Дипломы-2 / ВЗД-172 / Документы / Производство / ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

ВТСНТ – 2013

его наполнении возрастают. Этот случай наблюдали, в частности, при наполнении эпоксидных смол.

Из приведенного примера ясно, что аналитические методы изучения внутренних напряжений в полимерных покрытиях позволяют не только определить величину в,т, но и выявить параметры, обусловливающие данную величину напряжений, а отсюда наметить правильные пути создания покрытий с возможно малыми внутренними напряжениями.

Поскольку в подавляющем большинстве случаев нагрев и охлаждение технологических аппаратов протекает быстро, для расчетов использовали формулу

(3), приняв = 0,35, и считая модуль упругости постоянным в диапазоне температур

20…120оС.

Результаты оценочного расчета сведены в таблицу 1. Значения α1, α2, Еi принимали по данным справочной литературы [2 - 5].

Примечания:

1.В качестве покрытий использованы полимерные композиции с графитовым наполнителем (50%масс.);

2.Для отверждения эпоксидной композиции использовали аминофенольный отвердитель АФ-2 в количестве 10%масс.

Оценка напряжений под действием факторов, имеющих место в процессе формирования покрытий

Одной из причин возникновения внутренних напряжений в покрытии является усадка покрытия в процессе формования и эксплуатации. При получении покрытий усадка может возникать за счет испарения растворителя, протекания химических реакций (полимеризации, поликонденсации и др.), надмолекулярного структурирования.

Таблица 1

Напряжения в полимерных покрытиях, нанесенных на поверхность плоских образцов из углеродистой стали (α2·= 10,5·106, 1/град) под

действием перепада температур 80оС

Если покрытие имеет достаточную адгезию к изделию, то усадка в нем свободно развиваться не может, поэтому в зависимости от знака усадки (сжатие или растяжение) покрытие окажется сжатым или растянутым. При быстрой сушке напряжение усадки достигает максимального значения и описывается уравнением

219

Секция 5. Проблемы надежности машиностроения и машиностроительные технологии.

r

1

где Δε - относительная усадка покрытия;

α- коэффициент линейной усадки;

w -уменьшение концентрации растворителя;

Е1 – среднее значение модуля упругости в диапазоне температур сушки. Значения σr , рассчитанные для выбранных композиций,приведены в таблице 2.

Величина напряжений за счет испарения растворителей может достигать высоких значений в случае быстрой сушки. Однако на практике стараются избегать применения композиций, содержащих растворители. Но если все же возникает необходимость сделать ремонтную композицию более жидкотекучей, процесс сушки ведут довольно медленно, по ступенчатому режиму, чтобы избежать не только появления дополнительных напряжений, но и увеличения пористости покрытия.

Список литературы

1.Санжаровский А. Т. Физико-механические свойства полимерных и лакокрасочных покрытий.- М.: Химия, 1975.- 264 с.

2.Анурьев В. И. Справочник конструктора - машиностроителя. - М.: Машиностроение, 1979. - В 3-х томах.

3.Владимирский В. Н., Денкер И. И. Энциклопедия полимеров. - М.: Советская энциклопедия, 1977. - Т. 3. – С. 101-102.

4.Кацнельсон М. Ю., Балаев Г. А. Пластические массы: Свойства и применение: Справочник .-3-е изд., перераб. - Л.:Химия, 1978.-384с.

5.Рейбман А. И. Защитные лакокрасочные покрытия. - 5-е изд., перераб. и

доп. - Л.: Химия, 1982. - 320 с.

220

ВТСНТ – 2013

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ МАЛОРАЗМЕРНЫХ ОБРАЗЦОВ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ6

О.К. Кичуткина, студент гр.4БМ11 Научный руководитель: Е.Е. Дерюгин, д.ф.-м.н., проф.

Национальный исследовательский Томский политехнический университет 634050, г. Томск, пр. Ленина 30

тел.:(3822)564-114

E-mail: olya_kichutkina@mail.ru

1.Введение

Стандартные испытания материалов на трещиностойкость проводятся, как

правило, с использованием массивных образцов толщиной не менее 10 мм. Однако удобнее использовать для этой цели малоразмерные образцы с существенно меньшей толщиной, которые не требуют большого количества материала и испытательных машин большой мощности. В связи с этим существует проблема определения характеристик трещиностойкости малоразмерных образцов. Как правило, при этом используют образцы с шевронным надрезом [1-3]. В образцах с такой конфигурацией не требуется предварительно наводить усталостную трещину.

