CC BY
75
Вестник Челябинского государственного университета. 2013. № 25 (316).
Физика. Вып. 18. С. 64-68.
Н. Н. Дубровина, Г. Ф. Костин, А. И. Новиков
ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ВЛАГОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ НА ВЛАЖНОСТНЫЕ РЕЖИМЫ В ЗАМКНУТЫХ ОБЪЕМАХ
Рассмотрены механизмы изменения влажности в замкнутых объемах при наличии разнородных неметаллических материалов в условиях переменных температурных воздействий. Исследовано влияние массы влаги и начального влагосодержания различных неметаллических материалов на влажностные режимы и выбор режима осушки. Разработана методика и программа расчета влажностных режимов в замкнутом объеме, содержащем неметаллические материалы, при переменных температурных воздействиях.
Ключевые слова: старение, влажность, температура, неметаллические материалы.
Необходимость обеспечения влажностных режимов в замкнутых объемах изделий различного назначения, в частности, в ракетной технике, обусловлена требованиями по долговечности и коррозионной стойкости элементов конструкции при длительных сроках эксплуатации и хранения . При длительной эксплуатации свойства материалов изменяются, что отражается на их работоспособности . Скорость и характер происходящих в материалах изменений зависят от числа факторов, воздействующих на материалы, их сочетания и интенсивности воздействия . Совокупность факторов, действующих на полимерные материалы в процессе производства, хранения и эксплуатации, определяют условия протекания процесса, называемого старением . Старение — это необратимое изменение свойств материалов, которое происходит с течением времени в результате совокупности химических и физических превращений. Эти необратимые изменения сохраняются даже после устранения воздействий, которые их вызвали Все факторы, способствующие старению материалов, можно разделить на внутренние и внешние . К внутренним факторам относятся состав и структура материалов, молекулярно-массовое распределение, наличие дефектов и др К внешним факторам относятся температура и влажность окружающей среды, наличие в окружающей среде агрессивных компонентов, механические и другие нагрузки Существенной для старения материалов является продолжительность действия внешних факторов Наиболее важными активаторами, способствующими старению материалов, являются температура и влажность
Влага может вступать в химическое взаимодействие с материалами, следствием чего является изменение свойств . Она может выступать и в качестве агента, действие которого способствует процессам изменения вторичной структуры, релаксации внутренних напряжений и т. д . [1].
Наличие агрессивных примесей, механические и электрические нагрузки, действующие на фоне
действия температуры и влажности, могут ускорять химические превращения
В реальных условиях хранения и эксплуатации трудно выделить вклад химических и физических процессов в изменение свойств материалов, однако следует иметь в виду, что в зависимости от действующей совокупности внешних факторов и предыстории создания материала преобладающим может оказаться один какой-либо процесс . Накопленный к настоящему времени фактический и экспериментальный материал позволяет выделить наиболее «агрессивные» виды внешнего воздействия, к которым относятся температура, световая радиация и влажность окружающей среды. Изделия ракетно-космической техники хранятся и эксплуатируются в закрытых сооружениях (хранилищах, шахтах), поэтому световую радиацию можно исключить из перечня «агрессивных» воздействий и учитывать только температуру и влажность Изменения влажности в замкнутых объемах при наличии разнородных неметаллических материалов определяются сорбционно-связной влагой, присутствующей в материалах, и влаго-содержанием воздуха в свободных объемах При термоперепадах и замещениях воздуха в объемах происходит нарушение баланса влаги, в результате чего возникает влагообмен между материалами и воздухом в объемах, сопровождающийся выпадением конденсата
Задача расчета влажности в замкнутых объемах, содержащих неметалические материалы, представляет собой сложную задачу, состоящую в определении баланса влаги в объеме воздуха с учетом переменных температурных воздействий, диффузионного переноса влаги в разнородных по влагосодержанию материалах, обусловленного изменением потенциала влагопереноса
С технической точки зрения требуемые уровни влажности должны обеспечиваться при любых условиях эксплуатации, исходя из антикоррозионных требований или других условий работоспособности элементов конструкции При этом отно-
сительная влажность воздуха должна составлять, согласно ГОСТ 9 . 014-78 [1], не более 55 %, а при наличии в объемах паров агрессивных компонентов — не более 40%, согласно ОСТ 92-1526-80 [2].
