гибкой трубе с многослойной несвязанной изоляцией: пластифицированный поливинилиденфторид (Solef 1015/0078, Solvay), полиамид PA 11 (Rilsan BESNO P4-TL, Elf Atochem) и пластифицированный поливинилиденфторид (Kynar 50HDCP900, Elf Atochem).

Таблица 6 - Критерии работоспособности

Приложение А

(справочное)

Механические свойства

А.1 Механические условия эксплуатации

Механические рабочие нагрузки, воздействующие на гибкую трубу, как статические, так и/или динамические, могут возникать из источников, перечисленных в таблице А.1.

Таблица А.1 - Сводка источников нагрузки на трубу

Механические нагрузки передаются на поперечное сечение гибкой трубы в виде растягивающих нагрузок, сжимающих нагрузок, изгибающих нагрузок, внутреннего/внешнего давления (радиального и осевого) и торсионных нагрузок, которые могут колебаться. Механические нагрузки можно разделить на две категории следующим образом: общие нагрузки - это нагрузки, связанные с перемещениями корпуса трубы, и локальные нагрузки - нагрузки, связанные с нагрузками на поперечном сечении трубы на локальном участке.

А.1.1 Общие нагрузки

Неисправность оболочки внутреннего давления гибкого трубопровода под давлением вследствие общей механической нагрузки вызвана, в первую очередь, изгибающими нагрузками, которые могут быть статическими или динамическими.

В смежных полимерных слоях гибкой трубы будут возникать деформации вследствие изгиба трубы. Максимально допустимая деформация, возникающая в оболочке, не должна превышать величины, соответствующей пределу текучести. Это условие следует применять ко всем состояниям материала (например, состаренному) во всем диапазоне рабочих температур.

MBR является конструктивным требованием, которое обычно проверяют с использованием методов анализа конечных элементов.

А.1.2 Локальные нагрузки

Механические нагрузки также влияют на напряжение и деформации оболочки внутреннего давления в локальных сечениях. Внутреннее давление жидкости и изгибающие нагрузки являются причинами, вызывающими критические нагрузки. В тех случаях, когда полимерный слой выталкивается из зазоров в окружающем слое армирования под воздействием внутреннего давления трубы, в нем могут возникать существенные локальные деформации. В данных обстоятельствах все полимерные материалы подвергают стремительной упругой/пластичной экструзии в зазоры, за которыми следует более медленная, зависящая от времени экструзия материала при пределе текучести. Другими словами, установившийся режим экструзии достигается быстро, при этом скорость ползучести зависит от свойств материала, давления, температуры и геометрии зазора (см. 7.9). Большая часть такой деформации является результатом пластичных деформаций на небольших локализованных утечках материала возле краев поперечного сечения армирующей проволоки на давление. Свойства полимера оболочки внутреннего давления должны быть достаточными для того, чтобы выдерживать эти деформации и поддерживать целостность оболочки давления на протяжении всего срока службы трубы.

Изгибающие нагрузки способствуют локальному напряжению и условиям деформации, так как влияют на ширину зазора между соседними армирующими проволоками. Динамический изгиб является причиной варьирующейся циклической деформации в размере зазора, тем самым влияя на перемещение полимера внутрь зазора, что также повышает возможное возникновение трещины в зазоре. Чувствительность материала оболочки к надрезу в таком случае становится релевантной. Если в связи с этим возникает критическая ситуация, можно сконструировать внутреннюю оболочку с защитным слоем, чтобы предупредить возникновение трещин путем предотвращения экструзии.

Аналитические методы оценки локальных деформаций оболочки в зазоры элементов армирования основаны на анализах методом конечных элементов, калиброванных с результатами реалистичных испытаний.

Экструзия полимера оболочки в зазоры армирующей проволоки на давление может в экстремальных случаях заполнять доступное пространство канавки полностью, что может привести к изменению общей жесткости труб. Также износ между оболочкой внутреннего давления и смежными металлическими слоями (как правило, каркас и армирование) может быть вызван перемещением этих слоев при изгибе относительно друг друга. Другой возможной причиной износа может являться песок, присутствующий в транспортируемом флюиде. Однако при эксплуатации абразивный износ оболочки давления не считают существенным.

