Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Стабилизация нитратцеллюлозных порохов. Учебное пособие.pdf
Рис.7.2. Номограммы Т
1 – для жаркого пустынного климата; 2 – для умеренного климата;
3 – для холодного климата
=φ(Е) для различных климатических зон:
экв
Расчетный срок хранения составляет 18 лет при температуре
хранения 25оС. Расчет, проведенный по данной методике, пока-
зывает, что Т
хранения для района пустынного климата 296,7 К
экв
(23,5оС), для умеренного климата – 285,7 К (12,5оС). Расчетные
сроки хранения в этих районах 20 и 25 лет соответственно.
7.3. Критерии сохраняемости порохов
Старение порохов определяется совокупностью химических
реакций распада и вторичных превращений, протекающих на
молекулярном и надмолекулярном уровнях. Строение пироксилиновых порохов имеет общий для них характер, что и позволяет разрабатывать единую методологию прогнозирования запаса
химической стойкости. Однако, начинаясь на молекулярном
уровне, старение проявляется и на других уровнях, описывающих свойства порохов. Так, в результате химических превращений пороховые элементы могут изменять свою надмолекулярную, капиллярно-пороговую и макроструктуру; плотность, физико-механическую прочность, энергетические характеристики,
151
скорость горения, чувствительность [47,49 ] и другие свойства,
обеспечивающие служебную пригодность порохов. В связи с
тем, что служебная пригодность порохов определяется, прежде
всего, глубиной протекания химических процессов, основным
критерием сохраняемости порохов является химическая
стабильность, то есть способность порохов сопротивляться
медленному самопроизвольному разложению и сохранять
неизменными свои основные свойства.
Однако в целом под сроком служебной пригодности понимается отрезок времени, в течение которого пороха и заряды после
их изготовления сохраняют свои основные служебные качества
в соответствии с тактико-техническими требованиями, то есть не
только безопасны и пригодны для стрельбы, но и способны эффективно выполнить штатную задачу выстрела. Экономически
оправданным является использование порохов в течение 15-30
лет после их изготовления. Отметим, что в большинстве случаев
запас химической стойкости современных порохов превышает
срок их служебной пригодности. Поэтому при оценке сроков
служебной пригодности порохов используется термин более широкий, чем запас химической стойкости, а именно – сохраняемость порохов.
При разработке метательных зарядов необходимо учитывать
и уметь прогнозировать безопасность применения и сохраняемость изделий в условиях воздействия различных внешних факторов при эксплуатации и хранении. Система общих тактикотехнических требований предусматривает и требования к стойкости изделия в условиях кратковременного воздействия климатических параметров:
– перепадов температур ±50оС с кратковременным пребыванием (до 8 ч) при ±60оС;
– относительной влажности до 98% при температуре до +35оС;
– солнечной радиации с поверхностной плотностью теплового
потока до 1000 вт/м2 и длительного воздействия радиации в течение всего срока хранения и эксплуатации.
152
Основным показателем сохраняемости материала (пороха, МЗ)
или изделия при хранении и транспортировании является ГСХ, в
течение которого пороха должны сохранять свои характеристики и могут быть допущены к боевому применению.
На пороха в составе изделий воздействуют температура,
влажность, агрессивные среды, механические нагрузки,
радиация, биологические факторы, пыль, атмосферные осадки,
иней и т.п. Все они обуславливают протекание обратимых и
необратимых физико-химических процессов в материалах,
которые в итоге могут вызвать разрушение, самовоспламенение
изделия, то есть недопустимые изменения и аномалии:
– тепловое старение и разложение порохов и сгорающих материалов, деструкция полимерных материалов с разрушением
конструкций;
– массоперенос (взаимная диффузия пластификаторов в элементах изделия, удаление летучих веществ, влагообмен как
внутри изделия, так и с окружающей средой;
– накопление усталостных дефектов в материалах вследствие
многократных циклических нагрузок;
– радиационное старение под воздействием проникающей радиации;
– рекристаллизация и полиморфизм отдельных компонентов в
композиционном материале.
При оценке сохраняемости материалов различают прямую и
обратную задачи. Прямая заключается в определении ГСХ материала (изделия) по допустимым изменениям характеристик,
обратная состоит в установлении нормативного уровня характеристик материалов для обеспечения их работоспособности в
течение заданного ГСХ. Формально, обе задачи решаются, исходя из следующего условия:
Z(о)·ρ(t)≥│Z│. (7.32)
где Z(о) – начальное значение характеристики (требование ТЗ
или ТУ при приемных испытаниях); ρ(t) – коэффициент изме-
153
нения характеристики по отношению к начальному значению;
│Z│ – предельно допустимое значение характеристики в любой
момент эксплуатации и хранения.
