CC BY
56
Lugovoy Evgeny Vladimirovich
Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.
E-mail: [email protected].
44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia.
Phone: +7604695926; +78634371940.
Serba Pavel Victorovich
E-mail: [email protected].
Petrov Sergey Nicolaevich
“Scientific production association of space device making "Kwant".
E-mail: [email protected].
7, Milchakova street, Rostov-on-Don, 344090.
Phone: 8632240656; +79885100614.
УДК 53.004
BA. Жорник, ЮЛ. Прокопенко
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА НАНЕСЕНИЯ СТЕКЛЯННЫХ ПОКРЫТИЙ НА ВНУТРЕННИЕ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ
ТРУБ
Рассматриваются процессы, происходящие на контактной поверхности при получении покрытий из неорганического стекла на внутренних поверхностях металлических
. , -носительно друг друга. Проводится сравнение расчетных характеристик напряженного состояния цилиндров с экспериментальными данными.
Покрытие; осевые температурные напряжения; коэффициент термического рас.
V.A. Zhornik, Yu.A. Prokopenko
GLASS COATING OF METAL TUBES' INNER SURFACES PROCESS
MODELING
Processes occurring on the contact surface at nonorganic glass covering obtaining on inner surfaces of metallic tubes are considered. Boundary condition characterizing the slipping rate of the tubes one against another is introduced. Comparison of calculated stress state characteristics of the cylinders with experimental data is performed.
Covering; axial temperature stresses; thermal expansion coefficient.
Металлические трубы с внутренним стеклянным покрытием находят широкое применение в различных отраслях промышленности. Одним из методов нанесения покрытий является баллонный метод, который заключается в раздувании стеклянного баллона внутри металлической трубы, разогретой до температуры нанесения покрытия T , выдержки при ней и медленного охлаждения изделия. Составы стекол
для внутренних покрытий подбираются с таким расчетом, чтобы коэффициент термического расширения стекла был ниже коэффициента термического расширения металла. Из-за этой разницы в стеклянном покрытии создавались напряжения сжатия, положительно влияющие на рабочие свойства покрытий [1].
Экспериментальные [2] и теоретические [3] исследования процессов нанесения покрытий из стекла на внутренние поверхности стеклянных труб показали, что
термомеханическим и прочностным требованиям в основном удовлетворяет стекло марки №1, полученное на опытном стекольном заводе государственного института стекла (ГИС). Химический состав этого стекла приведен в [2]. Термомеханические постоянные материалов стеклянных покрытий и металлических труб приведены ниже: стекло № 1 (индекс 1); сталь 10 (индекс 2).
Модули упругости £1 = 6,644 -10ю н/м2, E2 = 19,6 -10ю н/м2; коэффициенты термического расширения ап = 89 -10- К1, аг2 = 146 •10-7А’-1; коэффициенты Пуассона у1 = 0,22, г2 = 0,28; плотности р1 = 2,5 • 103 кг/м3, р2 = 7,8 • 103 кг/м3 ; удельные теплоемкости ^ = 960 Дж/ кг -К, с2 = 500 Дж/ кг -К; теплопроводности А.п = 878 Вт/м -К, ЛГ2 = 57 Вт/м -К ; температура стеклования Т' = 773 К; температура охлаждающей среды в = 293 К. Размеры цилиндров: внешний радиус стальной трубы Я = 16 -ШЛи; внутренний радиус стальной трубы (внешний стеклянной) г = 14 -10-3,«, внутренний радиус стеклянного покрытия г0 = 13,5 -10-3 л/.
