CC BY
11
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ХАРАКТЕР ДЕФОРМАЦИИ ПЛАСТМАСС, РАБОТАЮЩИХ В НЕФТЕПРОМЫСЛОВЫХ ОБОРУДОВАНИЯХ
Гасанова Н.А. ®
Доктор философии по технике, ассистент Азербайджанский Государственный Университет Нефти и Промышленности г.Баку, Азербайджанская Республика
Аннотация
Применение деталей из пластмасс в различных конструкциях дает возможность снизить себестоимость и трудоемкость изготовления машин и приборов, уменьшить вес конструкций при одновременном улучшении их качества и надежности. Исследования производились с целью повышения производительности труда и замены цветных и черных металлов пластическими массами. Детали для этой цели выбраны с определенной характеристикой, чтобы в дальнейшем разработанный технологический процесс можно было применять в нефтяной и газовой промышленности.
Ключевые слова: пластические материалы, надежность, качество, прочность, теплостойкость.
INFLUENCE OF THE TEMPERATURE ON THE CHARACTER OF THE
DEFORMATION OF PLASTICS WORKING IN OIL-FIELD EQUIPMENT
N.A. Gasanova
Summary
The use of plastic details in various constructions makes it possible to reduce the cost and labor intensity of manufacturing machines and devices, to reduce the weight of constructions while improving their quality and reliability. Researches was carried out with the aim of increasing labor productivity and replacing non-ferrous and ferrous metals with plastic masses. Details for this purpose are selected with a certain characteristic, so that in the future the developed technological process could be used in the oil and gas industry.
Keywords: plastic materials, reliability, quality, strength, heat resistance.
Проблема применения пластмасс для изготовления деталей машин в любом предприятии, в том числе и в нефтепромысловых оборудованиях, связана с наличием синтетических материалов, удовлетворяющих экспериментальные качества при работе в нефтепромысловых оборудованиях. В связи с этим необходимо, чтобы машиностроительное предприятие проводило большую научно-исследовательскую работу по изменению конструкций деталей узлов и машин при замене их [1].
Специфические вязкоупругие свойства пластмасс объясняются сложными молекулярными процессами, лежащими в основе макроскопических механических деформаций. А также структурой пластмасс. Например, в пластмассе каждая гибкая нитеподобная молекула заполняет объем, намного больший, чем изменяет свою форму, изгибаясь под действием тепловой энергии. Изменения формы контура цепи такой макромолекулы складываются из изменений расположения всей цепи (узлов), расположения отдельных частей этой цепи (витков) относительно друг друга, из изменений ориентации связей основной цепи (клубков) в атомном масштабе и т.д.
® Гасанова Н.А., 2017 г.
Перераспределение локальных структур (узлов) осуществляется относительно быстро, а перераспределение структур дальнего порядка (клубков) - очень медленно. В результате под действием напряжения в пластмассовой детали возникает постоянно меняющейся структурное состояние, реакция которого на внешнее напряжение характеризуется широкой непрерывной областью значений времени (спектры релаксации). Это обусловливает временную зависимость прочностных свойств пластмасс, в частности ползучесть и релаксацию напряжений. Кроме того, прочность полимеров и их деформации зависят от физического состояния. Физическое состояние полимеров, структурно-жидкое (высокоэластическое и вязко-текучее) и твердое (стеклообразное и кристаллическое) определяется и строение температурной и тепловой термообработкой.
Вследствие указанных особенностей, специфика поведения пластмасс нефтепромыслового оборудования, под влиянием приложенного к ним усилия заключается в том, что при деформировании различают три основных вида деформаций: упругие, вязко-эластические и вязко-текучие. Кроме того, выделяют в отдельную группу вынужденно-эластические деформации [2].
Упругие деформации характеризуются наибольшим приростом сил относительно малых по абсолютному значению (до 1,5%) полностью обратимых деформаций. Теоретически упругие деформации и обратное восстановление протекает со скоростью звука в данной среде. Поэтому продолжительность воздействия напряжения, за исключением высоких частот, не влияет на характер деформаций [3]. В процессе упругих деформаций изменяются объем тела и его внутренняя энергия: при растяжении энергия поглощается и материал охлаждается, при сжатии происходит выделение тепла и нагревание материала. Упругие деформации подчиняются закону Гука, но в большинстве случаев они сопровождаются другими видами и на диаграмме напряжении - деформация происходит отклонение от линейной зависимости (рис.1).
Конформационные движения молекул их сегментов составляют механизм больших и обратимых после снятия нагрузки деформацией, называемых высокоэластическими.
Высокоэластические деформации присущи исключительно полимерам и по абсолютной величине могут достигать десятков и даже сотен процентов, хотя силы, вызывающие этот вид деформаций, сравнительно невелики. Высокоэластические деформации полностью обратимы, однако в отличие от упругих восстановлений начальной формы после снятие нагрузки наступают не мгновенно, а во времени, причем время может изменяться в широких пределах - от нескольких секунд до нескольких часов и суток. С практической точки зрения высокоэластические деформации с большим периодом восстановления рассматриваются как необратимые деформации. В идеальном случае при высокоэластической деформации объем тела, а, следовательно, внутренняя энергия не изменяются: полимер в высокоэластическом состоянии при растяжении нагревается, а при сжатии охлаждается. Высокоэластические деформации обусловлены цепным строением макромолекул и их гибкостью.
