авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 |

Гибридные пластики слоистой структуры и бестраншейные технологии ремонта подземных трубопроводов и коммуникаций

-- [ Страница 2 ] --

Введем коэффициенты отклонения, показывающие, насколько свойства связующего соответствуют теоретическим значениям, найденным из критериальных уравнений:

.

Тогда за меру монолитности (М) ПКМ можно принять некоторый функционал , представив его в виде линейной комбинации i и i, : .

В табл. 2 приведены необходимые для расчета значения М данные по наполнителю, полимерным связующим и коэффициентов отклонения i.

Таблица 2.

Упруго-прочностные характеристики связующих и стекловолокна марки Е

Характеристики Стекловолокно марки Е Условия совместной работы волокно - связующее Требования к связующему i
ПН-1 ЭД-20 ПН-1 ЭД-20
, МПа 2350 60 80 140 0,43 0,57
Е х 10-4, МПа 7,5 0,3 0,4 0,45 0,67 0,89
, % 3 3,5 0,3 4,5 0,78 0,67
адг. - 42 60 94 0,455 0,64

Значение коэффициента М для выбранных материалов будут равны:

- для полиэфирного связующего

М = ii = 0,62 х·0,45 + 0,25 х 0,43 + 0,17 х 0,67 = 0,5

- для эпоксидного связующего

М = ii = 0,62 х 0,64 + 0,25 х 0,57 + 0,17 х 0,89 = 0,69

Как видно из приведенных расчетов, что эпоксидное связующее более эффективно, однако, учитывая стоимость смолы и комплекс требований к ПКМ целесообразно использовать в качестве связующего менее дефицитную и более дешевую полиэфирную смолу марки ПН-1.

С увеличением значения коэффициента М физико-механические свойства ПКМ возрастают. Коэффициент монолитности может быть использован в качестве критерия физико-механической совместимости свойств армирующего наполнителя и полимерного связующего, для прогнозирования прочности ПКМ по известным свойствам и содержанию исходных компонентов.

2.6. Исследование трещиностойкости ПКМ слоистой структуры и ее связь с монолитностью и прочностью композитов

Трещиностойкость ПКМ и критический коэффициент интенсивности напряжений (KQ) для случая обобщенного плоского напряженного состояния материала, определяемого в момент начала роста трещины (надрез), являются основными характеристиками, определяющими работоспособность и герметичность конструкции.

Одним из наиболее сложных моментов при определении роста трещины является установление точного времени начала ее роста. Было предложено одновременно с записью кривой «усилие – смещение» проводить запись в реальном масштабе времени дифференциальных и интегральных параметров акустической эмиссии. Таким образом, удалось создать новую экспериментальную установку в НПО «Стеклопалстик» и методику, позволяющую одновременно регистрировать как физико-механическое воздействие на образец ПКМ, так и акустические сигналы, образующиеся при его разрушении и начале роста самой трещины в материале.

Экспериментальным путем было установлено, что минимальная амплитуда импульса акустической эмиссии, связанного с началом микроразрушения исследуемых композитов, составляет 50 мкВ. Сигналы акустической эмиссии амплитудой менее 100 мкВ связаны с накоплением микротрещин в материале. За начало роста магистральной трещины нами принимался момент появления характерного скачка на диаграмме «усилие-смещение» и появление сигнала превышающего уровень 150 мкВ. Полагая, что процесс микроразрушения композита представляет собой процесс зарождения микротрещин, обозначим коэффициент интенсивности напряжений, соответствующий этому процессу – K0.

При установлении на диаграмме «усилие – смещение» моментов возникновения первых сигналов акустической эмиссии и начала роста трещины можно определить значения K0 и KQ по соотношениям:

где P0 и PQ – нагрузка соответственно в момент получения первого сигнала акустической эмиссии и начала роста трещины; V0 и VQ – раскрытие берегов трещины соответственно в момент первого сигнала акустической эмиссии и начала роста трещины; b – толщина образца в окрестности вершины трещины-надреза, l – исходная длина трещины (надрез).

В работе проведены исследования отвержденной полиэфирной смолы марки ПН-1, а также ПКМ на ее основе. Было изучено влияние наполнителей разной структуры на трещиностойкость. Испытания проводили на образцах: ПН-1 + ПЭТФ - войлок, ПН-1 + стеклоткань и ПН-1 + ПЭТФ – войлок + стеклоткань.

