CC BY-NC
35
СЕКЦИЯ 2.
Цифровые технологии. Энергетика и электротехника в судостроении
DOI: 10.24937/2542-2324-2021-2-S-I-44-52 УДК: 621.315.211-762+621.315.62
H.A. Братасюк , Я.А. Цыбленко, К.О. Осетров
ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург, Россия
ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ УЗЛОВ ГЕРМЕТИЗАЦИИ КАБЕЛЬНЫХ ВВОДОВ
Целью данной работы является описание и обобщение основных принципов проектирования узлов герметизации кабельных вводов глубоководной техники. В качестве объектов исследования были выбраны характерные зоны герметизации герметичных кабельных вводов: паяное соединение медной оболочки жаростойкого кабеля с минеральной изоляцией (КМЖ) и корпуса кабельного ввода; полимерная заделка торцов кабеля; узел герметизации металлического корпуса гермоввода в прочном корпусе судна с применением эластомерных уплотнительных колец круглого сечения. Рассматриваемый образец представляет собой металлический корпус, соединенный с кабелем КМЖ при помощи высокотемпературного серебросодержащего припоя. Качество паяных соединений было оценено при помощи металлографии: световой микроскопии и электронной растровой спектроскопии. Герметичность кабеля КМЖ обеспечивают полимерные материалы на основе реактопластов, которые должны соответствовать не только требованиям эксплуатации изделия, но и правилам пожаробезопасности на судах. Обеспечение герметичности по поверхности сочленения гермоввода с прочным корпусом осуществляется посредством эластомерных уплотнительных колец. Были рассмотрены основные узлы герметизации кабельных вводов. Для каждого узла рассмотрены механизмы обеспечения герметичности. При помощи программного комплекса ANSYS был подобран оптимальный температурный режим прогрева корпуса, позволяющий оптимизировать процесс пайки и улучшить качество соединения с кабелем КМЖ. Произведен расчет минимальной длины паяного шва с постоянной шириной шва, обеспечивающего прочность и герметичность изделия при различных давлениях среды. Результаты расчетов подтверждены на опытных образцах посредством гидравлических испытаний. Определены особенности выбора герметизирующих полимерных материалов. Перспективным направлением при изготовлении заделок торцов кабеля является использование термостойких материалов с эффектом памяти формы.
Основные положения, изложенные в данной работе, могут быть использованы при отработке технологии создания типовых гермовводов, в том числе в смежных областях промышленности.
Ключевые слова: кабельный ввод, кабель КМЖ, паяное соединение, уплотнительные материалы, механизм герметизации. Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
SECTION 2.
Digital technologies, power systems and electric equipment in shipbuilding
DOI: 10.24937/2542-2324-2021-2-S-I-44-52 UDC: 621.315.211-762+621.315.62
N. Bratasyuk , Ya. Tsyblenko, K. Osetrov
Krylov State Research Centre, St. Petersburg, Russia
DESIGN PECULIARITIES OF SEALING JOINTS FOR CABLE PENETRATORS
Для цитирования: Братасюк Н.А., Цыбленко Я.А., Осетров К.О. Особенности проектирования узлов герметизации кабельных вводов. Труды Крыловского государственного научного центра. 2021; Специальный выпуск 2: 44-52. For citations: Bratasyuk N., Tsyblenko Ya., Osetrov K. Design peculiarities of sealing joints for cable penetrators. Transactions of Krylov State Research Centre. 2021; Special Issue 2: 44-52 (in Russian).
The purpose of this work is to describe and summarize main design principles of sealing joints for cable penetrators of deep-water vehicles. The study was performed on typical sealed areas of watertight cable penetrators, like soldered joint between copper sheath of a heat resistant cable with mineral isolation (KMZh) and cable penetrator body; polymeric termination of cable ends; sealing joint of metal penetrator body in pressure hull with circular elastomeric gaskets.
The case study in this paper is a metal casing attached to KMZh cable by a heat-resistant silverized brazing alloy. The quality of soldering joints was estimated metallographically, i.e. by means of optical microscopy and electronic raster spectroscopy. Watertightness of KMZh cable is ensured by reactoplast-based polymers that must be not only adequate to their operational conditions but also comply with fire safety regulations for ships. Watertightness of penetrator interface with pressure hull is achieved by means of elastomeric gaskets.
The study investigated main sealing joints of penetrators, as well as the mechanisms achieving watertightness of each given joint. Analysis in ANSYS software package yielded the optimal thermal scenario of casing warm-up offering the best quality of both soldering process and adhesion to the KMZh cable. The calculation was also performed for the minimum length of brazed joint of constant width so as to ensure strength and watertightness at different external pressures. Calculation results were performed by hydraulic tests of penetrator samples. The study also identified the peculiarities of polymeric sealant selection. A promising approach for cable termination manufacturing would be to use heat-resistant materials featuring shape memory effect.
