CC BY
5На основании проведенных исследований была показана принципиальная возможность использования полимерных композиционных материалов при производстве и эксплуатации различных групп изделий для обустройства нефтегазовых месторождений, расположенных в Арктическом и Субарктическом климатических поясах. Установлено, что длительное пребывание этих материалов в условиях низких климатических температур в зимний период и насыщение образцов влагой в теплое время года незначительно изменяют механические свойства ПКМ, и достаточно надежно прогнозируются при проектировании и прочностных расчетах конструкций, эксплуатация которых планируется в условиях экстремально низких температур. Воздействие переходов через ноль и морского воздуха могут привести к снижению механических свойств ПКМ при их длительной эксплуатации и должны быть нейтрализованы путем повышения качества поверхности изделий и дополнительной обработкой влагоотталкива-ющими составами.
Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (тема № FSEG-2024-0009 Разработка моделей деградации служебных свойств металлических и композиционных материалов для строительства в условиях многолетнемерзлых грунтах)
Литература
1. Старцев О.В. Старение полимерных композиционных материалов в условиях экстремально холодного климата / Старцев О.В., Лебедев М.П., Кычкин А.К. // Известия АлтГУ. Физика, 2020, 3 (111). С.41-49.
DOI: 10.24412/cl-37269-2024-1 -33-36
НАТУРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ МАТЕРИАЛОВ, ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ И ИЗДЕЛИЙ В УСЛОВИЯХ ХОЛОДНОГО КЛИМАТА
Голиков НИ., Сараев Ю.Н., Лебедев МП., Сидоров М.М.
Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова обособленное подразделение ФИЦ «Якутский научный центр СО РАН», г. Якутск
На территории Якутии, которая относится к очень холодному и арктическому климатическим районам, проводятся натурные испытания материалов, элементов конструкций и изделий. Это связано с зависимостью физико-механических характеристик материалов от климатических факторов. Исследования проводятся с 1970-х годов в институтахИФТПС СО РАН и ИПНГ СО РАН, и за это время были разработаны оригинальные методики и получены обширные данные по изменениям свойств материалов. В настоящее время испытания проводятся на полигоне в экспериментальной площадке ИФТПС СО РАН, где помимо материалов и элементов конструкций, также проводятся климатические натурные испытания сварочного оборудования и сварочных материалов отечественного производства в естественных условиях Якутии.
По климатическому районированию территория Якутии согласно ГОСТ 16350-80 относится к очень холодному району, с представительными пунктами: г. Якутск и с. Оймякон; а также к арктическому восточному с представительным пунктом - п. Тикси. Практически вся территория республики находится в пределах арктического и субарктического климатических поясов, а также характерна наличием многолетнемерзлых пород. Якутия самый холодный из обжитых регионов планеты. Температура воздуха здесь понижается ниже минус 60 оС, и отличается продолжительным зимним и коротким летним периодами. По результатам многолетних наблюдений среднегодовая температура в этих районах ниже минус 10 оС. Годовой размах колебаний температуры воздуха достигает около 100 оС, а суточный около 35 оС.
Широкое применение современных материалов в различных изделиях, в том числе ответственного назначения сдерживается зависимостью их ряда физико-механических характеристик от климатических факторов окружающей среды. Перед разработчиками материалов ставится задача обеспечения не только высоких значений исходных характеристик материалов, входящих в конструкционные узлы, но и сохранение их свойств в течение длительной эксплуатации изделий в различных климатических условиях. Таким образом, климатические испытания способствуют созданию надежных материалов и изделий.
Начиная с 1970-ых годов в институтах ИФТПС СО РАН и ИПНГ СО РАН ведется систематическое изучение устойчивости различных классов полимерных и композиционных материалов в условиях воздействия климатических факторов Якутии. Проводились натурные испытания труб, сосудов давления, техники специального назначения [1-3]. В результате многолетних исследований разработаны оригинальные методики и получены обширные фактические данные по изменениям деформационно-прочностных и специальных свойств материалов. Выявлены основные физико-химические процессы старения полимерных и композиционных материалов в условиях Севера. Создан банк данных, государственных и отраслевых стандартов и рекомендаций по оценке стойкости, прогнозированию сроков сохраняемости и применению материалов и конструкций в условиях Севера. Испытания позволяли определять наименее надежные узлы техники и элемента конструкции, и выдать рекомендации для заводов изготовителей продукции - определение предельного состояния, обоснование продления ресурса, разработка технологии сварки, оценка допустимых дефектов сварки и др.
