CC BY
0ранее в ИПНГ СО РАН. А замедление охлаждения места сварки может производиться в режиме компенсации ускоренного конвективного охлаждения места сварки путем выставления объекту регулирования цели (уставки) температуры внешней поверхности муфты по закону, справедливому для таковой при охлаждении места сварки в нормальных условиях так, чтобы скорость охлаждения материала сварного шва соответствовала нормальной, что позволит достичь высокой прочности соединения. Также результатом моделирования является подбор физических характеристик компонентов для изготовления устройства внешнего подогрева.
Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (рег. № 122011100162-9).
Список литературы
1. Старостин Н.П., Ботвин Г.В., Петров Д.Д., Данзанова Е.В. Технология электромуфтовой сварки при низких температурах окружающего воздуха // Новые материалы и технологии в условиях Арктики: Материалы VI Международной конференции с элементами научной школы для молодежи, посвященной 30-летию высшего химического образования в Республике Саха (Якутия). Якутск, 2023. С. 15-17.
2. Старостин Н.П., Аммосова О.А. Управление тепловым процессом электромуфтовой сварки полиэтиленовых труб при низких температурах // Сварка и диагностика. 2017. № 5. С. 21-25.
3. Старостин Н.П., Аммосова О.А., Петров Д.Д. Управление охлаждением при электромуфтовой сварке полиэтиленовых труб при низких температурах с помощью закладного нагревателя // Сварка и диагностика. 2022. № 3. С. 51-55. DOI: 10.52177/2071-5234_2022_03_51
4. Петров Д.Д., Ботвин Г.В., Старостин Н.П., Данзанова Е.В., Аммосова О.А., Татаринов М.Ф. Способ муфтовой сварки полимерных труб при низких температурах воздуха // Патент РФ № 2810859. 2023. Бюл. № 1.
УДК 539.217:620.169
DOI 10.24412/cl-37255-2024-1-286-290
РАЗВИТИЕ ИНЖЕНЕРНОЙ КЛИМАТОЛОГИИ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ. КЛИМАТОГРАММЫ ЯКУТСКА
Старцев О.В.
Федеральный исследовательский центр «Якутский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук», обособленное подразделение Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАН, г. Якутск
E-mail: startsev@iptpn.ysn.ru
Аннотация. В развитие фундаментальных представлений инженерной климатологии рассмотрен вариант расчета климатограмм Якутска, учитывающий перегревы поверхности образцов полимерных материалов при их экспонировании в открытых климатических условиях. Показано, что перегревы поверхности образцов уменьшают относительную влажность воздуха вблизи тестируемого материала и существенно влияют на интегральные сочетания температуры и влажности при натурной экспозиции исследуемого полимерного материала. Предложенный поход предназначен для количественной оценки эффектов старения и достоверного моделирования свойств полимерных образцов. Ключевые слова: полимерные материал, климатическое старение, климатограмма, температура, влажность.
Почти 40 лет назад Ю.С. Уржумцевым и И.Н. Черским были сформулированы принципы инженерной климатологии [1], которые активно развиваются в современной теории и практике климатических испытаний полимерных и полимерных композиционных материалов (ПКМ) [2]. Выявлены разнообразные закономерности, помогающие понять сущность физико-
химических превращений в полимерах при климатических воздействиях [3]. Однако из-за многокомпонентной природы полимеров и ПКМ общая количественная теория их старения не завершена [2]. Для прогнозирования срока службы полимерных изделий используются упрощенные эмпирические или аналитические зависимости, учитывающие температуру и относительную влажность воздуха, интенсивность и дозу солнечной радиации, количество и состав атмосферных осадков, содержание химически активных аэрозолей и другие факторы внешней среды [2].
Авторы работы [1] обратили особое внимание на необходимость измерения механических показателей при температуре эксплуатации, характерной для выбранного региона. Поэтому такая характеристическая температура должна быть определена с высокой точностью. ГОСТ 15150-69 установил макроклиматическое районирование земного шара, по которому срок службы объекта вычисляется из основополагающей формулы
Ь = Аехр{^^~пС~т),
где Ь - срок службы, Т - абсолютная температура, ф - относительная влажность воздуха, С - концентрация агрессивной среды воздуха, А, В, п, т - коэффициенты, зависящие от природы материала и условий применения, определяемые экспериментально для конкретного полимера или ПКМ.
Согласно ГОСТ 15150-69 для каждого типа климата строятся климатограммы, представляющие собой графическое изображение совокупности сочетаний температуры и влажности воздуха, нанесенное на координатную сетку, на которой указаны значения температуры, относительной и абсолютной влажности воздуха.
Для примера на рис. 1 показана климатограмма Москвы для образца алюминиевого сплава Д16-АТ с покрытием ЭП-140 черного цвета, построенная по результатам обработки массива данных, по температуре и относительной влажности воздуха (синие линии) [4].