А.2 Тепловые нагрузки

Полимеры, используемые в качестве материалов для оболочки, нагруженной внутренним давлением, должны сохранять работоспособность при максимальной и минимальной расчетных температурах. Верхняя граница температуры эксплуатации для новых полимерных материалов оболочки предположительно находится между 150°С и 200°С. При эксплуатации циклические изменения температуры могут происходить во время остановки оборудования или других периодических процедур, таких как промывка горячей нефтью. На практике установлено, что в общей сложности на протяжении 25-летнего срока службы количество температурных циклов равно 1095 (см. таблицу А.2).

С одной стороны, изоляционные свойства оболочки внутреннего давления могут быть существенным расчетным фактором, если необходимо поддерживать температуру транспортируемой жидкости выше определенного значения, чтобы обеспечить надлежащие свойства потока. Оболочка внутреннего давления с низкой теплопроводностью может устранить необходимость в дополнительных изоляционных слоях в поперечном сечении трубы и снизить воздействие температуры на другие слои. С другой стороны, материал с низкой теплопроводностью будет повышать требования к изоляции трубы и подвергать окружающие слои воздействию более высоких температур.

Таблица А.2 - Типичные оценочные температурные циклы и колебания при непрерывной 25-летней эксплуатации

Высокий коэффициент теплового расширения будет означать, что в полимерном слое могут возникать значительные напряжения.

Цикличное изменение температуры полимера может привести к значительным изменениям в скорости релаксации напряжения, особенно это касается конструкции концевых фитингов трубы.

А.3 Проницаемость

Наибольшее влияние на характеристики проницаемости полимерной оболочки давления оказывают:

- характеристики транспортируемой жидкости;

- физические свойства полимера;

- давление газа (минимальное/максимальное) и скорость изменения;

- температура (минимальная/максимальная и продолжительность);

- толщина оболочки давления;

- эффект экранирования армирующего слоя.

Диффузия агрессивных жидкостей через внутреннюю оболочку может привести к коррозии элементов металлического армирования в межслойном пространстве трубы, что приводит к выходу трубы из строя. Скорость диффузии зависит от свойств жидкости, условий внутри трубы и природы полимерного материала (см. приложение Д). Данные о транспортируемых жидкостях, с которыми может контактировать полимер оболочки, приведен в приложении Ж.

В случае проницаемой наружной оболочки имеет значение общее количество проникающего газа. При этом и каркас, и слои армирования выступают в качестве барьеров для диффузии газа. Главным составляющим газового потока месторождения является метан.

А.4 Взрывная декомпрессия газа

Взрывная декомпрессия газа - термин, описывающий внезапный сброс давления во внутреннем диаметре трубы при ее эксплуатации. Газ, присутствующий внутри оболочки внутреннего давления, расширяется и ищет выход путем диффузии на поверхность материала. Если это невозможно, может произойти разрыв/вспучивание, нарушающие целостность оболочки. Склонность полукристаллического полимера к данному режиму отказа относится к его жесткости (модулю), вязкости разрушения, морфологии, условию закрепления, коэффициенту диффузии и растворимости газа. Например, при всех равных факторах декомпрессионное повреждение с большей вероятностью будет наблюдаться в материале с низким коэффициентом диффузии.

А.5 Жидкостная совместимость и старение

Степень, в которой полукристаллический полимер (например, PE или PVDF) поглощает количество жидкости с низкой вязкостью, зависит от растворимости жидкости в полимере. Параметр растворимости Гильдебранда является существенным параметром материала, определяющим, какие полимеры с большей вероятностью будут противостоять физико-химическому увеличению объема и/или химической атаке в заданных жидкостях. Данный параметр - постоянное свойство как жидкости, так и полимера. Жидкость не проникнет в полимер в существенной степени, если их параметры растворимости значительно различаются. Однако, если их параметры растворимости схожи, полимерный материал будет набухать в среде. Это можно исправить, если структура полимера достаточно организована (т.е. со стабильно высокой кристаллизацией). Если структурные элементы полимера недостаточно прочны или расположены далеко друг от друга, жидкость попадет в аморфную область (химически) совместимого полимера, вызывая его набухание, что является эффектом физико-химического старения, который ослабляет материал механически.

Кинетика абсорбции жидкостей также включает в себя диффузионные процессы (см. приложение Д).

Главные факторы нагрузки, связанные с совместимостью и старением полимерного материала в эксплуатации, близки к факторам проницаемости. К ним относят:

- характеристики транспортируемой жидкости;

- давление (минимальное/максимальное) и скорость изменения;

- температуру (минимальную/максимальную и продолжительность).

