CC BY
5Степень риска зависит от используемого закона распределения ущерба, и представляет собой величину математического ожидания ущерба [1]:
R = У" Pi Xi ¿—¡i=0
(1) где
Pi — вероятность наступления события, которое повлечет за собой ущерб;
Xi — величина ущерба в стоимостном выражении; R — количественная мера риска, выражаемая в тех же показателях, что и ущерб;
п — число возможных вариантов ущербов, которые могут проявляться при наступлении неблагоприятного события.
Топливно-энергетические комплексы (ТЭК) активно воздействуют на окружающую среду. Их функционирование сопровождается значительным поступлением техногенных веществ и тепла в атмосферу, почвы, водоемы, подземные воды вследствие тепловых потерь, сбросов теплообменных вод, газодымовых выбросов, утечек сточных вод из золоотвалов, отстойников и шламонакопите-лей, складирования на поверхности земли твердых отходов тепловых электростанций и пород угольных выработок и др. Все это приводит к тепловому и химическому загрязнению природной среды.
Для оценки степени риска экологической безопасности городской среды целесообразно применение аппарата нечетких множеств. Так, нечеткий подход использовался при оценке экологической безопасности города от воздействия автотранспорта [2].
Для оценки степени риска экологической безопасности городской среды от деятельности ТЭК целесообразно применение аппарата нечетких множеств.
Нечеткий логический вывод для оценки экологических рисков включает в себя следующие основные этапы. При заполнения базы правил выполняется формализация эмпирических данных о предмете исследования в виде нечетких продукционных правил. На этапе фаззификации для всех входных переменных строятся соответствующие функции принадлежности. Затем, после фаззификации находится степень истинности условий по каждому из правил и определяется степень истинности каждого из подзаключений. Полученные функции принадлежности объединяются по всем правилам, и выполняется дефаззи-фикация: находится количественное значение для выходной переменной.
Для предприятий топливно-энергетического комплекса целесообразно применение нечеткого логического вывода по алгоритму Мамдани, так как данный логический вывод осуществляется по нечеткой базе знаний,
в которой все значения входных и выходных переменных заданы нечеткими множествами. Посредством дефаззи-фикации определяется четкое значение выходной переменной [3]. Нечеткой базой знаний называется совокупность нечетких правил <Если-то>, задающих взаимосвязь между входами и выходами исследуемого объекта.
Экспертные знания в области оценки риска деятельности ТЭЦ можно формализовать в виде системы нечетких продукционных правил. Например:
ЕСЛИ [Вероятность реализации угрозы - Низкая] И [Величина ущерба - Низкая] ТО [Риск - Низкий];
ЕСЛИ [Вероятность реализации угрозы - Средняя] И [Величина ущерба - Средняя] ТО [Риск - Умеренный]; и т.д.
По продукционным правилам находится результат логического вывода, путем агрегирования нечетких множеств, которое выполняется как объединение нечетких множеств, полученных в результате нечеткого вывода.
Для принятия решения об экологическом риске необходимо воспользоваться процедурой дефаззифика-ции, т. е. рассчитать четкое значение выхода у, соответствующее входному вектору X*:
y j (x* )y j y = y j (x* ) '
(4)
Вычислив дефаззификацию нечеткого множества ~у, например, методом центра тяжести, получаем количественное значение интегрального показателя риска.
Литература
1. Санжапов Б. Х., Стулова Н. В. Модель поддержки принятия решений в задаче анализа экологического риска загрязнения городской среды объектами топливно-энергетического комплекса // Интернет-вестник ВолгГАСУ. Сер.: Строительная информатика. 2014. Вып. 11(32). Ст. 1. Режим доступа: http://vestnik.vgasu.ru/attachments/SanzhapovStulo va.pdf
2. Санжапов Б. Х., Стулова Н. В. Оценка экологического риска загрязнения окружающей среды от эксплуатации шламоотвала ТЭЦ // Интернет-вестник ВолгГАСУ. Сер.: Строительная информатика. 2014. Вып. 12(36). Ст. 5. Режим доступа: http://www.vestnik.vgasu.ru/
3. Стулова Н. В. Применение аппарата нечетких множеств для анализа экологического риска загрязнения городской среды // Евразийский Союз Ученых (ЕСУ). Технические науки. № 4. 2014. С. 114-116.