При нанесении покрытий важную роль играет температурный режим этого процесса. При низких температурах нанесения покрытий (Т ~ 893 К) раздувание
баллона происходит плавно и равномерно, покрытие получается хорошего качест-, . , , сравнительно низкими термостойкими и прочностными свойствами. При микроскопических исследованиях колец остеклованных труб выявилось неплотное прилегание стеклянной оболочки к металлической трубе. Между стеклом и металлом была замечена воздушная прослойка, невидимая невооруженным глазом. Образцы, полученные при относительно высоких температурах нанесения покрытий (Т ~
1093 ), . -
личение этих характеристик при больших температурах нанесения покрытий связано с увеличением прочности сцепления стекла с металлом на контакте. При исследовании под микроскопом границы стекло-металл колец остеклованных металлических , , химического взаимодействия стекла с металлом. Мельчайшие выступы на поверхности стали заполнены стеклом. Однако технология получения остеклованных труб при высоких температурах (Т ~ 1093 К) весьма затруднительна Это связано с несколь-. -,
вследствие кратковременности процесса нагрева. Увеличение же времени нагрева при таких высоких температурах приводит к усиленному выделению углерода из стали. Газообразный С02 не может проникнуть через высоковязкую оболочку стекла наружу, в результате чего образуются пузыри на покрытии. Кроме того, при высоких температурах нанесения покрытий длинные металлические трубы деформируются.
Анализируя указанное выше, в [2] для нанесения покрытий из стекла № 1 рекомендуется оптимальная температура 973 К. В этом случае с одной стороны стекло не пузырится, а с другой - относительно плотно прижато к металлической ( ). -го взаимодействия между стеклом и металлом не наблюдается. Сцепление стекла со сталью в данном случае можно, вероятно, объяснить механическим закреплением его в углублениях поверхности металла, что хорошо наблюдалось под микро-.
было провести экспериментальные и теоретические исследования термонапряжен-
ного состояния стеклометаллических цилиндров во всем интервале температур нанесения покрытия от 893 до 1093 К.
Для определения прочности сцепления стекла с металлом в [2] использова-
10, , -лянные пластинки стекла № 1. Стальная и стеклянная пластинки складывались
вместе, помещались в печь и при определенной температуре Тн нанесения выдерживались под нагрузкой, эквивалентной избыточному давлению нагретого воздуха внутри баллона при баллонном способе нанесения покрытия на внутреннюю . -хранялись такими же, как для остеклованных труб. После определенной выдержки стальная пластинка вместе с прилипшей к ней стеклянной пластинкой извлекалась из печи и охлаждалась на воздухе. При остывании до определенной температуры нарушался контакт между пластинами.
При температуре формирования покрытия, равной температуре стеклования
Т^ = 773 К , контакта между пластинами не образовывалось. Наоборот, при температуре формирования покрытия Тн ~ 1093 К отслаивания при охлаждении не
происходило вплоть до комнатной температуры, а при испытании на разрушение двухслойной пластинки происходило растрескивание самого покрытия (когезион-).
Из проведенного анализа экспериментальных данных следует, что две точки зависимости степени сцепления металла со стеклом известны относительно точно.
:
Т'= 773 ^стеклянный баллон почти не раздувается, и поэтому сцепления между стеклом и металлом не образуется (степень сцепления % = 0). При температуре нанесения покрытия Тн ~ 1093/С сцепление между металлом и стеклом полное (спай). В этом случае степень сцепления равна единице (х = 1).
Приведенные выше экспериментальные исследования зависимости прочностных характеристик контактной поверхности от температуры нанесения покрытия позволяют построить модель сцепления стекла и металла на контактной поверхности стеклометаллической трубы. При охлаждении стеклоконструкции от температуры нанесения покрытия до температуры нарушения контакта стеклокон-струкция работает как спай. Однако ниже этой температуры за счет шероховатости контактных поверхностей между ними возникает сухое (кулоново) трение ( ). выше температура нанесения покрытия, тем более шероховатой становится поверхность контакта и тем затруднительнее её проскальзывание. При температуре нанесения покрытия, равной температуре стеклования Тн = Т'ё ~ 773 К, силы сцеп, (
), -
бя. При температуре нанесения покрытия, равной Ти ~ 1093^сцепление стекла с
( ). -
шается даже при охлаждении конструкции до комнатной температуры и изделие
работает без проскальзывания на контакте. В связи с этим на контактной поверх-
ности вдали от торцов вводится граничное условие для осевой деформации £22:
С =(1 -Х№ш, (1)
где £((1’2) - осевые деформации стеклянного и металлического цилиндров; соответственно Де - разность осевых деформаций в случае отсутствия сцепления (X = 0)’ которая определяется из решения задачи о напряженном состоянии цилиндров при условии’ что каждая из труб сама себя уравновешивает в осевом направлении’ X - степень сцепления стекла и металла на контакте (степень проскальзывания контактных поверхностей).
