Национальный стандарт РФ ГОСТ Р 54866-2011 (ИСО 9080:2003) "Трубы из термопластичных материалов. Определение длительной гидростатической прочности на образцах труб методом экстраполяции" (утв. приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 15 декабря 2011 г. N 1572-ст)

Thermoplastics pipes. Determination of the long-term hydrostatic strength on pipe samples by extrapolation method

Дата введения - 1 января 2013 г.

Введен впервые

Предисловие

Цели и принципы стандартизации в Российской Федерации установлены Федеральным законом от 27 декабря 2002 г. N 184-ФЗ "О техническом регулировании", а правила применения национальных стандартов Российской Федерации - ГОСТ Р 1.0-2004 "Стандартизация в Российской Федерации. Основные положения"

Сведения о стандарте

1 Подготовлен ОАО "Научно-исследовательский институт санитарной техники", ООО "Группа ПОЛИПЛАСТИК" при участии фирм ООО "ТЕСЕ Системс", ООО "Экструзионные машины", "HENCOINDUSTRIES N.V.", ЗАО "Упонор Рус" на основе собственного аутентичного перевода на русский язык международного стандарта, указанного в пункте 4

2 Внесен Техническими комитетами по стандартизации ТК 465 "Строительство" и ТК 241 "Пленки, трубы, фитинги, листы и другие изделия из пластмасс"

3 Утвержден и введен в действие приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 15 декабря 2011 г. N 1572-ст

4 Настоящий стандарт является модифицированным по отношению к международному стандарту ИСО 9080:2003 "Пластмассовые трубы и системы трубопроводов. Определение длительной гидростатической прочности термопластичных материалов в форме труб путем экстраполяции" (ISO 9080:2003 "Plastics piping and ducting systems - Determination of the long-term hydrostatic strength of thermoplastics materials in pipe form by extrapolation") путем исключения из текста ссылок на ИСО 1167 и ИСО 3146:2000, не применяемые в Российской Федерации, и дополнения нормативными ссылками на ГОСТ 15088-83, ГОСТ 21553-76 и ГОСТ 24157-80.

Наименование настоящего стандарта изменено по отношению к наименованию международного стандарта для приведения в соответствие с ГОСТ Р 1.5-2004 (пункт 3.5)

5 Введен впервые

Введение

Стандартный экстраполяционный метод (СЭМ) определения длительной гидростатической прочности, приведенный в настоящем стандарте, предназначен для оценки термопластичных материалов на образцах труб до их внедрения на рынке. Данный метод не отменяет существующие методы расчета напряжений или допускаемых давлений для полимерных труб, опыт длительной эксплуатации которых является удовлетворительным.

Пригодность полимерных материалов для напорных труб определяется их длительным поведением под воздействием гидростатического напряжения с учетом ожидаемых условий эксплуатации (например, температуры), которое труба может выдержать в течение 50 лет при температуре 20°С, если в качестве внутренней испытательной среды применяется вода, при этом внешней средой может быть вода или воздух.

В определенных случаях гидростатическую прочность необходимо определять при меньшем сроке службы или повышенных температурах, или с учетом указанных условий одновременно, при этом для оценки длительной гидростатической прочности труб может применяться метод, приведенный в настоящем стандарте. Полученный результат будет характеризовать нижний прогнозируемый предел длительной прочности, являющийся нижним доверительным пределом прогнозируемого значения напряжения, которое может вызвать разрушение материала трубы в установленные сроки при заданных температурах (предельное напряжение).

Примечание - Значение минимальной длительной прочности MRS при температуре 20°С, как правило, основано на результатах, полученных при испытании с использованием воды в качестве внутренней и внешней испытательных сред. При этом действительными являются все результаты, используемые для проверки кривых регрессии при более высоких температурах (например, при температуре 70°С), в том числе результаты, полученные с использованием в качестве внешней среды воздуха (например, при температуре 110°С).

В настоящем стандарте приведена методика экстраполяции результатов испытаний при различных температурах, предусматривающая использование многофакторных линейных регрессий. Полученные результаты дают возможность определять характерные для полимерного материала расчетные значения напряжения в соответствии с методами, приведенными в стандартах на трубы конкретных видов.

