CC BY
22Современные технологии
ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ СИНТЕТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХХОЛОДНОГО КЛИМАТА
Савва Николаевич Попов,
директор Института неметаллических материалов СО РАН, доктор технических наук.
Для Севера России характерна низкая зимняя и относительно высокая летняя температура воздуха, большие суточные ее перепады, причем температура воздуха в течение суток может колебаться, достигая точки фазовых превращений воды (замерзания - оттаивания). Территория Якутии отличается экстремальными значениями перечисленных показателей, а также высоким уровнем солнечной радиации. Температура воздуха в зимний период понижается до минус 50-60 °С, а в летнее время может повыситься до 30-35 °С. Суточные перепады температуры достигают 40 °С. По показателям солнечной радиации г. Якутск не уступает, например, г. Ташкенту. В результате воздействия солнечного тепла в весенне-летнее время поверхность материалов сильно нагревается, и суточный перепад температуры может превысить 100 °С.
Вследствие перечисленных особенностей климата к материалам, применяемым в машинах и механизмах, конструкциях и сооружениях на Севере, предъявляются особые требования.
Синтетические материалы - различные типы полимеров и эластомеров, армированные пластмассы - находят массовое применение. Это надземные и подземные трубопроводы для транспортировки горячей и холодной воды, канализационных стоков, газа, нефти и нефтепродуктов; электрическая изоляция для различных кабелей; теплоизоляция; шланги и уплотнители; детали узлов трения и многое другое.
Начало широкого применения синтетических материалов в технике в нашей республике было обусловлено развитием горнодобывающей промышленности и геологоразведочных работ в конце 50-х годов прошлого столетия. При этом практика эксплуатации техники и многочисленные характерные в условиях низких температур случаи отказов деталей машин и механизмов показали недостаточную морозостойкость и низкую долговечность применяемых материалов. В первую очередь, это касалось эластомерных материалов и выпускаемых из них резинотехнических изделий: шин, уплотнений, шлангов, изоляции кабелей и т. д. Только вследствие разгерметизации резиновых уплотнителей наблюдалось до 25-30% всех неисправностей грузовых автомашин и самосвалов. Долговечность шин, шлангов и рукавов высокого давления оказалась существенно ниже, чем в районах умеренного климата, а их разрушение в зимнее время носило массовый характер.
Большое количество отказов и неисправностей машин отмечено в результате применения термопластичных полимеров с недостаточной морозостойкостью - полипропилена и поливинил-хлорида. Поливинилхлоридная изоляция проводов широко использовалась в электросистемах всех машин, поставляемых на Север. Несмотря на то, что электропроводка при эксплуатации машин практически не подвергается динамическим нагрузкам (ударам), вибрация отдельных её незакрепленных участков оказалась достаточной причиной разрушения изоляции. Небольшой опыт строительства трубопроводов для мелиоративных систем с использованием труб из этих материалов показал их полную непригодность для северных условий. Различные марки ударопрочного полипропилена, исход-
ная морозостойкость которых казалась достаточной, показали низкую долговечность корпусных деталей и покрытий. Анализ многочисленных отказов техники, эксплуатируемой в условиях холодного климата, позволяет выявить две основные причины неисправностей:
- применение неморозостойких материалов;
-снижение морозостойкости и других свойств материалов в процессе эксплуатации, вызывающее значительное ухудшение показателей надежности и долговечности деталей, машин и конструкций.
Устранение первой причины кажется достаточно простым и может быть выполнено на этапе проектирования машин и механизмов путем применения материалов только с достаточным уровнем морозостойкости. Однако для синтетических материалов, например, резин, определение этого уровня даже по конкретным техническим параметрам не всегда столь просто. Дело заключается в том, что в нормативной документации (технических условиях), как правило, указываются характеристики образцов материала, которые не всегда учитывают особенности эксплуатации и конструктивного оформления изделий из этого материала.
В качестве примера можно рассмотреть широко распространенные в гидросистемах машин уплотнительные кольца круглого сечения. Для их изготовления в исполнении ХЛ (для машин и приборов, предназначенных для эксплуатации в условиях холодного климата) рекомендуются резины на основе бутадиен-нитрильного каучука СКН-18. Основными показателями морозостойкости резин по ГОСТ 14892-69 являются температурный предел хрупкости (ГОСТ 7912-74) и коэффициент морозостойкости по эластическому восстановлению после сжатия (ГОСТ 13808-79). Для различных марок резин на основе СКН-18 температура хрупкости около минус 50 °С, а коэффициент морозостойкости при этой температуре около 0,4. Первый параметр показывает, что резиновые образцы размером приблизительно со спичку при этой температуре не ломаются при ударном изгибе на 90°. Второй параметр характеризует восстанавливаемость цилиндрического резинового образца высотой 10 мм и диаметром 10 мм, предварительно сжатого при низкой температуре на 10%, а затем освобожденного. Но дело в том, что уплотнительные кольца или детали никогда не подвергаются деформациям на изгиб в указанных выше пределах. Кольца круглого сечения вообще не изгибаются, а изгиб уплотнительных кромок манжетных уплотнений не превышает 10° и является статическим. Поэтому уплотнения на самом деле могут работать при температурах значительно ниже температуры хрупкости.
