НАУЧНО – ТЕХНИЧЕСКИЕ   РАЗРАБОТКИ

                            ЦКБМ Ф1  -  КБ «САЛЮТ»

 

                                        Выпуск 3

 

 

                                     

 

 

 

 

 


                                                              Эмблема                                             

 

                                                             Центра        

 

 

 

                                                                                         

 

 

                                                        

 

 

 

 

 

 

                                                                   Москва  2009

 

Федеральное  государственное унитарное предприятие

«Государственный космический научно-производственный центр

имени М.В.Хруничева»

 

 

 

 

 

 

 

 

СТОЙКОСТЬ ПРОМЫШЛЕННЫХ

ИЗДЕЛИЙ  К ВОЗДЕЙСТВИЮ ВНЕШНИХ И

ВНУТРЕННИХ ФАКТОРОВ

 

 

ПРИМЕНИТЕЛЬНО  К  КОНСТРУКТОРСКОМУ  И
   ЭКСПЛУАТАЦИОННОМУ  МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЮ

В   РАКЕТНОЙ  ТЕХНИКЕ

 

 

«Научно-технические разработки

ЦКБМ Ф1 - КБ «САЛЮТ»

 

Выпуск 3

 

 

Выпуск составил доктор технических наук   Е. С. КУЛАГА

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                      М о с к в а        2  0 0 9

 

 

                                                   С О Д Е Р Ж А Н И Е                                                                              3.

 

   ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………………………………9

                                                Р а з д е л    п е р в ы й

                                       Д Е Т О К С И К А Ц И Я  ……………………………………  … …….11                                                     

                       как средство экологической совместимости

                        промышленных изделий с внешней средой

 

Глава 1.0   ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПРОМЫШЛЕННОГО ИЗДЕЛИЯ                                 

                             С  ВНЕШНЕЙ  И ВНУТРЕННЕЙ СРЕДОЙ ………..............................................12

 

1.1. Структурный состав технического материаловедения…………………………………………...  12

1.2. О наноструктурном строении вещества в композиционном материаловедении………………...14

1.3. Многофакторный подход в системном проектировании и отработке изделий………………….18

1.4. Свойства воздействующих факторов внутренней и внешней среды на изделие……………….  19

1.5. Структурная модель воздействия внешней и внутренней среды на изделие…………………...  22

1.6. Состав внешних воздействующих факторов.

   1.7. Районирование  и исполнение техники для различных климатических районов………………. 29

   1.8.  Выводы и рисунки по главе……………………………………………………………………….   31

 

 Глава  2.0   НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ О ЗАГРЯЗНЕНИИ БИОСФЕРЫ…………………….  37

 

  2.1. Влияние техники на внешнюю среду……………………………………………………………   37

  2.2. Состав промышленных загрязнений в воздухе, воде и грунте…………………………………  38

  2.3  Загрязнение атмосферы …………………………………………………………………………..   39

 2.4.  Загрязнение воды…………………………………………………………………………………..  41

 2.5.  Загрязнение почвы

 2.6. Влияние загрязнений на биосферу Земли………………………………………………………..    43

 2.7. Предпринимаемые усилия по уменьшению существующей и предотвращению новой

        загрязненности окружающей среды………  ……………………………………………………….45 

 2.8.  Выводы и рисунки по главе………………………………………………………………………   51 …

 

Глава 3.0  ДИНАМИКА ОЗОННОГО СЛОЯ ЗЕМЛИ  И
                   ДЕТОКСИКАЦИЯ  ИЗДЕЛИЙ
…………………………………………………………   52

 

3.1. Состав атмосферы на высоте озонного слоя………………………………………………………  52

3.2. Основные циклы разрушения озона………………………………………………………………   52

3.3. Экологические проблемы озонного слоя………………………………………………………….  54

3.4. Загрязнение атмосферы выхлопными газами авиационных двигателей ……………………….  55

3.5  Загрязнение атмосферы двигателями ракет……………………………………………………….  58

3.6. Детоксикация промышленных изделий……………………………………………………………  61

       3.6.1. Методы и средства детоксикации ракет-носителей…………………………………………62

       3.6.2.  Детоксикация первой ступени РН «Протон-М»…………………………………………… 64

       3.6.3.  Экспериментальное исследование процесса соударения о землю модельных емкостей, 

                   содержащих компоненты ракетных топлив……………………………………………….. 65.

       3.6 4  Утилизация гептила…………………………………………………………………………..  65

3.7.  Выводы и рисунки по главе. ……………………………………………………………………….

                                          

 

 

                                      

 

                                                   Р а з д е л    в т о р о й

 

                                          А М П У Л И З А Ц И Я……………………………………………..    74  

                   как средство обеспечения долговечности изделий,

                    содержащих токсичные и агрессивные жидкости

 

 Глава  4.0    МЕТОДЫ И СРЕДСТВА АМПУЛИЗАЦИИ ИЗДЕЛИЙ,

                       СОДЕРЖАЩИХ  АГРЕССИВНЫЕ ЖИДКОСТИ……………………………….     75

 

 4.1. Некоторые исторические сведения о создании первого ампулизированного изделия……….    75 

 4.2.  Основные методы ампулизации………………………………………………………………….   76

         4.2.1  Метод внешней ампулизации………………………………………………………………..77

         4.2.2. Метод внутренней ампулизации…………………………………………………………… 77

  4.3. Воздействующие факторы при внешней ампулизации ………………………………………… 79

         4.3.1. Температура в не вентилируемой и не отапливаемой шахте ……………………………. 79

         4.3.2.  Влажность в не вентилируемой и не отапливаемой шахте ………………………………81

 

4.4. Конструктивные схемы внутренней ампулизации баков и основных элементов топливного   

          тракта………………………………………………………………………………………………. 82

         4.4.1  Биметаллические переходники ……………………………………………………………  82

         4.4.2. Крышки люков лаза топливных баков…………………………………………………….. 83

         4.4.3.  Предохранительные клапаны ……………………………………………………………... 83

         4.4.4.  Блоки разъемов топливной системы……………………………………………………… 83

         4.4.5. Заправочные горловины контейнера ……………………………………………………… 84

          4.5. Выводы и рисунки по главе …………………………………………………………………  85

 

Глава 5.0  ГЕРМЕТИЧНОСТЬ ИЗДЕЛИЙ  С АГРЕССИВНОЙ ВНУТРЕННЕЙ СРЕДОЙ .. 113

 

5.1. Комплекс работ по обеспечению герметичности………………………………………………..  113

5.2. Некоторые сведения из теории течения газов в капиллярах……………………………………  114

5.3. Экспериментальное исследование истечения компонентов через микронеплотности

       сварных швов……………………………………………………………………………………….  116

       5.3.1. Имитаторы течей и методы, использовавшиеся при экспериментальных

       Исследованиях……………………………………………………………………………………… 116

5.4. Экспериментальные исследования истечения компонентов АТ и НДМГ через

       микронеплотности сварных швов сплава АМг6…………………………………………………. 118

       5.4.1. Влияние давления на процесс истечения…………………………………………………..  118

       5.4.2. Зависимость истечения  от времени и влажности внешне  среды ……………………..  118

        5.4.3. Истечение паровой фазы АТ и НДМГ…………………………………………………….. 120

5.5. Коэффициент перехода от течения контрольного газа к течению жидких компонентов…….. 120

5.6. Определение норм герметичности топливных трактов

       5.6.1 Методический подход в определении норм герметичности

       5.6.2. Экспериментально-статистический метод расчета норм герметичности………………...121

       5.6.3. Метод расчета норм локальной герметичности…………………………………………… 122

5.7. Отраслевой стандарт по определению норм герметичности……………………………………. 123

5.8. Некоторые характерные причины негерметичности по сплошному металлу и сварным

       соединениям…………………………………………………………………………………………126

        5.8.1. Негерметичности по сплошному металлу ………………………………………………... 127

        5.8.2.  Негерметичности сварных соединений. …………………………………………………. 129

        5.9.   Выводы и рисунки по главе ………………………………………………………………..  131

 

 

Глава 6.0.  ИССЛЕДОВАНИЕ  ВНУТРИБАКОВЫХ  ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ
                    ПРИ   ДЛИТЕЛЬНОМ  ХРАНЕНИИ 
……………………………………………….   147  

 

6.1.  Влияние растворенного азота в компонентах на давление в баках ………………………….   147.

6.2.  Осадкообразование в баках………………………………………………………………………  150

6.3. Механические примеси в АТ …………………………………………………………………….   150

6.4.  Механические примеси в НДМГ ………………………………………………………………..   151

6.5.  Коагуляция и агрегатирование частиц. …………………………………………………………  152

6.6.  Дисперсный состав мехпримесей………………………………………………………………..  153

6.7.  Работоспособность двигателей при наличие мехпримесей в компонентах ………………….  154

6.8.  Технологические примеси в АТ при испарении и конденсации в элементах топливной 

         системы …………………………………………………………………………………………… 156

        6.8.1.  Удаление не сливаемых остатком продуктов методом «наддув – сброс» …………….. 157

        6.8.2.  Испарение не сливаемых остатков ……………………………………………………….  158

6.9.  Выводы и рисунки по главе ……………………………………………………………………… 185

 

Глава 7.0.   КОРРОЗИОННАЯ  СТОЙКОСТЬ  МАТЕРИАЛОВ И АГРЕГАТОВ ПГС …….  166

 

7.1. Комплексные исследования коррозионной стойкости конструкционных материалов и 

       длительной работоспособности агрегатов  ……………………………………………………… 166

7.2. Автономные стендовые испытания агрегатов топливной системы. …………………………...  168

7.3. Влияние конструктивных и технологических факторов на коррозионную стойкость 

       алюминиевого сплава АМг-6  …………………………………………………………………….. 170

7.4. Исследование методик испытаний на коррозии под напряжением сплава АМг-6. ……………173

7.5. Коррозия в АТ с увеличенным количеством технологических примесей.  …………………….175

7.6. Коррозия в щелях и зазорах ………………………………………………………………………..176

7.7.  Коррозия в обводненном НДМГ ………………………………………………………………… 176

7.8  Выводы и рисунки по главе  ……………………………………………………………………… 176

 

Глава 8.0.  ДИФФУЗИОННАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ  И АДСОРБЦИЯ  АТ  И НДМГ

        СТЕНКАМИ   БАКОВ  …………………………………………………………………………. 183

 

8.1. Исследование диффузионной проницаемости в алюминиевые сплавы. ………………………. 183

8.2. Адсорбция КРТ поверхностью сплавов ………………………………………………………….. 183 

8.3.  Исследование проникновения НДМГ в поверхностные поры металла. ………………………. 190

8.4.  Исследование взаимодействия КРТ с поверхностью алюминиевых сплавов методом ИК- 

        спектроскопии  ……………………………………………………………………………………..193

8.5. Выводы и рисунки по главе.  ………………………………………………………………………194

 

Глава 9.0. ИССЛЕДОВАНИЕ  ОЗОНИРОВАНИЯ  ОСТАТОЧНЫХ  КОЛИЧЕСТВ 

       КОМПОНЕНТОВ  В БАКАХ  …………………………………………………………………..  204

 

9.1. Использование озона при удалении НДМГ с металлических поверхностей. …………………. 204

9.2. Окисление озоном жидкого гептила. …………………………………………………………….. 205

9.3. Исследование условий образования смол при контакте гептила с кислородом, а также

       изучение процесса их озонирования ………………………………………………………………206

9.4. Разложение озона на поверхности сплава АМг-6  и определение потребного количества

       озона.  ………………………………………………………………………………………………. 209

9.5. Озонирование модельных бачков и штатных изделий.  …………………………………………211

9.6.  Исследование взаимодействия амила с озоном на поверхности окиси алюминия. ………….. 211

9.7. Выводы и рисунки по главе. ……………………………………………………………………… 213

 

Глава 10.0.  ДЛИТЕЛЬНАЯ ПРОЧНОСТЬ И ПОЛЗУЧЕСТЬ СПЛАВА АМг-6 …………… 216

 

10.1. Основные положения из теории Ларсена-Мюллера о ползучести и длительной прочности. 216

10.2. Исследование образцов материала …………………………………………………………….. 217

10.3. Испытание укороченных блоков баков на ползучесть   ……………………………………… 219

10.4. Выводы и рисунки по главе ……………………………………………………………………  220

 

Глава 11.0  ГАЗОВЫЙ СОСТАВ  СРЕДЫ КОНТЕЙНЕРА  …………………………………..  224

 

11.1. Поглощение паров компонентов. ……………………………………………………………… 224

11.2. Сорбция паров компонентов основными конструкционными материалами ………………. 226

11.3. Газовыделение из неметаллических материалов в замкнутых объемах. …………………… 231

11.4. Поглощение паров органических соединений, выделившихся из неметаллических  

       материалов  в контейнере ……………………………………………………………………….. 232

11.5. Выводы и рисунки по главе. …………………………………………………………………… 234

 

Глава 12.0  КОНТРОЛЬ  ГЕРМЕТИЧНОСТИ  ЗАПРАВЛЕННЫХ   ИЗДЕЛИЙ  …………. 239

 

12.1. Методы и средства определение паров КРТ в контейнере. …………………………………. 239

12.2. Исследование работоспособности чувствительных элементов датчиков СДКЗ. ………….. 241

12.3. Определение порогов срабатывания датчиков СДКЗ  ……………………………………….. 243

12. 4. Разработка рекомендации по повышению чувствительности датчиков СДКЗ. …………… 249

12.5. Исследование динамики распределения паров КРТ  в сухих отсеках изделия и в контейнере 251

12.6. Выводы  и рисунки по главе. …………………………………………………………………… 255

 

Глава 13.0. ОПЫТ ЭКСПЛУАТАЦИИ  КОРПУСОВ РАКЕТ  УР-100  ……………………… 271

 

 13.1 Эксплуатация ракет в течение первых четырех лет.  ………………………………………… 271

 13.2. Случаи негерметичности сварных соединений ……………………………………………… 274

 13.3. Негерметичности в алюминиевом сплаве АМг6  ……………………………………………. 274

 13.4. Негерметичности по нержавеющим сталям ………………………………………………….. 276

 13.5  Случаи обнаружения загазованности в замкнутых полостях изделий. …………………….. 277

 13.6. Случаи негерметичности разъемных соединений блоков контроля давления в ПГС. ……. 278

 13.7. Влияние времени эксплуатации на появление загазованности.  …………………………… 279

 13.8. Обзор результатов дефектации ежегодно снимаемых изделий с эксплуатации. ………….  280

 13.9. Выводы и рисунки по главе  ………………………………………………………………….. 285

 

                                                          Р а з д е л    т р е т и й

 

                          М Е Т О Д И Ч Е С К И Е   Р Е К О М Е Н Д А Ц И И ………….      301

                                   на проведение испытаний и расчетов

                                        по обеспечению долговечности

 

 

Глава 14.0      ОБЪЕМ  И МЕТОДЫ СИСТЕМНОЙ ОТРАБОТКИ

                          ИЗДЕЛИЙ НА ВОЗДЕЙСТВИЕ ВНУТРЕННИХ И   

                                                 ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ …………………………………………..  302

 

 14.1. Исходные положения лабораторных, стендовых и натурных испытаний. …………………  302

 14.2. Общий подход в проведении испытаний по долговечности. ………………………………..  304

 14.3. Испытания металлов и сплавов.  ………………………………………………………………  304

 14.4.  Испытание неметаллических материалов и покрытий ………………………………………  306

14.5.  Испытания резин и деталей из них. ………………………………………………………….. 310

 14.6.  Испытание масел и смазок. ……………………………………………………………………313

 14.7.  Испытание агрессивных жидкостей в составе изделия. ……………………………………. 315

 14.8.  Испытание сборочных единиц, находящихся в контакте с агрессивными                             

         жидкостями. ……………………………………………………………………………………...315

 14.9.  Испытание аппаратуры и других сборочных единиц, не контактирующих

          с агрессивными жидкостями. …………………………………………………………………. 317

 14.10. Испытание изделий в целом. ………………………………………………………………… 317

 14.11. Выводы и рисунки по главе  …………………………………………………………………. 318

 

    Глава 15.0    МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ НА ПРОВЕДЕНИЕ

                      ИСПЫТАНИЙ И РАСЧЕТОВ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ

                                СТОЙКОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ  ………………………………………321

 

  15.1. Коррозионные испытания в среде агрессивных жидкостей АЖ. ………………………….. 321

  15.2. Определение сорбционной  емкости основных металлических и

         неметаллических материалов по парам АЖ. …………………………………………………. 322

  15.3. Проведение испытаний по определению механизма взаимодействия АЖ с  

         металлической поверхностью. ………………………………………………………………… 323

  15.4. Испытание кантатных пар материалов. ………………………………………………………323

  15.5. Испытания в среде, загазованной парами АЖ. ………………………………………………324

  15.6. Испытания по определению газовыделений из неметаллических  

         материалов в процессе эксплуатации изделий. ………………………………………………. 324

  15.7. Испытания по определению длительной стойкости неметаллических

         материалов в среде сухого воздуха. …………………………………………………………… 325

  15.8. Методический подход в ускоренных испытаниях на старение

         неметаллических материалов и деталей из них. ……………………………………………… 325

  15.9. Исследования по образованию и осаждению механических примесей  в

          АЖ. ……………………………………………………………………………………………… 327

  15.10. Определение коэффициента диффузии АЖ через металлические

           материалы. ……………………………………………………………………………………… 327.

  15.11.  Определение эквивалента проницаемости АЖ через микрокапилляры. ………………… 328

  15.12. Проведение испытаний по определению  длительной прочности и ползучести. …………328

  15.13. Проверка герметичности сборочных единиц изделия. …………………………………….. 329

  15.14. Исследование коррозионной стойкости изделия при хранении с

             остатками АЖ и после частичной нейтрализации. …………………………………………. 329

  15.15. Определение фактического состава газовой среды в замкнутых  

             полостях изделия в процессе эксплуатации. …………………………………………………329

  15.16. Методика расчета допустимых норм герметичности полостей,

          заполненных АЖ  ……………………………………………………………………………….. 330

  15.17. Методика расчета необходимого количества сорбента для осушки

              закрытых отсеков изделия. ……………………………………………………………………331

  15.18. Методика расчета количества сорбента для поглощения газового фона в

             отсеках изделия. ……………………………………………………………………………….. 331

  15.19  Выводы по главе ………………………………………………………………………………..332

 

   15.0  ОБЩИЕ   ВЫВОДЫ ……………………………………………………………………. 333

             ЗАКЛЮЧЕНИЕ ………………………………………………………………………….. 338

             ИСПОЛЬЗОВАННАЯ  ЛИТЕРАТУРА …………………………………………..  339

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ 

 

  В данной работе рассматриваются методологические подходы в изучении влияния воздействия изделий на окружающую среду в процессе эксплуатации, а также влияния внешней и   внутренней среды изделия на его функционирование. Эти подходы сформулированы и приведены полученные результаты по многим вопросам, на основе обобщения исследований, выполнявшихся под руководством автора в 60- 70- х годах прошлого века в КБ «Салют», при разработке ракеты носителя «Протон» и стратегических ракет УР-100. Данное КБ тогда входило в качестве Филиала № 1 в ОКБ-52 возглавлявшимся академиком В.Н.Челомеем. Ныне КБ «Салют» входит в состав ГКНПЦ им. М.В.Хруничева.

   В технической литературе, имеется значительное количество работ, посвященных разработке промышленных изделий, в которых освещены многие стороны процесса разработки и экспериментальной их отработки. В ней отражены соответствующие методологии разработки и экспериментальной отработки  изделий на функционирование, применительно к многообразным видам различной  техники в зависимости от их конструктивно-технологических решений. Однако в этом обилии технической литературы не всегда уделяется должное внимание изложению методологии и технике проведения экспериментальной отработки промышленных изделий, с учетом оказывающего их влияния на окружающую среду и совместного воздействия на них самих  внешней и внутренней среды изделий  в процессе их эксплуатации.

   Влияние и проявление внешних и внутренних воздействий на все типы изделий, в основном, находится в области физико-химического взаимодействия   внешних  и внутренних сред с материалами, из которых изготовлено изделие,  в силу чего проводящееся рассмотрение этих вопросов может носить общеметодологический характер, и может относиться к любому типу изделий.    

   Рассматриваемые воздействия проявляется, в первую очередь, на материалах, а потом уже сказывается на функционировании деталей, изготовленных их этих материалов при тех изменениях, которым они подверглись под воздействием внешних и внутренних факторов. Поэтому излагаемые подходы и всю данную работу следует отнести к области материаловедения и, в первую очередь, к ракетостроительному материаловедению.

    В настоящее время материаловедение в своей методологической и инструментальной оснащенности шагнуло далеко вперед по сравнению с 60-ми годами. Ныне открыта новая форма вещества в виде  его наноструктурного строения. Его использование в промышленности позволяет получать материалы и изделия с принципиально новыми свойствами.

     В силу большого значения этого явления, изложению основного материала, в первом разделе предпослано краткое изложение авторского взгляда на материаловедение, в том числе о наноструктурном строении вещества и нанотехнологий. Использование в наше время, пока еще не сформированной  теории наноструктурного строения вещества, может кардинально расширить методологическую часть в подходах к изучению влияния внешних и внутренних факторов на конструирование и экспериментальную отработку изделий.  

    Комплекс разработанных и реализованных мер на ракете-носителе «Протон-М», предотвративших вредное воздействие ракеты на окружающую среду, содержащую опасные и токсичные компоненты ракетного топлива, получил определение, как детоксикация ракет.

    Разработанный и реализованный на ракетах типа УР-100 комплекс конструктивных, технологических и эксплуатационных мероприятий по предотвращению вредного воздействия на ракету внутренних и внешних факторов получил определение, как внутренняя и внешняя ампулизация ракеты.

    Взаимодействия изделий с внешней и внутренней средой изучаются, в основном, специалистами материаловедами в различных НИИ, и в ограниченном объеме такое изучение проводится теми, кто создают сами изделия. Вместе с тем, изучение отмечаемых взаимодействий составляет основу конструкторского и эксплуатационного материаловедения, формулировки  которых и тематическое их содержание впервые вводятся в настоящей работе.

   В конструкторском материаловедении за критериальный подход в оценке стойкости материалов принимается оптимальность выполнения задач изделием в процессе его функционирования. В силу этого в данной работе изложение вопросов стойкости материалов будет, как правило, связываться с качеством эксплуатации изделий, что и будет составлять предмет эксплуатационного материаловедения.

   Применительно к внешним факторам рассматривается атмосферное воздействие согласно климатическому районированию территории СССР, а также антропогенное загрязнение атмосферы и его воздействие на озонный слой Земли. Экологические  данные приводятся из числа полученных на то время. Дается некоторое  сравнение этих факторов с такими же, имеющимися  в нынешнее время.

    Приведенные данные по этим факторам могут явиться, как бы исходной точкой для дальнейшего их сравнения, тем более что они были получены в этих работах,  практически, одними из первых в начале 70-х годов, по экологической оценке  и разработке мероприятий по предотвращению влияния промышленных изделий на окружающую среду.  

      Применительно к внутренним факторам рассматриваются вопросы обеспечения герметичности, подходы по обеспечению долговечности изделий, содержащих опасные жидкости, разрабатывавшиеся на основе изучения многофакторного воздействия внешней и внутренней  среды на изделия. Достаточно подробно рассматривается взаимодействия твердых, жидких и газообразных тел по границам их раздела в составе изделия, которые применимы к изделиям различного вида и назначения

  Большое значение этот вопрос приобретает для изделий, содержащих в себе токсичные, взрыво, пожаро и радиационно опасные вещества. Применительно к таким изделиям первостепенное значение при их эксплуатации приобретает безопасность обслуживающего персонала и предотвращение вредного воздействия их на окружающую среду. При решении этой задачи имеет большое значение обеспечение надлежащей прочности и длительной герметичности емкостей, трактов и полостей, содержащих такие жидкости в изделии, а также их коррозионной стойкости и долговечности при одновременном воздействии на изделие внешних и внутренних  факторов.

    Данные вопросы применительно к опасным и агрессивным жидкостям достаточно хорошо проработаны в химической, вакуумной и атомной технике и  по ним в этих отраслях накоплен достаточный опыт. Этому вопросу большое внимание уделяется во вновь формируемой теории стойкости трубопроводного транспорта, где коррозионные вопросы имеют большое значение.

    Начиная с конца 50-х - начала 60-х годов, когда у нас в стране началась разработка стратегических ракет, такая задача возникла и для ракетной техники, в которой стали применяться, высоко опасные жидкие компоненты ракетного топлива. Технические решения, отработанные в указанных ранее отраслях техники,  не во всем были применимы к ракетной технике и это потребовало разработки своих методических подходов и  соответствующих технических решений.

    Это объясняется тем, что в указанных отраслях промышленности подобные изделия все время находятся в эксплуатации в функционирующем состоянии и могут подвергаться непосредственному контролю, осмотру и ремонту. В ракетной технике такая возможность отсутствует. Ракеты располагаются в шахтах в заправленном состоянии в течение десятилетий и должны сохранять свою работоспособность, находясь, все это время в статическом состоянии,  после чего они должны в нужное время  сработать по назначении. При нахождении в шахтах они подвергаются периодическому  дистанционному автоматическому контролю их состояния по ограниченному количеству параметров. Эти условия накладывают свои специфические требования на отработку долговечности ракет.     

      Как упоминалось, эти ракеты должны были длительное время, в течении десятилетий, находиться  в невентилируемых и не отапливаемых шахтах, будучи в постоянной готовности к использованию по назначению. В качестве компонентов ракетных топлив в них  использовался окислитель амил – четырех окись азота и  топливо гептил – несимметричный диметил гидразин. Оба компонента  являются высоко токсичными и коррозионно-опасными  веществами, а гептил к тому же, является еще и пожаро опасным в паровой смеси с воздухом.

   Воздействие на ракету компонентов топлива является внутренним воздействующим фактором,  а воздействие влажной агрессивной среды шахты является внешним воздействующим фактором. Применительно к ним были разработаны и реализованы в ракетах соответствующие мероприятия, которые, позволили им находиться на эксплуатации значительно дольше, чем это вначале требовалось от них.

   Многолетний положительный опыт эксплуатации этих ракет показывает целесообразность распространения и на другие виды технических изделий подобной методологии обеспечения долговечности, которая была разработана и использовалась при создании упоминавшихся ракет.

    В методологической части работы приводятся рекомендуемые ГОСТы по проведению тех или иных испытаний, а также разработанные в ЦКБМФ1 методики, по тем видам испытаний, по которым отсутствовали руководящие материалы. Ныне, в эпоху рыночных отношений, руководящее начало в промышленности со стороны государства существенно уменьшилось, поэтому многие прежние и не переизданные ГОСТы стали нередко самочинно исключаться из практического их использования. Они перестали нести в себе законодательно обязательное условие их выполнения, и исчезло возникновение, в ряде случаев, уголовной ответственности за их невыполнение, как это было в советское время. Вместе с тем, они ни в коей мере не потеряли своего методологического значения и должны использоваться  в практической работе и поныне.

   В заключение необходимо отметить сотрудников тогдашнего ЦКБМФ1 и ученых различных НИИ, работавших в те годы по данной тематике, совместно с которыми проводились все основные исследования, и помянуть их добрым словом, поскольку почти все они уже ушли в мир иной.

    

   В ЦКБМФ1. ныне КБ «Салют», это были:

    заместитель генерального конструктора Нодельман Я.Б. кандидаты технических наук

    Полторанин Г.Я., Загоскин Г.А., кандидат химических наук Соловьева Р.И., инженеры

    Воинов А.С., Кишнев Л.А., Кремер П.Я, Красникова З.А., Фетисов И.С., Котина Е.Г.,

   Крюченко Е.В. Маматова А.Ф. Федунина А.А., Романов Е.В., Аржеников О.И.,

  

Принимали активное участие в обсуждении постановочных вопросов и проведении совместных и самостоятельных исследований:

- в ВИАМ  доктора технических наук Батраков В.П.,  Гурвич Л.Я.,

- в НИИ-25 МО  доктор технических наук Братков А.А.,

- в ГИПХ   доктора технических наук Антипенко Г.Л., Сиволодской Е.А., инженер

     Павлов Н.В.,

- в НИИ-88 (ныне ОАО «Композит») доктор технических наук Конради Г.Г., инженер  

     Кузнецов Г.Г.,

- в Академии химической защиты доктор технических наук Селин М.Е.,

- в НИИ-4 МО кандидаты технических наук Лазуткин Н.П., Рогожин В.А., 

- на химфаке МГУ  нынешний  декан химфака МГУ академик РАН В.В.Лунин, в то время 

     бывший кандидатом химических наук, а также  кандидаты химических наук

     Страхов Б.В., Емельянова, Лунина  А.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                       Р  а  з  д  е  л      п  е   р   в   ы   й  

 

 

                                                  Д Е Т О К С И КА Ц И Я

 

 

                          как средство  экологической совместимости

                                 промышленных изделий с внешней средой

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 1.0   ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ ИЗДЕЛИЙ

                         С ВНЕШНЕЙ   И  ВНУТРЕННЕЙ СРЕДОЙ

 

1.1.  Структурный состав технического материаловедения

 

   Накопленный многовековой человеческий опыт сосредоточен в письменных истопниках научной и специальной литературе, произведениях различных видов искусств и в немалом числе сохранившихся материальных объектах, созданных прошлыми поколениями людей. Все они состоят из различных видов и форм материалов и представляют собой предмет и состав материальной культуры. Материалы являются тем, без чего невозможно создать материальный объект в технике, промышленности, строительстве и других видах практической деятельности людей. В силу чего изучению материалов всегда придавалось большое значение, начиная с вещества составляющих собой материальный мир. Поэтому материаловедение является одной из важнейших наук в системе других технических наук.

   Материаловедение изучает материалы, начиная от их природного состояния, переработки для практического применения и заканчивая результатами такого применения. В технике создание любых видов изделий начинается с выбора материалов, из которых собираются создавать то или иное изделие для различных видов их использования. Конструкторы, создающие изделия, при этом используют различные справочные материалы и рекомендации специализированных институтов.

    Не всегда имеющиеся сведения позволяют выбрать материалы, в полной мере обеспечивающие трубимое качество проектируемого изделия. В этих случаях начинается проведение соответствующего комплекса работ по приданию необходимых свойств тем или иным материалам, а нередко и созданию новых материалов. Эти исследования ведутся, как правило, в специализированных институтах и лабораториях и нередко они ведутся совместно с конструкторами, создающими изделия. Если системно проследить путь создания материала и способов его использования, то можно выделить следующие его этапы.

   Вначале изучают способы переработки природного материала  в состояние пригодное для  практического использования. Затем изучаются свойства получаемого материала в зависимости от способа его получении. Далее исследуется  влияние на свойства материалов  технологических приемов переработки материалов в конкретные изделия из них. Именно сведения о всех ранее перечисленных свойствах материалов являются исходной базой для первичного выбора материала конструктором в создаваемой им конструкции. С этими выбранными материалами проходит первоначальная отработка конструкции на функционирование изделия. После этого, в случае необходимости при получении отрицательных или неудовлетворительных результатов, приступают к изучению поведения конструкции в зависимости от вида и качества использованных материалов, а также изучают влияние воздействия внешней и внутренней среды в процессе эксплуатации изделия на поведение материалов в составе изделия и самого изделия вцелом. Нередко эти исследования предшествуют выбору материалов до начала отработки изделия на функционирование.

   Из проведенного краткого рассмотрения протекания жизненного цикла материала видно, что любой материал проходит последовательно ряд этапов в его исследовании, применительно к разным условиям применения и проводимых разными специалистами. Изучение способов получения  металлов проводят металлурги, а способы получения полимеров проводят соответствующие химики – технологи. Изучение технологических свойств материалов, как правило, проводят производственные технологи. Казалось бы, что изучение свойств материалов в конструкциях изделий должны проводить конструкторы, но это очень редко бывает на практике, и эти исследования перепоручаются разработчикам материалов с ограниченным участием конструкторов, что не всегда бывает оправданным. Проведенный анализ состава материаловедения можно проиллюстрировать, применительно к промышленной технике, ниже следующей блок – схемой, представленной  в виде таблицы 1.1.1Т.

         

                                                                                                               

                                                                                                                              Таблица 1.1.1Т.

                        

                                        

                                        М А Т Е Р И А Л О В Е Д Е Н И Е

 

 


                                                            В И Д Ы

                   Неорганическое                                            Органическое

 

 


                                                       Р А З Д Е Л Ы

 

 

 

 


   Прикладное          Производст-       Технологи-        Конструктор-       Эксплуата- 

                                    венное               ческое               торское                цонное

 

     С целью более предметного рассмотрения состава материаловедения целесообразно выделить в нем  в и д ы  и  р а з д е л ы материаловедения, как это представлено на структурной его блок-схеме.  Исходя из ране проведенного краткого рассмотрения состава материаловедения и  представленного на его блок – схеме в таблице 1.1.1. можно сформулировать основные задачи, каждого из выделенных разделав материаловедения.

   Прикладное материаловедение – изучает, влияние свойств веществ на свойства получаемых из них материалов, основываясь на принципах основных положений фундаментальной науки о строение вещества,

   Производственное материаловедение – изучает способы промышленного получения материалов и влияние этих способов на свойство получаемого материала.

   Технологическое материаловедение – изучает способы получения изделий из материала и влияние технологических способов на свойства материала в изделии.

   Конструкторское материаловедение – изучает поведение материалов и их сочетания в составе конструкции и влияние состава материалов на работоспособность конструкции.

  Эксплуатационное материаловедение – изучает поведение материалов и конструкции в процессе эксплуатации под воздействием внутренних и внешних факторов.

  Настоящая работа практически посвящена конструкторскому и эксплуатационному материаловедению на основе обобщения проведенных работ в КБ «Салют» по вопросам обеспечения необходимых длительных сроков службы ракеты УР-100. В работе будет охвачен широкий круг рассмотренных вопросов, который составляет состав указанных разделов материаловедения. Обеспечение оптимальности использования материалов в конструкции начинается с  системного похода к проектированию самого изделия. Несмотря на то, что данные работы были проведены более 40 лет тому назад, их результаты будут представлять определенный интерес и сейчас, когда пишутся эти строки.

   За истекшие годы появились многие достижения в области материаловедения, и оно шагнуло далеко вперед. К одним из таких достижений можно отнести появление, так называемых  «нанотехнологий». Несмотря на то, что эта тематика не относится к основному содержанию данной работы, следует несколько остановиться на этом вопросе, с тем, чтобы данная работа в определенной мере являлась бы созвучной современному времени. Это целесообразно сделать еще и потому, что «нанотехнологии» в первую очередь относятся по своей сути к материаловедению, а потом уже к технологии.

 

 

 

 

1.2.  О наноструктурном строении вещества и композиционном материаловедении

 

    За последние десятилетия термин «нанотехнологии» приобрел широкую популярность  и государственное звучание. Нанотехнологическое  направление в науке и технике является новым и признано одним из перспективных направлений    деятельности в области научно- технического прогресса.

   В институте имени Курчатова образован координационный центр по нанотехнологиям, созданы  специальные фирмы  по нанотохнологиям в виде корпорации, концерна и агентства, разработаны различные ведомственные программы по нанотехнологиям. Государством планируется на эти цели выделение больших финансовых средств. Учреждена государственная «Российская корпорация нанотехнологий» во главе с А.Чубайсом, которая будет проводить коммерческую деятельность в этой области и распределять государственные средства, выделяемые на эти цели. В декабре 2008 года эта корпорация провела  первый международный форум по нанотехнологиям на котором было представлено 621 доклад, которые в своей сумме позволили достаточно полно представить современное состояние отечественного нановедения.

   Столь пристальное внимание к проблеме наночастиц возникло в силу того, что первые же шаги в практическом использовании полученных начальных достижений науки в области наноструктур дали столь поразительно высокие результаты, что использование вещества в его наноструктурном строении сразу же определилось как «технология».

    Из истории технического прогресса известно, что использование многих фундаментальных  открытий в области научных знаний нередко имели значительный лаг во времени по их использованию в практической деятельности. С открытием   ранее существовавших наночастиц произошел довольно редкий случай, когда  практическое использование новых фундаментальных научных знаний о чем - то, значительно обогнало в развитии знаний о свойствах самого этого нового. 

    Наночастицы имеют атомно-молекулярное строение, принципиально отличающееся от структуры обычного вещества, состоящего  из таких же химических элементов.  Наноструктуры, определяемые, как кластеры, имеют во многом совершенно иные свойства по сравнению с другими структурами, имеющими такие же атомы, находящимися в веществе обычного строения. По своим размерам эти частицы оказались  в нанообласти, в силу чего их стали называть наночастицами. Установлено, что наносвойства пропадают у частиц с размерностью более 100 нм. и они начинают вести себя как обычные вещества с известными нам свойствами. Все это свидетельствует о том, что открыто принципиально новое строение вещества с новыми его свойствами.

     В настоящее время создано множество разнообразных материалов  на основе наночастиц обладающих необычными свойствами. Вместе с тем, научные основы теории НАНОСТРУКТУРНОГО СТРОЕНИЯ ВЕЩЕСТВА находятся пока еще в стадии формирования.  Ее систематизированные положения создадут более глубокие теоретические основы для еще более широкого практического использования ее фундаментальных положений при создании новых материалов. В данном случае уместен общеизвестный афоризм, состоящий в том, что «нет ничего практичнее, чем хорошая теория». Но пока соотношение необходимых систематизированных научных знаний и практического их использования в области «нанотехнологий» образно характеризуется общеизвестным афоризмом - «телега поставлена впереди лошади».

   Почему выдвигается формулировка о «наноструктурном строении вещества»  ?

 Для того, чтобы из исходного вещества создать материал для практического применения, все используемые вещества в области получения любых материалов, вначале переводятся, как правило, в жидкое состояние, а потом уже из них путем отверждения расплава получают материал в молекулярной структуре с определенным расположением атомов в молекуле. В  каждом виде материала формируется своя структура молекул, а вещество в них находится либо в аморфном, либо в кристаллическом состоянии.  Немало веществ используется в практике и в чистом виде  без их обработки и переработки в материалы.

   Наряду с этим в практике широко используется технология получения материалов из газового состояния вещества, получаемого методом его конденсации из паровой фазы, которая образовывается из его расплава. Это обычно технологии напыления каких либо веществ на различные материалы и получение нитевидных кристаллов. Длительное время мало обращалось внимание на атомную структуру этих материалов. А когда к ним «пригляделись». то оказалось, что в основе их находится  новый вид вещества, названного наночастицами, состоящего из все тех же химических элементов, но с принципиально иным строением молекул и расположением в них атомов. Это, в свою очередь, привело к наличию в этих атомно-молекулярных структурах и принципиально отличных физико-химических, механических, электрофизических и иных свойств по сравнению с такими же атомно молекулярными структурами, находящимися в  известных кристаллических и аморфных формах.

    Сейчас изучаются имеющиеся в распоряжении ученых многообразные отмечавшиеся наноструктуры, и уже начало формироваться мнение о необходимости составления своей «таблицы Менделеева» для таких структур вещества. А, главное, предстоит изучить природу и закономерности формирования в земных условиях вещества наноструктурного строения, поскольку, как пишут в литературе, наночастицы находят и в естественных природных условиях в различных климатических зонах.

   Следовательно, необходимо говорить в первую очередь о создании целостной науки о вновь открытой форме вещества, которая явится теорией о его наноструктурном строении.  Она явится дальнейшим развитием существующей теории о веществе, которую теперь можно определять, как теорию МАКРОСТРУКТУРНОГО строения вещества в отличие от теории его наноструктурного строения.

   Любая теория о веществе, в конечном итоге, преследует цель приобретения знаний не только о нем самом и способах его получения или образования в природе естественным путем, но и приобретения знаний для получения из него необходимого материала с требуемыми свойствами для практического использования. Этими проблемами занимается наука  о материаловедении. Обширный круг промышленных интересов вызвал к жизни различные виды технического материаловедения, такие как, например, реакторное, авиационное, строительное, трубопроводное и так далее. Наряду с этим существуют и другие виды материаловедения, не связанные непосредственно с техническим материаловедением, такие как медицинское или биологическое.    

    Появление нанотехнологии определило начало формирования  и в ней различных видов наноматериаловедения, а следовательно, и теории наноструктурного строения вещества различных его видов к которым можно отнести, нанофизико-химическую, наномеханическую, нанобиологическую и другие. На их основе формируются различные виды НАНОМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ по отраслям практического использования НАНОВЕЩЕСТВА.       

   Отмеченные, и все другие возможные наноматериаловедения, питаются основополагающими знаниями, получаемыми в области общей теории наноструктурного строения вещества с использованием тех специфических особенностей практического применения, которые имеются в  различных областях их использования.

   Применительно к наночастицам следует отметить, что пока они используется в качестве добавок к макровеществам, образуя тем самым композиционные материалы с поразительными свойствами такого композита. С тем, что бы дальнейшее развитие их происходило более системно, предлагается ввести следующую их градацию.

   При добавке нановещества в макроматериал  в пределах до 6 % от основного макроструктурного материала этот новый материал определять, как нанолегированный, по аналогии с металлическими материалами. При добавках от 6 и до 70% определять материал, как нанокомпозит, а свыше 70%, как наноматериал.

    Возможна и другая градация, но любая градация позволит более систематизировано обобщать получаемые результаты в исследованиях, а конструкторам и технологам более четко определяться в том, с каким видом наноструктур проходится иметь дело, поскольку свойства у таких материалов будут существенно различаться.

   По результатам проведенного рассмотрения состояния с наноструктурами и предложением введения понятий макроструктурного и наноструктурного вещества, блок-схему материаловедения, представленную в предыдущем разделе в виде таблицы 1.1.Т можно представить в виде таблицы 1.2.1Т.

                                                                                                

 

 

                                                                                                                                          Таблица 1.2.1Т.

 

 


                                         М А Т Е Р И А Л О В Е Д Е Н И Е

 

 

 


                                   Ф У Н Д А М Е Н ТА Л Ь Н А Я    Н А У К А

 


           Макроструктурное              Композиционное                   Наноструктурное

 

 

 

 

 


                                    Неорганическое       В И Д Ы      Органическое

 


                           

                                                                 Р А З Д Е Л Ы

 

 

 


                   Производст          Прикладное             Технологи-             Конструктор-       Эксплуата-

           венное                                                   ческое                    ское                      ционное                                          

                                        

Следует отметить, что приведенная схематизация структуры материаловедения вцелом не может являться законченной и она должна развиваться дальше с тем, что бы накопленные обширнейшие сведения в этой области были бы более системно обобщены и стали  доступными и удобными для использования конструкторами, создающими изделия  из множества различных материалов.

    В литературе появились сообщения о возможности создания конструкционных композиционных материалов, с приводимыми просто фантастическими свойствами, в которых в качестве наполнителя используются  нановолокна, получаемые  из углеродных трубок, в силу чего, в  области композиционных материалов следует сделать ряд некоторых замечаний.

   Микрошлифирование обычного углепластика с наполнителем из препрега ЛУП-1, фото которого приведено на Рис. 1.2.1Р, показывает, что наше обычное углеволокно, получаемое из панволокна путем его пиролиза,  имеет диаметр не превышающий 10 нм, свидетельствующее о том, что это угольное волокно является непрерывным чистым нановолокном, в отличие от нанотрубок, имеющих ограниченную длину, не превышающую 100 нм. В литературе этот факт не отмечается, а он свидетельствует о том, что к получению углеволокон следует подходить с позиций нанотехнологий и в этом подходе поискать оптимальные режимы получения углеволокон с целью  существенного повышения его прочностных свойств за счет оптимизации его структуры и расположения углерода в волокне с использованием сканирующей и нейтронной микроскопии при изучении строения волокна.

   Как известно, композиционные материалы состоят из разнородных материалов и по своей природе имеют ряд специфических особенностей в своем применении. Основными преимуществами конструкций из полимерных композиционных материалов, и в частности из углепластика, являются их малый вес и существенно меньшая трудоемкость их изготовления по сравнению с изделиями из металла.  Данное качество является весьма важным для авиации и ракетно-космической техники, где ведется большая работа по снижению массы этой техники.        

   Другая особенность применения композитов состоит в принципиально ином подходе в проектировании изделий из них. В отличие от изделий из металлических материалов, приступая к созданию изделия из композитов, его конструирование начинается с конструирования самого материала, из которого состоит изделие. При изготовлении изделия из композита  материал получается одновременно с формированием самого изделия, вместе с тем, как изделия из металлов изготавливаются из заранее изготовленных металлических материалов и деталей, входящих в состав изделия в виде различных заранее изготовленных заготовок.

    В связи с этим конструкторам необходимо владеть двумя областями знаний – методами расчета и конструирования вначале самого материала, а потом уже изделия из него. Это весьма специфичные и достаточно различные области знаний, весьма тесно связанные и взаимно дополняющие друг друга.

   При конструировании материала используются знания из области физико-химических свойств матрицы, наполнителя и их взаимодействия. При конструировании изделия используются знания из области поведения анизотропных структур. По тем и другим накоплено большое количество данных, особенно в области физико-химического взаимодействия составляющих композита. Если по анизотропным системам знания достаточно обобщены в механике твердых тел, то знания о взаимодействии матрицы и наполнителя различных видов, при их громадном количестве, недостаточно обобщены, что затрудняет их использование конструкторами.

    Исходя из этого, предлагается в механике композитов выделить  и сформировать два раздела механики – МИКРОМЕХАНИКУ  И  МАКРОМЕХАНИКУ. Первая должна системно дать подходы, методологию и практические исходные данные для расчета структуры и конструкции материалов, с тем, чтобы иметь аналитическую базу для оптимизации сочетания матрицы и наполнителя, прежде, чем рассчитывать схему его армирования. Вторая, по конструированию изделий из таких материалов, которая по существу, в большом объеме уже имеется, должна дать рациональную схему армирования материала, исходя из принятой схемы силовой схемы его использования в конкретной конструкции.

   Применительно к микромеханике можно предложить решение, в качестве первоочередной задачи, описание, с использованием математического аппарата, принципа взаимодействия матрицы и наполнителя, согласно физико-химической модели механики их взаимодействия, представленной на Рис. 1.2.2Р  в двух вариантах.. Решение ее, вначале  в общем виде, позволит сформулировать задачу химикам по определению объема необходимых физико-химических свойств матрицы и наполнителя, а также связей по границе их раздела, с тем, чтобы с использованием этих величин, можно было бы проводить инженерные расчеты по конструированию композиционного многослойного анизотропного материала.

  В варианте 1 нагружается одно волокно силой Рвн.1 и определяются усилия Ri1 в смежных волокнах, возникающих при их совместной работе, а также усилия Ri2 в слое «Б» , располагающегося под углом θ к слою «А». В варианте 2 нагружаются все волокна равномерно каждое силой Рвн.2 и определяются усилия Ri2 в слое «Б».

  Перераспределение усилий Рвн.1 и Ri2 между волокнами и слоями происходит за счет упруго напряженного состояния матрицы между волокнами и слоями, возникающего за счет усилий, действующих на границах раздела фаз, между наполнителем и матрицей, величина и физико-химическая природа  которых  подлежат определению.

   Перераспределение усилий между волокнами в слое происходит в зоне «С», а  между слоями происходит в зоне «Д», показанных в сечении «а-а» на Рис. 1.2.2Р, за счет возникновения нормальных напряжений  σ  и сдвигающих усилий  τ, которые могут быть по величине разными между волокнами в слое и между слоями. На работу матрицы в этих зонах будут иметь существенное влияние геометрические размеры  t  и h, показанные в сечении «а-а». Параметр  h  определяет толщину слоя матрицы между слоями препрега и существенно зависит от способа формования материала6 вакуумного, автоклавного или прессового. Чем выше будет усилие прижима слоев при формовании, тем тоньше будет этот слой. Сейчас это усилие подбирается экспериментальным путем. Предлагаемая к разработке методика расчета даст аналитический инструмент для определения не только оптимальной структуры материала, но и оптимального режима его формования.

 

1.3.  Многофакторный подход в системном проектировании  и отработке изделий, как основа конструкторского и эксплуатационного материаловедения.

 

  Машиностроительная сфера является основным звеном народного хозяйства, обеспечивающая его жизнедеятельность. Уровень развития этой сферы характеризует уровень и состояние вцелом всей экономики современного индустриально развитого государства.

   Обобщенной характеристикой качества функционирования машиностроения являются те изделия, которые оно выпускает. Уровень потребительского качества выпускаемых изделий всецело определяет эффективность использования средств, идущих на их изготовление, а также их окупаемость. Это стало особенно очевидным, когда наступила рыночная конкурентная состязательность выпускаемой продукции, когда ее потребительское качество стало решающим.

  Потребительское качество изделия   в первую очередь закладывается на стадии его проектирования и разработки и обеспечивается всеобъемлющим комплексом испытаний изделий перед запуском их в производство. В силу этого,  данным процессам уделяется пристальное внимание при создании изделий и к качеству осуществления этих процессов   предъявляется повышенные требования. Именно на этой стадии закладывается основное потребительское качество изделий, с которыми они выступает на потребительском рынке. Не меньшее значение имеет и качество изготовления разработанного изделия. Обеспечение качества изготовления  отработанного изделия представляет собой отдельную специальную тему, и она выходит за рамки настоящей работы.

   Повысить качество проектирования и отработки изделий можно будет при использовании в них системного подхода, в котором явления рассматриваются комплексно в статическом и динамическом состоянии. В статическом состоянии рассматривается и изучается внутренняя структура изделия, а в динамическом состоянии рассматривается и изучается его поведение в процессе функционирования.

   Структура и характер функционирования изделий рассматриваются и изучаются при совместном воздействии на изделие его внутренней и внешней среды при их взаимодействии и взаимозависимости.

  В процессе изучения динамического состояния промышленных изделий следует выделить основные факторы, во взаимодействии которых изделие будет образовывать единую комплексную систему. Рассматривая изделие в системе этих факторов, можно будет при проектировании создать изделие с наиболее эффективным потребительском качеством. К этим факторам  необходимо отнести следующие:

                       « изделие -  внешняя  среда»,

                       « изделие -  внешнее функционирование»,

                       « изделие -  внутреннее функционирование»,

                       « изделие – время работоспособности»,

                       « изделие – стоимость».

  Каждый из выделенных факторов можно определить, как свою систему. Применительно к  каждой из них на стадии проектирования и разработки изделия должны быть осуществлены необходимые мероприятия, обеспечивающие изделию высшее потребительское качество при комплексном его рассмотрении во всех системах, образовываемых изделием.

  Такой системный подход в проектировании и отработке изделий можно определить, как

м н о г о ф а к т о р н ы й      п о д х о д, являющийся   наиболее прогрессивным, позволяющий рассмотреть изделие комплексно при всем его сложном  внутреннем и внешнем функционировании во взаимозависимости с окружающей средой.

  Выделенные системы имеют свою специфику в характере и методах решения задач, но вместе с тем они представляют собой единство внутреннего содержания изделия при рассмотрении его в главной системе «изделие – потребительское качество». Именно рассмотрение изделия на стадии проектирования во взаимодействии выделенных систем позволит получить наиболее высокое качество изделия.

   Рассмотрим основные черты каждой из выделенных  систем.

    В системе « изделие – внешняя среда» определяется состав и параметры воздействующих факторов окружающей среды и условия их воздействия и влияния на процесс функционирования изделий. Исходя из этого, выбираются те или иные проектные и конструктивные параметры изделия, агрегатов и систем, а также намечается объем их отработки на внешнее воздействие. Критерием стойкости  к внешним воздействиям является качество внутреннего и внешнего функционирования изделия и его агрегатов, определяемых при рассмотрении его в последующих системах.

    В системе «изделие – внешнее функционирование» рассматривается качество  выполнения внешних функциональных операций, и их влияние на конструкцию изделия. В данной системе определяется облик изделия, выбирается тип рабочего органа и энергетической установки, корпуса и переходных систем, а также органов системы управления. Определяется их оптимальное сочетание исходя из обеспечения максимальной эффективности изделия. Теория и практика проектирования изделий весьма различна и специфична для каждого вида техники, но общим для всех их является именно совместное рассмотрение изделий в указанных пяти системах.

