Способ определения долговечности труб из поливинилхлорида

(51)01 33/44 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ТРУБ ИЗ ПОЛИВИНИЛХЛОРИДА(71) Заявитель Учреждение образования Белорусский государственный технологический университет(72) Авторы Прокопчук Николай Романович Толкач Ольга Ярославовна(73) Патентообладатель Учреждение образования Белорусский государственный технологический университет(57) Способ определения долговечности труб из поливинилхлорида (ПВХ), включающий установление эффективной энергии активации процесса термоокислительной деструкции материала Ед, отличающийся тем, что долговечность трубопределяют по формуле 8760 , где Ед - эффективная энергия активации термоокислительной деструкции материала ПВХ трубы, определенная по температурной зависимости потери массы расплавом ПВХ строго в интервале 240-290 С Еж.ср. - снижение потенциального барьера разрыва химических связей за счет воздействия жидкой среды на межфазной границе стенка трубы - транспортируемая жидкость,равное 6 кДж/моль для водопроводных и 18 кДж/моль для канализационных труб- структурно-чувствительный коэффициент, равный 2,2 кДж/мольМПа ст. - напряжение в стенке трубы, создаваемое давлением жидкости- универсальная газовая постоянная Т - абсолютная температура. Изобретение относится к способам определения долговечности труб из полимерных материалов на основе поливинилхлорида (ПВХ) с учетом внешних разрушающих факторов и может быть использовано для прогнозирования гарантийных сроков службы ПВХ труб в реальных условиях их эксплуатации. Известен способ определения долговечности эластомеров 1, включающий проведение термоокислительной деструкции образцов резин с дополнительным наложением поля растягивающего механического напряжения при температурах, лежащих внутри межрелаксационного интервала температур, что сокращает время оценки энергии активации деструкции 0 и определения долговечности по формуле(1)10(0)0 /,где 0 - эффективная энергия активации деструкции эластомера- универсальная газовая постоянная- абсолютная температураи- эмпирические коэффициенты. Однако данный метод применим только для эластомеров. Кроме того, определение энергии активации термоокислительной деструкции 0, которая входит в уравнение для определения долговечности, из температурной зависимости разрушающего напряжения,рассчитанного на сечение в момент разрыва, не является наиболее быстрым и эффективным способом (время эксперимента составляет 40-60 ч), и требует редкого дорогостоящего оборудования. Существует способ определения долговечности оконных и дверных профилей из ПВХ в условиях воздействия солнечной радиации. Этот метод включает в себя аналитическую зависимость, в которой предварительно для ПВХ определены коэффициентыи где Еуф. - понижения величины эффективной энергии активации исходного полимера за счет воздействия УФ света 2. Наиболее близким к предполагаемому изобретению (прототип) является способ определения прогнозирования сроков службы труб из полиолефинов путем расчета их долговечности с учетом реальных условий эксплуатации трубопроводов по формуле(Е),где Ед - эффективная энергия активации термоокислительной деструкции материала трубы, определенная из температурной зависимости потери массы расплавом полиолефина Ем.в. - снижение энергии межмолекулярных взаимодействий на межфазной границе стенка трубы - теплоноситель- структурно-чувствительный коэффициент, зависящий от природы, структуры материала и отражающий ее влияние на распределение напряжений в полимере ст. - напряжение в стенке трубы, создаваемое давлением водыиэмпирические коэффициенты, установленные для полиолефинов 3. Данный метод может быть использован для оценки долговечности труб только на основе полиолефинов для систем водоснабжения без учета влияния на материал трубы агрессивных канализационных стоков. Задачей предполагаемого изобретения является определение гарантийных сроков эксплуатации труб из ПВХ и прогнозирование их долговечности с учетом температуры и природы транспортируемой жидкости, а также напряжений, возникающих в стенке трубы за счет давления в системе. Для решения поставленной задачи предлагается способ определения долговечности труб из поливинилхлорида (ПВХ), включающий установление эффективной энергии активации процесса термоокислительной деструкции материала Ед, отличающийся тем, что долговечность трубопределяют по формуле где Ед - эффективная энергия активации термоокислительной деструкции материала ПВХ трубы, определенная по температурной зависимости потери массы расплавом ПВХ строго в интервале 240-290 С Еж.