Для определения степени сцепления в температурном интервале нанесения покрытия (893К — 109Ж) воспользуемся экспериментальными [4] и теоретическими [3] исследованиями термостойкости этих изделий. При испытании на термостойкость образец остеклованной трубы нагревался до определенной температуры Т0 ’ выдерживался некоторое время при ней до полного прогрева и далее охлаждался в воде при температуре д . За меру термостойкости принималась разность температур Т0 —д’ при которой покрытие начинало разрушаться. При этом
испытывались образцы при внутреннем и двухстороннем охлаждение полученные при разных температурах нанесения покрытия. На рис. 1 приведены экспериментальные точки зависимости средней термостойкости от температуры нанесения покрытия. На каждую экспериментальную точку бралось 50 образцов.
(То — 9), К 260
240
220
200
180
160
140
120
100
773 800 840 880 920 960 1000 1040 1080 т R
Рис. 1. Зависимость термостойкости покрытия от температуры его нанесения. * — внутреннее охлаждение, • - двухстороннее охлаждение (п = 50)
Из рис. 1 виднО’ что при внутреннем охлаждении все точки укладываются на прямую. Причем при Т = 1093 при полном сцеплении стекла и металла (X = 1) средняя термостойкость при внутреннем охлаждении равна Тн ~ 240 К ’ а при
Т = 773 К (X = 0) средняя термостойкость равна Т ~ 110 К .
[3] -
’
напряжения’ возникающие в двухслойном’ в частности стеклометаллическом’ цилиндре’ с учетом степени проскальзывания контактных поверхностей. В этой ра’ ’ покрытиЯ’ являются осевые напряжения <Jz на внутренней поверхности покрытия при r = r0. За меру термостойкости покрытия Т0 —д принималась разность тем’ -мени осевые напряжения достигают технической прочности стекла’ измеренной в
горячей воде [5]. В этой работе была получена формула для расчета термостойкости, которая имеет вид
(7 + А) 1-у.
Т-в = - * ,
С Т°)шах аЕ1
где С = 56,3МПа - прочность на растяжение стекла в воде;
1 1
(2)
(в + 2у)/их(аТ -ат )(Ґ -в)
А =-------------------2----^------------; /л =
2 г>2
г - Я
в = М к
[ г
1+\
V гс У
Пв- 2у
2 Л ^
2 2 г - г
с 0
V V
; п = м---; г = м——-;
Е1 Е2 Е1 Е2
1
V
1 - ^
Гс у
"1
2 Л
т = -
№=а»;
г.
а1 =—— - температуропроводность стекла; 7 (т, Го) - безразмерное осевое
РС а
напряжение на поверхности покрытия.
Зависимость 7*(т, Го)от времени Го приведена на рис. 2,а для двухстороннего охлаждения и на рис. 2,6 для внутреннего охлаждения с учетом вышеуказанных термомеханических постоянных материалов и их размеров при интенсив-
1
а а
ностях охлаждения Бі. = — г = 380 и Би =—2
1 л 0 2
■г = 210, где коэффи-
циенты теплообмена а и а2 согласно [6] равны а = а2 = 25 • 103 2 .