Если транспортируемая жидкость химически агрессивно воздействует на оболочку, это может привести к хрупкости материала и к последующему отказу оболочки трубы. В приложении Ж приведен перечень жидкостей, с которыми возможен контакт полимерного материала.

Значимым фактором в определении совместимости полимера с транспортируемой жидкостью является влияние химической среды на характеристики старения материалов. Старение может произойти в химическом, физико-химическом и физическом смысле. Два последних теоретически обратимы, но, как правило, не применимы в эксплуатации гибких труб.

А.5.1 Физическое старение

Одним из примеров процесса физического старения является случай с термопластом, который при быстром охлаждении до значения ниже температуры стеклования стремится достичь термодинамического равновесия, когда сжимается и условно остается в кристализованном состоянии - в таком случае могут наблюдаться незначительные изменения. Другие примеры - ползучесть и релаксация напряжения.

А.5.2 Химическое старение и хрупкость

Химическое старение на поверхности протекает стремительно, когда агрессивные компоненты контактируют с полимером. Вследствие тяжелых условий эксплуатации гибкой трубы характеристики старения материала оболочки являются принципиальным фактором работоспособности. Процесс старения в общем характеризуется неблагоприятными изменениями в механических и/или физических свойствах (например, изменение молекулярного веса).

Если полимерная оболочка поддается анализу молекулярной массы, можно получить ценную информацию о механизмах деградации и их влиянии на механические свойства полимера. Если происходит физико-химическое вспучивание, химическая деструкция может продолжиться внутри объема полимера.

Критерии испытания на старение следует основывать на требуемых физических и/или механических свойствах в конце срока службы трубы. Существенными факторами в определении характеристик старения являются влияние пластификаторов, условий окружающей среды и нагрузки, обводненность, уровень pH, абсорбция жидкости и изменение размеров.

Старение может оказывать сильное влияние на деградацию материала. Критерии старения для рекомендованных свойств существующих оболочек внутреннего давления в конце срока службы при температуре испытания 20°С, приведенные в [1]*, следующие:

а) полиэтилен высокой плотности низкого давления (HDPE):

1) предел прочности при растяжении - не менее 15 МПа,

2) относительное удлинение при пределе текучести - не менее 7,7%;

б) полимер этилена с поперечно сшитыми молекулами (XLPE):

1) предел прочности при растяжении - не менее 15 МПа,

2) относительное удлинение при пределе текучести - не менее 7,7%;

в) PA-11 (прочность на разрыв) - не менее 20 МПа:

1) относительное удлинение при пределе текучести - не менее 30%,

2) относительное удлинение при разрушении - не менее 50%;

в) поливинилиденфторид (PVDF):

1) прочность на разрыв - не менее 25 МПа,

2) относительное удлинение при пределе текучести - минимум 7%.

А.6 Особенности использования концевых фитингов

Гибкие трубы оканчиваются концевыми фитингами, которые переносят нагрузки от отдельных слоев к прикрепленному соединителю. Корректный расчет соединения и вспучивания слоя оболочки предельно важен для сохранения работоспособности трубы. Некоторые конструкции гибкого райзера имеют более одного слоя оболочки давления; роль внешнего(их) слоя(ев) заключается в обеспечении защиты от коррозии гальваническими анодами от микрорастрескивания во время динамической эксплуатации, когда материал экструдирует в доступные канавки каркаса и элементов армирования.

Оболочку внутреннего давления фиксируют зазубренной манжетой, что обеспечивает герметичность соединения. Механические свойства, а именно - характеристики релаксации напряжения, материала оболочки внутреннего давления будут определять уровень деформации сжатия, необходимый для достижения безопасности и длительного сжатия на концевом фитинге на протяжении всего срока службы трубы.

Величина этой сжимающей силы определена указанным углублением, которое, как правило, устанавливается в виде процента толщины оболочки (например, 20%). Эта величина представляет собой деформацию сжатия, которая не может превышать предел текучести материала. Локальная релаксация напряжения материала оболочки давления может означать, что часть искажения, имеющая отношение к основной деформации, становится постоянной усадкой. Для навесного оборудования гибких труб такого типа нужно определять уровень деформации сжатия, необходимый для надежного обжатия оболочки внутреннего давления.

В таблице А.3 указаны потенциальные дефекты оболочки внутреннего давления в концевом фитинге и относящиеся к ним свойства и условия эксплуатации.

