Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технология испытаний технических систем. Учебное пособие.pdf
γσ−
τ=τ
RT
U
0
exp
0
( )
kT
nu
D
EkT
C
3
0
0
43
2
exp
γσ−
δσ
=τ
2) исследования поведения выбранного уравнения вне области экспе-
римента, что сводится к определению оценки точности прогнозирования;
3) выбора объема экспериментальных данных, обеспечивающих на-
дежный прогноз на заданный срок эксплуатации.
В настоящее время методы экстраполяции классифицируются по двум
основным признакам:
а) по типу экстраполяционного уравнения;
б) по способу их реализации.
Так, для экстраполяции результатов испытаний длительной прочно-
сти материалов экстраполяционные уравнения можно разделить на следующие три типа:
‒ уравнения, основанные на использовании временных зависимостей
f (σ,τ) = 0;
‒ уравнения, основанные на температурно-временных зависимостях
τ = А (σ, Т)e
-α(σ, T) T
;
‒ уравнения, основанные на физических моделях разрушения мате-
риалов, которые могут быть получены из закона Аррениуса
τ = А (σ, Т)е
Q(σ, T) /RT
,
где Т – температура;
А (σ, Т), α(σ, T) – коэффициенты, зависящие от температуры и времени;
Q(σ, T) – энергия активации разрушения.
Помимо этих зависимостей практическое применение нашли следу-
ющие физические модели:
‒ уравнение Журкова:
‒ метод Пинеса:
121
;
;
RT
Cu
T
A
x
σ⋅−
σ
=τ
0
exp
‒ метод Трунина:
,
где τ0, D0 – постоянные коэффициенты;
U0 – энергия активации;
k, R – постоянная Больцмана и газовая постоянная;
E – модуль упругости материала;
n0 – число вакансий, образующих начальную трещину;
A, δ – постоянные;
С, х, γ – константы.
По способам реализации различают следующие экстраполяционные
методы:
‒ множественной линейной корреляции;
‒ параметрической схемы;
‒ итерационный и рекуррентный;
‒ средних значений.
Методы множественной линейной корреляции позволяют наиболее
просто, с использованием стандартных программ, выполнить реализацию
линейных экстраполяционных уравнений. При этом можно реализовать
как временные и температурно-временные зависимости, так и зависимости, основанные на физических моделях деформирования и разрушения
материалов.
Определение длительной прочности по параметрической схеме предусматривает аппроксимацию данных, определение коэффициентов параметрической кривой и на завершающем этапе – определение длительной
прочности при заданных долговечности и температуре.
Итерационный метод применяется в тех случаях, когда реализуются
нелинейные относительно коэффициентов температурно-временные зависимости длительной прочности.
Прогнозирование длительной прочности с помощью рекуррентных
соотношений заключается в предварительном сглаживании эксперимен-
тальных кривых с помощью соответствующего уравнения, определении
рекуррентных коэффициентов и последующей экстраполяции длительной
прочности за интервал аппроксимации опытных данных.
122
ω
ω
=
z
x
T
T
C
7.2.4. Испытания с форсированием нагрузочного режима
Ускоренные испытания с форсированием нагрузочного режима сов-
местно с прогнозированием наиболее экономичны, поскольку реализуются принципы двойной экстраполяции.
Математическая модель методики, использующей принцип двойной
экстраполяции, может быть построена на основании положения гипотезы
линейного суммирования.
Функция связи в этом случае является некоторой константой С и мо-
жет быть определена по формуле
где T
ω
ω
, T
x
– ресурсы, выработанные изделием до уровня ω в номиналь-
z
, (7.44)
ном и форсированном режимах соответственно.
Методика проведения испытаний при этом следующая:
1) проводятся испытания первой выборки до уровня ω в номиналь-
ном режиме Х;
2) вторая партия испытывается до уровня ω в форсированном ре-
жиме Z;
3) по формуле (7.44) определяется величина С;
4) производится испытание второй выборки в режиме Z до достиже-
ния критического значения определяющего параметра
ся T
;
zωкр
5) производится прогнозирование значения T
zωкр
;
ω
и определяет-
кр
6) определяется значение наработки изделия в номинальном режиме
по формуле
ω
T
= С⋅ T
x
zωкр
.
