УДК 54

Исследование влияние агрессивных сред на свойства стеклобазальтопластика, используемого для устройств электромагнитного каротажа скважин

Дудкевич Инна Алексеевна – эксперт-аудитор Росавиации Общества с ограниченной ответственностью «Авиаэксперт», ведущий инженер Акционерного общества «ХелиБюро»

Ананьева Елена Сергеевна – кандидат технических наук, доцент кафедры Современных специальных материалов Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова

Аннотация: В настоящее время для геофизического электромагнитного каротажа скважин наиболее применяемым для корпуса материалом является радиопрозрачный композиционный стеклопластик. Условия работы геофизического оборудования ставят определенные требования к материалу корпуса, а именно: высокая химическая стойкость к воздействию щелочей, кислот; термостойкость и сохранение несущей способности к циклическим динамическим осевым нагрузкам, изгибающему моменту и гидростатическому давлению. Стеклянное волокно является оптимальным материалом только с точки зрения наличия диэлектрических свойств; устойчивость к воздействию изгибающего момента при наличии химически агрессивной среды приводит к возникновению поперечных микротрещин, служащих очагом дальнейшего разрушения структуры материала. Это связано с тем, что кислота может ослаблять химические связи в композиционном материале и делать материал более подверженным трещинам и износу при механическом воздействии.

Ключевые слова: стеклопластик, стеклобазальтопластик, кислота, радиопрозрачный, химическая среда, коэффициент линейного термического расширения.

Введение

Обзор аналитических данных об условиях и специфики эксплуатации бурового оборудование вообще, и оборудования с применением конструкционных элементов из композиционных материалов (в частности, армированных пластиков) показывает, что основными требованиями к материалу бурового оборудования, кроме требований по прочности и жесткости, являются требования по радиопрозрачности и высокой стойкостью к химическим средам [1-10].

Сравнительный анализ требуемых свойств стеклопластиков и стеклобазальто-пластиков показал, что высокая стойкость базальтовых волокон к кислотам и щелочам по сравнению со стекловолокнами позволит получать более хемо стойкие композиционные материалы. Основные механические характеристики эпоксидных стеклобазальтопластиков сопоставимы или превосходят характеристики стеклопластиков-аналогов. Таким образом, становится очевидным целесообразность использования стеклобазальтопластиков для изготовления корпусов бурового оборудования. Целью исследований является сравнительный анализ стойкости стекло– и стеклобазальтопластиков к действию химических сред и оценка влияния этих сред на изменение механических свойств стекло– и стеклобазальтопластиков.

Для достижения поставленной цели необходимо решение комплекса задач: обоснование выбора агрессивных сред в соответствии с условиями работы бурового оборудования и экспериментальное исследование влияния агрессивных сред на механические свойства материала.

Методы

Испытания осуществлялись согласно ГОСТ 12020-72 [11]. Сущность метода заключается в определении изменения массы, линейных размеров, внешнего вида образцов стекло- и стеклобазальтопластик в исходном состоянии после выдержки в течение определенного периода времени в реагентах (дистиллированная вода, перекись водорода, уксусная кислота, соляная кислота). Результаты испытаний позволяют установить сравнительную стойкость образцов в различных химических средах.  В качестве образцов используются фрагменты трубы с диаметром 65±2 мм и длиной 5 мм (рисунок 1).

После кондиционирования каждый образец взвешивают и измеряют его линейные размеры. Толщину образца измеряют не менее чем в четырех точках, диаметр – два взаимно перпендикулярных диаметр кольца. Образцы помещают в сосуд с химическим реагентом таким образом, чтобы они полностью были погружены в химическую среду. Объем химического реагента должен быть 8 см³ на каждый квадратный сантиметр полной поверхности испытуемого образца. Температура испытания составляет 20±2 °С. Продолжительность испытаний: краткосрочные (24 часа), стандартные испытания (7 суток). Химический реагент в ходе испытания перемешивают при помощи мешалки не реже одного раза в сутки. После окончания испытания все образцы ополаскивают водой, кроме образцов, испытывающих в ацетоне. Затем образцы вытирают не ворсистым материалом, взвешивают и определяют линейные размеры.