В табл.3 представлены значения коэффициентов K0 и KQ композиционных материалов на основе полиэфирной смолы ПН-1.

Таблица 3

Значения K0 и KQ для полиэфирной смолы и композиционных материалов

Материал K0, Н/мм3/2 Коэффициент вариации по K0,, % KQ, Н/мм3/2 Коэффициент вариации по KQ, %
ПН-1 18 9,0 18 9,0
ПН-1 + ПЭТФ - войлок 30 10 30 11
ПН-1+ стеклоткань 50 11 115 12
ПН-1 + ПЭТФ – войлок + стеклоткань 67 14 130 14

Из полученных данных следует, что чем больше коэффициент интенсивности напряжений, тем выше трещиностойкость композиционного материала. Введение в полиэфирную смолу наполнителей и создание гетерогенной структуры материала приводит к повышению коэффициента KQ. Для создания высокопрочных материалов с повышенными значениями трещиностойкости для трубопроводов следует использовать слоистую структуру ПКМ, состоящую слоя стеклоткани, полимерного войлока и полимерного связующего на основе полиэфирной или эпоксидной смолы.

Параметры трещиностойкости композита K0 и KQ симбатно связаны с его прочностью и монолитностью. На рис. 3 приведены зависимости определяющие связь коэффициентов монолитности стеклопластиков с их прочностью и трещиностойкостью.

Рис.3. Зависимости K0, KQ и р ПКМ от их монолитности:

1 – ЭДТ-10 + ПЭТФ-СП, 2 – ПН-1 + ПЭТФ-СП, 3 – ПН-16 + ПЭТФ-СП, 4 – ПН-10 + ПЭТФ-СП

С увеличением коэффициента монолитности ПКМ возрастает его трещиностойкость и комплекс физико-механических характеристик при условии отсутствия в материале дефектов в виде пор, что обеспечивается технологией пропитки, рассмотренной выше. Наибольшей трещиностойкостью обладает трехслойный материал следующей конструкции: слой стеклоткани + слой ПЭТФ – войлока + слой стеклоткани. Однако с увеличением содержания стеклоткани в конструкции материала для ремонта трубопроводов резко возрастает масса одного погонного метра рукава, что существенно затрудняет проведение монтажных работ. Предпочтение в этом случае следует отдать двухслойной конструкции материала, включающей слой из ПЭТФ – войлока и стеклоткани.

Таким образом, впервые для композиционных материалов слоистой конструкции на основе полиэфирной смолы с высокой надежностью определены экспериментальные значения коэффициентов концентрации напряжений и установлена связь между свойствами исходных компонентов и монолитностью ПКМ с их трещиностойкостью, что позволяет целенаправленно конструировать ПКМ и создавать высокопрочные и трещиностойкие материалы.

Глава 3 Исследование влияния воздействия агрессивных сред на эксплуатационные характеристики ПКМ слоистой структуры на основе полиэфирной смолы

Полимерные композиционные материалы, используемые для ремонтных работ по восстановлению трубопроводов, в процессе эксплуатации под воздействием различных сред могут изменять свои исходные характеристики, что может привести к выходу из строя трубопровода, нарушить его герметичность.

В связи с этим возникают две проблемы при моделировании поведения ПКМ при эксплуатации: наиболее правильно смоделировать состав агрессивных сред и температурно-временные условия проведения испытаний.

Несомненно, что основной средой является вода, а в качестве агрессивных реагентов могут быть использования растворы щелочей и кислот в воде. Вода, проникая в ПКМ, нарушает взаимодействие на границе раздела фаз, а гидролиз может разрушить химические связи, что приведет к резкому снижению прочности материала (в 2-3 раза) после его выдержки в воде. Присутствие щелочей и кислот может привести к различным химическим реакциям, как стекловолокна, так и полимерного войлока и связующего. Все эти процессы не удается заранее спрогнозировать, что требует проведения соответствующих исследований.

Водостойкость разработанных композитов определяли по изменению массы образцов после экспозиции их в воде в течение времени, необходимого для установления сорбционного равновесия при температуре 200С, а стойкость к агрессивным средам - к 10%-ной H2SO4 и NaOH при выдержке образцов в кислоте и щелочи в течение 43 и 150 суток. Испытания проводили по ГОСТ 12020-72.