  В системе « изделие – внутреннее функционирование» рассматривается необходимый набор и характеристики различных элементов и систем изделия, и их взаимное функционирование  при выполнении изделием определенных внешних операций, для выполнения которых собственно и создается изделие. На  этой стадии закладываются в конструкцию необходимые технические решения, а также конкретизируются объемы отработки ее элементов и изделия в целом.

  В системе «изделие – время» рассматривается влияние продолжительности эксплуатации на качество функционирования, при котором решается задача обеспечения необходимой долговечности и срока службы изделия. Происходящие изменения  в агрегатах и системах изделия протекают во времени  под воздействием  внутренних и внешних факторах и характеризуются множеством различных физико-химических и механических процессов, таких как усталость, ползучесть, длительная прочность,  трение, старение, диффузия и ряд других. За последнее время к ним добавились такие процессы, как капиллярная конденсация паров жидкостей в кристаллической решетке металлов, длительная герметичность материалов и емкостей, адсорбция, газовыделение и другие. Каждый из этих процессов является предметом изучения соответствующих разделов науки. Их методы и приемы  должны в своей совокупности использоваться и рассматриваться при создании промышленных изделий, что не всегда делается в должном объеме из за чего нередко страдает качество создаваемого изделия.

   В системе «изделие – стоимость»  рассматривается стоимость затрат на создание  и эксплуатацию изделия и соизмеряется эта стоимость со стоимостью производимого полезного эффекта при использовании данного изделия. Эта задача становится определяющей при выходе изделия на рынок, поскольку она во многом определяет конкурентоспособность изделия при равном его качестве с другими однотипными изделиями.

 

1.4.  Свойства воздействующих факторов внутренней и внешней среды на изделие.

 

   Внешней средой для изделия является область, в которой проходит эксплуатация изделия. К макрообластям эксплуатации можно отнести космос, воздух, моря, закрытые водоемы и реки, поверхность суши, грунт, подземные  среды. Каждая из макрообластей имеет множество своих областей, каждая из которых имеет свои характеристические физико-химические параметры, определяющие их среду. Природа и характер этих параметров будут определять объемы и виды взаимодействия изделия со средой  в данной области.

   Применительно к каждой макрообласти, а нередко применительно и к отдельным областям в них, создаются свои виды разнообразной техники и машин. Это объясняется принципиальным различием характеристик сред, условиями эксплуатации в них и назначением изделий. Эти характеристики сред и условия эксплуатации широко изучаются и по ним накоплен значительный материал, нашедший обобщения в различных работах и руководящих материалах, о чем будет сказано далее.

   Внутреннюю среду можно представить, как взаимодействие твердых, жидких и газообразных сред, из которых состоит изделие. Взаимное влияние сред и элементов изделия будут определять характер воздействия внутренних факторов. Эти факторы весьма специфичны для каждого вида изделий. Вместе с тем, можно выделить ряд факторов, имеющих общий характер для любого вида изделия, основанных как на изменении свойств самих сред, так и на их взаимодействии. Изменение свойств сред, как таковых, широко изучается. При комплексном многофакторном подходе к проектированию изделий они тщательно анализируются и всесторонне исследуются

   Взаимодействие сред определяется их природой и характером связей, действующих по. поверхности раздела этих сред. Проведенная систематизация характера некоторых основных связей, возникающих по границам раздела фаз представлена в таблице 1.4.1Т. Многообразные свойства самих фаз не рассматриваются и в данной таблице не приводятся. В ней приводятся только некоторые основные связи с тем, чтобы обратить внимание разработчиков промышленных изделий на их наличие в твердых, жидких и газообразных средах, которые необходимо учитывать и изучать применительно к каждому конкретному изделию и тем условиям, в которых их приходится функционировать. Используя углубленные знания о характере многообразных физико-химических связях взаимодействия твердых, жидких и газообразных сред можно определить состав и свойства внутренних и внешних факторов, действующих в каждом виде изделий.

                                                                                                                 

                                                                                                                              Таблица 1.4.1Т.

   

         Характер основных связей взаимодействия твердых, жидких и газообразных  

                                   тел, возникающих по границам их раздела

 

 

Характер связей

Свойства, на которые влияют связи

Природа возникновения и изменения связей

     Твердое  тело

 

1. Атомарный состав   

    поверхности

 

2.Поверхностные

   электрические  

   свойства

 

3.Энергетические уро-

   вни поверхности

 

 

 

 

 

4. Контактное ваимо- 

    действие двух тел

 

 

5. Эффект Ребиндера

 

 

 

 

6.Поверхностная обра-

    ботка

 

 

Химические свойства

 

 

Адсорбция за счет свя-

зывания электрической

пары

 

 

Физико-химические

свойства поверхности

 

 

 

 

Адгезия и трение

 

 

 

Адгезионное пониже-ние прочности с об-разованием  микротре-

щин в околошовной

зоне.

Физико-химические

свойства

 

 

 

Смещение атомов в кристал-лической решетке.

 

Наличие атомарных ковалент-

ных связей для металлов и

ионных связей для полупро-

дников и изоляторов

 

Нарушение периодичности

кристаллической решетки по

поверхности зоны с высоким

энергетическим уровнем.

 

 

Межмолекулярное взаимоде-

йствие двух разнородных по-

верхностей

 

Образование горячих микро-трещин в околошовной зоне

 аустенитных сталей при попадании

 

Полирование, наклеп, точение

резко меняют структуру и

энергетические уровни по-

верхности.

в нее жидкости

 

       Жидкость

 

1.Поверхностное натя-  

   жение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Ориентация молекул

  в поверхностном слое

 

 

3. Поверхностная акти-

    вность

 

 

4.Энергетическое рас- 

   слоение в смеси

 

 

5. Двойной электричес-

    кий слой

 

 

 

 

6. Наличие краевого

    угла в жидкости

 

 

 

 

 

7.Коррозионная, токси-

ческая и радиационная активность

 

          

                 Газы

 

1. Адсорбция газов тве-

    рдыми телами

 

 

2. Газовыделение из по-

    лимерных материа-  

     лов

 

 

3. Газовая конденсация

    на твердых телах

 

 

4. Растворимость газов  

    в жидкостях

 

 

 

Введенное искусствен-

ное понятие для мате-матических расчетов.

Энергия, которую нуж-

но приложить для пре-

дотвращения самопро-

извольного сокращен-ия поверхности жидко-сти за счет взаимного

притяжения молекул

 

Определяет направле-ние силовых полей

 

 

Испаряемость

 

 

 

Физико-химические

свойства поверхности

жидкости

 

Адсорбция жидкости на

твердой поверхности и

химически свойства

жидкости на разделе

фаз

 

Смачиваемость,

 

 

 

 

 

 

Коррозионная, токси-

ческая  и радиационная

безопасность

 

 

 

 

Физико-химический состав среды

 

 

Физико-химическая и

механическая стойко-

сть твердых тел

 

Насыщаемость жидкостей газами

 

 

 

Обусловлено силами притя-

жения между молекулами,

их геометрией, ориентацией

на поверхности и числом атомов в них

 

 

 

 

 

 

Полярность жидкости в которой полярные концы на-

правлены внутрь ее

 

Обмен молекулами между

жидкостью и насыщенным

паром

 

Молекулы с большими сило-

выми полями уходят внутрь

смеси

 

Наличие ассиметрии сил в по-

верхностном слое образовы-вает поверхностные заряды,

приводящие к двойному эле-

ктрическому слою

 

Определяется соотношением

между поверхностным натя-

жением жидкости на гра-

нице с твердым телом и газом

 

 

 

Определяется характером физико–химического взаимо-

действия

 

 

 

 

Адсорбционная активность

твердой поверхности

 

 

Старение и деструкция полимеров, запыленность га-

зовой среды механическими частицами

 

Температурное и динамичес-кое состояние газовой среды

и поверхности твердых тел

 

Определяется коэффициентом растворимости Генри.

 

 

1.5. Структурная модель воздействия внешней и внутренней среды на изделие

 

  Анализ характера поверхностных связей, действующих в средах и на поверхностях их раздела, приведенных в таблице 1.4.1, показывает, что на изделие и его элементы в процессе функционирования может воздействовать большое число внешних и внутренних факторов, которые необходимо учитывать при проектировании изделия, определении объемов его отработки и проведении испытаний.

    Действие этих факторов находится в области различных физико-химических процессов и проявляется практически на всех материалах и элементах изделия. Как правило, на один и тот же элемент действует одновременно несколько факторов. Наличие столь большого числа воздействующих факторов и объектов, на которые они воздействуют, требует использования в исследованиях соответствующих приемов с тем, чтобы наиболее полно и всесторонне охватить изучением все выделенные факторы и их воздействие на исследуемые объекты.

  В практике проведения исследований сложных явлений выработался системный метод исследований, в основу которого положен метод моделирования явлений с последующим изучением поведения изделия на моделях.

   Наиболее эффективно можно проводить исследование явлений с использованием математических моделей. Построение таких моделей можно проводить только тогда, когда известно математическое описание процессов протекания исследуемых явлений. В данном случае построение достаточно полной математической модели не представляется возможным в силу отсутствия достоверных аналитических зависимостей, описывающих все многообразие происходящих отмечавшихся процессов.

  Наиболее эффективным в таких случаях будет построение структурной модели изделия, в которой изделие членится на элементы, затем на основании анализа принципов и задач их функционирования, определяют протекающие в них при этом  процессы, и  определяет те физико-химические зависимости, которыми описываются эти процессы.. На этих моделях графически изображается взаимное расположение элементов изделия, внешней и внутренней среды с выделением в них объектов исследований с условными их обозначением.

  Построение моделей осуществляется в следующей последовательности:

-  определяется номенклатура газовых, жидких и твердых сред изделия  и их состав,

- изделие структурно членится на основные элементы, являющиеся разграничителями 

   внешних и внутренних сред, а также определяется перечень элементов, находящихся в 

   каждой из сред,

-устанавливаются объекты исследований, которыми могут являться: элементы,  

  разграничительные среды, элементы, находящиеся в различных средах, а также сами среды,

- определяется перечень внешних и внутренних факторов, действующих на изделие и его   элементы,

- применительно к выделенным элементам и средам устанавливается объем и номенклатура 

  исследований, которые необходимо проводить с тем, чтобы принять наиболее оптимальные

  конструктивно – технологические и материаловедческие решения при разработке изделия  и

  определения объема испытаний при экспериментальной отработке изделий.

      Абстрагируясь от вида изделия и полагая, что изделие состоит в общем виде из трех сред, можно представить его типовую структурную модель с воздействием на изделие внешней и внутренней среды, как она приведена на Рис.1.5.1Р. В ней выделены основные  элементы изделия, воздействующие среды и объекты исследований. Применительно к агрегатам изделия, находящихся в его составе, при их структурном моделировании, применим тот же подход с выделением в их составе  рассматриваемых тех же трех сред. Анализируя данную модель можно определить объемы и виды исследований, которые необходимо проводить применительно к каждому воздействующему фактору.

На основании опыта проведения подобных работ, выполнявшихся автором в КБ «Салют», применительно к ракете КР-100, можно выделить типовые виды и объемы исследований, которые приведенные в таблице1.5.1Т.

  В таблице 1.5.1Т представлен перечень воздействующих факторов внешней и внутренней среды в системах «изделие- воздействующая среда» и «изделие – время». Внешнее воздействие и внутреннее воздействия в таблице объединены под общим термином «воздействующая среда».  Это объясняется тем, что воздействующие факторы по средам рассматриваются по обобщенной и типизированной модели пригодной для любого изделия. Для конкретного типа изделия будут свои, присущие только им непосредственно воздействующие факторы и среды, находящиеся, в основном, среди трех перечисляемых ранее сред и  рассматриваемых в этой таблице

                                                                                                      

                                                                                                                                     Таблица 1.5.1Т

 

              Воздействующие факторы внутренней и внешней среды в системах

                         «изделие –воздействующая среда» и «изделие – время»

 

 

Наименование объекта и исследуемого фактора

      О  б  л  а  с  т  и

 

«Изделие –воздействующая 

                  среда»

и  с  п  о  л  ь  з  о  в  а  н  и  я

 

       «Изделие - время»

 

                     1

                             

     1.Внутриемкостные   

             процессы

 

1.1. Газонасыщение жидких  

       продуктов

 

 

1.2.Методы газонасыщения

      и дегазации

 

 

 

 

1.3. Давление в газовых

       подушках

 

 

 

1.4. Коррозипонная актив-

        ность жидкости

 

 

 

1.5 Коррозионная активно-

      сть остатков жидкости

      после ее слива

 

1.7. Физико-химические

       свойства жидкости

 

 

 

2. Внутренняя поверхность

         стенки емкости.

 

2.1. Коррозионная стойко-

       сть стенки

 

 

 

 

2.2. Адсорбция и капилляр-

       ная конденсация жидко-

       сти стенками емкости

 

2.3. Взаимодействие жидких

       продуктов с внутренней

       поверхностью емкости

 

 

2.4. Способы удаления оста-  

       тков жидкости с повер-

       ности стенки емкости

 

 

      3. Материалы стенки

              емкости

 

3.1. Диффузионная прони-  

       цаемость жидкости че-

       рез различные матери-  

       алы

 

3.2. Истечение жидких  про-

       дуктов через неплотно-

       сти материалов

 

 

3.3. Ползучесть, длительная

       прочность и усталость  

      

    4.Наружная поверхность

               емкости

 

4.1.Адсорбция паров жидко-

      сти и других газовых со-

      ставляющих внешней

       газовой среды

 

4.2. Стойкость материалов в  

     парах рабочих жидкостей

 

 

4.3.Газовыделение из неме-

      таллических материалов

 

      

 

4.4 Влагопоглощение мате-

     риалов

 

 

4.5. Стойкость материалов в

     загазованной среде с раз-

      личной влажностью

 

 

4.6. Воздействие природно-

       климатических факто-

       ров

 

 

 5. Газовая среда внутрен-

     них полостей изделия

 

5.1. Состав газовой среды

      внутренних полостей

      изделия

 

5.2.Контроль газового сос-

      тояния среды

 

 

 

 

 

5.3. Влияние состава среды

      на работоспособность

      агрегатов

 

 

6. Элементы в газовой

        среде изделия

 

6.1. Газопроницаемость кор-

       пуса и состав газовой

       среды в элементе

 

6.2. Работоспособность эле-

       мента в газовой среде

 

 

6.3. Теплогазовыделение из

       элемента

 

6.4. Взаимодействие с при-

      родно климатическими

      факторами

 

 7. Корпус изделия

 

7.1.Пыле влаго непроница-   

      емость

 

7.2. Стойкость к внутренним

       газовыделения

 

7.3. Состав выделений изде-

       лием в окружающую

      среду

 

7.4. Воздействие природно

       климатических факто-  

       ров

 

7.5. Механические и иные 

      ненормированные возде-

      йствия на окружающую

      среду.

      

 

 

     

 

                    2                         

 

 

 

 

Общие закономерности и

коэффициенты газона-

сыщения

 

Получение исходных дан-

ных для разработки техпро-

цесса и оборудования для

газонасыщения

 

Исходные данные для рас-

чета на прочность и оптима-

льности функционирования

жидкостного тракта

 

Выбор материала по корро-

зионной стойкости и физи-

ко-химической совместимо-

сти с другими жидкостями

 

 

Возможность образования

коррозионной опасности ее

остатков

 

Влияние на свойства жид-

кости конструктивно техно-

логических параметров из-

делия

 

 

 

 

Влияние на коррозионную стойкость конструктивно-технологических особен-ностей емкостей

 

 

Получение значений коффи-

циентов для расчета норм

герметичности стенками

емкости

Механизм взаимодействия для выбора метода нейтра-

лизации и дегазации изделий

 

Обеспечение возможности

повторного использования

изделия после нейтрализа-

ции и дегазации

 

 

 

 

Определение коэффициен-тов диффузии

 

 

 

Определение эквивалентов

 истечения жидкостей и

контрольного газа для расчета норм герметичности

 

Определение допустимых

уровней напряжений

 

 

 

 

Определение коэффициента

адсорбции для расчета норм

герметичности жидкостных

трактов

 

Выбор материалов

 

 

 

Определение коэффициента

газовыделения для опреде-

ления состава газовой

среды

 

Определение влагоемкости

материалов для расчета вла-

госодержания газовой среды

 

Определение допустимого

снижения характеристик

материалов в зависимости

от состояния среды

 

Работоспособность изделия

под воздействием специфи-

ческих нормированных фа-

кторов окружающей среды

 

 

 

 

Определение степени агрес-

ивности газовой среды к

материалам

 

Выработка требований к си-

стеме контроля газовой сре-

ды

 

 

 

 

Определение требований к

составу газовой среды

 

 

 

 

 

 

Определение фактического

состава газовой среды в

элементе

 

Определение влияния газо-

вого состава на работоспо-

собность

 

Определения состава и количества выделений

 

Определение влияния изде-

лия на окружающую среду

 

 

 

 

Обеспечение герметизации корпуса

 

Влияние газового состава на

работоспособность корпуса

 

Определение влияния изде-

лия на окружающую среду

 

 

Сохранение работоспособ-ности изделия под  воздей-

ствием факторов среды

 

Определение влияния нено-

рмированных воздействий на окружающую среду

                         3

 

 

 

 

 

Динамика газонасыщения

и дегазация жидкости

 

 

Динмика изменения давле-

ния в газовых подушках

 

 

 

Динамика изменения дав-

ления в газовых подушках

 

 

 

Измемнение коррозионных

процессов во времени

 

 

 

Время возможного хранения

изделия с не слитыми остатками жидкости

 

Изменение свойств жидкости в изделии в процессе его эксплуатации

 

 

 

 

 

Влияние времени на корро-зионную стойкость и характер связи продуктов

коррозии со стенкой

 

 

Влияние времени на корро-зионную стойкость

 

 

Определение требований к

оборудованию

 

 

 

Влияние времени хранения

после нейтрализации на ра-

ботоспособность жидкост-

ного тракта

 

 

 

 

Определение загазованности

полостей агрегатов жидко- остного тракта

 

 

Динамика изменения параметров истечения через

микрокапилляры дефектов

 

 

Динамика изменения состо-

яния материала.

 

 

 

 

Обеспечение длительной

герметичности емкостей

 

 

 

Изменение стойкости мате-

риалов во времени

 

 

Динамика газовыделения

 

 

 

 

Динамика влагопоглощения

 

 

 

Изменение стойкости мате-

риалов

 

 

 

Влияние воздействия спе-

цифических факторов окру-

жающей среды

 

 

 

 

 

Динамика изменения газо-

вого состава

 

 

Обеспечение долговечно-сти системы

 

 

 

 

 

Обеспечения качества соста-

ва газовой среды

 

 

 

 

 

 

Динамика изменения газо-вой среды в элементе

 

 

Влияние времени эксплуа-

тации

 

 

Динамическое протекание

процессов

 

Длительность воздействия

на окружающую среду

 

 

 

 

Обеспечение длительной

герметичности

 

Влияние длительности эк-

сплуатации

 

Обеспечение чистоты окру-

жающей среды при эксплу-

атации изделия

 

Влияние продолжительно-

сти воздействия

 

 

Сохранение окружающей среды

 

 

 

 

 

                                                                                                                             

 

 

 1.6. Состав воздействующих факторов

 

  Воздействия внешних и внутренних факторов являются основными видами воздействия на изделия в процессе их функционирования, при которых они должны функционировать с высокой степенью надежности в заданных пределах долговечности.

  Номенклатура, объем и характер внутренних и внешних воздействий не гостирован и четко не регламентирован, в силу чего они определяется и нормируются самими разработчиками изделий или их заказчиками. От полноты этого определения и качественности нормирования величин воздействующих факторов, а также тщательности проведенной отработки и испытаний изделий на функционирование в условиях реального воздействия внешних и внутренних факторов будет зависеть качество изделия.

   Изделие будет иметь наивысшее качество, если воздействие этих факторов будет  наиболее полно учтено, начиная со стадии разработки проекта. В не меньшей степени на качество изделия будет влиять также   производственное и технологическое качество его изготовления.   

   Вопрос определения состава воздействующих факторов является весьма важным для всего цикла создания изделий. В литературе еще мало имеется сведений по систематизации этих воздействий. Анализ работы ряда конструкторских бюро позволяет создать определенную систематизацию внешних воздействий, разбив их на классы, группы и виды. Проведенная попытка такой систематизации представлена в таблице 1.6.1Т.

 

                                                                                                                             Таблица 1.6.1Т

 

                                       Воздействующие факторы на изделия

 

 

       К  л  а  с  с

            Г  р  у  п  п  а

                    В  и  д  ы

 

1.Механические

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

   2.Тепловые

 

 

 

 

 

 

  3. Природные

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  4.Климатичечские

 

 

 

 

 

 

 

  5.Биологические

 

 

Механическое воздействие

 

     Колебательные

 

 

 

   

     Ударные

 

 

 

 

Ускорительные

 

 

 

Гидравлические

 

 

Нагрев

 

 

 

 

 

 

Атмосферные

 

 

 

 

 

Стратосферные

 

 

 

 

Космические

 

 

 

 

   

     Грунтовые

 

 

 

Водная среда

 

 

 

Фотосинтезирующие

 

 

 

Не фотосинтезирующие

 

 

 

Беспозвоночные животные

 

 

Позвоночные животные

 

 

 

 

 

 

 

 

Статическое,      динамическое, усталостное, резонансное

 

     Функциональная и случайные

      вибрации, акустическое нагружение,

 шум, качка, наклон, крен, дифферент

 

      Механический, сейсмический,  

      гидравлический, аэродинамический,

      взрывной, баллистический,   

        электродинмический

 

Линейное, угловое, вращательное, кариолисовое

 

 

Скорость, давление, гидравлическое

сопротивление течения

 

Аэродинамический, тепловой, трение, пламя, лазерное, световое

 

  

 

 

    

     Давление, температура,

       скорость ветра,

загрязненность, влажность, солнечное излучение, облачность

 

 

Давление, радиация, элетромагнитное, гравитацинное, температура, солнечная  радиация, озонный слой

 

Космический мусор, метеоритное, солнечная и космическая радиация, гравитационное, электромагнитное

 

 

  

     Сейсмические, снежный покров, 

    ливневые и дождевые потоки,

    химико-биологические агенты

 

Высота волн, разливы и наводнения,

 цунами, хиико-биологический состав, ледовая обстановка

 

Сине-зеленые, водоросли, лишайники,

 

 

Бактерии, миксобактерии, актиноми-цеты, миксомицеты, дрожжи, грибы плесневые,

 

Простейшие, кишечно полостные, черви, моллюски, членистоногие

 

 

Рыбы, земноводные, пресмыкающие,

птицы, млекопитающие

 

 

 

 

 

 

 

 

1.7.  Районирование и исполнение техники для различных климатических районов

 

   Климатическое районирование территории СССР и статистические параметры климатических факторов  приведены в ГОСТ  16350 – 80. Сведения, изложенные в данном стандарте используются при установлении тонических требований, выборе  режимов испытаний, правил эксплуатации, хранения, транспортирования всех видов машин, приборов и других технических изделий  предназначенных для эксплуатации в соответствующих климатических районах.

   В качестве основных климатических факторов при районировании территории СССР для технических целей приняты температура и относительная влажность воздуха. Среднесуточная температура воздуха дает представление о величине температуры определенного значения: примерно половина суток температура  ниже, а примерно половину суток – выше среднего суточного значения.

   Характер изменения температуры воздуха во времени определяется случайным процессом и описывается следующим уравнением:  

                                   t ( τ ) = t(τ) + ψ (τ)                                                    ………….            (1.7.1Ф)

где:  t – случайная температура, соответствующая времени  τ,  (оС),

        τ  - время, измеряемое от минус 4380 ( О часов на 1 января) до плюс 4380

             ( 24 часа 31   января) , (ч) ,

        t -  средняя температура, соответствующая времени  τ, (оС),

       ψ -  случайная составляющая температуры, соответствующая времени τ, (оС).

Среднее значение температуры рассчитывается по формуле:

                      t (τ) =Ао +    i Cos ώ τ    +  Bi Sin ώ τ )            ………..              (1.7.2Ф)

где:   Ао – коэффициент численно равный математическому ожиданию средней годовой  

                  температуре о С,

          Аi , Вi  - амплитуды колебаний математического ожидания температуры

                  соответствующего частоте ώ,

Значения величин Ао, A, B, ώ приводятся в стандарте.  

   Случайная составляющая температуры  ψ(τ) распределена по нормальному закону с математическим ожиданием, равным нулю и средним квадратичным отклонением σt , значение которого приведено в таблице стандарта.

    Распределение температуры за год в сумме в некоторых районах отличается от нормального. В стандарте приводятся абсолютный минимум и максимум температур воздуха, абсолютный максимум температуры поверхности почвы, зарегистрированные за весь период наблюдений, и предельные значения годовых максимумов и минимумов температуры воздуха при различной вероятности их появления, рассчитанные методом отклонений от средних значений за длительный период наблюдений (60-80 лет).

    В стандарте приводятся характеристики климатических районов по следующим воздействиям: относительной влажности воздуха, солнечному излучению, атмосферным осадкам, туманам, облачности, снежному покрову, атмосферному давлению, ветру, пыльным бурям, морских акваторий, сочетанием климатических факторов. Для всех приведенных морей даны характеристики по температуре воды и воздуха. По абсолютной и относительной влажности, количеству облаков, скорости ветра, повторяемости пасмурного и светлого  неба, осадков и тумана. Для некоторых морей приведены характеристики опасных и особо опасных , повторяемость и средняя непрерывная.  продолжительность скорости штормового ветра, равная и более 17 м/сек, скорость ветра соответствующая  1-% вероятности. Повторяемость и средняя непрерывная продолжительность видимости, равная и менее 1 миле.

     Государственный стандарт ГОСТ 15150-69 определяет форму исполнения, категории, условия эксплуатации и транспортирования изделий в части воздействия климатических. факторов внешней среды. Изделия предназначаются для эксплуатации, как правило, в одном или в нескольких макроклиматических района, в силу чего стандарт рекомендует изготавливать в климатических исполнениях, указываемых в таблице  1.7.1Т.                                                                  

    К макроклиматическому району с умеренным климатом относятся районы, где средняя из ежегодных абсолютных максимумов температуры  воздуха равна или ниже плюс 40о С. а средняя из ежегодных минимумов температуры воздуха равна или не выше минус 45оС.

   К макроклиматическому району с холодным климатом относятся районы, в которых средняя ежегодных абсолютных минимумов температура воздуха ниже минус 45оС.

   К макроклиматическому району с влажным тропическим климатом относятся районы, в которых сочетание температуры, равной или выше 20оС и относительной влажности, равной или выше 80оС , наблюдается 12 или более часов в сутки за непрерывный период от 2 до 12 месяцев в году.

  К макроклиматическому району с сухим тропическим климатом относятся районы, в которых средняя из ежегодных абсолютных температур (максимумов) воздуха выше 40оС и которые не отнесены к макроклиматическому району с влажным тропическим климатом.

   К макроклиматическому району с умеренно холодным морским климатом относятся моря, океаны, прибрежные территории в пределах непосредственного воздействия морской волны, расположенные севернее 30о северной широты или ниже 30о южной широты.

   К климатическому району с тропическим морским климатом  относятся моря и океаны, прибрежная территория непосредственного воздействия морской волны , расположенные между 30о северной широты и 30о южной широты.

   В стандарте приводятся нормальные значения климатических факторов внешней среды при эксплуатации испытаниях, а также определяются требования к изделиям в части видов воздействующих климатических факторов внешней среды и номинальных их значений при эксплуатации. Кроме этого приводятся эффективные значения климатических факторов, условия эксплуатации металлов, сплавов, металлических и неметаллических неорганических покрытий. Определяются требования  при использовании изделий в исполнении для умеренного климата, в районах с тропическим или холодным климатом и на высотах больше , чм нормальная. Приводятся условия и транспортирования изделий  в части воздействия климатических факторов внешней среды.

 

                                                 Климатическое исполнение изделий                             Таблица 1.7.1.Т

 

 

    Р а й о н ы    э к с п л у а т а ц и и

     Условное

обозначение

изделий

              и з д е л и й

      Русское

 Латинское

Цифровое

 

Изделия, предназначенные для эк-

сплуатации на суше, реках и озерах

 

Для макроклиматического района с

умеренным климатом

 

Для таких же районов с умеренно холодным климатом

 

Для района с влажным тропическим климатом

 

Для района с сухим тропическим климатом

 

Для района, как с сухим, так и с влажным тропическим климатом

 

 

 

Для всех макроклиматических районов на суше, кроме макроклиматического района с

очень холодным климатом (общеклиматическое исполнение)

 

Изделия предназначенные для эксплуа-тации в макроклиматических районах с

                 морским климатом

 

Для макроклиматического района с умеренно

холодным морским климатом

 

Для района с тропическим морским климатом

в том числе для судов каботажного  плавания

ли иных, предназначенных для плавания

только в данном районе

 

Для районов, как с умеренно холодным, так

  и с тропическим морским климатом,  том

  числе  и для судов неограниченного района

   плавания

 

Изделия предназначенные для эксплуатации

во всех макроклиматических районах  на суше и на море, кроме макроклиматического

района с очень холодным климатом

 

 

 

 

 

 

 

 

         У

 

 

          УХЛ

 

 

           ТВ

 

 

           ТС

 

 

            Т

 

 

       

     О

 

 

 

 

 

 

 

         М

 

 

        ТМ

 

 

 

 

 

 

         СМ

 

 

 

 

          В

 

 

 

 

 

         (N)

 

 

         (NF)

 

 

          ( ТН)

 

 

          ( ТА)

 

 

          ( Т )

 

 

   

      ( U )

 

 

 

 

 

 

 

        ( М )

 

 

        (МТ )

 

 

 

 

 

 

      ( МU )

 

 

 

 

      ( W)

 

 

 

 

 

         0

 

 

         1

 

 

          2

 

 

          3

 

 

          4

 

 

        

       5

 

 

 

 

 

 

 

        6

 

 

        7

 

 

 

 

 

 

         8

 

 

 

 

         9

 

 

 

   

 

1.8.  Выводы по главе.

 

1. Отмечается важное значений материаловедения в системе технических наук, в котором предлагается введение тематических видов материаловедений в следующем составе: прикладное, производственное, технологическое, конструкторское  и эксплуатационное.  Эти виды материаловедения, на основе фундаментального материаловедения, развиваются применительно к каждой области техники и практической деятельности человека со своим предметом и целью исследований, проводящихся в каждом из них.

 

2. Отмечается открытие новой формы существования вещества в виде его наноструктурного строения и появление первых знаний о нем, его свойствах и способах практического применения, которые могут существенно расширить возможности многих видов материаловедения, в том числе и технического, применительно к которому следует привлекать внимание и в ракетной технике.

 

3. В процессе исследований в области конструкторского материаловедения предложен многофакторный подход, состоящий в рассмотрении процессов, происходящих с изделием в системах его взаимодействия: – внешняя среда, -внутренняя среда, - время, - стоимость.

 

4. Предложена структурная модель изделия и его взаимодействия с внешней и внутренней средой с выделением объектов, применительно к которым необходимо проводить исследования, и сформулирована тематика этих исследований.

 

5. Приведены основные сведения из ГОСТ 16350 – 80 по климатическим факторам и выделены основные требования к создаваемым изделиям по их стойкости к природным факторам с районированием по климатическим факторов, действующим в каждом из них.

 

 

ГлГлава 2   НЕКОТОРЫЕ  СВЕДЕНИЯ  О  ЗАГРЯЗНЕНИИ  БИОСФЕРЫ

 

2.1. Влияние техники на внешнюю среду

 

   В предыдущей главе были рассмотрены вопросы влияния внешней и внутренней среды на изделие. Не меньшее значение имеет влияние и самого изделия на окружающую среду, особенно, если оно содержит или выделяет опасные вещества в процессе его эксплуатации.

   Воздействия техники на внешнюю среду, происходящее в результате хозяйственной деятельности, можно сгруппировать по следующим видам: добывающая промышленность, энергетика, производство, транспорт, потребление В каждом из перечисленных видов деятельности можно выделить следующие основные воздействующие факторы  на внешнюю среду.

   Добывающая промышленность – открытые разработки, терриконы шахт и отвалы, хвосты обогащения, топляки при сплавах леса, нерациональные лесозаготовки, засорение лесов остатками лесозаготовок.

   Энергетика – загазованность атмосферы продуктами сгорания тепловых станций и отвалы не переработанной золы, затопление и исключение из хозяйственного оборота наиболее ценных пойменных земель при строительстве ГЭС, , повышенная потенциальная радиационная опасность АЭС.

  Производство – образование отвалов не использованных (отходных) продуктов промышленного и сельскохозяйственного производств, задымление и запыление близлежащих территорий, загрязнение водоемов неочищенными стоками, повышенная токсическая и радиационная опасность ряда химических производств, повышенное шумообразование,

  Транспорт -   выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания, загрязнение водоемов судами, разрушение травяного покрова транспортными средствами, повышенное использование транспортных средств в местах с грунтовыми дорогами, повышенное выделение шумов.

  Потребление – образование отвалов не переработанных бытовых отходов, их открытое сжигание , замусоривание и отсутствие централизованной канализации жилых массивов, загрязнение различных мест общественного пользования

   Наличие отмеченных отрицательных воздействий на природу представляет собой сумму антропогенного воздействия техники и производительной деятельности людей на внешнюю среду. На рост такого пагубного влияния указывал еще Вернадский, введя понятие «ноосфера», в которую он включал наряду с природной средой еще и человека со всеми последствиями его деятельности

   Изучением антропогенного воздействия на среду обитания человека придается все большее внимание и значение. Им занимаются специалисты в соответствующих областях науки и техники, где возникают отмечавшиеся воздействия. Применительно к промышленности этими исследованиями занимается новая наука – промышленная экология. На основе рекомендаций данной науки принимаются те или иные решения в соответствующих областях деятельности. Вместе с тем, отмечается ряд случаев, когда принимаемые решения не во всем и не всегда в должной мере учитывают такие рекомендации.

   Изучение антропогенного воздействия на среду во всех его проявлениях носит во многом планетарный масштаб. Это изучение в своем предмете исследований охватывает широкий круг проблем со своими методиками исследований. Происходит все большее объединение ряда разрозненных  исследований в единый методологический подход в планетарном изучении влияния человека на природу. Такое объединение способствует более глубокому научному обоснованию принимаемых тех или иных решений и норм воздействия на природную среду, которые вырабатываются на практике. Такой комплексный подход составляет основу зарождающееся  новой науки, которую можно было бы определить как антропогеника.  Такая наука, как промышленная экология составляет одно из направлений в антропогенике.

    Главной задачей промышленной экологии является исследование внешних выделений различными видами техники и определение степени пагубности таких выделений на природу и на человека, которые стали во многом нормироваться по ее рекомендациям.

   Наиболее опасными являются внешние выделения при нарушениях, возникающих во внутренних взаимодействиях технических систем, происходящих, как правило, к увеличенным выбросам, которые могут быть весьма губительными. В первую очередь это относится к выделению горючих, токсичных и радиоактивных веществ при потере герметичности  контуров, полостей и емкостей где они содержались. Поэтому для таких технических систем вопрос обеспечения их герметичности является чрезвычайно важным не только для их нормального функционирования, но и для влияния такой техники на окружающую среду.

 

2.2. Состав промышленных загрязнений  в воздухе, воде и грунте.

 

  Защита окружающей среды от загрязнений не является новой проблемой. Она существует и решается с тех пор, как стали появляться крупные скопления людей и средств производства на ограниченном пространстве. Тогда же впервые появились законодательные акты по защите окружающей среды.

   На современном этапе развития человечества промышленное производство начинает все больше влиять на физико-химические, оптические и иные свойства атмосферы. Связанное  с этим изменения состава атмосферы может привести к нежелательным последствиям. Поэтому любая производственная деятельность человека, влияющая на атмосферу, требует особого внимания.

   Загрязнение окружающей среды носит глобальный характер. Поскольку выбрасываемые в окружающую среду, особенно в атмосферу, примеси индустриального происхождения быстро переносятся воздушными потоками на большие расстояния, минуя национальные границы. Поэтому проблема защиты окружающей среды от загрязнений требует решения в национальном и международном масштабах. Научные исследования и практические усилия в этом направлении носят международный характер и опираются на помощь национальных правительств, органов ООН и широкое участие ученых всего мира [1].

   Первым серьезным шагом, привлекшим внимание мировой общественности к проблемам защиты окружающей среды явилась конференция ООН по окружающей среде, проходившее в Стокгольме в июне 1972 года. На ней была принята декларация по окружающей среде, содержащая 26 принципов, которыми должны руководствоваться государства в своей деятельности по охране природы и рациональному использованию ресурсов, а также принципы касающиеся международно - правовой основы взаимоотношений государств в связи с необходимостью охраны природы. Второй важный документ, одобренный конференцией, заключал в себе план действий в области международного сотрудничества по проблеме окружающей среды и природных ресурсов

   Важное международное значение имело заключенное соглашение между СССР и США о сотрудничестве в области охраны окружающей среды. В соглашении указывалось, что советско-американское сотрудничество будет посвящено разработке мер по предотвращению загрязнений,  изучению их самих,   изучению их воздействий на окружающую среду и разработке основ регулирования влияния человеческой деятельности на природу.

   В 1973 году была разработана программа всестороннего научно технического сотрудничества стран-членов СЭВ в области охраны и улучшения окружающей среды на 1976-1980 годы и определены направления до 1990 года.[1].

   В СССР решением 1У сессии Верховного Совета в сентябре 1972 года и постановлением ЦК КПСС и СМ СССР от 29 декабря 1972 года принято постановление «Об усилении охраны природы и улучшения использования природных ресурсов». Начиная с 1966 в Государственном комитете по науке и технике СМ СССР составлялись и утверждались пятилетние координационные планы НИОКР  по комплексному  и эффективному использованию в народном хозяйстве природных ресурсов и охраны природы от загрязнений. [2]

   Приводимые строки были написаны в середине 70-х годов и ныне в 2009 году представляется возможным сравнить их с тем, что достигнуто сейчас по охране природы. Ныне мировым сообществом принят, так называемый, «Киотский протокол», в котором установлены нормы в виде выделенных квот по загрязнению окружающей среды для каждой страны. И в нынешних рыночных отношениях некоторые слабо развитые страны свои квоты по загрязнению начали продавать индустриально развитым странам, равносильно тому, как некоторые люди от безысходности торгуют теперь своими органами.

 

2.3. Загрязнение атмосферы

 

  Основными компонентами, загрязняющими атмосферу являются: окись углерода, сернистый газ, окислы азота, углеводороды, пыль. Наибольший выброс  пыли, сернистого газа и окислов азота дают тепловые электростанции, выброс окиси углерода – двигатели внутреннего сгорания, черная металлургия и нефтеперерабатывающая промышленность, выброс углеродов – нефтеперерабатывающая промышленность.

  Кроме отмеченных наиболее распространенных ингредиентов указанные отрасли промышленности загрязняют атмосферный воздух  другими, часто более токсичными примесями. Например ТЭЦ выбрасывают в атмосферу  весьма токсичные соединения ванадия, а при использовании ряда топлив – окислы кальция, соединения мышьяка и фтористые соединения, предприятия черной металлургии – в значительных количествах фенол, аммиак, сероводород, цианистые соединения, канцерогенные вещества. Для цветной металлургии характерными являются выбросы соединения фтора , мышьяка, хлора и хлоридов, цинка, никеля. Предприятия нефтеперерабатывающей промышленности выбрасывают в атмосферу сероводород, аммиак, метан, толуол, ацетон и другие органические соединения.

 [ 3 ].

   Наибольшую долю загрязнений (свыше 40%) в атмосферу вносит транспорт, в первую очередь автомобильный, выхлопные газы которого содержат большое число различных вредных веществ: окись углерода, сернистый газ, окислы азота, различные углеводороды (этан, метан, ацетилен, бензоперен и др.). сероводород, свинец, альдегиды, сажу, азот, углекислый газ и др. Максимальное количество выбрасываемых примесей       приходится на холостом ходу и при малой скорости движения.

  По мнению американских специалистов [ 4 ] доля различных источников вредных веществ, загрязняющих атмосферу распределяется, как показано на Рис. 2.3.1.Р По имеющимся данным [ 4,5 ]  во всем мире в ведущих промышленных странах ежегодный выброс основных вредных веществ в атмосферу достигает десятков и сотен миллионов тонн. ( см. таблицу 2.3.1Т.) В таблице приведены данные  по группе стран с наиболее высоким уровнем загрязнения воздуха. Примерный состав вредных веществ  в атмосфере крупных промышленных городов США приведен на Рис. 2.3.2Р.

   Исключительно важно иметь надежное научно обоснованные данные о масштабе вредности тех или выбросов, о их влиянии на здоровье людей, животный и растительный мир, на всю биосферу. Для этого прежде всего необходимо ясно представлять, что происходит с выбросами в атмосферу и при том не только количественно, но и качественно, то есть уметь надежно рассчитывать не только величину выбросов, но и их рассеивание, реакции, происходящие с ними, и длительность пребывания их в атмосфере. Только в этом случае можно надежно рассчитать концентрацию тех или иных примесей в приземном слое атмосферы. За последние годы проведены большие исследования поведения основных примесей в нижних слоях атмосферы, и хотя ряд процессов, особенно фотохимических, рассчитать достаточно точно не удается, все же основные закономерности более или менее поддаются расчету. [ 11 ]

                           

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

        

                                                                                                                           5

 


                                                                   42%

 


                                                                                                                    4

                                               5%                                       

                      1                                                                     22%

 

 


                                                      14%

                                                                         17%

                           2

                                                                                                             3

                                                                                                               

 

                             1  - установки для сжигания твердых отходов

                             2 – производственные процессы

                             3 – прочие источники загрязнения

                             4 – ТЭЦ и другие объекты, сжигающие топлива

                             5 -  транспорт

 

Рис. 2.3.1Р    Доля различных источников вредных веществ в загрязнении атмосферы                                                                                                                  

 

                                                                                                                                   Таблица 2.3.1Т

 

                             Количество выбрасываемых ежегодно в атмосферу

                               основных вредных веществ в млн. тонн

 

Страна

Сумм. Кол-во

СО

СО2

Углево-

дороды

    О2

  Ох

Взв. тв.

частицы

Свинец

Во всем

мире

12600

300

12000

****

 

150

50

100

 

США

 

340*

100

134

30

26/37*

20

30

 

Япония

 

6,8/27

***

2,0/7,2

***

 

 

 

 

 

 

ФРГ

 

17,5-32

   8

 

2-3

3,5-5,0

2-12,5

2-4,0

0,007

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    *     -  предполагается, что к 2007оду загрязнение воздуха в  США 

                  возрастет в 6-20 раз

    **   -  всех окислов серы 

    *** -  к 1985 году                       

  **** - по данным [ 21

 

       

 

 

 

 

 


                                                     Окись углерода

                                                                45%

 

\                                  Окислы                                   Окись

                              серы                                        азота

                                     18%                                         10%

 

                                             Пыль         Углеводо-

                                                     12%           роды 15%

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.3.2Р   Примерный состав вредных веществ в атмосфере крупных

                           промышленных городов США 

 

  Известно, что практически все примеси в атмосфере находятся ограниченное  время – от минут и часов для крупных быстро оседающих пылевых частиц, до одной - двух недель для очень мелких частиц, а также для окислов серы и азота, которые вымываются влагой воздуха  и выпадают с ней на поверхность земли и воды.

   При загрязнении атмосферы наибольшую опасность представляют газообразные и мелкодисперсные загрязнения, равновесная концентрация которых возрастает  примерно пропорционально  интенсивности выбросов. Так как транспорт по планете распределяется весьма неравномерно, а интенсивность рассеивания сильно зависит от метеорологических условий, концентрация в приземном слое меняется чрезвычайно сильно, как по поверхности земли, так и во времени. При этом в отдельных местах и даже в отдельных районах концентрации ряда веществ могут достигать угрожающих и даже опасных значений в отдельные периоды, особенно неблагоприятные по условиям рассеивания, несмотря на то, что среднегодовые их значения остаются значительно ниже разовых предельно допустимых.  В тих условиях необходимо знать степень вреда, причиняемого здоровью людей в зависимости не только от концентрации, но и от длительности воздействия и повторяемости. Однако существующие нормы дают лишь значение ПДК, как максимально разовые (средние для 20 минут и среднесуточные) без достаточных указаний на допустимую частоту их воздействия.

 

2.4.  Загрязнение воды

 

Проблемы живой «воды» в настоящее время превратились в важнейшую проблему современности в связи с качественным истощением водных ресурсов в результате их загрязнения отходами человеческой деятельности. Поверхностные воды суши загрязняются нефтью и нефтепродуктами, пестицидами, смываемыми с с/х угодий, радиоактивными веществами и различными химическими соединениями, поступающими с промышленными и хозяйственно-бытовыми сточными водами [ 3 ]. Охрана вод от загрязнений считается одной из наиболее острых проблем современности.

   В США, где удельный сток рек с территории в 1 км2 больше, чем в СССР на 30%, многие штаты уже сейчас испытывают водный голод, обусловленный главным образом ухудшением качества поверхностных вод. По предположению западных ученых к 2000 году ожидается настоящий водный голод во Франции, Англии, Голландии, ФРГ, Италии, Японии

   Наиболее характерными веществами, загрязняющими поверхностные воды суши являются экстрагируемые вещества, нефтепродукты, фенолы, цинк и медь, синтетические поверхностно-активные вещества, кислоты, хлор, магний, железо и др.

   Важными показателями состояния водной среды является водородный показатель «РН», концентрация растворенного в воде кислорода, биологические потребления кислорода, удельная электропроводность, содержание тяжелых металлов, нефтепродуктов. Концентрация растворенного в воде кислорода характеризует состояние водной среды. Присутствие достаточного количества растворенного кислорода в воде необходимо для окисления многих загрязняющих веществ, находящихся в воде, и для жизни  микроорганизмов, которые  биологически стабилизируют органические загрязнения.

   Загрязняющие воду вещества делятся на разлагающиеся, не разлагающиеся и, так называемые,   «стойкие вещества» - синтетические высокомолекулярные  органические соединения, в том числе, пестициды, например ДДТ и фенолы. В открытые водоемы пестициды попадают при прямом применении или с поверхностными стоками при выпадении большого количества осадков, в воздух попадают в результате сноса во время внесения или позднее вследствие испарения.

  Для морской среды наибольшую опасность представляют загрязнения нефтью, тяжелыми металлами, хлорорганическими соединениями и радиоактивными веществами. Особенно опасна нефть, которая тончайшей пленкой покрывает огромные участки водной  поверхности, губит планктон и превращает эти участки в мертвые зоны. Углеводороды нефти опасны для многих форм жизни моря, а следовательно, и для людей. Наиболее токсичными и быстродействующими являются низкокипящие ароматические углеводороды (бензин, толуол, ксилол). При больших концентрациях они смертельно опасны для низких форм жизни в море. Исключительно вредное влияние оказывают ртуть, свинец, мышьяк и хлорорганические соединения, которые накапливаются в живых организмах, приводят к деградации многих видов живых организмов не только в океане, но и на суше. В Мировом океане в течение года сбрасываются с нефтеналивных судов, проникает из морских буровых скважин и других источников, непосредственно связанных с морем, около 2 млн. тонн нефти и нефтяных продуктов. 

    В ряде крупных рек в промышленных районах Европы концентрация кислорода в настоящее время практически равна нулю. Например, сброс промышленных стоков в Рейн к 1968 году увеличился по сравнению с 1958 годом в 10раз. Через реку Мозель в Рейн поступает ежегодно до 40 тыс. т. калийных солей, сбрасываемых  химическими предприятиями и металлургическими заводами Лотарингии. Всего в водоемы ФРГ ежегодно поступает 8,1 мл. т. неорганических солей, значительную долю которых составляют промышленные стоки. Воды Рейна несут к границе Нидерландов ежегодно 24 мл. т. загрязняющих и ядовитых веществ. В том числе ежегодно 3. мышьяка и 450 кг. ртути. Выбросы сернистых соединений в Токийский залив в Японии в 1969 году составил 655 тыс. т., а к 1985 году  по прогнозам достигнет 1,44 млн.т.

 

2.5.  Загрязнение почвы

 

  Основными компонентами, загрязняющими почву, являются в первую очередь, пестициды, которые в настоящее время представляют наибольшую опасность для окружающее среды из за неумеренного их использования в сельском хозяйстве. Однако производство ядохимикатов считается в США «экономически целесообразным», так как оно выгодно для химической промышленности. В сельском хозяйстве Японии сейчас также применяется  более 5 тыс. различных видов ядохимикатов. Широко распространены гексахлорциклогексан, ДДТ, альдегид. В ФРГ, например, ежегодно расходуется  12 тыс. т. пестицидов. В Мировой торговле пестицидами ФРГ занимает третье место [ 5 ] .

    При применении пестицидов они частично попадают на почву, проникая на глубину до 60 см. Миграция их по поверхности почвы происходит вследствие водной и ветровой эрозии. Эти вещества попадают из почвы в растения, продукты с/х производства, накапливаются в продуктах питания, попадают в организм животных и людей. В ряде случаев это приводит к отравлению скота, пчел, рыб и других организмов, служащих им пищей [ 5 ] .

   Обследование, проведенное в США народного благосостояния в 1971-72 годах показало присутствие гексахлорциклогексана, ДДТ и дильдрина в 70% проб материнского молока. Концентрация ДДТ в организме  человека достигает  сейчас в США в среднем 12 мг/кг , в Израиле рекордно высокое  количество – 19 мг/кг [ 6 ]. Отрицательные последствия воздействия ядохимикатов особенно наглядно проявляется  на примере птиц. В некоторых районах из-за отравления пестицидами отдельные виды птиц полностью вымерили [ 7 ]. В США уровень концентрации ДДТ в грудном молоке колеблется от 0,15 до 0,25 мг/кг , что более чем в 4 раза допустимой утвержденной допустимой ООН нормы [ 8 ]. Во многих странах производство  пестицидов ограничено.

   Ряд пестицидов обладает высокой стойкостью к химическому и биологическому разложению, поэтому в настоящее время множество этих веществ циркулируют в окружающей среде и не исчезают в течение нескольких десятилетий, даже если производство и применение их будут немедленно прекращены во всем мире.

  Другими серьезными загрязнениями почвы являются тяжелые металлы, попадающие в почву с осадками: свинец, кадмий, цинк, медь, ванадий, никель и другие. Интенсификация с/производства неразрывно связана с ростом применения химических удобрений и прежде всего – азотных и фосфорных. Использование азотных удобрений в США и в Европе достигает гигантских масштабов – ежегодно в почву вносится столько же азота или даже больше, чем его содержится там в естественном состоянии. Соединения азота – пестициды – вымываются почвенными и подземными водами, что приводит к массовому загрязнений рек и озер. Вода становится небезопасной для употребления [ 3,9 ].

 

2.6.   Влияние загрязнений на биосферу Земли 

 

   Состоянии окружающей среды, а, следовательно, и ее воздействие на биосферу в той или иной стране зависит от уровня ее промышленного развитии, роста народонаселения, географических и климатических условий, а также социально экономических условий. На долю США приходится 40% загрязнений планеты в целом, что должно стать в настоящее время для этой страны серьезной государственной проблемой [ 6 ]. За всю историю своего существования США редко сталкивались с проблемой, решение которой может так сильно повлиять на будущее американского народа. Все более очевидным становится тот факт, что если американцы не смогут очистить окружающую среду, они поставят под угрозу свое физическое и психическое здоровье. Но за очищение окружающей среды придется платить значительную цену: пойти на значительные финансовые затраты, на потерю некоторых удобств и может быть на некоторое снижение жизненно уровня.[ 10]

  По оценке Агентства охраны  окружающей среды ЕРА, экономические потери от заболеваний в связи с загрязнение только воздушной среды в США составляю ежегодно

6 $ млрд. Эта сумма включает и ущерб от утраты работоспособности, а также расходы на соответствующее медицинское обслуживание. Ущерб, наносимый ежегодно экономике страны в результате усиления коррозии и разрушении материалов, гибели растений и сокращения урожайности с/х производства, оценивается 4,9 $ млрд. [ 8 ] .