Анализ многофакторной линейной регрессии основан на скорости процессов, наиболее точно описываемых моделью отношения логарифма напряжения (Ig напряжения) к логарифму времени (Ig времени). Для оценки прогнозируемого значения применяемой модели принято использовать ожидаемый 97,5%-ный нижний прогнозируемый предел длительной прочности, эквивалентный нижнему доверительному пределу 95%-ного доверительного интервала прогнозируемого значения. Данное соотношение применяют в математических расчетах с использованием статистических методов.

Метод, приведенный в настоящем стандарте, позволяет проводить экстраполяцию значений напряжения разрушения в условиях эксплуатации, отличающихся от обычных (при температуре 20°С в течение 50 лет).

С учетом коэффициентов экстраполяции (см. 5.1.4) временной предел экстраполяции может увеличиться до 100 лет. При этом внутренняя среда, используемая для создания давления в трубе, не должна отрицательно влиять на трубу. В качестве такой среды применяют, как правило, воду.

Для расчета длительной гидростатической прочности в качестве независимой переменной, наиболее подвергающейся воздействию разброса, принято время, что позволяет проводить корректную статистическую обработку полученных результатов методом, приведенным в настоящем стандарте. При этом напряжение принято представлять как функцию времени.

Метод экстраполяции, приведенный в настоящем стандарте, позволяет:

- оценить нижний прогнозируемый предел напряжения (на уровне 97,5%-ной вероятности), которое труба, изготовленная из конкретного материала, способна выдержать в течение 50 лет при температуре 20°С, если в качестве испытательной среды используют воду или воздух;

- оценить нижний прогнозируемый предел напряжения (на уровне 97,5%-ной вероятности) при разных сроках службы трубы или при разных температурах, или, в некоторых случаях, при указанных условиях одновременно.

В приведенном методе экстраполяции применяют только модели с двумя, тремя или четырьмя параметрами. Большее число параметров может увеличить погрешность результатов.

Стандартный экстраполяционный метод (СЭМ) описывает правила оценки нижнего прогнозируемого предела напряжения (с 97,5%-ным уровнем вероятности), устанавливает наличие перегиба, который указывает на переход между разрушениями типов А и В или его отсутствие (см. приложение В).

Окончательным результатом СЭМ для конкретного материала является нижний прогнозируемый предел гидростатической прочности (с 97,5%-ным уровнем вероятности), выраженный в единицах напряжения при заданных времени и температуре.

1 Область применения

Настоящий стандарт распространяется на трубы из термопластичных материалов и устанавливает правила оценки длительной гидростатической прочности методом статистической экстраполяции.

Метод, приведенный в настоящем стандарте, применяют для всех видов термопластичных труб, применяемых при различных температурах. Метод разработан на основе статистической обработки результатов испытания труб.

Размеры образцов труб могут быть приведены в стандартах на трубы конкретного вида и должны быть включены в протокол испытаний.

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ Р ИСО 3126-2007 Трубопроводы из пластмасс. Пластмассовые элементы трубопровода. Определение размеров (ИСО 3126:2007, IDT)

ГОСТ Р 50825-95 (ИСО 2507:72) Трубы и детали соединительные из непластифицированного поливинилхлорида. Определение температуры размягчения по Вика (ИСО 2507:72*, MOD)

ГОСТ 15088-83 Пластмассы. Метод определения температуры размягчения термопластов по Вика

ГОСТ 21553-76 Пластмассы. Методы определения температуры плавления

ГОСТ 24157-80 Трубы из пластмасс. Метод определения стойкости при постоянном внутреннем давлении

Примечание - При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочного стандарта в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодно издаваемому информационному указателю "Национальные стандарты", который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по соответствующим ежемесячно издаваемым информационным указателям, опубликованным в текущем году. Если ссылочный стандарт заменен (изменен), то при пользовании настоящим стандартом следует руководствоваться заменяющим (измененным) стандартом. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, применяется в части, не затрагивающей эту ссылку.

3 Термины и определения

В настоящем стандарте применены следующие термины с соответствующими определениями:

3.1 внутреннее давление р, МПа: Сила, с которой внутренняя среда действует на стенку трубы, отнесенная к единице площади.

