722

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

Н.С. Ключникова

(факультет «Промышленное и гражданское строительство)

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА БРОНЕЗАЩИТНЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ

Основными свойствами керамических материалов, обусловившими их применение в качестве брони, являются высокие значения плотности, твердости, модуля упругости, низкая температура плавления. Для создания средств бронезащиты по5–6а классу могут быть использованы такие керамические материалы, как В4С, TiB2, Al2O3, SiC, Si3N4. Для массового производства ке-

рамики наиболее перспективен сравнительно дешевый оксид алюминия (Al2O3). Доступность сырья, технологичность процесса получения, возможность организации серийного производства изделий, а также меньшая по сравнению с другими материалами стоимость делают алюмооксидную керамику базовым бронезащитным материалом. Однако массовое применение бронекерамики из оксида алюминия сдерживается рядом трудностей, связанных, в частности, с тем, что баллистические свойства керамической бронезащиты зависят от профиля бронеэлементов.

Область применения бронекерамических изделий определяет степень ответственности за их качество. Под качеством высокопрочной алюмооксидной керамики в данном случае следует понимать соответствие каждого изделия заданным требованиям. В настоящее время потребителя уже не устраивает достигнутый уровень стабильности качества готовых изделий. В связи с этим поиск новых методов неразрушающего контроля представляет научный и практический интерес.

Цель работы – исследовать взаимосвязь светопропускания с микроструктурой алюмооксидной керамики и разработать методику и принципиальную схему установки для неразрушающего контроля качества готовых керамических изделий.

Важную роль в современном керамическом производстве играет применение современных методов контроля качества его готовой продукции, например, ультразвуковых, радиотехнических, оптических, структурных и т.д.

91

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

Практическое использование многих методов связано с -ря дом существенных трудностей. Во-первых, физические свойства готового изделия ограничивают область применения многих ме-

тодов контроля. Например, адсорбционные методы применимы к материалам с открытой пористостью, а радиационный метод используют в основном при контроле качества огнеупоров. Во-

вторых, следует иметь в виду различия методов в зависимости от их предназначения: измерение геометрических размеров, исследование химического состава и структуры, поиск объемных или поверхностных дефектов и т.д. Лишь немногие из применяемых в настоящее время методов(микроскопический, рентгеноструктурный) можно считать универсальными. Но и они имеют ряд существенных недостатков: трудоемкость, большой объем подготовительной работы (изготовление шлифов и порошков, травление и др.). Кроме того, эти методы не дают возможность осуществлять стопроцентный контроль. В-третьих, к керамическим изделиям особой надежности предъявляют повышенные требования качества, что исключает применение для бронекера-

мики малочувствительных методов.

Необходимые требования к методу неразрушающего -кон троля керамики:

1)высокая чувствительность к структурным изменениям керамики;

2)возможность контроля изделий с учетом различий в геометрических характеристиках, форме и размерах исследуемых изделий;

3)простота применения;

4)возможность использования в массовом производстве;

5)безопасность;

6)низкая стоимость.

С учетом перечисленных требований и на основе обзора научных публикаций на тему использования оптических и акустических методов для контроля качества алюмооксидной керамики можно сказать, что использующиеся методы неразрушающего контроля не в полной мере отвечают возросшим требованиям качества готовой

продукции. В настоящее время учеными ведется поиск более совершенных методов контроля, причем предпочтение отдается оп-

92

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

тическим и акустическим методам в связи с удобством их применения, малой трудоемкостью и небольшими затратами.

В качестве одного из наиболее перспективных методов контроля, по нашему мнению, можно использовать свойство керамики пропускать часть падающих световых лучей, т.е. такую разновидность оптических методов, как светопропускание. Чтобы оценить зависимость структуры керамических материалов от светопропускающей способности, была проведена серия опытов, в ходе которых через керамические образцы пропускалось излучение света разной длины волны в диапазоне от 350 до 800 нм и фиксировались показания люксметра. Проведенные исследования показали, что большинство керамических образцов различного состава способно пропускать свет практически во всем спектре светового излучения, при этом светопропускание имеет существенную зависимость от структуры материала. Установленные зависимо-

сти изменения микроструктуры алюмооксидной керамики от температуры обжига образцов также согласуются с результатами их светопропускания.

