CC BY
7
УДК 620.179.17
Диагностирование параметров работоспособности стеклонитей силовой оболочки металлокомпозитных баллонов высокого давления
Ключевые слова:
газовая транспортная энергетика, металлоком-позитные баллоны высокого давления, акустическая эмиссия.
С.В. Гразион1, М.Н. Ерофеев2*, В.В. Спирягин3, М.В. Мукомела4
1 АО «Корпорация «МИТ», Российская Федерация, 127273, г. Москва, Березовая аллея, д. 10
2 Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, Российская Федерация, 101000, г. Москва, Малый Харитоньевский пер., д. 4
3 Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)», Российская Федерация, 125993, г. Москва, Волоколамское ш., д. 4
4 Военная академия РВСН им. Петра Великого, Российская Федерация, 143900, Московская обл., г. Балашиха, ул. Карбышева, д. 8
* E-mail: erofeevmn@imash.ru
Тезисы. В статье приводятся сведения о результатах исследования параметров сигналов акустической эмиссии при разрушении стеклонитей силовой оболочки металлокомпозитного баллона высокого давления Б-200 в рамках комплекса исследований по созданию акустико-эмиссионного портрета металлокомпозитных баллонов высокого давления. Установлено, что признаком разрушения стеклонитей является излучение сигналов акустической эмиссии средней амплитудой 60...80 дБ и активностью до нескольких сотен импульсов в секунду.
Массовый переход автомобильного транспорта на газовое топливо, предлагаемый в конце ХХ в. в качестве стратегической перспективы развития СССР, до сих пор остается одной из актуальных инициатив. Во-первых, наша страна обладает наибольшими разведанными запасами природного газа. Во-вторых, газ - экологически более чистое топливо по сравнению с бензином.
Однако применение газового топлива связано с рядом проблем. Главная из них -обеспечение безопасности при хранении и транспортировке газа. В соответствии с принятыми нормами запрещено использовать в промышленных масштабах газ тяжелее воздуха (бутан и др.), который, например, используется в зажигалках и сжижается при небольших давлениях. Утечка такого газа может привести к его скоплению в помещениях, ремонтных ямах, тоннелях и в результате - к объемному взрыву. Поэтому используется только газ, который легче воздуха, а для его сжижения необходимы высокие давления.
Автомобильные баллоны проектируются в расчете на давление 150...250 ат (15...25 МПа), а с учетом коэффициента запаса, очень высокого для сосудов давления, они должны выдерживать до 600 ат (60 МПа). В связи с этим массовое использование сосудов высокого давления в автомобильной технике может привести к опасным и даже катастрофическим последствиям. Если представить себе осколок, который разгоняется в стволе давлением в 600 ат, то на выходе из ствола длиной, соответствующей расстоянию, на котором давление снизится до атмосферного, осколок приобретет скорость, сравнимую со скоростью полета пули. При огневых, полигонных испытаниях осколки стального баллона разлетались на 400 м. Это основная причина эффективности использования в газовой транспортной энергетике ме-таллокомпозитных баллонов высокого давления (МКБВД), так как при разрушении стеклопластикового баллона реализуется «безопасное», безосколочное, разрушение.
Физико-механические свойства кремнеземной нити марки К11С6-180
Линейная плотность, текс Крутка, кр/м Разрывная нагрузка, Н (кгс), не менее
180 ± 14 150 ± 15 38,4 (4)
Однако, несмотря на значительное количество публикаций, посвященных прогнозированию предразрушающего состояния сосудов высокого давления [1-3], особенности разрушения компонентов МКВБД остаются недостаточно изученными.
В рамках комплекса исследований по созданию акустико-эмиссионного портрета МКБВД путем изучения параметров сигналов акустической эмиссии (АЭ), возникающих при разрушении лейнера и компонентов силовой оболочки, исследованы параметры сигналов АЭ при разрушении стеклонитей. Стеклонити, или наполнитель, являются одним из основных компонентов стеклопластиковой намотки. Основное назначение наполнителя - воспринимать прилагаемые нагрузки. При разрушении наполнителя будет возникать АЭ с определенными параметрами сигналов. Для исследования была взята нить кремнеземная марки К11С6-180 (таблица) по ТУ 23.14.11-24118087444-2018. Для разрушения нитей с контролем параметров сигналов АЭ была создана специальная испытательная установка (рис. 1).
