Приложение А (справочное). Среда, условия, оборудование и процедуры испытания на старение термопластичных материалов

Приложение А
(справочное)

Среда, условия, оборудование и процедуры испытания на старение термопластичных материалов

А.1 Требования к испытаниям

А.1.1 Общие положения

Процедуры испытаний включают использование испытательных сред под давлением, которые могут быть легковоспламеняющимися и оказывать токсическое воздействие. Испытательные среды могут быть чрезвычайно опасными, если с ними неправильно обращаться. Оператор испытания должен установить и принять соответствующие меры предосторожности перед началом любой испытательной работы.

А.1.2 Среда для испытания на старение

А.1.2.1 Общие положения

Испытательные среды должны быть репрезентативными для среды эксплуатации уплотнения и быть стабильными при температуре испытания.

Испытательные среды могут быть для испытаний в средах без содержания сернистых соединений и с содержанием сернистых соединений (испытательные среды с H ₂S) или испытаний в диэлектрических жидкостях, ингибированных соляными растворами или с добавлением ингибиторов, растворов для заканчивания скважины и т.д. Необходимо учитывать испытательную среду, контактирующую с каждой стороной уплотнения.

А.1.2.2 Моделируемая эксплуатационная среда

Испытательные среды, моделирующие эксплуатационные среды, для испытаний без содержания сернистых соединений и с содержанием сернистых соединений могут быть однофазными (например, газообразные или жидкие) или многофазными (например, нефть, вода и газ). Варианты составов испытательных сред приведены в таблицах А.1 - А.5. Составы испытательных сред приведены в шкалах жесткости условий, за исключением особого варианта, который может быть с более или менее жесткими условиями. Например, испытания материала в А.1.2 также испытывает материал для А.1.1, но не наоборот. Аналогичным образом, испытания для условий эксплуатации в среде с содержанием сернистых соединений позволят испытать материал уплотнения для условий эксплуатации в среде без содержания сернистых соединений.

Таблица А.1 - Варианты углеводородной жидкой фазы для испытаний на старение в среде без содержания сернистых соединений и с содержанием сернистых соединений

Вариант испытательной среды	Тип	Объем состава смеси
А.1.1	Неароматический	70 % гептан, 30 % циклогексан
А.1.2	Ароматический	70 % гептан, 20 % циклогексан, 10 % толуол
А.1.3	Особый	По согласованию с заказчиком

Таблица А.2 - Варианты газовой фазы для испытаний на старение в среде без содержания сернистых соединений

Вариант испытательной среды	Тип	Состав, мол. %
А.2.1	Стандартный	5 % СO 2, 95 % СН 4
А.2.2	Особый	По согласованию с заказчиком

Таблица А.3 - Варианты газовой фазы для испытаний на старение в среде с содержанием сернистых соединений

Вариант испытательной среды	Тип	Состав, мол. %
А.3.1	Стандартный	3 % СO 2, 2 % H 2S, 95 % СН 4
А.3.2	Высокий H 2S	5 % СO 2, 10 % H 2S, 85 % СН 4
А.3.3	Особый	По согласованию с заказчиком

Таблица А.4 - Распределение жидкой и газовой фазы для вариантов по таблице А.2. - Старение в многофазной жидкой среде без содержания сернистых соединений

Жидкая фаза, объем, %	Газовая фаза, объем, %	Состав
-	30	Испытательные среды по каждому из вариантов А.2.1 и А.2.2 (таблица А.2)
10	-	Деионизированная вода
60	-	Испытательная среда по одному из вариантов А.1.1 - А.1.3 (таблица А.1)

Таблица А.5 - Распределение жидкой и газовой фазы для вариантов по таблице А.3. - Старение в многофазной жидкой среде с содержанием сернистых соединений

Жидкая фаза, объем, %	Газовая фаза, объем, %	Состав
-	30	Испытательные среды по каждому из вариантов А.3.1 и А.3.3 (таблица А.3)
10	-	Деионизированная вода
60	-	Испытательная среда по одному из вариантов А.1.1 - А.1.3 (таблица А.1)

Состав всех испытательных сред, действию которых подвергается образец для испытаний, должен быть подробно указан в отчете об испытаниях.