Полученные результаты позволяют рассматривать светопропускание как комплексную характеристику определения качества готовых изделий из керамических материалов. Достоинствами этого показателя по сравнению с другими являются высокая чувствительность к происходящим структурным изменениям материала с повышением температуры его обжига и возможность создания как простых измерительных средств, так и автоматических приборов для неразрушающего контроля качества керамических изоляторов.

Предположение о взаимосвязи светопропускания керамики с ее свойствами и структурой дает основание для разработки методики, которая бы позволила использовать пропускающую способность различных по своей структуре керамических материа-

лов как средство для обнаружения дефектной продукции при массовом производстве.

Сущность предлагаемого метода заключается в следующем. При прохождении луча света через керамический материал он ослабляется за счет поглощения и рассеивания, которые зависят от количества и размеров кристаллов, стеклофазы и пор, иными

93

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

словами, от структуры. Степень ослабления фиксируется фотоприемником, и образец может быть оценен по наличию дефектов.

Для реализации предлагаемого метода вновь разработана установка, схема которой основана на регистрации фотоэлектрическим приемником прошедшего через изделие светового потока, при этом лучи света от источника проходят через интерференционный светофильтр и направляются на керамический образец. Принципиальная схема установки для неразрушающего контроля методом светопропускания может включать следующие элементы (рис. 1): 1 – источник питания ламп для просвечивания; 2 – источник излучения; 3 – контролируемое изделие; 4 – механизм подачи изделия на контроль; 5 – механизм разбраковки изделий по видам брака; 6 – приемник светового излучения; 7 – усилитель сигнала; 8 – указатель полярности для определения вида дефекта (поры, включения); 9 – анализатор амплитуды импульса для определения размеров дефекта по толщине изделия; 10 – анализатор длительности импульса для определения размеров дефекта по ширине изделия; 11 – счетчик дефектов.

Рис. 1. Схема неразрушающего контроля керамических изделий методом светопропускания

Одна из сложностей воплощения данной схемы в реальность заключается в том, что большинство применяемых в настоящее время изделий из технической керамики имеют самую разнообразную конструкцию и форму. Основную массу деталей представляют различные тела вращения– конусы, цилиндры и т.п. Толщина стенки изоляторов может быть в среднем от 1 до 8 мм при общих габаритах 5–100 мм.

94

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

Для обеспечения более точного результата и удобства реализации на практике принципа светопропускания предлагается несколько вариантов конструкций установки для просвечивания изделий различной формы.

По первой конструктивной схеме(рис. 2, а) прошедший через образец свет направляется на фотоприемник4 при помощи призмы или зеркала 2. Данная схема позволит осуществлять контроль изделий плоской формы (дисков, пластин, подложек).

По второй конструктивной схеме(рис. 2, б) контролируемое изделие 1 располагается таким образом, что в его внутреннюю полость входит призма или зеркало2. Поток света, попав на зеркало, отражается и проходит через стенку изделия, после чего количество прошедшего света регистрируется фотоприемником 4. Экран 3 необходим, чтобы предохранить фотоприемник от попадания светового потока, не прошедшего через образец. Такую схему можно применить для крупногабаритных изделий с внутренним диаметром более 30 мм и высотой сечения не менее 15 мм.

Для контроля качества малогабаритных изделий можно применить третий тип конструктивной схемы(рис. 2, в). Контролируемое изделие 1 устанавливается в специальный держатель и прижимается экраном. Световой поток, направленный во внутреннюю полость изолятора, рассеивается в нем, и прошедший через него свет регистрируется фотоприемником 4.

Рис. 2. Конструктивные схемы:

1 – контролируемое изделие; 2 – зеркало или призма; 3 – защитный экран; 4 – приемник излучения;

5 – источник излучения; 6 – база установки

Реализованная на практике, подобная система позволит без особых сложностей контролировать качество готовых керамических изделий независимо от их формы. При этом возможно будет

95

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

получить комплексную информацию о количестве бракованных образцов, величине и видах дефектов в них. Полученные данные могут быть доступны для дальнейшего анализа на ЭВМ.

Неразрушающему контролю по данной методике подверглось несколько партий изделий, которые характеризовались тремя группами дефектов: 1 – раковины, поры; 2 – инородные включения, пятна; 3 – неравномерность структуры. Распределение дефектов в партии было примерно одинаковым, их содержание составило для

1-й и 2-й групп – 30–40 %, для 3-й группы – 20–30 %.