Коэффициент морозостойкости по методу
его определения в некоторой степени может характеризовать работу герметизаторов торцовых соединений. В связи с большим разнообразием применяемых форм и конструктивных особенностей уплотнительных деталей этот параметр для радиальных герметизаторов можно считать также в большей мере качественным. Имеющийся опыт эксплуатации уплотнений показывает, что герметичность неподвижных соединений при использовании уплотнительных колец сохраняется даже при коэффициенте морозостойкости 0,05. Для подвижных уплотнений величина утечек зависит не только от свойств уплотнителя, но и конструктивных особенностей и точности изготовления деталей уплотнительного узла, например, от статического эксцентриситета и динамического биения вала. Для обеспечения полной герметичности вращающихся соединений при низких температурах необходимо использование материалов с коэффициентом морозостойкости 0,5-0,4. Для уплотнений при возвратно-поступательном движении с относительно небольшими скоростями скольжения возможно применения материалов с коэффициентом 0,4-0,3.
Таким образом, правильно выбрать материал для использования в конкретном агрегате или конструкции достаточно сложно. Влияние факторов климата на долговечность синтетических материалов еще более затрудняет ситуацию. Происходит это по следующим причинам.
При длительном воздействии высоких или низких температур и их перепадов, а также при замерзании и оттаивании влаги в микропорах и микротрещинах при взаимодействии материала с окружающей средой, сорбции и десорбции влаги в полимерах происходят структурные и химические превращения. Для различных видов пластмасс эти процессы протекают не одинаково. У одних полимеров структурные изменения протекают достаточно быстро, и это может стать причиной сокращения долговечности их эксплуатации. В других материалах, например, с низкой химической стойкостью, при взаимодействии со средой могут происходить химические превращения, существенно влияющие на технические показатели.
Следует отметить, что рассмотренные процессы у многих разновидностей полимеров могут протекать одновременно, к тому же у отдельных материалов деструкция может сопровождаться структурированием. Поэтому возможность применения в условиях Севера даже достаточно хорошо зарекомендовавших себя в умеренном климате полимерных материалов является отдельной и весьма сложной проблемой современного материаловедения.
С 1971 г. в Институте неметаллических материалов (ИНМ) СО РАН были начаты систематичес-
кие исследования закономерностей изменения свойств полимерных и композиционных материалов при воздействии на них агрессивных факторов холодного климата. Изучались практически все виды полимеров, выпускаемые химической промышленностью СССР, а также ряд материалов зарубежного производства. Кроме того, по заказам отдельных предприятий и ведомств проводились испытания изделий и агрегатов с целью определения их работоспособности и долговечности при эксплуатации в северныхусловиях.
Несколько позднее, с середины 80-х годов, в ИНМ были начаты работы по целенаправленной разработке материалов, в основном триботехни-ческого назначения, для применения в широком диапазоне температур и нагрузок.
Исследования старения материалов при воздействии климатических факторов в соответствии с нормативными требованиями проводились на открытом полигоне и в условиях их складского хранения в неотапливаемом помещении. Действующие ГОСТы предусматривают периодический контроль в процессе экспонирования материалов над их механическими свойствами: прочностью и относительным удлинением при разрыве, ударной вязкостью; фрак-тографические исследования структуры на макромолекулярном уровне и т.п. В результате исследований выявляются закономерности изменения свойств материалов и анализируются механизмы разрушения материалов в различных условиях.
На рис. 1 представлено разрушение полиэтиленовых труб под воздействием внутреннего давления при различных отрицательных температурах. Фрактографический анализ показывает, что при понижении температуры проведения испытаний наблюдается смена механизма разрушения. При относительно высоких температурах разрушение материала носит вязкопластический характер. При температурах ниже минус 40° разрушение про-
исходит квазихрупко с образованием одиночной трещины без каких-либо вздутий и пластических деформаций. Учет изменения механизма разрушения в расчетах прочности трубопроводов позволяет более точно определять безопасные режимы эксплуатации.