Средняя погрешность при экстраполяции этим методом не превышает
10–12 %. Практически можно считать, что экстраполяция во времени дает
удовлетворительную оценку при продолжительности испытаний не менее
40–70 % от ресурса изделия. Этот метод может применяться для испытаний изделий, процессы исчерпания ресурса которых достаточно хорошо
изучены.
123
8. ИСПЫТАНИЯ НА ГЕРМЕТИЧНОСТЬ
Под герметичностью системы понимают непроницаемость стенок,
ограничивающих объем, для газов и жидкостей. Испытания на герметичность проводят для определения степени герметичности, которая характеризуется потоком газа, расходом или наличием истечения жидкости, падением давления за единицу времени.
Методы испытаний на герметичность различаются по виду проникающих веществ (жидкости или газы), назначению, области применения,
конструктивно-технологическим и компоновочным особенностям, экономическим характеристикам испытаний. Жидкие или газообразные вещества проникают через несплошности конструкции вследствие наличия перепада давлений на ее стенке или за счет капиллярных сил. Для конструкций, работающих под избыточным относительно атмосферного давлением, перепад давлений считают положительным, для вакуумных – отрицательным. Поэтому методы испытаний, при которых индикаторное вещество проникает через неплотности при положительном перепаде давлений,
называют компрессионными, а при отрицательном – вакуумными.
Контролю на герметичность подвергают изделия, у которых на протяжении заданного времени должно сохраняться заданное давление рабочего или контрольного вещества либо утечка рабочего вещества не должна превышать допустимого значения. К изделиям, испытываемым на герметичность, относятся корпуса судов, летательных аппаратов, ядерных
реакторов, изделия холодильной и вакуумной техники, агрегаты гидравлических и газовых систем, трубопроводы и многие другие.
Методы контроля герметичности разделяются на три группы в зависимости от вида применяемых пробных веществ:
1) газовые, когда в качестве пробного вещества используется газ (ге-
лий, аргон, воздух);
2) газогидравлические, когда в качестве пробного вещества исполь-
зуется газ, а жидкость играет роль вспомогательной среды при определении факта и места утечки газа;
3) гидравлические, когда в качестве пробного вещества используется
жидкость (вода, масло).
В табл. 8.1 приведена характеристика основных методов контроля
герметичности.
124
Метод
Принципиальные
Пробное
Предельный
1. Газовые методы
Масс-
Выделение проникающего
Гелий, аргон,
1ˑ10
–12
Таблица 8.1
Основные методы контроля герметичности
спектрометрический
Галогенный
Электроннозахватный
Катарометрический
Оптикоакустический
Акустический
основы метода
через течи пробного вещества путем разделения
ионов смеси газов по отношению их массы к заряду и
регистрации содержания
пробного газа в этой смеси.
Регистрация проникновения
пробного вещества через
течи по увеличению эмиссии положительных ионов с
накаленной металлической
поверхности при попадании
на нее галогенов.
Регистрация перетекания
через течи пробных веществ по образованию отрицательных ионов.
Регистрация проникающих
через течи пробных веществ, теплопроводность
которых отличается от теплопроводности воздуха.
Регистрация пробных веществ, молекулы которых
состоят не менее чем из
двух различных атомов, избирательно поглощающих
инфракрасное излучение.
Регистрация вытекающих
через течи пробных веществ по интенсивности
акустических колебаний,
создаваемых струей газа.
вещество
водород
Фреон, трихлорэтилен, четыреххлористый
углерод
Воздух, элегаз,
кислород
Гелий, водород,
метан, хлор, углекислый газ
Метан, углекислый газ, окись
углерода, фреон,
закись азота
Любые газы
порог чувстви-
тельности,
м3ˑПа/с
–8
1ˑ10
–10
1ˑ10
–6
1ˑ10
–7
1ˑ10
–2
1ˑ10
125
Метод
Принципиальные
Пробное
Предельный
Химический
Регистрация проникающих
Аммиак
1ˑ10
–9
2. Газогидравлические методы
Пузырьковый:
пены.
