CC BY
39
Поиск надежных диэлектрических материалов для электродных систем установок электроразрядного
шпурового разрушения
А. Р. Ризун, Т. Д. Денисюк, А. Н. Рачков
Институт импульсных процессов и технологий НАН Украины, пр. Октябрьский, 43-А, г. Николаев, 54018, Украина e-mail: iipt@iipt.com.ua
Исследованы физико-механические и диэлектрические свойства изоляторов для электрогидро-импульсных электродных систем с целью повышения устойчивости их элементов, находящихся в зоне плазменного канала разряда, при электроразрядах с высоким энергетическим потенциалом.
Ключевые слова: электродная система, механическая прочность и температурная устойчивость изоляционных материалов, импульсная электрическая прочность диэлектриков, напряжeнность поля.
УДК 621.3.03:537.5:622.236
Электроразрядная импульсная технология разрушения (ЭРИТР) относится к новым перспективным разработкам, обеспечивающим высокую чистоту производства и производительность со сравнительно низкими затратами энергии. Особенно востребованным является использование электроразрядов для разрушения неметаллических материалов высокой прочности, в том числе железобетона, кирпичных фундаментов, скал, донных грунтов и др. [1, 2]. Для обеспечения эффективности ЭРИТР возникла необходимость в разработке надежных электродных систем (ЭС), которые состоят из анода, катода и разделяющего их изолятора. Электроразрядное разрушение крупных объектов выполняется по схеме шпурового разрушения. В этом случае ЭС находятся в закрытом объеме шпура, заполненного водой, и испытывают действия высокой температуры и давления, генерируемых в канале разряда (рис. 1).
1
- к ГИТ
Рис. 1. Электродная система в шпуре. 1 - анод; 2 - катод; 3 - изолятор; 4 - шпур; 5 - канал разряда.
Средний статистический ресурс ЭС используемого электроразрядного оборудования шпуро-
вого разрушения с напряжением накопительного блока 6 и 10 кВ составляет не более 200 разрядов, что является сдерживающим фактором его широкого внедрения [3-5].
Кроме того, с целью расширения возможностей повышения мобильности и эффективности оборудования возникла потребность значительного снижения его массогабаритов за счет уменьшения количества емкостных накопителей, увеличения напряжения до 25 кВ и использования инициирования разрядов высокоэнергетическими смесями (ВЭС). Такие преобразования потребовали поиска надежных диэлектриков, определяющих надежность не только ЭС, но и всего оборудования.
Цель настоящей работы - поиск материалов с высокими показателями физико-механических и диэлектрических свойств для ЭС, обеспечивающих высокую надежность элементов при воздействии высоких температур и давлений, генерируемых электроразрядами в замкнутом объеме шпурового разрушения.
Объем экспериментов в поисках надежных изоляционных материалов для ЭС разделен на три части: испытания изоляционных материалов на воздействие высоких температур и динамические нагрузки; испытания диэлектриков на пробой; испытания изоляции ЭС в работе с инициированием разрядов ВЭС.
ИСПЫТАНИЯ ИЗОЛЯТОРОВ НА ВОЗДЕЙСТВИЕ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР И ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК
Для проведения исследований разработан экспериментальный стенд, состоящий из генера-
© Ризун А.Р., Денисюк Т.Д., Рачков А.Н., Электронная обработка материалов, 2016, 52(5), 90-94.
Таблица 1. Техническая характеристика экспериментального стенда
Наименование параметра Значения
Емкость, мкФ от 2,0 до 20,0
Рабочее напряжение, кВ от 25,0 до 50,0
Частота следования импульсов, Гц 2,0
Индуктивность, Гн 4-10-6
Таблица 2. Физико-механические и электрические свойства образцов
Образцы Плотность, кг/м3 Твердость Температура Электри- Тепловое сопро- Относи-
по плавления, ческая проч- тивление, Ом-м тельная
Бринеллю, °С ность, кВ/мм диэлектри-
МПа ческая проницаемость
Полиэтилен 900,0-930,0 14,0-25,0 105,0-108,0 30,0-60,0 3,0-4,0 2,28-2,33
Кремний орга- 962,0 12,0-15,0 108,0 15,0-40,0 5,0-7,0 3,0-3,5
ническая резина
Фторопласт-4 2150,0-2240,0 30,0-40,0 327,0 20,0-100,0 5,0-8,0 2,02-2,1
Полипропилен 910,0 40,0-70,0 164,0-170,0 40,0-60,0 9,0 3,25
Кремний орга- 970,0 10,0-14,0 103,0 20,0-50,0 5,0-6,0 2,8-3,0
нический поли-
мер - силикон
тора импульсных токов (ГИТ) с параметрами, представленными в табл. 1, и технологического узла, включающего разрядную камеру и оснастку для укладки испытательных образцов материалов (рис. 2).