Основная трудность при создании экспериментальной установки заключалась в обеспечении акустического контакта объекта исследования, в нашем случае кремнеземной нити, с ПАЭ. Для этого были изготовлены и исследованы захваты-волноводы (см. рис. 1) [4]. Под волноводом в широком смысле понимается1 искусственный или естественный канал, способный поддерживать распространяющиеся вдоль него волны, поля которых сосредоточены внутри канала или в примыкающей к нему области.
Подготовленные захваты-волноводы
состояли из двух пластин и четырех винтов. Рабочая пластина волновода размером 115^65x3 мм изготавливалась из слабомагнитной нержавеющей стали с учетом возможности установки на нее ПАЭ ДР15И, ДР6И или GT200 (полоса пропускания - 130...200 кГц, рабочая частота - 165 кГц), GT205 (полоса пропускания - 40.100 кГц, рабочая частота -50 кГц) с использованием магнитных прижимов. Вторая пластина выполнялась из материала с большим коэффициентом затухания и предназначалась для прижима нити к рабочей пластине. Сильное затухание акустических
Рис. 1. Внешний вид экспериментальной установки:
1 - нагружающее устройство; 2 - акустико-эмиссионная система ЦЫ^СОРЕ; 3 - объект исследования; 4 - преобразователи акустической эмиссии (ПАЭ) GT200 и GT205 типов; 5 - захваты-волноводы
м 100
I
Я
X &
СП
90
80
70
GT200 GT205
10 20 30 40 50 Расстояние, см
Рис. 2. Кривые затухания сигнала АЭ
сигналов в прижимной пластине обеспечивало в процессе испытания значительное снижение реверберационной составляющей при прохождении сигнала.
Отрезки исследуемой кремнеземной нити длиной 70 мм перед испытанием проклеивались по концам клеем БФ в соответствии с ГОСТ 6943.10-201 52. Проклеенные концы нитей вставлялись между пластинами так, чтобы длины выступающих концов составляли 2.3 см, и зажимались винтами. На зажим-волновод через акустопрозрачную смазку устанавливались ПАЭ. Один зажим-волновод крепился к неподвижной опоре, второй - к нагружающему устройству. Далее нити натягивались с усилием порядка 2.2,5 кгс, и проводилась имитация сигналов АЭ с целью оценки затухания сигналов перед испытаниями на разрушение.
1 См.: Сталь сортовая и калиброванная
коррозионностойкая, жаростойкая и жаропрочная. Технические условия: ГОСТ 5949-75.
См.: Материалы текстильные стеклянные. Метод определения разрывной нагрузки и удлинения при разрыве: ГОСТ 6943.10-2015.
0
32776
< Я
й
а ^
о
н
<
й г?
о
н
-13788
-27576
2 500000 |
Р 400000
300000
5 200000
О
Е
о
100000 0
5 500000
I
« 400000
а
и К
300000
200000
100000
50,75 101,50 152,25
203,00 253,75 Время, мкс
ОТ200
ОТ205
100
200
300
400 500 Частота, кГц
Рис. 3. Осциллограммы (слева) и АЧХ (справа) при имитации сигналов на захвате-волноводе для GT205 и GT200
Сигналы имитировались на волноводе с ПАЭ на нити на расстояниях 10, 20, 30, 40, 50 см от захвата волновода с применением имитатора Су-Нильсена. Перед имитацией сигнала на нити под нее возле точки имитации устанавливалась жесткая опора, чтобы исключить колебания нити, как струны. В результате построена кривая затухания акустических сигналов (рис. 2). Расстояние «0» соответствует амплитуде сигналов при имитации на захвате-волноводе с ПАЭ.