3. Гидравлические методы
Опрессовочный
Заполнение изделий жидко-
сти.
Вода, спирт,
1ˑ10–1
Продолжение табл. 8.1
Манометрический
а) опрессовка изделий в жидкостной
ванне
б) погружение изделий в нагретую
жидкость
в) вакуумножидкостный
г) опрессовка
с обмыливанием
основы метода
через течи веществ по эффекту химических реакций с
индикаторным покрытием.
Регистрация проникающих
через течи пробных веществ
по изменению общего давления в контролируемом
объеме или камере, в которой находится объект.
Изделие под давлением погружают в жидкостную
ванну.
Изделие, имеющее замкнутый объем, погружается в
нагретую жидкость.
Регистрация пузырьков
воздуха, выходящих через
неплотности из корпуса изделий в жидкость, над которой создается вакуум.
Регистрация пузырьков газа, выходящих через течи
из корпуса изделия, сварные швы которого покрываются слоем мыльной
вещество
Воздух
Газ: воздух,
азот; жидкость:
вода, спирт
Газ: воздух,
азот; жидкость:
вода, масло
Газ: воздух;
жидкость: уайтспирит, трансформаторное
или вакуумное
масло
Газы: воздух,
азот
порог чувстви-
тельности,
м3ˑПа/с
–5
1ˑ10
1,7ˑ10–6
–5
1,5ˑ10
–7
1,5ˑ10
–5
5ˑ10
стью под давлением и регистрация вытекающих через
течи канала струек жидко-
126
масло
Метод
Принципиальные
Пробное
Предельный
4. Гидравлические методы
Люминесцентный
Обследование изделия,
Люмоген
1ˑ10
–10
10
–14 10–11
10–8 10–5 10–2 Q, м3Па/c
Масс-спектрометрический метод
Электронно-захватный метод
Диффузионно-магниторазрядный метод
Галогенный метод
Инфракрасный метод
Манометрический метод
Катарометрический метод
Акустический метод
Пузырьковый метод
Окончание табл. 8.1
основы метода
вещество
порог чувстви-
тельности,
м3ˑПа/с
предварительно смоченного
в растворе люминофора, в
лучах ртутно-кварцевой
лампы и наблюдение светящихся точек в предполагаемых местах утечки жидкости, находящейся внутри
объекта под избыточным
давлением
На рис. 8.1 показаны области применения наиболее распространен-
ных методов контроля по диапазону контролируемых утечек пробного
вещества.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Рис. 8.1. Области применения основных методов контроля герметичности
127
Рассмотрим краткую характеристику основных методов контроля
герметичности.
Масс-спектрометрический метод находит широкое применение
в практике промышленных испытаний, что объясняется его высокой чувствительностью при всех видах вакуумных и атмосферных испытаний.
Метод основан на создании повышенного парциального давления пробного газа с одной стороны поверхности и отборе пробного вещества с другой
стороны для масс-спектрометрического анализа на присутствие молекул
пробного газа. Широкому распространению метода во многом способствуют масс-спектрометрические течеискатели, представляющие собой
высокочувствительные магнитные масс-спектрометры, настроенные на
регистрацию пробного вещества. Чувствительным элементом течеискателя служит магнитный анализатор, преобразующий утечку в электрический
аналоговый сигнал, усиливаемый усилителем.
Галогенный метод широко применяется в технике течеискания и ус-
пешно конкурирует с другими методами. Используется при контроле изделий больших объемов или систем с разветвленными трубопроводами.
Ему отдают предпочтение при контроле герметичности объектов, в которых галогеносодержащие вещества используются в качестве технологических (аэрозольные упаковки, кондиционеры, холодильники и пр.).