' " / м'К
Ро)
а б
Рис. 2. Зависимость осевого напряжения на поверхности покрытия от времени при различных степенях проскальзывания (а - двухстороннее, б - внутреннее охлаждение)
г
0
г
с
Из этих рисунков видно, что 7, (т,Го )тах в зависимости от степени сцепления % можно представить в виде
7 (т,Го)Шах = 0 65(1 + Х) , (3)
7 (т,Го)Шах = 0,67 + 0,83%. (4)
Формула (3) - для двухстороннего охлаждения, (4) - для внутреннего охлаж-.
Поэтому, подставив (3) в (2), получим зависимость термостойкости от степени сцепления при двухстороннем охлаждении стеклоконструкции:
(7 + А) 1 - V
То-е = —-------------------^ (5)
0,65( 1 + X) аТЕ1
(4) (2),
внутреннем охлаждении стеклоконструкции:
7 + А 1 -V
То-в =---------------------К (6)
0 0,67 + 0,83хаТД
С учетом вышеуказанных термомеханических постоянных и размеров ци-(6)
56,3 + 219х
Т0-в =-------------------------------------------------:-*-К. (7)
0 (0,67 + 0,83х)0,760
(7) -
сти степени сцепления металла со стеклом % от температуры нанесения покрытия
Т . , ,
Т = Т' = 773 К степень сцепления X = 0, а при Т = 1093 К % = 1. Поэтому, подставив % = 0 в (7), получим Т0 - в = 111 К , в то время как, согласно рис. 1, для внутреннего охлаждения (точки *) Т0 -в = 110^ при Т = 773 К . Подставив % = 1 (Т = 1093 К) в (7), получим Т0 -в= 241Л”, что согласуется с экспериментальным значением на рис. 1 для внутреннего охлаждения Т0 - в = 240 К. Поэтому (7) позволяет с использованием зависимостей Т0 - в от Т , изображенных на рис. 1 (точки *), найти зависимость%от Т . Для этого необходимо из (7) выразить % через Т-в:.
0,509(Т0 -в)-56,3
X =-----------0---------. (8)
219-0,631(Т0 -в)
Подставив в (8) экспериментальные точки (*), из рис. 1 найдем, что при T = 893 К Т0 — 0 = 170 К. Поэтому, согласно (8), X = 0,27 и т.д.
Таким образом, при Т = 773 К % = 0, при Т = 893 К X = 0,27 , при Т = 933 К % = 0,34, при Т = 973 К % = 0,49, при Т = 1013 if % = 0,58, при Т = 1053 ^ % = 0,82, при Т = 1093 ^ % = 1.
Используя полученные выше данные зависимости X от Т , проведем сравнение теоретической зависимости (5) термостойкости Т0 — 0 от X, а значит, от
Т ПРИ двухстороннем охлаждении с экспериментальными данными (•) на рис. 1.
(5) . 1 .
Как видно из рисунка, теоретическая зависимость относительно хорошо совпадает с экспериментальными данными.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Сидоров А.Б., Кулямина Л.Л., Жорник AM. Распределение напряжений во внутреннем стеклянном покрытии стальных труб из-за различия коэффициентов расширения стекла и металла // Стекло. - 1966. - № 2. - С. 51-59.
2. . . ,
внутренней поверхности стальной трубы // Дис... канд. техн. Наук. - М., 1968. - 218 с.
3. . ., . .
// Наука и технологии. Т. I // Труды XXVIII Российской школы. - М.: РАН, 2008. - С. 62-70.
4. . ., . . -
// . 1968. - 3. - . 51-59.
5. . . . - .: ,
1960. - 166 .
6. . . . - : , . ,
1970. - 659 .
Жорник Виктория Александровна
ГОУ ВПО «Таганрогский государственный педагогический институт».
E-mail: [email protected].
347936, . , . , 48.
Тел.: 88634601807.
Прокопенко Юрий Александрович
E-mail: [email protected].
Zhornik Victoria Aleksandrovna
Taganrog State pedagogical Institute.
E-mail: [email protected].
48, Iniciativnaya street, Taganrog, 347936, Russia.
Phone: +78634601807.
Prokopenko Yury Aleksandrovich
E-mail: [email protected].