Для практического применения особый интерес представляют разрабатываемые в институте методы прогнозирования изменения свойств материалов и методы проведения ускоренных климатических испытаний.
Первые результаты разработанных методов позволяют, исходя из информации, получаемой при достаточно кратковременных натурных испытаниях материалов, прогнозировать остаточную прочность в течение более продолжительного периода. Например, по результатам 2-3-летних испытаний можно прогнозировать изменение прочности материалов на 10 лет и более.
Применение методов ускоренных испытаний обеспечивает возможность имитации процессов естественного старения материалов выдержкой в специальных климатических камерах при более жестких усло-вияххранения.Технические характеристики климатических камер позволяют исследовать воздействия на материалы перепадов температуры большой частоты и амплитуды в воздухе заданной влажности с одновременным ультрафиолетовым облучением. В таких условиях старение материалов происходит более интенсивно, поэтому продолжительность экспериментов значительно сокращается.
Исследования климатической устойчивости синтетических материалов, проводимые в течение трех десятилетий, позволили получить обширный объем экспериментальной информации по изменению свойств полимеров, эластомеров и армированных композитов при экспонировании их на открытом полигоне и в условиях складского хранения. Эксперименты проводились с образцами мате-
Рис. 1. Разрушение полиэтиленовых труб при низких температурах.
Рис.2. Экспонирование полимерных образцов на открытом полигоне.
риалов, находящихся в следующих условиях: в свободном состоянии, при сжатии или растяжении, а также в сложно-напряженном состоянии, например, при одновременном растяжении и скручивании (рис.2).
Результаты всех исследований по изучению старения материалов в условиях холодного климата в настоящее время собраны в информационном банке. Пользователи банка имеют возможность детально ознакомиться с данными по фактическому изменению свойств материалов при старении и прогнозными показателями их работоспособности и долговечности в различных эксплуатационных условиях.
Приведем пример эффективного использования результатов исследований процессов старения одного из наиболее распространенных полимеров - полиэтилена.
Полиэтилен -достаточно прочный и морозостойкий материал, использующийся для производства
тары, защитных покрытий (пленок), труб и многого другого. Особенно широко полиэтилен применяется при строительстве трубопроводов для транспортировки воды, канализационных стоков и природного газа. Однако в северных регионах с рас-
Таблица 1
Механические и триботехнические свойства фторопластовых композиционных материалов
Материал Прочность при разрыве, МПа Относительное удлинение, % Массовый износ, мг Линейный износ, мкм
ПТФЭ + р-сиалон 17-20 270-290 28-32 55-57
П ТФЭ+оксинитрид иттрия-кремния 22-23 280-290 18-19 30-31
ПТФЭ+оксинитрид бора-кремния 16-18 200-250 1-12 2-50
ПТФЭ + шпинель 17-18 300-310 15-17 40-42
ПТФЭ + шпинель Со 19-20 350-360 70-72 88-90
ПТФЭ + кордиерит 22-23 310-320 30-32 60-62
ПТФЭ + УДА 18 220-250 13-15
ПТФЭ + УДА (1000 Н) 18-19 220-250 23-25
ПТФЭ 20 300 370-375 525-590
ПТФЭ + синий кобальт 25-27 267-293 80-85 260-265
Материал Прочность при разрыве, МПа Относитель ное удлинение, % Объемный износ, см3 Маслостой- кость , % Коэффициент трения Коэффициент морозостой кости при -50 °С
7В14 14,0 170 0,36 -0,029 0,26 0,24 |
+10% свмпэ 13,0 160 0,26 -0,019 20,18 0,40
+0,5% УДАГ 12,5 286 0,29 -0,030 0,2 0,36
+5% цеолит 9,5 170 0,33 -0,022 0,19 0,26
+10% Ф4МБ 13,0 160 0,30 -0,025 0,2 0,56
четной температурой воздуха ниже минус 45 °С применение полиэтиленовых газопроводов было запрещено несмотря на то, что нормативные требования допускают их подземную прокладку.
Проведенные сотрудниками нашего института исследования специальных марок полиэтилена, предназначенных для производства газовых труб, показали следующее.
Прочность полиэтиленовых труб в грунте на глубине более 1 м обеспечена во всем диапазоне температур. Пучение грунтов, характерное для вечной мерзлоты, а также возникновение в грунте морозобой-ных трещин не могут привести к разрушению полиэтиленовых труб. Исследования показали, что при допустимом давлении газа в трубопроводе гарантируется безаварийная долговременная эксплуатация последнего - не менее 50-ти лет.