ПОВЕДЕНИЕ ВОДОРОДА В ДЕФЕКТАХ СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛОВ
Суранов Григорий Иванович
кандидат технических наук, доцент, Ухтинский государственный технический университет, г. Ухта
Латышев Александр Александрович кандидат технических наук, доцент, Ухтинский государственный технический университет, г. Ухта
THE BEHAVIOR OF HYDROGEN IN THE STRUCTURAL IMPERFECTIONS OF THE METALS
Suranov Grigoriy Ivanovich, Candidate of Technical Sciences, assistant professor of Ukhtinskiy the state technical university, Ukhta
Latyshev Alexander Alexandrovich, Candidate of Technical Sciences, assistant professor of Ukhtinskiy the state technical university, Ukhta
АННОТАЦИЯ
Дефекты в структуре металла трущихся поверхностей (поры, трещины, дислокации) рассматриваются как магнитные ловушки для водорода и элементов примесей, движение которых определяется законам движения заряженных частиц в магнитном поле, что подтверждает автограф водорода в лунке (модель трещины), вырезанной на поверхности стального образца.
В процессе электролитического наводороживания чугунных образцов образуется не только метан, но и другие гомологи углеводорода (от этана до гексана). При длительном хранении в отбираемых пробах газа увеличивается содержание метана (на два порядка и более). Поскольку метан образуется с уменьшением объема, в бутылке создается разрежение, ее пластичные стенки деформируются, повышается уровень гидрозатвора, поступает воздух. Разрежение в дефектах способствует диффузии водорода и других газообразных элементов и примесей, и определяет длительность инкубационного периода до начала необратимого изменения механических свойств (охрупчивания) наводороживаемых материалов.
Ключевые слова - дефекты, модель, трещина, ловушка, заряженная частица, водород, метан, электролитическое наводороживание, проба, газ, разрежение, диффузия. трущиеся поверхности
ANNOTATION
Defects in the structure of metal (the discontinuity, crack, dislocation) are considered as magnetic traps for hydrogen and elements of the admixtures, whose motion is determined to the laws of the motion of the charged particles in the magnetic field, which confirms the autograph of hydrogen in the hole (model of crack), cut out on the surface of steel specimen.
In the process of the electrolytic hydrogen enrichment (absorption) of cast iron models is formed not only methane, but also other homologues of hydrocarbon (from ethane to the hexane). During the prolonged storage in gas sample the content of methane is increased (to two orders and more). Since methane is formed with the decrease of volume, in the bottle the rarefaction is created, its plastic walls are deformed, the level of hydro lock rises, air enters. Rarefaction in the defects contributes to the diffusion of hydrogen and other gaseous elements and admixtures, and it is determined the duration of incubative period up to the beginning of the irreversible change in the mechanical properties (embrittlement) of the absorbing hydrogen materials.
The keywords - defects, model, crack, trap, charged particle, hydrogen, methane, electrolytic hydrogen, absorption, test, gas, rarefaction, diffusion, the friction surfaces
С увеличением содержания водорода в металлах ухудшаются их физико-механические свойства, прежде всего, снижается пластичность, проявляется хрупкость, что объясняется накоплением под высоким давлением водорода в микротрещинах, порах, на границах зерен, дислокациях и других дефектов кристаллической структуры металлов [1].
Свободный водород, проникающий в дефекты в протонном диффузионно-подвижном состоянии, переходит в атомарное, затем в молекулярное связанное состояние и не может выйти из них, накапливается в них под высоким давлением, вызывая дальнейший рост дефектов и растрескивание металла. В них накапливаются также неметаллические включения и примеси в металлах (С, 02, М S, Р и др.).
Поступающий свободный водород проявляет высокую химическую активность, взаимодействуя со свободным углеродом и карбидами железа стали и чугуна, что приводит к обезуглероживанию металла.
Fe3C ^ 3Fe + С; С + 2Н2 ^ СН4; РеЗС + 2Н2 ^ СН4 (1)
При этом прочность и пластичность металлов снижаются через некоторое время после начала наводороживания (инкубационный период), длительность которого определяется скоростью диффузии и концентрацией водорода и углерода в дефектах, скоростью их реакции. При газовом наводороживании интенсивность этих процессов зависит от состава металла, температуры и давления водорода [2, 3].
Цель работы - уточнение представлений о поведении водорода в дефектах структуры металла трущихся поверхностей и механизме его влияния на пластичность и прочность.