   В ФРГ материальный ущерб, наносимый загрязнением воздуха, исчисляется так же миллиардами марок, в том числе 14-20 млн. марок только за счет гибели лесов, 33 млн. марок – за счет снижения урожайности с/х культур и 32 млн. марок – ущерб причиненный садоводству. В Японии – в 1971 году убытки только рыболовства достигли 18,3 млрд. иен. Убытки всего народного хозяйства  от загрязнения окружающей среды возросли с 35 млрд. иен до 6 триллионов иен (8% от национального валового продукта) в 1970 году. Ежегодные экономические потери от загрязнения только воздушной среды представлены в таблице 2.6.1Т

                                                                                                                           Таблица 2.6.1Т

 

                               Ежегодный ущерб, наносимый народному хозяйству

                                         только от загрязнения воздушной среды

 

       

С т р а н а

                     В и д    у щ е р б а

Р а з м е р   у щ е р б а

   С Ш А

Утрата работоспособности за счет заболе-ваний (включая медицинское обслуживание при заболевании)

 Коррозия и разрушение материалов, гибель растений, снижение урожайности

с/х культур

9000 $ млн.

 

 

4900 $  млн.

   Ф Р Г

Гибель лесов

Снижение урожайности с/х культур

Ущерб, нанесенный садоводству

 20 млн. марок

 33 млн. марок

 32 млн. марок

  Великобритания

  Весь ущерб

275 млн фнт.стерл.

  Япония

 Все виды ущерба

35000 млн. иен (1955г)

6000000 млн. иен

 (1970г)

 

 

Обследование санитарного состояния Нью-Йорка, показало, что потери от разрушения материалов, зданий и оборудования вследствие загрязнения воздушного бассейна города составляют ежегодно в расчете на одного жителя 16 $. Аналогичный показатель для Чикаго составляет 20 $  для Милуоки – 17 $, для Индианаполиса – 14 $. Общий экономический ущерб от загрязнения атмосферы США составляет 16  $ млрд. в год, т.е. 80 $ на одного жителя страны. В первой половине 60-х годов ущерб оценивался в 11 $ млрд. , что указывает на рост ежегодных потерь от ухудшения качества воздуха

  По данным Всемирной организации здравоохранения 70-90% всех раковых заболеваний людей связано с присутствием в окружающей среде различных химических веществ. Известно также, что многие врожденные дефекты и неврологические расстройства вызваны воздействием свинца на организм человека из окружающее среды или некоторых медикаментов и пестицидов.

   Национальный институт охраны труда и здоровья сообщает, что в США ежегодно 100000 человек умирает  и 390000 человек заболевают от загрязнения среды на рабочих местах [10] .  Врачи, выясняя причины возникновения главных хронических болезней, все чаще обращаются  также и к продуктам питании, в которых, почти во всех без исключения, содержатся синтетические химические и другие вредные вещества.

   В ФРГ  резко возрос процент заболеваний верхних дыхательных путей по причине загрязнения воздушной среды. Ежегодно регистрируется 5 млн. случаев таких заболеваний. В Японии до конца 1972 года было официально зафиксировано 8737 случаев отравления веществами, содержащимися в воздухе, в 728 случав –питьевой водой.

 В настоящее время в атмосферу ежегодно выбрасывается  12 млрд. тонн углекислого газа. Если так будет продолжаться и дальше, то к 2000 году содержание углекислого газа в атмосфере увеличится на 25% . что может привести к нежелательным последствиям. Подсчитано [ 12 ], что в связи с увеличением количества углекислого газа в атмосфере  и уменьшением содержания кислорода, через 150-180 лет, если экстраполировать данную тенденцию в будущее, количество кислорода в атмосфере достигнет критической точки, после которой возможности существования человека на земле резко ограничатся.

 К этому надо добавить, что загрязнение Мирового океана ведет к гибели в нем животных и растительности, которая, осуществляя процесс фотосинтеза, является одним из основных поставщиков кислорода в атмосферу. В ряде официально существующих прогнозах высказывается мнение, что в ближайшем будущем ожидается  дальнейшее загрязнение воздуха [ 6;5 ].

   Общий годовой мировой выброс вредных веществ в атмосферу в середине 70-х годов, , прошлого века, когда писались материалы этого раздела, составлял, как это следует из таблицы 2.3.1Т порядка 12,6 млрд. тонн. Ныне, в 2009 году, когда пишется данная работа, представляется возможность оценить этот прогноз.

   Как следует из материалов Интернета (сайт-  www. еcosystema. ru) к концу ХХ века годовой мировой выброс вредных веществ в атмосферу составлял уже 25,5 млрд.тонн.  Таким образом, за последнюю четверть ХХ века годовой выброс вредных веществ увеличился практически вдвое. Это цена, заплаченная  человечеством за технический прогресс, и этим оно весьма существенно обеспокоилось, предпринимая  ныне существенные меры по снижению темпов выбросов вредных веществ  в атмосферу. По тем же данным в России выбрасывается ежегодно всего 20-25 млн.т., что составляет порядка одного процента от мировых выбросов, а основную долу вносит в это «грязное дело» США.

 

2.7. Предпринимаемые усилия по уменьшению существующей и предотвращению

       новой  загрязненности  окружающей среды

 

  В настоящее время во всех ведущих странах уже созданы или создаются специальные государственные руководящие органы призванные координировать и направлять работы по охране природы. Одним из ярких примеров развития международного сотрудничества по проблемам окружающей среды начавшаяся реализация идеи создания международной системы наблюдения за состоянием окружающей среды.  Она должна обеспечить регистрацию наблюдений, происходящих в биосфере, на основании которых могут формироваться представления о распространении в природе различных загрязнений и выработать объективную оценку опасности последствий загрязнения и деградации окружающей среды.

   Концепция организации такой службы, получившей определение, как мониторинг, разработана в специальной комиссии  Научного комитета по проблемам окружающей среды (СКОПЕ) Международного совета научных союзов – наиболее крупной и авторитетной научной организации. Комиссия в 1971 году впервые обосновала необходимость создания глобального международного мониторинга и сформулировала некоторые требования к такой систем, указав ряд основных параметров состояния окружающей среды, которые должны стать объектом научных наблюдений и измерений. Эти предложения СКОПЕ были приняты Стокгольмской конференцией и рядом международных организаций.

   В настоящее время в рамках Всемирной метеорологической организации (ВМО) действует программа фоновых наблюдений за глобальными изменениями в атмосфере Земли, в том числе и за изменениями, вызываемыми загрязнениями воздуха.  По этой программе в мире работает более 90 наблюдательных станций, часть которых располагалась на территории СССР. Создание глобальной системы мониторинга потребует использования спутников, современных методов и техники дистанционных измерений. 

   С целью ограничения выброса в атмосферу загрязняющих веществ в ряде стран ( СССР, Англия, США, ФРГ) приняты законы, регламентирующие выбросы загрязнений в атмосферу и законы о мерах по поддержанию чистоты воздуха.

  Ограничения выброса в атмосферу загрязняющих веществ основывается на установлении в законодательном порядке предельно допустимых концентраций – ПДК различных видов загрязнителей в воздухе. Разработка допустимых величин концентраций в окружающей среде токсичных и вредных веществ идет по двум направлениям: установление максимальной концентрации в воздухе производственных помещений (МАК) и максимальных концентраций в атмосфере городов и сельской местности (М1К). Предельно допустимые концентрации некоторых наиболее распространенных загрязняющих веществ  в атмосфере, принятые в различных странах, приведены таблицах 1.6.3Т- 1.6.7Т  [ 5,6 ].

 

                                                                                                                      Таблица 1.6.3Т

 

                            Допустимые нормы промышленных выбросов, установленные

                                                                в ФРГ в 1964 г.

 

Виды выбросов

Воздух

городских

и сельских

районов

Воздух   в

ственных

производ-.

помещен.

 

    М1К

кратковр.

М1К

долговр.

        МАК

 

 

ч/млн.

  мг/м3

   ч/млн.

  мг/м3

   ч/млн.

    мг/м3

Окись азота

    0,5

   1.0

  1,0             

    2,0

       6

        7

Азот. кисл

     НО3

    0,5

   1,3

  1,0

    2,6

      10

       35

Углеводо-

 роды

   0,5

   0,7

  1,0

    1,4

       5

       1

Сероводор.

      Н2

   0,2

   0,5

  0,3

    0,75

       20

      30

Двуокись серы  О2

   0,2

   0,5

  0,3

    0,75

      5

      13

 

                                                                                                                          Таблица 1.6.4Т

 

 

        Стандарты для оценки загрязненности атмосферы, принятые в США в 1972 г.

 

 

     Загрязнитель

Время усреднения

1 стандарт1 мг/м3

П стандарт2  мг/м3

                 О2

     1 год; 24 ч.

 0,080; 0,365*

0,060; 0,260*

               СО

     8 ч.; 1 ч.

 10, 000*;  40,000*

10,000*; 40,000*

                 О2

     1 год

  0,100

0,100

 Углеводороды

      3 ч.

  0,160*

0,160*

  Пыль

     1 год;  24 ч.

0,075**; 0,260*

0,060*; 0,250*

Озон и др.окислит.

     1 ч.

 0,160*

 09,160*

 

 

1- устанавливает предельные значения количеств загрязняющих примесей, исходя из

    условий, угрожающих здоровью людей.

2- определяет нормы загрязнений из условий безопасности  обитания людей и отсутствия

     вредного воздействия атмосферы на растения, животных, металлы, строительные  

     материалы

 

·   -  допускается не более одного раза в год,

 

 

**   -  среднеквадратичное значение

      

 

 

 

                                                           

 

                                                                                                                      Таблица 2.6.5Т

 

            Перечень вредных веществ и их максимально допустимые  концентрации,

                                        принятые в Италии в 1971 году

 

 

Загрязнитель

Максим.  ко

 

нцент.(30мин)

Средняя

               ция

концентра-.

Время усредн. час.

 

 ч/млн

    мг/м3

  ч/млн

  мг/м3

 

           О2

    0,30

    0,79

       0,15

     0,39

      24     

           О2

    0,30

    0,56

       0,10

     0,19   

     2 4

           О

  50,00

  57,00

     20,00

    22,89

        8

           Рв

        -

    0,5

         -

      0,1

        8

 

 

                                                                                                                         Таблица 2.6.6Т

             

    Стандарты, установленные в Швеции  в1969 году для О2

 

 

 Время усредненное

Концентр.

 ч/млн

Концентр.

 мг/м3

     Примечание

       1 месяц

        0,5

          143

Не должна превышаться

       24 час

        0,10

          286

Не должна превышаться чаще

1 раза в месяц

       30 мин

        0,25

          715

Не должна превышаться чаще ча-

ще 15 раз в месяц (1% ывремени)

                                                                                                                         

                                                                                                                          Таблица 2.6.7Т

 

 

                  ПДК в атмосфере воздуха на наиболее распространенные вещества,

                                                принятые в СССР в 1951 году

 

 

Загрязнитель                   

         П Д К

            мг/м3

                

 30 минутное

    измерение         

 24 часовое усред-

       нение

           СО

           3,0

           1,0

            О2

           0,5

     0,05 – 0,15     

            О2

        0,085

           0,085

            Н2

         0,008

           0,008

Пыль нетоксичная

          0,5

           0,15

 

 

   Данные. приведенные в таблицах 2.6.3Т – 2.6.7Т позволяют убедиться, что принятые нормы ПДК на ряд наиболее распространенных веществ, являлись в СССР самыми строгими в мире.

   Сводные данные по допустимым концентрациям вредных веществ в воздухе, принятые в СССР, США, ФРГ и Италии приведены в таблице 2.6.8Т.

 

                                                                                     

                                                                                                                                  Таблица 2.6.8Т

              

                      Допустимые концентрации вредных веществ в воздухе

 

Загрязни-

тель

СССР

мг/м3

(1951г)

 

США(1972г)

 мг/м3

ФРГ

мг/м3

(1964г)

Италия

мг/м3

(1971г)

 

3,0 мин

24 часа

Раз в год

Кратковр.

Долговр.

30 мин.

24 часа

       СО

3,0

 1,0

10,0-8час.

40,0 -1 час

      -

       -

      -

     -

        О2

0,5

0,05-        0,15

0,060

0,365 -24 час

   0,75

   0,5

  0,79

   0,39

        О2

0,085

0,085

0,100

      -

      -

  0,56

   0,19

        Н2

0,008

0,008

        -

   0,3

   0,15

     -

      -

Пыль  не

токсичная

0,5

0,15

0,075; 0,260

(24 часа)

       -

      -

     -

      -

Углеводор.

    -

      -

0,160 – 3 час

   1,4

    0,7

     -

      -

Озон

    -

      -

0,160-1час

     -            

      -

     -

      -

         О

    -

      -

       -

    2,0

    1,0

     -

      -

         О

    -

      -

       -

     -

       -

50,24

 

22,89

(24 час)

        Рв

    -

      -

       -

     -

       -

 0,5

0,01

(8час)

 

 Из сравнительного анализа приведенных данных видно, что в настоящее время нет четких, определенных критериев, стандартов и норм качества окружающей среды. Принцип задания ПДК в каждом государстве свой: в разных системах единиц усреднение осуществляется за разные промежутки времени и даже в пределах оной страны существуют различные ПДК для промышленных и не промышленных районов. В результате ПДК многих стран практически неприводимы к единому виду. Такие ПДК  неприемлемы для решения международных проблем,  осуществляемых в целях  проведения глобального мониторинга. Поэтому применение принципов Стокгольмской деколорации в создании международно – правовых основ разрешения международных экономических проблем по защите окружающей среды является весьма затруднительным.

    По мнению специалистов в настоящее время необходима разработка методов оценки средних концентраций за длительные периоды времени. При этом должны быть усовершенствованы и соответствующие критерии опасности длительного загрязнения воздуха или организмов и внешней среды, необходимо устранить имеющиеся сейчас различия между значениями разовых и средних предельно допустимых концентраций.

  Реализация конкретных мер по борьбе с загрязнением окружающей среды  в свете разработанных национальных программ , требует больших финансовых вложений  в связи с тем, что многие промышленники ведущих промышленных стран в течение многих лет совершенно игнорируют проблемы окружающей среды, большинство предприятий вынуждено начинать борьбу против ее загрязнения практически «с нуля». Например, проведенные расчеты в США [ 1 ] показали, что затраты необходимые для достижения стандартов качества среды, которые предстояло ввести в 1975-1976 годах должны быть весьма существенными. Это наглядно иллюстрирует состав сведений, содержащихся в таблицы 2.6.9Т.

   В ФРГ средства. затрачиваемые на охрану окружающей среды, также достигают значительных размеров. Так за период 1969-1971 годы только на охрану чистоты воздуха истрачено 3,1 млрд. марок в том числе:34,2% на переустройство существующих очистительных установок, 51% на фильтры и устройства на сжигание отходящих газов на вновь сооружающихся предприятиях и 14,3% на разработку новых видов горючих.

                                                                                                                      Таблица 2.6.9Т

 

           Оценка затрат на борьбу с загрязнением среды в США в млрд. долларов

                                                            по ценам 1971 г.

 

 

Потребности

в затратах

в1971-1980 г

         С ф е р а    з а г р я з н е н и я 

Капиталовложения

Эксплуатацион-

ные расходы

  В с е г о

1. Загрязнение воздуха,

  

 Государственные:

 Частные затраты:

       автотранспорт

       стационарные источники

               в с е г о

            1,1

 

 

          

            31,5

            15,6

            48,2     

                                       

           6,8

 

 

          

           29,5

           22,0

           58,3          

       7,9

 

 

     

      61,0

      37,6

    106,5

 2. Загрязнение воды

 

     Государственные:

     федеральные

     штатные и местные

     Частные:

      обрабатывающая промышлен-

      ность

      электрокомпании

      стойловое животноводство

      строительство

               в с е г о

 

 

 

             

             1,2

           18,9

 

 

          11,9

            4,5

            1,9

            0,9

            4,4

 

 

           

           2,7 

         23,6

 

 

         14,2

           4,2

           1,8

           0,1

          88,9

 

 

       

        3,9

      42,6

 

 

       26,1

         8,7

         3,7

         1,0

        99,3 

3. Другие расходы:

     удаление твердых отходов

     рекультивация земель после

     добычи полезных ископаемых

     борьба с радиацией АЭС

               в с е г о

 

             -

             -

 

             -        

 

            -

            -

 

            -

 

 

        86,1

          5,1

          2,1

 

        93 ,3

           В  С  Е  Г  О

          92,8

           194,3

        380,4

 

   На реализацию мероприятий по снижению в бензине содержание свинца с 0,4 до  0,15 г/л, что дает снижение его содержания в выхлопе на 30% необходимо будет затратить 300-500 млн. марок.

   По программе на 1985 год в ФРГ будет израсходовано для очистки сточных вод 43-44 млн. марок, в том числе 25 млн. марок на строительство очистных сооружений в промышленности,, 10 млрд. марок в коммунальном хозяйстве и 8 млрд. марок на реконструкцию старых очистных сооружений.

  Как было показано ранее  в рисунке 2.3.1Р основными загрязнителями атмосферы в странах с большим автомобильным парком  являются автомобили (свыше 42%). Ежесуточно 250 млн. автомобилей от малолитражек до огромных лимузинов и самосвалов выбрасывают в атмосферу около 500 000 тыс. т. окиси углерода, 100 тыс. т. углеводородов, 26 тыс. т. окислов азота, бензопирен, радиоактивные частицы и другие вещества [ 21 ]. Исходя из приведенных данных, за одни сутки пробега одним автомобилем выбрасывается атмосферу: окиси углерода 2 кг, окислов азота 1,04 кг.  Суммарное эквивалентное количество этих  вредных веществ в пересчете по токсичности на МО составляет 14,24 кг. По данным [ 5 ] объем выхлопных газов от автомобилей только в ФРГ в течение года равен 350 мл м3.

   При сгорании 1 кг горючего карбюраторный двигатель выбрасывает наряду с прочими следующие вещества:  окись углерода -800 г, углеводород – 90 г, окислы азота – 20 г, альдегиды – 0,7 г, сернистый газ – 0,6 г, соединения свинца – 0,5 г, бензопирен – 0.001 г, сажа – незначительно.

   Общий объем выбросов в атмосферу от промышленности и автотранспорта за последнее 10 лет  удвоился и теперь в воздухе постоянно находится около 9 млн. т. загрязняющих веществ самого различного состава и происхождения. До настоящего времени с уменьшением выброса вредных примесей в выхлопах автомобилей дело обстоит неудовлетворительно, несмотря на то что в этой области достигнуты некоторые положительные результаты в части каталитического дожигания продуктов неполного сгорания в выхлопных газах [1].

  Возможности снижения неполноты сгорания в автомобильных двигателях связаны с трудностями поддержания оптимального соотношения топливо-воздух  на всех режимах работы двигателя и отчасти стремлением конструкторов к повышению удельной мощности двигателя за счет его работы на «богатой» смеси, то есть при недостатке воздуха для полного сгорания. Поэтому в больших городах, где количество автомобилей велико, а условия рассеивания выхлопов плохие, уже сейчас нередко загрязнение воздуха на магистральных улицах, особенно на перекрестках, значительно превышают нормы. Кардинальным решением могло явиться перевод городского транспорта на электрическую тягу. Разработка в СССР и других странах аккумуляторный электромобили пока экономически приемлемы для весьма ограниченной области некоторых внутри городских перевозок с пробегом не более 80- 100 км/ день. 

   Во многих странах ведутся исследования и разработки более энергоемких аккумуляторов , но пока они очень недолговечны или непомерно дороги (серебро – цинк), либо недостаточно отработаны (цинк-воздух, натрий – сера и другие). Определенные перспективы могут иметь аккумуляторы механической энергии – маховики, так как современные некоторые полимерные волокна теоретически позволяют применять громадные окружные скорости и «запасать» на единицу веса в несколько раз больше количества энергии, чем для химических аккумуляторов.

    В СССР разработан и проходит испытания опытный образец автомобиля с двигателем, работающим на водородном топливе, использующий в качестве «топлива» воду. Однако широкое применение такого автомобиля в ближайшее время не может быт осуществимо, ввиду большой стоимости и технической сложности изготовления катализатора, используемого для разложения воды. Кроме того, с целью снижения загрязнения окружающей среды, автомобильный парк страны начинает переводиться на газообразное топливо.

   В течение длительного времени разработчиками энергетических установок, а также прогрессивных новых видов техники и технологии не уделялось достаточного внимания вопросам охраны окружающей среды. Как правило, считается, что эти отдельные виды техники вносят ничтожно малую долю в общее загрязнение атмосферы и поэтому не принимается должных мер к снижению выделяемых ими вредных выбросов. Такая точка зрения ошибочна. Суммарное загрязнение биосферы от этих малых выбросов при громадном их количестве достигло существенной величины.

   В последнее время в ряде ведущих индустриальных стран намечается тенденция по разработке и установлению предельно допустимых норм выбросов из основных источников их выделения. Так во всех странах мира, имеющих большой парк автомобилей, установлены предельно допустимые концентрации на содержание окиси углерода в выхлопных газах, в частности эта ПДК в СССР составляет на режиме максимальной мощности  и холостого хода 3-5% от общего количества продуктов сгорания. В ФРГ, например, введены следующие некоторые предельно допустимые значения для выбросов заводских труб в мг/м3: окись углерода – 11000. фтористый водород – 5, двуокись серы – 9200, окись азота – 4600, углеводороды – 230 [ 5 ]. Однако единые нормы для всех стран мира на основные источники выбросов отсутствуют.

   При отсутствии установленных допустимых норм выделения загрязняющих веществ для различных видов техники, снизить загрязнение биосферы и изменить общую тенденцию по ее росту, можно только путем жесткого самоконтроля и самоограничения разработчиков при разработке каждого нового типа техники, выделяющие токсичные вещества. Данные строки писались в начале 70-х годов. Ныне во многих странах введены такие номы, и в частности в Евросоюзе.

 

2.8.  Выводы по главе

 

1. Приводится основной состав и направление в промышленной экологии, входящей в новую формирующуюся науку, определяемую, как атропогеника, изучающая влияние деятельности людей на природную среду и ответное ее влияние на человека.

 

2. Излагается основной состав вносимых загрязнений атмосферы, воды и почвы различными видами промышленности в различных странах, имевшим место в  середине 70-х годов. Наибольший вклад в общие загрязнения атмосферы вносят тепловые электростанции.

 

3. Показывается, по данным Интернета, что за последнюю четверть ХХ века годовой мировой выброс в атмосферу вредных веществ удвоился с 12, 5 млрд.т. в середине 70-х годов  до 25,5 млрд.т. к концу века. Рассмотрены основные направления предпринимаемых усилий по предотвращению и снижению антропогенного загрязнения биосферы.

 

4. Приводятся нормы предельно допустимых величин загрязнений по странам, и показывается, что нормы, действовавшие на середину 70-х годов в СССР были самые жесткие.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 3    ДИНАМИКА  СОСТАВА    ОЗОННОГО  СЛОЯ

                   И ДЕТОКСИКАЦИЯ  ИЗДЕЛИЙ  

 

3.1. Состав атмосферы на высоте озонного слоя

 

     Промышленные изделия своими выделениями оказывают существенное влияние не только на состав приземной атмосферы, но на состав озонного слоя Земли.  Трудно переоценить значение атмосферного озона и процессов, происходящих в верхних слоях атмосферы и биосферы. В таблице 3.1.1Т представлены усредненные параметры атмосферы на высотах, где в основном содержится озон [ 15] .

   Атмосферный озон поглощает жесткое ультрафиолетовое излучение с длиной волны 3000 А, которое пагубно воздействует на живые организмы, кроме того, озонный слой частично поглощает  солнечное излучение ультрафиолетовой    ( λ = 3100-3500 А) и в оптической области спектра ( λ = 4500-7400 А), тем самым, обеспечивая повышение температуры в стратосфере и мезосфере  (на высотах 25-50 км,).

      

                                                                                                                                Таблица 3.1.1Т

                                               Параметры стандартной атмосферы

 

  Высота  км.

          15

           20

          25

           30

 Температура оК

         217 

          217

         217

          235

 Плотность см-3

 

                 [ О2 ]+

[ N2]  3,1.1018

[ О2]   8,5.1017

[ N2]  4,0.1018

[ О3]     1012

[ О ]      105

      1,5.1018

      4.0.1017

      1,9.1018

      2,5.1012

       5.010 5 

        6,6.1017

        1,8.1017

         8,4.1017  

          4.1012

          3.106

         2,9.1017

         7,8.1016

         3,7.1017

         3,5.1012

           2.10 12

Высота  км.

          35

           40

           45

           50

Температура оК

         231   

          268

          274

          274

Плотность см-3

 

                [ N2]  +

[ N2]   1,4.1017

[ О2]   3,6.1016

[ О2]   1,7.1017

[ О3]     2.1012

[ О ]      58

         6,5.1016

         1,8.1016

         8,3.1016

           5.1011

           5.108

        3,4.1016

        9,1.1015

        4.3.1016

            2.1016

              2.109

         1,8.1016

         5,0.1015

         2,3.1016

              5.1010

           6.109

 

   Атомарный озон образуется из атомарного кислорода в результате тройного процесса                                             

                                       

                                                     О + О2  + М       О3 + М                                           (3.1)

        где  М –молекула азота или кислорода.

  Константа скорости для этого процесса при комнатной температуре, усредненная по ряду работ, составляет 6.10 -34 см6/сек.  С уменьшением температуры эта константа возрастает и для Т=218оК и М = N составляет 1,2.10-33 см6/сек. Атомарный кислород в атмосфере образуется  в результате фотодиссоциации молекулярного кислорода под действием солнечного излучения

                                                       О2 + hυ           2 .О                                                    (3.2) 

Число образующихся радикалов кислорода в единицу времени на единицу площади поверхности Земли составляет, примерно, 10 13 см-2 сек -1.

 

3.2  Основные циклы разрушения озона

    Озоновый слой находится в постоянном динамическом состоянии в результате которого озон не только образуется в результате фтодиссоциации, но и разлагается по четырем основным циклам: кислородному, азотному, хлорному и водородному.                                         

     Кислородный цикл Чепмена связан с разрушением озона и атомарного кислорода в результате реакции :           

                                                 О3 + О           2                                                               (3.3)

 В результате фотораспада  молекулы озона и тройного прилипания атома  кислорода  к молекуле образуется атомарный кислород. Далее атомарный кислород и озон вступают в реакцию (5), которая приводит к гибели радикалов.

  Азотный цикл атмосферного озона  включает в себя реакции с участием окислов азота, наиболее важная из которых имеет вид                                                   

                                        NО + О3         NО2  + О2                                                                                               (3.4)

Молекула NО2  разрушается фотонами с длиной     волны 3300 -4000 А, которые не поглощаются верхними слоями атмосферы.

 Скорость гибели радикалов кислорода за счет различных циклов приводится в таблице 3.2.1Т, которая получена расчетным путем на основе  данных таблицы 3.1.1Т и приведенных ранее констант скорости реакций.

                                                                                                                            Таблица 3.2.1Т

                 Скорость гибели радикалов кислорода за счет кислородного цикла

 

Высота h км

   15

   20

   25

   30

    35

 40

   45

  50 

Суммарная

гибель озо-

на см-2сек-1

Кислородный

цикл

  70

9.102

8.103

7.104

4.105

 106

2.106

15.106

     3.1012

Азотный цикл

26.102

104

16.105

19.106

4.106

27.106

13.106

28.105

     5.1.12

Водородный

цикл

8.103

4.104

105

4.105

5.105

3.105

105

3.104

     7.1011

Хлорный

цикл

5.106

6.106

2.106

2.106 

2.106

106

106

2.106

      1.1013

 

По данным, приведенным в таблице 3.2.1Т  в атмосфере на высоте 20-25 км. устанавливается стационарная концентрация озона. Общее количество озона в атмосфере и соответствует толщине слоя 0,4 см, приведенной к нормальной температуре и давлению Однако он играет важную роль в жизнедеятельности биосферы, участвуя в стабилизации теплового баланса Земли. Трехатомные молекулы озона поглощают коротковолновую ультрафиолетовую радиацию с длиной волны менее 290 нм. Не будь в стратосфере этого «озонного щита», коротковолновая радиация достигла бы поверхности Земли и привела бы к поражению растительности и уменьшению эффективности всего сельскохозяйственного производства.   

   Известно, что если при озонировании воздуха в него добавлять  некоторые вещества, то количество озона резко уменьшается. При этом даже малые концентрации окислов азота очень сильно уменьшают содержание озона. Происходит это потому, что процесс его распада становится цепным.  То же самое происходит и в стратосфере. Небольшие искусственные добавки окислов азота, в частности из газовой струи реактивных двигателей сверхзвуковых самолетов, уменьшают стационарную концентрацию озона.

   Окислы азота уже давно попадают в стратосферу из приземного слоя до тропопаузы путем вертикального переноса, а затем за счет диффузии. Основные источники их образования в приземном слое являются 250 мл. автомобилей, предприятия химической промышленности, тепловые электростанции, применение азотных удобрений, технологические отходы животных, навоз и другие органические удобрения.

 Все самолеты также являются источниками выделения окислов азота . Следует отметить, что наибольшее количество поступающих в атмосферу  окислов азота образуются естественным путем. Это происходит при разложении почвенными бактериями азотосодержащих веществ биологического происхождения, при действии солнечного излучения  и космических лучей в самой атмосфере, в результате естественной радиоактивности и при грозах. Эти выделения составляют 500 млн. т, а в результате деятельности человека выделяется 50 млн. т. Этот процесс начался задолго до появления авиации. Не следует думать, что окислы азота, попадая в стратосферу, постоянно там накапливаются. В действительности, в результате ряда фотохимических реакций они превращаются в нитраты и нитриты, представляющие собой ядра конденсации в виде аэрозолей, которые оседают.

  Суммируя данные, приведенные в таблице 3.2.1Т, можно составить следующую картину разрушения атмосферного озона. Основную роль в гибели озона имеет хлорный, азотный и кислородный циклы. При этом разрушение атмосферного озона в хлорном цикле соответствует распаду озона равномерно по высоте атмосферы, в азотном цикле разрушение озона происходит в средних слоях атмосферы, в кислородном цикле происходит в основном в верхних слоях атмосферы. Сами значения  скорости распада, которые приведены в этой таблице, носят весьма ориентировочный характер, поскольку они получены расчетным путем на основании весьма приблизительных исходных данных, использовавшихся при расчетах.

   Суммарная гибель озона  согласно данным таблицы составляет 2.1013см-2 сек-1, что вдвое больше скорости образования атмосферного озона. Несоответствие данных величин характеризует точность расчетов данных, приведенных в таблице, которые следует рассматривать, как оценочные. Вместе с тем, они правильно передают картину разрушения озона в атмосфере.

 

3.3.  Экологические проблемы атмосферного озона

 

  Ранее было показано, что основной вклад в разрушение озонного слоя вносят азотный и хлорный циклы. Поэтому всякое заметное изменение в атмосфере количества окислов азота и хлора проводит к нарушению существующего равновесия в количестве и распределении их в атмосфере. Практическая деятельность человека начинает вносить вклад именно в основные циклы разрушения атмосферного азота. Такое положение дел естественно вызывает опасение и требует внимательного анализа.

   Ежегодно в стратосферу естественным путем попадает порядка 1034  молекул окислов азота. Один сверхзвуковой самолет  производит ежегодно 1031 молекул окислов азота. Хотя количество окислов азота. попадающих в стратосферу в результате полетов сверхзвуковых самолетов сильно зависит от типа самолета и высоты полета, из данной оценки следует, что при современном развитии сверхзвуковой транспорт способен изменить содержание окислов азота в стратосфере.

  Большое количество окислов азота может образоваться за счет производства удобрений. В настоящее время ежегодно производится примерно 60 млн. т. связанного азота. и эта цифры имеют тенденцию удваивается каждые семь лет.   Примерно столько же окислов азота дает природа. Связанный азот представляет собой азот. выделенный из молекулярного азота и входящий в состав других химических соединений. Эти химические соединения в атмосфере окисляются, и находящийся в них азот переходит в окисел азота. Химические удобрения, содержащие азот,   испаряются, и связанный азот переходит в атмосферу, где он переходит в свой окисел. Поток связанного азота в атмосферу, переходящий из аммония над удобренной местностью летом составляет 1012см12сек-1. Если бы такой поток поддерживался над всей сушей в течение всего года, то это привело бы к ежегодному уходу в атмосферу 1037 атомов азота в молекулах химических соединений. Однако эти соединения легко вымываются водой и возвращаются на Землю, не достигнув стратосферы. Тем не менее, увеличение связанного азота в почве приводит к росту количества окислов азота, попадающих в атмосферу, поскольку далеко не все количество связанных веществ вымывается влагой из атмосферы.

  Влияние производственной деятельности человека на хлорный цикл разложения атмосферного озона состоит в накоплении фреонов в атмосфере. Мировое производство фреонов в настоящее время приближается к 1 млн.т в год и удваивается примерно через четыре года. Это инертные газы, которые в большей степени попадают в атмосферу.  В настоящее  время  концентрация  фреонов  у   поверхности  Земли   превышает

10-10, причем это количество обусловлено деятельностью человека, и оно непрерывно возрастает. Сами по себе фреоны не токсичны.  Участвуя в конвективном движении атмосферы, фреоны поднимаются в стратосферу и там распадаются под действием солнечного излучения, что приводит к освобождению атомов хлора и его радикалов, которые вступают в реакцию с озоном.

  В работе [ 17 ] проведена оценка возможного  уменьшения содержания озона в атмосфере в результате роста интенсивности глобального выброса фреонов в атмосферу за последние годы. Показано, что глобальное уменьшение суммарного содержания озона в атмосфере под воздействием фреонов и других антропогенных примесей в настоящее время невелико и не может быт обнаружено измерениями существующих сетей озонометрических станций.

  В качестве предварительной оценки можно исходить из допустимого содержания окиси азота, при котором содержание озона в стратосфере уменьшится в результате фотохимических реакций не более чем на 5%. В естественных условиях содержание озона уменьшается  до 40-60% в зависимости от времени года [ 15 ]. Из графика на Рис.3.3.1Р видно, что предельно допустимые концентрации на окись азота существенно выше, чем фреонов, то есть естественное ее содержание в настоящее время. Фактически вся заштрихованная область представляет собой тот резерв, за счет которого возможен для озоносферы рост интенсивности полетов высотных сверхзвуковых самолетов и ракет носителей.

 

3.4. Загрязнение атмосферы выхлопными газами авиационных двигателей

 

  В США проблема загрязнения среды, особенно атмосферы, стоит весьма остро. Авиационные формы были вынуждены в последние годы истратить значительные средства на проведение обширных исследований эмиссии авиационными двигателями токсичных и загрязняющих веществ и уровня загрязнения ими воздуха в крупнейших аэропортах[18].  На основании полученных результатов, управление США по защите окружающей седы (ЕРА) разработало нормы по эмиссии указанных веществ, которые поэтапно, начиная с 1 января 1974 года, вводятся на территории США и распространяются на все иностранные самолеты, совершающие рейсы в эту страну. Пока вклад авиации невелик в общее загрязнение атмосферы, что наглядно видно из таблицы 3.4.1Т, и составляет порядка 1%.

 

                                                                                                                                 Таблица 3.4.1Т

         

             Вклад различных источников в загрязнение атмосферы в США и СССР

 

Источник загрязнений

Вносимый вклад

в %%

 

          С Ш А

    С С С Р

Промышленные предприя-

тия и электростанции

 

Наземный транспорт

 

Авиация

           39

 

 

           60*

 

      менее 1     

         80 

 

 

         19

 

           1

 

·   - по другим источникам 42% - см. Рис.2.3.1Р

 

  Не являясь существенным источником загрязнения атмосферы в глобальном масштабе, авиация тем не менее способна создать весьма высокий локальный уровень загрязнения воздуха в районе крупнейших аэропортов. Поэтому Международная организация гражданской авиации (IСАО) в настоящее время планирует ввести ограничения по эмиссии токсических веществ двигателями самолетов международных линий.

        В СССР   проблема загрязнения воздуха в аэропортах не стоит так остро, как в США в силу меньшей интенсивности движения и меньшим числом автомобилей на прилегающих к аэропортам автомобилей. Однако, учитывая быстрый рост объема авиаперевозок и планируемое сокращение загрязнения воздуха другими источниками загрязнений, можно утверждать, что в будущем авиация станет одним из крупных источников загрязнений воздуха, если не будут приняты соответствующие меры, обеспечивающие снижение эмиссии авиадвигателями вредных веществ. Задача уменьшения выбросов вредных веществ авиадвигателями на режиме взлета и посадки, является в настоящее время наиболее важной, так как помимо проблемы загрязнения воздуха в аэропортах, существует проблема вредности воздействия выхлопных газов двигателей сверхзвуковых самолетов на нижние слои атмосферы ( от 20 км. и выше), и как следствие этого, на климат вцелом.

    Все токсичные вещества, содержащиеся в выхлопных газах авиадвигателей, можно разбить на следующие основные группы:

- продуты неполного сгорания- окиси углерода (СО) и различные углеводороды (НС),

- окислы азота, сумма которых обозначается как Ох,

- твердые частицы углерода – сажа и дым.

   Эмиссия окиси углерода и углеводородов в основном происходит, когда двигатель работает в режиме малого газа при маневрировании самолета в пределах аэродрома перед взлетом и после посадки. Изменение значения индекса эмиссии СО и НС , в граммах на килограмм сгоревшего топлива, для ряда зарубежных двигателей по величине развиваемой тяги показа на Рис. 3.4.1Р. Из приведенные данных на этом рисунке видно, что выброс СО и НС на режиме малого газа в десятки раз больше, чем при максимальной тяге на взлетном режиме и достигает 120 г/кг топлива. Напротив, выброс NОх с выхлопными газами минимален на режиме малого газа и максимален при взлете, что видно из Рис. 3.4.2Р. Дымление, измеряемое в относительных единицах, также растет, как правило, по мере увеличения тяги двигателя, что видно из Рис. 3.4.3Р.

  Департаментом транспорта США производились также исследования эмиссии вредных веществ выходящих с выхлопными газами авиадвигателей самолетов, совершающих полеты в стратосфере. С этой целью два ТРДФ Дженерал   Электрик 93-СЕ-3 и 85-СЕ-5 испытывались в полетных  имитационных условиях на высотном стенде ав аэродинамической трубе. В соответствии с современными представлениями углекислый газ, окись углерода, не сгоревшие углеводороды и оксиданты не оказывают на атмосферу заметного вредного токсического влияния. Поэтому объектами изучения были только окислы азота и окислы серы, оценить результаты воздействия которых на стратосферу пока трудно [ 19 ]. Экспериментальные данные по индексу эмиссии окислов азота представлены на Рис. 3.4 3Р.

  Различный характер эмиссии вредных компонентов по режимам работы двигателя значительно осложняют задачу нормирования величин эмиссии в пределах аэропорта. В стандартах США, например,  эта задача решается следующим образом. В качестве границы аэропорта принимается высота в 3000 футов (914 м.). Специальные исследования показывают, что вредные вещества, выброшенные самолетом на больших высотах, имеют мало шансов достичь поверхности, земли в месте ее выброса, в концентрациях, представляющих опасность для здоровья людей. Внутри указанной зоны двигатели самолета

работают на пяти характерных режимах в течение времени типичного для наиболее загруженных аэропортов США.  Они состоят в следующем.

   1. Малый газ перед взлетом – 19 мин. 2. Взлет 100 % тяги – 0,7 мин. 3. Набор высоты при 85% тяги – 2,2 мин. 4. Заход на посадку при 30% тяги – 4,0 мин. 5. Малый газ после посадки – 7,0 мин.

   Для определения характеристики эмиссии на каждом из указанны режимов определяется объемная концентрация токсичных компонентов в выхлопных газах. Затем вычисляется скорость эмиссии  компонента в кг/час на данном режиме и общая масса  компонентов, выброшенных на данном режиме в кг. Далее вычисляется условная «работа», произведенная двигателем на этом режиме представляющей собой произведение тяги данного режима на характерную продолжительность режима. По этим данным определяются, так называемые, параметры ЕРА – отношение суммарной массы компонентов к суммарной условной «работе» на всех режимах – кг(вещества)/ Т (тяги) – данного цикла.

  В таблице 3.4.2Т допустимые по нормам ЕРА значение этого параметра и действительные значения величин параметров двигателей эксплуатируемых в настоящее время коммерческой авиацией США.

                                                                                                                  Таблица 3.4.2

 

                       Параметры ЕРА двигателей коммерческой авиации США

 

 


                            Параметр ЕРА   кг /Т топлива за цикл для двигателей                         

Загрязняя-

ющие в-ва

Норма

ЕРА

Т3С

Т3Д

С805

Т4А

«Сней»

Т8Д9

СГ6

  

  СО

    

     НС

    

      Ох

 

 

  4,3

  

   0,8

 

   3,0       

  

 41

 

    38     

 

      6      

   

37

 

    32

 

       5

   

   34

 

    13

 

     5,5 

 

    19

 

    18

 

    7,5

  

    37

 

   30

 

     8

 

   

  

   11

 

    4

 

    7,5

   

    7

 

    3

 

    9

\\\

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    Из приведенных данных видно, что ни один двигатель США не удовлетворяет нормам ЕРА. которые предполагается применить ля всех двигателей такого класса изготовления начиная с 1 января 1979 года. Предварительные данные, полученные для отечественных двигателей такого же класса показывает, что эмиссия ими  СО, СС, NОх находятся примерно  на том же уровне, что и в двигателях США. Следует отметить, что уровень эмиссии по нормам ЕРА, соответствует объемным концентрациям токсичных веществ в выхлопных газах, прядка миллионных долей в ныне имеющих место выбросах.

    В перспективе уменьшение выбросов  вредных токсичных веществ авиадвигателями предполагается достичь внедрением ряда технических мероприятий.

1. Снижением удельного расхода топлива за счет повышения общей степени давления в двигателях (Пк) и роста температуры газа перед турбиной (Тг). что повысит эффективность горения топлива и. следовательно, уменьшит образование и выброс продуктов неполного сгорания, как СО и НС.

2. Применением новых принципов организации рабочего процесса камер сгорания, например, создание камер с двухзонным горением, снижающих уровень эмиссии окислов азота.

3. Организации лучшего перемещения топлива  с воздухом, например, использования в камерах сгорания форсунок с аэрацией или испарительных горелок, обеспечивающих снижение дымление двигателей. 

    В работе [20] исследовалось влияние выбросов двигателей дозвуковых самолетов на озонный слой. Считалось, что выброс состоит только из окислов азота.  предположении цилиндрической симметрии  численно решалась задача диффузии окислов азота из канала выбросов продуктов в невозмущенный озонный слой, а также фотодиссоциация двуокиси азота. Для ряда начальных концентраций окиси азота и озона была рассчитана пространственная динамика канала выбросов, времени его существования,  максимальная степень разложения озона по оси канала.

    В результате расчета показано, что максимальная степень разложения зона может достигать 80% от начальной при радиусе канала 100 м., а время существования канала во всех случаях не превышает 102 секунд. Наибольшее разложение в следе приходится на низкие высоты в пределах 16 км. и не может представлять опасности ля окружающей среды.

   Представляет интерес провести оценку основных токсичных веществ, выделяющихся в атмосферу за один рейс тяжелого пассажирского самолета, на основании экспериментальных данных. Для расчета принимаются следующие исходные данные: протяженность полета 3000 км, продолжительность полета 4 часа, суммарная максимальная тяга двигателей 60т. Результаты расчета приведены в таблице 3.4.3Т.

 

                                                                                                                        Таблица 3.4.3Т

 

     Количество основных токсичных веществ, выделяемых в атмосферу

                                                      одним самолетом

 

Режим рабо-

ты двигате-

ля

 

 

Тяга

  Т

Уд.расход

топлива

  кг. топл.

кг.топл.час

Время

работы

двигателя

    час.

Индекс

     г

кг. топл.

эмиссии

 

Колич-во

деляемых

    вы-

веществ

кг.

 

 

 

 

   СО

  NОх

     СО

   NОх

Малый газ,

\взлет и по-

садка

Взлет

Набор высоты

 

Полет

Заход на

Посадку

 

И т о г о

 

 

   4

 

   60

 

   51

 

   54

 

   18

 

        1,0

 

        1,0

 

        0,78

  

       0,76

 

       0,9

 

   0,440

 

   0,012

 

   0,037

 

    4,0

 

    0,30

 

   120

 

   1,67

 

   2,0

 

   2,16

 

   8,33

 

    5,0

 

    43,1

 

    35,5

 

    25,0

 

    10

 

    211,20

 

     1,2

 

     2,94

 

   354,58

 

     40,48

 

   610,4

 

    8,80

 

    31,03

 

    47,84

 

  4104

 

     48,6

 

   4240

 

 

  Таким образом, суммарное эквивалентное основных токсичных веществ, при пересчете выбросов окислов азота на токсичность СО составляет:

 

                                            610,4        4240

                              Gсум. =−−−−−−  + −−−−−−− = 50492  кг

                                            1,0             0,085

 

где:  1,0 кг/м3   и  0,085 мг/м3  - ПДК в открытой атмосфере соответственно СО и Nх

 

3.5.  Загрязнение атмосферы двигателями ракет

    Выбросы и двигателей самолетов оказывают влияние на состав атмосферы в нижних ее слоях. в то время, как выбросы из двигателей ракет оказывают наиболее существенное влияние озонный слой.  Основными топливами ракет являются АТ + НДМГ, кислород + керосин и твердые смесевые топлива, используемые в частности на носителе  системы «Шаттл» в США. Наиболее опасными токсичными веществами в продуктах сгорания  являются окись углерода, а для твердотопливных добавляются  НC и Аℓ2О3. Процентный состав  продуктов сгорания указанных топлив приведен в таблице 3.5.1Т [ 23 ].                                                                     

                                                                                                                                Таблица 3.5.1Т     Сравнительный состав продуктов сгорания ракетных топлив в % по массе

 

           

Продукты сгорания

    АТ + НДМГ

О2 + керосин Т-1

Твердосмесевые

   Нетоксичные

            Н2

            Н2О

            N2

                 СО2

             С

             NН3

             СН4

          прочие  

 

         1,46

         28,01

         34,92

         32,75

           0,08

           0,02

           0,1

           0,1

 

             0,57

             28,69

                -

             46,51

              0,09

                -

                -

              0,1

 

         2,93

         3,67

         7,96

         1,2

           -

           - 

           -

         6,0

       Токсичные

             СО

             НCL

            АL2О3

 

          2,68

            -

            -

 

              24,11

                 -

                 -

 

         29,5

         20,42

         28,17

          Суммарно             

          токсичных

 

2,68

 

             24,11

 

         78,09

Анализ данных приведенных в таблице 3.5.1Т показывает, что в продуктах сгорания топлива АТ + НДМГ , используемого в ракете носителе «Протон» содержится в 8-9 раз меньше окиси углерода СО, чем в продуктах сгорания топлива кислород + керосин. В продуктах сгорания твердосмесевых топливах кроме высокого содержания СО содержатся еще большее количество других токсичных веществ. Распределение выделяемых токсичных продуктов по высоте полета  ракетами представлено в таблице 3.5.2Т, а годичный выброс на Рис. 3.5.1Р                                                                                                                                             

                                                                                                                                          Таблица 3.5.2Т

  Выброс продуктов сгорания тяжелых ракет- носителей по высоте полета

                                                      за один пуск в тоннах                                              

 

Ракета - носитель

  «Протон»

. «Буран»

  «Спейс Шаттл»

          Топливо

           1 ступень

          П ступень

          Орбитальная

 

АТ +НДМГ

-------«-------

            -

 

О2 + керосин

 --------«--------

  О2 + циклин

 

Твердосмесевое

     О2  +  Н2

АТ + аэрозин

   Общий выброс

               700

             1800

            1720

     В том числе    

     токсичных

            СО

           СО

СО, НL, АL2О3

До старта

До Н = 70 м.

До Н = 12000 м

До конца работы

            0,9

            1,7

            7,9

           19,0

         2,5

         14,4

         85

         300

             -

          46

         470

         780

 

     

 

         

800       Т

 

 

 

 

 

 

 

600

                                                                                                                                 780

 

 

 

 

 

 


400

 

 

 

 

 


                                                                                                                                   490

                                                                             290

200

                                                                            

 


                                                29,6

 


                                                 7,9                         75

 


0                                              

 

                     «Протон»                                МТКС «Буран»                               «Спейс Шаттл»

 

                    АТ = НДМГ                       О2 + Т1;  О2 + Н2                                 Тв. топливо   

 

 

 

 

 

 


      Выброс до Н = 12 км                                                              Общий  выброс

 

 

               Рис.3.5.1Р   Выброс токсичных продуктов сгорания ракетами носителями

                                                       за один год в тоннах

 

 

Из данных приведенных в указанной таблице и рисунке видно, что ракета носитель, имея наиболее токсичные компоненты топлива, при их сгорании в двигателях выбрасывают в атмосферу наименьшее количество вредных веществ по сравнению даже с кислородом и керосином.  При сгорании   пары кислород-водород никаких токсичных продуктов не образуется. Вместе с тем, применительно к этой паре  можно высказать также опасение, состоящее в том, что имея высокую температуру продуктов сгорания, они будут обуславливать окисление азота воздуха, продукты которого являются токсичными. Но это будет относится ко всем видам топлив.

   Из приводимой ниже таблицы 3.5.3Т следует, что суммарные годичные выбросы ракет в начале 70-х годов не представляли еще сколько нибудь большой опасности по сравнению даже с самолетами. Можно полагать, что ко времени написания этих строк выделения ракетами вредных веществ изменится не существенно, в то время, как выбросы автомобилями увеличились весьма существенно при  значительном росте их количества, несмотря на существенное снижение токсичности выхлопных газов их двигателей, достигнутое к настоящему времени.

                                                                                                                         Таблица 3.5.3Т

 

                               Оценочные годовые выбросы токсичных продуктов в тоннах

 

   Наименование изделий

     «Протон»               МТКС «Буран»        «Спейс Шаттл»

       Р а к е т ы

       Один пуск

       За один год

 

     Другие ракеты СССР и 

       США за 1976 г.

 


Самолеты пассажирские

    За один рейс

     Общий мировой выброс

      за один год    

 


      А в т о м о б и л и

    Суточный пробег одного

      Автомобиля

    Мировой выброс за год

 

     

        

 

       29,6                                300                            780

       296                                3000                           9350

 

                                            6600

 

 

 

                                            5,85

 

                                        6 800 000

 

 

 

                                          0,003

                                     228 500 000  

 

 

                                   

 

3.6.  Детоксикация промышленных изделий

 

  В предыдущих главах был показан характер и масштаб отрицательного воздействия на биосферу производственной деятельности людей.  Немалую долю в это вносят различного рода промышленные изделия в процессе их эксплуатации в разнообразных  средах. Потенциальную опасность для окружающей среды представляют не только те выделения, которые происходят при нормальной эксплуатации изделий, но и те, которые происходят  при отклонении от нормальных режимов их эксплуатации.

   Наиболее опасной ситуацией  является аварийная потеря герметичности полостей изделий, содержащих токсичные, взрывоопасные, агрессивные и радиоактивные вещества,

определяемые, как опасные вещества  -  ОПВ. Выход этих веществ в окружающую среду в таких ситуациях может многократно превосходить опасные последствия, которые возникают при нормальных режимах эксплуатации.

   При разработке различных изделий, эксплуатируемых в природной среде, применяется соответствующий комплекс мероприятий, предотвращающих вредное воздействие изделий на окружающую среду. Выбор этих средств и методов их осуществления весьма специфичен для каждого вида техники и используемых тех или иных опасных веществ. В первую очередь в этот набор методов и средств включаются те, которые обеспечивают безопасность обслуживающего персонала, работающего  с изделием.