Проведенные опыты показали в исследуемых образцах алюмооксидной керамики наличие следующих дефектов: крупных раковин и пор размером от0,5 мм и более; посторонних включений частиц размером от 0,3 мм и более; неравномерности структуры.

При исследовании обнаруженных дефектов в виде раковин было замечено, что они располагаются, как правило, в средней части толщи стенки образца. Их месторасположение можно объяснить способом формообразования изделия. В изделиях сложной формы завершение формообразования происходит, видимо, охлажденным шликером с повышенной вязкостью, что затрудняет равномерное заполнение формы в этой зоне.

Включения в исследуемых керамических образцах были представлены в виде металлических опилок, стружек размером от 0,1 мм и более и электрокорундом. Причины появления включений в массе керамического материала могут быть обусловлены несовершенством применяемых методов очистки и технологического оборудования.

Неравномерность структуры материалов зависит от соотношения слагающих ее элементов(кристаллов, стеклофазы, пор) и методов изготовления и формования. Результаты свидетельствуют о том, что количество раковин размером менее 1 мм в изделии обнаруживается от 1 до 5 шт.; более 1 мм – от 1 до 3 шт.; количество инородных включений размером менее1 мм может колебаться от 1 до 5 шт., более 1 мм – от 1 до 3 шт. Неравномерность структуры, обнаруживаемая по наличию светлых и темных -по лос, характерна не для каждого изделия, а только для некоторой части изделий из партии. Общее количество дефектов в изделии может составлять от 3 до 8 шт.

96

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

Таким образом, неразрушающий контроль керамических изоляторов с применением устройств по разработанным схемам показал широкие возможности предложенного метода, высокую разрешающую способность и целесообразность использования световой дефектоскопии как в научно-исследовательской работе, так и в серийном производстве керамических изделий.

В ходе работы удалось установить:

1.Проблемы качества бронезащитных керамических материалов занимают не последнее место среди актуальных вопросов при их производстве. Поэтому задача исключения бракованной продукции при получении ударопрочной технической керамики является чрезвычайно актуальной.

2.В настоящее время наукой представлено широкое многообразие методов неразрушающего контроля, многие из них рекомендуют применять и для бронезащитной керамики. Однако в целях контроля изделий повышенной ответственности большинство этих методов не могут быть использованы по различным причинам. Тем не менее среди наиболее перспективных методов неразрушающего контроля качества готовой продукции из ударопрочной алюмооксидной керамики можно выделить оптический и акустический контроль. При этом в данной работе подробнее был изучен оптический метод контроля керамических материалов благодаря ряду преимуществ по сравнению с другими методами(радиотехническим, радиационным, акустическим и др.).

3.Проведенные в ходе данной работы исследования подтвердили наличие четкой связи параметров микроструктуры(содержание пор, стеклофазы, величина кристаллов корунда) со светопропусканием материала. Подобная зависимость дает основание рассматривать светопропускание как комплексную характеристику качества бронезащитной алюмооксидной керамики, позволяет сформулировать методику и определить технические требования к разработке схемы установки для неразрушающего контроля качества ударопрочной керамики.

4.Разработана принципиальная схема установки, действие которой основано на регистрации фотоэлектрическим приемником прошедшего через изделие светового потока. Проведенные опыты подтвердили целесообразность использования принципа

97

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

светопропускания в качестве основы для дефектоскопии керамических изделий особой надежности.

Научный руководитель д-р техн. наук, доц. С.А. Шахов

И.А. Левченко

(факультет «Управление процессами перевозок»)

ОБОСНОВАНИЕ ТРЕБОВАНИЙ К ПЕРЕВОЗКЕ РАДИОАКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Запуск четвертого энергоблока Калининской АЭС является частью российской «Стратегии развития ядерной энергетики в первой половине XXI века». Эта стратегия предполагает увеличение в два раза объема вырабатываемой энергии на атомных электростанциях и формирование замкнутого ядерного топливного цикла. Ведь ядерное топливо имеет в миллионы раз большую концентрацию энергии по сравнению с углеродным топливом, а также ресурсы ядерной энергетики неисчерпаемы. Кроме того, отходы атомной энергетики имеют относительно малые объемы и могут быть надежно локализованы, а наиболее опасные из них можно «сжигать» в ядерных реакторах. Это открывает принципиально новые возможности и перспективы в осуществлении замкнутого технологического цикла, при котором воздействие атомной энергетики на окружающую среду будет существенно меньше, чем воздействие других традиционных энерготехнологий. Также замещение углеродного топлива ядерным позволит эффективно использовать углеводороды для других целей: химического синтеза, легкого транспорта и т.д.