В качестве пробных галогеносодержащих веществ используются фреоны (хладоны), например фреон-12, фреон-22, которые представляют собой химически инертные и малотоксичные вещества. Широкому применению этого метода способствует серийный выпуск галогенных течеискателей – приборов, достаточно простых в эксплуатации и вместе с тем обладающих высокой чувствительностью. Чаще всего внутрь изделия вводят
галогеносодержащее пробное вещество, а снаружи вдоль предполагаемых
мест течей перемещают щуп, соединенный с течеискателем.
Катарометрический метод контроля герметичности основан на использовании зависимости теплопроводности газовой смеси от концентрации одного из ее компонентов (пробного вещества), теплопроводность которого значительно отличается от теплопроводности остальных компонентов. Сравнение теплопроводностей отдельных газов и воздуха показывает, что использование этого метода предпочтительно в тех случаях, ко-
128
гда в качестве пробных газов берут гелий либо водород. Для измерения
теплопроводности газовой смеси используется нагреваемый током проводник, помещенный в камеру, заполненную анализируемой смесью. При
постоянстве отдаваемой проводником теплоты теплопроводность газовой
смеси будет однозначно определять температуру проводника, а следовательно, и его сопротивление. На основе этой зависимости выполняются
катарометрические течеискатели.
Электронно-захватный метод основан на способности молекул не-
которых газов захватывать электроны, превращаясь при этом в электроотрицательные ионы. Это свойство веществ называют сродством к электрону, которое характеризуется энергией, выделяющейся при образовании
отрицательно заряженного иона. Так как различные газы обладают различной способностью к захвату электронов, то чувствительные элементы
течеискателей характеризуются избирательностью, например, к галогеносодержащим органическим соединениям. При соответствующем подборе
газа и потенциала, приложенного к камере, можно получить электроны
с любой средней энергией, вследствие чего электронно-захватные течеискатели будут селективно чувствительными к различным пробным газам.
Для обнаружения течей удобен вакуумметр-течеискатель, в котором используются фреон-12 и элегаз (SF6).
Манометрический метод применяют при контроле изделий и систем,
работающих под давлением. После опрессовки давление контрольного
вещества (газ или жидкость) снижают до испытательного и выдерживают
в течение установленного ТУ времени. Обычно значение испытательного
давления составляет 1,2–1,25 от рабочего давления. Например, оборудование, используемое в химическом машиностроении, считают герметичным, если падение давления за один час не превышает 0,1 % при токсичных и 0,2 % при взрывоопасных веществах. Падение давления измеряют
контрольным манометром шестого класса точности (более 0,01 МПа).
Пузырьковый метод используется при контроле замкнутых и откры-
тых изделий. Контрольным веществом служит воздух или азот. Индикацию течи проводят с помощью пенообразующих веществ. Контроль осуществляют опрессовкой сжатым воздухом с обмазкой пенообразующим
129
веществом. Пенными эмульсиями на основе глицерина можно пользоваться как в летнее, так и в зимнее время в диапазоне температур от –50
до +30 оС. Пенистую массу приготовляют из расчета 1 кг мыльного порошка на 10 м3 дистиллированного глицерина. Пенообразующие вещества
наносят на поверхность изделия с помощью кисти или пистолета-пеногенератора, применение которого позволяет наносить пену шириной 25–
30 мм со скоростью до 10 м/мин. Места течей определяют по появлению
пузырьков пенообразующего вещества.
Химический метод используют для контроля герметичности емкостей, элементов гидравлических и газовых систем, работающих под давлением. В основе метода лежит химическое взаимодействие аммиака NH3
или других газов с индикаторными веществами, которые в результате реакции меняют свою окраску. В качестве контрольного газа обычно используют смесь аммиака с воздухом или азотом, иногда – сероводород,
этилен или пропилен. Для индикации течей применяют вещества, которые
растворяют в воде, глицерине или спирте и пропитывают ими фильтровальную бумагу либо светлую ткань. Наиболее распространенными индикаторными веществами являются фенолфталеин и нитрат ртути. При испытаниях изделия заполняют контрольным газом до испытательного давления, укладывают на контролируемые участки ленту, пропитанную индикаторным веществом, и выдерживают ее в течение определенного времени. Оптимальное время выдержки составляет 15–20 минут.
130