   Мероприятия по снижению вредного воздействия изделий на внешнюю среду, а также мероприятия обеспечивающие безопасность работы с изделием обслуживающего персонала можно определить, как детоксикация промышленных изделий. Термин детоксикация изделий введен в оборот впервые в КБ «Салют» в 70-х годах в отделе ампулизации, о котором будет сказано далее, которые были развернуты в начале 70-х годов.

  Детоксикация осуществляется на всех жизненных этапах изделий, начиная с его проектирования, в процессе которого закладываются все технические и схемные решения, которые реализуются на стадии изготовления и экспериментальной отработки применительно к нормальной их эксплуатации, а также  и при тех или иных отклонениях в процессе эксплуатации и при утилизации отработавших изделий. Для каждого этапа жизненного цикла изделия существуют,  свои методы и средства в целях решения этих задач. Но общим для всех изделий с ОПВ и для всех этапов их жизненного цикла, будет являться, как отмечалось, гарантированное обеспечение длительной их герметичности. Это объясняется тем, что в таких изделиях используются высоко концентрированные ОПВ, с тем, чтобы обеспечить получение максимальной эффективности при  использовании изделий.  

    В аварийных ситуациях, при потере герметичности трактов ОПВ, в месте дислокации изделий создаются недопустимо высокие концентрации этих веществ. Устранение последствий таких аварий сопряжено с большими затратами и, подчас, с немалыми людскими жертвами. Поэтому обеспечение герметичности и длительной прочности полостей изделий с ОПВ является весьма важной и актуальной задачей.

   В практике передовых отраслей техники, имеющих дело с созданием и эксплуатацией изделий с ОПВ, сложилось правило, оформившееся в афоризм: « Нет такой цены, которую нужно заплатить за обеспечение герметичности».

   Ракеты, содержащие жидкие высоко токсичные компоненты АТ и НДМГ  могут представлять опасность для людей и окружающей среды на следующих этапах их эксплуатации:

 -  при потере герметичности топливного тракта на старте или в полете, 

 - при заправке на старте в случае аварийного пролива компонентов, а также выплесков остатков компонентов из заправочных средств при их отстыковке от изделия,

- в полете, выбрасывая в атмосферу вредные вещества, содержащиеся в продуктах сгорания компонентов топлива в двигателях,

 - в местах падения отработанных ступеней, в которых содержатся   не вырабатываемые до конца остатками компонентов.

  В целях обеспечения детоксикации, в конструкции ракет-носителей «Протон-К» и «Протон-М» поэтапно вносились определенные специально разработанные конструктивные решения в те или иные элементы топливной системы.

 

3.6.1  Средства и методы детоксикации ракет-носителей

 

   Для обеспечения детоксикации для каждого из этапов эксплуатации разработаны свои конструктивные решения.

      

     Герметичность топливных трактов

  

     При разработке РН «Протон-К» в топливной системе, в отличие от ракеты УР-100, использовались разъемные соединения. Эта необходимость  объяснялось тем, что РН поступала на полигон в разобранном состоянии и ее стыковка осуществлялась в МИК,е на полигоне, где использовать сварку на заключительных операциях при стыковке изделия, практически, было невозможно. В силу этого, в отделе ампулизации было разработано специальное соединение трубопроводов с соответствующим уплотнением, получившим название «двух барьерное уплотнение» и имевшее практически полную герметичность.    

  Сведения об этом разъеме  будут приведены в разделе «Ампулизация». Применение такого соединения позволило обеспечить надежную герметичность топливных трактов на всех этапах эксплуатации изделия. За все время эксплуатации, почти за четыре десятилетия, не было ни одного случая потери герметичности топливных трактов на ракетах, что явилось решающим мероприятием в деле обеспечении детоксикации этой ракеты.

    

     Заправка на старте.

 

На старте заправка всеми жидкими компонентами и газами идет по трубопроводам, разъемы которых располагаются в нижней части ракеты где и происходит их стыковка с разъемами стартового стола.  Там же происходит стыковка стартовых электрических разъемов наземных систем с бортовыми системами. Соединение всех этих разъемов, до появления РН «Протон», проводилась вручную для каждого разъема отдельно.

   В кб «Салют» конструктором А.Д. Кошелевым в начале 60-х годов был предложен и разработан единый блок разъемов трубопроводов и электрических систем ракеты со стартовым столом. В этом блоке автоматически производилась стыковка всех стыковочных разъемов по всем системам.  Наземные трубопроводы после заправки, до старта ракеты, продувались с целью удаления из них остатков компонентов, что исключало пролив этих остатком при расстыковке трубопроводов заправки. За все время эксплуатации ракет не были ни одного отказа в работе этого блока разъемов. Ныне такая конструкция стыковки систем ракеты со стартовым столом стала традиционной.

    Токсичные выбросы в полете.

   Применение компонентов АТ и НДМГ вызывало, и продолжает вызывать, отрицательное отношение в силу их токсичности. Обеспечение надежной герметичности топливных трактов на ракетах – носителях «Протон» и на ракетах УР-100, о чем будет сказано далее, при эксплуатации ракет в течение десятилетий не имели ни одного несчастного случая, связанного с отравлением людей, обслуживающих их пуски. Этим самым полностью устраняется опасения о их токсичности и опасности для людей на полигонах и в войсках.

   О количествах токсичных продуктов сгорания в двигателях, работающих  на различных топливах, сведении были приведены в таблице 3.5.2Т. Из ее данных следует, что продукты сгорания АТ и НДМГ, будучи сами высотоксичными веществами, содержат в себе наименьшее количество токсичных продуктов по сравнению со всеми другими видами топлив. Наиболее опасными в этом отношении являются твердосмесевые топлива, содержащие в своих продуктах сгорания наибольшее количество токсинных веществ.

  

Места падения отработанных ступеней.

 

 Этот этап эксплуатации ракет представляет наибольшую опасность для мест их падения. Дело в том, что все ракеты, в силу конструктивных особенностей, имеют не до конца вырабатываемые из баков остатки компонентов топлив, с которыми они и падают на землю после разделения отработавших ступеней ракеты. Их падение происходит на больших площадях и своими остатками компонентами они загрязняют почву. Поэтому принятие мер по сокращению количества невырабатываемых остатков топлив в баках является одним из основных методов детоксикации ракеты на этом этапе ее эксплуатации.

     Другим средством является удаление этих остатком принудительным способом в полете с тем, чтобы до контакта ступени с землей из нее были удалены, по возможности, все остатки компонентов. На ракете «Протон-М» разработаны мероприятия по удалению остатков компонентов в полете только на  первой ступени. Успешность этого конструктивного решения указывает на необходимость его внедрения и на остальных ступенях, особенно на второй ступени.

                                                                                                                                 

3.6.2.  Детоксикация первой ступени РН «Протон-М»

 

   На этой ракете осуществлено одновременно сокращение количества невырабатываемых остатков компонентов топлива и принудительный выброс их в полете после разделения ступеней перед их падением. Принудильное удаление остатков компонентов осуществлялось двумя разработанными методами и осуществленными на ракетах.

   Первый метод состоял в одновременном выбросе жидкой и паровой фазы компонентов через дренажные и заправочные клапаны баков на пассивном участке падения ступени. Второй метод состоял в раздельном выбросе компонентов через двигатель.

   В первом варианте была разработана специальная автономная система управления дренажными и заправочно-сливными клапанами  баков окислителя и горючего. Соответствующим образом дорабатывалась система управления ракеты для обеспечения управления этой дополнительной системой.

   Во втором варианте доработка ракеты состояла в незначительной доработке системы управления в части  изменения логики срабатывания некоторых клапанов  на двигателе при его выключении перед разделением со второй ступенью носителя. Окислитель выбрасывался через камеру сгорания, о горючее через дренажные клапаны.

   В процессе отработки этих двух методов было осуществлено шесть пусков доработанных ракет по каждому из методов. В первом методе при падении оставались неудаленные остатки компонентов в двигателе, что увеличивало загрязнение площади компонентами и несколько увеличивало площадь рассевания падения фрагментов ступени. Более удачным оказался второй метод, который и был принят в основной конструкции ракеты.

   При визуальном контроле процесса падения ракеты с доработками по второму варианту, наблюдались точки мерцающих вспышек, которые являлись следствием неорганизованного горения смеси горючего и окислителя за соплами двигателя при раздельном выбросе компонентов. В местах падения растительность сохранила естественное состояние, а в фрагментах ступени компонентов топлива не обнаружено. По проведенным замерам в грунте в месте падения оказалось 120 – 460 граммов гептила по сравнения с 45-54 кг. гептила оказывавшегося в грунте при падении первых ступеней штатных изделий, не доработанных средствами детоксикации.

   Не менее впечатляющими результатами оказалось рассеивание точек падения фрагментов ступени. Схема падения фрагментов недоработанных ступеней без их детоксикации приведена на Рис. 3.6.1Р из которой видно, что эллипс рассеивания их падения составляет 31х16 км. Схема падения фрагментов доработанных ступеней с введением их детоксикации  приведена на  Рис. 3.6.2Р из которой видно, что эллипс рассевания их падения неизмеримо сократился и составил всего 30х80 м.

    Сокращение площади разлета при падении фрагментов 1-й ступени, с введением детоксикации в ее конструкцию,  оказалось весьма неожиданным, да к тому же, оказавшимся  еще в таких значительных размерах. Эта площадь сократилась от сотен квадратных километров до сотен квадратных метров. Анализ этого явления не смог дать, более или мене, обоснованного объяснения этому явлению. Остается только предположить следующее.

    При падении первой ступени она всегда падает двигателями вниз за счет нижнего расположения центра тяжести  по отношению к центру аэродинамического давления. При падении  ступени без ее детоксикации, она падает с невыработанными остатками топлива в баках, которые все время остаются в баках и при ее падении эти компоненты топлива переходят в грунт. Во время падения ступени их горения не происходит, при подлете к плотным слоям атмосферы, и ступень входит в эти слои с большой скоростью, что и приводит к ее разрушению в  верхних слоях атмосферы.. В ступени с детоксикацией происходит горение выбрасываемых компонентов за соплами двигателей до ее входа в плотные слои атмосферы и это, возможно, приводит к возникновению некоторой тормозящей силы. За счет нее скорость падения уменьшается, и ступень входит в плотные слои атмосферы с меньшей скорость, что и приводит к тому, что ступень разлетается на фрагменты не в верхних слоях атмосферы, а при ударе о землю.

    В процессе исследований и проектно-конструкторских разработок на ракете «Протон-М» удалось существенно снизить ее вредное влияние на окружающую среду. Возможность получения  такого эффекта была оценена еще до введения детоксикации на ракете путем проведения специальных экспериментов, о которых говорится далее.

     Осуществленные технические решения и полученный положительный эффект на этой ракете изложен  на стр.122 в работе [94]. Эта работа по детоксикации, осуществленная  на РН «Протон -М», удостоена Премии правительства России.

 

 3.6.3  Экспериментальное исследование процесса соударение о землю модельных

            емкостей, содержащих компоненты ракетного топлива.

 

  Эксперименты проводились путем сбрасывания с высоты стеклянных ампул с окислителем АТ и гептилом, с различным их взаимным расположением, и замерялись  определенные параметры при их соударении с грунтом. Схема эксперимента и полученные значения замеряемых параметров приведены на рисунке Рис. 3.6.3.Р. , из анализа которых можно сделать следующие выводы [24].

   При расположении емкостей с компонентами рядом, что соответствует реальной конструкции, при соударении о землю происходит их выгорание, разлет и проникновение в грунт. В зоне горения наличие гептила в грунте не обнаружено, а окислителя обнаружены следы.

    Этот эксперимент показал, что при падении ступени без детоксикации значительная часть компонентов будет выгорать, что и подтвердилось, затем при обследовании мест падения таких ступеней, о чем было сказано в предыдущем разделе.

   Проведенное изучение скорости проникновения гептила в грунт  при его проливе без горения показало, что скорость его проникновения очень высокая и через сутки уже стабилизируется на одном уровне, величина которого будет зависеть от исходной величины проливаемого компонента.

 

 3.6.4.   Утилизация гептила

 

  Гептил является высоко токсичным продуктом, а при его обводнении он является и коррозионно опасным веществом. В стране у нас произведено и накоплено десятки тысяч тонн гептила после слива топлива из снятых с дежурства боевых ракет и он должен храниться вечно на воинских складах, на что затрачиваются громадные средства.

    Эта проблема в 70 годах вызвала к жизни поиски методов и средств переработки гептила в безвредные вещества. Автор данной работы  тогда привлек к ее решению специалистов химфака МГУ. К тому времени утилизация гептила производилась путем его сжигания в парах керосина. На сжигание одного килограмма гептила расходовалось еще десять килограммов керосина, но, главное, при сжигании гептила в атмосфере образовываются еще более токсичные и вредные вещества, чем сам гептил. Ставилась задача разработать метод и режим каталитического разложения гептила на нетоксичные продукты с подбором необходимого катализатора для этого процесса.

   На химфаке такая задача была решена кандидатом химических наук В.В.Луниным,  ныне академиком РАН и являющимся  деканом химфака. Тогда было разработано два процесса и два типа катализаторов, на оба из которых были получены авторские свидетельства на изобретения [ 25,26 ]. Эпопея дальнейших событий с утилизацией гептила,  развернувшаяся уже в рыночное время, достаточно подробно описана на стр.115 в работе [ 27]. Основное из нее следующее.

   В 1992 году автор предложил Войскам тыла, у которых хранится гептил, свои услуги по переработке гептила на основе упоминавшихся методов. Но тогда, как казалось,  там не отреагировали на это предложение. Возражая о замене жидкостных боевых ракет на твердотопливные ракеты,  и не получив ответа от Войск тылы по разложению гептила, автор предложил в своей опубликованной статье в 1992 году [ 28 ], снимаемые с дежурства жидкостные ракеты переделывать в установки по переработке отходов животноводства в удобрения и попутный газ, а  не уничтожать их и утилизировать сливаемый с ракет гептил.

    Первые проведенные к тому времени предпроектные проработки в КБ «Салют» показали принципиальную возможность такой переработки ракет и показали ее перспективность. Ныне, у нас так и не появились в сельском хозяйстве подобные установки даже в ограниченном количестве и не только переделанных из ракет.  На западе эта технология  нашла широкое применение, а у нас миллионы тонн таких отходов продолжают загрязнять почву и водоемы. Гептил в статье, предлагалось перерабатывать в нетоксичные вещества, с помощью наших разработанных методов, и в статье были приведены наименования нетоксичных продуктов, получаемых после разложения гептила. 

   Из Войск тыла автору в то время не последовал ответ по предложению о разложении гептила, но за его спиной там развернули бурную деятельность. Это стало известно из прессы в 1996 году. В ряде газет было сообщено, что для этого они  привлекли американцев, заключили с ними контракт и получили от них 25 миллионов долларов на это дело. Американцы должны были разработать и поставить три колонки для разложения гептила. Вначале, в заключенном контракте, они хотели гептил сжигать, но после публикации статьи автора в 1992 году о каталитическом методе, где был указан состав получаемых продуктов, им не составляло никакого труда разработать свой каталитический метод разложения гептила в  специальных колонках. Их предполагалось установить вначале в Сергиевом Посаде, но зеленые не позволили это сделать. Потом их хотели установить в Красноярске. Но и там это вызвало недовольство. Узнав об этом из прессы, автор написал новую статью в газету «Правда» [ 29 ] с  описанием всей этой неприглядной подоплеки с утилизацией гептила. После этого печать, как в рот воды набрала по данному вопросу, и не известно, чем закончилось дело с разложением гептила. Тексты упоминавшихся статей приведены в работе      [ 27 ] на страницах 116 и 117.

   В заключение данного раздела следует отметить, что введение детоксикации и ампулизации в конструкцию жидкостных ракет с токсичными компонентами топлив, сделала эти ракеты практически безопасными на всех этапах в процессе их эксплуатации и в этой части сравняла их с твердотопливными ракетами. А вот по вредности в процессе полета твердотопливные ракеты значительно больше выделяют токсичных веществ в продуктах сгорания топлив. К тому же, при утилизации жидких ракетных топлив их можно перерабатывать в полезные продукты, а твердые топлива не будут находить такого применения при их утилизации.

   Поэтому, в грядущие времена атомное оружие не исчезнет и ракеты все равно будут необходимы для устрашения политиков, с тем, чтобы они их никогда не применили. Тогда нужно будет вновь вернуться к жидкостным боевым ракетам и прекратить изготавливать твердотопливные, что в свою очередь, позволит заводы изготавливающие твердые топлива и ракеты на таком топливе, переориентировать на выпуск более полезной продукции.

 

 

 

3.7.  Выводы по главе.

 

1.  Приведен состав и параметры атмосферы до высоты нахождения озонного слоя Земли, располагающегося на высотах от 15 до 50 километров, с максимальной концентрацией  на высоте 20-25 км., в котором толщина собственно озонного слоя, приведенного к нормальным давлению и температуре, составляет всего 0,4 см.

 

2. Рассмотрены циклические процессы естественного разрушения озонного слоя в виде кислородного, хлорного, азотного и водородных циклов и показано, что азотный и хлорный циклы разрушения озона являются преобладающими

 

3. Приведен состав токсичных продуктов двигателей самолетов и ракет и показано слабое влияние их суммарного выделения  на процесс разложения озонного слоя.

 

4. Показывается преимущество ракет на паре жидкого топлива АТ + НДМГ по сравнению с ракетами на кислороде с керосином и с твердосмесевыми топливами, у которых процент выделения токсичных веществ в продуктах сгорания топлива в пересчете на окисел углерода составляют соответственно:  2,68;  24,11;  78,0.

 

5. Излагаются разработанные методы детоксикации ракет-носителей на стадии заправки. полета и  падения отработанных ступеней. Описываются конструктивные методы, осуществленные на ракете – носителе «Протон-М» на каждом из их этапов эксплуатации.

 

5. Показывается, что примененная детоксикация на РН «Протон-М» методом  удаления невырабатываемых остатков топлива путем продувки баков  через клапаны двигателей на стадии падения 1-1 ступени, приводит к тому, что падение ступени происходит без ее разрушения в полете, а при ударе о землю разбросанные ее фрагменты располагается на площади 30х80 м. вместо 16х31 км., что имеет место для РН «Протон-К». на котором отсутствует его детоксикация. Количество проникшего гептила в землю на месте падения

-й ступени для РН «Протон-М» составляет 120 - 160 граммов вместо 45 - 54 кг для РН «Протон-К».

 

6. Дается описание нынешней истории с утилизацией гептила, предпринятая у нас с привлечением американцев и выделения ими 25 миллионов долларов на эти цели,  путем использования метода каталитического разложения гептила на нетоксичные продукты, разработанного ими на примере такого же метода, разработанного в 70-х на химфаке МГУ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                        Р а з д е л     в т о р о й

 

 

                 А  М  П  У  Л  И  З  А  Ц  И  Я

 

как средство обеспечения долговечности изделий,

 содержащих токсичные и агрессивные жидкости

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 4   МЕТОДЫ  И  СРЕДСТВА  АМПУЛИЗАЦИИ  ИЗДЕЛИЙ,  

                 СОДЕРЖАЩИХ   АГРЕССИВНЫЕ  ЖИДКОСТИ

 

4.1   Некоторые исторические сведения о создании первого ампулизированного изделия

 

  Ранее отмечавшийся состав опасных веществ, поступающих в атмосферу и воздействующих на изделия достаточно широк и многообразен. В зависимости от состава каждого из них присущи свои методы для обеспечения безопасности эксплуатации изделий. В данной работе рассматриваются методологический подход применительно только к агрессивным жидкостям (АЖ), которые, как правило, одновременно  являются и высоко токсичными веществами (ТЖ). Для емкостей, в которых находятся такие жидкости, основным средством обеспечения безопасности является их длительная герметичность и прочность. Наиболее радикальным средством решения такой задачи является выполнение емкостей для их содержания в виде «ампул». Термин «ампулизация» впервые появился в ракетной технике в начале 60-х годов, и это было связано со следующими обстоятельствами.

   После запуска первого советского спутника королевской ракетой Р7 стало очевидным, что основным средством доставки ядерных зарядов на территорию потенциального противника станут боевые баллистические ракеты, к разработке которых активно приступили в США и СССР. На то время наиболее эффективными ракетными топливами являлась пара компонентов жидких топлив – четырех окись азота (азотный тетраоксид) АТ и несимметричный диметилгидразин (гептил) - НДМГ. На этой паре в США была разработана боевая баллистическая ракета «Титан» шахтного базирования. 57 этих ракет в заправленном состоянии были поставлены на боевое дежурство.

    К 1963 году, буквально через год нахождения на боевом дежурстве,  все эти ракеты потеряли герметичность и просочившиеся пары компонентов топлив загазовали шахты. Никакие ремонтные мероприятия не позволили восстановить герметичность ракет и все они были сняты с дежурства. После этого в США перешли на твердотопливные боевые ракеты, несмотря на то, что энергетическая эффективность твердых ракетных топлив была несколько ниже, чем у отмечавшейся жидкостной пары компонентов. В США первой массовой ракетой на твердом топливе стала ракета «Минитмен» наземного шахтного базирования. К концу 60-х годов их было изготовлено и поставлено на боевое дежурство 1000 штук, которые в течение всего времени боевого дежурства находись в постоянной боевой готовности.

   В СССР ответной «Минитмену» стала ракета УР100 разрабатывавшаяся на Филях под руководством академика В.Н.Челомея  в Филиале №1 ЦКБМ, ( ОКБ-52) ныне КБ «Салют» ГКНПЦ им. М.В.Хруничева. К тому времени у нас не было необходимых твердых ракетных топлив, по энергетике приближающихся к американским, примененным на их ракете «Минитмен». Поэтому ракета УР100 проектировалась на жидких, ранее упоминавшихся компонентах ракетных топлив.

   Начало создания  ракеты УР-100 имеет свою предысторию, имеющую ныне определенный исторический интерес. Сейчас все, что связано с ракетой УР-100 рассекречено и эту предысторию можно проследить по некоторым рассекреченным документам, имевшим в  то время чрезвычайную государственность важность. Ксерокопии с их машинописных текстов  приводятся далее в качестве рисунков[ 23].

  Идею создания, в  противовес «Минитмену», малогабаритной ракеты на жидком топливе по рекомендации НИИ-88 разработал главный конструктор М.К.Янгель. Эту идею поддержал Председатель ВПК Д.Ф.Устинов. В его обращении в ЦК КПСС, совместно с рядом других ответственных лиц, (Рис. 4.1.1Р) предлагалось создать ракету Р-37  на жидких топливах ампульного типа с постоянным нахождением в боевой готовности и способной к немедленному применению по истечении 5 минут после получения команды на старт. В этом предложении впервые был введен термин ракета «ампульного типа». Этот термин появился в силу того, что высшее руководство страны было крайне озабочено техническими проблемами, возникшими на ракетах «Титан», которые полностью вышли из строя по причине потери ими герметичности топливных трактов. В то время еще мало было представлений о технической возможности и методах создания ракеты на жидких топливах в виде ампул. Ставилась принципиальная задача недопущения потери герметичности ракетами за все время нахождения на дежурстве, продолжительность которого еще не оговаривалась.

   Одновременно, академиком В.Н.Челомеем прорабатывалась своя идея создания подобной ракеты, но уже  с определенными техническими решениями, решившими затем исход возникшей соревновательности между двумя конструкторами. Министр обороны Р.Малиновский, совместно с рядом ответственных лиц, вышел в ЦК КПСС с предложением создания универсальной ракеты УР-100 разработки В.Н.Челомея. (Рис. 4.1.2Р). В этом обращении также использовался термин «ампульной ракеты», но зато было внесено другое существенное дополнение – «упрощенный старт».

   Если по ампулизации самой ракеты в разработках В.Н.Челомея также еще не представлялись и не вносились конкретные технические решения, то по упрощенному старту было внесено кардинальное предложение состоявшее в расположении ракеты в загерметизированном контейнере с регулируемой внутренней средой, а саму шахту предлагалось выполнить в не отапливаемом и не вентилируемом исполнении, что предполагалось делать на ракете Р-37. Это значительно упрощало  и удешевляло сами шахты, что имело громадное значение при их массовом строительстве, как это было у ракет «Минитмен».

   Н.С.Хрущев дал указание (Рис. 4.1.3Р) секретарю ЦК КПСС Козлову Ф.Р.  (созыв), Брежневу Л.И. Устинову Д.Ф и некоторым другим ответственным лицам, рассмотреть в двухнедельный срок выше указанные предложения и представить свои предложения о создании «автоматизированного ракетного комплекса с межконтинентальной ампульной ракетой и упрощенным шахтным стартом». Такое рассмотрение состоялось на Филях в Филиале № 1, по результатам которого вышло постановление ЦК и СМ СССР  (Рис.4.1.4Р)  «О создании ракетного комплекса УР-100». В этом постановлении уже указывалось конкретное время 3 минуты подготовки пуска, а время эксплуатации определялось в течение 7-10 лет.

  Фирме М.К.Янгеля была поставлена задача создания ракеты тяжелого класса, получившей индекс 8КК67. Эту ракету постигла такая же судьба, как и  «Титана» из за такой же потери герметичности. поскольку в обоих ракетах были применены разъемные соединения в топливном тракте, которые и явились неустранимыми источниками течей. Но зато эта ракета послужила прототипом в создании этой фирмой знаменитой ракеты «Сатана», стоящей на боевом дежурстве и поныне. В этой ракете ампулизация была выполнена затем по принципу, разработанному и осуществленному в ракете УР-100. основное содержание которой составляет тематику настоящей работы.

  С целью разработки методов и средств ампулизации на Филях в Филиале № 1 был создан специальный отдел под руководством автора, получивший название – отдел ампулизации и длительного хранения. Сотрудники этого отдела решили поставленную задачу по разработке методов и средств ампулизации, успешность решения которой подтверждена безотказной эксплуатацией в течении десятилетий ракет, созданных в этой организации с осуществленными  разработанными метолами ампулизации.   

  Научно-методическая составляющая этих разработок является одним из существенных отечественных научно-техническим достижений. По этой тематике в отделе  ампулизации, состоявшем из 16 человек, было защищено три кандидатских и одна докторская диссертация. По этой тематике также были защищены еще четыре кандидатских диссертации в ГИПХ, Академии химической защиты и НИИ-4 МО, принимавших участие в данных работах. За продление сроков эксплуатации этих ракет, существенно больших чем предполагалось, была присуждена Премия имени  маршала Г.К.Жукова.

 

4.2  Основные методы ампулизации

 

   Правительственными документами, как упоминалось ранее, ставилась задача создания «ампульной ракеты». В ракетной технике для ракет с жидкими компонентами топлива, процесс придания ракетам «ампульности» получил определение, как  ампулизация ракет.

   Размещение ракет в упрощенных невентилируемых и не отапливаемых шахтах с нерегулируемой в них температурой и влажностью, поставило задачу обеспечения защиты ракеты не только от длительного действия компонентов ракетного топлива, но и защиту ее от пагубного влияния влажной среды шахты. Первое воздействие определялось, как внутреннее воздействие, а воздействие среды шахты определялось как внешнее воздействие. В силу этого, задача создания ампулизации была сформулирована раздельно для защиты ракеты  от каждого из этих двух видов воздействий и определялась как внутренняя и внешняя ампулизация.

 

4.2.1  Метод внешней ампулизации.

 

Внешняя ампулизация ракеты решалась путем размещения ее в загерметизированном контейнере с заранее осушенной его внутренней воздушной средой, в котором ракета располагалась в шахте. Наружная поверхность контейнера, воспринимающая на себя воздействие неблагоприятной среды шахты, покрывалась толстым слоем теплозащиты, которая одновременно являлась и коррозионной защитой. Контейнер по торцам закрывался полимерными пленками, состоявшими каждая из нескольких  слоев и прорывавшихся ходом ракеты. Для внешней ампулизации важным являлось поддержание требуемой влажности в нутри контейнера и необходимой степени его герметичности, Решение такой задачи не имело осложнений в силу того, что отсутствовали ограничений по массе контейнера, поскольку при пуске он оставался в шахте.

 Более существенное значение имело загрязнение внутренней воздушной среды в контейнере во время эксплуатации. Это загрязнение могло происходить из двух источников. Первым источником могла явиться потеря герметичности топливных трактов в результате чего проникшие пары компонентов топлива могли создать в этом случае повышенную взрывоопасность и коррозионную активность воздушной среды в контейнере. Вторым источником являлись происходящие во времени газовые выделения из полимерных материалов, содержащихся в конструкции элементов ракеты.  Первые источники могли появиться в результате какой либо аварийной ситуации, а вот второй источник является постоянно действующим и изучение газовыделения из полимерных материалов должно проводиться применительно к каждому конкретному изделию со своим набором материалов.. В данной работе результаты таких исследований, выполненных применительно к ракете УР-100, не приводятся, поскольку они зависят от конкретной конструкции ракеты  и примененных материалов в ней. Однако в заключительной  части  данной работы приводятся методические рекомендации по проведению таких исследований.

   Размещение ракеты в не отапливаемой шахте вызвало необходимость изучения распределения вековых температур  по высоте грунта в различных климатических поясах страны, где возможно было размещение ракет в шахтах. Температура грунта, которую также принимало и топлива в баках ракеты, существенно влияла на объем газовых подушек в баках, с тем, что бы при изменении зимних и летних температур грунта, давление в баках не превысило бы допустимые значения.

   Систематизированные данные по распределению температур грунта по его глубине в то время отсутствовали и такая систематизация был проведена по имевшимся разрозненным источника, результаты  которой представлены  на Рис. 4.2.1Р, а литологический разрез грунта среднестатической средней полосы представлен на Рис. 4.2.2Р. При обобщении параметров воздуха и грунта различных географических точек было использовано более 20 официальных источников за 1951 – 1961 годы[ 33]. Теплофизические характеристики различных грунтов, собранные по различным источникам представлены в таблице 4.2.1Т [ 34 ].

   Одновременно с  проведением указанных работ в ЦКБМФ1, в метеорологических службах в 1962 году были выпущены соответствующие нормативные документы по систематизированному наблюдению за состоянием грунтов, в том числе и  по их глубине для большого числа районов страны. На основании «Наставления гидрометеорологическим службам» [ 35] и дополнения к нему, выпущенному в 1966 году. [ 36 ], обобщенные данные публикуются в выпусках «Метеорологические ежемесячники».

 

4.2.2  Метод внутренней ампулизации

 

Для ракет  с жидкими компонентами топлива, которые являются высокотоксичными и коррозионно опасными жидкостями, комплекс разрабатываемых средств по ее  внутренней ампулизации ракеты направлен на  обеспечение длительной герметичности и длительной прочности   баков, в которых содержатся ракетные топлива, а также на обеспечение коррозионной стойкости в целом топливных трактов, включая и сами баки.

   . Проведенные предварительные исследование герметичности разъемных соединений в топливных трактах показали, что длительная герметичность таких соединений не может быть обеспечена и, в процессе проведенных экспериментов на образцах,  она не  была восстановлена путем нанесения различных герметиков на текущее разъемное соединение. Результаты  проведенных испытаний образцов различных типов разъемных соединений представлены на Рис.4.2.3Р. Длительную герметичность не обеспечил также метод обмотки сорбционными тканями непосредственного места течи компонента, При обмотке места течи сорбционными тканями, как это было сделано в шахте на ракете 8К67, течь в этом случае еще больше разъедается истекаемыми продуктами за счет их соединения с влагой наружного воздуха.

    В КБ «Салют» для этих целей был разработан ремонтный бандаж в двух вариантах, показанных на Рис.4.2.4Р. В первом варианте на течь наматывалась фторопластовая лента ФУМ и затем обжималась бандажом. Такой метод позволил локализовать течь на одном экспериментальном изделии всего на три месяца. Во втором варианте внутри размещался сорбент, поглощающий пары компонентов, находившийся по внутренней периферии бандажа и не соприкасался с течью. Такой бандаж устанавливался на место течи, изолировал ее от влаги окружающего воздуха и тем самым предотвращал разъедание течи, а истекаемый компонент поглощался сорбентом. Таким методом была отремонтирована появившаяся течь на одном из экспериментальных изделий УР-100 и оно с установленным бандажом простояло под компонентом более десяти лет. За это время течь забилась продуктами коррозии и герметичность восстановилась.

  Использование разъемных соединений не обеспечивает длительной герметичности полостей с АЖ в силу возникновения релаксации напряжений в уплотнениях и стяжных элементах таких соединений, приводящих к их ослаблению и появления в них негерметичностей. Полученные данные по этому вопросу представлены на Рис. 4.2.5. По этой причине, в процессе эксплуатации, из таких соединений периодически могут появляться течи продуктов. Поэтому разъемные соединения в процессе эксплуатации необходимо периодически подтягивать.

    Таким образом, проведенные исследования показали, что основным мероприятием обеспечения внутренней ампулизации  изделий с АЖ является выполнение емкостей и жидкостных трактов в цельносварном исполнении без применения разъемных соединений в баках и во всех агрегатах топливной системы.

  Для различных типов конструкций и материалов применяются свои методы и оборудование для сварки. Общим для всех типов конструкций и видов сварки является контроль герметичности после сварки. Различные методы контроля качества сварки (рентген, ультразвук и др.) дают качественную картину выполнения сварного шва. Заключительным видом контроля должна была являться проверка герметичности, проводимая методами, обладающими более высокой чувствительностью. Таких методов не существовало тогда и они были разработаны в ЦКБМФ1. в специально созданной, по инициативе и по исходным данным отдела ампулизации, лаборатории герметичности под руководством В.А.Щастливого..

    Был разработан ряд различных методов контроля герметичности. Все они основаны на введении в контролируемую полость контрольного вещества, по величине истечения которого через микронеплотности судят о степени герметичности контролируемого объема. Различие состоит в методах регистрации истекаемого контрольного вещества. При создании ракеты УР-100 был разработан комплекс методов, средств и оборудования для проверки герметичности всех элементов, узлов и топливного тракта вцелом, включая и баки.

  Эти методы разрабатывались и внедрялись по мере их разработки в течении ряда лет. Параметры контрольных средств и методов, осуществленных на этой ракете по годам представлены в таблице 4.2.2Т. Для разработки этих методов необходимо было устанавливать соответствующие нормы герметичности топливного тракта. Под нормой герметичности принимается величина допустимой утечки контрольного вещества, гарантировано обеспечивающей истечение рабочего тела в заданных пределах. Величина норм герметичности различна в зависимости от рабочего и контрольного тела и определяется  соотношением величины их истечения через одну и ту же величину натурного микроканала в контролируемом объеме, называемой эквивалентом истечения.       

  Обеспечение внутренней ампулизации ракеты, помимо ампулизации полостей с АЖ, включает в себя необходимость проведения исследований по изучению влияния на изделие ряда других физико-химических факторов. К ним следует отнести в первую очередь обеспечение коррозионной стойкости материалов топливного тракта, а также сохранения длительной общей и местной их прочности. Имеет большое значение развитие ползучести материалов стенок полостей, находящихся длительное время под напряжением, возникающим от внутреннего давления в полости.

   Применительно к повышенным температурам ползучесть материалов и конструкций изучается широко и по этому вопросу имеется большое количество данных. При больших сроках эксплуатации, исчисляемых многими годами, необходимо изучать и учитывать ползучесть, которая может  происходить и при нормальных температурах.

   Наряду с этими факторами необходимо было изучать  влияние и других не менее важных факторов. Их изучение было проведено путем проведения большего комплекса исследований, для проведения которых было разработано, изготовлено и испытано тысячи образцов, сотни элементов и агрегатов, бачков и модельных изделий, перечень которых приведен в таблице 4.2.3Т.[37] Основные результаты проведенных исследований излагаются далее в данной работе

  . В процессе этих исследований было разработано значительное количество методологических подходов, которые приводятся по ходу изложения материала, и обобщены в конце работы. Приводимые методологические подходы, разработанные применительно к ракетной технике, могут применяться и для других видов техники, содержащих опасные жидкости.

 

4.3. Воздействующие факторы при внешней ампулизации.

 

   На изделия, размещенные в заглубленных сооружениях действуют ряд внешних факторов. Первыми из них являются факторы, определяемые характером почвенно грунтовых условий, где располагается данное сооружение. К ним можно отнести такие, как состав и параметры атмосферы окружающего воздуха, состав подземных вод и газовый состав грунтов. Но все они в итоге концентрируются в температуре и влажности, образующихся в подземном сооружении, поскольку именно эти факторы, в основном, определяют долговечность изделия, находящегося  в таком сооружении.

 

4.3.1  Температура в не вентилируемой и не отапливаемой шахте.

  

Основным воздействующим фактором при внешней ампулизации является температурно- влажностной режим в шахте. Ранее приводились статистические данные по величине данных параметров по глубине грунта в различных климатических районах. На Рис. 4.2.1Р  указаны и приведены данные  по значениям глубинам h1, на которых изменения температур грунта не отличается от среднегодовых температур данного района, а также глубина h2, на которой происходит затухание первой полуволны изменения температуры. Там же приведены данные по температурам и влажности воздуха данного климатического района.  

   Приведенные сведения дают общее представление о характере изменения этих параметров. Вместе с тем, шахта представляет собой заглубленное сооружение с защитной крышей и оголовком в ее верхней части и эти конструктивные особенности могли существенно сказаться на реально существующий режим в шахте, что требовало своего изучения. Через крышу шахты идут значительные теплопотоки, влияющие на распределение температур в шахте. Этому способствует также тепловыделение из оголовка шахты и работающего оборудования ракеты.

  Температурно-влажностной режим в не вентилируемых и не отапливаемых  заглубленных сооружениях, в том числе и шахтных пусковых установках такого типа, во многом складывается под воздействием годичных изменений температуры атмосферы и грунта в месте нахождения данного сооружения. На эти параметры оказывают также влияние состав грунта и его почвенно-геологическая структура. 

  Определение температуры грунта по глубине представляет собой решение задачи нахождения распределения температуры в полубесконечном твердом теле, температура поверхности которого  периодически изменяется и описывается уравнением [38 ] :

                                                

                                                            π

                                                     -h   а Т         

                                           tw = two . Соs (     π    .h  -  2πτ   )    ……. ………..     (4.3.1Ф)

                                                                         αT           

где:

         twтекущее значение температуры грунта,

         two температура поверхности почвы, равная половине годовой амплитуды колебания                

                   максимальной температуры,

         h -      текущее значение ординаты по высоте грунта

         λ -  коэффициент температуропроводности грунта,

        Т – время годичного цикла изменения температуры,

        Τ  - текущее значение времени отсчета.

                               π     

Величина  Соs            выражает косинусоидальную волну с амплитудой two и длиной волны xо.

                             α Т                                                    

Длина волны        xо =     παТ .   Величина twoCos       π    . h  -   2πτ  ﴿   выражает ту же волну, что 

                                                                                       αТ                Т                                              2πτ

и раньше, но сдвинутую в положительную сторону направления оси x на величину    Т  .

                                                                                                                                                   -      π   

Амплитуда колебания  на расстоянии h  от поверхности уменьшается на множитель е    α Т    .h

   Исследование теплового состояния шахты связано, в общем случае связано с интегрированием системы уравнений тепломассообмена. Точное решение задачи связано с большими трудностями, обусловленными значительными изменениями и вариациями по величинам граничных условий.

   Авторы работы [39] определяют распределение температур в части шахты при допущении, что температура ниже оголовка не меняется и равна среднегодовой температуре грунта.

Распределение сезонных температур в Груне ( two) в данной работе принималось согласно выражения 4.23.1Ф. Уравнение для определения температуры грунта от влияния теплопроводности оголовка для одномерного её измерения по высоте имеет вид:

                                                                                                -        π

                                                                                                h.     αТ      

           d2 tw   +    Кw    tw twср)       tw=  е                +  t ср   ……………….(4.3.2Ф)  

                       dx2          λf

    где:    tср  - средне сезонная температура грунта

                 ℓ,f  - периметр и площадь оголовка

                Kw  - коэффициент теплопередачи через боковые стенки шахты

 

Поскольку  отсутствует точное решение по определению температурного профиля воздуха под крышей шахты, расчет проводится по приближенному уравнению:

                                                                                      -m h

                        tвtср  = (  tкр -  tв ср ) е                      …………….(4.3.3Ф)

где:

        m =       άw р

                     λσ

        р,σ – периметр и площадь крыши,

        λ    -  коэффициент теплопроводности воздуха,

        ά    = 8 ккал/м2.час.град. – коэффициент теплопроводности от воздуха к стенке шахты,

     tв.ср ; tкр; tв – температура соответственно: средняя по высоте шахты,

                                   крыши и воздуха в шахте.

  

 Температура воздуха в шахте зимой определяется конвекцией воздуха и находится из уравнения:

                 

        Ав =    q Ао + К изд.fизд. Аизд    +  Р                              ……………………(4.3.4Ф)                                            

                 n                     n                    n     

где:

        q  = 2 Ккр. fкр

         n = Ккр.f кр + Ког. f ог  + К w. f w + Кизд .f  изд

         Р = Ког. f огог

 

          Ао =  two ;    Аог = tсрtог;    Ав = tср tв

      Ккр; Ког; Кw; Кизд – соответственно коэффициенты: теплопередачи через крышу, стенки

                                       оголовка, боковые стенки и дно шахты, стенки изделия.

      f кр;  f  ог ;  fw ;  fизд – площади: поверхности крыши, стенок оголовка, изделия.

  Из приведенных уравнений видно, что основными факторами, определяющими температурный режим в шахте, являются температуры: наружного воздуха, внутренних слоев земли, в оголовке, а также теплофизические характеристики грунта, которые весьма различны для встречающихся грунтов, что видно из таблицы 4.2.1Т.

    По изложенной методике проведен расчет по определению температуры воздуха в шахте [39]

 В расчете принимались следующие исходные данные:

- коэффициент теплопроводности   λгр = 1-2 ккал/м.час.град,

- удельная теплоемкость Ср = 03 ккал/кг.град ,

- удельный вес  γгр = 1700 кг/м3,

- коэффициент теплопередачи от наружного воздуха к крыше шахты  αн = 25 ккал/м2.час.град,

- коэффициент теплопередачи от днища и стенок шахты к воздуху в шахте  αw = 8 ккал/м2.час.о ,

- коэффициент теплопроводности стенок шахты из железобетона λж.б. = 2,33 ккал/м.час.град,

- теплоемкость изделия  С = 25940 ккал/град.

   Результаты расчета представлены на Рис. 4.3.1Р. На нем же нанесены экспериментальные точки, полученные при замерах в шахтах изделия. Из графика видно, что данная методика позволяет с достаточной точностью рассчитывать температуры в шахтах. Летом температура в верхней части шахты несколько возрастает по сравнению со средне годовой температурой грунта данного района, а зимой она устанавливается достаточно равномерной по высоте  по своей величине несколько ниже средне годовой температуры грунта.

   Таким образом установлено, что перепады температуры и их величины по изделию, находящемуся  в не вентилируемой и не отапливаемой шахте, незначительны по сравнению с  нахождением в полевых условиях. В силу этого, можно полагать, что температурный фактор не будет оказывать существенного влияния на коррозию и старение неметаллических материалов.

   Максимальные температуры в верхней части шахты могут доходить до 20-30оС в течении не более 1-2 месяцев в самых жарких районах. В основной своей части изделие находится в зоне стационарных температур, равным средне годовым температурам грунта в пределах 0-17о С для всех районов, роме зоны вечной мерзлоты. 

 

4.3.2 Влажность в не вентилируемой и не отапливаемой шахте.

 

  Шахты, как и все подземные сооружения, имеют повышенную влажность с выпадением росы на поверхности находящегося в ней изделия, что усугубляет для него коррозионную опасность. При этом существенное влияние оказывает периодичность и частота увлажнения. Применение контейнерного расположения изделия в шахте позволяет полностью исключить воздействие на изделие атмосферы шахты и перенести это воздействие на наружную поверхность контейнера.

   Оценить теоретическим путем величину влажности, как это было сделано применительно к температурам, не представляется возможным, поскольку она зависит от характера и обводненности залегаемых грунтов и большого влияния конвекции воздуха в шахте, не поддающейся достоверному аналитическому описанию. Поэтому единственным методом изучения величины и распределения влажности в шахте является экспериментальный путь прямых замеров. 

   Результаты наблюдений в экспериментальной шахте со среднегодовой температурой 12о С 

[ 34] представлены на Рис.4.3.2Р. эти наблюдения позволили установить, что влажность в шахтах изменяется в течение годового цикла и эти изменения различны для верхней  нижнее части, чему способствует изменение температуры и наличие конвекции воздуха в шахте.

   В период развитой естественной конвекции зимой происходит уменьшение относительной и абсолютной влажности воздуха. В верхней зоне относительная влажность находится в пределах 60-70%, а в нижней порядка 50%  Абсолютная влажность во всем объеме шахты почти одинакова  и равна 4-5 гр/кг. В летний период абсолютная влажность воздуха в верхней части увеличивается до 15 гр/ кг и в нижней зоне 9 г/кг. Относительная влажность воздуха в летний период в верхней зоне равна 60-70%, а в нижней 95%.

   Наблюдениями в модельной шахте установлено, что вследствие сезонных колебаний температуры, имеет место выпадение конденсата на наружной поверхности контейнера, стенках шахты и на внутренней поверхности крыши. На Рис. 4.3.3.Р показано изменение во времени зоны выпадения конденсата на наружной поверхности модельного контейнера.  В заштрихованных участках наблюдалось выпадение конденсированной  влаги. Из рисунка видно, что наличие конденсата на поверхности контейнера превышает 3/4 года.

   Наличие сконденсированной влаги будет оказывать существенное влияние на проницаемость влаги через микропоры внутрь контейнера и этот вопрос отрабатывается на натурном контейнере с тем, чтобы обеспечить поддержание необходимой влажности внутри контейнера. 

 

4.4   Конструктивные схемы внутренней ампулизации баков и основных конструктивных   

        элементов топливного тракта.

 

   Как отмечалось ранее, основным методом внутренней ампулизации был принят принцип полного исключения применения разъемных соединений в топливном тракте и выполнение его в цельносварном варианте. Это решение явилось основным в конструкторских разработках по конструктивно-технологическому обеспечению решения этой задачи. Разработанные разнообразные такие решения составили основное конструктивное отличие созданной ракеты УР-100.

 

4.4.1. Биметаллические переходники

 

  Первой и главной задачей явилось обеспечение безразъемного соединения стальных трубопроводов и агрегатов с такими трубопроводами и агрегатами, выполненными из алюминиевых сплавов. С этой целью под руководством Генкина Г.Н. были разработаны технология и конструкция специальных биметаллических переходников, принципиальная схема которых показана на Рис. 4.4.1Р

  Переходники изготавливались двух типов – методом сварки трением из прутка и методом штамповки из биметаллического листа, получаемого совместной прокаткой алюминиевого и стального листа с промежуточным алюминиевым слоем между ними. На рисунке приведена последовательная схема изготовления переходников обоих типов.

  На Рис. 4.4.2Р приведены отработанные типоразмеры биметаллических переходников обоих типов. Указанные размеры переходников определились необходимой потребностью для данного изделия и их размеры, в принципе, могут не ограничиваться для других необходимых типоразмеров. Переходники, изготавливаемые методом сварки трением, снабжались для надежности навинчиваемыми снаружи предохранительными гайками. На этом же рисунке показан один из разработанных способов подсоединения стального трубопровода к алюминиевому баку с использованием биметаллического переходника изготовленного штамповкой из биметаллического листа.

   Следует отметить, что в процессе отработки технологии и в процессе эксплуатации биметаллических переходников не было отмечено ни одного случая течи по плоскости разделения двух разнородных металлов.

 

4.4.2.    Крышки люка лаза топливных баков

 

  Крышки люка лаза в бак устанавливались после завершения всех внутрибаковых монтажей, и их нужно было надежно загерметизировать. В данном случае решалась задача ампулизации разъемного соединения, и она должна была решаться только методом сварки. Никакие герметики, как было ранее показано, не могли обеспечить решение этой задачи.

   Разработанные конструктивные решения ампулизации соединения крышки люка лаза показаны на Рис. 4.4.3Р. Наиболее трудоемкой оказалась отработка режима и формы замыкающего сварного шва (7,8,9. ) В сварных швах обычной формы без подкладного кольца окисные плены не имели выхода из проплава и они, оставаясь в сварном шве, являлись источниками течей. В силу этого,  была разработана конструкция заключительного сварного шва с подкладным кольцом и проточкой для выхода окисных плен, как это и показано на рисунке.

   После заварки указанных швов они проверялись на герметичность через имевшийся штуцер в ампулизирующем профиле (5), который после этого заваривался. Сам он на герметичность не проверялся по следующим причинам. При потере герметичности разъемного соединения, проникший продукт в полость под ампулизирующим профилем, будет иметь весьма небольшое давление, определяемое парциальным давлением паров с малой их концентрацией. Истечение паровой фазы через не проверенный на герметичность сварной шов не будет иметь место, если даже в нем будут микронеплотности, что и показала многолетняя эксплуатация таких соединений.

 

4.4.3.  Предохранительные клапаны.

 

   В двух предыдущих случаях ампулизация элементов конструкции осуществлялась неразъемным способом методом сварки. В предохранительном клапане ампулизация также должна была осуществляться сваркой, но предохранительный клапан при начале полета изделия должен разампулизироваться и через него из баков должны выходить избыточные пары компонентов топлива.

    Задача ампулизации, а затем разампулизации клапана  решалась путем применения в конструкции прорывных мембран, которые заваривались в конструкции клапана по такому же принципу, как и в крышках люков лаза баков, что показано на Рис. 4.4.4Р в узле В. Сама мембрана имела кольцевую коническую проточку 6, остаточная толщина материала в которой было 0,3 мм. Мембрана прорывалась  по кольцу С помощью поршня 3, на который подавалось необходимое давление.

   В процессе экспериментальной отработки предохранительных клапанов, на некоторых из них обнаруживалась загазованность парами компонентов   внутренней полости предохранительных клапанов. Это могло происходить через замыкающий ампулизирующий шов прорывной мембраны, который на первых клапанах выполнялся без проточки, показанной в узле В на Рис. 4.4.4Р. Этот шов выполнялся вначале, как показано на Рис.4.4.5Р и Рис. 4.4.6Р. В первом случае течи возникали по образовывавшейся микропористости в сварном шве, а во втором случае течь возникала по околошовному участку основного металла. Распределение течей  по их величине, обнаруживавшихся при отработке ПК, приведено на Рис 5.3.2Р.

    Следует отметить, что при дефектации изделий, снимаемых с дежурства, загазованность в ПК не проверяется. Однако, успешные пуски этих изделий свидетельствуют, что если и была загазованность в ПК на этих изделиях, то она пока не повлияла на их работоспособность.

 

4.4.4  Блоки разъема топливной системы.

 

   Заправка изделия компонентами топлива происходит в шахте через заправочные трубопроводы, проложенные в контейнере, которые в свою очередь соединяются с трубопроводами изделия, как это показано на Рис. 4.4.7Р. Стояла задача в разработке способа разъединения при старте трубопроводов контейнера и изделия.

   Был проведены длительные и трудоемкие конструктивные поиски решения этой задачи. Использование принципа прорывной мембраны по типу предохранительного клапана приводили к весьма сложному и не надежному конструктивному оформлению такого решения. Весьма просто была решена эта задача Кошелевым А.Д., предложившим конструкцию блока разъема, принципиальная схема которого показа в узле 8 на том же рисунке.

    В блоке использовалась та же идея разрушаемой кольцевой проточки в сплошном металле, но разрушение которой происходило не прорывом ее давлением, а скручиванием одной части блока разъема, относительно другой части по кольцевой проточке 9, сделанной  в его трубе. Скручивание обеспечивалось тем, что левая часть блока относительно проточки 9 крепилась к изделию, а правая часть крепилась к контейнеру, а крепление каждой части осуществлялось на соответствующих шарнирных подвесках, не показанных на рисунке.