В данной работе по новой методике, разработанной в лаборатории физической мезомеханики Института физики прочности и материаловедения СО РАН (ИФПМ СО РАН), исследована трещиностойкость титанового сплава ВТ6 при испытании малоразмерных образцов с шевронным надрезом.

2. Методика исследования и материалы

Материалом исследования был выбран сплав на основе поликристаллического титана ВТ6 со средним размером зёрен d = 8 мкм [4]. Испытания проводили на машине растяжения типа ИМАШ. Образцы длиной 18 мм были изготовлены из прутков сечением 6х6 мм2. Для данного материала получены диаграммы «Р » (внешняя нагрузка – смещение точек приложения нагрузки) при скорости движения захватов машины v = 2,0 мкм/с. Длину трещины l определяли по снимкам боковой поверхности образца с помощью фотокамеры высокого разрешения PENTAX K-5.

На рис. 1 приведена схема образца с шевронным надрезом и следующими геометрическими характеристиками: а = 6 мм, b = 1,9 мм, l0 = 8 мм, = 60º.

При определении условия нестабильного распространения трещины целесообразен энергетический подход. Суть энергетического критерия разрушения можно сформулировать следующим образом: рост трещины может иметь место в том случае, если система может выделить энергию, необходимую для начала распространения трещины на элементарное расстояние dl. Энергия, необходимая для роста трещины, появляется исключительно за счёт энергии упругой деформации, возникающей в объёме материала под действием внешней приложенной силы.

221

Секция 5. Проблемы надежности машиностроения и машиностроительные технологии.

Рис. 1. Схема образца с шевронным надрезом.

В лаборатории физической мезомеханики ИФПМ СО РАН, на основе подходов линейной механики разрушения [5-7] получена формула для расчета удельной энергии для малоразмерных образцов с шевронным надрезом:

где e – упругое смещение точек приложения нагрузки, обусловленное изменением

податливости образца в процессе распространения трещины, Е – модуль Юнга.

В ходе теоретических расчётов с применением методов теории упругости и сопромата было получено следующее выражение для величины e :

где Р – внешняя приложенная к образцу нагрузка.

Расчет модуля Юнга проводили по формуле, выведенной для случая растяжения образца с шевронным надрезом:

где М = P/λ характеризует жёсткость образца на этапе упругого нагружения.

В качестве критерия трещиностойкости в инженерной механике разрушения для трещины отрыва используется, как правило, коэффициент интенсивности напряжений, который связан с удельной энергией разрушения формулой:

KIc EG / (1 н2),

где коэффициент Пуассона.

3.Результаты

На рис. 2 приведена диаграмма нагружения высокопрочного сплава ВТ6.

222

ВТСНТ – 2013

Рис. 2. Диаграмма нагружения сплава ВТ6.

На данной диаграмме наблюдаются три стадии: стадия формирования трещины при возрастающей внешней приложенной нагрузке, стадия, на которой развитие трещины происходит при слабо меняющейся нагрузке и стадия катастрофического разрушения, в процессе которого происходит падение внешней нагрузки. Начало зарождения и распространения трещины происходит задолго до того, как внешняя нагрузка достигнет максимума. Прерывистый характер диаграммы говорит о том, что на всех этапах нагружения трещина увеличивает длину скачкообразно.

В ходе работы по формуле (1) были рассчитаны характеристики трещиностойкости сплава ВТ6 на всех этапах нагружения (рис. 3).

Рис. 3. Зависимости характеристик трещиностойкости сплава ВТ6 от смещения точек приложения нагрузки: 1 – удельная энергия разрушения, 2 – отношение λр/λе.

Из рис. 3 видно, что с момента достижения максимальной нагрузки происходит двухстадийное уменьшение удельной энергии разрушения. Резкое уменьшение довольно быстро замедляется и далее происходит монотонное уменьшение величины G (кривая 1). Вклад пластической деформации λр = λ – λе в общее смещение точек приложения нагрузки λ непрерывно возрастает и выходит на насыщение (кривая 2).

223

Секция 5. Проблемы надежности машиностроения и машиностроительные технологии.