В некоторых динамических применениях райзеры, установленные на турели, окружены неподвижным воздухом. Во время остановки оборудования такие концевые фитинги будут охлаждаться медленнее, чем погруженные в морскую воду, что будет влиять на температурные циклы, воздействующие на материал оболочки внутреннего давления в данной области.

Тяжелый каркас может передавать вертикальные нагрузки оболочке внутреннего давления, что способствует нагрузке при поднятии. Когда в проходном канале трубы нагнетается давление, вес слоев и каркаса поддерживается трением со слоем элементов армирования. Однако в случае сброса давления данное трение не будет существенным, и вес каркаса и оболочки давления будет поддерживаться только манжетой.

Таблица А.3 - Условия нагрузки и свойства материала, относящиеся к видам отказа концевого фитинга

Сопутствующими факторами при поднятии оболочки внутреннего давления являются осевое растягивающее усилие и цикличное изменение температуры. Прижимное усилие уплотнительного кольца райзера с множественными слоями оболочки уменьшается релаксацией напряжения в слое полимера с последовательным соскальзыванием смежных слоев. Основными факторами, способствующими данному виду отказа, являются:

- потеря пластификатора из оболочки внутреннего давления вследствие химического воздействия, приводящего к изменению размеров (уменьшению) слоев оболочки;

- сжатие оболочки в зоне манжеты, возникающее при расширении полимера под действием повышения температуры и способствующее потере пластификатора (через сдавливание);

- текучесть материала и релаксация напряжений материала оболочки, уменьшающая прижимное усилие на концевом фитинге, вначале стремительно, затем медленнее;

- структура слоев многослойной оболочки, позволяющая выполнять ее подъем, т.к. только внешние слои обжаты манжетой и каркасом, что дает возможность центральному(ым) слою(ям) скользить;

- свойства материала оболочки, варьируемые на протяжении срока службы;

- число и амплитуда температурных циклов, влияющие на склонность райзеров к данному виду отказа;

- разница между скоростями охлаждения концевого фитинга и корпуса основной трубы во время циклов изменения температуры, которая также является важным фактором.

Оптимальная конструкция концевого фитинга способна минимизировать возможный отказ путем использования материалов оболочки, которые могут применяться в конструкции отдельного слоя, либо может экструдироваться без вспомогательных обрабатывающих средств (например, пластификатора). Сопротивление различным факторам, связанным с видом отказа, будет являться существенным требованием эффективности для высокотемпературных полимерных материалов.

А.7 Сводная таблица

В таблице А.4 приведены рабочие нагрузки, которым подвергнется высокотемпературная гибкая труба.

Таблица А.4 - Перечень нагрузок

Приложение Б

(справочное)

Протоколы испытаний

Б.1 Примеры

Когда испытание проводят с использованием стандартных процедур, образцы для испытаний должны быть подготовлены в соответствии с настоящим стандартом. Оценка нестандартных размеров образца допускается только по соглашению между клиентом и поставщиком. Для процедур испытания, описанных в настоящем стандарте, следует использовать размеры образца, приведенные в приложениях Е и Ж.

Для предварительной оценки образцы могут быть вырезаны или изготовлены из экструдированного материала, либо сформованы, при этом данный факт должен быть зафиксирован в отчетной документации. При выполнении полного комплекса испытаний образцы для испытаний получают из заготовки, полученной по технологии, максимально приближенной к той, которая в дальнейшем будет использована для производства промышленных серий изделия.

Для процедур испытаний, обозначенных в настоящем стандарте, допуск по измерениям образца для испытаний должен составлять ±1% и измеряться при помощи микрометра с точностью до 0,02 мм.

Б.2 Оборудование для испытаний

Требования к оборудованию для испытаний представлены в приложениях В и Д. Испытательное оборудование и средства измерения должны иметь все необходимые сертификаты.

Б.3 Процедуры испытаний

В тех случаях, когда требуются постоянные давление или температура, стабилизация может быть выполнена при нижеприведенных обстоятельствах.

Б.3.1 Давление: колебание давления в пределах 1 ч составляет ±1% от давления испытания.

Б.3.2 Температура: колебание температуры в пределах 1 ч составляет ±2,5°С от температуры испытания.

Б.4 Документальное оформление

В протокол испытаний следует включать следующее:

а) основные размеры образца, описание материала и используемое испытательное оборудование;

б) исходные данные и параметры материала, рассчитанные с использованием исходных опытных данных;

в) описания видов отказа материала с указанием условий испытаний;

г) рекомендацию по совместимости материала с эксплуатацией в заданных условиях.