Key findings of this study could be helpful in the refinement of development technology for standard penetrators, including those for related industries.
Keywords: penetrator, KMZh cable, soldered joints, sealants, watertightness mechanism. Authors declare lack of the possible conflicts of interests.
Введение
Introduction
Развитие современной техники во многих отраслях промышленности, в том числе в судостроении, требует безотказной работы применяемой аппаратуры. Не являются исключением герметичные кабельные вводы, предназначенные для обеспечения функционирования забортного электрооборудования глубоководной техники и передачи электроэнергии через прочный корпус подводного аппарата. К данному конструктивному элементу предъявляют повышенные требования надежности в целях сохранения работоспособности и герметичности изделия в течение всего срока его службы.
Похожие способы прокладки кабельных линий через герметичную оболочку реакторов применяют в атомной энергетике [1-3]. Широкое распространение в данной сфере промышленности получили кабельные вводы на основе кабеля КМЖ с магнезиальной изоляцией и металлической оболочкой, например гермоввод типа ВГКК (ввод герметичных контрольных кабелей). Однако условия эксплуатации герметичных вводов на АЭС значительно отличаются от требований, предъявляемых к кабельным вводам глубоководной техники, поскольку они не предназначены для работы в условиях воздействия избыточного гидростатического давления.
Применение кабеля КМЖ в конструкции корабельных вводов - одно из наиболее перспективных направлений, так как позволяет обеспечить прочность и герметичность узла прохода электрических
цепей через прочный корпус судна. Также среди преимуществ гермовводов на основе жаростойкого кабеля с минеральной изоляцией стоит отметить:
■ малые габариты конечного изделия;
■ возможность варьирования эксплуатационных характеристик гермоввода посредством выбора типа герметизации кабеля;
■ повышенную надежность;
■ нарушение герметичности одного из кабелей не оказывает влияния на состояние остальной кабельной проходки;
■ сохранение основных габаритных размеров для различных типов исполнения кабельных вводов. Общий вид герметичного кабельного ввода (гермоввода) приведен на рис. 1а (см. вклейку). Кабель КМЖ 2 крепится в корпусе 4 при помощи паяного соединения 3. Медные жилы кабеля КМЖ защищают термоусаживаемой трубкой 9. Для герметизации торцов термостойкого кабеля используют электроизоляционные полимерные материалы 1 и 7. Герметичный ввод крепится в прочном корпусе судна 6 с использованием уплотнительных эластомерных колец круглого сечения 5.
В герметичных кабельных вводах на основе кабеля КМЖ можно выделить несколько характерных зон, отвечающих за герметичность конструкции (рис. 16):
■ зона 1 - паяное соединение 3 медной оболочки кабеля КМЖ 2 и корпуса ввода 4;
■ зона 2 - место герметизации металлического корпуса гермоввода 4 в прочном корпусе подводного аппарата 6 с применением эластомер-ных колец круглого сечения 5;
■ зона 3 - место герметизации торцов кабеля 7.
Указанные элементы требуют особого внимания при проектировании изделия и подборе герметизирующих материалов. К сожалению, общий типовой перечень кабельных вводов отсутствует в связи с большим разнообразием конструкций каждого изделия и индивидуальностью их разработки, а формирование такой номенклатуры представляет собой сложную задачу. Целями настоящей работы являются описание и обобщение основных принципов проектирования узлов герметизации кабельных вводов (на основе кабеля КМЖ) глубоководной техники.
Паяное соединение корпуса вставки и оболочки кабеля
Soldered joint of casing insert and cable sheath
Образование паяного шва узла герметизации кабеля КМЖ представляет собой сложный физико-химический процесс получения неразъемного соединения в результате взаимодействия твердых паяемых металлов и жидкого присадочного металла (припоя) путем расплавления последнего, растекания и заполнения зазора между ними с последующей его кристаллизацией.
При оценке прочности паяных соединений, как и любых других конструкций, необходимо сравнение расчетных напряжений с допустимыми, определенными с учетом условий эксплуатации. Надежность паяных соединений зависит от целого ряда факторов: конструктивных (тип и материал паяного соединения, геометрические характеристики шва), технологических (способ и температурный режим пайки, подготовка поверхности паяемых материалов) и эксплуатационных (температурные воздействия, ударные и вибрационные нагрузки, наличие агрессивных сред, возникающие напряжения при нагрузке).