Расчёты показывают, что на пике нагрузки значение G = Gs = 27 кДж/м2 максимально и, следовательно, может служить критерием трещиностойкости исследуемых материалов при заданных геометрических параметрах и условий нагружения образцов. Сравнение величин λр и λе показывает, что для данного сплава вклад пластической деформации в смещение точек приложения нагрузки соизмерим со вкладом λе, обусловленным увеличением длины трещины.

4.Заключение

Сиспользованием новой методики исследована трещиностойкость сплава ВТ6 по данным испытаний малоразмерных образцов с шевронным надрезом. Данная методика позволила выделить вклад пластической деформации в смещения точек приложения нагрузки, не связанный с изменением податливости образца в процессе распространения трещины. Показано, что, помимо удельной энергии разрушения G, отношение λр/λе является важной характеристикой трещиностойкости материала. Для более полной аттестации материала на трещиностойкость необходимо исследовать характеристики трещиностойкости на всех этапах нагружения образца.

Список литературы

1.Wang C.T., Pillar R.M. Short-rod elastic-plastic fracture toughness test using miniature specimens // J. Mater. Sci. – 1989. – No 24. – P. 2391-2400.

2.Grant T.J., Weber L., Mortensen A. Plasticity in Chevron-notch fracture toughness testing. – 2000. – No. 67. – P. 263-276.

3.Дроздовский Б.А., Полищук Т.В., Волков В.П. Шевронный надрез как средство уменьшения толщины образца при определении величины КIc // Заводская лаборатория. – 1987. - № 6. – С. 74-76.

4.Титановые сплавы. Состав, структура, свойства: Справочник / Ильин A.A.,

Колачёв Б.A, Полькин И.С. – М.: ВИЛС - MATI. 2009. – 520 с.

5.Броек Д. Основы механики разрушения. – М: Высшая школа. 1980.

6.Hernzberg R.W. Deformation and Fracture Me-chanics of Engineering materials. – 1983. –Toronto, NY: John Wiley and Sons.

7.Подскребко М.Д. Сопротивление материалов. – Минск: Вышэйшая школа, 2007. – 775 с.

ГИДРОУДАРНЫЕ БУРОВЫЕ МАШИНЫ.

Коровкин П.В., студент группы 2Е01 Научный руководитель: Пашков Е.Н.

Национальный исследовательский Томский политехнический университет, 634050, Россия, г. Томск, пр. Ленина, 30

Забойные гидроударные буровые машины. Общие сведения.

Гидроударные машины имеют широкую область распространения в буровом деле. Обобщенно хорошо апробированные участки использования гидроударников можно представить в виде схемы (рис.1). Обширный диапазон примененият гидроударных машин обусловлен тем, что такие механизмы являются одним из

224

ВТСНТ – 2013

основных источников роста всех производственно-технических показателей бурения.

Наиболее часто гидроударники используются как вспомогательное звено, способствующее более интенсивному разрушению горных пород на забое – гидроударники для ударно-вращательного и вращательно-ударного бурения.

Кроме того, гидроударники могут использоваться как самостоятельные машины, являясь главным техническим элементом в процессе проходки скважин – гидроударники для ликвидации аварий в скважинах и для ударно вибрационного бурения скважин в неплотных породах.

Рис. 1. Гидроимпульсный силовой механизм.

Основной отличительной особенностью ударно-вращательного способа бурения является возможность реализации на забое суммарного воздействия ударных импульсов, осевого давления и крутящего момента. Это обеспечивает снижение энергоемкости процесса разрушения пород и, как следствие - повышенную эффективность проходки скважин при пересечении, прежде всего, крепких пород.

Так, например, гидроударное бурение (ударно-вращательное или вращательно-ударное) коронками диаметром 76 мм обеспечивает увеличение механической скорости в 1,8…2,0 раза, повышение проходки за рейс в 1,5 раза и рост коммерческой скорости в 1,6 раза по сравнению с существующими способами бурения твердосплавными и алмазными коронками того же диаметра.

Одним из направлений повышения производительности бурения разведочноэксплуатационных скважин на нефть и газ также может стать использование ударно-вращательного способа бурения взамен вращательного. Одной из предпосылок такого вывода являются исследования, которые проведены в НПО «Буровой техники» (ВНИИБТ). Основной вывод этих исследований состоит в том, что применение, например, таких гидроударников, как ВВО-5А,ВВО-145, ВВО-170 и др. при ударно-вращательном способе бурения по песчаникам, известнякам и

225

Секция 5. Проблемы надежности машиностроения и машиностроительные технологии.