Результаты опытно-промышленных испытаний внутрипоселковых полиэтиленовых трубопроводов, начатые в 1994 г., полностью подтвердили итоги лабораторных исследований и позволили обосновать отмену действующего ранее запрещения на применение полиэтиленовых труб в северных регионах.
Таблица 2
Механические и триботехнические свойства модифицированных резин
Одним из основных направлений деятельности ИНМ является разработка новых материалов триботехнического назначения. Причина такого выбора была обусловлена низкой надежностью и большим количеством отказов из-за низких температур деталей узлов трения различных уплотнителей, подшипников и опор скольжения.
Первоочередные задачи исследований включали разработку:
- методов повышения морозостойкости
резин;
- новых рецептур полимерных композиционных самосмазывающихся материалов;
-технологий переработки материалов и изготовления деталей узлов трения;
- новых конструкций узлов трения уплотни-тельныхустройств и подшипников скольжения.
Актуальность ускоренного решения перечисленных проблем во многом была обусловлена тем, что начавшееся широкое применение зарубежной техники при разработке в начале 80-х годов Нерюнгринского угольного разреза поставило задачу обеспечения её запасными частями. Применение отечественных материалов для изготовления, например, уплотнений, не обеспечивало уровня герметичности, надежности и долговечности, соответствующего аналогичным показателям материалов, используемых машиностроителями Японии, США и Германии.
Для максимального сокращения сроков освоения опытно-промышленного производства при создании новых триботехнических материалов был принят метод физической модификации серийно выпускаемых промышленностью резин и полимеров. В качестве модифицируемых материалов была выбрана широко распространенная мас-лобензостойкая резина марки 7В14 на основе бута-диен-нитрильного каучука СКН-18, а также самосмазывающийся полимер - фторопласт-4.
Одна из целей модификации - повышение морозо-, износо- и химической стойкости резины и износостойкости фторопласта при сохранении механических свойств.
При физической модификации в основу полимера или резины вводятся порошкообразные
наполнители, которые в процессе вулканизации или спекания воздействуют на надмолекулярную структуру материала. В результате этого происходит изменение его свойств. В зависимости от характеристик наполнителей (химического состава, дисперсности, формы, твердости и других показателей) и их концентрации можно получить совершенно различные свойства композита.
В нашем случае для модификации резин в качестве модифицирующих реагентов были использованы порошки синтетического алмазогра-фита и цеолитов при дополнительном введении сверхвысокомолекулярного полиэтилена и политетрафторэтилена марки Ф4МБ.
Для модификации фторопласта применялись высокодисперсные порошки тугоплавких керамик, шпинелей и синтетических алмазов, получаемых методами плазмохимического, механохими-ческого и детонационного синтеза.
Физико-механические свойства разработанных нами полимерных композиционных материалов и модифицированных резин приведены в табл. 1 и 2, которые показывают, что характеристики новых композиционных материалов по сравнению с немодифицированными полимерами ПТФЭ и ПТФЭ + синий кобальт, а также резиной 7В14 значительно выше.
Стендовые и опытно-промышленные испытания уплотнений дали положительные результаты, и в дальнейшем в ПО «Якутуголь» было организовано собственное производство уплотнений, позволившее значительно снизить затраты на закупку запасных частей за рубежом.
Исследования в области создания новых композиционных полимерных материалов продолжаются. В настоящее время изучаются методы управления свойствами композитов для получения материалов с заданными техническими характеристиками. Исследуются также возможности создания смесевых композиций эластомеров, абразивных материалов на основе полимеров, электропроводящих пластмасс. С результатами исследований, проводимых в ИНМ СО РАН, мы будем знакомить читателей журнала «Наука и техника в Якутии».
Новые книги
Мельничук О. А. Повествование от первого лица. Интерпретация текста. - М.:
Изд-во Моск. ун-та, 2002. - 208 с.
Монография посвящена анализу роли композиционных и грамматических средств в выявлении авторского сознания в произведениях современных франкоязычных авторов с повествованием от первого лица. В книге рассматриваются теории отечественных и зарубежных исследователей текста, связанные с проблемами интерпретации художественных произведений, с ролью автора в мире произведения. Выделяется категория авторского сознания в художественном тексте. Предлагается классификации типовых позиций повествователя(ей) в произведениях с повествованием от первого лица.
Для специалистов по общему и романскому языкознанию, а также для преподавателей и студентов филологических специальностей.
Издание осуществлено при поддержке Института «Открытое Общество» (Фонд Сороса).