Идеально, обобщенной характеристикой работоспособности
изделий является показатель надежности, то есть вероятности
безотказного функционирования. Однако вычисление этого параметра вызывает значительные трудности из-за отсутствия точных методов решения кинетических задач. Как правило, возможно проведение лишь частных, дискретных по времени оценок надежности. Поэтому в инженерной практике получил распространение способ, заключающийся в том, что соотношение
Z(о)·ρ(t)≥│Z│ решается для каждой характеристики, определяющей работоспособность материала или конструкции. Для обеспечения требуемых ГСХ в нормативы по характеристикам вносятся соответствующие коэффициенты изменения их во времени.
Выполнение требуемого ГСХ определяется не только условиями хранения и свойствами материалов конструкции, но и
допусками по основным параметрам. К основным этапам исследования физико-химической стабильности относят:
– изучение механизма протекающих процессов и установление закономерностей изменения свойств на образцах продуктов,
сгорающих конструкционных материалов, покрытий и т.п. На
основании полученных результатов проводятся кинетические,
баллистические, прочностные расчеты с учетом изменений характеристик и с оценкой надежности в течение требуемого
ГСХ;
– ускоренные климатические испытания (УКИ) материалов,
узлов изделий, отдельных образцов, а в ряде случаев и натурных
изделий, при которых воспроизводятся ожидаемые в течение
ГСХ изменения характеристик путем форсированного воздействия внешней среды; эти испытания проводятся для подтверждения расчетных оценок сохраняемости по результатам исследований образцов материалов первого этапа и натурного хранения
материалов-аналогов;
154
– непосредственная проверка назначенных ГСХ в процессе эксплуатации и опытного хранения. Основные виды и порядок выполнения исследований по установлению ГСХ материала (изделия): – анализ требований ТЗ, определение соотношений дейст-
вующих внешних факторов и комплекса характеристик обеспечивающих безопасность хранения и работоспособность материала (изделия);
– экспериментальное исследование отдельных факторов, характеризующих стабильность материала и элементов изделия;
изучение кинетики термогидролитического разложения пороха
(с оценкой баллистических характеристик), сгорающих материалов, химической совместимости отдельных элементов
( клеев, покрытий, прокладок и т.п.); кинетики массопереноса
пластитификаторов (нитроэфиров), влаги, теплового старения
материалов, способности к рекристаллизации (полиморфизму)
компонентов пороха и сгорающих конструкционных
материалов, а также иных фазовых превращений, радиационного
и биологического старения и т.д.;
– расчетная (экстраполяционная) оценка сохраняемости изделий, прогнозирование изменения характеристик материалов
(изделий) в условиях эксплуатации и хранения; оценка показателей надежности с учетом ожидания изменений характеристик,
определяющих ГСХ и изменения условий хранения; обоснование обеспечения заданного уровня ГСХ или выдача рекомендаций на доработку;
– экспериментальное подтверждение сохраняемости материалов (изделий), разработка программы ускоренных климатических испытаний (УКИ), подтверждение ГСХ и оценка возможности его увеличения (в случае необходимости);
– опытное хранение материалов и изделий в наиболее тепловлагонапряженных климатических условиях (районах); разработка программ опытного хранения, закладка объектов хранения
на базах, периодические проверки с определением предусмот-
155
ренных программой характеристик, продление ГСХ по результатам опытного хранения и эксплуатации.
Климатические условия хранения и эксплуатации материалов
и изделий обычно определяются характеристиками климатических районов, которые могут быть расположены как на территории Российской Федерации, так и за рубежом. Характеристики климатических районов и параметры климатических
факторов подлежат стандартизации. На территории России диапазон годовых температур может превышать 40-50оС, при этом
суточные колебания достигают 30оС при колебании влажности
≈40-80%.
Температурные условия хранения и эксплуатации материалов
и изделий определяют интенсивность тех или иных процессов
старения. Во многих случаях изменение температуры окружающего воздуха приводит к возникновению напряженного состояния материалов, обусловленного различием коэффициентов его
теплового расширения, например, суточные колебания температуры вызывают нестационарные температурные напряжения, а
сезонные колебания – остаточные стационарные напряжения.
Примерная классификация районов РФ подразделяется на: – холодный; – умеренно холодный; – умеренно теплый влажный; – умеренно теплый; – теплый влажный; – жаркий сухой; – очень жаркий сухой. Варианты хранения материалов: – на открытой площадке; – под навесом; – в неотапливаемом помещении; – в отапливаемом помещении. Хранение на открытой площадке не обеспечивает защиты от окружающей среды.
156
Хранение под навесом защищает материал только от прямого
воздействия осадков и радиации.
Хранение в не отапливаемом помещении обеспечивает
защиту от атмосферных осадков, солнечной радиации, пыли,
резких пе-репадов температуры и влажности.