твердым сланцам обеспечивает увеличение механической скорости бурения в 1,3- 1,8 по сравнению с вращательным бурением в аналогичных условиях. Одновременно наблюдается рост проходки на долото на 25-30%. Учитывая, что стоимость долота составляет, в среднем 5-7 тыс. грн., имеет место существенная экономия по материалам. Т.е., в общем случае, имеет место повышение тех параметров, которые определяют экономичность способа бурения скважин.

Практика показывает, что гидроударники, наряду с использованием для бурения разведочных скважин, могут успешно применяться и в других отраслях промышленности, а также на вспомогательных работах.

Имеется положительный опыт использования гидроударников для бурения скважин из подземных горных выработок. В отечественной и зарубежной практике морского бурового производства гидроударные машины по существу являются единственной технической базой реализации ударно-вибрационного однорейсового бурения подводных скважин на глубину до 10 м и более с вероятностью пересечения тяжелых грунтов.

Несомненный интерес представляет также возможность использования гидроударных машин для ликвидации и предупреждения прихватов бурового снаряда. Широко известно, что при наложении вибраций уменьшается коэффициент трения между контактирующими элементами (между наружной поверхностью бурового снаряда и расклинивающими его частицами породы), что способствует извлечению прихваченного в скважине инструмента.

Разнообразные условия применения, а также сложность рабочих процессов в гидроударных машинах, взаимосвязанных с процессами в подводящем трубопроводе (колонне бурильных труб) и в скважине, обусловили большое разнообразие технических схем и особенностей конструкции гидроударных машин.

В общем случае, гидроударники представляют собой импульсную систему со свободно движущимся поршнем-бойком, перемещающимся между наковальней и верхним ограничителем, который может быть как жестким, так и упругим. В зависимости от направленности гидравлического воздействия на поршень гидроударники можно разделить на две основные группы:

1.Гидроударники одинарного действия с одной рабочей полостью цилиндра, у которых один ход бойка совершается под действием промывочной жидкости, другой – за счет силы пружины или собственного веса бойка;

2.Гидроударники двойного действия, с двумя рабочими полостями цилиндра,

укоторых возвратно-поступательное движение бойка обеспечивается энергией потока жидкости без участия пружин.

Приведенное разделение гидроударников является весьма обобщенным. Так, в группе машин одинарного действия в зависимости от способа совершения активного хода бойка выделены механизмы прямого и обратного действия.

Гидроударники прямого действия (рис.2,а) характеризуются тем, что в них эффективная энергия от источника (бурового насоса) отбирается на рабочем ходе. При этом часть ее передается бойку, а часть накапливается в пружине,за счет которой обеспечивается холостой ход.

Гидроударники обратного действия характеризуются тем, что в них энергия потока отбирается на холостом ходе бойка и накапливается, в основном, в пружине (упругом элементе) в виде потенциальной энергии сжатия (рис.2,б). Разгон бойка и удар его по наковальне осуществляется под действием веса бойка и энергии упругого элемента. Подъем (взвод бойка с одновременным сжатием силовых

226

ВТСНТ – 2013

пружин) – под действием давления жидкости, поступление которой в рабочую полость цилиндра регулируется распределительным устройством (РУ).

Гидроударники двойного действия по исполнению гидродвигателя и характеру рабочего процесса разделяются на два основных вида.

К первому виду можно отнести гидроударники, у которых имеются две рабочие полости цилиндра (рис.2,в), контролируемые водораспределительными устройствами.

Ко второму - гидроударники со ступенчатым (дифференциальным) поршнем, разделяющим цилиндр на две камеры, из которых только одна контролируется водораспределительным устройством (рис.2,г).

Рис. 2. Схемы гидроударных механизмов.

В работе проведен обзор гидроударных механизмов. Показаны основные особенности различных типов таких механизмов. Выявлено, что в ряде случаев в качестве рабочего тела в такого рода механизмах может использоваться промывочная жидкость. Большое разнообразие применяемых конструкций гидроударных механизмов обусловлено различными условиями их эксплуатации.