Методика эксперимента. Наводороживание образцов-катодов и отбор проб выделяющегося газа в емкость (бутылку) выполняли в и-образной пробирке (рис.1). Электролит - подкисленная серной кислотой дистиллированная вода, материал катода - цинк и чугун гильз цилиндра дизеля, анод - платиновая проволока. Напряжение -24В. Продолжительность отбора проб (400мл) достигала несколько десятков часов.
Рисунок 1. Схема электролитического наводороживания образцов и отбора газа: 1 - образец - катод; 2 - анод (платиновая проволока); 3 - капилляр отвода газа; 4 - емкость (бутылка) для собираемого газа, заполненная гидрозатвором
В качестве модели микротрещины принималась лунка, вырезанная на поверхности стального образца, для выделения водорода в которой внутреннюю поверхность лунки смачивали соляной кислотой. Поведение водорода в лунке фиксировали на засвеченной фотопленке водоро-дографическим методом [4].
Взаимодействие водорода с углеродом на поверхности микродефектов, наблюдали на модели трещины в виде пластмассовой бутылки, в которую отбирали пробу газа, выделяющегося при наводороживании материала катода. Компонентный состав пробы анализировали на хроматографе «КристаллЛюкс 4000М» методом нормализации.
Результаты исследований и их обсуждение. Схема и модель микротрещины в металлах, а также автограф движения водорода внутри лунки, показаны на рис. 2 [1, 5].
Для водорода и элементов примесей в металлах, находящихся в заряженном (ионном) состоянии, дефекты структуры являются ловушками в магнитных и электрических полях, появляющихся при нагружении, деформировании и нагревании металлов, и их миграция по границам зерен, в микротрещинах, порах, дислокациях определяется законами движения заряженных частиц в магнитном поле (рис.2,а).
6
Рисунок 2. Схема (а) и модель (б) магнитной ловушки ионов водорода в виде лунки, вырезанной на поверхности стального образца, в магнитном поле: 1 - магнитные силовые линии; 2 - траектория движения заряженной частицы;
в - автограф движения водорода внутри лунки в магнитном поле
На рис. 2,в видны следы циркуляции диффузионно-подвижного атомарного водорода в лунке, удерживаемого в магнитной ловушке. Из ловушки могут выйти лишь заряженные частицы, траектория движения которых совпадает с осью лунки (рис.2,а), поэтому в ней накапливается под высоким давлением молекулярный водород и метан, образующийся в результате реакции водорода с углеродом материала лунки.
При исследовании разрушения металлов катода (чугун) в процессе электролитического наводороживания
(рис.1) в пробах выделяющегося газа, собираемых в стеклянную бутылку, установлено образование не только метана, но и других углеводородов [6,7]. Высокая химическая активность водорода подтверждается значительным увеличением метана и других углеводородов (С-Н) в пробах, собранных при довольно кратковременном движении отводимого газа по полиэтиленовой трубке 3 в процессе наводороживания цинкового катода (в котором углерод отсутствует), по сравнению с заменившим ее стеклянным капилляром (пробы 5, 6, табл.1).
Таблица 1
Содержание компонентов в пробах газа, % об.
а
Компоненты газа Пробы
1 2 3 5 Zn пт 6 Zn ст 16 17 19 23 24
метан 0,126 0,106 0,019 0,028 0,018 11,321 13,193 20,184 27,575 14,588
этан 0,032 0,033 0,012 0,058 0,007 0,011 0,029 0,007 0,025 0,021
пропан 0,040 0,100 0,043 0,141 0,011 0,018 0,061 0,005 0,021 0,016
изо-бутан 0,009 0,039 0,020 0,040 0,004 0,006 0,022 0,001 0,003 0,001
н-бутан 0,032 0,114 0,056 0,113 0,012 0,010 0,053 0,003 0,012 0,008
нео-пентан 0,0002 0,0005 0,0003 отс. отс. 0,0001 0,0003 0,0000 отс. отс.