По экспериментальным данным, основываясь на оценке химстойкости по установленным согласно ГОСТ показателям, исследованные композиты, предназначенные для ремонта трубопроводов можно отнести к химически стойким.

3.1. Определение коэффициента монолитности ПКМ слоистой структуры после воздействия агрессивных сред

В критериальные показатели, описывающие условия монолитности композита, входят упруго-прочностные характеристики армирующего наполнителя полимерного связующего и границы раздела фаз, которые существенно зависят от внешнего воздействия (температура, давление, облучение и т.д.) и вида агрессивной среды (вода, кислота, щелочь). Совокупность этих параметров обуславливают условия работы изделия из ПКМ в процессе его эксплуатации. В первом приближении получим

,

где c0, адг0, с0, Ес0 – кратковременные значения упруго-прочностных характеристик связующего при нормальном режиме эксплуатации: kI (i = 1 4) – коэффициенты, учитывающие изменение свойств связующего под воздействием агрессивной среды.

Анализ полученных экспериментальных данных показывает, что упруго-прочностные характеристики ПКМ после воздействия агрессивных сред достаточно хорошо описываются степенными зависимостями. При этом значения коэффициентов равны К1= 0,03 1/мес.; К2= 0,03 1/мес.; К4= 0,02 1/мес.

Для случая воздействия различных эксплуатационных факторов на ПКМ получили следующие коэффициенты монолитности для ПКМ:

Как показывают результаты наибольшее влияние на монолитность ПКМ оказывает воздействие 10-% NаОН и наименьшее вода. Причем коэффициент монолитности ПКМ снижается с 0,5 до соответственно - 0,35 – вода, 0,31 – кислота и 0,26 – щелочь, что может привести к снижению прочности и трещиностойкости материала.

3.2. Исследование кинетики разрушения и трещиностойкости ПКМ слоистой структуры в условиях воздействия агрессивных сред

С использованием приведенной выше методики (см. гл. 2) провели оценку воздействия различных эксплуатационных факторов на вязкость разрушения композитов. Оценку степени одновременного воздействия агрессивных сред и температур на вязкость разрушения композиционных материалов проводили на образцах композитов, предварительно экспонированных в дистиллированной воде, 10%-м растворе H2SО4 и 10%-м растворе NaOH в воде при 293, 323 и 353 K. Образцы испытывали после выдержки в агрессивной среде в течение 3, 6, 9 и 12 месяцев.

Статистическая обработка полученных результатов показала, что характер зависимости между трещиностойкостью и эксплуатационными факторами удовлетворительно описывается экспонентой:

где KQXt – текущее значение KQ при воздействии эксплуатационных факторов (среда, температура, нагрузка); KQX0 – начальное значение KQ для ПКМ; X – эксплуатационные факторы; t – время экспозиции материала при воздействии эксплуатационных факторов; Bx – скорость изменения KQ при заданном X.

В координатах lnKQ X зависимость вязкости разрушения композиционных материалов от воздействия эксплуатационных факторов представляет собой прямую: ln

Из полученных данных (табл. 4)следует, что наиболее трещиностойким материалом при нормальных условиях эксплуатации является выбранный в качестве материала трубопроводов композит на основе смолы ПН-1, стеклоткани и ПЭТФ - войлока. В случае воздействия эксплуатационных факторов (H2О, H2SО4, NaOH и температуры) наибольшая скорость снижения трещиностойкости наблюдается у композита на основе стеклоткани, наименьшая - у композита на основе ПЭТФ - войлока. Композит же на основе их комбинации сочетает в себе достаточно высокую трещиностойкость, как при нормальных условиях, так и при воздействии эксплуатационных факторов.

Таблица 4.

Трещиностойкость композита ПН-1 + стеклоткань+ ПЭТФ - войлок

после экспозиции в агрессивных средах при повышенных температурах

КQ н/мм3/2 Т0К Среда КQt (н/мм3/2) после эксплуатации в течение, мес.
3 6 9 12
130 293 А 105 20 82,5 79
130 293 Б 74 39 33 29
130 293 В 67 26 21 18
130 323 А 97 83 73 66
130 323 Б 67 29 26 24
130 323 В 46 20 16 14
130 353 А 86 72 63 57
130 353 Б 62 78 25 24
130 353 В 34 0 0 0
А H2О, Б 10% H2SО4, В 10% NaOH


Pages:     | 1 || 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.