Б.5 Представление результатов

Результаты и записи должны храниться так, чтобы их можно было принять как предварительную информацию для аналогичной эксплуатации.

Б.6 Актуальность результатов

В каждом случае изменения типа полимера или условий получения изделия следует проводить испытания, подтверждающие, что свойства полимерного материала по-прежнему удовлетворяют критериям его приемки. Оценочные испытания материала на конкретное применение могут считаться действительными для такого же полимера в менее тяжелых условиях эксплуатации. Должно быть показано, что ни одно из требований работоспособности для нового применения не является более жестким, чем при исходной эксплуатации.

Приложение В

(справочное)

Механические испытания

Испытания механических свойств полимерных материалов в соответствии с настоящим стандартом описаны в нижеприведенных разделах. Все образцы для испытаний должны быть изготовлены из экструдированной трубы.

В.1 Растяжение

Испытание на растяжение является основным средством получения данных при определении механических свойств полимерных материалов, таких как: полная кривая деформирования, напряжение при растяжении, предел текучести при растяжении, прочность при растяжении, напряжение при растяжении и относительном удлинении, прочность на разрыв, относительное удлинение, относительное удлинение при пределе текучести, относительное удлинение при разрыве, относительное удлинение при максимальном напряжении, модуль упругости при растяжении (модуль Юнга), коэффициент Пуассона. Испытания на растяжение выводят согласно ГОСТ 11262 и ГОСТ 34370 в соответствующем диапазоне температур.

В.1.1 Оборудование

Оборудование для испытания должно состоять из испытательной машины и индикатора растяжения. Машина должна позволять проводить испытание с постоянной скоростью деформации. Кроме того, для данного применения требуется термоуправляемый(ая) автоклав или печь, которые подходят для установки на испытательной машине. Погрешность измерения температуры не более 2°С.

Образец для испытаний и зажимы (форма которых соответствуют кривизне образца для испытаний) будет находиться внутри камеры печи и подсоединен к испытательной машине с помощью стальных соединительных штанг, которые входят в печь через специально разработанные отверстия сверху и снизу. Данные штанги могут содержать керамические вставки, чтобы термически изолировать печь от остальной испытательной машины.

Описание трех типов тестовых образцов приведено в [3]. Целесообразно использовать образцы типа M-II, однако могут применяться образцы любого размера, соответствующие существующим стандартам или согласованные между поставщиками и клиентом. Рекомендовано (см. [3]), чтобы как минимум пять образцов для испытаний были испытаны на изотропные материалы для каждого набора условий испытания; из соображений прагматичности при разработке настоящего стандарта использовались только три образца. Для экструдированных труб с толщиной стенки, релевантной эксплуатации (от 6 до 8 мм), подходят только образцы для испытаний, обработанные в осевом направлении по всей длине.

В.1.2 Условия испытания

Рекомендованная скорость перемещения головки шатуна основана на ожидаемой скорости деформации, характерной для условий эксплуатации гибкой трубы. Любая скорость испытания в диапазоне 0,5-50 мм/мин может использоваться, однако целесообразнее использовать значение 50 мм/мин.

В.1.3 Измерения

Полимерные материалы отличаются крайне нелинейным общим поведением кривых "напряжение-деформация"; исходные линейные области применяют в диапазоне низких растягивающих напряжений (от 0% до 7,5%), что относится к эксплуатации оболочки давления гибкой трубы. Следовательно, кривые "напряжение-деформация", модуль Юнга и секущий модуль должны быть измерены для всего применимого температурного диапазона и проанализированных средних значений.

В.2 Испытание на сопротивление росту трещин (трещиностойкости)

Существующие методы количественного определения пригодности полимера для использования в нагруженных инженерных конструкциях включают в себя в качестве критериев оценки свойства материала при растяжении (см. В.1) и устойчивость (сопротивление материала) к росту трещин. Для эластомеров последнее является прочностью на разрыв, а вязкость разрушения эквивалентна вязкости разрушения для термопластов.

В.2.1 Оборудование

Применяют испытательную машину с контролем перемещения и индикатором нагрузки. Кроме того, для проведения испытания выше температур окружающей среды требуется автоклав или печь, которые подходят для установки на испытательной машине. Погрешность регулирования температуры - не более 2°С.

Любое изгибающее усилие, обусловленное усилением изогнутого образца, следует учитывать, при необходимости.