3.2 напряжение , МПа: Сила, действующая на стенку трубы в кольцевом (радиальном) направлении и возникающая в результате воздействия внутреннего давления, отнесенная к единице площади.

Примечание - Напряжение, вызванное воздействием внутреннего давления, рассчитывают по упрощенной формуле

,

где р - внутреннее давление в трубе, МПа;

- средний наружный диаметр трубы, мм;

- минимальная измеренная толщина стенки трубы, мм.

3.3 температура испытания , °С: Температура, при которой были определены значения разрушающего напряжения.

3.4 максимальная температура испытания , °C: Максимальная температура, при которой были определены значения разрушающего напряжения.

3.5 рабочая температура , °C: Температура, при которой предполагается эксплуатировать трубу.

3.6 время до разрушения t, ч: Время от начала нагружения до момента появления течи в трубе.

3.7 длительная гидростатическая прочность , МПа: Величина с размерностью напряжения, характеризующая прогнозируемую среднюю прочность при температуре T и времени t.

3.8 нижний доверительный предел прогнозируемой гидростатической прочности , МПа: Величина с размерностью напряжения, представляющая собой 97,5%-ный нижний доверительный предел прогнозируемой гидростатической прочности при температуре T и времени t.

Примечание - Обозначается как .

3.9 перегиб: Точка перехода между двумя типами разрушения, которая может быть представлена изменением наклона линии на графике зависимости логарифма напряжения от логарифма времени, построенном по результатам определения гидростатической прочности.

3.10 ветвь: Линия постоянного наклона на графике зависимости lg (напряжения) от lg (времени), представляющая одинаковый тип разрушения.

3.11 коэффициент экстраполяции во времени : Коэффициент для расчета пределов экстраполяции длительной прочности во времени.

4 Условия сбора статистических данных

4.1 Условия испытаний

Значения разрушающего напряжения в трубе определяют в соответствии с ГОСТ 24157. Образцы труб для проведения испытаний должны быть изготовлены из прямых отрезков труб.

Средний наружный диаметр и минимальную толщину стенки трубы каждого образца определяют в соответствии с ГОСТ Р ИСО 3126.

В случае разногласий испытывают образцы труб одного диаметра, выбранного из диапазона от 25 до 63 мм. Образцы должны быть изготовлены из одной партии материала и на одной и той же экструзионной линии.

4.2 Распределение уровней внутреннего давления и интервалов времени

4.2.1 Для каждой выбранной температуры испытания должно быть получено не менее 30 результатов, равномерно распределенных по крайней мере по пяти интервалам уровней внутреннего давления. В каждом интервале уровня внутреннего давления должен быть получен один или более одного результата.

Уровни внутреннего давления выбирают так, чтобы не менее четырех результатов было получено при времени до разрушения образца свыше 7000 ч и не менее одного - при времени до разрушения свыше 9000 ч (см. также 5.1.4). При наличии перегиба на графике (см. 3.9) должно быть собрано статистически достаточное число результатов испытаний для обеих ветвей графика для обеспечения необходимой точности расчета.

4.2.2 Наблюдениями за испытаниями при всех температурах в течение времени до разрушения менее 10 ч следует пренебречь.

4.2.3 При испытании при температуре 40 °С с временем до разрушения до 1000 ч разрушениями допускается пренебрегать при условии, что число остальных наблюдений соответствует 4.2.1. В этом случае все точки по выбранным времени и температуре должны быть отброшены.

4.2.4 Образцы, не имеющие разрушений на самом низком уровне внутреннего давления, могут быть использованы в качестве объектов наблюдений в многофакторных регрессионных расчетах и для определения наличия перегиба при условии, что они не приводят к отрицательным результатам испытания. В противном случае указанные образцы могут быть отброшены.

5 Метод экстраполяции

5.1 Сбор и анализ результатов испытаний

Примечание - Метод экстраполяции основан на линейной регрессии, правила расчета которой приведены в приложении А. Для определения наличия или отсутствия перегиба должны быть проведены испытания при одной или более температурах в течение одного года.