изо-пентан 0,016 0,048 0,028 0,034 0,007 0,003 0,021 0,001 0,003 0,001
н-пентан 0,022 0,051 0,029 0,041 0,009 0,003 0,021 0,002 0,006 0,003
гексаны+в. 0,058 0,059 0,044 0,056 0,017 0,004 0,024 0,002 0,020 0,020
азот 2,416 4,884 4,144 4,037 0,989 70,513 68,872 25,918 8,183 52,338
кислород 0,720 1,059 1,087 1,518 0,810 17,852 17,637 6,065 7,729 20,513
Компоненты газа Пробы
1 2 3 5 Zn пт 6 Zn ст 16 17 19 23 24
углекислый газ 2,979 2,876 2,615 3,797 1,475 0,176 0,059 0,425 3,227 0,795
гелий отс. отс. отс. отс. отс. отс. отс. отс. отс. 0,004
водород 93,550 90,631 91,902 90,137 96,641 0,083 0,008 47,388 53,197 11,693
рН=1 рН=7 N801 Н20
Примечание: проба 1 - смесь газа, выделяющегося в процессе наводороживания и после выключения тока; 2 - сбор газа, выделяющегося после выключения тока; 3 - сбор газа только в процессе наводороживания. Анализ проб 16 - 24 - после длительного хранения
Однако анализ проб газа 16 и 17, собранных при наводороживании чугунных образцов, выполненный после длительного (3 года) хранения, неожиданно показал многократное увеличение содержания метана, практически исчезновение водорода и уменьшение количества углекислого газа, а также большое количество азота и кислорода. Так, содержание метана увеличилось более чем на 2 порядка (в 100 раз), количество водорода уменьшилось в 104 раз (исчезновение водорода), углекислого газа в 15-50 раз; резкое увеличение содержания азота (до 70%) и кислорода (17,5%), (соотношение между ними указывает на попадание в пробу атмосферного воздуха).
Очевидно, результаты анализа этих проб, будь они выполнены вскоре после их отбора, были бы близки по составу к первым пробам, например 1,2,3. Такое сильное изменение содержания компонентов в пробах 16-17 обусловлено реакциями водорода и углерода в ней в течение длительного хранения и проникновением воздуха через гидрозатвор (насыщенный раствор №С1 или дистиллированная вода) в случае создания разрежения в стеклянной бутылке. В связи с этим в дальнейшем собранные пробы хранили при двойном затворе: внутреннем гидрозатворе в бутылке, закрытой пробкой, и внешнем - дополнительной емкости с гидрозатвором, в которую погружали горло бутылки.
Водород, поступающий в микро-и макроне-сплошности, в стали и чугуне взаимодействует с карбидами и свободным углеродом (1) на поверхности стенок с образованием различных углеводородов и метана высокого давления. Эта реакция начинается с поверхности металла, приводит к обезуглероживанию, образованию и развитию трещин, которые распространяются вглубь металла, снижая необратимо его прочность и пластичность и вызывая водородную коррозию и разрушение металла.
Образование метана при комнатной температуре, полагают, маловероятно, и водородная коррозия сталей прекращается при температуре ниже 300°С, несмотря на напряжения и деформации, ускоряющие развитие химических реакций [2, с.136]. Диффузионная подвижность атомов водорода при этом достаточно высока, но в стали коэффициент диффузии атомов углерода, необходимого для образования метана, в 1010 раз меньше, чем для водорода (всего 10-14 см2/с). Обнаруживаемый метан в дефектах стали рассматривается как результат высокотемпературных реакций в процессе охлаждения стали.
Однако метан и другие С-Н в пробах газа (табл.1) образовались при комнатной температуре в течение длительного наводороживания образцов и хранения проб,
достаточного для диффузии и увеличения концентрации углерода на поверхности несплошностей. При этом углерод поступает к стенкам микродефектов не только в результате диффузии его атомов в структуре металла, но и диффузии газообразных продуктов реакции углерода с водородом (гомологов углеводородов).
Следует отметить также, что метан образуется с уменьшением объема. Поэтому взаимодействие водорода с углеродом стенок дефектов можно наблюдать по результатам анализа собираемых в пластмассовую бутылку проб газа, выделяющегося при электролитическом наводороживании чугунных образцов (табл.1, пробы 19, 23, 24, которые анализировали через 1,5 месяца после отбора). Увеличение количества метана в этих пробах до 2027%, несомненно, вызвано взаимодействием выделяющегося водорода и углерода, содержащегося в стенках пластмассовой бутылки. За время выдержки пробы лишь часть водорода прореагировала с углеродом стенок пластмассовой бутылки (водорода в пробе более 47%, ср. с пробами 16, 17). Появление значительного количества азота (52,3%) и кислорода (20,5%) в пробах, обусловлено тем, что реакция образования метана сопровождается весьма значительным уменьшением объема и созданием в бутылке с пробой разрежения, под воздействием которого в течение длительного хранения в пластмассовую бутылку проникает атмосферный воздух даже при двойном гидрозатворе пробы. Разрежение в пластмассовой бутылке вызывает сильную деформацию ее тонких пластичных (гибких) стенок (рис. 3,а), или повышение уровня гидрозатвора в ней над начальным уровнем, обозначенным меткой (рис. 3,б). При этом объем пробы в бутылке уменьшается многократно (в 2 и более раз).