Рисунок В.1 - Проекционные и боковые виды компактного натяжного образца, изготовленного из трубы, с выемкой в осевом направлении

В.2.2 Описание метода испытания

Образец для испытаний разрушают на универсальной испытательной машине, и скорость роста трещины последовательно измеряют после разрыва образца, чтобы выявить поверхность трещины. Полезной формой для представления данных является график вязкости разрушения (сопротивления) к росту трещины, составленный при помощи результатов нескольких отдельных испытаний, в которых применены различные уровни уклонения.

В.2.3 Измерения

В.3 Распространение усталостной трещины

В настоящем стандарте расширена концепция вязкого разрушения путем выполнения нескольких циклов напряжения/деформации на той же серии образца для испытаний, чтобы продемонстрировать поведение термопластичных материалов при усталости в объективно реалистичных режимах. Применимы любые комментарии в отношении способствующей силы согласно В.2.1.

В.3.1 Оборудование

Образец для испытаний описан в В.2.1. Испытательная машина должна иметь возможность циклично (либо динамично) нагружать образец для испытаний; наиболее подходящими являются сервогидравлические машины.

Кроме того, требуются термоуправляемый(ая) автоклав или печь, которые подходят для установки на испытательной машине. Регулирование температуры должно быть выполнено с точностью ±2°С. Термостойкие лампы для облучения образца во время цикла при повышенной температуре расположены в той печи, которая оснащена стеклянным смотровым отверстием.

Видеомикроскопию используют для определения роста трещины.

В.3.2 Описание метода испытания

В.3.3 Измерения

В.4 Релаксация напряжений

Данное испытание, как правило, проводят для зоны концевого фитинга гибкой трубы, где оболочка давления защищена и обжата кольцом обжима; сохранение напряжения в данном случае является решающим. Испытание измеряет скорость релаксации напряжения полимера в сжатии или натяжении.

В.4.1 Оборудование

Округлый индентор, установленный на универсальной испытательной машине, используют для наложения фиксированного уровня деформации сжатия на испытуемый материал (см. рисунок В.2). В выборе радиуса индентора определяющей является стандартная геометрия манжет концевых фитингов на оболочках внутреннего давления. Считается, что типовой радиус конца составляет 3 мм. Также требуется термоуправляемая печь, которая подходит для установки на испытательной машине. Погрешность регулирования температуры - не более 2°С.

Рисунок В.2 - Индентор релаксации напряжения

Квадратный образец со стороной 25 мм, отрезанный от экструдированной трубы с актуальной толщиной стенок, будет достаточным для устранения эффектов кромки во время испытания.

Получение данных потребуется для определения силового отклика по отношению ко времени проведения испытания.

В.4.2 Описание метода испытания

Усилие накладывается на образец с помощью скругленного индентора, отступив от края образца на величину, равную 20% толщины. Сжатие, как правило, накладывается в течение приблизительно 15 с. Данные первых 5 мин испытания, когда отклик обычно нелинейный, игнорируют. Конец данного периода принимают как исходный для записи значимого отклика релаксации.

В.4.3 Измерения

Релаксацию примененного напряжения сжатия описывают функцией времени. Поскольку это отношение после начального периода стабилизации в течение нескольких минут часто является линейным/логарифмическим, период испытания продолжительностью 1 ч считается нормальным. Если наблюдаемое поведение релаксации напряжения следует другой функции времени, для установления динамики развития может потребоваться более длительное испытание.

В.5 Экструзия/ползучесть

Под давлением среды в период эксплуатации оболочка давления прижимается к окружающим ее армирующим элементам. Элементы армирования включают в себя плоские провода, которые в состоянии взаимной блокировки сохраняют достаточную гибкость, чтобы выдерживать движения изгиба трубы; в результате разрыв между смежной намоткой арматуры варьируется. Так как оболочка давления на матрицу состоит из вязкоупругого материала, она может деформироваться под влиянием температуры и давления и "перетекать" (экструдироваться) в зазоры армирования.

В.5.1 Оборудование

Для настоящего стандарта разработан и изготовлен специальный датчик высокого давления для экструзии/ползучести, который помогает в разработке методики. Принцип работы датчика показан на рисунке В.3.

Постоянное давление прикладывают к полимерному образцу для испытаний, который расположен над смоделированной близко к реальным условиям канавкой оболочки. В испытательной барокамере вставки, имитирующие армирование, размещаются открытыми с одного конца для обеспечения возможности измерений экструзии.