Отапливаемое помещение обеспечивает оптимальные условия хранения.
Обычно стандарты устанавливают характеристику климатических факторов на основе статистики в аналитическом виде
эквивалентных температурно-влажностных комплексов воздействия. Приоритетно за основу принимаются многолетние статистические данные.
7.4. Прогнозирование влияния процессов массопереноса в порохах
Влияние процессов массопереноса в порохах, содержащих
от-носительно летучие компоненты на выходные
баллистические характеристики пороховых зарядов не менее
важно при опреде-лении ГСХ, чем прогнозирование запаса
химической стойкости.
Например, изменения содержания удаляемых в
пироксилиновых порохах на 1% может приводить к изменению
дульной скорости на 1,4-4,6% и среднего максимального
давления на 7-12%.
Скорость влагопереноса внутрь материала из окружающей
среды прямо проопорциональна разности давлений водяных па-
ров (р
) вне материала и внутри.
в
), концентраций или относительных влажностей (
н-рв
н
-
(7.33)
где – коэффициент пропорциональности; – давление насыщенного пара; коэффициент характеризует влагозащищен-
157
ность материала и определяется экспериментально или рассчитывается по формуле:
, (7.34)
где Пi – проницаемость; Si – площадь контакта; dc–толщина
материала.
В первом приближении можно считать, что содержание
влаги в материале находится в термодинамическом равновесии с
влажностью воздуха внутри емкости с порохом в соответствии с
изотермой сорбции. Как показывает опыт хранения порохов и
зарядов, а также эксперименты, наблюдаемые при хранении
изменения баллистических характеристик интервала, ГСХ
определены, в основном, процессами массопереноса., а химическое разложение порохов значимо проявляется за пределами
ГСХ.
7.5. Основные принципы моделирования климатических
и эксплуатационных воздействий
Существуют два принципа моделирования климатических и эксплуатационных воздействий. Первый принцип аддитивности (суперпозиции) или аддитивного суммирования лежит в основе методов моделирования процессов изменения свойств материалов (старения). Предполагается, что старение и разрушение материалов в любых условиях протекает необратимо, так что изменение свойств материала накапливается во времени аддитивно. Эта гипотеза исключает из рассмотрения обратимые процессы, что существенно ограничивает область ее применения. Пусть материал эксплуатируется в дискретном режиме, то есть он находится некоторое время в
постоянных условиях (х1), затем переходит в условия ( х2) и т.д.
Изменения свойств материала в этих условиях отражаются, соответственно значениями параметров состояния
158
При достижении предельно допустимого значения мате-
риал исчерпывает запас эксплуатационной пригодности. Принцип суперпозиции предполагает существование так называемой
функции поврежденности материала которая является однозначной функцией свойств материала и изменение которой в
разных условиях можно суммировать; сложение предполагает,
что сумма изменений ( не зависит от порядка воздействия
разных условий на материал во времени:
=1 или =1 (7.35)
Каждое из слагаемых в уравнении (7.35) соответствует доле
запаса пригодности материала, израсходованной в условиях х1,
х
… хn; причем эта доля не зависит от величины (
2
Из предыдущих формул выводится уравнение Бейли, предло-
женное для оценки долговечности полимеров в условиях механических разрушений:
(7.36)
где – долговечность материала в заданных условиях х1;
предел интегрирования, то есть долговечность при условиях
проведения испытаний или эксплуатации (хранения).
Для практических целей прогнозирования в простейшем случае пригодно уравнение:
=1; (7.37)
где – долговечность и время эксплуатации в условиях (i).
Обобщенное уравнение принципа аддитивности пригодно для
любых видов старения полимерных материалов.
Второй принцип – принцип температурно-временной
эквивалентности. Сочетание уравнения Бейли с уравнением
159
Журкова приводит к принципу температурно-временной
эквивалентности, который устанавливает эквивалентность
влияния температуры и продолжительности воздействия
=1 (7.38)
Для старения полимеров, композиционных продуктов, узлов
конструкций сочетание уравнения Аррениуса и принципа аддитивности накопления повреждений в условиях внешних (климатических) воздействий приводит к аналогичному выражению:
=1 (7.39)
Следствием принципа температурно-временной эквивалент-
ности является существование виртуальных постоянных условий
эксплуатации и хранения эквивалентных по суммарным накопленным повреждениям реальным переменным условиям эксплуатации и хранения:
) (7.40)
Также известно уравнение для эквивалентной температуры хранения
(7.41)
то есть такой постоянной температуры, хранение при которой
приводит к тем же последствиям, как и при переменных естественных условиях хранения в течение одного и того же времени,
аналогично:
Т
= - (7.42)
экв
160