Анализ научно-технической информации по данному вопросу показал, что методики одновременного расчета влагообмена и влагопереноса в материалах, размещенных в замкнутых объемах, отсутствуют. В то же время конструкции ракетнокосмической техники становятся все более сложными (увеличивается насыщенность объемов неметаллическими материалами, в т ч за счет увеличения количества размещаемых элементов), возрастают гарантийные сроки эксплуатации и усложняются схемы эксплуатации Это требует повышения точности и надежности расчетов при разработке режимов осушки замкнутых объемов
На выбор режимов осушки существенное влияние оказывает начальное влагосодержание неметаллических материалов. Характерные сравнительные данные по массе влагосодержащих материалов в замкнутом объеме одного из типовых изделий разработки ОАО «ГРЦ Макеева» приведены в таблице
Сравнительные данные по массе влагосодержащих материалов в замкнутом объеме полезной нагрузки изделия
Изделие
Характеристики Разукомплек- Укомплекто-
тованное ванное
т , кг 6,1 80,5
т при ф = 80 %, г вл А т нач 7 117 2534
V , м3 св 2 1,4
т IV , г/м3 вл св 58 1756
Примечание. т — масса неметаллических материалов; т — масса влаги, содержащейся в неметаллических материалах замкнутом объеме изделия; V — свободный объем .
Для перспективных изделий отношение массы влаги к свободным объемам может существенно увеличиваться, что повлияет на выбор режима осушки объема Например, применяемые на изделиях в настоящее время режимы осушки замкнутых объемов включают вакуумирование с последующим замещением сухим воздухом и размещением осушительных влагопатронов Это определяется в соответствии с действующими на сегодня стандартом [3; 4] по осушке герметичных отсеков, которые не учитывают наличие в них влагосодержащих материалов и рекомендуют выбирать массу осушителя в расчете на 1 м3 свободного объема Таким образом, для расчетов влаж-
ностных режимов в замкнутых объемах и выбора режимов осушки с учетом влагосодержащих материалов потребовалась разработка методики и программы комплексного расчета влагообмена в объемах и влагопереноса в материалах. При этом следует отметить, что в укомплектованном состоянии замкнутые объемы и наполняющие их элементы эксплуатируются и хранятся в составе изделий в различных температурных условиях в течение длительных многолетних периодов . Через определенное время часть наполняющих объемы элементов демонтируется для регламентных проверок, а затем объемы вновь укомплектовываются и проводится осушка В течение периодов эксплуатации влагофизические свойства материалов элементов, наполняющих объем, в результате процесса старения претерпевают изменения Соответственно, расчеты процессов влагообмена и влагопереноса как при эксплуатации изделий, так и при повторных осушках должны производиться с учетом изменения влагофизических характеристик материалов в процессе старения
Для решения данной задачи реальный замкнутый объем с конструктивным насыщением моделируется в виде равной по объему полости с набором пакетов материалов, по площади поверхности влагообмена соответствующих реальной конструкции Неметаллические материалы моделируются в виде наборов пластин, собранных в цилиндрические многослойные пакеты Границы раздела слоев задаются плоскостями, параллельными основаниям цилиндра. Боковые и внутренние поверхности пакетов изолированы Пакеты могут различаться числом и толщиной слоев, видами составляющих материалов
Учитывая разнообразие материалов и большой объем варьируемых параметров, для снижения трудоемкости формирования исходных данных осуществлено параметрическое преобразование пакетов с использованием критериев, позволяющих сократить без нарушения физического смысла количество расчетных пакетов и варьируемых параметров:
1) характерное время установления равновесного влагонасыщения пакетов:
т =§[ = «к.