А.1.2.3 Другие испытательные среды

В дополнение к испытаниям в средах, имитирующих эксплуатационную среду, во многих случаях необходимо проводить специальные испытания материалов, контактирующих с другими типами сред: например, буровыми растворами, ингибиторами образования отложений, ингибиторами гидратов, жидкостями для стимуляции скважин и ингибиторами коррозии. Конкретные процедуры испытаний должны быть задокументированы с подробным описанием окружающей среды. Методология проведения испытания должна соответствовать настоящему стандарту.

А.1.3 Условия испытания на старение

А.1.3.1 Температуры при испытании

Поскольку для ускорения экстраполяции требуются данные ускоренных испытаний, испытания следует проводить при не менее трех показателях температур, каждая из которых превышает рабочую температуру. Если уровень технического обслуживания неизвестен, выбранные температуры должны быть максимально возможными для типа материала. Температуры для проведения испытаний следует выбирать из таблицы А.6. Особое внимание необходимо уделить тому, чтобы происходящие реакции соответствовали тем, которые будут происходить при рабочей температуре. Должны применяться ограничения к экстраполяции в отношении температуры, присущие зависимости, определяемой по уравнению Аррениуса.

В таблице А.6 приведен диапазон температур эксплуатации и температуры испытаний.

Для классифицированных рейтингов указывают диапазон, а не значение рабочей температуры. Три более высокие температуры испытаний показаны для каждого диапазона рабочих температур, и при их использовании возможно выполнить экстраполяцию значений, определенных по уравнению Аррениуса, чтобы получить результат для самой высокой температуры в диапазоне, испытав весь диапазон с точки зрения наихудшего случая.

В качестве альтернативы экстраполяцию можно продолжить до более низкой приведенной температуры. Допускается по согласованию с заказчиком использовать более точную температуру испытания.

Таблица А.6 - Температура испытания

Температурный класс	Диапазон эксплуатации		Повышенные температуры испытаний, °С
	Минимум, °С	Максимум, °С
K	- 60	82	97, 112, 127
L	- 46	82	97, 112, 127
Р	- 29	82	97, 112, 127
R	23	23	36, 51, 66
S	- 18	66	81, 96, 111
Т	- 18	82	97, 112, 127
U	- 18	121	136, 151, 166
V	2	121	136, 151, 166
X	- 18	180	195, 210, 225
Y	- 18	345	Не требуются
-	0	150	165, 180, 195
Особый	По согласованию с заказчиком

Допуск на температуру испытания составляет ( 2) °С. Температура испытания в зависимости от времени, а также классификация при необходимости должны быть полностью описаны в отчете об испытаниях.

А.1.3.2 Испытательное давление

Для химического старения важно начинать каждый период старения с одинакового количества газовой смеси с содержанием сернистых соединений, присутствующей в сосуде. Длина каждого интервала при температуре испытания будет варьироваться, не превышая 14 суток.

Стандартный метод заключается в повышении давления в сосуде для испытаний до (60  5) бар при температуре (23  2) °С с помощью испытательных газов и последующем нагреве до требуемой температуры. Изменяющееся давление следует непрерывно регистрировать. Альтернативный метод заключается в добавлении фиксированного количества испытательного газа при заданной низкой температуре перед нагревом сосуда до уровня испытания. Давление в камере после стабилизации температуры будет изменяться в зависимости от заданной температуры, но начальное количество (реактивного) H ₂S в сосуде всегда будет одинаковым. Следовательно, сосуд для испытаний следует нагреть до 50 °С, при давлении (60  5) бар допускаемой смеси газа, подлежащего испытанию, прежде чем поднимать температуру до требуемого уровня. Давление следует непрерывно регистрировать.

Особенности зависимости давления от времени должны быть полностью описаны в отчете об испытаниях.

А.1.3.3 Период воздействия

Время, необходимое для того, чтобы соответствующие свойства термопластичного материала при растяжении достигли заранее определенного предела "разрушения", будет зависеть от температуры и типа материала. Некоторые пластмассы (например, политетрафторэтилен) вообще не проявляют каких-либо химических характеристик старения. Термопластичные материалы будут насыщаться относительно быстро при повышенных температурах (но медленнее, чем эластомеры), но химическая реакция с H ₂S в значительной степени может занять гораздо больше времени. Рекомендуется начать испытание на воздействие максимальной температуры, чтобы измерить степень химического изменения материала во времени. Для определения тенденций поведения материала может потребоваться несколько недель.