На климатограмме (рис. 1) проведены три граничные линии: наружная (обозначена «100%») определяет области абсолютных экстремальных значений, средняя и внутренняя определяют соответственно области 65 и 35% повторяемости значений сочетания «влажность - температура», рассчитанных с доверительной вероятностью 0,90. Граничные линии получены при учете продолжительности каждого сочетания температуры (с дискретностью 2-5°С) и относительной влажности (с дискретностью 5-10%).
Современный вариант представления температуры и влажности атмосферы на примере Москвы и Саранска представлен в работе [5]. Однако расчеты по ГОСТ 15150 и по алгоритмам работ [4, 5] не учитывают уменьшение относительной влажности воздуха вблизи перегретой поверхности образца, проанализированное в работе [6].
Рисунок 1 — Климатограмма Москвы для образца алюминиевого сплава Д16-АТ с покрытием ЭП-140 черного цвета, построенная по температуре и относительной влажности воздуха (синие линии), температуре поверхности образца и относительной влажности воздуха (красные линии) [4]. Заштрихованная область - перегрев, не учитываемый ГОСТ 15150-69
Для корректной характеристики климата при экспонировании полимерных материалов необходимо учитывать также уменьшение относительной влажности воздуха вблизи нагретой поверхности определяемое соотношением [6]:
_ /1,8Г-0Д8'Г5-240,46\8 ф — Ф ( 1,62Г5-240,46 ) '
в котором ф - относительная влажность при температуре окружающего воздуха Т, Т - температура поверхности образца.
На рис. 2. показан пример суточного изменения температуры и относительной влажности образца углепластика, измеренных 1 июля в открытых условиях теплого влажного климата [6]. В ночное время показатели ф и в открытой атмосфере и вблизи поверхности образца одинаковы. В дневное время температура окружающего воздуха на климатической площадке возрастает на 7,5°С, а на поверхности пластины композита на 28,4°С. Такой значительный перегрев поверхности приводит к уменьшению относительной влажности воздуха у поверхности образца углепластика от 80 до 22%.
б
Рисунок 2 - Температурный (а) и влажностный (б) режимы поверхности образца углепластика по результатам измерений гигрохроном DS1923-F5 и датчиками метеостанции
Davis Vantage PRO 2 6152EU [6]
Учет уменьшения относительной влажности воздуха при перегреве поверхности полимерных образцов под воздействием солнечного облучения позволяет установить истинное состояние атмосферы и существенно уточнить климатограммы представительных регионов. Пример реальных климатограмм Якутска для двух материалов, рассчитанных по методике [4], показан на рис. 3.
Температура гр.С Температура, гр.С
а б
Рисунок 3 - Климатограммы Якутска для углепластика (а) и алюминиевого сплава с эпоксидным покрытием ЭП-140 черного цвета (б), построенные по температуре и относительной влажности воздуха (синие линии), температуре поверхности образца и относительной влажности воздуха у
поверхности образцов (красные линии)
Климатограммы, учитывающие реальное состояние атмосферы полимерных материалов при их натурной экспозиции, позволяют уточнить или пересмотреть ряд сложившихся представлений о макроклиматическом районировании земного шара, о выборе эквивалентных режимов ускоренных испытаний, о характеристической температуре измерений механических показателей климатически состаренных материалов. Полученные результаты можно использовать для оценки старения и моделирования свойств полимерных образцов в открытых климатических условиях при суточном усреднении метеорологических показателей.
Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (тема № FWRS-2024-0095) и с использованием научного оборудования
ЦКП ФИЦ ЯНЦ СО РАН.
Список литературы
1. Urzhumtsev Yu.S., Cherskii I.N. Scientific principles of engineering climatology of polymeric and composite materials. // Mechanics of Composite Materials. 1986. Vol. 21. P. 498-504.
2. Каблов Е.Н., Старцев В.О., Лаптев А.Б. Старение полимерных композиционных материалов. М.: ВИАМ, 2023. 536 с.
3. Kablov E.N., Kirillov V.N., Startsev O.V., Krotov A.S. Climatic aging of composite aviation materials: III. Significant aging factors. // Russian Metallurgy (Metally). 2012. Vol. 2012. P. 323-329.
4. Каблов Е.Н., Старцев В.О. Измерение и прогнозирование температуры образцов материалов при экспонировании в различных климатических зонах. // Авиационные материалы и технологии. 2020. № 4(61). С. 47-58.
5. Низина Т.А., Низин Д.Р., Селяев В.И., Спирин И.П., Станкевич А.С. Большие данные при прогнозировании климатической стойкости строительных материалов. Температура и влажность воздуха. // Строительные материалы и изделия. 2023. Т.6, № 3. С. 18-30.
6. Salnikov V.G., Startsev O.V., Lebedev M.P., Kopyrin M.M., Vapirov Yu.M. The influence of diurnal and seasonal variations of relative humidity and temperature on coal-plastic moisture saturation in open climatic conditions // Polymer Science, Series D. 2023. Vol. 16. P. 131-136.