Полученные кривые затухания свидетельствуют, что:
• затухание сигналов при переходе с нити на волновод составляет порядка 12 дБ для ПАЭ GT205 и 14 дБ для ПАЭ GT200;
• затухание сигналов при распространении в нити составляет порядка 15 дБ/м для ПАЭ GT205 и 13 дБ/м для ПАЭ GT200.
Сравнение осциллограмм и амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) при имитации сигналов на захвате-волноводе и на нити (рис. 3, 4) показывает отсутствие искажения регистрируемых сигналов при переходе с нити на волновод для ПАЭ GT205 и GT200. С использованием описанной выше экспериментальной установки (см. рис. 1) исследованы параметры сигналов АЭ, возникающих при разрушении нитей. Нити нагружались до разрушения с одновременной регистрацией сигналов АЭ с использованием ПАЭ GT205 и GT200. Динамика изменения активности и средней
0
0
0
6718
л -
л а
3
й &
о
4
О
3359
-3359
-6718 С 2286
а -
§
13 1143
й &
о
я э
о
о
-1143
-2286
1/02 86дБ: 7911]б мкВ
0
50,75 101,50 152,25
2 74430 6 58744
44058
£ 29372
о к н о
14686 Ч
0
74430
я
^ 58744
44058
29372
о к н о
ч =
14686
203,00 253,75 Время, мкс
100 200 300 400 500 Частота, кГц
GT200
GT205
Рис. 4. Осциллограммы (слева) и АЧХ (справа) при имитации сигналов на захвате-волноводе для GT205 и GT200
амплитуды при разрушении кремнеземной нити представлена на рис. 5.
Разрушение происходило путем последовательного разрушения отдельных практически одинаковых по объему групп элементарных нитей в течение примерно 4 с (суммарно 21.24 с) и сопровождалось низким значением активности в несколько десятков импульсов в секунду и амплитудой порядка 60 дБ. Дорыв образца произошел с разрушением большего количества нитей за раз, что сопровождалось значениями активности в несколько сотен импульсов в секунду и амплитудой до 80 дБ. Число зарегистрированных импульсов свидетельствует о масштабах разрушения нитей.
При анализе АЧХ разрыва нитей, снятых ПАЭ GT205 и GT200 (рис. 6), установлено, что энергия, выделяемая в низкочастотном спектре, сосредоточена в частотном диапазоне 50.120 кГц, а в высокочастотном спектре сосредоточена в диапазоне 140.300 кГц, при этом в диапазоне 50.120 кГц выделяется практически в 2,5.3 раза больше энергии.
На основании проведенных исследований целесообразно заключить следующее:
• применение МКБВД в объектах газовой транспортной энергетики является перспективной задачей, решение которой позволит повысить безопасную эксплуатацию ввиду снижения риска катастрофических последствий при разрушении МКБВД;
0
0
0
0
— ОТ200 — ОТ205
Рис. 5. Графики изменения активности и средней амплитуды АЭ при разрушении нити при использовании ПАЭ GT205 и ПАЭ GT200
• установлена возможность оценки пред-разрушающего состояния МКБВД, а признаком разрушения стеклянных волокон является излучение сигналов АЭ со средней амплитудой 60.80 дБ и активностью от нескольких
десятков до нескольких сотен импульсов в секунду;
• для регистрации сигналов АЭ, возникающих при разрушении кремнеземных нитей, целесообразно использовать ПАЭ типа
100
200
300
ОТ200
ОТ205
400 500
Частота, кГц
Рис. 6. АЧХ при разрыве нитей ПАЭ GT205 и ПАЭ GT200
GT205 или ДР6И с диапазоном рабочих частот 40.80 кГц.
Полученный акустико-эмиссионный портрет стеклонитей силовой оболочки является неотъемлемой частью разработки программы
технического диагностирования МКБВД и будет использован в ходе дальнейшей разработки критерия оценки степени опасности источников АЭ.
Список литературы
1. Плотникова Г.В. Взрывы газовых баллонов, причины и последствия / Г.В. Плотникова, Д.А. Бодров // Вестник Восточно-Сибирского института Министерства внутренних дел России. - 2013. - № 1 (64). - С. 70-78.