А.1.4 Образцы для испытания на старение

Любой образец для испытаний на растяжение, определенный в международном стандарте, приемлем. Образец для испытаний должен иметь номинальную толщину 4 мм, если иное не определено на основе оценки в соответствии с А.1.3.3. Такие же геометрические параметры должны использоваться в течение всей программы испытаний. Образец для испытаний должен быть такого же качества материала, что и готовый компонент, и должен быть получен от того же изготовителя и, предпочтительно, по тому же производственному процессу.

Количество образцов для испытаний на растяжение должно быть не менее пяти. Не допускается проведение испытания на старение листа с последующей обработкой/вырезкой из него образцов для испытания на растяжение.

А.2 Оборудование

А.2.1 Сосуд для испытаний

Сосуд для испытаний должен быть рассчитан на использование при испытательной температуре и давлении. Объем жидкости должен быть таким, чтобы отношение жидкости к объему образца для испытаний составляло не менее 25:1. Сосуд должен иметь возможность продуваться для удаления воздуха перед испытанием. Образцы для испытаний должны погружаться свободно, чтобы испытательная жидкость могла контактировать со всеми поверхностями.

А.2.2 Воздействие испытательной смеси

Образцы для испытаний должны быть подвержены воздействию жидкой фазы выбранной испытательной среды.

А.3 Процедура испытания

А.3.1 Введение

В следующих пунктах описаны процедуры, которые необходимо применять для определения характеристик химического старения термопластичных материалов, используемых для герметизации.

Процедура измерения направлена на количественную оценку скорости изменения свойств материала в зависимости от времени и температуры. Все измерения свойств следует проводить при температуре (23  2) °С. Измерения согласно А.3.2 должны быть выполнены до и после испытания погружением. Все измерения должны быть записаны и занесены в отчет об испытаниях.

Количество образцов для испытания на растяжение для каждой воздействующей испытательной среды (время/температура) должно равняться пяти.

Должны быть проведены как минимум три испытания на воздействие испытательной среды при повышенной температуре с выдержкой, как минимум, четырех периодов времени для каждой температуры.

А.3.2 Определение свойств материала

Определение свойств материала при растяжении (например, модуль упругости при растяжении, предел прочности при растяжении, относительное удлинение при разрыве) должно быть проведено при температуре (23  2) °С в соответствии с указанными процедурами. Должны быть указаны единичные и средние значения.

Определение свойств при растяжении насыщенного жидкостью материала (т.е. химически не состаренного, без содержания сероводорода) для справочных целей можно определить одним из двух способов. Во-первых, дополнительный набор образцов можно включить в сосуд для воздействия, а ячейку нагревать до температуры испытания и давления пара в течение 48 ч. Смесь высокосернистого газа не добавляют. Затем сосуд охлаждают и открывают, и один набор образцов для испытаний извлекают для испытаний на растяжение. Добавляют смесь высокосернистого газа и сосуд повторно нагревают, и начинают испытание на старение этой рабочей части образца. В альтернативном варианте один набор образцов можно нагреть до температуры испытания в подходящем сосуде (содержащем соответствующие испытательные жидкости) в печи в течение 48 ч перед извлечением.

Время, необходимое для насыщения термопластичного материала, будет зависеть от температуры, типа материала и толщины, но неизменно будет длительнее, чем для эластомеров.

Изменение массы и объема термопластичного материала в зависимости от времени воздействия при каждой температуре должно быть определено путем включения небольшого образца термопластичного материала в каждую испытательную ячейку (достаточно образца 25 x 25 мм). Изменение объема должно определяться в соответствии с методом вытеснения. Необходимо использовать весы с точностью до 1 мг. Проценты изменения массы и объема как функция времени при каждой температуре должны быть включены в отчет об испытаниях.

А.3.3 Последовательность для испытания погружением в жидкость

Используемая процедура должна быть документирована в отчете об испытаниях. Рекомендуемая последовательность действий приведена ниже:

1) Добавляют испытательную жидкость(и) в сосуд;

2) Устанавливают образцы для испытаний в жидкую фазу испытательной жидкости, закрывают сосуд;

3) Продувают сосуд азотом (< 5 x 10 ^-6 O ₂). Барботирование азота через жидкую фазу со скоростью потока 100 мл/мин в течение по меньшей мере 15 мин является предпочтительным для удаления большей части кислорода;

4) Создают давление в емкости не менее чем на 40 бар азотом и проверяют герметичность;

5) Высвобождают азот со скоростью 1 бар/мин, нагревают закрытый сосуд до температуры испытания и выдерживают в течение минимум 48 ч. Это гарантирует, что термопластичные заготовки для испытаний будут насыщены;

6) Охлаждают до температуры (23  2) °С, открывают емкость и вынимают пять эталонных образцов для испытаний, закрывают сосуд, повторно продувают азотом и проверяют герметичность сосуда;

7) Добавляют испытательный газ при температуре (23  2) °С до давления (60  5) бар;

8) Поднимают температуру до уровня испытания;

9) Записывают изменяющееся давление во время испытания, поддерживают и записывают температуру в течение указанного периода.