   При начале движения изделия, в процессе его пуска, каждая часть блока проворачивалась одна относительно другой и под воздействием скручивающей силы разрушалась проточка 9. Скручивание частей обеспечивала оригинальная разработанная конструкция шарнирных подвесок. После подъема изделия штоки  контейнера 10 и изделия 11, под воздействием пружин 15, своими фланцами 12 упирались в упорные фланцы 13, имевшиеся в каждой из частей блока, и перекрывали проходные сечения блока, что тем самым предотвращало истечение компонентов, как из изделия, так и из трубопроводов контейнера. Уплотнения по фланцам 12 и 13 не показано с целью упрощения схемы.

   В процессе отработки и эксплуатации блоки разъемов показали высокую надежность и работали безотказно. При отработке пришлось только заменить материал пружины на 1Х18Н9Т. поскольку примененный материал оказался коррозионно не стойким в окислителе.

 

4.4.5.  Заправочные горловины контейнера

 

   На Рис. 4.4.7Р показана заправочная горловина 7, находящаяся на контейнере и вынесенная за его пределы над прорывными мембранами 3. Через эту горловину происходит заправка изделия компонентами топлива в пусковой шахтной установке. Стояла задача обеспечения ее ампулизации после отсоединения от него трубопроводов наземных заправочных средств. Здесь также  возникла задача ампулизации разъемного соединения, но осуществляемая не в заводских условиях, а в полевых условиях воинских частей, что требовало очень простой и надежной ампулизации. Схема разработанного разъемного соединения в виде заправочной горловины показана на Рис. 4.4.8Р.

   Попытки герметизации заправочной горловины путем применения дистанционно запаиваемой мембраны токами высокой частоты после заправки не дали положительных результатов в силу ненадежности паяного соединения деталей, подвергавшихся воздействию компонентов. Более эффективным оказалось разработанное Кишневым Л.А. и Захаровым, так называемое двух барьерное уплотнение 5 разъемного соединения. Схема двух барьерного уплотнения и образец, использовавшийся  для его отработки, показаны на Рис. 4.4.9Р. Двух барьерное уплотнение состоит из двух прокладок из фторопласта в каждом барьере и металлического кольца между ними, как показано в узле 1.

   Основной принцип герметизации такого соединения аналогичен принципу, осуществленному при ампулизации люков лазов в баках. Он  состоит в том, что создается два барьера уплотнения и между ними образовывается межбарьерное пространство. Истечение проникшего продукта из межбарьерного пространства не может эффективно происходить через возможные дефекты в замыкающем барьере в силу того,  что давление паров в межбарьерном пространстве весьма незначительно. Оно определяется парциальным давлением упругости проникших паров в это пространство и имеющих очень незначительную концентрацию.

   В рассматриваемом двух барьерном уплотнении применен дополнительно еще один принципиально новый принцип уплотнения, сделавшим это соединение практически полностью герметичным при эксплуатации. Он состоит в том, что основное уплотнение в каждом из барьеров обеспечивается не уплотнением по плоскости под давлением Р1, , а уплотнением с помощью  «усов», которое происходит под давление Р2. Усы образуются под давлением Р1, которое переводит фторопласт в текучее состояние и фторопласт вытекает в зазоры между уплотняемыми деталями и тем самым образовывает эти самые усы.

   Более высокая надежность уплотнения усами объясняется тем, что давление Р2  мало изменяется за счет незначительного изменения внутренних напряжений материала в усах, находящихся в неизменяемом зазоре между уплотняемыми деталями. При уплотнении по плоскости под воздействием усилий Р1 менее надежно, поскольку, как было показано ранее, за счет релаксации напряжений в стягивающих элементах усилие Р1 существенно уменьшается и такое уплотнение необходимо периодически подтягивать, чего не требуется для уплотнения с использованием усов.

   Создание и отработка данного уплотнения, осуществлена после завершения основных поисковых работ по ампулизации, проведенных на ракете УР-100 и она не могла быть использована в его конструкции. Эта разработка в основном была завершена к моменту сдачи изделия заказчику и была использована только в контейнере.

    Образцы, показанные на Рис. 4.4.9Р пролежали на крыше здания в течении трех лет под атмосферным воздействием и ни одно из них не потеряло герметичность, при том, что один из барьеров на некоторых образцах терял герметичность. Это свидетельствует о том, что совмещение двух принципов герметизации разъемного соединения позволило создать высоко надежное соединение. Такое соединение используется в ракете носителе «Протон» и  не разу не потеряло герметичность ни в одном соединении топливного тракта этой ракеты.

 

4.5 Выводы по главе.

 

1. Приведена историческая справка, на основе прилагаемых документов, о создании универсальной ракеты УР-100, составлявшей в 60-70 –х годах основу наземного шахтного базирования одной из главных составляющих ядерного щита страны того времени.

 

2. Формулируются принципы и методы внешней и внутренней ампулизации жидкостной ракеты, впервые разработанные и реализованные в ракете УР-100, и последующих ее модификациях, позволившие этим ракетам безотказно и надежно находиться на дежурстве вот более уже трех десятков лет. 

 

3. Рассмотрены внешние температурно-влажностные факторы, воздействующие на ракету при ее нахождении в шахтной пусковой установке, а также приведены основные конструктивные решения элементов топливной системы изделия, в котором используются высоко токсичные и коррозионно опасные компоненты топлива амил и гептил.

 

( Примечание. Далее  Рис. 4.1.Р- 4.2.2Р. , таблица 4.2.1Т, Рис. 4.2.3.Р – 4.2.5Р, таблица 4.2.2Т, таблица 4.2.3Т на 3-х листах, Рис. 4.3.1Р – 4.4.9Р все брать их файла со сканированием

Выпуск 3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                              

 

 

 

 

 

 

 

   

 

           

Глава 5 . ГЕРМЕТИЧНОСТЬ  ИЗДЕЛИЙ  С АГРЕССИВНОЙ  ВНУТРЕННЕЙ  СРЕДОЙ 

 

5.1. Комплекс работ по обеспечению герметичности

 

Герметичность полостей заполняемых АЖ обеспечивается комплексом конструктивно-технологических мероприятий, осуществляемых в конструкции и технологии ее изготовления.

 Методы и технология изготовления емкостей АЖ  выбираются в зависимости от типа их конструкции. Применение в конструкции полостей АЖ разъемных соединений требует применения одних технологических решений, а цельносварная конструкция требует других технологических приемов. 

    В данной работе материал по обеспечению герметичности цельносварных полостей, заполняемых агрессивными средами, приводится, в основном, по работе [45]. Применительно к ракетной технике в жидкостных ракетах агрессивными жидкостями являются компоненты ракетных топлив. Некоторые конструктивные решения по обеспечению герметичности топливных трактов ракет на примере ракеты УР-100 были приведены выше.

    Рассмотрение проблемы обеспечения герметичности при эксплуатации в целом, показало, что этот вопрос является многоплановым  и при его решении необходимо обеспечить комплексное исследование многих, подчас разноплановых явлений. Основные из них лежат в трех главных направлениях:

  - проведение исследований по изучению истечения компонентов через микронеплотности,

 - разработка методов расчета необходимой  норы герметичности и степени чувствительности 

   средств контроля,

  - разработка методов и средств контроля герметичности на производстве с необходимой их

   чувствительностью.

 - определение допустимой степени загазованности отсеков изделия и средств контроля ее при

    эксплуатации,

    Каждое из этих направлений включает свои дополнительные вопросы. Объем исследований, которые необходимо проводить, при обеспечении герметичности изделии, представлены в таблице5.1.1Т, которые были проведены применительно к создававшейся тогда ракете УР-100. В данный объем не вошли ранее приведенные конструкторские и технологические работы по выбору и разработке конструкции ракеты и ее систем, а также технологические задачи по созданию сварочного производства цельносварной топливной системы  ракеты и отработки режимов сварки. Эти работы составили свой большой отдельный объем исследований и разработок, которые оказали  большое влияние на практическое обеспечение герметичности разработанной конструкции.

   Большой объем исследовании и разработок был проведен в производстве ЦКБМФ1 под руководством Рыбко К.П и Заславского Ю.Л. по созданию сварочного оборудования и отработке изготовления цельно сварных конструкций, что было ново для самолетостроительного КБ, каким являлось тогда ОКБ В.М.Мясищева, переданное  В.Н.Челомею на разработку ракетной техники.

     В то время были вновь созданы отдел по ампулизации и лаборатория герметичности. В отделе по ампулизации был разработан весь необходимый объем исследований и разработок, которые требовались для создания методов и средств ампулизации. В лаборатории по герметичности был проведен большой объем по разработке методов и средств контроля герметичности  в производстве. Наряду с работами, проведенными в отделе ампулизации, изложению которых посвящена данная работа,  все отмечавшиеся работы позволили создать производство и обеспечить длительную герметичность ракетам созданным в ЦКБМФ1 в 60-70 е годы.

  

  

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                                                            Таблица 5.1.1Т

 

 


               Схема работ по обеспечению герметичности

 

 

 


    Конструкция топ-             Нормы герметич-           Технология изго-            Контроль герме-

      ливных трактов                       ности                               товления                чности при эксплуа-

                                                                                                                 тации

 

 


     Обеспечение исходного         Определение эквивале-          Отработка режимов, обо-      Разработка и внедрение пе-

качества металлов  и               нтов истечение проду-           рудования, оснастки,            реносных средств контроля

сплавов. исключающих           ктов через микрока-               сборки и сварки цельно-       загазованности

течи в основном металле           пилляры                                 сварного  топлив. тракта 

 

 

 


Отработка оптимальных           Установление допус-             Разработка методов и сре-     Разработка средств дистан-

       форм конструкции сое-            тимой  величины за-               дств контроля качества          ционного контроля загазо-

динения элементов кон-           газованности парами             сварки                                       ванности и определения 

струкции                                      продуктов                                                                                 чувствительности датчика

 

 


Экспериментальная отра-         Изучение сорбции па-          Разработка и освоение ме-       Изучение коррозионной

ботка элементов и узлов           ров продуктами мате-           тодов контроля гермети-           стойкости материалов в

изделия                                        риалами изделия                   чности                                          загазованной среде

 

 

 

5.2. Некоторые сведения из теории течения газов в капиллярах.

  

   Источникам негерметичности в металлических сварных конструкциях, как показал опыт, являются сварные швы, околошовная зона и редко встречающиеся сквозные свищи в целом металле. Анализ формы этих негерметичностей показал, что каналы течей представляют собой, соединяющиеся между собой цепочки пор или сквозную микротрещину. В алюминиевых сплавах источниками таких дефектов, как правило, являются окисные плены, попадающие в свариваемую зону металла. При отсутствии возможности математического описания усредненной формы канала микротечи, в теоретических исследованиях иногда принимается микроканал цилиндрической формы, что весьма далеко от его реальной формы и такие исследования носят качественный оценочный характер и не могут использоваться в практических целях. Вместе с тем теоретическое рассмотрение истечение газа через микроканалы показывают следующее [ 30 ]

    Истечение газа через микронеплотности может носить вязкостной характер в виде турбулентного или ламинарного течения, вязко-молекулярный и молекулярный. Вид его определяется формой и размерами канала, а также давлением на входе и на выходе из канала.

    Вязкостное истечение описывается уравнением Пуазейля согласно выражению:

                                                    π  r4         

                                          Qвязк. =           ( Р22  − Р21)                                                                (5.2.1Ф)

                                                      16μℓ

           где:  r – радиус микроканала

                   ℓ -  длина канала

                   μ -  вязкость газа

 

 

 

Турбулентный режим течения описывается соотношением:

                                                   

                                                                                       η s ℓ Т4                                                (5.2.2Ф)

                                                    Q ≥  2,85.10-17 . ( Р21 -  Р22 ) m4   =  Q н.т. 

где:

       Q  поток газа через канал

        Р1 и Р2 – давление газа в начале и в конце канала

        η – коэффициент динамической вязкости

        ℓ - длина канала

        Т – температура оК

        m  масса молекулы

        Qн.т. – нижняя граница существования турбулентного режима течения, отделяющая его от

                     ламинарного

Ламинарный режим течения описывается соотношением:

 

             Qн.т ≥   Q       6,62.1083        Р1 – Р2    =  Q н.л.                                         (5.2..3Ф)

                                                             m             12)3

                                                           КТ

  где:   С = Рλ – константа для определенного газа

           λ- длина свободного пробега молекулы газа

           К – постоянная Больцмана

       Q н.л. -  нижняя граница существования ламинарного режима, отделяющего его от

                      молекулярно-вязкостного.

Молекулярное течение газа в микроканале возникает тогда, когда длина свободного пробега молекулы становится соизмеримой с радиусом капилляра. В этом случае скорость истечения газа определяется не столкновением молекул газа между собой, а столкновением их со стенками капилляра и описывается формулой Кнудсена:

               

           

 

                                             r4          2R T       Р2 – Р1

                             Q г. =                                                           ( 5.2.4Ф)

                                                3             π М              

где:

        М – молекулярный вес газа

         R – газовая постоянна

  Вязкостно-молекулярное течение носит промежуточный характер и в первом приближении описывается уравнением [ 31] :

                                    

                                     π r4 ( Р2 – Р1 )        4 π r3             2RТ       Р2 – Р1

                   Q в.н. = [                            +                                  ]                         ( 5.2.5Ф)

                                                        16 μ                       3                π М          

  Течение жидкости через капилляры описывается  известным ранее приведенным уравнением Пуазейля. На процесс истечения жидкости под действием градиента давления накладывается проникновение жидкости за счет капиллярных сил. В этом случае движение жидкости  вдоль полностью смачиваемой стенки капилляра будет описываться формулой:

 

                                             π r4                         

                                 Q ж =           [ ( Р2 – Р1 ) +          ] ρ                                                   ( 5.2.6Ф )

    где:                                  8 μ                           r

        σ – поверхностное натяжение жидкости    ρ – плотность жидкости

       

   Возможные границы существования  различных видов течений для гелия и воздуха в зависимости от величины течей, выраженных в [л.мк./сек ] и различных давлений показана на Рис. 5.2.1Р. При построении графиков в расчете принималось длина канала равная 0,5 мм. Из графиков видно, что чисто турбулентный, ламинарный и молекулярные режимы истечения существуют  для течей, редко встречающихся на практике. Наиболее часто встречающиеся режимы истечения находятся в молекулярно-вязкостной области.

 

5.3.   Экспериментальное исследование  истечения жидких компонентов через 

         микронеплотности   сварных швов.

 

    Истечение жидкостей через микроканалы является сложным физико-химическим процессом, характер которого зависит от конфигурации канала и физико – химических свойств жидкости. Литературные данные свидетельствуют о том, что при истечении некоторых высоко молекулярных жидкостей, в частности смазочных масел, через узкие щели происходит «заращивание» щелей.[30 ] Это явление получило определение «облитерация». Весе с тем, при истечении, например толуола, воды, уайт – спирита этого явления не наблюдается.[40] Помимо отмеченного, на истечение жидкостей оказывает влиянии наличие капиллярных сил и химическое взаимодействия истекаемой жидкости с материалом стенки микроканала и скорость испарения жидкости на выходе из канала.

   Указанные явления до настоящего времени теоретически изучены недостаточно применительно к различного вида жидкостям и общие закономерности применительно к каждой из них не изучены. Это объясняется сложностью характера их протекания и значительной нерегулярностью образующихся микроканалов в различного типа конструкциях.

  Применительно к компонентам ракетного топлива АТ и НДМГ подобные данные к началу данной работы вообще отсутствовали и могли быть получены только путем экспериментального исследования истечения компонентов через микрокапилляры, которые имитировали бы натурные дефекты сварных швов.

 

 5.3.1 Имитаторы течей, и методы использовавшиеся при экспериментальных

          исследованиях

 

    В экспериментальных исследованиях фиксируется количество истекаемого продукта в зависимости  от времени и давления на входе и выходе канала. Замеры количества  вытекшего продукта производится либо по результатам взвешивания ампулы с продуктом, из которой продукт вытекает по микроканалу, либо путем регистрации непосредственно вытекшего продукта из микроканала. Последний метод более надежен и точен, но при его реализации требуется разработка специальной методики. В этом случае наиболее целесообразен метод натекания продуктов в изолированный объем с последующим химическим или хроматографическим его анализом, который и был использован в данной работе.

   Весьма важным является выбор формы имитатора течи и способа его изготовления, с тем

чтобы он в наибольшей мере приближался в форме канала натурной течи. Стеклянные капилляры могут использоваться для изучения общих закономерностей истечения жидкостей, но результаты таких экспериментов не смогут характеризовать истечение реальных жидкостей через натурные каналы. Для изучения истечения через натурные каналы, в наибольшей степени приближающихся к реальным, разработан ряд методов изготовления имитаторов течей.

   Первый из них состоит в том, что в металле прошивается отверстие от 4  до 20 мкм с помощью лазера. Затем отверстие под микроскопом обжимается методом зачеканивания  до размеров 0,1 мкм, что соответствует потоку  1.10-4 л.мк./сек [ 41 ]. Во втором случае имитатор изготавливается разъемным из двух половинок . которые пришлифовываются друг к другу  по 12-13 классу чистоты с неплотностью 02 – 0,05 мкм.  На одной из половинок прорезается канал с помощью алмазного резца и обе половинки плотно прижимаются друг к другу. Эти методом можно получить течи в диапазоне от1 до 1.10-3 л.мк./сек [ 42].

   Описанные методы позволяют получать микрокапилляры в нужных количествах, но форма каналов в них все еще далека от реально встречающихся на практике. Предпринимались попытки получить течи в сварном шве путем его подварки после просверливания в нем отверстия. Этот метод позволял получать течи в достаточной мере приближающимся к натурным, но являлся весьма трудоемким и не позволял получать имитаторы в нужном количестве.

      В данной работе была разработана своя конструкция имитатора и  метод его изготовления, основанные на вваривании шайбы малого диаметра в жесткое основание, являющийся, по своей сути, принципом жесткой технологической пробы сварки. В данном имитаторе удалось получать микродефекты непосредственно при сварке и изготавливать имитаторы в нужном количестве [43]. Схемы конструкции такого имитатора и метода проведения испытаний с его использованием показана на Рис.5.3.1Р.  При таком способе изготовления имитатора, течи в его сварном шве образуются за счет усадочных явлений, возникающих в сварном шве при вварке кольца в жестком стакане. В процессе изготовления такого имитатора, течи в нем получаются весьма разнообразными по форме,  а величина их находятся в пределах 1-1.10-5л.мк./сек.

  С целью изучения характера распределения течей по их величине, образующихся на имитаторах и на натурных изделиях были обследованы баки 112 ракет в процессе их изготовления и 387 имитаторов, изготовленных по описанному способу. Обнаруженные течи штатных баков при их изготовлении заваривались и на эксплуатацию поступали изделия с устраненными течами в баках. Распределение течей в имитаторах и в баках ракет приведено на Рис.5.3.2Р.

     По результатам калибровки имитаторов течей по спирту, проведенной в Академии химической защиты Селиным М.Е., расчетным путем  были определены ширина щели h  и ее длина ℓ в зависимости от величины потока представлена, результаты которых представлены на Рис. 5.3.3Р.

      Из данного рисунка 5.3.2Р видно, что характер распределения течей на имитаторах и в баках ракеты практически совпали. На этом же графике нанесены данные о величине течей при загазованности предохранительных клапанов, обнаруживавшейся при их экспериментальной отработке, о чем говорилось ранее, которые имеют такой же характер распределения течей. Совпадение форм распределения течей в баках, предохранительных клапанах и имитаторах свидетельствует о том, что природа их образования идентична и носит естественный и единый характер их образования. 

   Форма и характер микротечей в сварных швах носит нерегулярный характер, и как видно из рисунка 4.3.4Р,  представляют собой цепочку пор, соединенных между собой  узкими щелевыми перемычками, которые и будет определять характер и величину истечения через них. Для щелевой формы сечения микроканала ширина щели определяется из уравнения Кантора [44] :

                                                                   2σ Cos ά    

                                                             h  =                                       …………………..(5.3.1Ф)

                                                                          Р

где:    h – ширина неплотности

           ά – угол смачивания, Cos ά  принят за единицу . как для полного смачивания.

           σ  - коэффициент поверхностного натяжения спирта

           Р –измеряемое давлении

 

   Из представленного распределения видна тенденция  к возрастанию величины течи по мере увеличения ширины и длины микронеплотности. Причем, связь между величиной потока и размерами щели близка  к функциональной зависимости:

                                                

                                                                      Q = К h р            ……………………….(5.3.2Ф)

где К и h постоянные величины.

   Второй важный вытекающий вывод из рассмотрения Рис. 5.3.3Р, состоит в том, что для одних и тех же размеров выходной щели изменение величины потока Q может доходить до двух порядков в области h = 1.10-4 см. Такой широкий диапазон изменения потоков по газу может привести к разбросу значений коэффициентов перехода от газа к течению жидкости для различных щелей по величине, что и подтвердилось дальнейшими исследованием истечения компонентов с использованием разработанных имитаторов течей.

 

 

  Результаты измерений и расчетов геометрических показателей  течей показывают, что все микронеплотности, полученные на использовавшихся имитаторах имеют щелевой характер . В связи попытки моделировать имитировать микронеплотности изготовление круглых отверстий представляется мало целесообразным.

    Большинство микронеплотностей в имитаторах имеют ширину, превышающую длину свободного пробега молекул, поэтому такие микронеплотности  проницаемы для вязкого течения газа, что является еще одним доказательством в правомерности вывода о преобладающем влиянии вязкостной составляющей потока газа при его истечении в рассмотренных микроканалах.

 

5.4. Экспериментальное исследование  истечения компонентов АТ и НДМГ через  

        микронеполотности сварных швов сплава АМг6

 

5.4.1 Влияние давления  на процесс истечения

 

  Исследование зависимости величины течи компонентов по жидкой и паровой фазе от их давлений проводилось путем ступенчатого увеличения давления от 0,5 до 5,0 ати. Результаты экспериментов представлены на графиках помешенных на Рис. 5.4.1Р[46] .

     На верхнем графике представлены данные, полученные  при величинах потока, условно отнесены к группе «больших»  течей, выше 1.10-8 гр./сек. Как видно из данных верхнего графика, для этих течей прослеживается линейная зависимость величины истечения от давления. Однако линии  соответствующие Q = f (  ∆ Р )  не проходит через начало координат, что по-видимому является следствием действия капиллярных сил.

    На среднем графике представлены данные  ля «средних» течей порядка 1.10-9 гр/сек., причем линии О-41 и Г-61 характеризуют истечение паровой фазы. Здесь влияние давления становится значительно меньше, что можно объяснить, по-видимому, возрастанием роли влияния капиллярного давления, проявляющемуся обратно пропорционально диаметру капилляра.

  На нижнем графике  приведены результаты для «малых» течей порядка 1.10-10 гр/сек. Здесь величина истечения компонентов практически уже не зависит от давления в исследованном диапазоне давлений и только образец О-7 дал некоторое превышение при давлении выше 3 ат.

   Таким образом, величина потока жидкости через микропоры может быть выпажена  только в общем виде  линейным уравнением Q = к х + b, в котором коэффициенты сохраняют свою величину только в узком интервале давлений и величин течей. Приближенно можно считать, что для «больших» течей  b = 0, а для «малых» течей к=0.

    Последующими исследованиями других авторов [47] установлено влияние давления на истечение в зависимости от положения мениска жидкости по длине канала. Исследования проводились на цилиндрических каналах с течами 1.10-3 л.мк/сек. при изменении давления до 7 ати. Эти исследования показали, что зависимость от давления наблюдается при выходе мениска жидкости на поверхность канала. При  нахождении мениска внутри канала  истечение не зависит от давления. а определяется только скоростью испарения с поверхности мениска.

 

5.4.2   Зависимость величины течи от времени и влажности внешней среды

 

  Эксперименты на первом этапе проводились на 15 имитаторах при давлении 3 ати и относительной влажности  внешней среды равной 30%, в которую происходило натекание при температуре 20оС. Результаты экспериментов представлены в виде графиков на Рис. 5.4.2Р.

   В результате экспериментов выявлено, что общей  тенденцией, как для течей по АТ, так и по НДМГ, наблюдается уменьшение величины истечения во времени вплоть до полного его прекращения по АТ. Однако в ряде в ряде случаев эта тенденция не соблюдается или соблюдается не полностью. При выдержке образцов под компонентами в ряде случаев наблюдается скачкообразное возрастание величины истечения компонентов. Так течь № 16 (жидкая фаза АТ) при продувке с внешней страны течи  воздухом с влажностью 80% вновь открылась через 46 суток начала эксперимента и величина ее возросла с 1.10-9  до 1.10-7 гр./сек. и даже превысила исходный уровень. Этот факт, по – видимому. можно объяснить разрушением «пробки»  на выходе канала, образовавшейся в результате коррозии металла в наружной части течи. В дальнейшем вновь произошло некоторое уменьшения истечения, за которым последовало ее  новое увеличение до исходного уровня.

   Течь № 3 по компоненту АТ, продуваемая снаружи воздухом с относительной влажностью 30% за 150 суток выдержки не заросла, но величина ее существенно уменьшилась.

   Течь № 2 по компоненту НДМГ, забившаяся через 78 суток после обдувки воздухом с влажностью 80%, вновь открылась через 92 суток после  начала эксперимента и затем через 155 суток, после прекращения обдувки влажным воздухом, вновь закрылась. Остальные течи закрывались через различные промежутки времени от 8 до 126 суток и при обдувке влажным воздухом не раскрывались.

   Для всех случаев оказалось характерным то, что даже начальная величина истечения компонента до зарастания течи, была существенно меньше по сравнению с теоретической, определяемой по уравнению Пуазейля.

   Причины зарастания течей могут иметь химический и физический  характер. Некоторые закрывшиеся течи после слива компонентов при проверке на герметичность гелиевым течеискателем оказались полностью герметичными. После удаления с места течи поверхностного слоя металла некоторые течи вновь начинали функционировать. Этот говорит о том, что течи закрывались по разной глубине от поверхности. Известно, что при взаимодействии паров компонентов с воздухом или металлом образуется ряд продуктов их взаимодействия, среди которых имеются либо высоко молекулярные соединения либо трудно растворимые соли. Накапливающиеся эти продукты в микроканалах постоянно забивают проходные сечения микроканалов и прекращают истечение.

  При нахождении перемычки в микроканале  на его выходе, возможно полное растапливание перемычки и возрастание истечения продукта. В этом случае продукты коррозии находятся практически на поверхности и могут легко выноситься из канала, вскрывая течь.

   Влияние облитерации на уменьшение величины истечения может быть оценено количественно. Если принять, что толщина особого пристеночного слоя жидкости имеет  величину 0,05 мм., то оказывается, что только лишь для весьма малых течей 1.10-6 – 1.10-7 л.мк/сек облитерация вносит заметный вклад в уменьшение величины истечения.

   Последующие расширенные эксперименты другими авторами с использование более 600 экземпляров разработанных имитаторов течей в данной работе, [ 50,51] показало следующее.

   При 80% влажности при температуре 20оС уже через 200 часов расход компонента АТ увеличивается до 30 раз и имеет тенденцию к дальнейшему нарастанию. При относительной влажности 30% в течении 400 часов для всех образцов наблюдалось уменьшение истечения АТ. Зависимость величины расхода компонента по времени от геометрии и формы канала в значительной мере затрудняет границу допустимой влажности, ниже которой дефекты будут гарантировано зарастать. Однако можно отметить, что при давлении до 4 ати. и относительной влажности до 40% микродефекты в большинстве случаев имеют тенденцию к зарастанию, и эта тенденция уменьшается при увеличении влажности. В таблице 5.4.1.Т  показана зависимость количество образцов имитаторов с нарастающей уточкой АТ от относительной влажности воздуха.

  

                                                                                                                                      Таблица 5.4.1Т

                      

  Относительная влажность

            воздуха %

      Количество образцов

       с нарастанием истечения

                 30

              30-40

              40-50

              50-60

              60-70

                 80 

                  30

                  30

                  60

                  70

                  80

                  90

   

   Измерение истечения НДМГ показали, что для него характерно уменьшение скорости истечения во времени. При этом влажность окружающего воздуха практически не оказывает влияния на скорость зарастания течи. Для подавляющего количества образцов в первые 24-48 часов наблюдается довольно быстрый спад истечения до 25%  от начальной величины. Затем истечение уменьшается медленнее, а через 400 часов истечение остается практически на одном уровне и составляет 5% от первоначального. Однако полного прекращения истечения за время 1300 часов наблюдается крайне редко.

   Зарастание каналов при истечении НДМГ может происходить, в основном, за счет образования на выходе канала мало летучих вязких фракций, образующихся при  испарении НДМГ, а также за счет осаждения тонко дисперсной  фазы порядка 1 мкм механических примесей в воздухе. Вклад окисления НДМГ кислородом воздуха на закупорку каналов, очевидно, менее существенен, поскольку при истечении его в сухой азот закупорка также происходит, но темп ее несколько ниже. В аналогичных следованиях, проведенных в США, пришли к таким же выводам по влиянию влажности на закупорку течей [53,54].

 

5.4.3 Истечения паровой фазы АТ и НДМГ

   

   Исследование зависимости истечения паровой фазы от давления показало (кривые 0-4 и Г-6 на Рис. 5.4.2Р), что существенного различия между истечением жидкой и паровой фазы не наблюдается. Для течей близких к 1.10-8 л.мк./сек имеет место линейная зависимость  с некоторым возрастанием величины течи по мере роста давления,  а течи меньших размеров характеризуются постоянной величиной истечения в исследованном диапазонах давлений. Последний факт, по видимому, может являться косвенным подтверждением испарения пара в капилляре и образованием «жидкой» пробки. Характер уменьшения величины истечения паровой фазы сходен с таковым для жидкой фазы.  Исходя из этого, можно полагать, что в данном случае забивание течений не может вызываться только механическими примесями в продукте, т.к. примеси остаются в жидкой фазе. Это является еще одним подтверждением того, что закупорка течей происходит в результате коррозионных процессов, а по НДМГ, в основном, осаждением низко летучих составляющих.

   Слабая зависимость величины истечения от давления для малых течей указывает на то, что решающую роль в проникновении АТ и НДМГ через микронеплотности играет течение за счет капиллярных сил. В пользу такого предположения свидетельствует проведение опыта с обдувкой течей при истечении через них, который показал, что в определенном интервале скоростей истечения  происходит его увеличение при возрастании скорости обдувки течи.. Однако результаты теоретического расчета скорости испарения продукта  из микроканала значительно отличаются от экспериментальных. Расчет производился по видоизмененному уравнению Ленгмюра. Расхождение, по-видимому, объясняется трудностью определения фактической площади испарения жидкости из микро капилляра.

 

5.5.  Коэффициент перехода от течения контрольного газа к течению жидких компонентов

 

  Проведенные экспериментальные исследования истечения компонентов через микронеплотности показали, что их истечение слабо зависит от давления, резко убывает с течением времени и зависит от влажности окружающего воздуха и формы микроканала. Все эти факторы находятся в сложной  зависимости, а форма канала не поддается ни точному количественному расчету ни практическому измерению. Экспериментальные данные также получены с определенной долей приближенности и с широким диапазоном разброса, получаемых результатов, что свидетельствует о вероятностном характере протекающих процессов.

  Существенная зависимость характера истечения от влажности окружающего воздуха показала, что коэффициент перехода истечения от контрольного газа к компоненту АТ  можно определить только для истечения  при относительной влажности не более 40%. При этом в 70% случаев истечение происходит с убыванием вплоть до полного прекращения. Во всех других случаях истечение АТ происходит с нарастание во времени  в силу растравливания канала. Прогнозирование поведение таких течей весьма затруднительно.

   Истечение НДМГ происходит всегда с убыванием, поэтому для него возможно определение коэффициента перехода во всех диапазонах влажности.

    В виду непостоянства истечения компонентов во времени, значение коэффициента перехода, или эквивалента истечения «К» , можно считать величину:

                                                              τ

                                                  о   m(τ)dτ          mср          

                                        К  =                         =

                                                           Qi τ              Q                                   …………………(5.5.1.Ф)

где:  mср – количество   истекшего компонента за время τ.

   Экспериментальные данные, полученные в работе [46] для значения «К» приведены на Рис. 5.5.3Р, которые получены при выдержке имитаторов в течении 150 суток. Величина потока Q приведены к давлению 1 ати, а значения величин течей компонентов при к рабочем давлении 3 ати. Количество вытекшего продукта за все время  испытаний определялось путем графического интегрирования  площади под кривой [ Q: τ ], показанных на Рис. 5.4.2Р.

   На основании графика на Рис. 5.5.3Р  можно принять следующие коэффициенты пересчета с 10% воздушно-гелиевой  смеси на компоненты:

 

                          КНДМГ   =  1.10-7 г/л.мк.                      КАТ  =  1.10-6 г/л.мк

 

 Последующие расширенные эксперименты [ 51,52] с выдержкой до 2,3 лет позволили уточнить значение этих коэффициентов и они составляют следующие величины:

      

                          КНДМГ = 3.10-7  г/л.мк.                         КАТ = 2.10-6 г/л.мк.

 

   Теоретические значение компонентов пересчета по воздушно – гелиевой смеси [ 55] составляют:

 

                         КНДМГ  = 1,4.10-5 г/л.мк.                        К АТ = 2,7.10-5 г/л.мк.

 

   Сопоставляя приведенные величины, можно отметить следующее.

   Теоретические коэффициенты показывают, что истечение АТ и НДМГ  не должно существенно отличаться друг от друга, т.к. их значения одного и того же порядка. Вместе с тем, экспериментальные коэффициенты, будучи на порядок меньше теоретических, отличаются еще на порядок между собой. Это говорит о том, что истечение НДМГ идет медленнее, чем это представляется теорией. Объяснить такой факт, по-видимому, можно тем, что истечение компонентов идет, в основном, за счет испарения, при котором испаряемость НДМГ значительно ниже АТ.

 

5.6.  Определение норм герметичности топливных трактов ракет.

 

   Необходимая степень герметичности определяется количественной величиной устанавливаемой  нормой герметичности,  которой может явиться либо недопущением падения давления в емкости до определенной величины за время эксплуатации, либо недопущение образования во внешнем объеме, граничащем с емкостью, недопустимой концентрации вытекшего вещества из емкости за определенное время. Количественные величины степени герметичности устанавливаются нормой герметичности, в первом случае исходя из конструктивных особенностей изделия, либо во втором случае исходя из коррозионной стойкости внешнего объема, или недопущения образования токсикологической опасности.

   После установления норм герметичности возникает главный вопрос, состоящий в том, что на основании установленной степени герметичности, определяемой ее нормой, необходимо установить нормы чувствительности контроля герметичности. Эти нормы необходимо обеспечить при изготовлении емкостей и полостей, заполняющих жидким рабочим телом, а в нашем случае агрессивной жидкостью.

   Применительно к ампулизированным ракетам использовался  иной подход, состоящий в том, что не допускается никакой негерметичности при обеспечении контроля герметичности в производстве наиболее чувствительными существующими методами контроля герметичности, о чем будет сказано несколько позже. При таком подходе устанавливалась величина чувствительности средств контроля герметичности, и при такой проверке не допускалось наличия никаких течей в изделии

 

5.6.1  Методический подход к определению норм герметичности.

 

   Общим для любого типа конструкций и способов ее изготовления  является определение необходимой степени герметичности и выбор надлежащих способов контроля герметичности в процессе изготовления, которые обеспечивали бы сохранение требуемой герметичности в течение заданных сроков эксплуатации.

  .Переход от норм герметичности конструкции к нормам чувствительности методов и средств контроля герметичности в производстве является наиболее важным  и наиболее сложным вопросом во всей проблеме обеспечения герметичности. Это объясняется двумя причинами.

   Первая состоит в том, что характер течей в конструкции является случайным, зависит от многих факторов и не подчиняется какой либо закономерности, которую можно было описать

аналитически. Не представляется возможным даже ориентировочно предварительно оценить такие основные параметры, как форму и длину канала, а также частоту повторяемости этих дефектов.

   Вторая сложность состоит в том, что контроль герметичности в производстве осуществляется контрольными телам в виде газов (гелий, воздух и др.), которые  принципиально отличаются по своим физико-химическим свойствам от рабочих тел, являющимися в виде жидкостей. Истечение этих тел даже через одни и те же каналы весьма различно и требует специального изучения, в результате которого должны быть установлены эквиваленты истечения контрольного и рабочего тела, о чем было изложено ранее.

   Исходя из выше приведенного теоретического рассмотрения и  экспериментального изучения процессов истечения через микрокапилляры по разработанной автором экспериментально-статистической  методике был произведен в 1965 году расчет по определению необходимой степени чувствительности средств контроля герметичности при изготовлении изделия [ 56 ] для ракеты УР-100. Затем был разработан теоретический метод определения норм герметичность [57] на основе ранее проведенных и описанных экспериментов, сравнение которых будет проведено далее.

   За норму герметичности, по методике автора принималась такая герметичность, при которой в сухих отсеках изделия за 3-х летний период эксплуатации загазованность парами компонентов  не превышала бы 0,0005 мг/л. Эта концентрация лежит на пороге достоверной чувствительности средств химического анализа любых веществ, используемых в производственной практике. Поэтому при такой норме герметичности можно считать, что  изделие будет практически герметичным, и загазованность в нем будет отсутствовать. Три года в расчете принимались, как продолжительность межрегламентного периода, после которого ракета в шахте осматривалась визуально и по ее внешнему виду и загазованности в полости контейнера оценивалась ее работоспособность в дополнение к проводимому инструментальному контролю ее систем. 

   Расчет показал, что для того, чтобы обеспечить принятую норму герметичности изделия необходимо в процессе их изготовления каждый погонный сантиметр сварного шва контролировать с чувствительностью метода равной 1.10-9 л.мк./сек. В то время не существовало средств производственного контроля герметичности с такой чувствительностью. Сейчас такие методы разработаны на основе накопления контрольной смеси в закрытом объеме. Тогда же после проведенного расчета, возникло сомнение в необходимости такой чувствительности, ибо этот расчет как раз показал в большей мере то, что принятые теоретические посылки не отражают действительную картину истечения через реальные микроканалы, существующие в конструкции, поскольку эквиваленты истечения между рабочим и контрольным телом  К = Q г/ Q ж исходя из выше приведенных теоретических положений и полученных экспериментально существенно различаются между собой.. Это сомнение возникало в силу того, что из теории течения жидкости в малых зазорах гидроагрегатов было известно, что это течение носит сложный характер, как ранее отмечалось

[ 30 ], и требует внимательного изучения.

   В связи с этим и возникла необходимость экспериментального изучения истечения продуктов через микрокапилляры с тем, чтобы изучить его характеристику и определить основые его закономерности, результаты которых были изложены выше.

 

5.6.2.  Экспериментально-статистический метод расчета норм суммарной герметичности

 

   Экспериментально – статистический метод основывался на двух основных методических положениях. Первое состояло в том, что в расчете  использовалась зависимость истечения жидких компонентов и контрольного газа в виде зависимости К = Qж./  Qг, полученной на основе ранее проведенного экспериментального исследования истечения компонентов через микронеплотности. Вторая состояла в том, что количество и характеристика встречающихся дефектов для оценки качества сварных швов, должны использоваться на основе статистического обследования большого числа обследовавшихся ракет.

   Таким образом, допустимый поток контрольного газа Qг при проверке на герметичность в процессе изготовления будет составлять:

                                                    

                                                                 Gж

                                                     Qг  =    Кэ Тэ                                    …………….(5.6.1Ф)

 

где: Тэ   расчетная продолжительность эксплуатации изделия в заправленном состоянии,

        Кэ – экспериментальный коэффициент (эквивалент истечения) пересчета величины потока

                контрольного газа на скорость истечения компонента – г/л.мк.

    Расчетное время продолжительности эксплуатации Тэ определяется в зависимости от конструкции объема натекания компонента, а также в предположении того, что функционирование течи на изделии начинается сразу же после заправки и закупорка ее не происходит за все время эксплуатации. В таком предположении  для объемов, в которые нет доступа за все время эксплуатации, Тэ принимается равным всей продолжительности эксплуатации. Для тех объемов,  где имеется возможность доступа и в которых происходит периодическая смена воздуха при регламентах, Тэ принимается равным межрегламентному периоду. Фактор зарастания учитывается в величине Кэ.

   Баланс истекаемого компонента из изделия в сухой отсек, представляющий собой объем натекания, в общем виде можно записать в следующем виде:

 

                                               Gж  =  Gв  +  Gс  +  Gх.св.        ………………..(5.6.2Ф)

 

  где:  Gв – остаточное количество компонента в свободных объемах изделия V1 , образующих

                     в них концентрацию С продукта,     Gc = V1 C

           Gс – количество сорбированного компонента материалами поверхности ракеты, а также

                      вступающие с ними в химическую связь,

           Gх.св. – количество компонента, вступающего в связь с кислородом и влагой воздуха в

                      отсеках изделия.

 

           Определение допустимой величины Gж может производиться на основании одного из следующих исходных положений.

1. Материалы сухих отсеков изделия, куда происходит натекание компонентов, являются коррозионно стойкими и допускают наличие компонентов вплоть до взрывоопасных концентраций.  Пределы самовоспламенения паров НДМГ при совмещении с парами АТ в сухом азоте и воздухе приведены в таблице 5.6.1Т [ 57 ] .

 

Пределы самовоспламенения одного из компонентов при смешении в жидкой фазе другого  приведены в таблице 5.6.2Т.

 

 

 

 

                                                                                                                                  Таблица 5.6.1Т

 

 


                          Темпе –    Концентрация  НДМГ    Концентрация АТ       Время за-

           пература          мг/л                                        мг/л                    держки  

                           оС                                                                                          воспламе-

                                          в воздухе     в  азоте       в воздухе    в   азоте     нения сек.

 


                             20              110            200                  3                 3               0,023

                              50               60              70                  3                 3               0,023    

 

 

 

 


                                                                                                                           Таблица 5.6.2Т

 

                       Темпера-      Концентрация мг/л    Концентрация мг/л       Время за-

                         тура                                                                                        держки во-         

                           оС                НДМГ       АТ           НДМГ            АТ           спламен. с      

 


                           20               250           Жидкая      Жидкая          350              0,07

                                           в воздухе    капля          капля          в азоте

 


                           50               350           То же            То же           400              0,07 

                                            в азоте                                                в азоте

 

 


 Нижний предел взрывоопасной концентрации НДМГ с воздухом при внешнем воздействии  (удар, искра и т.п.) при температуре 20оС находится в пределах 1,9 -3% объемных, что соответствует 51-80 мг/л.

2. Примененные материалы являются коррозионно стойкими до воздействия определенной величины концентрации паров компонентов. В данном случае эти концентрации принимаются за предельно допустимые. Величина концентрация определяется стойкостью номенклатуры примененных материалов. Стойкость материалов при воздействии компонентов различных концентраций изучалась многими организациями. Результаты этих исследований наиболее полно изложены в работах [ 58, 59, 60].

   При этом следует учитывать, что концентрации паров компонентов, при который определена стойкость материалов, могут не соответствовать концентрациям, при которых будут сохранять работоспособность агрегаты, изготовленные из тех же материалов. Это объясняется  тем, что  для большинства агрегатов изменение их работоспособности находится в сложной зависимости от изменения свойств материалов, из которых изготовлен агрегат. Поэтому выбор допустимых концентраций паров компонентов  по стойкости материалов является предварительным. Подтверждением правильности выбранных концентраций должно проводиться путем  испытания натурных агрегатов  при выдержке их в парах компонентов.

3. Величина допустимой концентрации паров компонентов ограничивается санитарной нормой исходя из условий обеспечения доступа к изделию обслуживающего материала в любое время без применения каких либо специальных защитных мер.  Санитарная норма загазованности парами компонентов равна для АТ – 0,005 мг/л и для НДМГ – 0,0001 мг/л.

4. К изделию предъявляются требования обеспечения практически полной герметичности. Под этим требованием подразумеваются условия, когда существующими средствами химического контроля не обнаруживалась бы никакая загазованность в течение всего срока эксплуатации. Чувствительность переносных средств химического анализа принимается равной 0,0005 мг/л. В данном случае такая концентрация принимается за предельно допустимую.. При этом ставятся требования, что при контроле герметичности в производстве  с чувствительность  соответствующей рассчитанным нормам герметичности. любые обнаруженные негерметичности не допускаются. Этим требованием достигается то, что изделие не будут иметь загазованности парами компонентов даже с концентрациями ниже санитарных норм. При таких требованиях составляющие  Gс   и  Gх.св. в уравнении 5.6.2Ф будут равны  нулю, т.к. в этом случае сорбция и химическая связь вытекших компонентов будут отсутствовать.

   Такие жесткие требования не всегда могут быть обеспечены производством и они предъявляются к наиболее ответственным изделиям и агрегатам, где может появляться загазованность. Наибольшая сложность в обеспечении этих требований при большом времени эксплуатации возникает там, где имеются меленькие объемы натекания паров компонентов.

  Проведенные исследования по сорбции показали, что ее величина различна в зависимости от допустимой равновесной  концентрации паров компонентов и применной номенклатуры материалов, результаты которых приводятся далее по тексту [61].

  На Рис. 5.6.1.Р на одном графике представлены величины полной сорбции  по АТ и НДМГ различных материалов и агрегатов, учитывая, что величины сорбции для этих компонентов мало разнятся в области их концентрации в пределах 1.10-1 – 1.10-3 л. мк/ сек, что будет видно из дальнейших материалов главы о сорбции. Сопоставлять эти данные и проводить по ним одну кривую на одном графике не совсем правоверно с точки зрения строгости научного подхода. Однако, изображенные в логарифмических координатах они образуют линейную зависимость, которую можно использовать для оценочных расчетов.

 Таким образом, количество вытекшего продукта, которое будет сорбироваться поверхностью материалов сухих отсеков изделия определяется выражением:

 

                                         Gс = Σ К ξi si                                    .....................    (5.6.3Ф)

 

где:    Кξi – коэффициент сорбции соответствующего материала в г/м2,

            siплощадь поверхности каждого материала . выходящего в сухой отсек в м2

  Количество паров окислителя и горючего, связываемых кислородом и влагой воздуха,  определяется с помощью экспериментально устанавливаемых констант скорости взаимодействия от величины допустимой загазованности [57] :

 

                                      Gх.св. = С Кв V τ                             …………    (5.6.4Ф)

 

где:  С – концентрация паров компонентов мг/л

         τ – время взаимодействия паров с кислородом и влагой воздуха

   Константа взаимодействия Кв. паров компонентов с кислородом воздуха и влагой воздуха следующие: 

  - для  АТ    при влажности φ = 30%  и  t = 20оС         - 1,5.10-8 сек-1

  - для НДМГ при влажности φ = 60%  и  t = 20ос          - 5.10-6 сек-1

 При повышении или понижении температуры на 10оС константа взаимодействия повышается или понижается в 1,5 раза. Если относительная влажность отличается от значения 30%, то константа гидролиза паров АТ вычисляется по формуле:

 

                                             Квφ  = Кв30 (φ/30)                           …………………(5.6.5Ф)

 

По найденным значениям  Gв ; ∆ Gс ; ∆Gх.св., используя уравнение 5.6.2Ф находится количество продукта Gж, которое может вытечь из топливных трактов во время эксплуатации.

   Определенный по формуле 5.6.1Ф поток контрольного газа Qг в процессе  изготовления осуществляется поагрегатно. Поэтому этот суммарный поток необходимо распределять по агрегатам. Такое распределение может быть произведено тогда, когда известны источники течей. Изучение этого явления показало, что для цельносварных конструкций источником появления течей являются сварные швы и околошовная зона. В этом случае распределение суммарного пока Qг деталями, входящими в один и тот же объем натекания, производится пропорционально длине сварных швов по формуле:

 

                                                                   Gжi

                                                   Qгi   =    Кэ Тэ Σ ℓi                               ……………(5.6.6Ф)

 

где :  i  - длина сварного шва детали, в данный сухой отсек.

 

Величину в знаменателе формулы 5.6.6Ф можно определить, как удельный поток контрольного газа с единицы длины сварного шва при допущении, что на каждой единице сварного шва возможно появление одной течи заданной величины. Но такое предположение будет неправомерным, поскольку качество выполнения сварных швов в процессе изготовления достаточно высокое и течи встречаются и устраняются в производстве не так часто.

  Качество сварного шва, влияющее на количество встречающихся дефектов Ni в нем, можно учесть путем введения коэффициента качества α:

 

                                                 α   =   N/ ℓi                                  ……………… (5.6.7Ф)

  

Введение коэффициента качества сварного шва в уравнение 5.6.6Ф означает, что при определении удельного потока контрольного газа в расчет принимается не вся длина сварного шва, а приведенная величина, определенная его качеством. По результатом обследования результатов контроля герметичности сварных швов  в процессе изготовления баков 26 изделий коэффициент качества сварных швов составил αср. = 1.10-4 течь /см . Величина данного коэффициента указывает на то, что один дефект в производстве встречается на 10000 см погонных сварного шва.

  Таким образом, удельный поток газа qгаза i , приходящий на единицу длины сварного шва проверяемых деталей, входящих в данный объем, определяется выражением:

 

                                                                     Gж

                                             qгаза,i  =   Кэ Тэ Σαii          …………………..  (5.6.8Ф)

где:

        Gж – часть общего допустимого  количества продукта, которое может попасть в данный

                 объем/

 Суммарный поток контрольного газа для детали, имеющей длину сварного шва ℓi  будет составлять:

                                                   Q газа I  = qгаза  Ii       …………………  (5.6.9Ф)

 

       Используя данный метод расчета, для ракеты УР-100 был произведен расчет по определению норм  герметичности [62]. Величина допустимой концентрации паров компонентов принималась исходя из того, что изделие должно быть практически полностью герметичным ( четвертое положение). Тэ  принималось равным трем годам. Эквиваленты истечения принимался согласно величинам, приведенным в разделе 5.5.

    Многолетний опыт эксплуатации этих изделий показал, что установленные нормы герметичности позволили обеспечить практически полную герметичность ракет. В процессе эксплуатации имели место несколько случаев течей компонентов только в результате того, что в процессе некачественного контроля герметичности на одном из заводов были пропущены и не устранены течи в различных элементах топливного тракта. О некоторых причины данного обстоятельства будет сказано далее.

 

5.6.3  Метод расчета норм локальной герметичности

 

  Помимо определения норм суммарной герметичности возникает необходимость определять нормы локальной герметичности. Расчет норм локальной герметичности можно производить согласно предложенной методике в работе [ 63].

  

 

 

Критерием локальной герметичности рекомендуется принимать отношение приведенного радиуса канала rприв. микродефекта к критическому радиусу rкр, которое должно иметь значение меньше единицы.

   Норма локальной герметичности qдоп.лок вычисляется  по соотношению:

 

                                                               rкр4                               

                qдоп .   qлок.  = 0,14.10 9      ηг   . ( Рн2  о2 )    +                         

                                                     

                                    rкр3        RТ            

              +    5,54.103 .            2π М  . ( Рн – Ро)  [л.мк./сек]             ……………. (5.6.10Ф)

где:   

         ℓ - длина микроканала  - минимальная толщина сварных швов, или минимальная ширина

               зоны контакта уплотняющих поверхностей разъемных соединений,  ( см),

         ηг – коэффициент динамической вязкости контрольного газа, ( n3)

         Рн, Ро – давление контрольного газа и давление атмосферы, окружающей изделие, (кг/см2)

         R – универсальная газовая постоянная,   ( 8,315.107 эрг/моль. градус)

         Т – температура при испытаниях ,  ( оК)

         М – молекулярный вес газа  (г/моль)

          rкр – критический радиус микродефекта, соответствующий условию нахождения мениска

                 внутри канала

                                            

 


                                                       3    8  ηкD μк Рк

                                     rкр     =            η ρ R Т  ∆ Рк        +   h        …………..   (5.6.11Ф)

где:

         D – коэффициент диффузии паров в газе, заполняющем полость агрегата,  (см2/сек)

         Рк – давление насыщенных паров компонента,  (кг/см2)

         ρ-    плотность компонента топлива,  (г/см3)

         ∆Р – перепад давления компонента топлива в топливной системы,  (кг/cм2)

         μк  - молекулярный вес компонента топлива,   (г/моль)

         h  -  эмпирическая поправка к размеру сечения микроканала, учитывающая структурные

                преобразования жидкости в капиллярном пространстве под действием

                электростатического поля стенки канала.