Метод испытания образцов на поперечный изгиб и определение максимальной нагрузки при разрушении образцов, предварительно испытанных химическими реагентами (см. рисунок 2), заключается в нагружении образцов силой, при которой начинается разрушение образца сдвигом.

Рисунок 1. Образец для определения стойкости действию химических сред.	Рисунок 2. Образец для испытаний на изгиб.

Результаты

Стеклопластиковые и стеклобазальтопластиков образцы при испытании в дистиллированной воде в первые сутки увеличиваются в массе, затем масса образцов остается без изменений. Стеклопластиковые образцы в процентном соотношении впитали больше воды по сравнению со стеклобазальтопластиковыми, т.е. стеклобазальтопластик по массе более стоек к дистиллированной воде, чем стеклопластик (таблица 1).

Таблица 1. Результаты испытания образцов в дистиллированной воде.

	Средняя масса, г	Средний диаметр, мм	Средняя толщина, мм	Изменение массы (Δm=mi/m0), относ. ед	Изменение диаметра (Δd=di/d0), относ. ед	Изменение толщины (Δb=bi/b0), относ. ед
Стеклопластик
Суточные	12,71±0,05	66,52±0,33	8,70±0,03	1,000±0,0005	1,001±0,0005	0,992±0,0005
7 суточные
1 сутки	27,15±0,15	66,40±0,33	8,74±0,05	1,001±0,0005	1,000±0,0003	1,013±0,0005
7 сутки	27,15±0,13	66,41±0,33	8,56±0,04	1,001±0,0005	1,000±0,0005	0,992±0,0006
Стеклобазальтопластик
Суточные	11,94±0,06	64,52±0,32	7,92±0,04	1,000±0,0005	1,023±0,0004	1,134±0,0006
7 суточные
1 сутки	26,15±0,13	65,45±0,33	8,16±0,04	1,001±0,0005	1,002±0,0005	1,169±0,0006
7 сутки	26,15±0,13	65,35±0,33	8,10±0,04	1,001±0,0004	1,000±0,0005	1,160±0,0006

Стеклобазальтопластиковые образцы не отреагировали изменением массы при воздействии уксусной кислоты. Стеклопластиковые образцы за первые сутки впитали реагент, далее масса не изменялась. Это говорит о том, что стеклобазальтопластик по массе более стоек к уксусной кислоте, чем стеклопластик (таблица 2).

Таблица 2. Результаты испытания образцов в уксусной кислоте.

		Средняя масса, г	Средний диаметр, мм	Средняя толщина, мм	Изменение массы (Δm=mi/m0), относ. ед.	Изменение диаметра (Δd=di/d0), относ. ед.	Изменение толщины (Δb=bi/b0), относ. ед.
Стеклопластик
Суточные		13,03±0,07	66,07±0,33	8,71±0,04	1,000±0,0005	0,997±0,005	1,021±0,005
7 суточные
1 сутки		12,92±0,06	66,25±0,33	8,73±0,04	1,002±0,0005	1,003±0,005	1,000±0,005
7 сутки		12,92±0,06	66,16±0,33	8,74±0,04	1,002±0,0005	1,001±0,005	0,997±0,005
Стеклобазальтопластик
Суточные		18,95±0,09	61,59±0,31	6,39±0,03	1,002±0,0005	1,002±0,0005	0,976±0,0005
7 суточные
1 сутки		19,38±0,10	62,73±0,31	6,77±0,03	1,000±0,0005	1,002±0,0005	0,995±0,0005
7 сутки		19,38±0,10	62,75±0,31	6,67±0,03	1,000±0,0005	1,003±0,0005	0,980±0,0005

Как видно из данных (таблица 3) и стеклопластиковые, и стеклобазальтопластиковые образцы при погружении в соляную кислоту начали терять в весе. Но из стеклопластика вещества экстрагируются гораздо быстрее, чем из стеклобазальтопластика, т.е.  стеклобазальтопластик по массе более стоек к соляной кислоте, чем стеклопластик.

Таблица 3. Результаты испытания образцов в соляной кислоте.