Рис.1. Объединенная диаграмма деформацией полимеров И.Д.Кугушева: о - напряжение; е - относительная деформация; 11 - время релаксации напряжения; 1;2 - время упругого последействия; АВ и А1В1 - прямое упругое последействие за время ОО1 при о=сопв1;;
В}С-1 - упругий возврат; ОБ - вязкое течение; ВВ = /- деформация при разрушении; СЕ и С^! = / (¿2 ) - обратное упругое последействие; АА2 и РО = / (?1) - релаксация напряжения за время ОО2 при е=сопБ1;; ОЕ - необратимая деформация; ОК - упругий гистерезис.
Поскольку некоторые участки длинных и гибких молекул располагаются равновероятно в пространстве, высокоэластическая деформация полимера вызывает преимущественную ориентацию их в направлении действующей силы. Поэтому малые силы создают большие деформации, ибо происходит распрямление цепи, а не изменение расстояний между атомами.
Тепловое движение проявляется в хаотическом перемещении всех частей молекулы. Оно способствует высокоэластической деформации, ибо, делая кинетические элементы молекул более подвижными, ускоряет их ориентацию в поле внешней силы. И наоборот, когда сила устранена, тепловое движение, создавая преимущественную ориентацию, возвращает систему в первоначальное состояние, которое термодинамически более выгодно, так как сопровождается увеличением энтропии. При этом образец восстанавливает свою первоначальную форму и размеры. В обоих процессах (деформация и восстановление) перемещению частиц под влиянием теплового движения препятствуют силы межмолекулярного взаимодействия.
Необратимые деформации полимеров происходят в результате относительного смещения центров макромолекул и надмолекулярных образований без изменения межмолекулярных расстояний.
Перегруппировка частиц, порядок их расположения и изменение формы тела не сопровождаются изменением внутренней энергии, так как отсутствуют силы, которые возвращали бы частицы в первоначальное состояние. Необратимые деформации имеют временную зависимость, и их скорость определяется величиной внутреннего трения.
Поэтому большая часть затраченной механической энергии переходит в тепло. Необратимые деформации имеют два вида: вязкое течение - необратимая деформация с постоянным приростом величины напряжения (аморфные материалы); пластическая деформация материала, возникающая после превышения нагрузки определенного предела, называемого пределом пластичности (кристаллические материалы).
Сложность строения полимеров обусловливает разнообразие видов деформацией и затрудняет четкое разделение их на составляющие. Все молекулярные механизмы в процессе деформирования действуют одновременно. Но каждый из них может проявляться активнее в зависимости от характера внешнего воздействия, типа молекулярной структуры - линейной, линейно-разветвленной или пространственной и состояния полимеров. В полимерах с линейной и линейно-разветвленной структурой (термопластах) высокоэластическая деформация проявляется в наибольшей степени. Термореактивные пластические массы, имеющие в основе пространственную структуру, ограничены в развитии высокоэластических деформаций, и их разрушение наступает при небольших величинах удлинения. В зависимости от молекулярного строения и фазового состояния (аморфное, кристаллическое) полимеры имеют специфические особенности механических свойств.
Участок течения кристаллических полимеров сопровождается процессом рекристаллизации (рис.2). Напряжение, при котором начинается течение кристаллического полимера, сопровождаемое процессом рекристаллизации, называется напряжением рекристаллизации орек. У аморфных полимеров в стеклообразном состоянии большие деформации проявляются на участке вынужденной эластичности. Напряжение, при котором наблюдается максимум на кривой напряжение - деформация, называется пределом вынужденной эластичности овэ. Эти деформации, необратимые при стандартной температуре испытаний с нагреванием становятся в большой степени обратимыми. Если температура испытаний выше температуры стеклования, главной деформацией будет обратимая высокоэластическая.
В зависимости от температуры аморфный полимер имеет различные деформационные характеристики. Это разграничение определяется температурными переходами хрупкости Тхр, стеклования Тс, текучести Тт. Ниже температуры хрупкости достигаются напряжения при малых деформациях и происходит хрупкое разрушение материала. Между температурой хрупкости и стеклованием происходят вынужденно -эластические деформации с явно выраженным участкам течения материала и последующим упрочнением его, а выше температуры стеклования до температуры текучести - высокоэластические деформации. Вязко-текучее состояние полимер приобретает выше температуры текучести.
Рис.2. Влияние температуры на характер деформации полимеров
В кристаллических полимерах при температуре ниже Тхр деформации при разрыве малы. С повышением температуры выше Тхр они увеличиваются и остаются примерно постоянными до температуры плавления Тпл. Температурные переходы, характеризующие области механического поведения полимеров, не являются его константами и меняются от интенсивности нагружения, понижаясь с ростом нагрузки и времени ее действия. Внешние силы и тепловое воздействие способствуют внутренним перегруппировкам составных частей структуры полимера, в результате чего наблюдается ряд реологических явлений: релаксация, последствие, механический гистерезис. Эти явления обусловлены переходом кинетических единиц в результате теплового движения.
Переход неравновесных конформаций макромолекул к равновесным происходит в течение конечного времени, величина которого зависит от структуры, интенсивности теплового движения и величины силового воздействия. Это определяет временную зависимость деформационных и прочностных свойств полимеров. В отличие от металлов, имеющих температуру плавления, пластические массы размягчаются при температурах, недалеко отстоящих от стандартных атмосферных. Поэтому временная зависимость прочности для пластмасс резко выражена и учет ее необходим.
Литература
1. Керимов Д.А., Курбанова С.К. Основы конструирования пластмассовых деталей и пресс-форм. Баку: Изд-во «Елм», 1997, 504 с.
2. Гасанова Н.А. Поведение пластмасс, работающих в нефтепромысловых оборудованиях. Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. Москва, 2016. № 08 (август) Часть I. С. 59-64.
3. Асланов Д.Н., Байрамов Ф.Г. Исследование трения запорного узла пробковых кранов. Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. Москва, 2015. № 11-1. С. 62-65.