Совместимость припоя с основным материалом соединяемых деталей определяется в первую очередь характером их физико-химического взаимодействия, зависящего от химического сродства материалов, определяемого диаграммой состояния «конструкционный материал - припой». Выбор материалов для пайки конструкционных узлов может основываться на рекомендациях, приведенных в технической литературе, отраслевых и государственных стандартах (например, ОСТ 4Г 0.033.200 [4]). В данной работе были использованы высокотемпературные припои на основе сплавов Ag-Cu-Zn и Ag-Cu-Zn-Cd-Ni с применением паяльных флюсов - фторборатно-
и боридно-галогенидного. Флюс очищает поверхность деталей от окислов и загрязнений при достижении температуры активации, а также улучшает смачивание соединяемых поверхностей и предотвращает образование оксидной пленки в процессе пайки.
Формирование паяного соединения медной оболочки кабеля КМЖ и стального корпуса кабельного ввода осуществляли при помощи установки индукционного нагрева. Пайка токами высокой частоты (ТВЧ) позволяет достичь высокого качества паяного соединения с минимальными затратами времени и энергии по сравнению с традиционными способами нагрева. Перед началом пайки детали прогревают для достижения одинаковой температуры по всей площади паяемой поверхности. Ток высокой частоты имеет непостоянную плотность по поперечному сечению, обладая максимальными значениями у поверхности и уменьшаясь по мере проникновения на глубину изделия [5]. Важно учитывать и тот факт, что превращение электрической энергии в тепловую в рассматриваемой системе происходит в поверхностном слое заготовки (скин -слой). Глубину проникновения поля определяют по формуле Штейнмеца:
8„ = 503
Р
Vf
(1)
где р - удельное электрическое сопротивление материала; д - магнитная проницаемость материала; / - частота тока. При выборе частоты тока для пайки изделий следует понимать, что 5п снижается с ростом частоты тока ^
Остальная часть изделия нагревается за счет теплопроводности. Уравнение теплопроводности в неоднородной изотропной среде в цилиндри-ческой системе координат можно представить следующим образом [6]:
5© _ 1 dt срп
dX l\d© ,d2© dX d© — + — — + X—- +--+
dr r
d2©
dr
„ - © P
+X—T +--
dz2 Vm
dr2 dz dz
a.ST eaSr
V
V
_©3 ©
(2)
где 0 - температурный напор; / - текущее время нагрева; рщ - плотность нагреваемого материала; с - теплоемкость нагреваемого материала; X - коэффициент теплопроводности нагреваемого материала; Р - мощность, приходящая в точку с заданными координатами; Ут - объем нагреваемого
тела; а - коэффициент теплопередачи между средами; Ут - объем излучающего тела; Бт - площадь излучающей поверхности; е - характеристический коэффициент (0...1); с - постоянная Стефана - Больцмана (5,67032-10-8 Вт/(м2-К4)); Уь -объем поглощающего тела; Бь - площадь поглощающей поверхности. Решение неоднородного нелинейного дифференциального уравнения (2) возможно численными методами. В программном комплексе ANSYS была построена компьютерная модель, позволяющая произвести анализ процесса нагрева металлического корпуса и определить оптимальное время выдержки.
В качестве исследуемого образца был выбран цилиндрический корпус из стали 12Х18Н10Т с тремя отверстиями для кабелей КМЖ (рис. 2, см. вклейку). Температурные режимы пайки подбирают с учетом температуры активации флюса и температуры ликвидуса припоя. В данной работе рассматривали ступенчатый нагрев изделия: 1-я ступень - нагрев до 600 °С и выдержка до полного прогрева изделия во всем объеме; 2 -я ступень - нагрев и выдержка при температуре пайки (850 °С). Нагрев и выдержка при 600 °С способствуют максимальному уменьшению градиента температуры в объеме изделия без активации паяльного флюса и расплавления припоя. По результатам расчетов получены расчетные распределения температур и графики изменения температуры по времени нагрева (рис. 2г). Полученные данные хорошо коррелируют с экспериментом. Согласно рис. 2, достижение схожих температур (~ 600 °С) между внешней поверхностью и сердцевиной корпуса можно наблюдать после 134 с нагрева, а достижение температуры пайки по всей массе корпуса происходит спустя 209 с.
Определение дальнейшего времени выдержки изделия следует производить с учетом особенностей взаимодействия «металл - припой» и параметров конструктивных элементов паяного шва. На практике время выдержки при пайке, необходимое для заполнения зазора припоем и образования паяного соединения, определяют опытным путем, и оно может составлять от 15 с до 2-3 мин. Необходимо также отметить, что при нагреве массивных изделий будет наблюдаться значительный градиент температур от внешней поверхности к центру нагреваемого тела.
Нередко для сокращения времени прогрева прибегают к временному увеличению температуры выше значений, необходимых для осуществления пайки.