ср. - снижение потенциального барьера разрыва химических связей за счет воздействия жидкой среды на межфазной границе стенка трубы - транспортируемая жидкость,равное 6 кДж/моль для водопроводных и 18 кДж/моль для канализационных труб- структурно-чувствительный коэффициент, равный 2,2 кДж/мольМПа ст. - напряжение в стенке трубы, создаваемое давлением жидкости 2 7798 1 2006.02.28- универсальная газовая постоянная- абсолютная температура. Так как прогноз производится для твердого полимера, а эффективная энергия активации термоокислительной деструкции определяется в расплаве, необходимо найти температурный интервал, в рамках которого расчетное значение Ед равно величине энергии активации деструкции в твердой фазе (0). При анализе и обработке многочисленных дериватограмм ПВХ труб был установлен температурный интервал 240-290 С, в котором Ед 0. Определение Ед при температурах, выходящих за рамки указанного интервала,приводит к получению значений энергии активации завышенных или заниженных на десятки кДж/моль, что приводит к искажению результатов прогнозирования долговечности труб. Экспериментально было установлено, что для повышения точности прогноза навеску образца для проведения ДТА необходимо брать путем соскоба со всей поверхности вертикального распила ПВХ трубы (торца). Учет влияния напряженного состояния на долговечность ПВХ труб производится путем понижения Ед на величину ст., которая представляет собой долю энергии, на которую механические напряжения, возникающие в полимерном материале, понижают потенциальный барьер разрыва химических связей полимера. Для большого набора ПВХ труб разных производителей экспериментально установлена величина структурно-чувствительного коэффициента , которая непосредственно подставляется в уравнение (4) и составляет 2,2 кДж/мольМПа. Значения структурно-чувствительного коэффициентадля конкретных образцов ПВХ труб находились по температурной зависимости разрушающего напряжения из соотношения 0/, где- разрушающее напряжение, получаемое линейной экстраполяцией зависимости (Т) к нулю К,0 - энергия активации механодеструкции, определяемая из этой же зависимости. В прототипедля ПВХ не определялся. Учет влияния жидкой среды на долговечность ПВХ труб осуществляется через понижение энергии активации термоокислительной деструкции Ед в уравнении (4) на величину Еж.ср., связанную со снижением межфазной энергии на поверхности материала трубы(эффект Ребиндера) и химическим воздействием транспортируемой жидкости. Параметр Еж.ср. для ПВХ труб найден экспериментальным путем на специально созданной установке. Разрыв образцов осуществлялся в жидкой среде при различной температуре. С целью моделирования условий эксплуатации ПВХ труб для систем водоснабжения разрыв проводили в водной среде, а для систем канализации - в водных растворах, содержащих кислоты, ПАВ и др. органические вещества. В водной среде Еж.ср.6 кДж/моль, в среде канализационных стоков - 18 кДж/моль. Изобретение иллюстрируется следующими примерами. Пример 1. Оценка долговечности трубы из ПВХ диаметром 90 мм с толщиной стенки 3,5 мм в системе внутренней напорной канализации. Условия эксплуатации системы температура - 50 С, давление 6 атм (0,6 МПа), коэффициент безопасности КБ 1,5. По данным дериватографического анализа материал трубы деструктирует со значением Ед 178 кДж/моль. Снижение потенциального барьера разрыва химических связей ПВХ за счет химического воздействия канализационных стоков Еж.ср. не превышает 18 кДж/моль. Напряжение в стенке трубы рассчитывается по формуле Кесселя ст.(0,6(90-3,5)/23,5)1,511 Мпа. Снижение энергии активации термоокислительной деструкции механическими напряжениями в стенке составит ст.2,21124 кДж/моль. 3 7798 1 2006.02.28 Расчетная энергия Ерасч., подставляемая в уравнение (4) для долговечности материала трубы, равна расч.Ед-Еж.ср.-ст.178 - 18 - 24136 кДж/моль. Долговечность материала трубы (а следовательно, и срок эксплуатации самой трубы) в заданных условиях составит 5010-0,1176136 - 0,136 е 136/(0,00831323)876010-16,131,011022 876085 лет. Пример 2. Оценка долговечности трубы из ПВХ диаметром 110 мм с толщиной стенки 4,2 мм в системе напорного водопровода. Условия эксплуатации трубы температура - до 30, давление - 10 атм (1,0 МПа), коэффициент безопасности КБ 2,0. По данным математической обработки термогравиметрической кривой методом Бройдо энергия активации термоокислительной деструкции Ед ПВХ материала этой трубы составляет 170 кДж/моль. Напряжение в стенке трубы при заданных условиях ее эксплуатации равно ст.(1,0(110-4,2)/24,2)2,025 МПа. Снижение потенциального барьера разрыва химических связей механическими напряжениями равно ст.2,22555 кДж/моль. Снижение энергии межцепных взаимодействий в ПВХ водой Еж.ср. (эффект Ребиндера) равно 6 кДж/моль. расч.Ед-Еж.ср.-ст.1786 - 55109 кДж/моль. 3010-0,1176109 - 0,136 109/(0,00831303)876010-12,956,31018876081 год. Как видно из примеров, предложенный способ позволяет определять гарантийные сроки эксплуатации труб из ПВХ и прогнозировать их долговечность с учетом температуры и природы транспортируемой жидкости, а также напряжений, возникающих в стенке трубы за счет давления в системе. Заявляемый способ предназначен для определения гарантийных сроков сохранения работоспособности ПВХ труб для систем холодного водоснабжения и канализации в реальных условиях эксплуатации, а также для сертификации сырья и готовой продукции по значению Ед и показателю долговечность. Источники информации 1. Патент РФ 1791753 С, 1995 2. Прокопчук .Р., Толкач О.Я., Мардилович А.И. Долговечность окон и дверей из поливинилхлорида. Труды БГТУ Серия Химия и технология органических веществ. Вып. 9. - Минск, 2001. - С. 123-127. 3. Прокопчук .Р., Толкач О.Я. Прогнозирование долговечности труб из полимерных материалов. Труды БГТУ Серия Химия и технология органических веществ. Вып. 8. Минск, 2000. - С. 3-16. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.