' А V
2) безразмерное влагосодержание групп материалов с одинаковым характерным временем т.:
— _ Фзкв ' ^экв ' *зф _ ^
— _ (срУ)в (ср^)в
Начальная масса влаги во влагосодержащих элементах определялась равновесным влагосо-
держанием (u), зависящим от относительной влажности и температуры воздуха в период изготовления и сборки изделий:
Кл )на,
і
где m. — масса влагосодержащих материалов, u. — равновесное влагосодержание материалов при температуре и влажности в цехе сборки.
Зависимость коэффициента диффузии D(0,t) от температуры учитывалась по известной формуле Вант — Гоффа
t-to 10”
А () = (2 4)
где D0¡ — значение коэффициента диффузии при базовой температуре t0 .
Система дифференциальных уравнений, описывающих процесс влагообмена, имеет следующий вид:
д
дх дх
д0.
дх
(cpiK дх=&f-S'
дХ i дХ
(1)
с краевыми условиями
дб,
дх
- 0;
в; i 1т-0 U0; ui |т-0 U0’
где 0 — потенциал влагопереноса (относительная влажность воздуха), %;
5. — толщина материалов, м;
(ср)в V — влагоемкость воздуха, кгв/%;
X. = (cр)D — коэффициент влагопроводности материалов, кгДм-сек);
р. — плотность материалов, кг/м3;
с. = ды/дд — влагоемкость материалов, кг /(кг-%); u.(0,t) — равновесное влагосодержание материалов, кг /кг;
’ в ’
D.(0,t) — коэффициент диффузии влаги в материалах, м2/сек.
S — площадь поверхности материала, контактирующая с воздухом, м2 .
На основе данной модели была разработана программа расчета влажностных режимов .
Было проведено сравнение результатов расчетов с аналитическим решением нестационарной задачи расчета распределения влагопереноса в пластине конечной толщины на основе аналогии с решением задачи теплопроводности [5] при неизменном значении коэффициента диффузии D0 при базовой температуре t0, показавшее высокую точность разработанной методики и программы расчета (рис .1) .
На рис . 2 приведены сравнительные результаты расчета относительной влажности в замкнутом объеме укомплектованного изделия при неизменном значении коэффициента диффузии D0 и дискретные результаты измерений в замкнутых объемах эксплуатируемых изделий разными способами
Как следует из рис . 2, начальный уровень влажности конструктивных элементов замкнутого объема как основного источника влаги в объеме существенно влияет на его влажностный режим На влажностные режимы будет влиять также изменение влагофизических свойств материалов вследствие процессов «старения» при длительной эксплуатации изделия
Изменение влагофизических характеристик, входящих в уравнение (1), при известной кинетике
х-0
5
Рис . 1. Результаты аналитического и численного решения — задачи расчета распределения потенциала влагопереноса
Относительная влажность воздуха, % Относительная влажность воздуха, %
44 42 40 38 36 34 32 30 28 26 24 22 20 18 16
0 4000 8000 12000 16000 20000 24000 28000
Время, ч
Начальное влагосодержание конструктивных элементов отсека при относительной влажности:
----- 20 %
-----30 %
-----40 %
Экспериментальные данные:
• Измерения влагомером в отсеке эксплуатируемых изделий
▲ Полученные путем регенерации влагопатронов, снятых с разукомплектованного изделия Рис 2. Результаты расчета относительной влажности в замкнутом объеме
48 46 44 42 40 38 36 34 32 30 28 26 24 22 20 18 16
0 4000 8000 12000 16000 20000 24000 28000
Время, ч
Начальное влагосодержание конструктивных элементов отсека при относительной влажности:
----- 20 %
-----30 %
-----40 %
----- 20 % с изменением коэффициента диффузии и влагоемкости до 15 %
-----30 % с изменением коэффициента диффузии и влагоемкости до 15 %
— — 40 % с изменением коэффициента диффузии и влагоемкости до 15 %
Экспериментальные данные:
• Измерения влагомером в отсеке эксплуатируемых изделий
▲ Полученные путем регенерации влагопатронов, снятых с разукомплектованного изделия
Рис 3 Результаты расчетов с измененными характеристиками диффузии и влагоемкости
процессов и известных условиях хранения и эксплуатации можно представить в виде
Dt0 = D ■ f
О i 0 i J D..