Это может приводить к разрушению и возникновению эрозии при контакте меди с серебросодержащим припоем. Серебро интенсивно диффундирует в медь, образуя зоны в виде отдельных изолированных участков, которые нарушают целостность основного металла (меди). Помимо этого, локальный перегрев может приводить к возникновению различных дефектов в паяном шве (пор, несплошностей, микротрещин, шлаковых и флюсовых включений и др.), что сказывается на его прочности [7-9].
Оценку структурно-механического состояния паяного шва и поиск возможных мест возникновения негерметичности обычно производят металлографическими методами исследования. Сравнение качества паяных соединений проводили с использованием светового металлографического микроскопа Zeiss Axio Observer и электронного растрового микроскопа Tescan Vega 3 SBH. Результаты наблюдения показали, что в образцах с перегревом поры и непро-вары (рис. 3, см. вклейку) сосредоточены на границах контакта между припоем и паяемым металлом. Протяженность непроваров и несплошностей не превышала 400 мкм, а диаметр пор - не более 200 мкм. Расстояния между порами диаметра 50 мкм не превышали 100 мкм, похожие расстояния наблюдали между дефектами меньших размеров (010 мкм и менее). Возникновение эрозии меди подтверждается наличием язвенных поражений оболочки кабеля в форме кратера (рис. 3г). Основная причина образования выявленных дефектов - перегрев флюса и припоя с последующим их кипением, в результате чего в локальных местах образовывались поры, а на поверхностях паяемых металлов формировалась препятствующая когезии пленка окисленного металла. В паяных соединениях, полученных по предлагаемому температурному режиму, количество технологических дефектов процесса пайки уменьшалось, что говорит о повышении качества паяного соединения.
Подтверждение прочности и герметичности узлов, подверженных воздействию гидростатического давления при эксплуатации, является неотъемлемой частью производства герметичных кабельных вводов. Для этого необходимо проводить расчет прочности соединений с последующим определением герметичности опытных образцов и выявлением отдельных течей гидростатическим методом по ГОСТ 24715. Разрушающие напряжения на растяжение и срез в паяных швах сильно зависят от толщины и длины соединения. Вследствие концентрации касательных напряжений на краях телескопического
паяного соединения допускается производить расчет на прочность соединений по максимальному значению касательного напряжения ттах согласно следующим уравнениям [9]:
(
= Xm 'а0 '1
1 + cos h (а0 • I)
2 • sin h (а0 • I)
Л
а =
(3)
2G
E -5-h
1 ^0
cos
^0 -1 +
h (лМ>-А )Л
А = ■
G • 12
E2 -5- h2
.^0 =
sin h - А )
E1 - h1 + E2 - h2 E1 - h1 '
(4)
где Xm - среднее напряжение, МПа; l - длина нахлестки, мм; 5 - толщина шва, мм; hi и h2 - толщина деталей, мм; Ei и E2 - модуль упругости материалов деталей, МПа; G - модуль сдвига припоя, МПа. Основное отличие между уравнениями (3) и (4) заключается в том, что последнее справедливо для спаиваемых деталей неодинаковой жесткости.
При расчете минимальной длины слоя припоя при постоянной ширине шва коэффициент n запаса прочности принимают равным 2,5-3. Допускаемые напряжения при растяжении с и срезе т составляли 300 и 200 МПа соответственно. Толщина шва между спаиваемыми материалами составляла 0,070,08 мм для всех образцов. Полученные графики зависимости минимальной длины паяного шва от давления среды приведены на рис. 4 (см. вклейку). Так, минимальная длина шва при давлении 10 МПа должна быть не меньше 0,21 и 0,26 мм с коэффициентом n, равным 2,5 и 3 соответственно, а при давлении 20 МПа - 0,37 и 0,44 мм. При выполнении паяного соединения следует учитывать, что чрезмерное увеличение длины нерационально по ряду причин: сложноосуществимый контроль качества паяного шва, расход дорогостоящего материала, увеличение количества дефектов.
Уплотнение резиновыми кольцами
Sealing (rubber gaskets)
Обеспечение герметичности по поверхности сочленения гермоввода с прочным корпусом осуществляют посредством эластомерных уплотни-тельных колец. Необходимое для герметизации
узла уплотнения давление создается при монтажных работах за счет радиального сжатия. Резиновые уплотнительные кольца по ГОСТ 18829 и ГОСТ 9833 хорошо подходят для гидравлических систем, предназначенных для работы в пресной и морской воде в широком диапазоне температур и при давлении до 50 МПа (в неподвижных соединениях). В зарубежной и отечественной литературе [10-15] содержится достаточное количество информации по расчету уплотнительных колец и проектированию мест их установки.