 

   Требование по локальной герметичности устанавливаются в том случае, когда ее величина меньше величины нормы суммарной герметичности, что редко бывает на практике

 

5.7.  Отраслевой стандарт по определению норм герметичности.

 

   Обобщение результатов многочисленных исследований позволило ЦНИИМВ совместно с ВАХЗ и ГИПХ разработать  в 1972 году отраслевой стандарт ОСТ  92- 1526 – 72 по определению норм герметичности [64] включающий два выше приведенных метода расчета, производимых  аналитическим и графическим способом.

    Первый метод, основанный на положениях, излагавшихся ранее, рекомендуется использовать для изделий, к которым предъявляются повышенные требования по герметичности в силу наличия в их сухих полостях  открытых электрических контактов и скользящих пар, не допускающих даже малых следов коррозии от наличия паров  компонентов. Эти замкнутые полости, контактирующие с топливным трактом, рекомендуется заполнять сухим азотом. Повышенные требования по герметичности могут предъявляться также при наличии в сухих отсеках  не стойких к загазованности каких -либо полимерных конструкционных материалов.

 

 

   Второй метод, основанный на допущении наличия течей с последующим их зарастанием, рекомендуется использовать для изделий, у которых допускается наличие определенной загазованности сухих отсеков парами компонентов.

   Наиболее существенным отличием методов стандарта от метода, изложенного в настоящей работе, состоит в различии используемых значений коэффициентов перехода от истечения контрольного газа к течению жидкости, какими являются компоненты. В методике настоящей работы использовались экспериментально полученные коэффициенты. Для определения этого коэффициента в стандарте, по методике первого подхода, приведена найденная эмпирическая аналитическая зависимость для  Кэг- по НДМГ   и для Кэо, - по АТ, имеющая общий вид:

 

                                                                       К1; К2

                                Кэг,о =  А1,2.                                                ……………………(5.7.1Ф)

                                                          6 ∆Рж λ  

                                                        σ         σ        - 2Р1

 

где:   А1 = 3,5.10-5 для горючего  НДМГ и   А2 =8,1.10-5 для окислителя  АТ,

          ∆Рж – перепад давления на длине капилляра, (ати)

           σ   -  коэффициент поверхностного натяжения на границе капилляра с воздухом, (кг/см)

            λ   - длина свободного пробега молекулы контрольного газа при среднем давлении в

                    капилляре 1 ат,  (см.ат)

            Р1 – абсолютное давление контрольного газа при выходе из микроканала, (ата)

            К1; К2 – коэффициенты, учитывающие влияние относительной влажности воздуха на

                           истечение компонентов, материал стенки и вероятностное распределения 

                           микродефектов.

 

Во второй методике стандарта коэффициент К определяется единообразно для обоих компонентов по выражению:

                                                                              

                                                 2,72.ηг ( ∆ Рг + rкр h   ) Р

                                      К   =                                                       ……………….(5.7.2Ф)

                                                  103 ( Р22 –Р12 ) ηт ά ρ

 

где:      h  - эмпирическая поправка, учитывающая изменение режима истечения при 

                    малых размерах канала,   (см)

                    для АТ h = 0,005.10-4  см,       для НДМГ   h = 0,06.10-4 см

           ηт,; ρт  - коэффициент вязкости и плотность топлива, (n3 ; г/см3)

            ά  - , коэффициент учитывающий отклонение режима течения контрольного газа от 

                    ламинарного и структурные преобразования компонента в капилляре

 С целью сравнения первого метода стандарта с методом, изложенным в работе [56], проведен сравнительный расчет норм герметичности при одних и тех условиях применительно к ракете УР-100. Схема корпуса ракеты показана на Рис. 5.7.1Р. По отраслевому стандарту определяется только суммарный поток для каждого конкретного объема, пронумерованных на этом рисунке, и не предусматривается его распределение по длинам сварных швов. В связи с этим полученный суммарный поток по стандарту был отнесен к погонной длине сварных швов, в виде удельного потока qрасч ,как это делается в методике выше приведенной работы.

   Результаты расчетов приведены в таблице 5.7.1Т из которой вытекает следующее. Отраслевой стандарт позволяет получать нормы герметичности в среднем на порядок выше, чем методика по работе [56]. Применительно к ракете УР-100 по окислителю норма герметичности, наоборот, была получена на порядок выше, чем по стандарту  и составляла 1.10-7 л.мк./сек.см. которая и была принята этого для этого изделия, равной этой величине одинаковой для всех отсеков

 

 

 

 

 

 

5.8  Некоторые характерные причины негерметичности по сплошному металлу  и

       сварным соединениям.

 

   Длительная эксплуатация ракет УР-100 в заправленном состоянии показала, что ее топливные тракты надежно сохраняют свою герметичность. Вместе с тем, на единичных изделиях в процессе эксплуатации обнаруживалась их загазованность парами компонентов топлива   

   Исследования показали, что  во всех наблюдавшихся случаях, на этих изделиях, имела место негерметичность по разъемным соединениям блоков контроля давления в ПГС и сварным швам, образовывавшимся в процессе изготовления по различным производственно- технологическим причинам. Изделия с негерметичными топливными трактами были выпущены с завода с не выявленными и не устраненными дефектами в сварных швах в силу некачественного контроля их герметичности. К таким же выводам о причинах негерметичности других изделий за рубежом пришли и в работе [65].

 

5.8.1  Негерметичности по сплошному металлу

 

  В процессе изготовления изделий, так же как  и в процессе эксплуатации,  была выявлена  одна течь по сплошному листовому материалу из алюминиевых сплавов на одном изделии. Кроме того, на одном из экспериментальных изделий в точеной детали из нержавеющей стали 1Х18Н9Т была выявлена течь после нахождения изделия в заправленном состоянии порядка нескольких месяцев. Эта деталь вытачивалась из прутка. Схема изготовления детали показана на Рис. 5.8.1Р.

   Как видно из рисунка, в прутке волокна располагаются вдоль заготовки и при точении из него детали, представленной на рисунке, волокна во фланце перерезаются. В процессе эксплуатации была обнаружена негерметичность в зоне 3. Очевидно, между волокнами при прокатке прутка существовали определенные неплотности, которые были перерезаны во фланце, через которые и образовалась течь. За счет большой толщины фланца, а следовательно, и длины микроканала, микротечь не была выявлены при изготовлении и проявилась только при длительном нахождении под компонентом.

   После этого случая были выпущены директивные указания о недопущении изготовления деталей точением из прутков, при их нахождении под воздействием компонентов. В этом случае было рекомендовано изготавливать такие детали только из поковок, в заготовках которых волокна располагаются вдоль стенок детали и не перерезаются при точении.

   Негерметичность сплошного листового материала из алюминиевых сплавов изучалась в работе [66]. Этими исследованиями показано существенное влияние содержание водорода в металле, избыточное количество которого усиливает газовыделение из металла при сварке, что может приводить к пористости сварных швов.

   Как было установлено в работе [67] в алюминиевых листах из АМг6 не обнаруживалось сплошных микродефектов даже при травлении листов до толщины 0,6-0,7 мм, при котором снимались поверхностные уплотненные слои металла, а также удалялась с одной стороны наносимая алюминиевая плакировка при их прокатке.

 

5.8.2   Негерметичности сварных швов

 

   Потерявшие герметичность 14 ракет УР-100, из 1000 постеленных на дежурство, были тщательно обследованы специально созданной Межведомственной комиссией, возглавлявшейся автором настоящей работы [68], о чем более подробно приводится в Главе 14.  В результате этих исследований были выявлено ряд характерных причин, появления негерметичности сварных швов, на некоторых из которых следует становиться.

  Анализ выявленных негерметичностей показал, что 65% микродефектов встречается на сварных швах деталей из стали 1Х18Н9Т и 35% на сварных швах деталей из сплава АМг6. В сварных швах стальных деталей  микродефекты образуются, в основном, в виде микропор, а в сплаве АМг6 микротечи появляются в местах образования и залегания в сварном шве окисных плен. Применительно к стальным деталям характерным оказался следующий случай.

   На одном из двигателей оказался негерметичным клапан эжектора. Особенность конструкции данного узла, показанного на Рис. 5.8.2Р, состоит в том, что ручной сваркой одновременно свариваются три детали из сталей: 1Х18Н9Т, 1Х18,Н10Т и  Х17ГЭАН4. При этом требуется тщательно выдерживать зазор «С». С этой целью мембрана клапана 3 предварительно «прихватывается» в четырех точках 4. Затем прихватки перевариваются основным швом.

   В данном случае, приведшем к негерметичности, две прихватки были сделаны на существенно большую глубину и затем не были перекрыты основным швом, как показано на рисунке. В не перекрытой части прихватки 7 образовалась сплошная пора, которая и явилась источником течи. По результатам этого случая были сделаны следующие рекомендации:

- по возможности исключить прихватку фиксацию мембраны клапана сваркой, обеспечив ее фиксацию за счет конструктивного выполнения узла;

- тщательно контролировать глубину прихватки, если ее не удается исключить;

- не применять одновременную сварку трех разнородных сплавов одни сварным швом.

  На одном изделии была обнаружена негерметичность в заключительном сварном шве приварки двигателя к топливной магистрали, выполненной из стали 1Х18Н10Т. При визуальном осмотре и цветной дефектоскопии в околошовной зоне на поверхности было обнаружено шесть трещин, показанных на Рис. 5.8.3Р.

  Металлографические иследования покали. что трещины имеют характер горячих трещин и одна из них проходит по всей толщине материала. Рентгеноспектральный анализ этой трещины на приборе МАР показал, что по всей длине канала в трещине имеется медь и олово. Рентгенограмма и спектрограмма показаны на Рис. 5.8.4Р.

  Образование подобных трещин при сварке аустенитных сталей хорошо изучено и объясняется попаданием на околошовную зону поверхностно активных металлов, которые приводят к адсорбционному понижению прочности основного металла в околошовной зоне, что приводит к образованию трещин в этом месте [69, 70]. 

  Именно такое явление произошло в рассматриваемом случае под воздействием частиц медного сплава, попавших на поверхность деталей в зоне их сварки. Анализ технологии и применяемого оборудования, использовавшихся при выполнении этой операции показал следующее.

    Сварочные автоматы АНСК  имеют ряд медесодержащих деталей, показанных на Рис. 5.8.5Р и при определенных нарушениях режима сварки и подачи сварочной проволоки, она попадает на медесодержащие детали, находящиеся в зоне дуги, оплавляет медь и она в расплавленном состоянии попадает в околошовную зону. По данному случаю были сделаны следующие рекомендации:

- в сварочных автоматах следует избегать применения медесодержащих деталей в зоне дуги, особенно таких, как распылительные сетки;

- тщательно следить за режимом  работы автоматов и процесса сварки;

- внимательно контролировать и не допускать попадания поверхностно активных металлов в околошовную зону на поверхность свариваемых аустенитных сталей.

   По результатам этим исследований все сварочные автоматы в ракетной и авиационной отраслях были доработаны и из них были удалены медесодержащиеся детали.

   В третьем случае течь была обнаружена на сварном шве трубопровода двигателя, изготовленного из стали 1Х18Н10Т. В месте течи на поверхности сварного шва наблюдалось наличие усадочного кратера эллипсной формы длиной 6 мм. и глубиной 0,6 мм, который показан на Рис. 5.8.6Р.

   Микрошлифирование места течи показало, что под усадочным кратером имеется система пор с одной большой порой посредине шва. Размеры каждой поры в отдельности находятся в пределах допустимых величин. Вместе с тем, при большом количестве пор в одном месте, они образуют во всем объеме шва пространственный сложной формы канал, проходящий по всей толщине сварного шва, который и явился источником течи в данном случае. Эта течь проявилась после снятия проплава со стороны, находящейся в контакте с компонентом.

   По результатам анализа данного случая были сделаны следующие рекомендации:

- при осмотре сварных швов необходимо тщательно выявлять наличие поверхностных усадочных кратеров и обязательно переваривать это место, поскольку образование усадочных раковин  почти всегда сопровождается образованием большого количества пор в зоне расположения раковин;

- избегать зачистки сварных швов со стороны контакта с компонентами, т.к. это будет вести к вскрытию внутренних микропор, не выходивших на поверхность сварного шва, которые затем могут послужить источниками течей.

   Четвертый случай относится к сварке алюминиевого сплава АМг6. течь была обнаружена на сварном шве трубопровода диаметром 30 мм. и толщиной 2 мм. выполненном автоматической сваркой на съемном подкладном кольце. Данный сварной шов сваривался в два прохода.

   При обследовании было установлено, что при сварке,  начало первого прохода совпало с окончанием второго прохода. В месте их совпадения образовались окисные плены в каждом из проходов, которые объединились в общею окисную плену длиной 12 мм, в которой  и образовался сплошной микроканал, приведший к потере герметичности в этом месте, схема которого приведена на Рис. 5.8.7Р. Данная пленка не была обнаружена по причине несовершенства рентгеноконтроля, поскольку к тому времени отсутствовал отраслевой стандарт по его проведению и он был разработан только после проведения данной работы Межведомственной комиссии и по ее рекомендации. Образованию большой окисной плены способствовало то обстоятельство, что сварка велась на подкладном кольце с глубиной канавки 1,5 мм. для выхода окисных плен. Эта глубина оказалась недостаточной для полного выведения окисных плен.

   Рассмотренный случай позволил сделать следующие рекомендации:

- при сварке алюминиевых сплавов в несколько проходов необходимо избегать совпадения начала и окончания проходов в одном месте,

- в подкладных кольцах не допускать канавок недосточной их величины для обеспечения выхода в них окисных плен.

   Более подробно о других случаях негерметичности излагается в Главе 14.

 

5.9.  Выводы по главе

 

1.  Обеспечение необходимой герметичности цельносварной ракеты на жидких компонентах потребовало проведения комплекса конструктивно - технологически и производственно-организационных  работ в области:

-  разработки надлежащих конструктивных форм агрегатов и сварных соединений изделия,

-  разработки подхода и методики определения норм герметичности и метода их расчета,

- проведения экспериментальных исследований по изучению истечение компонентов топлива

   через микронеплотности сварных швов и установления эквивалентов их истечения,

- разработки технологии и оборудования для сварки всех элементов баков и топливной

  системы,

- разработки современных высоко чувствительных методов и средств контроля герметичности  

  изделий.

 

2. Теоретическое рассмотрение процессов истечения газов и жидкостей через микрокапилляры показало, что их истечение в микронеплотностях сварных швов будет находиться в области вязко-молекулярного течения, что и подтвердилось ходом выполнения данной работы.

 

3. Показано, что использование цилиндрических микроканалов для экспериментального изучения истечения компонентов не может дать надежных результатов, в силу чего разработана конструкция и метод изготовления имитаторов течей с образованием в их сварных швах естественных микроканалов.

 

4. С использованием разработанных имитаторов течей было проведено первоначальное исследование истечение компонентов на 15 имитаторах и затем были расширены эти исследования на 625 имитаторах, на основании которых был разработан отраслевой стандарт  ОСТ  92 – 1526-72 по определению норм герметичности изделий. Поведенное обследование выявлявшихся негерметичности при изготовлении баков и в имитаторах течей показали

 

 

практическое их совпадение и величина максимально встречающихся в них негерметичностей лежит в области течей 1.10-3 л./ме.сек.

 

5. Экспериментальные исследовании показали, что истечения АТ и НДМГ  с течением времени убывают, вплоть до полного прекращения по АТ в ряде случаев. По НДМГ остаточное истечение составляет порядка 5% от первоначального. Величина истечения имеет существенный разброс от имитатора к имитатору, а для малых течей незначительно зависит от давления на входе в канал и определяется, в основном, капиллярными силами и испарением компонентов на выходе из канала.

 

6. Величина истечения АТ зависит от влажности окружающего воздуха. При относительной влажности менее 30%  истечение прекращается, и течь закупоривается на 70% образцах. На остальных образцах течь не закрывается. При влажности более 40%  течи имеют тенденцию к возрастанию за счет растравливания канала с наружной его стороны. Уменьшение истечения НДМГ не зависит от влажности внешней окружающей среды.

 

7. На основе проведенных экспериментальных исследований, для случаев  отсутствия растравливания канала, установлены экспериментальные коэффициенты перехода от течения контрольного газа к течению компонентов топлива, которые составили (разработка  1965-68 годов )   для НДМГ  К= 3.10-7 г/л.мк,  для АТ  К = 1.10-6

        Теоретические коэффициенты составляют для НДМГ К = 1,4.105г/л.мк, для АТ  К = 2,7.10-5

 

 8. Разработан экспериментально - статистический метод расчета норм герметичности ракеты УР-100 с условием недопущения какой - либо негерметичности баков и элементов топливного тракта. Согласное его результатов контроль  герметичности сварных швов осуществлялся с погонной чувствительностью 1.10-7 л/мк.сек.см. Из 1000 изготовленных ракет при такой методике контроля герметичности, за все время эксплуатации потеряли герметичность только 14 ракет. Все эти ракеты были первых лет изготовления только одного Оренбургского завода, где не были вначале выдержаны эти нормы контроля герметичности.

 

9. Разработанный затем в 1972 году отраслевой стандарт по методам расчета норм герметичности давал приблизительно тот же порядок величины нормы герметичности, что и разработанный ранее экспериментально-статистический метод.

 

10. Изучение причин негерметичности 12 ракет, проведенное Межведомственной комиссией показало, что по основному металлу течей не выявляется, а по сварным соединениям разработан ряд рекомендаций по их конструкции и технологии выполнения, доработке сварочных автоматов с целью исключения медесодержащих элементов в сварочной головке. Указано на необходимость разработки отраслевых стандартов:  расчет норм герметичности,  осушка изделий перед контролем их герметичности, технология и методам рентгеноконтроля сварных швов, которые были разработаны впоследствии.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    

  

 

 

 

 

 

 

           

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 6.0   ИССЛЕДОВАНИЕ   ВНУТРИБАКОВЫХ  ПРОЦЕССОВ,  ПРОТЕКАЮЩИХ
                    ПРИ   ДЛИТЕЛЬНОМ   ХРАНЕНИИ

 

   6.1.  Влияние растворенного азота в компонентах на давление в баках.

 

   При хранении изделия в шахте в условиях переменного температурного режима происходит изменение давления  в газовых подушках баков.  Ранее было показано, что значение температуры в верхней части шахты может доходить летом до 20-22оС и зимой держится в районе 0оС.

   Изменение давления в газовых подушках вызывается не только изменение температуры, но и за счет растворения газов из подушек в компонентах топлива. В общие случае процесс растворения газов жидкостях происходит за счет молекулярной и турбулентной  диффузии путем естественной конвекции.

   Молекулярная диффузия осуществляется путем проникновения частиц газов из подушки в жидкость  через границу их контакта  и далее от слоя к слою внутрь жидкости. Время насыщения жидкости в объеме 3-15 м3 путем молекулярной диффузии может исчисляеться десятками лет.

   Турбулентная диффузия осуществляется путем перемешивания насыщенных и не насыщенных газом слоев жидкости при естественной конвекции, интенсивность которой определяется температурным градиентом. Время насыщения при температурной диффузии исчисляется сутками. Этот вид насыщения является основным видом. Насыщением за счет молекулярной диффузии можно пренебречь.

   Растворение газа в жидкости продолжается до тех пор, пока не будет достигнута концентрация газа в жидкости, соответствующая парциальному давления газа в подушке. Это парциальное давление газа в подушке и соответствующая ему концентрация газа в жидкости называются равновесными и связаны между собой соотношением, носящим название закона Генри:

 

                                               Ср  =  χ . Рг                                                     ……………..(6.1.1Ф)

 

где: Ср - равновесная концентрация газа в жидкости,

        Рг  - равновесное парциальное давление газа в свободной подушке,

        χ    - коэффициент Генри.

 

 Коэффициент Генри определяется для каждой пары газ – жидкость экспериментальным путем, является функции температуры и зависит от давления, при котором происходит растворение газа в жидкости.

  После насыщения газом жидкости до равновесной концентрации Ср, при уменьшении давления в газовой подушке, из жидкости начинает выделяться газ (десорбироваться) в таком количестве, что устанавливается новое парциальное давление Ргк и новая равновесная концентрация Срк. Если при этом изменяется температура, то концентрация Ср изменится дополнительно и за счет изменения коэффициента Генри.

   Применительно к АТ и НДМГ в ряде организаций проведен комплекс исследований в основном в двух направлениях:

-исследование кинетики растворения азота компонентах на модельных и натурных емкостях;

-исследование возможности предварительного программированного насыщения компонентов

 азотом. Результаты проведенных в ЦКБМФ1 исследований по процессам газонасыщения далее излагаются по работе [71]

   Изменения давления в баках ограничивается пределами, обеспечивающими прочность баков и возможностью дистанционного контроля давления в процессе эксплуатации. Концентрация растворенного азота в компонентах и соответствующими им давлениями ограничиваются пределами, обеспечивающими безкавитационную работу насосов двигателей. Обычно прочность баков такова, что давление ограничивается не их прочностью, а давлением, обеспечивающим необходимую концентрацию азота в компонентах. Прочностные факторы имеют место тогда, когда в баках применены совмещенные днища, имеющие ограничения по прочности.

  Для двигателей ракеты УР-100  допустимые концентрации азота Срмах и соответствующее им давление Рсум., которое представляет собой сумму давлений упругих паров Рs и парциального давления азота РN2 при температуре 25оС. Их  величины представлены в таблице 6.1.1Т

 

                                                                                                                          Таблица 6.1.1Т

                      

Наименование

   двигателя

Продукт

         Ср  г/л

     Р ата

        ДУ-1

        АТ

       НДМГ  

         0,5

         0,25

       3,2

       2,0   

        ДУ-П

        АТ

       НДМГ

         0,585

         0,27    

       3,53

       2,14

 

 

    При данных давлениях двигатели сохраняют режим безкавитационной работы и они принимаются за максимально допустимые давления в баках при хранении. Минимальные давления в баках не должны принимать отрицательные значения и их величина должна быть такой. Чтобы обеспечить их регистрацию датчиками системы дистанционного контроля при эксплуатации (система СДКЗ). Так для баков Г-1  и Г-П принято минимальное давление 0,2 кг/см2 при настройке датчиков давления 0,15 ± 0,05 ати. Для бака О-1 , где совмещенное днище имеет достаточный запас прочности , минимальное давление принято 0,36 кг/см2  при настройке датчиков давления 0,3 ± 0,05 ата. Для бака О-П, у которого совмещенные днища выдерживают давления со стороны бака Г-П не более 0,2 кг/см2  минимальное давление принято 1,05 кг/см2 .В случае замера давления  из трубопроводов контейнера, а не из баков при настройке датчиков давления необходимо учитывать прирост давления, образующегося за счет столба конденсата жидкости в трубопроводах ракеты и контейнера.

   Расчет давления в баках ракеты, с учетом растворимости азота в газовой подушке, производится в следующей последовательности с принятыми обозначениями:

 

 Т – температура компонента или газа в свободной подушке ( о K, Co )

 χ  -  коэффициент Генри ( г/л.ата)

 РN2  равновесное парциальное давление азота в газовых подушках баков (ата)

 Vг.п. –объем газовой подушки бака (л)

 Vж – объем компонента в баке (л)

  Ср – равновесная концентрация азота в компоненте (г/л).

  Один штрих при индексе будет относиться к началу расчетного интервала температур, а два штриха к конечному интервалу.

 

  В каждый момент хранения заправленной  ракеты, при условия первоначального равновесного состояния, суммарное давление в подушках  бака равно сумме упругих паров компонентов и равновесного парциального давления азота:

 

                                                                   Рсум. = Рs  + РN2                   …………….. (6.1.1.Ф)

 

   В силу того. что Рs  от температуры известно для АТ и НДМГ, то при известных Р1сум  и Р1N2 , расчет парциального давления в баках сводится к определению конечного значения давления Р11N2 и соответственно  Р11сум. Формула для определения Р11N 2  поучается, если записать условия сохранения массы азота в баке G, находящегося в подушке и растворенного в компоненте:

 

                                     

                                         G1г.п.  +  G1ж  =  G11г.п.  +  G11ж                  ………………  (6.1.2Ф)

 

 

                                

                                   РN2 Vг.п.

 но так как:  Gг.п. =                             и    Gж  = Ср Vж  = χ Рж Vж   ,                    тогда можно записать:

                           R Т

 

              Р1N2 V1г.п.                                                     Р11N2 V11г.п.  

                                  +  χ1 Р1N2   ;                V11ж  =                             +  χ11 Р11N2  V11ж   ,    откуда:

                 RT1                                                               R T11

 

 

                                                    Т11 – Т1                         V1г.п. + χ1 RT1V1ж

                  Р11 N2  =   Р1N2 ( 1 +                    ) .  (                                         )    ………….(6.1.1.3Ф)

                                                        Т1                     V11ж + χ11 RT11 V11ж

 

  Зная Р1N2 , изменение Vг.п. и Vж по температуре и конечную температуру. Можно найти Р11N2 , а следовательно и суммарное равновесное  давление  в конце расчетного интервала температур.

Кривая  Рмахсум.мин. = f (Т) даст нижнюю и верхнюю границу изменения суммарного давления от температуры в баках.

   Среднеарифметическое значение этих давлений должно явится исходным давлением для насыщения компонентов в заправочных средствах перед заправкой, а также при заправке и герметизации  топливного тракта перед постановкой на длительное хранение. Однако эксперименты [71] показали, что  в первом приближении это справедливо только для НДМГ. Для АТ в эт номинальное значение давление должны быть внесены поправки, связанные с тем, что в ходе заправки пары АТ насыщают газовую подушку бака постепенно  и среднее парциальное давление паров АТ в момент герметизации баков будет ниже насыщенных паров. Время установления равновесного состояния в баках составило 15 -20 суток.

   Поэтому если герметизировать баки сразу же после заправки при номинальных значениях давлениях в газовых подушках баков АТ, количество азота в подушках баков будет больше необходимого расчетного значения на величину:

 

                                                             Р ( Vб  - Vж ) 

                                       GN2      =                                                    ………………(6.1.1.4Ф)

                                                                    RT

где:  ∆Р – разность давлений насыщенных паров и среднего парциального давления 

                 компонентов

         Vб  - объем бака

 Кроме отмеченного, дополнительное количество азота в подушках баков получается за счет того, что насыщение компонентов топлива в подвижных заправочных средствах проводится при давлениях на 0,25 кг/см2  ниже давлений при заправке в баки. Это вызвано требованием безкавитационной работы насосов двигателей.

   Наличие дополнительного количества азота в газовой подушке бака после герметизации приведет при хранении приведет при хранении к увеличению равновесного давления  в баке по сравнению с номинальным расчетным давлением, что в свою очередь приведет к увеличению равновесной концентрации азота в компонентах. Чтобы этого не произошло, насыщение компонентов в заправочных средствах производится на 0,1 кг/см2 ниже расчетных номинальных значений  давлений, а заправка ведется при давлениях на 0,15 кг/см2 выше расчетных номинальных. Результаты проведенных в работе [71] расчетов для ракеты УР-100 по изложенной методике приведен на рисунках Рис. 6.1.1Р – 6.1.4Р. 

    За все время эксплуатации этих ракет давление в баках не выходило из заданных пределов, что убедительно свидетельствует о высоком качестве проведенных экспериментов и надежности выполненных расчетов по разработанной методике.

 

 

 

 

 

6.2.  Осадкообразование в компонентах.

 

   Компоненты АТ и НДМГ, как и все жидкости, проходят специальную очистку, и тем не менее, имеют определенное количество механических примесей различных размеров. Даже такой, казалось бы чистый продукт, как спирт ректификат, имеет частицы твердых примесей по размерам доходящим до 300 микрон. В существующих двигателях на входе в их топливные магистрали отсутствуют топливные фильтры. Поэтом осевшие частицы в баках в компонентах могут влиять на работу регулирующей аппаратуры двигателя, у которых имеются прецизионные пары с зазорами 20-40 мк.

   Механические примеси могут попадать в компонент в следующих случаях:

- при изготовлении компонента на химических заводах;

- в процессе внутри заводской транспортировки и по железнодорожному транспорту;

- при транспортировке, перекачке и хранении в  воинских частях ;

- из баков  ракеты при занесении в них механических частиц при изготовлении.

  Продуктами микрозагрязнений в процессе изготовления компонентов являются уголь, сера и другие вещества, содержание которых незначительно в общей массе микрозагрязнений. При транспортировке и перекачке в компоненты вносятся минеральные примеси, в основном, содержащие примеси кремния, кальция, магния, железа, алюминия и др. При хранении компонентов в наземных емкостях и баках ракет увеличение механических примесей будет происходить за счет образования продуктов коррозии. В этом случае, преобладающее количество элементов в мехпримесях будет зависеть от материала емкости, а их количество от коррозионной стойкости материалов и того количества, которое будет внесено в компоненты извне. 

  В процессе изготовления на заводах, в баках ракеты остается незначительное количество механических примесей. Это обеспечивается разработанным и осуществляемым техпроцессом их изготовления. Для обеспечения чистоты баков они последовательно подвергаются следующим видам обработки: пылесосом, мойка и протирка, простукивание и проворачивание, обезжиривание, протирка спиртом, продувка, вакуумная сушка. Кроме того, проводится специальная подготовка инструмента и помещения, где работают с баками. Моющие и испытательные жидкости и воздух перед процессом промывки и испытаниями фильтруется через фильтр 40-70 мкм,  затем заменен на 20 микронный. Монтажные работы  в баках осуществляются с использованием камер чистоты, в которой работники переодеваются к подготавливаются к работам в баках. [72]

 

6.3.  Механические примеси в АТ

 

    Состояние окислителя и характер образования осадков в емкостях хранилищ в войсках было обследовано и изучено в работах [73,74]. Общее количество обнаруженных мехпримесей в емкостях приведен в таблице 6.3.1Т. Объем каждой емкости составил 48 м3 , время хранения 5 лет.

                                                                                                                           Таблица 6.3.1Т

 


               Номера ем-     Емкости из алюминиевых сплавов              Емкости из стали

                костей                              мехпримеси   г.                              мехпримеси  г.

 


                                           № 1             № 2          №3            № 10           №7            № 9

               Сумма в

                Пробе                65,3            24,4          80,9            55,1            40,9           47,2

 


 

Из приведенных данных видно, что в алюминиевых емкостях количество мехпримесей больше, чем в стальных и они состоят, в основном, из нитратов алюминия. В осадках, отобранных из стальных емкостей, преимущественно содержатся нитраты и окислы железа.

 

 

   Весовой состав в %  механических примесей в АТ следующий [73] :

 

  Аℓ <  1,6. 10-5 ;   Fе  ~ 5,4.10-5 ;   Мg ~ 1.10-6 ;    Сr  ~ 7,8.10-5 ;   Ni < 2,6.10-5 ;  Мn ~ 2,6.10-6

 

   Si ~  2,3.10-5 ;     Тi ~ 1/1/10-4 ;     Са < 1,3.10-6 ;  Сu ~ 1.10-6 

 

  Проведенные обследования показали, что в армейских складских емкостях не всегда обеспечивалась требуемая герметичность емкостей. В  результате этого происходило обводнение продуктов, способствовавшее увеличению коррозии металла, что, в свою очередь, приводило к росту мехпримесей.  После проведенного обследования герметичность емкостей с продуктом в восковых складах была улучшена.

 Обнаруженное большое количество мехпримесей в армейских складах, указало на необходимость изучения растворимости продуктов коррозии в АТ. Основными продуктами коррозии металлов являются азотнокислые соли и соли металлов. Известно, что соли в четырехокиси азота практически нерастворимы, но в смеси четврехокиси азота с азотной кислотой обладают некоторой растворимостью.

   Растворимость некоторых азотнокислых солей в АТ  при температуре 20о С исследовалась в работе [75]. Определение растворимости проводилось в четырехокиси азота, содержащих технологических примесей 1,3 – 2 %  ( в пересчете на НNО3 ). Для опытов использовались азотнокислые соли, предварительно обработанные  N2 О4  и высушенные в сушильной камере. Исследовались соли следующего составов:

 

  Аℓ (NО3 )3 . 5,36  Н2 О;            Fе ( NО3 )3 . 8,32 Н2 О;                 Сr (NО3 )3 . 8,9 Н2 О

 

  Са ( NО3 )2 .  2,27 Н2 О;           Ni (NО3 )2 .  5,3 Н2О                      Мg (NО3 )2 . 5,93 Н2О

 

   Опыты проводились в запаянных стеклянных пробирках емкостью 250 мл. В каждую пробирку помещалось по 0,5 г. соответствующей соли и по 150 мл чистой N2 О4 . В случае нитрата алюминия в пробирку заливалось 200 мл четырехокиси азота. Насыщение растворов производилось встряхиванием пробирки при 20оС. Для анализа  жидкой фазы пробы отбирались периодически. Перед анализом пробы отстаивались до полного осаждения твердой фазы. О достижением равновесия судили по постоянству концентрации растворенного вещества в жидкой фазе. Отстоявшаяся жидкая фаза анализировалась на содержание  технологических примесей и соответствующей растворенной соли. Содержание технологических примесей определялось методом диэлектрической проницаемости, а растворимость спектральным анализом с помощью фотоколориметра ФК-Н56 .

  В результате определена растворимость нитратов, величина которых характеризуется следующими цифрами в %:                          

  

Аℓ (NО3 )3   - 4,2.10-4 ;      Мg (NО3)2  - 7,0.10-5;        Fе (NО3 )3  - 2,9.10-4 ;             C (NО3 )3    - 5,3.10-5

 

Показано в той же работе, что растворимость нитрата алюминия и нитрата железа в АТ при температуре 20о С  составила соответственно 0,001%  и 0,002%. Малую растворимость этих солей в АТ  можно объяснить их диэлектрическими свойствами.

     Полученные небольшие величины растворимости солей подтвердили опасность наличия продуктов коррозии в АТ. Однако при многочисленных коррозионных испытаниях сплавов АМг6 и 1Х18Н9Т установлено, что осадкообразования за счет коррозии в АТ не происходит, о чем будет сказано далее.

 

6.4. Механические примеси в НДМГ

 

   Известно, что НДМГ кондиционного состава не агрессивен к металлам и продуктов коррозии в нем не образуется. При решении вопроса об осадкообразовании в нем было исследовано

 

 

влияние его коррозионной активности при попадании в него влаги о чем будет сказано далее.

  При хранении НДМГ  в закрытой емкости он совершенно стабилен и не коррозионно опасен. Хранение его под воздушной подушкой также оказывает влияние на осадкообразование.  При взаимодействии НДМГ с углекислым газом , образуются твердые соли, которые представляют собой  белый кристаллический легко испаряемый продукт ( СН3 )2 . NNН2 .0,5СО2 , представляющий собой диметилгидразиновую соль диметигидразинкарбоновой кислоты или

 (СН3 )2 NNН2 СО2 .NNН2 .2СО2 .

   Эти соли хорошо растворимы в воде и трудно растворимы в НДМГ (около 1% при 20о C). Постоянный контакт  НДМГ с газами, содержащими углекислый газ может привести к значительному разложению продукта.

    Таким образом, явление осадкообразования в в НДМГ, также как и в АТ, зависит от степени загрязнения самого продукта теми механическими примесями, которые вносятся в продукты при их транспортировке, перекачке и хранении на складах до заправки в ракеты. В самом процессе осадкообразования важное значение имеет дисперсный состав механических примесей, а также возможный процесс  коагуляции и укрупнения осевших частиц на нижних

частях баков и магистралей двигателя.

 

6.5 Коагуляция и агрегатирование твердых частиц.

 

    Изучение этого вопроса проводилось в работах [76,77,78,79]. Задачами этих исследований являлось определение характера взаимодействия твердых частиц механических примесей друг с другом с целью качественной оценки возможности коагуляции в процессе их осаждения.

   Образование прочных и плотных частиц в суспензиях связано с действием молекулярных сил между поверхностями твердой фазы в местах наибольшего их сближения. В жидкой среде эти силы всегда значительно ослаблены наличием остаточных тончайших пленок на поверхности частиц. Каждый агрегат можно рассматривать, как структуру, характеризующуюся, в первую очередь, плотностью частиц, а  также числом контактов на единицу площади сечения. Прочность такой структуры (агрегата)  определяется, например, возможностью разрушения агрегатов в потоке жидкости данной интенсивности, т.е. при данном местном градиенте скорости, определяемом в абсолютных единицах  дин/см2 , как  произведение из усредненной прочности одного контакта Р1  на число контактов на единице площади n1 . Число контактов определяется не только объемным содержанием твердой фазы, но и прежде всего ее дисперсностью, т.е. размером частицы «δ». Академиком П.А.Ребиндером установлено, что в первом приближении прочность коагуляционной системы подчиняется следующей зависимости:

 

                                    Ро                       1                       φ   -   φо

                                                                              =                                   …………..      (6.5.1Ф)

                                    Ро1                   φм   +   Р  ﴿                 φм  -  φо  

                                                      Φо             Ро1 

где:  φ – объемная доля дисперсной фазы в системе  0 < φо <φ < φм < 1

         φо -  наименьшее значение φо, при которой возникает измеряемая прочность структуры 

         φм – наибольшее ее значение .

при φ = φо     Р =  0 ;  при    φ           φм    Р      

                                                                           Р1      φо  φм

Константа прочности будет иметь вид:    Ро1   =                                    …………….(6.5.2Ф)

                                                                                   δ    φм -   φо

 

   Прочность коагуляционной структуры, как отдельного контакта, определяется адсорбционно-химическим взаимодействием поверхности частицы с жидкой дисперсной средой, т.е. поверхностной сольватацией.  Чем больше сольватация, т.е. лиофильность дисперсной фазы по отношению к данной среде, тем толще остаточная прослойка  между частицами в месте их контакта, тем меньше свободная поверхностная энергия на границе

 

частиц – среда и тем ниже прочность контакта и самой коагуляционной структуры в целом.  Достаточно высокая лиофильность достигается в тех случаях, когда твердые частицы, или коррозии с активным участием данной среды. Из уравнения 6.5.1Ф вытекает, что прочность такой структуры на срез резко возрастает с увеличением степени объемного заполнения структуры твердой дисперсной фазой и обратно пропорциональна квадрату  размера частицы.

   Таким образом, теоретическое рассмотрение процесса коагуляции твердой фазы в суспензиях на основе физико-химической механики дисперсных структур позволили, сделать в упоминавшихся  четырех работах следующие выводы.

   Для сравнительно мало концентрированных суспензий, не слишком малых частиц (более 1 мкм) и достаточно лиофильных систем, какими являются механические примеси в АТ и НДМГ, силы коагуляции настолько малы, что явлениями агрегатирования следует пренебречь.  В этих случаях, при наличии сравнительно небольших концентрациях взвешенных примесей, образование сколько нибудь прочных агрегатов, даже в течение длительного времени, надо считать совершенно исключенными.

   Эти выводы в данных работах были подтверждены экспериментальным путем тремя методами:

- путем обследования дисперсного состава  мехпримесей компонентов, гранившихся в воинских частях,

- наблюдением с фотографированием процесса осаждения мехпримесей в стеклянных ампулах,

-  путем центрифугирования осадков.

   На Рис. 6.5.1Р приведены результаты изучения осаждения мехпримесей в компонента в данных работах. Полученные данные свидетельствуют о том, что при хранении жидких компонентов в течение 110 месяцев в войсковых частях, состав механических примесей не изменился и коагуляция их отсутствует, которой не наблюдалось и при центрифугировании до 2770 g.

 

6.6. Дисперсный состав мехпримесей

 

  Изучение дисперсного состава мехпримесей при изготовлении компонентов, транспортировке в железнодорожных цистернах и хранении в армейских складах изучалась в работа [80,81,82]. Во всех этих исследованиях количество микрозагрязнений определялось весовым методом при фильтрации ФЭП с 10 мкм ячейкой. Количество частиц пересчитывалось в граммах на тонну компонента. Дисперсность определялась на микроскопах МБН-6 .и ИБР-3 при увеличении в 90 раз. Частицы подсчитывались в 10-45 полях зрения.

   Результаты проведенных анализов в указанных работах пересчитаны в данной работе в процентное распределение  по размерам частиц. Результаты этого пересчета представлены на Рис. 6.6.1Р.  Из анализа данных, представленных  на этом рисунке можно сделать следующие выводы.

   Во всех случаях хранения в донных пробах произошло увеличение крупных частиц более 40 мк за счет их осаждения. Изменение распределения частиц по размерам менее 40 мк невелико и остается неизменным, как в донных, так и в средних пробах. Не оказывает влияния на характер распределения частиц и место хранения продуктов – железнодорожная цистерна, склад, испытательный стенд и ракета. Данное обстоятельство можно объяснить наличием развитой конвекции жидкости, возникающей  в процессе хранения за счет перепада температур по высоте и поперечному сечению емкостей.

    Количество частиц порядка 4 мк в емкостях, и на входе в двигатель на стенде в КБХА, оказались в несколько раз меньше по сравнению с экспериментальной ракетой УГ-100Т и в емкостях воинских частей, как в средних, так и в донных пробах. Это объясняется, очевидно, степенью фильтрации компонентов.

    Таким образом, характер кривых распределения дисперсного состава мехпримесей показывает, что в процессе хранения дисперсный состав частиц в компонентах  и осевших на дно емкости не меняется. Не обнаружено также увеличение размеров  частиц, что

 

подтверждает вывод об отсутствии их укрупнения с течением времени, как в АТ, так и в НДМГ.

   Из графиков видно, что основная масса прядка 90 %  примесей состоит из частиц размером до 40 мк. Количество частиц более 40 мк резко уменьшается и составляет единицы процента для каждой группы таких частиц. Вместе с тем, в компонентах попадается единичное количество частиц более 100 мк и 600-800 мк.

   Необходимо отметить значительный разброс в показаниях от опыта к опыту. Это связано с одной стороны с элементами субъективности, вносимый в анализ и подсчет количества частиц, а с другой стороны, со сложностью и нестабильностью состава мехпримесей в компонентах.

  Аналогичную картину представляет собой определение суммарного количества частиц в пробе и веса суммарного их количества. Установить какую- либо зависимость между этими двумя величинами также не представилось возможным в силу разнородного физического и химического состава мехпримесей от опыта к опыту.  Вместе с тем, по суммарному весовому количеству мехпримесей и характеру их изменения можно сделать определенные выводы. Вес и количество мехпримесей по объектам приведен в таблице 6.6.1Т.

                                                                                                                           Таблица 6.61Т

 


      №.№         Объект  исследования            Время         Кол-во мехпримесей г/т     Кол-во

       п/п                                                         хранения                                                    частиц

                                                                                           Средняя         Донная               шт

                                                                                             проба             проба

 


        1.        Завод изготовитель и           1-10 сут            0,5 – 3           2,3 – 5           2356 -

                   ж.д. цистерна                         .                                                                    – 23932

 

        2.        Склады воинских                  1,5 – 4  лет      0,75-2,6          2,3 – 13,5       5690 -

                    частей                                                                                                           99552

 

        3.        Стенд  КБХА                           сутки                   -                     -                 302-4677

 

        4.         Ракета УР-100Т

                     - начало испытаний              сутки                   4                       1             209-449

                     - окончание испытаний        198 суток            1                       2                

                     - окончание испытаний        450 суток            1                       18

 

 


    Из таблицы видно, что компоненты топлива, полученные с завода изготовителя содержат мехпримесей в пробах 2-5 г/т. Это значительно ниже, чем допускалось ранее по техническим условиям, составлявшим примерно30 г/т и послужило основанием для изменения содержание мехпримесей в продуктах до 10 г/т. В процессе отстаивания продуктов в процессе хранения, количество мехпримесей в средних пробах уменьшается до 1-2 г/т. Это свидетельствует, что полного осаждения мехпримесей не происходит, несмотря на то, что согласно закона Стокса осаждение частиц, при  отсутствии конвективных потоков,  должно произойти через несколько суток. Приближенный расчет по формуле Стокса показывает, что скорость осаждения частиц размером 40 м должна составлять 5-10 см/мин.

 

6.7.   Работоспособность двигателей при наличие мехпримесей в компонентах

 

   Компоненты, поступающие в двигатели, проходят через регулирующую аппаратуру, затем  часть его идет в газогенератор, а основная масса идет в камеру сгорания. Мехпримеси в компоненте, идущих в камеру сгорания не представляют опасности, поскольку зазоры в отверстиях форсунок значительно больше размеров частиц мехпримесей. Опасность может возникнуть в регулирующей аппаратуре, когда в нее попадут частицы с размерами,

 

соизмеримыми с размерами частиц, составляющими 20-40 мк. Попадая в зазоры, такие частицы они могут увеличить сопротивление передвижению золотниковых пар или вообще заклинить их.  Частицы меньших размеров свободно пройдут через зазоры в аппаратуре, а частицы больших размеров задержатся на входе, и таким образом не будут представлять опасности. Оценить теоретическим путем влияние мехпримесей на засорение аппаратуры не представляется возможным в силу чрезвычайной сложности происходящих при этом процессов и может быть оценено только экспериментально-статистическим методом.

   С целью экспериментальной     проверки влияния частиц на работу двигателя ГИПХ разработал методику загрязнения компонентов топлива с доведением количества мехпримесей до  30 г/т. Эта методика была отработана в НИИХИММАШ.[83]. Эксперименты, проведенные в КБХА, с этим топливом показали, что после фильтрации загрязненных продуктов через 70 микронный фильтр содержание мехпримесей снижается до 4-6 г/т.

  Необходимость проведения испытаний двигателей на загрязненных компонентах оценивалась на основе анализа состава дисперсного состава мехпримесей на стендах КБХА и на экспериментальной ракете УР-100Т, данные по обследованию которых приводились ранее.

На  штатной ракете Ур-100  после 480 суток  в первой порции окислителя равной 7 л. замерено повышенное содержание мехпримесей равное 18 г/т, что было близко  к ракете УР-100Т, испытывавшейся по ускоренной методике на коррозионную стойкость в ГИПХ. В следующей порции 10 л. механические примеси содержались в том же количестве, что и в средних пробах и составляли 1 г/т [84]. 

   Таким образом, в первой порции окислителя, идущего на завязку процесса в двигателе и равной 7 л. содержится порядка 10 г/т механических примесей. Аналогичные данные были получены при сливе штатной ракеты в войсковой части после 3-х летнего нахождения в заправленном состоянии [85].

   Столь незначительное содержание мехпримесей в первой порции продуктов ( менее 0,2 г) не могут изменить вязкостных свойств компонентов топлива. Поэтому распределение механических примесей между форсунками и регулирующей аппаратурой будет таким же, как и для основной массы компонентов, проходящих через двигатель. В силу этого, решающее значение будет иметь суммарное количество мехпримесей, проходящее через двигатель за все время их работы.

    В процессе обследования стендов КБХА  [81] , подсчитано, что за время испытания одного двигателя на стенде, через него проходит следующее количество мехпримесей:

 

по  НДМГ    с размером 20-70 мк        156.106 – 273.106  штук

                                          70-100 мк   -     0           -   18.106  штук

                                    более  100  мк  -     0           -    18.105 штук

по АТ           с размером  20-70 мк     -    216.106  - 108.106  штук

                                          70-100 мк    -     54.105  - 594.105  штук

                                     более  100 мк   -     45.105 – 432..105 штук

 

Эти данные получены исходя из того, что в компонентах обнаружено следующее количество частиц в 1 миллилитре каждого:

  

по НДМГ   с размером  20-70 мк      -   40-70  частиц

                                        70-100 мк     -    0 – 2  частицы

                               более    100 мк      -    0  -2  частицы

по АТ         с размером   20-70 мк       -  40 – 200 частиц

                                        70-100 мк      -   1 – 11 частиц

                               более     100 мк      -   1 – 8 частиц.

 

  По причине засорения аппаратуры отказов не наблюдалось при испытании двигателей на стенде. После огневых испытаний дефектация двигателей показала  отсутствие загрязнений в регулирующей аппаратуре.

 

 

   На основании ранее рассматривавшихся результатов испытаний, было сделано  заключение [86]  о том, что наличие мехпримесей и процесс их осаждения не будут влиять на работоспособность двигателей и испытывать их нет необходимости на специально подготовленных загрязненных компонентах.

   Известно, что вся накопленная статистика огневых испытаний двигателей получена на компонентах топлива с незначительным отклонением по дисперсному составу от величин, установленных проведенными исследованиями, результаты которых представлены на рисунках 6.5.1Р и 6.6.1Р. Кроме того, было показано, что решающее значение оказывают мехпримеси не только первой порции, а всего проходящего компонента через двигатель.

   Совокупность этих двух выводов позволяет сделать некоторые количественные оценки, подтверждающие ранее сделанные заключения, об отсутствии влияния мехпримесей на работоспособность двигателей. С этой целью сравним количество частиц, проходящих через двигатель при испытании на стенде и на штатной ракете.

   Из графиков на указанных рисунках видно, что опасных частиц 20-70 мк. ( в среднем 40мк) по количеству в средних пробах ракеты УР-100Т будут в четыре раза больше, чем для стенда в КБХА. Исходя из этого, при штатной работе двигателя в составе ракеты через него также пройдет в четыре раза больше частиц по сравнения с испытаниями на стенде.

   Исходя из этого, с достаточным приближением, можно полагать, что испытания четырех двигателей на стенде будет соответствовать  работе одного двигателя в составе ракеты исходя  из условий прохождения равного количества частиц мехпримесей размером 40 мк. Такое суммирование допустимо на основании закона сложения вероятностей, поскольку вероятность засорения регулирующей аппаратуры остается постоянной от пуска к пуску различных двигателей в силу того, что структура компонента по мехпримесям, а также конструкция двигателя остается постоянной от пуска к пуску.

 За время отработки двигателя произведено более 1000 их пусков  на стендах и в составе ракет. Практика показала, что при этих пусках не произошло ни одного случая засорения аппаратуры. Данный вывод затем был подтвержден пусками штатных ракет на серийных объектах, которые находились в заправленном состоянии о 1 года до 5 лет и более. Все пуски прошли успешно без замечаний по рассматриваемому вопросу.

 

6. 8. Технологические примеси в окислителе АТ при испарении и   

         конденсации  в элементах топливной системы.

 

  Проведенные следования в ГИПХ и других организациях по исследованию фазового и химического состава компонентов АТ и НДМГ позволили сформулировать согласованные исходные данные по содержанию в них технологических и механических примесей, обеспечивающие длительное их нахождение в баках ракет.

   Вместе с тем, эксплуатация таких ракет поставила ряд новых вопросов. В частности, необходимо было сливать ракету  и хранить ее в таком состоянии в течение некоторого времени, а затем вновь заправлять и ставить на боевое дежурство.

   При сливе компонентов в трубопроводах топливного тракта неизбежно остаются неслитые их остатки порядка 40-30 литров. Наличие большого количества окислителя не позволяет транспортировать и хранить ракету, при определенных положительных значениях температур, из за возможного повышения давления в баках за счет роста упругости паров АТ.

  Удалить не сливаемые остатки компонентов можно обычной продувкой.  Однако, как показал опыт, для удаление остатков КРТ в сложных конструкциях, имеющих большое количество тупиковых зон, требуется много времени, прядка 10-15 суток и значительное количество газа, доходящее до 5000 м3 . В силу этого в данной работе был разработан более экономичный способ хранения с не сливаемым остатками окислителя, обеспечивающими давление внутри баков в приемлемых значениях.

   На основе изучения физико-химических свойств АТ  было сделано предположение, что по мере удаления газовой фазы, в его жидкой остающейся фазе будет происходить увеличение содержания технологических примесей, величина которых ограничена 1%  в пересчете на кислоту НNО3. Это предположение основывалось на том, что окислитель АТ представляет собой двух компонентную смесь четырех окиси азота и азотной кислоты (N2 О4  +  НNО3)., компоненты которой имеют различную скорость испарения и температур кипения (N2О4  - 21,5 оС,  Н NО3  -  86оС ).