к ГИТ
Рис. 2. Экспериментальный стенд. 1 - корпус камеры; 2 - крышка камеры; 3 - электрод; 4 - испытуемый образец; 5 - оснастка; 6 - противоэлектрод; 7 - отверстие в образце.
Рис. 3. Образцы для испытаний. 1 - отверстие для крепления; 2 - технологическое отверстие.
В качестве объектов исследований отобраны полимеры с наиболее высокими физико-механическими и электрическими характеристиками (табл. 2) [6], из которых изготовлены диски диаметром 100 мм и толщиной 1 мм с центральным отверстием диаметром 9 мм (рис. 3). Образцы поочередно устанавливались на дно разрядной камеры и закреплялись таким образом, чтобы канал разряда проходил сквозь отверстие,
обеспечивающее проходную зону первоначального расширения канала разряда.
Каждый образец испытывался при одинаковых параметрах ГИТ. Камера заполнялась водой и закрывалась крышкой, создавая таким образом замкнутый объем. Электрод подключался к ГИТ и производились разряды от активной части токоведущего стержня электрода на пластинчатый противоэлектрод. Канал разряда, проходя через центральное отверстие, оказывал быстродействующие температурное и динамическое воздействия на образец. После каждых пяти импульсов оснастка извлекалась, производился визуальный осмотр образцов с использованием оптических инструментов. При обнаружении на поверхности образца трещин, отколов или оплавления краев отверстия на величину свыше 3 мм испытания прекращались. При отсутствии появления дефектов испытания производились до 100 импульсов. Результаты исследований занесены в табл. 3.
Образцы из полиэтилена разрушились в самом начале испытаний ввиду высокой хрупкости. Фторопласт оказался более устойчивым к динамическим нагрузкам и воздействию высокой температуры, чем полиэтилен. Разрушение образцов из фторопласта произошло с образованием радиальных трещин по периметру отверстия. Образцы из силикона, имеющие более высокую вязкость, выдержали динамическую нагрузку, но произошло оплавление по периметру отверстия в результате более низкой температуры плавления материала. Лучшие показатели по механической прочности и температурной устойчивости имеет полипропилен.
Таблица 3. Результаты термодинамических испытаний образцов пластмасс
Материал Параметры разрядного контура Результаты визуального осмотра
^ кВ п, имп.
Полиэтилен 50 20 Материал полностью разрушился
Кремний органическая резина 50 10 Материал не разрушен, оплавление кромок по контуру отверстия на глубину до 5 мм
Фторопласт-4 50 100 В материале образовались две трещины размерами 40 и 20 мм
Полипропилен 50 100 Материал не разрушен, оплавление кромок по контуру отверстия на глубину не более 1 мм
Кремний органический полимер -силикон 50 100 Материал оплавился в области краев до 150 мм
ИСПЫТАНИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ НА ПРОБОЙ
Для проверки электрической прочности на пробой диэлектрических материалов в условиях рабочего напряжения 25 кВ и импульсных нагрузок электроразрядов, инициированных ВЭС, проведены исследования на том же экспериментальном стенде (рис. 2). Для испытаний использованы такие же образцы, что и в первой части, но без центрального отверстия. Величина подаваемого электрического напряжения составляла до 50 кВ, что почти в два раза превышает рабочее напряжение электроразрядных установок по разрушению. Пробой фиксировался прибором АИИ-70М. Проверка диэлектрических материалов на пробой проводилась электроразрядами с разрядным промежутком от 0,035 до 0,07 м и напряженностью электрического поля активной зоны 7,2-105 кВ/мм.
Результаты испытаний представлены в табл. 4.
Таблица 4. Результаты испытаний исследуемых диэлектриков на пробой
Материал (образцы) Электрическая прочность, кВ/мм
Полиэтилен 40,0
Кремнийорганическая 32,0
резина
Фторопласт-4 46,0
Полипропилен 48,0
Кремнийорганический 35,0
полимер - силикон
Исходя из экспериментально полученных результатов исследований электрической прочности, в качестве диэлектрика можно использовать любой из пяти материалов, но по испытаниям на динамическую прочность и воздействию высоких температур для производства электродных систем в качестве изоляторов предпочтительнее использование полипропилена.
ИСПЫТАНИЯ ИЗОЛЯЦИИ ЭС В РАБОТЕ
С ИНИЦИИРОВАНИЕМ РАЗРЯДОВ ВЭС
На практике для разрушений прочных грунтов требуется энергия разрядов 100 кДж и более.
Такую энергию без изменения рабочего напряжения 25 кВ можно получить двумя способами: за счет увеличения емкости (количества емкостных накопителей) или посредством инициирования разрядов ВЭС. Первый способ ведет к увеличению массы оборудования, его себестоимости. Второй способ обеспечивает мобильность оборудования за счет небольших массогабаритов и характеризуется значительно меньшими удельными затратами энергии.
В качестве ВЭС использована смесь порошка А1 - 40% и селитры - 60%. В работах [7, 8] установлена зависимость величины энергии, необходимой для разрушения, от прочности материалов и количества ВЭС для генерации энергии (табл. 5).