Пластмассовая бутылка является физической моделью трещины, в стенках которой содержится большое количество углерода. В начальный период поступления химически активного водорода в трещине создается не избыточное давление молекулярного водорода (как обычно предполагается), а разрежение, вызываемое образованием в них метана, объем которого меньше объема реагирующих элементов (водорода и углерода). В этот период вследствие разрежения в дефекты диффундируют элементы и газовые примеси, содержащиеся в металлах. Продолжительность периода низкого давления в дефектах, который, вероятно, соответствует инкубационному периоду, зависит от скорости реакции и количества образующегося метана, наличия на стенках углерода, скорости диффузии углерода и водорода.
Рисунок 3. Деформация пластмассовой бутылки пробы 23 (а) и подъем уровня гидрозатвора (двойного) выше начального, отмеченного чертой, (б) в результате разрежения при длительном хранении пробы газа 24, собранного
в процессе электролитического наводороживания
Полученные результаты позволяют уточнить общепринятые представления о поведении водорода внутри микро- и макротрещин, трещин, пор в структуре металла. Выводы.
1. Дефекты в структуре металла (поры, трещины, дислокации) рассматриваются как магнитные ловушки для водорода и элементов примесей, движение которых определяется законам движения заряженных частиц в магнитном поле. На модели трещины в виде лунки, вырезанной на поверхности стального образца, показан автограф водорода, выделяющегося с ее стенок.
2. В процессе электролитического наводороживания чугунных образцов в результате взаимодействия активного водорода с углеродом материала катода образуется не только метан, но и другие гомологи углеводорода (от этана до гексана). При длительном хранении в отбираемых пробах газа увеличивается содержание метана (на два порядка и более), создается разрежение в емкости, вызывающее деформацию ее пластичных стенок, повышение уровня гидрозатвора и поступление атмосферного воздуха.
3. Реакция образования метана протекает с уменьшением объема и созданием разрежения в дефектах металла, способствующего диффузии водорода и других газообразных элементов, и примесей. Продолжительность реакции образования метана и пониженного давления в дефектах определяет дли-
тельность инкубационного периода до начала необратимого изменения механических свойств (ох-рупчивания) наводороживаемых материалов.
4. Взаимодействие водорода с углеродом на поверхности дефектов можно наблюдать на модели трещины в виде пластмассовой емкости, в которую отбирается проба газа, выделяющегося при наводо-роживании материала катода.
Список литературы
1. Гаркунов Д.Н. Триботехника. Водородное изнашивание деталей машин / Д.Н. Гаркунов, Г.И. Суранов, Ю.А. Хрусталев.- Ухта: УГТУ, 2007. - 260с.
2. Арчаков Ю. И. Водородоустойчивость стали.- М.: Металлургия, 1978.- 152с.
3. Колачев Б.А. Водородная хрупкость металлов. - М.: Металлургия, 1985. - 216с.
4. Гаркунов Д.Н., Суранов Г.И., Коптяева Г.Б. О природе повышения износостойкости деталей и инструмента магнитной обработкой. // Трение и износ, 1982 т.3, № 2.- С. 327-330
5. Суранов Г.И. Снижение износа деталей машин (Монография), УГТУ, М., 1999.- 225 с.
6. Латышев А.А. Водородное разрушение металлов катода при электролитической обработке /А.А. Латышев, Г.И. Суранов // Практика противокоррозионной защиты. - 2013, № 3 (69). - С.57-67.
7. Суранов Г.И. Триботехника. Повышение долговечности транспортных двигателей. [Текст]: Монография / Г.И.Суранов.- УГТУ, 2011.-335с.
НЕЙРОННОЕ РАСПОЗНАВАНИЕ ОБРАЗОВ
Тедеева Надя Вадимовна
аспирант кафедры САПР, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «СевероКавказский горно-металлургический институт (государственный
технологический университет)», г. Владикавказ
NEURON RATTERN RECOGNITION
Tedeeva Nadia, graduate student CAD, North Caucasian Institute of Mining and Metallurgy (State Technological University), Vladikavkaz