   Проведенные эксперименты по испарению в бачках объемом 200 л., показали что при удалении продувкой или «наддув – сброс» до 80% продукта в остатках его жидкой фазы происходит увеличение технологических примесей  до 2,7%  [87,88]. С другой стороны, в процессе эксплуатации  ракет с несливаемыми остатками, из за довольно значительных перепадов температуры стенок баков и агрегатов топливной системы, могут происходить попеременно процессы испарения и конденсации окислителя и вызывать обогащение испаряемых остатков АТ азотной кислотой.

   Наличие увеличенного содержания технологических примесей в окислителе, как известно, к заметной скорости коррозии  металлических материалов. В связи с этим, для проведения экспериментов по испаряемости необходимо знание условий эксплуатации изделий с несливаемыми остатками. Анализ этих процессов показывает, что к наиболее характерным случаям  можно отнести следующие этапы эксплуатации.

1. Удаление остатков окислителя после слива путем длительной продувки ил методом «наддув – сброс». При этом удаляется только газовая фаза. Это является методом «частичной нейтрализации».

2. Хранение ракеты с остатками окислителя, при котором жидкая фаза постепенно испаряется до достижения равновесного состояния. При этом при определенных перепадах температур в отдельных участках топливной системы может происходить процесс конденсации окислителя из паровой его фазы.

3. Хранение ракеты при полностью испарившейся жидкой фазы с периодической конденсацией окислителя.

4. Заправка ракеты после хранения с несливаемыми остатками.

   Последующие эксперименты были проведены с учетом выделенной этапности эксплуатации ракеты с несливаемыми остатками продуктов, результаты которых приведены на Рис. Рис.6.8.1Р Исследование образования технологических примесей в окислителе проводились применительно к четырем процессам:

 - при испарении методом «наддув – сброс» ( график 1 )-

 - при испарении в жидкой фазе (график2)

 - при испарении в паровой фазе (график 3)

 - конденсация из паровой (график 4)

 

6.8.1.  Удаление не сливаемых остатков продукта методом «наддув – сброс».

 

Изменение содержания технологических примесей в жидкой фазе, при удалении газовой фазы медом «наддув-сброс», поводились  [89] в бачках  V= 200 л. Окислитель в исходном состоянии содержал  0,86 – 0,98% технологических примесей и заливался в количестве 10-50 л. Контроль осуществлялся на весах РП-150 ШВ с точностью взвешивания ± 50г. Продувка производилась при температуре 30±5оС сухим воздухом с точкой росы  - 55о С в течение 5-6 часов, затем после через 15-16 часов продувка вновь повторялась вплоть до полного удаления продукта при расходе воздуха 30 м3/час.

     Эксперимент по отработке метода «надув – сброс» проводился на таких же других бачках  с наддувом до 2-2,5 атм., выдержка в течение 20-30 мин, сброс давления до 0,5 атм. После 2-3 циклов продолжительность выдержки увеличивалась до 15-16 часов. При каждом сбросе давления из газовой фазы удалялось 0,7 – 0,8 кг продукта. После удаления 15-20% АТ  из каждого бачка отбиралась проба жидкой фазы в объеме 100-150 мл для  анализа. Результаты измерений приведены на графике 1 упоминавшегося рисунка.

   Анализ приведенного графика показывает, что при удалении жидкой фазы путем периодического продувки сухим воздухом и сброса газовой фазы происходит увеличение технологических примесей в остающейся жидкой фаз. Величина их приращения зависит от количества удаленного продукта.

   Установлено, что при удалении до 60% количества окислителя наблюдается практически линейная зависимость роста технологических примесей. На каждые 10% удаленного продукта прирост составляет 0,11%. После удаления более 80% продукта наблюдается увеличение прироста технологических примесей и при удалении 94-95%  они достигают 6%. При дальнейшем продукта выше 95% количество возрастает. Однако в виду отсутствия средств контроля проб с небольшим объемом, получить фактические данные не представилось возможным. Если кривые продолжить до пересечения с осью ординат, то на отметке 100% получим 8-10% технологических примесей.

  На этом же рисунке приведена расчетная кривая, построенная на предположении, что в двухкомпонентном растворе N2 О4 +  НNО3, вследствие различных их температур кипения, в первую очередь будет испаряться N2 О4  и NО. Из рассмотрения указанных кривых видно, что при удалении окислителя до 30-40% количество технологических примесей в жидкой фазе близко по своим величинам. Это свидетельствует о том, что при удалении окислителя на этом этапе НNО3 удаляется мало. По мере увеличения удаленного продукта фактический рост технологических примесей в жидкой фазе  меньше расчетного, т.е. на этом участке НNО3 испаряется более интенсивно и удаляется вместе с N2О4  и NО.  Именно этой особенностью испарения можно объяснить то, что рост технологических примесей в жидкой фазе при удалении почти всего продукта увеличивается не более 8-10%.

  Из полученных результатов следует, что продолжительность и количество удаленного продукта имеет большое значение для коррозионного состояния топливной системы. Очень  важно, чтобы в топливных агрегатах не оставался окислитель с увеличенным содержанием технологических примесей, а продолжительность продувки, начиная с 20% оставшегося продукта, должна быть максимально сокращена. В  этом случае перерывы в продувках и хранение с не полностью удаленной жидкой фазой окислителя не должны допускаться [91].

    Три штатных отдутых изделия, с некоторым оставшимся количеством от не сливаемых остатков окислителя,  прошли опытное хранение в течение 2-3 месяцев в температурном диапазоне от – 17о С  до + 27оС. Это хранение  показало, что неиспарившиеся остатки топлива составили 15-20% от первоначального [92]. Следовательно, в реальных условиях эксплуатации коррозионная активность технологических примесей в остатках жидкой фазы окислителя будет эквивалентна 2% содержания   НNО3, и не будет представлять опасности коррозионного воздействия на конструкционные материалы.

   Изучение образование технологических примесей при испарении остатков окислителя производилось в жидкой и  паровой его фазе.

 

6.8.2  Испарение не сливаемых остатков

 

  Результаты замеров величин технологических примесей в остающейся части жидкой части продукта приведены на графике 2 Рис. 6.8.1Р. Испытания проводились [93] на установке, состоящей из двух емкостей V1 = 2,2 л. и V2 = 0,8 л., схема которых показана на поле этого графика. Каждая емкость имела уровнемер для определения количества находящейся в нем жидкости. Первая емкость заправлялась окислителем с содержанием технологических примесей  0,66 – 0,68% в количестве 2,12 л.   и помещалась в термостат. Вторая емкость, соединенная первой, помещалась в ванну со льдом.

   Первоначально отбиралась нулевая проба для определения начального содержания технологических примесей.  Первые пробы при конденсации 0,4%  продукта и последующие пробы при испарении  98%  продукта отбирались в количества 10 мл каждая и анализировались методом «разбавления». Остальные пробы измерялись методом диэлектрической проницаемости с помощью датчиков ДП. Эксперимент проводился при 38оC  и при 50о С.

   Анализ полученных данных показывает, что по мере испарения продукта, количество технологических примесей в жидких остатках постепенно растет. При испарении 89% продукта происходит увеличение технологических примесей  в два раза. При испарении продукта 98,2 – 98,4%  количество технологических примесей возрастает до 5,4 – 6,6%. Из эксперимента также видно, что при изменении указанных температур характер прироста технологических примесей не изменяется.

   Параллельно с отбором проб их первой емкости, производился отбор проб образовывавшегося конденсата во второй емкости, результаты анализа которых представлены на графике 3. Из этого графика видно, что при испарении продукта до 98,2%  количество технологических примесей в конденсате меняется мало и несущественно отличается от первоначального исходного их содержания равного 0,68%.

   Следовательно, при испарении и конденсации окислителя наибольшее количество накопления технологических примесей происходит в остатках не испаренного продукта. При этом, характер процесса их накопления практически аналогичен процессу происходящему при продувке, или удалении газовой фазы циклами «наддув – сброс».  Поэтому, как и при продуве, наибольшую опасность с коррозионной точки зрения, будут представлять не полностью удаленные остатки окислителя, особенно его последней порции, порядка менее 10%.

    Изменение  технологических примесей в конденсате газовой подушки изучалось также и после полного испарения и конденсации паровой фазы. Испарение проводилось на установке, состоящей из емкости V1 = 130 л. и мерной емкости V2 = 0,8 л. , подсоединенной к нижней части первой емкости, схема которых показана на графике 4. При отборе первой порции конденсата в количестве 10 мл. вместо мерной емкости подсоединялось малогабаритное специальное устройство, позволяющее визуально следить  за началом появления конденсата. Исходное содержание технологических примесей в продукте составляло 0,68%. Испарение проводилось до полного его завершения. Постепенным  охлаждением затем  паровую фазу конденсировали.

  Из графика 4 видно, что первые пробы содержат максимальное количество технологических примесей в конденсате. При конденсации 1,35 продукта технологические примеси составляю 1,2%. При дальнейшей конденсации они постепенно уменьшаются и при 30-40% близки к исходному продукту.

  Таким образом, в случае конденсации паров продукта после полного его испарения, в первых порциях конденсата, менее 10 % происходит незначительное увеличение технологических примесей и поэтому данный случай не представляет коррозионной опасности для изделия.

 

6.9.  Выводы по главе

 

1. Установлено, что увеличение механических примесей в компонентах, находящихся в емкостях армейских складов происходит за счет коррозии металла емкостей при недосточной их герметичности. Это требует значительного повышения герметичности армейских складских емкостей.

 

2. Спектральный состав мехпримесей в баках изделий в основном постоянный и состоит из солей металлов.  Увеличение их количества происходит только в случае наличия коррозии металлов. При хранении не происходит коагуляции и укрупнения осевших частиц. Дисперсный состав частиц сохраняется.

 

3. При оседании частиц в нижних частях магистралей двигателей ракеты, число части более 40 мк. увеличивается, но не превышает 1% . Частицы менее 40 мк составляют основную массу мехпримесей и их количество остается практически постоянным в средней и донной пробе, что свидетельствует об отсутствии полного их осаждения. Содержание мехпримесей в средней пробе составляет 1-2 г/т.

 

4. После осаждения мехпримесей в баках ракеты, первая порция окислителя 17 л., идущая на завязку процесса в двигателях, содержит мехпримесей 0,2 г/т. остальная масса окислителя имеет мехпримесей 1,0 г/т.

 

5. По суммарному содержанию мехпримесей в компонентах, проходящих через двигатель, испытания 4-х двигателей на стенде эквивалентно штанной работе одного двигателя в составе ракеты. Проведенные на стендах и в составе ракеты более 1000 успешных пусков двигателей подтверждают отсутствие влияние на работу двигателей наличия имеющихся мехпримесей в компонентах.

 

6. При удалении из топливной системы  газовой фазы окислителя АТ путем продувки сухим воздухом, а также удаление паровой фазы методом «наддув – сброс», количество технологических примесей в жидкой фазе увеличивается и зависит от количества удаленного окислителя. При удалении 60% окислителя наблюдается линейная зависимость роста содержания технологических примесей и составляет 0,7%. Удаление до 97.- 98 %  продукта приводит к резкому увеличению технологических примесей , доходящих до 6,6% по сравнению с допускаемым 1% по ТУ на компоненты.

 

7. В случае удавления остатков АТ из баков изделия путем продувки сухим воздухом, необходимо избегать перерывов в продувке на заключительных ее стадиях, а также хранения изделия с не полностью удаленными небольшими остатками окислителя, т.к.  это будет представлять существенную коррозионную опасность.

 

8. При хранении в течение 2-3 месяцев штатных ракет с не полностью удаленными остатками окислителя при температуре воздуха от -17оС и до + 27оС, испарение остатков происходит не полностью. При этом остается 15-20% не испаренных остатков.

 

(Примечание. Далее Рис. 6.1.2Р – 6.8.1Р брать из файла со сканированием. Выпуск 3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 7    КОРРОЗИОННАЯ  СТОЙКОСТЬ  МАТЕРИАЛОВ И АГРЕГАТОВ  ПГС

 

7.1  Комплексные исследования  коррозионной стойкости конструкционных материалов и

       длительной работоспособности агрегатов

 

  Известно, что любой конструкционный материал, прежде чем он будет рекомендован для применения в конструкции, проходит комплекс лабораторных испытаний с целью изучения его характеристик.

   Существующие методики разработаны и направлены на изучение свойств материалов безотносительно к конструктивным формам его применения и не предусматривают его проверки в составе изделия. Это является задачей ранее упоминавшихся конструкторского, технологического и эксплуатационного материаловедения. В данном случае это относится  в первую очередь к проверке склонности сплава и его сварных соединений к коррозии под напряжением, межкристаллитной коррозии и другим вопросам, связанным с применением в цельно сварных конструкциях, длительно эксплуатируемых под напряжением при контакте с агрессивными жидкостями.

   Ускоренные испытаний кислотных трактов по методикам  ускоренных испытаний УР-40 и УР-50 рассматривают только изучение коррозионных процессов, в  то время как в исследованиях реальной конструкции  должен рассматриваться комплекс вопросов, влияющих на работоспособность топливного тракта вцелом. В РТМ А5550-65  МО  СССР содержатся рекомендации по опытному хранению и ускоренным испытаниям  неметаллических материалов спецтехники   с учетом различных климатических зон. Но  и этот материал не охватывает всего круга вопросов, в частности,  характерных для топливных систем ракет.

   Применительно к ракете УР-100  впервые был разработано методическое положение [95] о проведении комплекса исследовательских работ с определением объемов и видов испытаний, необходимых для обеспечения требуемой долговечности этого изделия, выполненных под руководством автора, результаты которых составляют содержание данной работы. Основная сущность этого положения состояла в том, что предусматривалось проведение комплекса лабораторных, стендовых и натурных испытаний.

   Назначение лабораторных испытаний состоит во всестороннем исследовании материалов, их сварных соединений и полуфабрикатов в компонентах топлива с целью выдачи рекомендаций по их применению в конструкции. Характерной чертой лабораторных испытаний является то, что испытаниям подвергаются специальные образцы, чаще всего в искусственно создаваемых условиях. Обычно эти условия подбираются с учетом того, чтобы ускорить реально действующий на материал тот или иной вид физико-химический процесс с целью получения требуемых данных в более короткие сроки.

   Преимуществом лабораторных методов испытаний по сравнению со стендовыми и натурными испытаниями, заключается в возможности более широкого изучения влияния на коррозию внешних и внутренних факторов, таких как температура, влажность, величина внутренних напряжений, химсостава металла, его структуры, состава коррозионной среды и других. Вместе  с тем, многочисленные коррозионные испытания показали, что оценка коррозионной стойкости и работоспособности материала в конструкции по результатам только  лабораторных испытаний не может быть полной.

   Со всей очевидностью это проявилось при попытке внедрения в свариваемых конструкциях высоко прочного сплава АЦМ несмотря на проведенный большой объем лабораторных его испытаний. В реальной конструкции, при наличии в ней всевозможных конструктивных переходов,  материал и его сварные соединения в этих местах находятся в сложном напряженном состоянии.  Под действием этих напряжений проявилось хрупкое растрескивание материала в зоне сварных швов, в результате чего пришлось отказаться от применения этого сплава в ракете-носителе «Протон». Это явление удалось выявить только при стендовых и натурных испытаниях реальной конструкции баков.

  

Назначение стендовых испытаний состоит в определении работоспособности и коррозионной стойкости упрощенной модельной конструкции агрегатов, изготовленных по принятой технологии с целью выявления влияния конструктивных и технологических факторов, проводящимися при различных методиках испытаний.       

   Назначение натурных испытаний состоит в проверке работоспособности реальной конструкции в естественных условиях эксплуатации, а также по ускоренным методам испытаний, которые проводятся на ограниченном количестве испытываемых изделий и являются, как бы зачетными.

  

   Лабораторным испытаниям подвергаются образцы металлических и неметаллических материалов и образцы специфических конструктивных элементов, таких как биметаллические переходники, различные типы сварных соединений, поковок, профилей, модельные емкости, выполненные из штатных материалов по принятой технологии.

    В процессе лабораторных  испытаний определяются следующие параметры:

- скорость общей коррозии,

- влияние компонентов топлива на прочность сварных соединений,

- характер коррозии основного материала и сварных соединений, наличие межкристаллитной

   коррозии,

- щелевая и контактная коррозия,

-влияние технологических примесей в компонентах топлива на скорость основного материала и  

 сварных соединений,

- влияние конструктивных и технологических факторов  на коррозию под напряжением

  сварных соединений,

- склонность компонентов к осадкообразованию продуктов коррозии,

-проницаемость компонентов топлива через металлические материалы,

- проницаемость компонентов топлива через микродефекты в сварных соединениях.

 

 Целью стендовых испытаний является:

- определение коррозионной стойкости и работоспособности агрегатов после длительной

  выдержки с компонентами,

- проверка длительной герметичности модельных баков и агрегатов,

- изучение процесса осадкообразования и агрегатирования мехпримесей в компонентах,

- изучение длительной прочности и ползучести материла баков и деформативности  под

   длительным воздействием внутреннего давления самих баков.

 

 Натурные испытания проводятся с целью подтверждения правильности и эффективности  принятых конструктивных решений и технологических процессов, к которым относятся:

- изменение влажности в контейнере и возможность образование в нем конденсата,

- газовыделение из материалов,

- сезонное и годовое изменение температуры в шахте,

- наличие паров компонентов в сухих отсеках,

- возможность образования конденсата в трубопроводах топливных магистралей,

- характер изменения давления в баках.

  

   Объем и номенклатура проведенных испытаний содержится в ранее упоминавшейся таблице 4.2.3Т. На основании этих испытаний  и ряда других работ, впервые для жидкостных ракет  для ракеты УР-100 был установлен семилетний срок эксплуатации в заправленном состоянии в шахте, который к настоящему времени вырос до 30 лет для последующих модификаций этой ракеты. О необходимости проведения подобных комплексных испытаний в ракетной технике пришли и в США через пять лет[96].

 При проведении коррозионных испытаний наиболее сложным является выбор методики ускоренных испытаний. В основе этих методик лежит увеличение скорости коррозии за счет повышения температуры испытаний, поскольку с ростом температуры увеличивается скорость протекания электрохимических реакций, которыми сопровождаются коррозионные процессы.[97]. С другой стороны режим испытаний должен, по возможности, отражать температурные изменения, характерные для данной конструкции. Если учесть, что при испытании натурной конструкции приходится иметь дело с большим числом конструкционных материалов, различным по своим коррозионным характеристикам, становится очевидной вся сложность задачи создания методики испытания всего изделия.

  При испытании в окислителе АТ нет необходимости создавать переменный температурный режим, т.к. химсостав жидкой и паровой фазы у этого окислителя не отличается друг от друга, что имеет  место для окислителя АК. Поэтому для окислителя АТ  ГИПХ предложил режим ускоренных испытаний при постоянной температуре + 50оС (УР-50). По этому режиму  принято, что 45 суток испытаний при этой температуре соответствует одному году эксплуатации ракеты в шахте или на открытом воздухе при имеющихся в них перепадах сезонных температур.

 

7.2.  Автономные стендовые испытания агрегатов топливной системы.

 

  В процессе испытаний агрегатов с окислителем АТ по ускоренному режиму исследовались коррозионные процессы и работоспособность агрегатов ракеты УР-100, в объеме, приведенному в разделе 7.1. Эти испытания проводились раздельно по паровой и жидкой фазе при установке нескольких агрегатов на одном коллекторе, которые снимались с испытаний на дефектацию агрегатов  при трех сроках выдержки, включая максимальный срок. Каждый агрегат помещался в свой объем натекания,   в котором проверялось появление загазованности его парами компонентами, если агрегат терял герметичность. Локальные негерметичности по компоненту проверялась с помощью прикладывания специально разработанной для этой цели индикаторной ленты [98].

  Оценка работоспособности агрегатов проводилась на основе проверки параметров до и после выдержки под воздействием компонентов с последующим их осмотром, дефектацией и металлографическим анализом сварных соединений. Номенклатура и последовательность выполнения операций при испытаниях приведена в таблице 7.2.1Т

                                                                                                                           Таблица 7.2.1Т

 


               №№    Вид операции                               Требования и условия проведения                 

                п/п

                 

                 1.      Проверка герметичности     1. Опрессовка в ванне со спиртом

                                                                            2. Воздушно-гелиевой смесью при

                                                                                эксплуатационном давлении, щуп ПТИ-6

                                                                                чувствительность 1.10-3 – 1.10-4 л.мк/сек

                 

                  2.       Тряска                                     На стенде СУ-1 при 80±5 ударов  в минуту

                                                                             с ускорением 9,5 g в течение 6 часов

                 

                  3.       Выдержка с АТ                       Температура + 50о  С, влажность 20-30%.

                                                                               Продолжительность 315-450 суток.

                  

                  4.       Проверка работоспособ-         1. Проверка на герметичность.

                            ности                                         2. Создание вибраций на стенде  70/200,

                                                                                    частота 15-200 гц. с ускорением 8,7g

                                                                                    в течение 28 мин.

                

                   5.       Разборка, дефектация, рентген, металлографический анализ  швов

 

 


  Наряду с автономными испытаниями агрегатов, испытаниям подвергались укороченные сборки баков окислителя с установленными в них агрегатами топливной системы. Испытывались  по две сборки первой и второй ступени каждой при температуре 50оС. Заправка окислителем производилась с технологическими примесями 0,6% в одной сборке и 1% в другой сборке проводилась через фильтр с70 мк. ячейкой.

 

  

   По автономным испытаниям агрегатов и  испытаниям четырех сборок баков получены следующие результаты.

   Проверка работоспособности агрегатов ПГС и конструктивных элементов после автономных испытаний с АТ показали, что их параметры находятся в пределах требований ТУ. Коррозии не обнаружено за исключением отдельных случаев появления белого налета азотнокислого алюминия, образование которого связано с нарушением технологии сушки агрегатов перед их заправкой АТ или после слива его. Качество самого окислителя не изменилось, за исключением тех агрегатов, у которых недостойно тщательно удалялась влага при просушке. В процессе этих испытаний выявилось ряд конструктивных недостатков в некоторых агрегатах, которые затем были устранены.  Ранее проведенные краткосрочные испытания агрегатов с компонентами в течении 45 суток выдержки не позволили выявить эти конструктивные недостатки. Основные из них следующие.

   В блоке разъемов пружина была изготовлена из стали 3Х13, длительная прочность которой в АТ оказалась недостаточной  и она разрушилась. Это происходило в силу выявленной склонности данной стали к коррозии под напряжением в среде АТ. данная сталь в пружине была заменена на сталь 1Х18Н9Т.

  В ряде замембранных полостей была обнаружена загазованность, происходившая за счет проникновения компонента чрез сплошной метал мембран, которые изготавливались точением из прутка. После этого в конструкции использовался металл только в виде штамповок и поковок, в которых волокна при точении не перерезались. Проникновения компонентов происходило вдоль дефектов, имевшихся между волокнами, образовывавшиеся при прокатке металла и  они  являлись источниками течей компонентов.

   Стендовые испытания укороченных сборок баков происходили при их выдержке с компонентом АТ в течение 198 и 460 суток. Результаты определения технологических и механических примесей в АТ приведены в таблице 7.2.1Т.

                                                                                                                           Таблица 7.2.2Т

 

                                                                    Технологические                    Механические

       Блок       Место отбора проб                 примеси %                                примеси %

                                                                  До испыта-    После ис-     До испыта-    После ис-

                                                                       Ний            пытаний          таний            пытаний

  

        1            Бак                                          1,0                    1,07               0,0004            0.0001

                      Магистраль ДУ                     1,07                  1,07               0,0004            0,0002

       2             Бак                                          1,0                    1,06               0,0006            0,0004

                      Магистраль ДУ ( 7 л.)           0,6                    0,54               0,0002            0,0021

                      Магистраль ДУ (10 л.)          0,6                    0,54               0,0002            0,0016

       3             Бак                                          0,6                    0,54                  -                   0,0001

                      Магистраль  ДУ

                       (остаток)                                0,6                    0,54                  -                   0,0001

       4             Бак                                           0,6                    0,59                  -                   0,0001

                     

 

    Из данных, приведенных в таблице 7.2.2Т, следует, что за время коррозионных испытаний

 состав окислителя практически не изменился. Количество механических примесей в пробах, взятых из бака, характеризуется уменьшением их содержания ( 0,0001 вместо 0.0002%), вследствие их оседания  в процессе испытаний, за исключением магистралей ДУ, в которых за счет оседания и скопления мехпримесей их содержание увеличилось до 0,0021%.ю Однако по величине это увеличение составляет 0,5 гр./т.

   Количество алюминия в осадках, наличие которого может рассматриваться, как продукт коррозии основного металла АМг6, определялось как путем непосредственного взвешивания, так и спектральным анализом. Полученные данные замеров по спектральному анализу представлены в таблице 7.2.3Т.

 

 

                                                                                                                          Таблица 7.2.3Т 

 


                                                                                                   Количество алюминия,  г.

    №,№         Место отбора проб                 Блок 1          Блок 2          Блок 3           Блок 4

                                                                         1 ст.               П ст.              1 ст.              П ст.

        1           В окислителе                             0,20             0,25               0,20               0,0

        2           В магистралях ДУ                     0,01             0,001             0,06               0,03

        3           На стенке баков                         0,05             0,1                 0,26               0,51

        4.          Суммарно на блок                   0,26             0,35               0,52               0,54

                      Продолжительность

                     испытаний, сутки                       198              320                460                460     

 

 

 


 Расчеты, проведенные с учетом данных работы [99] показывают, что скорость коррозии сплава АМг6 в окислителе АТ при температуре +50оС составляет не более 1.10-5 мм/год. Следовательно, количество осадков в виде азотнокислого алюминия  за 10 лет эксплуатации при + 50оС составит не более 60 г. в блоке 1 ступени и 30 г. в баке П ступени. Это приведет к увеличению содержания мехпримесей до 0,0003 – 0,0006%. Учитывая, что при эксплуатации температура окислителя в баках будет не выше 25-27оС, количество осадков будет еще меньше. Скорость коррозии при температуре +50оС. для сталей  1Х18Н9Т, Н17Н2 и ЭИ-654 в работе [100] получена равной 5.10-4 мм/год .

  Увеличение осадков за счет продуктов коррозии нержавеющих сталей очень мало в силу незначительных поверхностей этих материалов, контактирующих с компонентами и малыми скоростями коррозии. Электрохимические измерения, проведенные с использованием специально разработанного электрода [101], показали, что процесс коррозии в АТ носит чисто химический характер и электрохимическая коррозия отсутствует. Данный вывод подтверждается проведенными лабораторными испытаниями в работах[102,103].

 

7.3.  Влияние конструктивных и технологических факторов на коррозионную

        стойкость сплава АМг6

 

  При следовании  сплава АМг6 по данному вопросу основное внимание было обращено на сварные соединения и технологические особенности их выполнения, характерные для цельно сварных ракет. С этой целью было выделено шесть типовых наиболее встречающихся  видов сварных соединений, показанных в таблице на рисунке Рис.7.3.1Р.

   В таблице приведены наименования сварных соединений, использовавшиеся в них материалы и применявшиеся виды сварок. На рисунках показаны фрагменты конструктивного применения исследовавшихся соединений, в которые входили следующие их варианты и технологические процессы выполнения.

1. Поковка приваривается к листу. 2. Прессованный профиль сварен стыковочным поперечным швом. 3. Прессованный профиль сварен с обечайкой продольным швом. 4. Прессованные профили сварены продольным швом. 5. Обечайка толщиной 4 мм. сварена продольным швом. 6. Обечайка толщиной 8 мм сварена продольным швом.

    Технологические особенности выполнения приведенных сварных соединений следующие:

- все сварные швы, за исключением п.2, выполнены автоматической сваркой,

- при сварке обечайки с профилем профиля с профилем и обечайки с обечайкой введена   

   подварка сварных швов до 2-х раз и сварка в два прохода,

- при сварке обечайки с обечайкой введена прокатка околошовной зоны и прокатка самих

  сварных швов с подваркой, которые могут применяться при устранении коробления,  

  появляющегося, в ряде случаев, при сварке.

 

   По каждому типовому элементу изготавливались заготовки размерами 500х300мм, которые затем сваривались исследуемыми видами сварки, после чего плиты разрезались на образцы размером 115х25х4 мм. Аналогичные контрольные образцы вырезались из основного материала без применения сварки. На образцах из листового материала исследовалось влияние дополнительного нагрева  70оС в течении 1000часов; 150оС – 10 часов и 180оС – 6 часов на коррозионную стойкость сплава в АТ. Диапазоны температурного воздействия принимались из числа возможных их  использования в технологических процессах.

   В основу  оценки коррозионной стойкости исследуемых образцов [104] были положены испытания на коррозию под напряжением на специально созданной установке ДП-Р при температуре 50оС путем приложения постоянной растягивающей нагрузки. Уровень нагрузки принимался 0,95 σ0,2 для основного материала и 0,7 σ0,2  для сварных соединений. Применительно к исследуемым операциям и видам сварных соединений по результатам проведенных испытаний можно сделать следующие обобщения.

Влияние технологических операций.

 Основной материал и сварные соединения нагартованных и мягких листов сплава АМг6, а также сварные соединения нагартованных листов с прессованными полуфабрикатам не склонны к коррозии под напряжением, как в исходном состоянии, так и после введения следующих дополнительных технологических операций: 2-х кратной подварки сварного шва, прокатки околошовной зоны, 2-х кратной подварки с последующей прокаткой, сварки в два прохода. Образцы испытывались при выдержке под напряжением в течение 450 суток.

               Влияние дополнительных нагревов.

 Проведенные испытания показали, что сварные соединения нагартованного сплава АМг6  при введении дополнительного нагрева склонны к коррозии под напряжением в среде АТ, величина которой будет приведена далее. Среднее число суток до разрушения при напряжениях о,7 σ0,2 составило:       

                                     53 суток при нагреве 70о – 1000чаов

                                     74 суток при нагреве 180 о – 10 часов

                                     12 суток при нагреве 180о  - 6 часов

 При испытании сварного соединения – нагартованный лист с профилем, разрушение происходит также  по нагартованному листу.

   Металлографический анализ разрушенных образцов показывает, что зарождение трещины, приводящей к разрушению образца, происходит по границе сварного шва со стороны проплава. При этом месту излома не отмечается видимых пластических деформаций, характерных для статического излома. Дальнейшее развитие трещин идет по границам зерен и имеет направленный характер, идущий по зоне сплавления. Межкристаллитная коррозия отсутствует.

    Результаты рентгеноспектрального исследования сварных образцов сплава АМг6 – Н после дополнительных нагревов представлены на рисунке 7.3.2Р.   Микроструктура сварных образцов имеет характерное строение  с выпадением по границе зерен ( 2 по рисунку) упрочняющей  бета-фазы (Мg2Аℓ3) в виде непрерывных тел или прерывистых цепочек. Наиболее ярко данная структура выражена при режиме 180о – 6 часов. Необходимо, однако, отметить, что при испытании образцов в воздушной среде с изгибом в скобе с аналогичным нагревом, после выдержки в течение 250 суток не проявилась склонность к коррозии под напряжением, в то время как в условиях промышленной атмосферы образец разрушился через 215 суток. Это свидетельствует о том, что наряду с изменением структурного состояния сварного шва при дополнительном нагреве, играющем решающую роль в склонности сплава к коррозии под напряжением, большое значение имеет коррозионная среда. Дальнейшие исследования показали, что не меньшее значение имеет также и метод создания напряжения в образце, о чем будет сказано далее.

                        Влияние коррозионной среды.

   Для изучения механизма коррозии под напряжением сварных соединений сплава АМГ6-Н в окислителе АТ проведены испытания по методике [100], заключающейся в том, что испытаниям подвергаются сварные образцы, в которых заранее образовывается трещина глубиной 0,3-0,5 мм. Образование трещин в образцах происходит при выдержке их в окислителе в установке ДП-Р под нагрузкой 0,7 σ0,2 в течение определенного времени.

 

   Эксперимент проводился в следующей последовательности. Находящийся образец под нагрузкой в установке ДП-Р периодически осматривался и визуально устанавливалось время проявления трещины. Такое среднее время составило 30 суток. Затем образец извлекался после установления факта появления трещины, промывался спиртом с последующей сушкой воздухом при температуре +50оС. Отмытые и высушенные образцы подвергались дальнейшему испытанию на коррозию под тем же напряжением: в сухом воздухе с точкой росы -45о,в окислителе АТ и в керосине.  

     Результаты получились следующими. При повторном испытании в кондиционном АТ образцы в среднем разрушались в пределах тех же 74 суток, что и образцы, ранее испытывавшиеся в установке ДП-Р без их промежуточной выемки. Образцы, испытывавшиеся в сухом воздухе и в керосине, разрушались в среднем через 90 суток. Образцы, помещенные в установку ДП-Р с добавкой 10% Н2О в АТ, разрушались через 10 суток. Данные эксперименты показали существенное влияние коррозионной активности АТ на коррозию под напряжением.

                      Влияние структуры сплава.

   Анализ рентгеноспектрального исследования, результаты которого были представлены на Рис. 7.3.2Р показывает, что если в исходном сплаве магний равномерно и составляет 5-6%, то в сварном соединении после его нагрева по режиму 150о -10 часов наблюдается существенное его перераспределение. В теле зерна сварного шва количество магния уменьшается до 2,0 – 2,5%, (1 и 3 по рисунку) а на границе зерна (2 по рисунку) увеличивается до 10-11 %. Это показывает, что в зоне сплавления сварного шва по границам зерен увеличивается концентрация магния и обеднением алюминием его твердого раствора. В силу этого, при неблагоприятных нагревах происходит более интенсивное выделение бета-фазы.

    Представляло интерес определение скорости коррозии самой бета-фазы в окислителе АТ. Для этого изготавливалась специальная сплавка, содержащая 37-38% магния в алюминие по весу. Из этой сплавки изготавливались образцы диаметром 25 мм и высотой 1 мм. Аналогичные образцы изготавливались из сплава АМг6. Скорость коррозии этих образцов определялась в АТ с технологическими примесями 0,95%. при температуре +50о и времени выдержки 30 суток. Скорость коррозии для АМг6 составила 1.10-4 г/м2.час, а для интерметаллида 1.102 г/м2.час. Таким образом, скорость коррозии интерметаллида, из которого состоит бета –фаза, в два раза больше, чем основного металла.

                         Влияние уровня напряжений.

    Испытание сварных образцов сплава Амг6 , имеющих дополнительный нагрев 700 -1000 часов и 150о -10 часов проводились в установке ДП-Р при различных напряжениях.    Критические напряжения, при которых не происходит коррозионного растрескивания,  определены расчетным путем по методике работы [105, 106] и их величина составила 23-24 кг/ мм2.

 С целью подтверждения  полученного допустимого уровня напряжений проведены испытания образцов с нагревом 70о -1000 часов под напряжением 22,5 кг/мм2. Образцы не разрушились в течение 315 суток испытаний в окислителе АТ.

     Следовательно, для предотвращения коррозионного растрескивания  сварных соединений сплава АМг6-Н, находящихся в длительном контакте с АТ  можно рекомендовать следующее:

- при изготовлении и эксплуатации изделий необходимо избегать дополнительных нагревов сварных соединений,

- если дополнительных нагревов избежать не удается, то в этих случаях необходимо в конструкции обеспечить напряжения ниже выше установленных, которые являются критическими в такой ситуации.

                         Влияние снятого проплава.

  Анализ характера разрушения сварных образцов при испытании на коррозию под напряжением показывает, что образование трещин во всех случаях начинается по границе сварного шва со стороны проплава, являющегося источником концентраций напряжений. Для изучения этого явления были проведены соответствующие испытания сварных образцов при различном нагреве со снятым проплавом заподлицо с основным материалом и образцов с не снятым проплавом.

    Результаты испытаний представлены на Рис. 7.3.3.Р из которых следует, что образцы со снятым проплавом обладают в 3 раза большей стойкостью к коррозии под напряжением, чем образцы с не снятым проплавом. В силу полученных данных проплав в баках стал сниматься.

 

7.4.  Исследование методик проведения испытаний на коррозии под напряжение

        сплава АМг6

 

  В данной работе испытания проводились с целью сравнения двух методов: распространенные испытания при постоянной деформации путем изгиба образца в скобе и испытания при постоянной нагрузке в специально созданной установке ДП-Р. Сварные образцы испытывались в исходном состоянии, а также   подвергавшиеся различным видам нагревов. Перед этими испытаниями были получены экспериментальные данные по свойствам самого сплава АМг-6 при нагреве 50оС и различных временах выдержки,   результаты   которых приведена на Рис. 7.4.1Р . Из этих данных видно, что этот сплав весьма подвержен влиянию нагрева и его использование в технологических целях должно применяться с осторожностью

   При выдержке до 1000 часов при  температуре + 50оС предварительно нагруженного  нагартованного сплава в окислителе, прочность у него падает на 9%,  а у мягкого материала наоборот растет на 6%. При выдержке под указанной температурой не нагруженных обоих сплавов, как на воздухе, так и в среде окислителя, прочность их не меняется. Этот факт свидетельствует о наличие влияния на прочность материалов его контакта с окислителем, при ускоренных коррозионных испытаниях под воздействием температуры, чего в литературе не отмечается.

    Установленные  изменения прочности при нагреве материала при его контакте с окислителем, следует учитывать в процессе коррозионных его испытаний под напряжением при установлении величины фактических напряжений, при которых проводились испытания.

 

                                  Испытания при постоянной деформации.

 

Испытания проводились на пластинчатых образцах толщиной 4 мм., показанных совместно с использовавшейся скобой  на Рис. 7.4.2Р. На всех образцах после окончания испытаний обнаружена остаточная деформация равная 3-4 мм. Для количественной оценки характера изменения деформаций во времени, проводились измерения величины остаточной стрелы прогиба на дополнительной партии образцов, которые испытывались  при температуре +50оС на воздухе в течение 180 суток с тем, чтобы исключить  влияние коррозионной среды. Результаты измерений представлены на Рис. 7.4.2Р. Величина задаваемых напряжений находилась в тех же пределах. Через каждые 5-10 суток образцы разгружались, и у них измерялся остаточный прогиб.  Наличие такой значительной остаточной деформации позволяли предположить о наличие релаксации напряжений, произошедших в образцах, что могло повлиять на результаты испытаний на их коррозионную стойкость.

    При испытаниях в скобах в сварных образцах растянутая зона находилась, как со стороны проплава, так и со стороны усиления сварного шва. В соответствии с существовавшей методикой, растягивающие напряжения в образце создавались путем его изгиба в скобе [106]. Величина исходных действующих напряжений в образце основного материала принималась равной (0,7 – 0,9) σ0,2, а в сварных образцах 0,7 σ0,2. Контроль заданного прогиба в скобе производился с помощью индикатора с точностью 0,01 мм. Нагруженные образцы помещались в герметичные ампулы объемом 3 л. и нагревались в боксе до + 50оС. Определенные группы образцов извлекались через разное время из окислителя и осматривались на предмет выявления разрушенных образцов. Только при  этих осмотрах можно было установить факт наличия разрушенного образца, что не позволяло достоверно установить конкретно время наступления его разрушения. При этом можно было произвести оценку только приближенного интервала времени наступления разрушения. в виде номограммы на.

    На рисунке Рис. 7.4.3Р представлены результаты испытаний по определению влияния технологических нагревов материала на коррозию под напряжением. Там же  приведены формы испытывавшихся образцов, их материалы и применявшиеся режимы нагревов. Над каждым столбиком номограммы, соответствовавшему своему режиму нагрева, приведено в числителе общее количество испытывавшихся образцов, а в знаменателе количество разрушившихся  из них образцов. Анализ представленных номограмм, с приведением  их номеров в скобках, показывает следующее.

   Образцы чистого листового материалов АМг6-Н (1) и Амг6-М (2) после всех использовавшихся режимов не показали склонности к коррозии под напряжением. Сварные образца из листового материала АМг6-М (4) также не проявили склонности к коррозии под напряжением, а вот сварные образцы из листового материала АМг6-Н (3) и сварные образцы из профилей АМг6-Н и М (5)  проявили склонность к проявлению коррозии под напряжением. Обобщающее заключение по данному методу испытаний проведем позже после рассмотрения метода испытаний при постоянной нагрузки и сравнение этих методов  испытаний .

 

                                     Испытания при постоянных нагрузках

 

   Испытания при постоянной нагрузке проводятся при приложении постоянной нагрузки, при которой образец свободно удлиняется под действием постоянных напряжений. Они не меняющихся вплоть до начала текучести образца, при котором напряжения возрастают за счет уменьшения площади шейки образца, рост которых и приводит к его разрушению. Необходимо отметить, что существует большое количество установок для подобных испытаний, но ни одной из них не представилось возможным воспользоваться в данной работе, т.к, они не позволяют проводить испытания в коррозионных средах обладающих большой упругостью пара, какой наблюдается у окислителя АТ. В силу этого возникла необходимость разработать свою оригинальную установку ДП-Р, показанную на рисунке Рис.7.4.4Р, в которой и проводились испытания.

   Установка имеет рычажное нагрузочное устройство, позволяющее создавать и поддерживать в образце постоянное напряжение. Максимальная нагрузка на образец 1000 кг. Образец размещается в герметичной камере с сильфонной герметизацией вводимого образца в камеру. Свободный ход сильфона составляет 12 мм. Установка снабжена устройством, сигнализирующим о моменте разрушения образца, использующего контакт груза с сигнальным упором, на который опускается груз после разрушения образца. Нагрузка при испытаниях создавалась та же, что и при испытаниях в скобах. Результаты испытаний представлены в такого же вида номограмм, приведенных на рисунке Рис.7.4.5.Их анализ показывает следующее.

   В отличие от испытаний в скобах, при испытаниях в установке ДП-Р сварные соединения  показали склонность к коррозии под напряжением не только сплава АМг6-Н (2) но и АМг6-М  (1), начиная с режима нагрева 70о -3000 часов. Для сварных образцов из прессованных сплавов АМг-Н  и М (3,4,5) на более мягких режимах нагрева, не проявили склонности к коррозии при напряжением, в отличие испытаний в скобах, где такая склонность была обнаружена в таких образцах. Очевидно, условия испытания при изгибных напряжениях для прессованных профилей оказались более жесткими по сравнению с испытаниями в установке ДП-Р, где напряжения создаются равномерно растягивающими по всему сечению образца.

    Таким образом, испытания в скобах сварных образцов сплава АМг6-М, находящихся  под воздействием изгибных напряжений,  являются более мягкими по сравнению с испытаниями таких же образцов в установке ДП-Р, начиная с режимов 70о – 1000 часов. Испытания в скобах сварных образцов сплава АМг6-М и Н из прессованных профилей по сравнению с испытаниями в установке ДП-Р, наоборот, оказались более жесткими.

    Испытания в скобах позволили выявить существенное влияние изгибных напряжений в прессованных профилях сплава АМг6 – Н и М на их склонность к коррозии под напряжениями.

   Для сварных образцов листового материала АМг6-М  при испытаниях в скобах с изгибными напряжениями и при постоянных деформациях по сравнению с испытаниями в установке ДП-Р  не представилось возможным выявить существующую у этого материала склонность к    коррозии в АТ , находящегося под растягивающим напряжением при всех режимах нагрева.

 

 

 

 

 

7.5.  Коррозия  в АТ с увеличенным содержанием технологических примесей.

 

   Увеличение технологических примесей в АТ может происходить при попадании в него воды, происходящее по тем или иным причинам, например, при остатке следов воды в емкости после ее тарирования, нейтрализации или продувки емкости. Превышение таких примесей выше 1% в АТ недопустимо согласно  ТУ на этот окислитель. Необходимо было изучить коррозионную стойкость конструкционных материалов в таком окислителе.

   Испытания проводились на образцах материалов АМг6 и 1Х18Н9Т  с образованием повышенного содержания технологических примесей в окислителе  следующими способами:

- в окислителе АТ оставшемся после удаления газовой фазы продувкой с содержанием 

  технологически примесей 4,5%,

- в окислителе  с добавкой кислоты НNО3 до  количества примесей 4,5%,

- в окислителе с добавкой воды при количестве примесей 4,8%.

  Результаты испытаний по определению скорости коррозии  указанных материалов при температуре + 50о приведены в таблице  7.5.1Т, где знак  +) – с добавкой НNО3  и ++) – при добавке  Н2О.

 

 

 

                                                                                                                             Таблица 7.5.1

 


                                            Содержание                        Скорость коррозии, мм/год

              Материал            технологических        В газовой  фазе          В жидкой фазе

                                               примесей, %

                                  

                                      4,57                            2,83.10-3                     1,55.10-2

     АМг:                        4,5  +)                         1,4.  10 -3                    1,8.  10-2

                                       4,58 ++)                     1,65.10-3                      4,5. 10-3

 


                                       4,57                            1,05.10-2                       4,5.10-2

  1Х18Н9Т                     4,5 +)                         1,2.  10-2                        2,2.10-2

                                                      4,58 ++)                     7,8.10-5                         1,1. 10-4

 

 

 Из таблицы видно, что несмотря на одинаковое количество технологических примесей в различных экспериментах скорость коррозии может различаться весьма существенно. В окислителе после удаления газовой фазы (первая строка) скорость коррозии сплава АМг6 в 13 раз, а стали 1Х18Н9Т на 2-3 порядка выше, чем в окислителе после добавки в него воды.  Это указывает на то, что при добавки воды в АТ и при удалении газовой фазы окислителя процесс образования технологических примесей и их коррозионное воздействие на металлы существенно различаются.  Следовательно, при оценке коррозионной стойкости металлов нельзя производить простой пересчет образовавшейся азотной кислоты в АТ при добавлении в него воды.

  Таким образом, проведенные испытания показали, что при проведении коррозионных испытании в окислителе с повышенными технологическими примесями доведение их содержания до необходимой величины не следует проводить путем добавки воды.

   При добавке с этой целью азотной кислоты, коррозионная активность продукта близка к его коррозионной активности, полученного в результате испарения из него паровой фазы.

  На основании данных исследований были установлены гарантийные сроки безопасного хранения ракеты с не слитыми остатками окислителя в течении трех месяцев.

 

 

 

 

 

7.6.  Исследование коррозионной активности АТ в щелях.

 

    Данная задача возникла в силу необходимости изучения коррозионной активности АТ в щелях в силу возможного торможения обмена среды в щелях. Эксперименты ставились на специально изготавливавшихся образцах. Пруток из исследовавшегося материала пришлифовывался в диаметру трубки, с  тем  чтобы получить необходимый зазор и помещался в окислитель. Коррозионные испытания таких образцов не выявили коррозии в щелях. Вместе с тем, выше описанные эксперименты показали возрастание коррозионной активности АТ при добавке  в него воды.

  Изучение с помощью ИК-спектров растворов N2О4  с небольшими добавками воды [107],   выявило наличие воды в свободном состоянии, которая прочно связывается с окислом металлов и оказывает тормозящее воздействие на диффузию молекул  НNО3 , N2О4 и ионов металлов через окисную пленку, а следовательно и на коррозионный процесс. Наличие свободной воды в растворе N2О4  - Н2О  - НNО3 также подтверждено в работе [103]. При этом была установлена зависимость величины, не прореагировавшей воды от общего введенного ее количества. Например, при введении 0,4% водя, 75% ее не вступает в реакцию и остается в свободном состоянии.

    Впоследствии ГИПХ  использовал это явление для ингибирования АТ с целью использования его в двигателях космических объектов, у которых имелись малые зазоры, длительное время находившиеся под воздействием окислителя. Не ингибированный АТ в этих условиях проявлял коррозионную активность и это приводило к забиванию этих зазоров продуктами коррозии.

   Ранее описанные эксперименты по изучению коррозии в щелях не позволили ее выявить, очевидно, в силу того, что коррозионные процессы при контакте со стеклом затормаживаются, и их наличие в щелях  не было выявлено в тех экспериментах.

 

7.7. Коррозия в обводненном НДМГ

 

   НДМГ является весьма стабильным и коррозионно не активным веществом. Вместе с тем, при попадании в него влаги он становится коррозионно активным. Насыщение влагой НДМГ, также как и АТ может произойти в их остатках после  некачественной промывки емкостей после их хранения с компонентами. Исследование коррозионной активности с добавками воды проведено в работе [104] которые показали следующее.

   Максимальная коррозионная активность гептила наступает при добавках 70-90% воды, что не реально в нормальных условиях обращения с гептилом, но весьма может представлять коррозионную опасность при некачественной промывке и при хранении с неударенными остатками гептила в емкости. В этих экспериментах был отмечен факт влияния качества воды. Дистиллированная вода приводила к большей коррозионной активности, чем водопроводная вода. Это, очевидно, происходило в силу возникновения ингибирующего воздействия за счет наличия в водопроводной воде различных химически активных добавок, которые и приводили к ингибирующему воздействию.

 

7.8.  Выводы по главе.

 

1. Конструкционные материалы АМг6,  АМг5,  АМг3,  1Х18Н9Т,  Эи-654, Х17Н2 испытанные в окислителе АТ  по ускоренному режиму + 50оС подверглись коррозии незначительно. Скорость коррозии сплава АМг6, определенная по осадкам в пересчете на металл, составила не более 1.10-5 мм/год.

 

2. При данной температуре и скорости коррозии количество механических осадков за 10 лет может составить в баке ракеты не более 60г. Учитывая, что в шахте температура не поднимается выше 25оС осадков будет еще меньше.

 

3. Узлы и агрегаты топливной системы после коррозионных испытаний в течение до 450 суток при режиме УР-50 сохранили свою работоспособность за исключением пружин в блоках разъема. Разрушение в них пружин из стали 3Х13 вызвано выявленной склонностью этой стали  к коррозионному растрескиванию в АТ и эта сталь была заменена на сталь 1Х18Н9Т.

 

4. Установлено, что коррозионная стойкость сплава АМГ6 не снижается при введении следующих технологических операций: 2-х кратной подварки сварного шва, прокатки околошовной зоны, сварки в два прохода, подварки с ее прокаткой.

 

5. Коррозионная стойкость сварных соединений нагартованного  сплава АМг6 резко падает после предварительных дополнительных  нагревов, что связано с изменением микроструктуры сплава за счет выпадения бета-фазы по границам зерен и ее преимущественной коррозии в АТ.

 

6. По результатам испытаний определены критические напряжения, ниже которых коррозионного растрескивания не наблюдается после предварительных нагревов, значение которых для  АМг6-Н составило 23 кг/мм2.

 

7. Экспериментально установлено, что наличие не снятого проплава сварного шва, являющегося  концентратором напряжений,  в три раза снижает коррозионную стойкость сплава АМг6-Н в окислителе АТ, в силу чего проплав должен сниматься.

 

8. Установлено, что сплав АМг6-Н при выдержке под нагревом 50оС в течении 1000 часов в окислителе АТ теряет прочность на 10%, а сплав АМг6-М наоборот повышает свою прочность на 6%, что должно учитываться при проведении коррозионных испытаниях под напряжением. Прочность сплавов не меняется при той же выдержке в тех же условиях на воздухе без воздействия АТ.

 

9. Испытания в АТ на коррозию под напряжением в скобах не позволяет выявить коррозию под напряжением образцов сплава АМг6-М, подвергавшихся нагреву. Для  АМг6-Н сплава испытания  в скобах, при которых образец подвергается изгибных напряжениям, являются боле жесткими по сравнению с испытаниями в установке ДП-Р, у которой образец подвергается равномерным растягивающим напряжениям.

 

10. При испытаниях на коррозионную стойкость в АТ с повышенными технологическими примесями их повышение следует проводить не добавкой воды, а добавкой азотной кислоты, поскольку коррозионная активность АТ в этих случаях существенно различается. Добавки воды в малых количествах до 0,4% приводит к снижению коррозионной активности и является наоборот ингибирующим методом, что использовано для АТ, предназначенного для двигателей с малыми щелями, работающих в космосе.

 

 (Примечание. Далее Рис. 7.3.1Р – 7.4.5Р брат из файла со сканированием. Выпуск 3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

      

 

 

 

 

 

 

 

Глава 8    ДИФФУЗИОННАЯ   ПРОНИЦАЕМОСТЬ  И  АДСОРБЦИЯ  АТ   И   НДМГ

                   СТЕНКАМИ БАКОВ.

 

8.1. Исследование диффузионной проницаемости АТ и НДМГ в алюминиевые сплавы.