Механизм герметизации может быть описан следующим образом. При установке изделия в прочный корпус происходит заполнение дефектов и неровностей поверхности резиновым уплотнителем в результате действия сил, создающих контактное давление. Возникающие упругие и пластические деформации должны обеспечивать перекрытие всех возможных путей утечки. При воздействии давления среды эластомерное кольцо заполняет свободный объем в канавке и смещается в сторону низкого давления. В таком случае давление Pк на уплотняемых поверхностях можно рассчитать:
Рк = P + Pcp • k,
(5)
где Pi - начальное контактное давление, МПа; Pср -давление среды, МПа; k = д / (1-д) ~ 0,9-0,99 - коэффициент передачи давления, зависящий от коэффициента Пуассона д.
Герметичность соединений, работающих под давлением пресной или морской воды, определяется прежде всего материалом уплотнения (обладающим высокими значениями прочности, эластичности и упругости). Можно выделить несколько факторов, влияющих на работоспособность исследуемого узла уплотнения:
1. Температура эксплуатации Tэкс. Интервал рабочих температур эластомеров определяется их теплостойкостью (верхний предел ^кс) и температурой стеклования Tg (нижний предел Tэкс). При воздействии повышенных температур происходит тепловое старение материала и его термическое окисление, протекающее с изменением надмолекулярной структуры. Старение эластомерных колец круглого сечения сопровождается накоплением необратимых остаточных деформаций и возрастанием жесткости резины. Ниже Tg материал теряет свои эластические свойства и переходит в разряд тел, не обладающих высокоэластической деформацией. При этом нарушается герметичность соединения
х
т = т
max m
вследствие уменьшения контактного давления и значительного увеличения времени релаксации напряжений [16].
2. Влияние морской и пресной воды. Непосредственный контакт среды с эластомером может сопровождаться неблагоприятными последствиями, приводящими к сокращению срока службы уплотнения в результате физического и химического воздействий (набухание, уменьшение сил межмолекулярного воздействия, деструкция поперечных связей, гидролитическое разрушение, вымывание растворимых компонентов). Применение резин, склонных при температурах эксплуатации к химическому воздействию со средой, не допускается в составе водостойких узлов герметизации. В случае физического взаимодействия разрушения ковалентных связей полимера не происходит, а ухудшение эксплуатационных свойств связано с ослаблением адгезии между наполнителем и полимерными цепями каучука.
3. Давление среды. Как было указано ранее, кольцо деформируется в результате приложения давления среды. Увеличение давления выше определенных критических значений может привести к выдавливанию уплотнителя в зазор с последующей локальной экструзией и разрушением. Предотвратить выдавливание возможно посредством применения защитных колец из более твердых эластомерных материалов (фторопласта, нейлона и др.). Максимально допустимый безопасный зазор между сочленяемыми деталями при высоких давлениях определяется твердостью резины по шкале Шора и давлением среды.
Таким образом, при проектировании уплотнений неподвижных соединений, работающих под давлением воды, необходимо учитывать влияние как эксплуатационных факторов, так и конструктивных особенностей уплотнительного соединения.
Герметизация торцов кабеля
Sealing of cable ends
Стойкость узлов герметизации торцов кабеля к воздействию гидростатического давления описывается в основном характером адгезии между полимером и металлической поверхностью. Механизм адгезии включает в себя множество молекулярных, механических, диффузионных, термодинамических и химических явлений. Из-за сложности явлений адгезии
существует множество теорий (модель механического связывания, молекулярное связывание, термодинамическая адгезия, электрическая теория, теория реологического сцепления и теория слабого пограничного слоя). Но ни одна из них самостоятельно не может полностью описать совокупность сложных процессов, связанных с адгезией [17, 18], поскольку на взаимодействие адгезива и склеиваемой поверхности влияет ряд факторов: шероховатость поверхности, реологические свойства адгезива, условия образования клеевого шва, полярное взаимодействие, образование химических связей, смачиваемость поверхности и многое другое.
Ранее авторы [19] уже подробно рассматривали технологию герметизации торцов с помощью различных полимерных композиций. При эксплуатации полимерные заделки подвергаются воздействию множества факторов: гидростатическое давление, пониженные и повышенные температуры, механические нагрузки, контакт с морской водой и многое другое. Поэтому при изготовлении кабельных вводов особо тщательно подходят к процессу герметизации торцов кабеля. Разработанные герметичные вставки обладают широким спектром конечных эксплуатационных характеристик, что позволяет получать гермовводы для различных условий эксплуатации. От выбора герметизирующего материала на основе термореактивных полимеров зависят температура эксплуатации, стойкость к воздействию гидростатического давления и специальных факторов, способы переработки полимерных материалов, диэлектрические параметры и ряд других эксплуатационных свойств. Например, герметизация кабельного ввода полиуретановыми и эпоксикаучуковыми компаундами способна выдерживать воздействие гидростатического давления до 50 МПа и имеет диапазон рабочих температур от -60 до +180 °С.