В настоящее время испытания материалов и элементов конструкций проводятся на полигоне, расположенном в городской черте. Ведутся испытания образцов материалов на атмо-сферостойкость в свободном состоянии и под нагрузкой, а также испытания элементов конструкций, в том числе труб внутренним давлением. В 2023 году на полигоне была установлена новая метеостанция «Сокол-М1», приобретенная в рамках гранта ЦКП [4]. Метеостанция позволяет измерить значения температуры, влажности, осадков, ультрафиолетовое излучение, скорость и направление ветра. Кроме образцов на полигоне проходят испытания различные изделия и конструкции. К примеру, в данное время на базе полигона ведутся натурные испытания трубчатых стальных и композитных свай под нагрузкой, а также площадка обслуживания, изготовленная полностью из композиционного материала.
В условиях Севера и Арктики, сварочные работы часто вынуждены производить в условиях отрицательных температур окружающего воздуха. При этом в большинстве случаев невозможно или трудно обеспечить создание специальных условий для ведения сварки при естественном холоде. Процесс сварки в условиях низких климатических температур сопровождается повышенным отводом тепла от зоны сварки, что оказывает существенное влияние на структуру и механические свойства сварного соединения. С ростом скорости охлаждения увеличивается вероятность образования закалочных структур, что может привести к снижению сопротивляемости сварных соединений к хрупким разрушениям. Таким образом, для получения надежных монтажных и ремонтных сварных соединений, эксплуатирующихся в экстремально холодном климате необходимо применение адаптированных технологических способов, материалов и оборудования.
С введением санкций на поставку запасных частей для импортной техники, возникла необходимость разработки и усовершенствования ремонтно-восстановительных технологий и дополнительных мер упрочнения, адаптированных к суровым климатическим условиям. На предприятиях республики существенно увеличились объемы ремонтно-восстановительных работ с применением сварки и наплавки деталей машин. При этом производственные предприятия испытывают трудности с отсутствием или высокой ценой на рынке привычных импортных сварочных материалов и оборудования.
В этом направлении нами ведутся исследования перспективных сварочных материалов и оборудования на основе низкотемпературных натурных климатических испытаний для повышения надёжности сварных соединений конструкций в северных регионах. Разработаны про-
граммы климатических испытаний сварочных материалов и оборудования в условиях экстремального холода [5, 6]. Испытания позволили обнаружить определенные проблемы сварочного оборудования при снижении температуры, такие как затвердевание регуляторов сварочного тока, потеря гибкости питающих и сварочных кабелей, нарушение работы индикаторов. Благодаря испытаниям разработчики сварочного оборудования АО «Электро-Интел» улучшили ин-верторные источники питания для ручной дуговой сварки NEON ВД-201 и NEON ВД-315, расширив диапазон рабочих температур и снизив нижний предел до минус 50 °C.
Выполнены испытания сварочных электродов отечественного производства с целью оценки качества и пригодности их применения в условиях низких климатических температур (до -45 °С). Исследования проводились на сталях марки СтЗсп, 09Г2С и 10ХСНД. Сварку образцов производили модулированным током частотой 1,67 Гц и 5 Гц, а также постоянным током. Результаты исследований после сварки при минус 45 оС сравнивались с результатами, полученными при +20 оС. Было показано, что покрытые электроды марки УОНИ 13/Мороз могут быть рекомендованы для сварки низколегированной стали марки 10ХСНД третьей категории в условиях отрицательных температур окружающего воздуха до минус 40 оС.
Заключение
1. Климатические особенности Республики Саха (Якутия), научный потенциал и инфраструктура ФИЦ ЯНЦ СО РАН имеют уникальную возможность проведения натурных испытаний в двух климатических зонах: очень холодного - с представительным пунктом в г. Якутске и восточно-арктическом - с представительным пунктом в п. Тикси для эффективного решения инженерных задач в самых разных отраслях экономики - энергетике, в нефтегазовой, химической и металлургической промышленности, строительстве, горном деле.
2. Разработаны методики климатических испытаний сварочных материалов и оборудования в экстремальных погодных условиях. Они включают создание программ испытаний, учитывающие специфические требования Северных и Арктических регионов, такие как низкие температуры. Эти новые методики обеспечивают объективную оценку надежности сварочных материалов и оборудования, а также качественные климатические испытания близких к реальным условиям эксплуатации. На основе полученных данных были предложены рекомендации по выбору и применению перспективных сварочных технологий, материалов и оборудования для проведения сварочных работ в условиях холода.
Работа выполнена в рамках государственного задания ИФТПС СО РАН, шифр проекта FRWS-2024-0034, номер государственной регистрации 1023031300029-4-2.3.1
Литература
1. Сыромятникова А.С., Голиков Н.И., Кычкин А.К., Старостин Н.П. Использование климатического холода в научных исследованиях // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2022. Т. 88. № 9. С. 69-75.