Когда полимер выталкивается/экструдируется в направлении разрыва при определенном соотношении температуры и давления, его перемещение отслеживают с помощью датчика.

Необходимо оборудование, позволяющее поддерживать постоянное давление на внутренней поверхности образца для испытаний во время ее деформации. Поверхность равномерно подвергают давлению жидкости, находящейся внутри.

Регулирование температуры в автоматическом режиме достигается при помощи гибкого нагревательного элемента и системы контроля температуры с обратной связью. Давление и температура внутренней ячейки следует контролировать непрерывно.

Рисунок В.3 - Подход к испытанию на экструзию/ползучесть

В.5.2 Описание метода испытания

Предполагается, что образец для испытаний может сохранить равновесие при температуре испытаний в соответствующей камере до того, как подвергнется давлению. Когда давление испытания будет достигнуто (в течение 2 мин), реакция полимера контролируется при помощи датчика перемещения. Продолжительности испытания 24-30 ч, как правило, достаточно, чтобы показать эксплуатационные характеристики экструзии/ползучести материала. Когда давление устраняется в конце испытания, упругая реакция полимера может быть записана, если датчик перемещения подпружинен.

В.5.3 Измерения

Итогом испытания является график перемещения полимера (в канавку армирования), представленный в виде функции времени и нагрузки. Все материалы, изученные при разработке настоящего стандарта, продемонстрировали классические реакции на приложенное давление: мгновенный значительный упругий отклик (упругая/пластичная экструзия) сопровождался зависящим от времени поведением (ползучая экструзия), которое в целом было менее значимым с точки зрения заполнения канавки.

Приложение Г

(справочное)

Физические и химические испытания

Г.1 Стабильность размеров

Данное испытание оценивает изменения размеров материала при повышенных температурах на протяжении длительного периода времени. Изменения размеров могут привести к снижению напряжения или потере летучих компонентов. Последнее включает в себя испаренную влагу, низкий молекулярный вес образцов и добавки, такие как пластификаторы (используют для усовершенствования способности некоторых материалов к обработке).

Г.1.1 Оборудование

Необходимы вакуумная печь, штангенциркули и весы. Колебание температуры в печи должно контролироваться в пределах ±2°С.

Г.1.2 Описание метода испытания

Массу и размеры опытного образца фиксируют. Затем опытные образцы помещают в вакуумную печь и нагревают до температуры испытания в течение необходимого периода. Затем образцы охлаждаются до температуры окружающей среды, заново взвешивают и измеряют, изменения в массе, объеме и размерах фиксируют.

Г.1.3 Измерения

Изменения в массе, объеме и измерениях для отдельных комбинаций температуры испытаний и времени воздействия фиксируют.

Г.2 Коэффициент теплового расширения

Коэффициент теплового расширения полимерного материала должен быть определен при помощи стандартного метода испытаний (см. [2]). Обращаться к настоящему стандарту касательно любой информации по испытаниям.

Г.3 Газопроницаемость при высоком давлении

Г.3.1 Оборудование

Требуется оборудование для испытаний со следующими особенностями:

а) емкость, которая может подвергнуться высокому давлению при помощи газа. Необходимы инструменты мониторинга давления на протяжении времени в барокамере и компрессионной барокамере;

б) нагревательные элементы с контролем температуры с точностью в пределах 2°С.

Время испытаний описывают характеристиками диффузии полимерного материала. Для исследования используют диски диаметром 34 мм, изготовленные из экструдированной трубы.

Г.3.2 Описание метода испытания

Образец для испытаний закрепляют в камере высокого давления. Затем ячейку нагревают до температуры испытания и допустимо уравновешивают до того, как к образцу будет применено давление испытания. При испытаниях учитывают следующее:

Г.3.3 Измерения

Г.4 Взрывная декомпрессия газа

Сопротивление RGD является критически важным свойством для всех рабочих жидкостей, содержащих фазу газа под высоким давлением. Другие свойства не имеют значения в течение срока эксплуатации, если события RGD вызывают недопустимое повреждение полимера оболочки. Степень повреждения увеличивается с повышением температуры, поэтому при использовании MST первым фактором, регулирующим все остальные испытания, является MPT.

Г.4.1 Оборудование

Г.4.2 Описание метода испытания

В рамках общей стратегии необходимо использовать несостаренные образцы для определения значений одного и нескольких циклов максимальной температуры свойства RGD. Значение нескольких циклов не может превышать уровень одного цикла. Такой же метод должен быть применен и к образцам для испытаний, подвергнутым химическому старению.