5.1.1 Условия получения результатов испытаний

Результаты испытаний должны быть получены с учетом требований, приведенных в разделе 4, а также следующих условий с использованием двух или более температур из ряда , , ..., :

a) каждая пара соседних температур должна отличаться не менее чем на 10°С;

b) максимальная температура испытания не должна превышать температуру размягчения по Вика, определяемую по ГОСТ Р 50825 или ГОСТ 15088, минус значение температуры 15°С для аморфных или преимущественно аморфных полимеров, или температуру плавления, определяемую в соответствии с ГОСТ 21553 минус значение температуры 15°С для кристаллических или полукристаллических полимеров;

c) число результатов испытаний и их распределение по уровням внутреннего давления при каждой температуре должно соответствовать требованиям 4.2;

d) для получения оптимальной оценки нижнего доверительного предела прогнозируемой гидростатической прочности диапазон температур испытания должен быть выбран так, чтобы он включал в себя температуру эксплуатации или диапазон температур эксплуатации труб;

e) результаты, полученные при минимальных температурах испытаний, могут быть использованы для расчета прочности при температуре на 20°С ниже минимальной температуры испытания при условии отсутствия каких-либо изменений состояния материала.

Любые разрушения вследствие присутствия в материале посторонних включений не учитывают.

5.1.2 Обнаружение перегиба и подтверждение достоверности результатов испытаний и модели

Для определения наличия перегиба применяют метод, приведенный в приложении В.

При наличии перегиба при любой конкретной температуре результаты испытаний подразделяют на две группы: принадлежащие к первой ветви и принадлежащие ко второй ветви графика зависимости логарифма напряжения от логарифма времени.

Рассчитывают многофакторную линейную регрессию в соответствии с приложением А отдельно для каждой температуры и для результатов, относящихся к первой и второй ветвям графика.

При использовании одного температурного режима проводят анализ однофакторной линейной регрессии. В этом случае коэффициент экстраполяции во времени (см. 5.1.4) не применяют.

Примечание - При анализе результатов, связанных с появлением перегиба, следует обратить внимание на появление разрушения вследствие деградации полимера. Эти результаты (обычно расположенные вблизи линии, характеризующей независимость времени разрушения от напряжения, и визуально узнаваемые) не учитывают при расчете ветвей разрушения.

5.1.3 Визуальное подтверждение достоверности

Для визуального подтверждения достоверности результатов испытаний анализируют график полученной линейной регрессии и в координатах Ig/lgt.

5.1.4 Пределы экстраполяции во времени и коэффициент экстраполяции во времени

Пределы экстраполяции во времени , для которых допускается экстраполяция, определяют следующим образом.

Рассчитывают разность температур , °С, по формуле

,

(1)

где - температура испытания, при которой использование коэффициента экстраполяции во времени допустимо, , °C;

Т - температура, для которой рассчитывают предел экстраполяции во времени (), °C;

- максимальная температура испытания, °C;

- температура эксплуатации трубы, °С.

Коэффициент экстраполяции во времени как функцию от принимают по таблице 1.

Предел экстраполяции во времени , ч, рассчитывают по формуле

.

(2)

Максимальное время испытания в часах определяют как среднее логарифмическое значение из пяти самых продолжительных времен до разрушений образца, не обязательно принадлежащих одинаковому уровню напряжения, но полученных при одной температуре. Результаты испытаний образцов, не разрушившихся по истечении 4000 ч, могут быть включены в расчет многофакторной линейной регрессии, если они не ухудшают общий результат расчетов.

Примеры применения экстраполяции во времени представлены на рисунках 1 - 3.

Рисунок 1 - Пределы экстраполяции во времени при отсутствии перегиба при максимальной температуре испытания	Рисунок 2 - Пределы экстраполяции во времени при наличии перегиба только при максимальной температуре испытания

Рисунок 3 - Пределы экстраполяции во времени при наличии перегибов при различных температурах испытания

На рисунке 1 показан пример при отсутствии перегиба при максимальной температуре испытания.

На рисунке 2 показан пример, когда перегиб был обнаружен при максимальной температуре испытания.

На рисунке 3 показан пример, когда перегиб был обнаружен при различных температурах испытания.

Значения коэффициента экстраполяции во времени приведены в 5.2 и 5.3.

5.2 Коэффициенты экстраполяции во времени для полиолефинов (кристаллических или полукристаллических полимеров)

Коэффициенты экстраполяции во времени для полиолефинов приведены в таблице 1.