2. Черепанов А.П. Метод прогнозирования ресурса сосудов и аппаратов по коррозионному износу, степени опасности и объемам технического диагностирования: автореф. дис. ... д-ра тех. наук, специальность 05.02.13 / А.П. Черепанов. - Ангарск, 2013. -39 с.
3. Буйло С.И. Физико-механические, статистические и химические аспекты акустико-эмиссионной диагностики: монография / С. И. Буйло. - Ростов-на-Дону: Таганрог: Южный федеральный университет, 2017. - 184 с.
4. Гразион С.В. Экспериментальная оценка влияния волновода на параметры сигналов акустической эмиссии при контроле объектов с большим радиусом кривизны поверхности / С.В. Гразион, М.В. Мукомела, М.Н. Ерофеев и др. // Проблемы машиностроения и автоматизации. - 2020. -№ 3. - С. 11-20.
0
Diagnosing performance parameters for glass filaments within a load-bearing shell of a metal-composite high-pressure cylinder
S.V. Grazion1, M.N. Erofeev2*, V.V. Spiryagin3, M.V. Mukomela4
1 JSC "Corporation" MIT", Bld. 10, Berezovaya Alleya, Moscow, 127273, Russian Federation
2 Mechanical Engineering Research Institute of the Russian Academy of Sciences, Bld. 4, Malyy Kharitonyevskiy pereulok, Moscow, 101000, Russian Federation
3 Moscow Aviation Institute (national research university), Bld. 4, Volokolamskoye shosse, Moscow, 125993, Russian Federation
4 Military Academy of Strategic Missile Forces named after Peter the Great, Bld. 8, Karbysheva street, Balashikha, Moscow region, 143900, Russian Federation
* E-mail: erofeevmn@imash.ru
Abstract. The article provides information on the results of studying the parameters of acoustic emission signals during the destruction of the glass filaments of a load-bearing shell of a metal-composite high-pressure cylinder B-200 within the framework of a set of studies to create an acoustic-emission portrait of metal-composite high-pressure cylinders. It has been established that a sign of the glass fiber destruction is the emission of acoustic signals with an average amplitude of 60.. .80 dB and the activity of up to several hundreds pulses per second.
Keywords: gas transport power engineering, metal-composite high-pressure cylinders, acoustic emission.
References
1. PLOTNIKOVA, G.V., D.A. BODROV Explosions of gas cylinders, reasons and consequences [Vzryvy gazovykh ballonov, prichiny i posledstviya]. Bulletin of the East Siberian Institute of the Ministry of Internal Affairs of Russia, 2013, no. 1 (64), pp. 70-78, ISSN 2312-3184. (Russ.).
2. CHEREPANOV, A P. Method for predicting the resource of vessels and apparatus for corrosive wear, the degree of danger and volumes of technical diagnostics [Metod prognozirovaniya resursa sosudov i apparatov po korrozionnomu iznosu, stepeni opasnosti i obyemam tekhnicheskogo diagnostirovaniya]: synopsys of Doctor's thesis (engineering). Angarsk, 2013. (Russ.).
3. BUYLO, S.I. Physical-and-mechanical, statistical and chemical aspects ofacoustic emission diagnostics [Fiziko-mekhanicheskiye i khimicheskiye aspekty akustiko-emissionnoy diagnostiki]. Rostov-on-Don: Taganrog: Southern Federal University, 2017. (Russ.).
4. GRAZION S.V., M.V. MUKOMELA, M.N. EROFEYEV, et al. Experimental assessment of effect of a waveguide on the parameters of acoustic emission signals when monitoring objects with a large surface curvature radius [Eksperimentalnaya otsenka vliyaniya volnovoda na parametry signalov akusticheskoy emissii pri kontrole obyektov s bolshim radiusom krivizny poverkhnosti]. Problemy Mashinostroyeniya i Avtomatizatsii, 2020, no. 3, pp. 11-20, ISSN 0234-6206. (Russ.).