Когда сосуд охлаждают для извлечения образца и в конце периода воздействия, чтобы уменьшить риск повреждения декомпрессией, рекомендуется следующее:

1) Охладить сосуд естественным образом до температуры окружающего воздуха. Обычно достаточно оставить на ночь;

2) Осторожно снизить оставшееся давление с максимальной скоростью 1 бар в минуту, нейтрализуя высокосернистый газ с помощью скруббера;

3) Промыть сосуд азотом, чтобы удалить оставшийся сероводород, если он используется;

4) Открыть сосуд и извлечь образцы для испытаний. Они должны быть влажными, следуя процедуре, описанной в А.3.5;

5) Выполнить процедуры контроля после испытания (см. А.3.4) и измерения (см. п. А.3.2).

А.3.4 Визуальный контроль

Образцы для испытаний должны быть подвергнуты визуальному контролю на наличие повреждений непосредственно после извлечения из сосудов. Характер любого повреждения (например, охрупчивание, отек, образование пузырей) должен быть зарегистрирован. Фотографическая запись характерных признаков повреждения должна быть включена в отчет об испытании.

А.3.5 Процедуры обработки и хранения образца

Образцы для испытаний, извлеченные из испытательной среды, должны храниться в свежем углеводородном масле (того же состава, который использовался при испытании на погружение) до тех пор, пока они не потребуются для измерения. Для взвешивания необходимо извлечь образцы из жидкости, вытереть насухо и взвесить на воздухе и воде в течение 3 мин, чтобы минимизировать потери при испарении. До проведения испытаний образец следует поместить в жидкость для хранения. При извлечении образцов для испытания на растяжение нужно извлечь каждый образец отдельно из жидкости для хранения, измеряя размеры шейки, и провести испытание на растяжение в течение 10 мин.

Испытанный на растяжение материал должен храниться в запечатанных полиэтиленовых пакетах с соответствующей маркировкой.

А.4 Отчет об испытании (старение)

А.4.1 Подробности образца для испытаний

Изготовитель, сорт материала, способ изготовления и номер партии должны быть указаны в отчете об испытаниях.

А.4.2 Условия испытания воздействием

При испытании проводят идентификацию варианта испытательной среды, в том числе его состава, и определяют:

- температуру испытания (°С) и изменение температуры по времени;

- испытательное давление (бар) и изменение давления по времени;

- продолжительность испытания (ч);

- дату и время начала и окончания испытания.

Время старения - это время, в течение которого материал подвергался испытательному давлению и температуре испытания. Время, потраченное на нагрев и охлаждение испытательной камеры, не должно учитываться при расчете. Значительные отклонения температуры испытания и/или давления должны быть технически обоснованы.

А.4.3 Измерения материала

Определяют следующее:

- изменение массы и объема в зависимости от времени воздействия;

- модуль упругости при растяжении, предел прочности при растяжении, относительное удлинение при разрыве, отдельные средние значения с использованием исходных измеренных размеров образца;

- визуальное состояние.

А.4.4 Оценка срока эксплуатации

Зависимость изменений значений свойств растяжения и изменений массы/объема материалов, при выбранных температурах испытания, от времени погружения (времени достижения пороговых значений свойств) должна быть представлена в графической форме. С использованием уравнения Аррениуса строится график зависимости логарифма полученного значения времени достижения порогового значения от обратного значения температуры и полученную прямую линию экстраполируют или интерполируют до рабочей температуры.

А.4.5 Отчет об испытании

Отчет об испытаниях должен содержать все элементы, показанные в примерном отчете об испытании, приведенном в таблице А.7.