Пределы экстраполяции во времени результатов разрушения образцов полиолефинов устанавливают с учетом экспериментально определенного срока их службы при максимальной температуре испытания и уравнения температурной зависимости Аррениуса при кажущейся энергии активации второй ветви графика для стабилизированных полиолефинов, равной 110 кДж/моль.

Таблица 1 - Коэффициенты экстраполяции для полиолефинов

Разность температур , °C	Коэффициент экстраполяции во времени
10 < 15	2,5
15 < 20	4
20 < 25	6
25 < 30	12
30 < 35	18
35 < 40	30
40 < 50	50
50	100

5.3 Коэффициенты экстраполяции во времени для стеклообразных аморфных полимеров на основе винилхлорида

Коэффициенты экстраполяции во времени приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Коэффициенты экстраполяции для полимеров на основе винилхлорида

	Разность температур , °C	Коэффициент экстраполяции
	5 < 10	2,5
	10 < 15	5
	15 < 20	10
	20 < 25	25
	25 < 30	50
	30	100

Пределы экстраполяции во времени результатов разрушения образцов стеклообразных и аморфных полимеров на основе винилхлорида устанавливают с учетом экспериментально определенного срока их службы при максимальной температуре испытания, которая должна быть на 15°С ниже температуры размягчения по Вика, и уравнения температурной зависимости Аррениуса при кажущейся энергии активации второй ветви графика для полимеров на основе винилхлорида, равной 178 кДж/моль.

Для модифицированных поливинилхлоридных (ПВХ) материалов коэффициенты экстраполяции во времени, приведенные в таблице 2, используют в случае, если базовым полимером модифицированного ПВХ является винилхлорид.

5.4 Коэффициенты экстраполяции во времени для полимеров, не указанных в 5.2 и 5.3

Коэффициенты экстраполяции во времени , приведенные в таблице 1, могут считаться минимальными значениями для полимеров, не указанных в настоящем стандарте.

Если экспериментально доказано, что для конкретного полимера обоснованы более высокие коэффициенты экстраполяции, то эти коэффициенты могут быть использованы вместо коэффициентов, приведенных в таблице 1.

6 Пример расчета кривых регрессии для полукристаллического полимера, подтверждение достоверности программного обеспечения

Пример расчета кривых регрессии при температурах 20°С, 40°С и 60°С и пример обнаружения перегиба методами по разделу 5 приведены в приложении С.

Результаты испытаний, представленные в С.1 приложения С, приведены для проверки компьютерной программы (см. приложение Д). Если использована компьютерная программа, отличающаяся от указанной в приложении Д, то результаты вычисления по этой программе должны совпадать с результатами, полученными в соответствии с приложением С, с точностью до третьего десятичного знака.

7 Протокол испытаний

7.1 Протокол испытаний должен включать в себя:

a) ссылку на настоящий стандарт;

b) полную идентификацию образцов труб, в том числе наименование производителя труб, вид полимерного материала, код маркировки, источник поступления образцов труб;

c) размеры испытуемых образцов труб;

d) среду испытаний снаружи и внутри трубы, используемую для создания давления в образце трубы;

e) таблицу наблюдений, включающую в себя для каждого наблюдения температуру испытания, в градусах Цельсия, давление и напряжение, в мегапаскалях, время до разрушения, в часах, результат визуальной оценки типа разрушения (пластический, хрупкий или неизвестный), дату проведения испытания и др. результаты наблюдений, которые могут быть значимыми;

f) число отброшенных результатов испытаний, полученных в течение 1 000 ч при соответствующих температурах и времени до разрушения для данного типа разрушения;

g) модель, используемую для оценки и ;

h) рассчитанные коэффициенты (см. приложение А) и их стандартные отклонения для каждой ветви графика отдельно;

i) графическое изображение результатов испытаний, линий линейных регрессий и ;

j) сведения о программе, используемой для расчетов;

k) любые факторы, не установленные в настоящем стандарте, которые могут повлиять на результаты.

_____________________________

* Действует ИСО 2507-1:1995.

Библиография

[1]	RALSTON A., and WILF H.S.: Mathematical Methods for Digital Computers, Volume 1, John Wiley & Sons, 1967