	Средняя масса, г	Средний диаметр, мм	Средняя толщина, мм	Изменение массы (Δm=mi/m0), относ. ед.	Изменение диаметра (Δd=di/d0), относ. ед.	Изменение толщины (Δb=bi/b0), относ. ед.
Стеклопластик
Суточные	12,27±0,06	65,51±0,34	8,45±0,04	0,998±0,0005	0,994±0,0005	0,999±0,0005
7 суточные
1 сутки	27,34±0,14	66,66±0,33	8,87±0,04	0,999±0,0005	0,998±0,0005	1,000±0,0005
7 сутки	27,07±0,13	66,67±0,33	8,83±0,04	0,989±0,0005	0,998±0,0005	0,995±0,0005
Стеклобазальтопластик
Суточные	22,20±0,11	63,48±0,32	7,31±0,04	1,000±0,0005	0,996±0,0005	0,997±0,0005
7 суточные
1 сутки	22,07±0,11	63,59±0,32	7,37±0,04	1,000±0,0005	0,997±0,0005	0,997±0,0005
7 сутки	22,02±0,11	63,69±0,32	7,16±0,04	0,998±0,0004	0,998±0,0005	0,969±0,0005

Согласно результатам (таблица 4) стеклопластиковые, и стеклобазальтопластиковые образцы при погружении в перекись водорода ведут себя похоже. Сначала образцы резко набирают в весе, а затем вес начинает постепенно падать и падает даже ниже веса до испытания. У стеклобазальтопластика в процентном соотношении немного медленнее набирается и снижается вес, но это происходит в пределах погрешности, поэтому можно сказать, что стеклопластики и стеклобазальтопластики одинаково стойки к действию перекиси водорода.

Таблица 4. Результаты испытания образцов в перекиси водорода.

Средняя масса, г

Средний диаметр, мм

Средняя толщина, мм

Изменение массы (Δm=mi/m0), относ. ед.

Изменение диаметра (Δd=di/d0), относ. ед.

Изменение толщины (Δb=bi/b0), относ. ед.

Стеклопластик

Суточные

25,78±0,13

66,43±0,33

8,81±0,04

0,992±0,0005

0,997±0,0005

0,997±0,0005

7 суточные

1 сутки

26,39±0,13

66,57±0,33

8,70±0,04

1,002±0,0005

1,001±0,0005

0,991±0,0005

7 сутки

26,31±0,13

66,40±0,33

8,62±0,04

1,000±0,0005

0,999±0,0005

0,983

Стеклобазальтопластик

Суточные

20,80±0,04

64,48±0,32

7,70±0,04

1,001±0,0005

0,999±0,0005

0,987±0,0005

7 суточные

1 сутки

18,99±0,09

62,15±0,31

6,63±0,03

1,002±0,0005

1,003±0,0005

0,992±0,0005

7 сутки

18,95±0,09

62,05±0,31

6,44±0,03

0,999±0,0005

1,002±0,0005

0,963±0,0005

Сравнительные графики по химическим средам для стеклопластика и стеклобазальтопластика представлены на рисунках 3-4.

Рисунок 3. Сравнительный график по химическим средам для стеклопластика. Риуснок 4. Сравнительный график по химическим средам для стеклобазальтопластика

Для образцов, набравших в весе, определим коэффициент диффузии химического реагента, коэффициент сорбции химического реагента, массу химического реагента, поглощенную испытуемым образцом и коэффициент проницаемости химического реагента через образцы (таблица 5).

Таблица 5. Значения коэффициентов диффузии, сорбции и проницаемости.