Таблица 5. Зависимость величины энергии, необходимой для разрушения, от количества ВЭС и прочности материалов
Прочность материала, МПа Требуемая энергия, кДж Масса ВЭС, кг-10-3
20,0 20,0 1,6
30,0 62,0 6,0
40,0 100,0 8,0
50,0 150,0 16,0
70,0 220,0 24,0
100,0 500,0 32,0
С увеличением энергии разряда, инициированного ВЭС, при неизменной напряженности поля 7,2-105 В/м увеличиваются термодинамические нагрузки на изолятор ЭС.
Для исследований надежности изоляции ЭС из полипропилена установлено начальное расчетное значение его сечения 5. Исходя из электрической прочности диэлектрика 48 кВ/мм, величины энергии накопителей 6 кДж и напряжения 25 кВ, его величина равна 0,52 мм. Для разрушения высокопрочного материала, например грунта прочностью 40 МПа, требуется энергия 100 кДж (табл. 5), что в 16,7 раза превышает энергию накопителей. Таким образом, сечение изолятора 5 для этого случая составляет 8,7 мм.
Рис. 4. Электрод. 1 - анод; 2 - катод; 3 - изолятор; 4 - капсула с ВЭС в канале разряда.
(а) (б) (в)
Рис. 5. Испытания ЭС на бетонном блоке. (а) - бетонный модельный блок; (б), (в) - этапы разрушения модельного блока.
На основании полученных результатов разработан образец электрода (рис. 4).
Следует отметить, что ЭС для электроразрядов, инициируемых ВЭС, испытывают большие нагрузки от давлений в процессе горения ВЭС. Активная часть электрода находится в зоне сжатия и при взрывном горении ВЭС, кроме больших давлений, испытывает также температурное воздействие по времени, равное горению ВЭС.
Эффективность и надежность разработанного электрода проверены на бетонном модельном блоке, изготовленном из бетона марки 400 (прочность на сжатие не менее 40 МПа) в виде параллелепипеда с размерами 600х600х700 мм. Шпур диаметром 43 мм располагался в центре образца и имел глубину 500 мм (рис. 5а). Произведенный электроразряд с использованием в капсуле ВЭС массой 8,0-10-3 кг и расчетной энергией 100 кДж обеспечил разрушение образца (рис. 5б,в).
Рис. 6. Испытания ЭС в водной среде с использованием ВЭС массой 32,0-10-3 кг.
Для прогнозирования ресурса работы изготовленного электрода была проведена серия испытаний ЭС в водной среде (рис. 6) с повышением энергии до 500 кДж и соответствующим увеличением сечения изолятора. После серии из 300 разрядов следов разрушения изолятора не выявлено.
ВЫВОДЫ
Из исследуемых высокопрочных диэлектриков полипропилен оказался наиболее устойчивым к явлениям, характерным для электроразрядных процессов. Высокая стойкость полипропиленовых изоляторов к механическим, температурным и электрическим воздействиям дает возможность значительно повысить надежность ЭС и в целом всего оборудования [9].
ЛИТЕРАТУРА
1. Гулый Г.А. Научные основы разрядно-импульсных технологий. Киев: Наукова думка, 1990. 208.
2. Ризун А.Р., Голень Ю.В., Муштатный Г.П. ЭОМ. 2006, 42(2), 20-22.
3. Теляшов Л.Л., Поздеев В.А. Материалы 4-й Всесоюзной конференции «Электрический разряд в жидкости и его применение в промышленности» (сентябрь 1988), Николаев, 1988, (1), 99-102.
4. Баранов А.Н. Разработка высоковольтных электродов для электроимпульсной утилизации железобетона и бурения шпуров. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. Томск, 1992. 24.
5. Электровзрывные силовые импульсные системы. Под ред. В.А. Заварихина. Киев: Наукова думка, 1987. 220.
6. Воробьев Г.А. Физика диэлектриков. Томск: Изд-во ТПУ, 2003. 244.
7. Rizun A.R., Golen' Yu.V., Denisyuk T.D. Surf Eng Appl Electrochem. 2007, 43(2), 116-118.
8. Вовченко А.И., Посохов А.А., Поздеев В.А.
Электродинамические характеристики высоковольтного электрохимического взрыва. Физико-технические аспекты электровзрывного преобразования энергии. Сб. науч. трудов. Киев: Наукова думка, 1990. 30-41.
9. Ризун А.Р., Голень Ю.В., Денисюк Т.Д. Наука та тновацИ. 2014, (5), 18-23.
Поступила 06.07.15
Summary
The physico-mechanical and dielectric properties of materials for the electrohydropulse electrode systems with a view to improve the sustainability of their elements in the zone of the plasma discharge channel, with electric discharges with a high energy potential.
Keywords: electrode system, mechanical strength and thermal resistance of insulating materials, impulse dielectric strength, field strength.