Список литературы

1.Мартюшев Н.В. Программные средства для автоматического металлографического анализа // Современные проблемы науки и образования. - 2012 - №. 5 - C. 1-6. - Режим доступа: http://www.science-education.ru/105-r6745

2.Пашков Е.Н., Мартюшев Н.В., Кузнецов И.В. Исследование эффективности балансировки жидкостным автобалансирующими устройствами // Современные проблемы науки и образования – 2013. – № 1. – с. 2-10. – Режим доступа: http://www.science-education.ru/107-7919

3. Пашков Е.Н., Мартюшев Н.В., Кузнецов И.В. Влияние эллипсности и эксцентриситета резервуара на точность автоматической балансировки // Современные проблемы науки и образования – 2013. – № 2. – с. 8-13. – Режим доступа: http://www.science-education.ru/108-8472

4. Пашков Е.Н., Мартюшев Н.В., Зиякаев Г.Р., Кузнецов И.В. Стационарное вращение неуравновешенного ротора, частично заполненного жидкостью при действии сил внешнего трения // Современные проблемы науки и образования – 2012. – № 6. – с. 102-107. – Режим доступа: http://www.science-education.ru/106-7825

227

Секция 5. Проблемы надежности машиностроения и машиностроительные технологии.

АНАЛИЗ АВАРИЙНОЙ СИТУАЦИИ РАЗРЫВ ГЛАВНОГО ЦИРКУЛЯЦИОННОГО ТРУБОПРОВОДА ДИАМЕТРОМ 500 ММ НА ТРЕТЬЕМ ЭНЕРГОБЛОКЕ КОЛЬСКОЙ АЭС.

И.И. Коростелева, студент гр. 5БМ1А Томский политехнический университет, 634050, г.Томск, пр.Ленина,30,

тел.(952)881-3743

E-mail: korosteleva1990@yandex.ru

Стратегия развития топливно-энергетического комплекса России в первой половине XXI века предусматривает увеличение доли атомной энергетики в структуре генерирующих мощностей. В период 2010–2020 годов планируется ежегодный ввод в эксплуатацию АЭС суммарной установленной мощностью до 2000 МВт. Большая часть вводимых АЭС будет оснащена реакторами типа ВВЭР (водо-водяной энергетический реактор).

Анализ программных документов Правительства России по развитию атомной энергетики показывает, что в ближайший период необходимо решить задачу выбора и обоснования конфигураций новых проектов АЭС с ВВЭР, прежде всего, определения технических решений и мер повышающих безопасность новых проектов.

Одними из требований по обеспечению безопасности являются «Правила обеспечения водородной взрывозащиты на атомной станции» [1]. Они устанавливают основные принципы взрывозащиты и требования к взрывозащите, реализуемые при проектировании и эксплуатации с целью предупреждения и ослабления проектных и запроектных аварий (ЗПА), сопровождающихся взрывом водородсодержащих смесей.

Всвязи с этим на Кольской АЭС возникает необходимость провести анализ возможных аварийных ситуаций с образованием больших концентраций водорода в герметичных помещениях (ГП), для установления соответствия современным нормам по обеспечению водородной взрывозащиты.

Основными источниками водорода на внутрикорпусной стадии аварии являются пароциркониевая и паростальная реакции, возникающие вследствие взаимодействия элементов (фрагментов) активной зоны и внутрикорпусных устройств с теплоносителем. При этом различные сценарии аварий отличаются скоростями и количеством выхода водорода.

Вданной работе представлены результаты расчете сценария аварии «разрыв главного циркуляционного трубопровода у входного патрубка эквивалентным диаметром 500 мм с двухсторонним истечением теплоносителя» на третьем энергоблоке Кольской АЭС [2]. Моделирование сценариев аварий необходимо для разработки методов управления водородной ситуацией.

Расчет производится с помощью интегрального кода СОКРАТ [3], который включает в себя: код РАТЕГ, предназначенный для моделирования теплогидравлических процессов в реакторной установке (РУ) ВВЭР, программный пакет СВЕЧА – для моделирования процессов разрушения активной зоны при тяжелых ЗПА, код ГЕФЕСТ, предназначенный для моделирования теплофизических явлений в расплаве активной зоны и внутрикорпусных устройств, код КУПОЛ-М – для расчета термодинамических параметров среды в объёме защитной оболочки АЭС с ВВЭР при авариях с потерей теплоносителя.

228