Однако в связи с ужесточением санитарно-химических норм и требований пожарной безопасности к неметаллическим материалам, применяемым на надводных кораблях и подводных лодках, использование многих полимеров сильно ограничено. Поэтому возникает необходимость поиска более термостойких материалов с пониженными показателями пожарной опасности. Решением данной проблемы являются относительно новые материалы конструкционного назначения: фталонит-рильные связующие, циановые эфиры, эпоксиан-гидридные модифицированные композиции с замедлителями горения. К недостаткам, ограничивающим внедрение этих полимерных композиций
в судостроение, можно отнести дороговизну и высокие температуры их переработки и отверждения, которые усложняют процесс разработки кабельных вводов сложной конфигурации.
Выполнение герметизации высокотемпературными материалами возможно с использованием заливочных форм из термостойких полимеров с эффектом памяти формы, поскольку изготовление заливочных форм - очень трудоемкая задача с использованием сложной системы сочленения металлических полуформ. Предлагаемые заливочные формы являются неудаляемыми конструктивными элементами в составе герметичного кабельного ввода, их можно изготавливать в виде полых тонкостенных трубок, которые после полимеризации подвергают растягиванию при температурах с последующей усадкой на кабеле КМЖ. При температурах полимеризации заливочных высокотемпературных компаундов полимеры с эффектом памяти формы не должны изменять своих геометрических размеров.
Поведение полимеров с памятью формы можно объяснить наличием двух состояний: постоянное и временное. Постоянное состояние соответствует исходной форме образцов при отверждении, а временное - форме образцов, получаемых в результате приложения нагрузки при температуре выше температуры Тъ перехода полимера из стеклообразного состояния в высокоэластичное. Когда образец нагревают выше Т&, подвижность полимерной цепи увеличивается. Подвижные полимерные цепи могут деформироваться под действием приложенных извне сил без разрушения, что приводит к изменению конформации аморфной фазы в материале в виде временной формы. При охлаждении ниже временная форма может быть зафиксирована после снятия внешней силы. Когда материал снова нагревают выше Т&, растянутые полимерные цепи стараются вернуться к исходному состоянию, высвобождая накопленную энергию деформации и деформируясь до первоначальной формы.
Например, полиуретан-эпоксидные композиции имеют хорошие значения коэффициента фиксации формы и коэффициента восстановления формы (98-100 %), а также высокие скорости восстановления формы [20]. Недостатком указанных композиций является низкая температура стеклования. В настоящее время авторами проводятся исследовательские работы по отработке технологии изготовления высокотемпературных полиуретан-эпоксидных составов, отверждаемых цианатэфир-ными связующими.
Заключение
Conclusion
В гермовводах на основе жаростойкого кабеля с минеральной изоляцией можно выделить три основные зоны, отвечающие за герметичность конструкции. Для каждой из них были описаны механизмы уплотнения и факторы, влияющие на конечную надежность изделия.
Паяное соединение медного кабеля с корпусом ввода было оценено металлографическими методами исследования. По результатам математического моделирования был отработан режим пайки с последующей оценкой герметичности гидравлическим методом. Разработанный температурный режим позволяет получать соединения с меньшим количеством дефектов.
В местах герметизации торцов кабеля полимерными композициями и местах уплотнения эла-стомерными кольцами корпуса кабельного ввода и прочного корпуса судна особое внимание следует уделять характеристикам полимерных материалов. Перспективным направлением при изготовлении заделок торцов кабеля является использование термостойких материалов с эффектом памяти формы.
Основные положения, изложенные в данной работе, могут быть использованы при отработке технологии создания типовых гермовводов, в том числе в смежных областях промышленности. В настоящее время на базе филиала «ЦНИИ СЭТ» Крыловского центра авторами проводятся исследовательские работы по опытному изготовлению полноразмерных гермовводов с использованием полимерных материалов пониженной пожаро-опасности.
Список использованной литературы
1. Диэлектрики и радиация: [в 6 кн.]. Кн. 4: Герметичные кабельные вводы для АЭС. / Н.С. Костюков, С.Д. Холодный, Т.Ю. Еранская, В.А. Демчук, С.М. Соколова. М.: Наука, 2004. 236 с.
2. Устройство герметичного ввода кабельных линий радиочастотных сигналов в условиях вакуума и экстремальных воздействий / В.С. Деева, С.П. Ващук, Н.С. Костюков, С.М. Слободян // Доклады ТУСУР. 2015. № 2(36). С. 51-56.