Показатели	Химическая среда	Стеклопластик	Стеклобазальтопластик
Коэффициент диффузии химического реагента  ( ), см2/с	дистиллированная вода	8,74×10-7±0,04×10-7	7,61×10-7±0,04×10-7
	уксусная кислота	8,72×10-7±0,04×10-7	-
	соляная кислота	-	-
	перекись водорода	8,65×10-7±0,04×10-7	5,03×10-7±0,04×10-7
Масса химического  реагента, поглощенная испытуемым образцом (Mp=Мmax – M), г	ацетон	-	-
	дистиллированная вода	0,04±0,005	0,03±0,005
	уксусная кислота	0,03±0,005	-
	соляная кислота	-	-
	перекись водорода	0,06±0,005	0,03±0,005
Коэффициент сорбции химического реагента в образце  (S=(Mр/Vmax), г/см3	дистиллированная вода	1,86×103±0,009×10-3	1,45×10-3±0,007×10-3
	уксусная кислота	1,40×10-3±0,007×10-3	-
	соляная кислота	-	-
	перекись водорода	2,79×10-3±0,013×10-3	1,66×10-3±0,008×10-3
Коэффициент проницаемости  химического реагента через образцы ( ),	дистиллированная вода	1,62×10-9±0,008×10-9	1,11×10-9±0,006×10-9
	уксусная кислота	1,22×10-9±0,006×10-9	-
	соляная кислота	-	-
	перекись водорода	2,41×10-9±0,012×10-9	8,34×10-9±0,042×10-9

Результаты испытания стеклопластиковых и стеклобазальтопластиковых образцов на изгиб представлены на рисунках 5, 6.

Рисунок 5. Результаты испытаний после суточного воздействия химических реагентов.	Рисунок 6. Результаты испытаний после семисуточного воздействия химических реагентов.

Выводы

Экспериментальные исследования стойкости к действию химических сред по изменению массы образцов показали, что стеклобазальтопластик более стоек к агрессивным средам, чем стеклопластик. Наиболее заметно это было при нахождении образцов в соляной кислоте, т.к. она является химически активной средой, при которой необратимо изменились структура и свойства материала.

Экспериментальные исследования стойкости к действию химических сред по изменению механических свойств образцов показали, что стеклобазальтопластик является более стойким к действию агрессивных сред, чем стеклопластик. Снижение прочности после действия химических сред происходит из-за сорбции молекул низкомолекулярного вещества, которые приводят к пластификации и разрушению материала под воздействием механических сил.

Список литературы

1. Справочник по композиционным материалам: справочник в 2-х т. / Под ред. Дж. Любина. Пер. с англ. А. Б. Геллера и др. Под ред. Б. Э.Геллера. – М.: Машиностроение, 1988. – Т. 1, 2. – 448 с., 584 с.
2. Асланова, М. С. Структура, состав, свойства и формование стеклянных волокон: монография / Под ред. М. С. Аслановой. – М.: ВНИИСПВ, 1968. – Ч. 1 – 275 с.
3. Сухарева, Л. А. Технология, физико-технические свойства и применение стекловолокнистых материалов и стеклопластиков: монография / Л. А. Сухарева, Ю. В. Мейтин, И. Р. Киселев [и др.]. – М.: ВНИИСПВ, 1976. – 342 с.
4. Альперин, В. И. Конструкционные стеклопластики: монография / В. И. Альперин. – М.: Химия, 1979. – 358 с.
5. Базальтоволокнистые материалы: сборник статей под ред. В. И. Костикова и Л. Н. Смирнова. – М.: ООО «Информконверсия», 2001. – с. 308.
6. Михайлин, Ю. А. Конструкционные полимерные композиционные материалы: монография / Ю. А. Михайлин. – СПб.: Научные основы и технологии, 2010. – 822 с
7. Гуртовник, И. Г. Радиопрозрачные изделия из стек¬лопластиков: монография / И. Г. Гуртовник, В. И. Соколов, Н. Н. Трофимов, С. И. Шалгунов. – М.: Мир, 2003. – с. 361.
8. Мэтьюз, Ф. Композитные материалы. Механика и технология: монография. Пер с англ / Ф. Мэтьюз, Р. Ролингс. – М.: Техно¬сфера, 2004. – с. 407.
9. Далинкевич, А. А. Базальтоволокнистые композиты в армировании бетона Часть 1 / А.А. Далинкевич, А.В. Суханов, А. В. Асеев // Технологии бетонов. 2005. – №3. – с. 10-13.
10. Inna A. Dudkevich, Elena S.  Anan’eva, "Stress relaxation and destruction of glass-basalt-plastic with different binder composition," Proc. SPIE 12986, Third International Scientific and Practical Symposium on Materials Science and Technology (MST-III 2023), 129860Z (19 January 2024).
11. ГОСТ 12020 – 72.