1 } D¡ (t, 0)
Л
\тэ О
D
d т
(2)
(cp)t0 = (cp)¡ ■ f(cp)¡
lf (cp)(t,0) (cp)¡
d т
чтэ o
где D®, (cp)® — текущие, измененные в процессе старения значения влагофизических характеристик;
D (cp). — исходные значения влагофизических характеристик;
fD, f — функции степени изменения влагофизических характеристик в зависимости от тепловлажностного воздействия, реализовавшегося при хранении и эксплуатации;
тэ — конечный момент рассматриваемого периода эксплуатации и хранения
Если известны закономерности старения (изменения свойств) материалов, то, анализируя реализовавшиеся или прогнозируемые тепловлажностные условия хранения и эксплуатации, можно прогнозировать зависимости (2), которые запишем в виде [А,- = А)< ■ /ц (тэ) >
[(ф)Г =(ф)г-/(ф)^э)-
Тогда уравнения (1) запишутся в виде
/(ср,(*Иф)А^ =
При введении обозначений
(ф),-и = fcp^OH W) = fcp)(T)fD(TM0A
уравнения (4) приводятся к виду (1):
(З)
(4)
(S)
Э0;
эе;
(ср)«Л ^г = ^ш(0>О -г-
(7Т ОХ у OX J
(ф)
ОТ : ОХ
(6)
Если считать решение системы (1) по представленным выше методике и программе расчета точным, что подтверждается сравнением с аналитическим решением, то погрешность решения системы (6) с измененными теплофизическими свойствами по разработанной программе расчета будет определяться лишь погрешностями функций 4АХ
Для представленных на рис . 2 начальных значений влажности проведены демонстрационные расчеты с измененными характеристиками диффузии и влагоемкости в пределах реального изменения характеристик материалов с течением времени (изменение до 15 % с равномерным ухудшением характеристик на 3,75 % за 5 лет) . Результаты расчетов представлены на рис . 3 .
Анализ результатов расчетов с измененной диффузией и влагоемкостью показал, что наиболее значительное влияние на влажностные режимы оказывает изменение влагоемкости. Влияние изменения диффузии относительно мало
Таким образом:
1. Разработана методика и программа расчета влажностных режимов в замкнутом объеме, содержащем неметаллические материалы, при переменных температурных воздействиях
2 . Проведены расчеты по определению относительной влажности в замкнутом объеме в зависимости от начального влагосодержания конструктивных элементов объема при относительной влажности 20 %, 30 %, 40 % и сравнение с фактическими данными на эксплуатируемых изделиях
3 Предложен метод среднеинтегрального учета изменения влагофизических свойств материалов в процессе «старения» при длительной эксплуатации при расчетах по разработанной методике и программе расчета. Оценочные расчеты для случаев ухудшения влагофизических характеристик на 15 % к концу срока эксплуатации показали, что изменение влагофизических характеристик необходимо учитывать при расчете влагопоглотителей и режимов осушки .
Список литературы
1. Павлов, С . Е . Коррозия и защита металлов . М . : Оборонгиз, 1957.
2 . ГОСТ 9 . 014-78 . Временная противокоррозионная защита изделий. М . : Изд-во стандартов, 1978.
3. ОСТ 92-1526-80. Методы расчета допустимой негерметичности. М . : Изд-во стандартов, 1980.
4 . ОСТ 92-4772-87. Отсеки негерметичные . Методы расчета количества влагопоглотителя для поддержания влажностного режима. М . : Изд-во стандартов, 1987.
5. Карслоу, Г Теплопроводность твердых тел / Г Карслоу, Д . Егер . М . : Наука, 1964.