3. Герметичные кабельные вводы в зону локализации аварии на АЭС / Н.С. Костюков, В.А. Демчук, Б.Б. Ка-линиченко, Т.Ю. Еранская // Энергобезопасность и энергосбережение. 2010. № 4(34). С. 7-10.
4. ОСТ 4Г 0.033.200. Припои и флюсы для пайки, при-пойные пасты. Марки, состав, свойства и область применения. М., 2011.
5. Вологдин В.В., Кущ Э.В., Асамов В.В. Индукционная пайка. Л.: Машиностроение, 1989. 72 с.
6. Программный комплекс анализа температурных полей, наведенных индукционными источниками / Е.В. Крохмаль, С.К. Земан, С.Н. Владимиров, А.В. Крахмаль // Доклады ТУСУР. 2005. № 3(11). С. 16-23.
7. Справочник по пайке / Под ред. И.Е. Петрунина. М.: Машиностроение, 2003. 480 с.
8. Меновщиков В.А., Ереско Т.Т., Ереско С.П. Соединения деталей машин: учеб. пособие. Красноярск: Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т, 2009. 193, [1] с.
9. Кузнецов О.А., Погалов А.И. Прочность паяных соединений. М.: Машиностроение, 1987. 112 с.
10. Аврущенко БХ. Резиновые уплотнители. Л.: Химия, 1978. 136 с.
11. Уплотнения и уплотнительная техника: справочник / Под общ. ред. А.И. Голубева, Л.А. Кондакова. М.: Машиностроение, 1986. 464 с.
12. Flitney R. Seals and Sealing Handbook. 6th Edition. Butterworth-Heinemann, 2014. 648 p.
13. Chandrasekaran V. C. Rubber Seals for Fluid and Hydraulic Systems. Oxford: Elsevier, 2010. 160 p.
14. Koshal D. Manufacturing Engineer's Reference Book. 1st Edition. Brighton: Butterworth-Heinemann, 1993. 896 p.
15. Parker O-ring Handbook. 50th Edition. Parker Hannifin Corporation, 2018. 292 p.
16. Heat aging effects on the material property and the fatigue life of vulcanized natural rubber, and fatigue life prediction equations / J.-H. Choi, H.-J. Kang, H.-Y. Jeong, T.-S. Lee, S.-J. Yoon // Journal of Mechanical Science and Technology. 2005. Vol. 19. No. 6. P. 1229-1242. DOI: 10.1007/BF02984044.
17. Fundamentals and advances in the adhesion of polymer surfaces and thin films / L. Gong, L. Xiang, J. Zhang, J. Chen, H. Zeng // Langmuir. 2019. Vol. 35. No. 48. P. 15914-15936. DOI: 10.1021/acs.lang-muir.9b02123.
18. Adhesion of polymers / F. Awaja, M. Gilbert, G. Kelly, B. Fox, P.J. Pigram // Progress in Polymer Science. 2009. Vol. 34. No. 9. P. 948-968. DOI: 10.1016/j.progpolymsci.2009.04.007.
19. Братасюк Н.А., Колчев А.И., Никулин А.С. Герметичные кабельные вводы на основе кабеля с жаростойкой минеральной изоляцией для различных условий эксплуатации // Труды Крыловского государственного научного центра. 2019. № 390. С. 186-193. DOI: 10.24937/2542-2324-2019-4-390-186-193.
20. BratasyukN.A., Zuev V.V. The effect molecular weight of polyol components on shape memory effect of epoxy-polyurethane composites // Polymer Engineering & Science. 2021. Vol. 61. № 10. P. 2674-2690. DOI: 10.1002/pen.25795.
References
1. Dielectrics and radiation. In 6 Books. Book 4: Cable penetrators for NPP applications / N. Kostyukov, S. Kholodny, T. Yeranskaya, V. Demchuk, S. Sokolova. Moscow: Nauka, 2004. 236 p. (in Russian).
2. Cable penetrator design for radio-frequency signal lines exposed to vacuum and extreme effects / V. Deeva, S. Vashuk, N. Kostyukov, S. Slobodyan // Proceedings of TUSUR University. 2015. No. 2(36). P. 51-56 (in Russian).
3. Sealed cable penetrators for NPP emergency response / N. Kostyukov, V. Demchuk, B. Kalinichenko, T. Yeranskaya // Energy Safety and Energy Economy. 2010. No. 4(34). P. 7-10 (in Russian).
4. Industrial Standard OST 4G 0.033.200. Brazing alloys and fluxes for soldering, solder pastes. Brands, composition, properties and application. Moscow, 2011 (in Russian).