2. Голиков Н.И., Сидоров М.М., Тихонов Р.П. [и др.]. Натурные климатические испытания неметаллических материалов в условиях холодного климата Якутии // Полимерные и композиционные материалы в условиях Севера: Труды Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, посвященной 120-летию открытия синтетического каучука И.Л. Кондаковым (08.10.1857-14.10.1931), уроженцем г. Вилюйска Якутской области. Киров, 2021. С. 140-144.
3. Лебедев М.П., Голиков Н.И., Сараев Ю.Н. [и др.] Климатические испытания материалов, элементов конструкций и изделий в условиях экстремально холодного климата Якутии // EURASTRENCOLD-2023 : Сборник трудов XI Евразийского симпозиума по проблемам прочности и ресурса в условиях климатически низких температур, посвященного 85-летию со дня рождения академика В.П. Ларионова, Якутск, 11-15 сентября 2023 года. Киров: Межрегиональный центр инновационных технологий в образовании, 2023. С. 329-334.
4. Голиков Н.И., Сидоров М.М., Санников И.И. Опыт реализации модели коллективного пользования научным оборудованием ЯНЦ СО РАН в интересах бизнеса // EURASTRENCOLD-2023 : Сборник трудов XI Евразийского симпозиума по проблемам прочности и ресурса в условиях климатически низких температур, посвященного 85-летию со дня рождения академика В.П. Ларионова, Якутск, 11-15 сентября 2023 года. Киров: Межрегиональный центр инновационных технологий в образовании, 2023. С. 178-183.
5. Сараев Ю.Н., Голиков Н.И., Сидоров М.М. Климатические испытания сварочного оборудования при отрицательных температурах : Методические указания. Томск : Общество с ограниченной ответственностью «СТТ», 2020. 12 с.
6. Сараев Ю.Н., Голиков Н.И., Сидоров М.М. Климатические испытания сварочных материалов при отрицательных температурах : Методические указания. Томск : Общество с ограниченной ответственностью «СТТ», 2020. 18 с.
Б01: 10.24412/с1-37269-2024-1-36-39
АНАЛИЗ РАЗРУШЕНИЯ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ УГЛЕПЛАСТИКА В РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРНО-СИЛОВЫХ УСЛОВИЯХ И ВОЗДЕЙСТВИЯХ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ
Петров М.Г.1, Старцев О.В.2, 3, Лебедев М.П.3, Копырин М.М.3
1 ФАУ «СибНИА им. С.А. Чаплыгина», г. Новосибирск
2 НИЦ «Курчатовский институт» - ВИАМ, г. Москва
3 ФИЦ «Якутский научный центр СО РАН», г. Якутск
Изложен подход для определения долговечности полимерных композиционных материалов, основанный на рассмотрении внутренних термодинамических процессов, происходящих в материалах под нагрузкой с позиций теории скоростей реакций. Изложены результаты испытаний углепластиков авиационного назначения на растяжение, сжатие и межслоевой сдвиг при различных видах нагружения. Проведен анализ структуры углепластиков по их неупругим характеристикам. Рассмотрены методы прогнозирования их долговечности для заданной вероятности разрушения.
Экспериментальные и теоретические основы этого подхода изложены в работах [1, 2] со всеми ссылками на историю вопроса и экспериментально-теоретические доказательства его достоверности и применимости. Первым шагом в исследовании свойств любого твёрдого тела является нагружение образцов материала при нарастающих напряжениях с разными скоростями при различных температурах и применение термоактивационного анализа как основного метода обработки получаемых данных. Эта область условий нагружения связана с общим течением материала - ползучестью.
При переменных нагрузках, применяя те же законы разрушения к совокупности локальных процессов, распределённых в структурно неоднородном материале, требуются дополнительные методы испытаний и анализа получаемых результатов.
Настоящая работа демонстрирует этот подход применительно к разрушению углепластиков, подверженных кроме температурно-силовых воздействий влиянию внешней среды на состояние связующих. Анализ их прочностных свойств даёт возможность предвидения хода процесса разрушения в тех или иных условиях эксплуатации подобных конструкций.
Испытания на растяжение-сжатие со ступенчато нарастающей амплитудой нагруже-ния были выполнены на образцах углепластика авиационного назначения на основе эпоксидного связующего Сусот 977-2 и углеродных волокон марки Тепах®ШБ [3, 4] после 7 лет экспонирования под навесом и на открытом атмосферном стенде в условиях теплого влажного