Материал с MPT и устойчивый к RGD будет результатом мультицикличных испытаний химически состаренных проб.

Для исследуемых полимерных материалов максимальная температура свойства MPT RGD обозначает MST, однако это не всегда так.

В нештатной ситуации должны проводить испытания проб на устойчивость к декомпрессии из состояния насыщения. Условия охлаждения между циклами должны быть совместимы. Одним из удобных способов отслеживания работоспособности является мониторинг плотности (и внешнего вида) образца во время циклических испытаний. После проведения испытания пробы должны быть разделены и исследованы на повреждение.

Для мультицикличных испытаний на RGD, проводимых при температурах до MPT RGD, плотность и внешний вид образца для испытаний должны быть записаны после каждого цикла. Эффект декомпрессионного разрушения на механических свойствах должен быть установлен соответствующим испытанием.

Г.5 Жидкостная совместимость

Полимеры оболочки давления должны быть совместимы с контактирующими жидкостями. Однако все полимеры, вступающие во взаимодействие с жидкостью в определенной степени, как правило, ослабляются ими. Такие эффекты должны быть учтены. Соответственно ряд испытаний рекомендован для целей определения совместимости полимерной оболочки с транспортируемыми жидкими средами. Проверка совместимости жидкостей также включает в себя химическое старение. Методы ускоренного старения требуются, если должны быть сделаны оценки срока службы.

Г.5.1 Оборудование

Для всех испытаний на совместимость жидкостей следует применять сосуды высокого давления. Если температура испытания превышает точку кипения жидкости либо требуется воздействие высокого давления, необходимо использовать специальный сосуд под давлением. Температура в сосуде должна поддерживаться не выше +2°С. Учет веса образца является обязательным.

При разработке настоящего стандарта для достижения совместимости применялись следующие смеси жидкостей: морская вода, метанол, нефтяное масло, смесь кислот. Нефтяное масло может быть уточнено для месторождения с помощью метода, описанного в других работах. В общем случае масло может иметь следующий состав по объему: 50% гептана, 30% циклогексана, 13% толуола, 7% 1-пропанола.

Г.5.2 Описание метода испытания

Образцы для испытаний подвергают воздействию жидкости при температуре испытания и давлении на период, достаточный для достижения равновесия. Если требуется определить свойства растяжения, образцы для испытаний должны быть образцами для испытания на растяжения. Если будет получена кривая поглощения, необходимо провести измерения поглощения массы. Морфологическая анизотропия в экструдированной трубе является фактором, который должен быть предусмотрен при измерении коэффициентов диффузии.

Для ускоренного химического старения существуют многочисленные варианты организации исследования.

Г.5.3 Измерение

Для определения влияния равновесного массового поглощения жидкости на механические свойства материала требуются образцы на растяжение; если испытание на растяжение проводят при повышенной температуре, следует предусмотреть возможность потери поглощенной жидкости испарением до/во время испытания. Изменения массы образца для испытаний, его объема и внешнего вида должны быть зафиксированы. Графики поглощения массы, как правило, составляют при помощи небольших образцов для испытаний (например, диски диаметром 34 мм, произведенные из экструдированной трубы).

Приложение Д

(справочное)

Механизм проникновения транспортируемых жидкостей

В случае смешения газов концентрация любого из них на поверхности полимера может быть определена при помощи парциального давления в выражении, приведенном выше.

Диффузия газа с полимерными материалами описана законом Фика, полная версия которого представлена для образца мембраны:

Приложение Е

(справочное)

Основные свойства используемых полимерных материалов

В данном приложении обобщены свойства полимерных материалов гибких труб, применяемых во внутренних оболочках, работающих под давлением. Данные о свойствах материала представлены в таблице Е.1.

Таблица Е.1 - Текущие свойства материала

Приложение Ж

(справочное)

Информация о транспортируемых средах

В настоящем приложении представлены данные по транспортируемым жидкостям для высокотемпературных гибких труб.

В таблице Ж.1 отражена информация об условиях эксплуатации и составляющих скважинной продукции, которые, как правило, транспортируются по гибкой трубе. В таблице Ж.2 приведена информация о компонентах производственного потока (нефть, газ и вода) и специальные правила эксплуатации, соответствующие условиям эксплуатации оболочки внутреннего давления.

Таблица Ж.1 - Свойства транспортируемой жидкости

Таблица Ж.2 - Свойства закачиваемой жидкости

Библиография