5. Vologdin V., Kush E., Asamov B. Induction soldering. Leningrad: Mashinostroyeniye, 1989. 72 p. (in Russian).
6. Software for analysis of inductive thermal fields / Ye. Krokhmal, S. Zeman, S. Vladimirov, A. Krakhlmal // Proceedings of TUSUR. 2005. No. 3(11). P. 16-23 (in Russian).
7. Soldering. Reference Book / Under ed. of I. Petrunin. Moscow: Mashinostroyeniye, 2003. 480 p. (in Russian).
8. Menovshikov V., Yeresko T., Yeresko S. Joints of machine parts. Student's Guide. Krasnoyarsk: Siberian State Aerospace University, 2009. 193 p. (in Russian).
9. Kuznetsov O., Pogalov A. Strength of soldered joints. Moscow: Mashinostroyeniye, 1987. 112 p. (in Russian).
10. Avrushenko B. Rubber seals. Leningrad: Khimiya, 1978. 136 p. (in Russian).
11. Sealings and sealing equipment. Reference Book / Under general ed. of A. Golubev and L. Kondakov. Moscow: Mashinostroyeniye, 1986. 464 p. (in Russian).
12. Flitney R. Seals and Sealing Handbook. 6th Edition. Butterworth-Heinemann, 2014. 648 p.
13. Chandrasekaran V.C. Rubber seals for fluid and hydraulic systems. Oxford: Elsevier, 2010. 160 p.
14. KoshalD. Manufacturing Engineer's Reference Book. 1 st Edition. Brighton: Butterworth-Heinemann, 1993. 896 p.
15. Parker O-ring Handbook. 50th Edition. Parker Hannifin Corporation, 2018. 292 p.
16. Heat aging effects on the material property and the fatigue life of vulcanized natural rubber, and fatigue life prediction equations / J.-H. Choi, H.-J. Kang, H.-Y. Jeong,
T.-S. Lee, S.-J. Yoon // Journal of Mechanical Science and Technology. 2005. Vol. 19. No. 6. P. 1229-1242. DOI: 10.1007/BF02984044.
17. Fundamentals and advances in the adhesion of polymer surfaces and thin films / L. Gong, L. Xiang, J. Zhang, J. Chen, H. Zeng // Langmuir. 2019. Vol. 35. No. 48. P. 15914-15936. DOI: 10.1021/acs.langmuir.9b02123.
18. Adhesion of polymers / F. Awaja, M. Gilbert, G. Kelly, B. Fox, PJ. Pigram // Progress in Polymer Science. 2009. Vol. 34. No. 9. P. 948-968. DOI: 10.1016/j.progpolymsci.2009.04.007.
19. BratasyukN., KolchevA., Nikulin A. Multi-purpose pene-trators for cables with heat-resistant mineral isolation // Transactions of Krylov State Research Centre. 2019. No. 390. P. 186-193 (in Russian). DOI: 10.24937/25422324-2019-4-390-186-193
20. Bratasyuk N.A., Zuev V. V. The effect molecular weight of polyol components on shape memory effect of epoxy-polyu-rethane composites // Polymer Engineering & Science. 2021. Vol. 61. No. 10. P. 2674-2690. DOI: 10.1002/pen.25795.
Сведения об авторах
Братасюк Никита Андреевич, аспирант Университета ИТМО, инженер-технолог 3-й категории филиала «ЦНИИ СЭТ» ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. E-mail: bratasyukna@gmail.com. https://orcid.org/0000-0002-0349-964X.
Цыбленко Ян Александрович, инженер-конструктор 2-й категории филиала «ЦНИИ СЭТ» ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. E-mail: set.nio 13 @gmail. com.
Осетров Константин Олегович, аспирант Университета ИТМО, инженер-технолог 3-й категории филиала «ЦНИИ СЭТ» ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. E-mail: ko_osetrov@itmo.ru. https://orcid.org/0000-0003-3147-4500.
About the authors
Nikita A. Bratasyuk, Post-Graduate of ITMO University, 3rd Category Production Design Engineer, SET Branch of Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. E-mail: bratasyukna@gmail.com. https://orcid.org/0000-0002-0349-964X. Yan A., Tsyblenko, 2nd Category Design Engineer, SET Branch of Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. E-mail: set.nio13@gmail.com.
Konstantin O. Osetrov, Post-Graduate, ITMO University, 3rd Category Technology Engineer, SET Branch of Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. E-mail: ko_osetrov@itmo.ru. https://orcid.org/0000-0003-3147-4500.
Поступила / Received: 15.11.21 Принята в печать / Accepted: 22.11.21 © Коллектив авторов, 2021