Таблица А.7 - Пример отчета об испытаниях - Старение термопластичного материала

Отчет

Дата

Проверка

Одобрено - ФИО и подпись

Подпись

Ссылка на стандарт

Испытательная лаборатория

Испытательная лаборатория, включая адрес

Дата проведения испытания

Дата начала испытания

Дата окончания испытания

Сертифицированный испытательный газ

ДА/НЕТ

Возможна калибровка давления

ДА/НЕТ

Доступны данные о температуре и давлении

ДА/НЕТ

Материал

Примечание

Изготовитель (компаунда), включая адрес

Название компаунда/номер/ссылка

Тип термопластичного материала

Степень проверки состава

Номер партии

Срок отверждения

Описание продукта для проведения испытания

1)

Тип образца для испытаний

1)

Размер

Условия испытания на старение

Классификация жидкостей

Газ (подробный состав)

Жидкость (подробный состав)

Температуры испытания (история/данные в приложении)

°С

Допуск

Давление испытания (история/данные в приложении)

МПа

Допуск

Периоды старения

ч

Предварительные измерения - Полученные - Только для термопластов

Единицы измерения

Показание 1

Показание 2

Показание 3

Показание 4

Показание 5

Среднее значение

Номинальное значение

Допуск, %

Стандарт

Температура испытания (по умолчанию: 23 ( 2) °С)

°С

Плотность ([5], [6])

г/см 2

Твердость (ГОСТ 24621, тип D по Шору, ГОСТ 4670)

Прочность при растяжении (ГОСТ 34370, ГОСТ 11262)

МПа

Показатель при удлинении 50 % (ГОСТ 34370, ГОСТ 11262)

МПа

Показатель при удлинении 100 % (ГОСТ 34370, ГОСТ 11262)

МПа

Удлинение при разрыве (ГОСТ 34370, ГОСТ 11262)

%

Свойства сжатия (ГОСТ 4651)

Ударопрочность (ГОСТ 4647)

Измерение температуры стеклования (с помощью ДСК или МДСК)

°С

Точка размягчения (ГОСТ Р ИСО 306)

°С

Сопротивление ползучести при постоянных растягивающих и сжимающих нагрузках ([7])

2)

Предварительные измерения - Насыщенный жидкостью материал - Влажный, не подвергнутый старению

Показание 1

Показание 2

Показание 3

Показание 4

Показание 5

Среднее значение

Температура испытания (По умолчанию: самая высокая температура)

°С

Показатель при удлинении 50 % (Ссылка для испытания на старение)

МПа

Стандарт измерений после испытания

Показание 1

Показание 2

Показание 3

Показание 4

Показание 5

Среднее значение

Примечание

Температура старения

°С

3)

Время старения

Дни

Масса

г

Объем

см 2

Плотность

г/см 2

Твердость

по шкале Шора D

Предел прочности

МПа

Показатель при удлинении 50 %

МПа

Показатель при удлинении 100 %

МПа

Удлинение при разрыве

%

Визуальное состояние

Срок службы при испытательных температурах

Критерии (по умолчанию: модуль при удлинении на 50 %)

время до 50 % изменения при первой температуре испытания

°С

Дни

время до 50 % изменения при второй температуре испытания

°С

Дни

время до 50 % изменения при третьей температуре испытания

°С

Дни

Срок службы, рассчитанный по экстраполяции значений, определенных по уравнению Аррениуса

время до 50 % изменения при расчетной температуре

°С

Годы

4)

время до 50 % изменения при второй расчетной температуре

°С

Годы

Приложения

График

Изменение показания при удлинении на 50 % с температурой и временем старения (X = время воздействия, дни - Y = показания при удлинении на 50 %, МПа)

График

График, построенный на основе значений, определенных по уравнению Аррениуса: изменение показаний на 50 % при удлинении на 50 % (X = обратная температура 1/Tk, Y = in (1/t50)

Запись

Температура испытания в промежутке времени (X = время, дни, Y = температура, °С)

Запись

Испытательное давление с течением времени (X = время, дни, Y = давление, бар)

Сертификат

Сертификат компаунда (сертификат типа 3.1 в соответствии с [8])

Визуальные результаты

Фотографическая запись характерных признаков повреждения

Отчеты

Соответствующие отчеты об испытании

Примечания

1) В том числе метод подготовки, состояние поверхности и т.д. 2) Свойства должны быть установлены посредством функционального испытания. 3) Этот раздел измерений после испытаний необходимо повторить для всех температур старения и времени старения. Обычно три температуры x 5 показателей времени старения. 4) Срок службы по умолчанию составляет 25 лет.