Естественно, что с ростом доли атомной энергетики увеличивается добыча радиоактивных руд и производство тепловыделяющих элементов. А это значит, что объемы перевозок радиоактивных грузов будут только возрастать.

В общем процессе расширяющегося применения атомной энергии и источников ионизирующих излучений важную роль играет перевозка радиоактивных веществ– связующее звено

98

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

между изготовителями и потребителями разнообразной изотопной продукции и ядерного топлива.

С увеличением количества радиационных грузов, расширением географии пунктов отправления и назначения все большее внимание должно уделяться обеспечению безопасности при -пе ревозках, ведь перевозка радиоактивных материалов сопряжена с повышенным риском не только для работников железнодорожного транспорта, но и для той территории, где осуществляется перевозка. Однако здесь имеется ряд проблем. Прежде всего, это устаревшая научно-техническая документация в области перевозок радиоактивных материалов. Значительный износ подвижного состава также негативно сказывается на безопасности перевозок. Кроме того, существуют проблемы, связанные с отсутствием складов для временного хранения радиоактивных грузов на территории станции и у подъездных путей грузовладельцев.

К проблемам научно-технической документации относится в первую очередь отсутствие закона о перевозке опасных грузов в РФ. Это создает перевозчикам и грузоотправителям не только дополнительные сложности, связанные с различными ведомственными согласованиями, но и влечет за собой простои транспортных средств и, как следствие, большие экономические потери. Более того, при отсутствии нормативно-правовых документов

и наличии всевозможных бюрократических преград не редки случаи, когда перевозчики провозят опасные грузы под видом неопасных и тем самым создают угрозу для окружающей среды и человеческих жизней.

В области смешанных перевозок опасных грузов и контейнеров ситуация схожая. Здесь применяются старые отраслевые стандарты, ГОСТы, инструкции, распоряжения и правила, которые во многом расходятся с международными. А внешнего международного контроля, как в морских перевозках, там не происходит.

Возникает сложность использования нормативных документов, из-за того что они разрабатываются различными ведомствами и организациями, независимо друг от друга и часто представляют собой ведомственные инструкции. Зачастую документы либо дублируют друг друга, либо противоречат друг другу. Большинство из них к настоящему времени устарели и требуют переработки, поскольку не в полной мере соответствуют не только

99

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

современному законодательству Российской Федерации, но и ряду важных принципов обеспечения безопасности, принятых в последние годы международным сообществом.

Перевозки специальным автомобильным и железнодорожным транспортом предприятий Минатома России в дополнение к основным нормативным документам регламентируются рядом отраслевых, определяющих организацию перевозок, осуществление радиационного контроля и мероприятий по ликвидации -по следствий аварий. Необходимо отметить, что в указанных документах имеется ряд положений, противоречащих требованиям основных нормативных документов по перевозкам. В частности, допускается перевозка упаковок без нанесения знака радиационной опасности.

Проведенный анализ нормативных документов зарубежных стран и рекомендаций международных организаций показал, что они могут быть использованы в Российской Федерации только после их существенной модификации в соответствии с местным законодательством и накопленным практическим опытом обращения с радиоактивными материалами. Например, Правила безопасной перевозки радиоактивных веществ МАГАТЭ, а также прил. 2 к Соглашению о международном грузовом сообщении(СМГС) устанавливают полный объем требований по обеспечению как радиационной, так и ядерной безопасности упаковок. Они определяют существенно более широкий набор видов перевозимых радиоактивных веществ и типов упаковок для их перевозки по сравнению с действующими в России правилами. Но в СМГС также есть положения, которые неприемлемы для перевозок радиоактивных материалов по территории нашей страны. Так, в части 7 Положений, касающихся условий перевозки, погрузки, выгрузки и обработки грузов, приведена таблица совместной погрузки опасных грузов в один вагон или контейнер. Эта таблица разрешает перевозку радиоактивных грузов классов 3, 4.1, 4.2, 4.3, 6.1, 6.2, 8 и 9, что совершенно недопустимо.

Правила безопасной перевозки радиоактивных материалов регулярно пересматриваются МАГАТЭ. Однако на практике в этой области имеются определенные проблемы, осложняющие международные перевозки. Например, одни государства используют различные редакции Правил МАГАТЭв, других странах

100