 

  Процесс продувки баков, проводящийся  с целью удаления паровой фазы после слива компонентов топлива, сопровождается повышением, с течением времени, концентрации в емкостях за счет выделения оставшихся и не удаленных продуктах на стенках емкости, что потребовало изучения этого процесса.

   Продувка штатных изделий производится сухим азотом с температурой не более 50оС, содержанием кислорода не более 45 при продувке емкостей НДМГ. Отдувка производится до стабильного достижения концентраций по АТ равной 0,01 мг/л и 0,03 мг/л по НДМГ. Продолжительность отдувки штатного изделия составляет 25 суток, из которых 15 суток отводится на подготовку. Характер изменения концентрации в емкостях во время отдувки представлен на рисунке Рис.8.1.1Р. Изменение концентрации во времени после отдувки представлено на Рис. 8.1.2Р. Из него видно, что концентрация растет и это приводит к необходимости проводить новую продувку, что влечет за собой дополнительные затраты.

   Рост концентрации в емкостях происходит за счет выделения продукта, который происходит: за счет редифузии продифундировавшего продукта в толщу металла, выделения сконденсировавшегося продукта  в поверхностных микропорах металла и десорбции адсорбированного продукта на поверхности емкости. Рассмотрим последовательно каждый из этих физических процессов.

   В настоящее время имеется большое число работ посвященных изучению диффузии в твердых телах, в том числе и в металлах. Однако во всех все этих работа изучается диффузия газов при высоких температурах и давлениях. При нормальной      температуре и небольших давления диффузия газов в твердых телах, практически, не изучалась и по этой проблематике литература отсутствует. Это связано с тем, что в таких условиях диффузия жидкостей и газов через кристаллическую решетку, не имеющей дефектов,  крайне мала.

   В действительности, в реально применяемых сплавах,  структура кристаллической решетки далеко не совершенна. Дефектами кристаллической решетки сплавов являются, например, концентрации вакансий, которые образуются при различных видах обработки металлов. Некоторые авторы [105Д,106Д,107Д] отмечают, что скорость диффузии по  границам зерен на несколько порядков выше, чем через кристаллическую решетку зерна. Это обуславливается тем, что на границе зерен кристаллическая решетка сильно искажена. Большая разрыхленность в этих местах позволяет диффундирующему  атому значительно быстрее, чем через само зерно.

    Другим фактором, облегчающим процесс диффузии газов в металлы, является поликристаллический состав поверхности металлов, подвергающихся сложной механической обработке, которая облегчает подвижность атомов не только на собственно поверхности, но и в некотором приповерхностном слое, состоящем из нескольких слоев атомов.

   Сварные швы и околошовная зона могут создавать благоприятные условия для диффузии за счет за счет существенного искажения кристаллической решетки в этих местах, образования различных локальных дефектов, таких как пузырей, рыхлот, раковин, окисных плен и других. Было также отмечено, что хорошая адсорбционная способность металлов по отношению к диффундирующим газам ускоряет процесс диффузии.

   Работы по изучению диффузии сводятся, в основном, к определению коэффициента диффузии. При этом учитывается, что диффузия является процессом, осуществление которого тесно связано с энергетическими способностями и строением кристаллической решетки, химической природой и размерами атомов среды и диффундирующего вещества.

  В преобладающем большинстве работ рассматриваются исключительно процессы диффузии простых газов Н2, О2, N2 и других. Данных о возможности проникновения в металл таких сложных молекул, какими являются АТ и НДМГ, в литературе не имеется. Первой в этом направлении была работа [108]. В этой работе на основании экспериментов и расчетов была показана возможность диффузионного проникновения НДМГ и АТ в сплав АМг6 и рассчитаны коэффициенты их диффузии в сплаве АМг6, которые составили:

 

                         ДАТ = 2,2.10-13 см2/сек              ДНДМГ = 2,45.1013 см2/сек

 

 Однако указанные коэффициенты были определены достаточно приближенно и требовали дальнейшего уточнения. С этой целью в работе [109 ] было проведено, применительно к АТ, как более агрессивному компоненту :

-уточнение методики определения продифундировавшего вещества в толщу металла,

-определение влияния структуры сплава на коэффициент диффузии.

На основании этих исследований были уточнены выше приведенные коэффициенты.

   В основу дальнейшего проведения исследований была положена методика работы [108], сущность которой заключается в количественном определении АТ на поверхности образцов до и после снятия слоев металла толщиной несколько микрон путем его травления в растворе щелочи. Определение АТ производилось путем анализа поглотительного раствора щелочи в котором производилось травление металла. Количественное определение АТ. перешедшего в поглотительный раствор,   производилось реактивом Грисса-Илосвая по методике ГИПХ [110].

   В процессе исследований была отработана методика определения АТ в поглотительном растворе с учетом времени разложения азотной кислоты в воде. Частота отбора проб поглотительного раствора для анализа N2О4 определяется величиной ее концентрации при первом анализе. При концентрации от 90 до150 мг/л  анализ проводится через каждый час, при концентрации от 50 до 90 мг/л через каждые три часа, при концентрации от 20 до 50 мг/л один раз в сутки. После каждого анализа поглотительный раствор заменятся  новым. В случае отсутствия АТ в пробе поглотительный раствор не меняется в течение трех дней. При повторении нулевого результата выдержка образцов в растворе прекращается, а этот номер пробы свидетельствует об отсутствии продифундировавшего вещества на этой глубине металла. Данные эксперименты проводились в следующем порядке.

   Сварные образцы сплавов АМг6-Н и М, АД1-М размером 100х50х3 мм с  их околошовной зоной партиям по 50 штук выдерживались под давление 3 атм. в окислителе от 6 месяцев до 1 года. Затем образцы извлекали, обдували сухим воздухом и помещали в поглотительный раствор по 5 штук в стакан. Анализ пробы поглотительного раствора производили по ранее изложенной методике.

   После прекращения выделения N2О4  с поверхности образца  их травили 0,2% растворе щелочи на глубину от 1 до 7 мк. и вновь помещали в поглотительный раствор. Эти операции повторялись до тех пор, пока на прекращалось выделение АТ с поверхности образцов. Полученные данные, обработанные метом наименьших квадратов, по количеству выделенного окислителя с разных глубин металла всех образцов представлены на Рис. 8.1.3Р. По этим данным рассчитана концентрация окислителя, содержащегося в металле по его глубине, представленная на Рис. 8.1.4Р. В таблице 8.1.1Т приведены данные по общему количеству АТ, обнаруженного на поверхности образцов до травления и в глубине металла. Все данные, приведенные на рисунках и в таблице рассчитывались исходя из поверхности образца равной 500 см2. Анализ полученных данных показывает следующее.

   Наблюдается определенная закономерность  в характере выделения АТ с поверхности до травления и из глубины металла в процессе его травления, состоящая в следующем. Во всех образцах уменьшается количество продифундировавшего вещества с увеличением глубины травления.  На образцах сплава АМг-Н обнаружено наибольшее количество АТ на поверхности и значительно меньше во внутренних слоях п сравнению с другими образцам. Образцы сплава АМг6-М, на поверхности которых, обнаружено наибольшее количество АТ, содержит наибольшее его количество и во внутренних слоях. В сплаве АД1-М количество АТ обнаруженного на поверхности и количество продифундировавшего в глубину примерно одинаково. В околошовной зоне сплава АМг6 количество АТ на поверхности и проникшего в глубину самое большое по сравнению со всеми другими сплавами.

   По полученным данным вычислены коэффициенты диффузии, приведенные в таблице 8.1.2Т, которые мало чем отличаются от ранее приводившихся для сплава АМг6-Н и на порядок меньше для сплава АД1-М.

Коэффициент диффузии вычислялся по формуле [108]:

                            

                                                   Qдиф.

                                            Д =                                                               ……………….(8.1.1Ф)

                                                    S2 С2о τ

 

где:  Д – коэффициент диффузии,  см2/сек

         Qдиф. – количество АТ, продифундировавшего  в метал за время контакта,  г

         S - площадь поверхности, через которую диффундирует вещество,  см2

         Со – концентрация АТ в лобовом слое металла, г/см3

         τ  - время диффузии, сек

 

                                                                                                                        Таблица 8.1.1Т

 

 

 

Сплав 

Время контакта с АТ, месяцы

Кол-во АТ на повер-ти до травле-ния, мкг

Общее кол-во АТ после  травления

   мкг

Суммарное кол-во АТ обнаруженное

в образце, мкг

Последняя глубина тра-

вления, на

которой обнаружен АТ, мк

Общая глубина травления, мк

АМг6-Н

АМг6- Н

АД1- М

АМг6-М

АМг6-М

Околощовн.

   зона     

      12

        6 

      10,5

        7 

        7                   

     887

     480

     350

     146

     195          

     330

     275

     444

     369

     723

    1197

     755

     794

     505

     918

    23,5

    19,7

    21,0

    16,0

    26,6

    27

    27,3

    21,0

    23,1

    29,3

    

  

                                                                                                                          Таблица 8.1.2Т

 

                        

                         Сплав               АД1-М              АМг6-Н          АМг6-М         АМг6-М

                                                                                                                            околош. зона

 


                          Д   см2cм           3,0.10-14             1,3.10-13          1,55.10-13        3,14.10-13

 

 


  Следует отметить, что полученные данные экспериментальным путем о процессе проникновения компонента АТ в металл и определенные на их основе коэффициенты диффузии согласуются с физическим состоянием структуры сплава. Это можно проследить путем рассмотрения и анализа структуры сплавов на их микрошлифах, представленных на рисунке  Рис. 8.1.5Р.

   На фото 1, 2 и 3 этого рисунка представлены структуры сплава АМг6-Н в продольном и поперечном направлениях. Как видно из микрошлифов, сплав имеет плотную мелкозернистую структуру.  Такая плотная упаковка зерен затрудняет проникновение окислителя  по границам зерен в глубину материала и поэтому, наибольшее количество АТ остается на поверхности.

   С другой стороны, значительную роль в увеличении количества АТ обнаруженной на поверхности играет то обстоятельство, что в результате процесса нагартовки поверхностные дефекты  полностью не устраняются, а  сглаживаются, т.е. образуются своеобразные «карманы», доступные для проникновения в них АТ. Такие карманы хорошо видны на фото1 Рис.8.1.5Р. В результате длительного контакта такой поверхности с АТ дефекты заполняются им, а обратный выход в поглотительный раствор за короткие сроки затруднен. Поэтому продолжительность выделения АТ с поверхностного слоя сплава АМг6-Н до начала  травления в два раза больше, по сравнению с другими испытывавшимися сплавами, что наглядно видно из таблицы 8.1.3Т.

    Указанные на фотографиях абсолютные размеры величин стравливаемых слоев, показывают, что поверхностные дефекты были удалены в первых стравливаемых слоях и последние стравливаемые слои находились уже в глубине чистого металла. Это подтверждает то, что установленные величины проникновения АТ в алюминиевые сплавы представляют собой диффузионный процесс, происходящий  по границам зерен.  

 

                                                                                                                              Таблица 8.1.3Т

 

            

         Сплав  

Время контакта образца

    с АТ, месяцы

Количество выделивше-

гося АТ до травления,

 мкг

Время выделения, часы

         АМг6-Н

          АМг6-М

          АД1-М

          АМг6 - М

          АМг6-М

       Околошов. зона     

            12  

              6 

            10,5

              7

              7                                

           887

           480

           350

           146

           195

              1344

              1080

                792

                744

                 528

   

 

На фото 4, 5 и 6 Рис. 8.1.5Р представлена микроструктура продольного и поперечного сечения сплава АД1 –М. Структура этого сплава  имеет крупное зерно, поверхность более ровная, без наличия больших дефектов. Здесь также наиболее вероятными путями проникновения АТ могут являться границы зерен, которые также имеют выход к поверхностным дефектам, показанных на фото 5. Кроме того, следствие более крупной структуры зерна в сплаве АД1-М общая длина границ зерен на единицу объема, по которой может идти диффузия, значительно меньше, чем у мелкозернистой структуры сплава АМг6. Поэтому коэффициенты диффузии в сплаве АД1-М примерно на один порядок ниже , чем для сплава АМг6.

   На рисунке Рис. 8.1.6Р представлена микроструктура сплава АМг6-М. Их фотографий видно, что его структура имеет неоднородный характер с равноосными зернами. Эта структура менее плотная, что, по-видимому, позволяет молекулам N2О4 позволяет более легко проникать в этот сплав, чем в сплаве АМг6-Н.

   Другим характерным примером, показывающим влияние структуры на количество проникшего АТ, является околошовная зона сварного шва, показанная на фото 3,4 и 5. В этой зоне, как правило, наблюдается наибольшее скопление различных дефектов. Поэтому эта зона наиболее доступна для проникновения продуктов в металл, что и подтверждается обнаруженными следами АТ на большей глубине по сравнению с другими сплавами (таблица  8.1.1Т). Для зоны сварного шва коэффициент диффузии в два раза больше, чем для основного металла.

 С целью проверки влияния чистоты обработки поверхности сплава на проницаемость АТ в него, проведено определение шероховатости поверхности исследуемых образцов профилографом завода Калибр с наконечником R=10 мк. тарировка прибора проводилась на образцах – эталонах, обработанных по 12 классу чистоты. Профилограммы исследуемых образцов снимались, как для травленой поверхности образцов, так и для нетравленой поверхности. Результаты замеров представлены в таблице 8.1.4Т.

 

    В таблице принято:

     Rа – среднее арифметическое отклонение от центра осевой линии,

      Rz – средняя высота неровностей.

   Как вино из таблицы 8.1.4Т травление увеличивает высоту неровностей и делает поверхность более развитой. Полученные данные по неровности поверхности согласуются с данными по АТ, обнаруженному на поверхности образца (Таблица 8.1.1Т) , из которых следует, что чем больше развита поверхность сплава, тем больше на ней остается окислителя.

  

 

 

                                                                                                                              Таблица 8.1.4Т

 

     

       Сплав            

Обработка поверх-

       ности

      Rа, мк

        Rz, мк

  Класс шерохова-

          тости

       АМг6 - Н

 

        АМг6- М

 

         АД1 - М

         

  Травленая

Нетравленая

 Травленая  

Нетравленая

 Травленая

Нетравленая

         2,3

         1.09

         1,16

         0,71

         0,85

         1,05

        9,6

        6,3

        3,75

        1,93

        3,15

        2,69

          6

          7

          7

        7 – 8

           7

         7 -  8

 

 

   Максимальная глубина травления сплава АМг6-М, а которой уже не обнаруживался АТ составляет 23 мк (Таблица8.1.1Т)  в то время как поверхностные неровности этого сплава составляют порядка 6 мк., а после травления доходят до 10 мк., Таким образом, величина стравленного слоя превышает величину поверхностных неровностей, что является еще одним подтверждением факта имеющего место диффузионного проникновения АТ в толщу металла и не является следствием нахождения его только в поверхностных порах металла.

   Выше приведенные коэффициенты диффузии (Таблица 8.1.2Т) получены при температуре +20оС. Однако известна зависимость коэффициента диффузии от температуры, выражающаяся формулой [106Д]:

                                                        - Е

                                 Д = До ехр (   RT   )                                       ………………(8.1.2Ф)

 

где: До – предэкспоненциальный множитель, не зависящий от температуры, см2/сек

        Е – энергия активации,  ккал/моль

        R – газовая постоянная,  ккал/град.моль

        Т   - абсолютная температура, град К  

 

 Из уравнения 8.1.2Ф видно, что для определения зависимости коэффициента диффузии  от температуры необходимо знать энергию активации процесса. В литературе такие данные отсутствуют. Для определения энергии активации процесса диффузии АТ в АМг6 были использованы образцы, вырезанные из штатного бака ракеты, находившейся в эксплуатации 6,5 лет при среднегодовой температуре + 2оС.

  По ранее описанной методике, путем их травления была определена глубина приникшего АТ  при которой оказалось, что наименьшее проникновение составило в сплаве АМг6-Н, а наибольшее в околошовной зоне  сплава АМг6-М. Совпадение качественных показателей с ранее проведенными экспериментами на опытных образцах, позволили вычислить коэффициент диффузии при +2оC.  Зная коэффициенты диффузии при +20оС и при +2оС,   по формуле, полученной из выражения 8.1.2Ф. была определена энергия активации, что дает возможность определять коэффициент диффузии АТ в сплав АМг6 при любой температуре. Энергия активация вычислялась по следующей формуле:

 

                                  ℓg D2 - ℓg D1                 

                     E   =                                                                                     …………..(8.1.3Ф)   

                                2,3 .  1    (  1   -  1   )               

                                        R       Т1     Т2

 

где:  Д1  и  Д2 – коэффициенты диффузии при температуре Т1  и Т2 соответственно.

 

    Вычисленные величины энергии активации приведены в таблице 8.1.5Т, в которую включены величины проникновения АТ , полученные расчетным путем и экспериментальным

 

 

путем на основании травления образцов, вырезанных  из натурного изделия после 6,5 лет эксплуатации в заправленном состоянии.

                                                                                                                               Таблица 8.1.5Т

           

    Сплав

Энергия

активации, ккал/моль

Темпера-

 ратура

    оС

Коэффициент

 диффузии, см2/сек

Глубина про-никновения за 6,5 лет расч. , 

         мк

Глубина про-

никновения  за

6,5 лет. экспер.

           мк

   АМг6-Н

   16300

   20

     6

     2

        1,3.10-13

        6,6.10-17

        9,7.10-18 

      360

          8

          3

         -

         -

       0,7

   АМг6-М

   14200

   20

     6

     2      

        1,5.10-13

        1,9.10-15

        3,7.10-17             

      380

        14

          6

         -

         -

        0,9

   АМг6-М

   околош.

       зона

   13370

   20

     6

     2

        3,1.10-13

        2,5.1016

        7,7.10-17

       550

         15

           8  

          -

          -

        1,3

 

Глубины проникновения вычислялось по формуле [107] :

 

                                              Х = 2А2 τ Д                                        …………..(8.1.4Ф)

 

где:   Х – глубина проникновения АТ в сплав,  см

          τ – время протекания диффузии, сек

           А- безразмерная величина, зависящая от условий процесса диффузии,

                согласно работы [107]  А = 4,89.

 

  Как видно из таблицы, экспоненциальная зависимость коэффициента диффузии от температуры выражается в резком уменьшении его значения с понижением температуры, а соответственно и глубины проникновения. Анализ этих данных показывает, что расчет на основании полученных коэффициентов диффузии дает завышенную величину проникновения АТ при температуре +2оС по сравнению с проведенным прямые ее измерением. Вместе  с тем, прямые замеры и проведенные исследования подтверждают правильность сделанных выводов о влиянии структуры сплава на процесс диффузии в нем.

   Таким образом, проведенные экспериментальные исследования процесса диффузии при температуре + 20оС  и выполненные прямые замеры проникшего АТ в сплав АМг6 показали, что диффузионная проницаемость компонентов в алюминиевые сплавы имеет место, но по своей величине она мала и практического значения не имеет, при толщинах металла, измеряемых миллиметрами. Однако, при значительно меньших размерах толщины материала и величин температур, приближающихся к  +20оС диффузию, очевидно, следует учитывать.

 

8.2.  Адсорбция компонентов ракетных топлив поверхностью сплавов.

 

   Ранее было показано, что при отдувке паровой фазы из емкости и достижению в ней равновесной концентрации, она вновь возрастает при последующем хранении отдутой емкости. Исследования процессов диффузии показало, что она незначительна и процесс редифузии компонентов из стенки емкости  не может приводить к наблюдаемому росту концентрации паров компонентов.  В связи с этим, необходимым было изучить процессы адсорбции и десорбции компонентами поверхностью сплавов.

  Впервые влияние процессов адсорбции для окислителя АТ было  отмечено при проведении испытаний в загазованной среде.[111] В этих исследованиях для создания загазованности в объеме 160 л. с концентрацией 0,1 мг/л было введено 0,290 г. АТ. исходя из  объема расчетное количество компонента для создания концентрации 0,1 мг/л составляет 0,016 г.Следовательно, разница 0,274 г компонента (95%) была адсорбирована стенками емкости.

  

 

    Исследование адсорбции более токсичного компонента НДМГ исследовалось в работе [112]. Изотермы адсорбции в данной работе определялись весовым методом и методом замера равновесной остаточной концентрации паров компонента в среде сухого азота. На Рис.8.2.1Р показаны полученные изотермы адсорбции весовым методом, которые позволили получить количественную величину и скорость адсорбции.  Кроме того, в данном случае не представляется возможным изучить кинетику адсорбции и адсорбции. Было установлено только то, что с поверхности стенки десорбируется порядка 30% адсорбированного продукта. Вместе с тем, знание характера адсорбции важно для выбора метода удаления адсорбированного продукта со стенки.

    В работах [113, 114, 115, 116 ] проведено изучение адсорбции объемным методом при малых концентрациях, результаты которых излагаются далее. В данных исследованиях в качестве модели окиси алюминия, покрывающей   алюминиевые сплавы, использовалась активизированная окись алюминий Аℓ2О3 с удельной поверхностью 215 м2/ г.

    Изотермы адсорбции НДМГ в области температур + 73о ─ - 48оС, полученные объемным методом в вакуумной адсорбционной установке  а предельным вакуумом 10-5 мм.рт.ст., из меряемым манометром Мак-Леода, приведены на Рис. 8.2.2Р. Как видно из рисунка изотермы адсорбции обладают рядом характерных признаков, по которым адсорбцию НДМГ на окиси алюминия можно отнести к хемосорбции.

  Во-первых, все полученные изотермы имеют крутой начальный  участок, что свидетельствует на большое сродство адсорбента к поверхности окиси алюминия и является весьма характерным для хемосорбции.

 Во-вторых, имеющиеся плато на изотерме говорит о близости к завершению насыщения монослоя адсорбированного продукта, которое достигается при очень малых давлениях. Так, например, плато при – 0,2оС завершается при относительно малом давлении 0,01, тогда как для физической адсорбции образование монослоя  очень редко заканчивается при относительном давлении ниже 0,1.

   В третьих, наиболее убедительным доказательством химического взаимодействия молекул НДМГ с поверхностью окиси алюминия служит необратимый характер десорбции. Во всех исследованных случаях адсорбционная и десорбционная ветви не совпадают, причем десорбционная ветвь лежит выше сорбционной . В изученном интервале величина десорбции не превышала 15%.

  Проведенный анализ результатов показал, что ответственными за хемосорбцию являются центры апротонной кислотности Льюиса, обладающие большим сродством к неподеленной электронной паре  По данным работы [113] , в случае образования комплексов Н2N : Аℓ Сℓ3  (последний член является типичной кислотой Льюиса), эта величина оценивается в 40 ккал/моль, что и обуславливает крутой характер изотерм на начальном участке.

   Определение теплоты адсорбции НДМГ на окиси алюминия имеет большое значение, т.к. ее величина определяет время адсорбированной молекулы с поверхностью. Для хемосорбции время жизни адсорбированной молекулы при комнатной температуре (время связи ее с поверхностью) определяется величинами, приведенными в таблице 8.2.1Т согласно [117]

 

                                                                                                                           Таблица 8.2.1Т

 

                            

                                        Теплота адсорбции           Время жизни адсорбиро-

                                                ккал/моль                    ванной молекулы

 


                                                    20                                      100 секунд

                                                    25                                   Одна неделя

                                                    40                              Соизмерим с возрастом    

                                       Земли

 

 

 

 

 

 


Спрямление полученных изотерм в линейных координатах позволило получить емкость монослоя  аm. Поскольку удельная поверхность адсорбата известна, была рассчитана эффективная площадь  ωm, занимаемая молекулой  НДМГ, которая для сравнения была определена  различными методами. Результаты расчета приведены в таблице 8.2.2Т

 

                                                                                                                           Таблица 8.2.2Т

 


      Адсорбент    Уделн.     Темпер.    Емкость плотного           Эффективная площадь

                            пов-сть        оС              монослоя                      молекулы, ангстрем

 

                            м2                            мкмоль    мкмоль                         метод

                                                                 грамм       м2                       по изотерме     по плотности 

 


      Аℓ2 О3             215            +73            760          3,6                      47                     -

                                               - 0,2          1200         5,2                       30                     -

                                               - 21           1300         6,0                       25                     -

                                               - 48           1167         5,4                       31                     -

      АМг:6            0,3                0            1,51          5,0                       33                     -

        АД1             0,36              0             2,01          5,56                     30                     -

                                               + 20             -               -                          -                      28

                                                - 30            -                -                          -                      27

                                                - 50             -               -                          -                      26     

 

Экспериментально-расчетным   путем установлена зависимость размера площади молекулы НДМГ от температуры. Это, по-видимому, связано с тем, что с понижением температуры на хемосорбцию накладывается физическая адсорбция, которой соответствует наклонный участок изотермы, свидетельствует о том, что монослой еще не сформирован и не достиг своего полного насыщения. Практическое совпадение размеров молекулы, полученных из адсорбционных измерений при низких температурах с размерами, рассчитанными по плотности, указывают на близость монослоя к завершению.

   В таблице 8.2.2Р  приведены данные по количеству НДМГ, адсорбированного различными адсорбентами. Будучи приведенными к 1 м2 эти данные хорошо согласуются между собой , что указывает на отсутствие существенного различия между адсорбцией НДМГ на поверхности алюминиевых сплавов и окиси алюминия.

  Используя полученные данные о емкости и размере эффективной площади занимаемой адсорбированной  молекулы,  можно оценить вклад десорбции в возрастание концентрации в емкости при хранении отдутых изделий, если принять, что весь адсорбированный компонент с течением времени десорбируется. Так, в отдутом объеме 1л с поверхностью 500 см2, концентрации паров НДМГ в процессе хранения вырастет от 0 до 0,018 мг/л.

  Таким образом, экспериментально установлено, что адсорбция НДМГ носит характер хемосорбции и его молекулы прочно удерживаются на алюминиевых сплавах, а ее количество достаточно велико и  удаление НДМГ должно производиться более эффективными методами, чем простая продувка.

 

 8.3.  Исследование проникновения НДМГ в поверхностные поры металла

 

    Ранее было показано, что выделение НДМГ со стенок емкостей может происходить, в основном, за счет процессов длительной его десорбции, находящегося в хемосорбированном состоянии на поверхности металла. Процесс редифузии продуктов из толщи металла вносит незначительный вклад в количество выделившегося продукта, поскольку диффузия продуктов

 

в метал невелика. Определенный вклад в количество выделившегося НДМГ может внести продукт, который проник в поверхностные микропоры и различные микродефекты, имеющиеся  на поверхности. В силу этого были проведены исследования по изучению капиллярно-конденсированного продукта на металлической поверхности, т.к. компоненты, проникшие в микропоры, могут являться не только причиной загазованности окружающей среды, но и при соединении с влагой воздуха, могут создавать коррозионно активные растворы и служить центрами коррозии.

    В данном разделе основные результаты проведенных экспериментов [118], которые позволили установить наличие горючего в микропорах, но и оценить его роль при десорбции, а также показать возможность полного удаления НДМГ из пор, например, с помощью растворителей [114]. Эксперименты проводились на стружке сплава АМг6, которая в количестве 1 г. помещалась в реактор. Реактор продували сухим азотом, а затем в него заливали порцию НДМГ в количестве 3 мл. Стружка выдерживалась в течении 24 часов, после чего производилось удаление НДМГ двумя способами:- продувка сухим азотом при 50оС  до полного удаления его из потока отходящего азота,- промывка растворителем бензолом марки Х.Ч. с последующей продувкой сухим азотом при 50оС до отрицательной реакции на НДМГ в отходящем газе.

   Очищенные образцы подвергались анализу на содержание в них капиллярно-конденсированного НДМГ. Методика анализа была основана на том, что капиллярно-конденсированный НДМГ, как и любая другая жидкость испаряется из пор, если наружное давление падает до нуля. 

  Эксперимент проводился в адсорбционно-вакуумной установке м вакуумом 10-5 мм.рт.ст. Время установления постоянного давления порядка 40 мин. при комнатной температуре. Ранее было показано, что хемосорбированный НДМГ при этих условиях практически не десорбируется с поверхности образца. Затем пары конденсировались при -196оС в специальной ампуле, которая отпаивалась от установки и сконденсировавшееся вещество подвергалось термическому разложению при температуре +350оС с последующим вымораживанием.

   Увеличение количества грамм-молей вещества после термического разложения и появление продуктов, не конденсирующихся при -196ОС, однозначно указывало на присутствие НДМГ. Это объясняется тем, что применяющиеся при десорбции жидкости бензол и вода при этой температуре не разлагаются и, следовательно, нагревание этих веществ не приводит к увеличению грамм-молей и появлению не конденсирующихся продуктов. Результаты проведенных экспериментов  приведены в таблице 8.3.1Т.

                                                                                                                            Таблица 8.3.1Т

                                                                        

                                                                              Количество  вещества, микромоль

  

№ опыта                                                   Кол-во          Кол-во          Кол-во             Кол-во             Кол-во не-                 

                           Вид обработки              вещ-ва         вещ-ва          вещ-ва,             вещ-ва             выморажи-

                                                                   до вымо-      после            выморо-         после тер-         вающихся

                                                                   ражива-       вымора-        жженное         мического        про-ов после

                                                                      ния            живания       в ампулу       разложения        терморазлож.

                                                            а1             а2            а1 –а2          а3                     а4

   1                             2                                 3                 4                 5                      7                          7   

1.                Продувка сухим                1,05                0,15              0,9                    1,39                   0,62  

                   азотом при 50оС

2.                 Промывка бензолом          1.25               0,04            1,25                     1,11                 0,11

                  и продувка сухим

                  азотом при 50оС

3.               Промывка водой          0,24            0,04         0,20                   0,42            0,03    

                  и продувка сухим

                   азотом при 50оС 

 

 

 


  Анализ данных, приведенных в таблице показывает, что  в первом эксперименте в результате  в результате термического разложения наблюдается значительное увеличение количества микромолей вещества: а3 – (а1 –а2) = 0,49 мк.моль.  Причем, наблюдалось появление не вымораживающихся продуктов  в количестве 0,62 мк моль (а4). Эти результаты свидетельствуют о присутствии в системе вещества разлагающегося при нагревании с образованием неконденсирующихся продуктов, что свидетельствует о присутвии НДМГ.

   Следовательно, продувка сухим азотом не полностью удаляет капиллярно-конденсированный НДМГ с поверхности металлических материалов.

   Иные результаты получаются при обработке образцов растворителем. При использовании бензола а порах НДМГ не обнаруживается. Количество вещества, перешедшего в вакуум, составило 1,25 мк моль ( а1 – а2 ). Однако термическое разложение  вещества не наблюдалось. Небольшое увеличение количества микромолей после термического разложения ( 0,14 мк моль) может быть связано с неточностью эксперимента. Очевидно анализируемое вещество в данном случае представляет собой остатки бензола. Этот вывод подтверждается практически полным вымораживанием при -196оС  вещества, подвергавшегося термической обработке.

   При промывке водой в вымораживающемся веществе НДМГ также отсутствует. Это подтверждается тем, что после термической обработки все вещества конденсируются при -196оС, т.е. представляют собой воду. Увеличение общего числа микромолей вещества после термического разложения ( столбцы 5 и 6 опыта 3 по таблице) может быть связано с меньшей скоростью десорбции воды являющейся полярное веществом, по сравнению с неполярным бензолом, в результате чего десорбция воды происходит не только на первом этапе опыта при 20оС в адсорбционной системе, откаченной до 10-5 мм. рт. ст, но и на последующем этапе вымораживания в ампулу.

   Таким образом, обработка образцов металлической стружки, содержащей НДМГ, как полярным, так и неполярным растворителем приводит к удалению капиллярно-конденсированного НДМГ.

   Из  полученных данных можно определить количество НДМГ, находящегося  в металле и на его поверхности с учетом продукта:

                               Q сорб.- хемосорбированного на поверхности,

                               Qдиф.  - продифундировавшего в металл,

                               Q кап. кон. – капиллярно-конденсированного в поверхностных порах металла.

  Емкость монослоя НДМГ, хемосорбированного на поверхности сплава АМг6, составляет 5 мк. моль/м 2, что соответствует Qсорб. = 0,3 мг/м2.

   Исходя из ранее полученного коэффициента диффузии НДМГ в сплав АМг6 можно определить количество НДМГ продифундировавшего на площади 1 м2 . Расчет ведется по формуле 8.1.1Ф. В расчете принимаются следующие величины:

  Д = 2,45.10-13 см2/сек, ;  Со = 8,4.10-4 г/см2;  τ = 1 год- 3,15.107 сек;  S = 1 м2- 1.104 см2

                             Исходя из расчета Qдиф. = 0,013 мг/м2

  Используя данные приведенные в настоящем разделе, можно определить количество НДМГ , проникшее в микропоры на поверхности металла. Исходя из таблицы 8.3.1Т , данные в которой рассчитаны на 1 г. стружки с удельной поверхностью  0,36 м2/г., количество капиллярно-конденсированного НДМГ составит Qакп.кон.= 0,9 мк.моль ( а1 – а2 ). Для 1 м2 количество НДМГ  составит Qкап кон.. =  0,9: 0,36 = 2,5 мк.моль или 0,15 мг/м2.

   Величина Qкап.кон.. зависит от состояния обработки  поверхности металла и, следовательно, от количества микродефектов на ней. В данном случае можно полагать, что поверхность стружки наиболее разветвленная и на ее поверхности находится наибольшее количество микродефектов. При этом необходимо отметить, что удельная поверхность стружки равная 0,36 м2/г, также как и окиси алюминия, замерена по низкотемпературной адсорбции криптона. В связи с этим на единице площади фактическая поверхность, находящаяся в контакте с НДМГ, будет значительно выше и, соответственно, будет большее количество капиллярно-конденсированного НДМГ.                                  

 

 

 

 

 Итого, на поверхности сплава АМг6 площадью 1 м2 , бывшей в контакте в течение года с НДМГ, после его слива и продувки сухим азотом может остаться НДМГ:

 

 

                Qсум. = Qсорб. +  Qдиф. +  Qкап.кон.  =  0,3 + 0,013 + О,463 мг.             ………….(8.3.1Ф)

 

Это количество НДМГ будет медленно выделяться с поверхности и постоянно загазовывать окружающую среду. Сравнивая полученные результаты видно, что наиболее существенный вклад в выделение продукта идет за счет хемосорбированного и капиллярно-конденсированного продукта, поэтому при разработке методов нейтрализации изделий необходимо наиболее уделять внимание удалению этих составляющих.

 

8.4.  Исследование взаимодействия АТ и НДМГ  с поверхностью окиси алюминия

        методом ИК-спектроскопии

 

   Ранее было установлено преимущественное влияние химического взаимодействия НДМГ с алюминиевой поверхностью. Для разработки метода нейтрализации, прежде всего необходимо исследовать природу химической связи компонентов с алюминиевой поверхностью, учитывая нахождение на ней пленки окиси алюминия.

   Взаимодействие АТ и НДМГ с поверхностью металла  в сущности сводится к взаимодействию этих веществ с окисной пленкой. Известно, что структура и свойства этой пленки близки  к структуре и свойствам чистой окиси алюминия. В связи с этим, окись алюминия может служить удобной моделью для изучения природы взаимодействия компонентов АТ и НДМГ с поверхностью алюминиевых сплавов. Наиболее эффективно это можно сделать с помощью ИК-спектроскопии. Такие исследования были проведены в работе [116] с использование методики,  описанной в работе[119], результата которых приводятся далее.

   ИК-спектры снимались в цельно паянной системе в которую помещали пористые таблетки, спрессованные  из порошка окиси алюминия и фиксировалась в рамкодержатель. Поверхность таблетки предварительно очищалась прокаливанием на воздухе при 500оС в течение 4-х часов, а затем в вакууме 10-5 мм.рт.ст. при той же температуре в течение 2-х часов. АТ и НДМГ вводились в систему путем разбивания при комнатной температуре шариковой ампулы. Десорбция осуществлялась путем вымораживания продуктов жидким азотом при одновременном нагревании образца. Спектры регистрировались на ИК-спектрометре ИК-20 с призмами КВr, NC  и LiF. Отнесение полос поглощения по НДМГ  проводилось на основании работы [120], а АТ по работе [121].

   ИК-спектры  НДМГ приведены на Рис. 8.4.1Р,  Собственно поглощение окиси алюминия в области 4000-1100 см-1 незначительно. Полосы 3680 и 3750  см-1 принадлежат, как известно, [119] гидроксильным группам поверхности окисла алюминия.  При адсорбции НДМГ возникает серия новых полос в области 2850 – 2976 см-1 и 1250 – 1650 см-1 . Эти полосы сохраняются при десорбции НДМГ в вакууме при температурах от 100 до 300оС, что указывает на значительную прочность связи молекул НДМГ с поверхностью.

   ИК-спектры НДМГ на окисле и чистого продукта существенно отличаются. Полосы гидроксильных групп, принадлежащих окислу алюминия  исчезают и появляется широкая полоса ву интервале 3550 – 3700 см-1 . Появление такой полосы однозначно указывает на образование водородной связи между молекулами адсорбата и гидроксильными группами:

 

 


                [      А ℓ      О       Н………Н    N       N        СН3  ]             ……………….( 8.4.1Ф)

                                                            Н                         СН3 

 

 Эта полоса сохраняется после десорбции при 100оС, но полностью исчезает при 200оС. При этом интенсивность полос гидроксильных групп восстанавливается.

   Таким образом, установлено, что нагревание в вакууме выше 100оС приводит к разрушению водородной связи молекулы НДМГ  с гидроксильным группами поверхности  окиси алюминия. Однако и выше 100оС  значительное количество НДМГ удерживается поверхностью окиси алюминия. Анализ спектрограммы показывает, что наиболее сильное возмущение в результате адсорбции испытывает аминогруппа молекулы НДМГ . Полосы валентных колебаний этой группы наблюдаются лишь при комнатной температуре, когда на поверхности окиси алюминия присутствует и физически адсорбированный НДМГ. Десорбция при 20оС приводит к исчезновению валентных колебаний аминогрупп в диапазоне 3225-3240 см-1.Можно предположить, что такое изменение спектров происходит в результате образования донорно-акцепрной связи аминоструктуры с поверхностью, поскольку наиболее вероятным типом центров окиси алюминия, которые могли бы участвовать в образовании связи аминогруппы с поверхностью, являются апротонные центры. Известно, что эти центры по своим свойствам близки к типичным апротонным кислотам, например, АℓСℓ3. Следовательно, характер взаимодействия НДМГ с протонными центрами окиси алюминия должен быть аналогичным взаимодействии НДМГ с хлористым алюминием, также как и на окиси алюминия, наблюдается значительное смещение полос деформационных колебаний аминогруппы с полосами 1320 -1280 см-1 и 1600- 1590 см-1.

    Вместе с тем известно, что при таком взаимодействии происходит значительный сдвиг полос валентных колебаний аминогруппы в сторону понижения частоты[122]. Поэтому в нашем случае происходит не исчезновение полосы валентных колебаний аминогрупп, а ее смещение примерно на 300 см-1 в сторону меньших частот и совмещение с полосой колебания метильных групп. В области деформационных колебаний аминогруппы полоса 1600 см-1 сохраняется неизменной, но частота полосы 1320 см-1  уменьшается до 1300 см-1.

   Таким образом, приведенные выше данные п ИК-спектроскопии рассматриваемой системы, однозначно указывают на то, что хемосорбция  НДМГ сопровождается образованием достаточно прочной донорно-акцепторной связи аминогруппы с апротонными центрами на поверхности и менее прочной водородной связи с гидроксильными группами поверхности окиси алюминия.

   ИК-спектры АТ адсорбированного на поверхности окиси алюминия  приведены на Рис. 8.4.2Р. В спектре АТ,  адсорбированного на поверхности окиси алюминия наблюдаются  две широкие и интенсивные полосы частотой 1230 -1330 см-1 и 1530 – 1640 см-1. Интенсивность этих полос медленно уменьшается с повышением температуры десорбции и полностью исчезают при 500оС. Частоты этих поглощений близки к частотам газообразного АТ,   у которого они составляют 1620  и 1320 см-1, однако ширина полос очень велика. Возможно эти полосы соответствуют образованию связи молекулы АТ  с координационно ненасыщенным атомом Аℓ поверхности окиси алюминия. Полосы, соответствующие такому типу связи АТ с металлом имеет частоту 1500 ± 20 см-1 и 1210 ± 20 см-1[121].

   Проведенные исследования ИК-спектроскопией показали, что молекулы АТ и особенно НДМГ прочно удерживаются на поверхности сплавов и и используемые методы их удаления путем продувки при 50оС не могут быть достаточно эффективными. Для полного удаления компонентов топлива необходим поиск химических методов, которые могут быть основаны на вытеснении адсорбированных молекул с поверхности, связывании их в комплекс или полном разрушении адсорбированного вещества.

 

 

8.5  Выводы по главе

 

 

1. Проведенные расширенные эксперименты по изучению диффузионного проникновения окислителя АТ в сплав АМг6 позволили установить уточненный коэффициент диффузии для сплава АМг6. Для сплава АМг6-М и АМг6-Н коэффициент диффузии составил 1,3-1,55. 10-13 см2/сек. вместо ранее определенного 2,2.10-13 см2/сек. Данными исследованиями установлено влияние структуры сплава на диффузионную его проницаемость. Для околошовной зоны сварного шва он возрастает примерно в два раза.

 

 

 

 

 

 

2. Экспериментально установлено, что при адсорбции НДМГ, в основном, имеет место хемосорбция. Количество адсорбированного и прочно удерживаемого продукта на стенке достаточно велико. Емкость адсорбированного мономолекулярного слоя  при температуре +73оС составляет 775 мк.моль/гоамм и возрастает до 1350 мк.моль/грам при температурах – 21оС

 

3. Показано, что на 1 м2 стружи сплава АМг6 помимо сорбированного НДМГ, содержится 0,15 мг НДМГ капиллярно-конденсированного в поверхностные микропорах.

 

4. Устанавлено, что адсорбция АТ и НДМГ на окисных пленках алюминиевых сплавов не является обычной физической адсорбцией, а является хемосорбцией  и такие методы очисти топливных трактов, как используемая отдувка азотом при 50оС, не может быть достаточно эффективной.

 

 

 

5. Для полного удаления компонентов топлива с поверхности стенок топливного тракта необходим поиск химических методов, которые могут быть основаны на вытеснении адсорбированных молекул с поверхности, связывая их в комплексы или полном разрушении адсорбированного вещества

 

(Примечание. Далее Рис. 8.1.Р – 8.4.2Р брать из файла со сканирования. Выпуск 3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 9  ИССЛЕДОВАНИЕ ОЗОНИРОВАНИЯ  ОСТАТОЧНЫХ КОЛИЧЕСТВ 

                КОМПОНЕНТОВ В БАКАХ

 

9.1. Использование озона при удалении НДМГ с металлических поверхностей.

 

  Существует несколько физических и химических способов, которые можно было бы использовать  для удаления НДМГ с поверхности металла. [123].

   К физическим способам относятся:

- промывка водой или органическими растворителями. Этот метод основан  на способности НДМГ неограниченно растворяться в воде и некоторых органических растворителях, таких как бензин Б-70, этиловый спирт, трихлорэтилен и др.

- отдувка инертным газом или горячим паром, которая основана на высокой летучести и упругости паровой фазы НДМГ.

   К химическим методам относится нейтрализация НДМГ, как основания, например, водными растворами бихромата калия, хлорной извести или натрия и другими веществами, содержащими активный хлор.

   Каждый из перечисленных методов имеет свои достоинства и недостатки. Промывка водой  или соединениями хлора могут вызвать коррозию металлических поверхностей, а продувка  инертным газом, в том числе азотом, полностью не очищают емкости , как было показано ранее, от остатков НДМГ.

   Наиболее полное удаление НДМГ с поверхности будет достигаться при его обработке окислителями, которое сопровождается  полным разрушение его молекулы. Известные окислители, такие, как хлор не применимы, по отмечавшейся причине.

   В настоящей работе изучен процесс разрушения молекулы НДМГ методом его озонирования [124] . Озон является одним из перспективных окислителей для подавляющего количества органических соединений и для целого ряда неорганических веществ.[125]. Особенно ценным в этом случае является то, что при проведении реакций с озоном не происходит загрязнения внешней среды продуктами распада. В этом случае продуктами распада являются простейшие химические соединения  СО2, Н2ОN2 и другие.

   При контакте с озоном хемосорбированный и капиллярно-конденсированный НДМГ окисляется до полного разложения его молекулы на не токсичные и легко удаляемые продукты  последующей продувкой сухим азотом. Процесс разложения молекулы идет   по реакции:

                   СН3

                                             N       Н N2 + 4О3 = 2СО2 + N2 + 4Н2О + 2О2      ………..(9.1.1Ф)

                                СН3

  В проведенных экспериментах использовалась кислородо-озонная смесь, содержащая от 1 до 3% озона, которая получалась в озонаторе КГЭ при напряжении 3 кв. с использованием окиси алюминия в качестве модели окисной пленки алюминиевого сплава. Поверхность образца окиси алюминия составляет 215 м2/г. Испытания проводились в следующей последовательности.

    Один грамм окиси заливался НДМГ и выдерживался в течение суток. Избыток продукта удалялся продувкой сухим азотом при 50оС. После этого начиналась продувка озоново- кислородной .смесью со скоростью от 5 до 10 л/час. Окончание процесса определялось по времени прекращения поглощения озона. Содержание озона в выходящей смеси контролировалось непрерывно с помощью спектрофотометра СФ-4. Для анализа озона использовалась полоса поглощения 3050 ангстрем. Калибровка прибора производилась при использовании классического йодометрического метода  анализа озона. Количество поглощенного озона производилось по разнице содержания озона во входящей и исходящей смеси. Концентрация НДМГ в паровой фазе составляла от 0,2 до 2,2 мк.моль/грамм окиси алюминия . Температура начала опытов устанавливалась от – 73оС до 40оС.. Количество поглощенного озона, полученное в работах [127,128,129] приведено на рисунках Рис. 9.1.1Р, 9.1.2Р,  9.1.3Р.

   Экспериментально установлено, что процесс озонирования протекает интенсивно с самого его начала. Спустя 5 минут 60%  НДМГ, находящегося на поверхности снимается озоном. Реакция практически заканчивается в течение двух часов. На разложение 1 моля НДМГ, в среднем, идет 4 моля озона независимо от его концентрации в смеси. Скорость прокачки смеси и ее температуры изменяют только скорость реакции.

   Проведенные исследования показали, что реакция окисления  НДМГ озоном идет со значительным выделением тепла. Тепловой эффект, реакции, рассчитанный по термодинамическим данным, составил  609,1 какл /моль. Реактор в процессе эксперимента термостатировался, но несмотря на это, колебание температуры доходило до 13-25оС в зависимости от концентрации озона в смеси. График изменения температуры в реакторе приведен на Рис.9.1.4Р. В связи с сильной экзотермичности протекания реакции провести ее в в строго изотермических условиях не представилось возможным, поэтому энергия активации не определялась.

   Дальнейшие исследовании показали, что смеси озона с парами НДМГ до 16 мг/л и концентрацией озона до 4% объемных ( 84 мг/л) в озоно-кислородной смеси, является взрывобезопасной. Концентрация озона 4% является предельной, которая вырабатывается промышленными озонаторами. Указанные смеси не взрываются и при принудительном внешнем воздействии на них. Контакт с открытым зеркалом жидкого НДМГ с кислородо-озонной   смесью, содержащей 4% озона, не приводит к самовоспламенению продукта [129].

  Анализ окиси алюминия, прошедшей озонирование, показал, что НДМГ полностью удалился  с ее поверхности во всех опытах. Испытания проведенные на стружке сплава АД1-М с поверхностью 0,36 м2/г при озонировании с содержанием 2% озона в смеси, показали, что для удаления НДМГ после контакта со стружкой в течение семи суток потребовалась пятиминутная обработка.

  Таким образом, лабораторные эксперименты показали перспективность применение метода озонирования для нейтрализации остатков НДМГ на поверхности сплава АМг6, что позволило перейти к стендовым и натурным проверкам данного метода.

 

9.2.  Окисление озоном жидкого гептила.

 

  При сливе остатков топлива из емкости в тупиковых зонах остаются незначительные не сливаемые остатки При озонировании будет происходить непосредственный контакт озона с жидким гептилом, в силу чего возникла необходимость изучения этого процесса.

  Окисление жидкого гептила озоном [130] в специальной установке, в термостатируемый реактор которой помещалась навеска жидкого гептила. Озоновая смесь из реактора поступала в барботер с ледяной уксусной кислотой для улавливания летучих компонентов и далее поступала в спектрофотометр СФ-4. Перед началом окисления гептила уксусная кислота насыщалась озоном. За ходом окисления следили по оптической плотности выделяющегося газа.

   Анализ уксусной кислоты проводился на хроматографе ЛХМ-8МД с катарометром по теплопроводности. Скорость подачи озоновой смеси составлял от 5 до 10 л/час. Расход озона на окисление гептила измерялся по разности концентраций озона на входе и выходе из реактора. Концентрация в исходной смеси составляла от 2 до 5% объемных.

   Анализ образующихся продуктов разложения проводился на приборах «Гном» МАТ – 111фирмы Вариан и на хроматографе ЛХМ-8МД. В обоих приборах колонки были заполнены одним и тем же носителем – хроматоном  NAW – ДМСS силанизированым, пропитанным 15% Carbowaх  6000. Размер зерен хроматина составлял 0,25 – 0,315. Длина колонки на приборе «Гном» составляла 1,54 м. Разделение компонентов осуществлялось в режиме программирования температуры от 30оС до 150оС со скоростью нагрева 10оС/мин.

   Анализ на приборе ЛХМ-8МД проводился с колонкой длиной 3 м.при постоянной температуре 100оС в режиме: ток катарометра 150 ма, чувствительность 1:3, скорость газа – носителя гелия 30 мл/мин, температура испарителя 300оС. Объем вводимой дозы составлял 0,3 мл. Результаты выполненных анализов приведены на Рис.9.2.1Р.

    Из Рис. 9.2.1Р видно, что в результате обработки жидкого гептила озоном получается целый ряд соединений, важнейшим из которых является углекислый газ (СО2), нитрозодиметиламин (НДМА), диметилформамид (ДМФА), тетраметилтетразен (ТИТА). Окисление до нейтральных продуктов СО2, N2  и Н2О происходит лишь частично. Основное количество гептила до 75% окисляется до НДМА, остальная часть до ДМФА и приблизительно 4,5% до прочих продуктов.

 Как будет показано ниже, дальнейшее расщепление на простые продукты производных гептила, которые в дальнейшем именуются, как «смолы», проходит значительно медленнее.

   Представляло интерес изучить кинетические закономерности процесса окисления.  Это изучение проводилось в той же установке с навеской гептила 0,5 мл (6,5. 10-3 моль). Озон подавался при 20оС с концентрацией 2% со скоростью 5 л/час. Полученная  кинетическая кривая представлена на Рис. 9.2.2Р, где по оси ординат отложена оптическая плотность «Д озоновой смеси на выходе из реактора.

   Исследование показало, что в первые моменты реакции вследствие полного поглощения озона, концентрация на выходе из реактора становится близкой к нулю. Затем происходит рост оптической плотности, и содержание озона асимптотически приближается к исходной концентрации. Если сравнить результаты кинетических измерений с данными хроматографического анализа продуктов окисления, то что резкое возрастание концентрации озона отвечает высокой скорости окисления гептила до НДМА. Спустя два часа после начала реакции окисляется 75% гептила и расход озона при этом составляет 4,8.10-3 моль. Проведенный расчет показал, что на моль исходного жидкого гептила расходуется один моль озона, из которых 2/3 моля идет на образование НДМА, а 1/3 моля озона идет на образование остальных компонентов смеси. Расчет количества озона, пошедшего на окисление гептила производился по формуле:

                                                         

                                               nоз  =  S A V 10-3                  ……………………. (9.2.1Ф)

                                                                  М

где:   nоз  - число моль озона

          S   -  площадь, заключенная между экспериментальной кинетической кривой и прямой,

                   отвечающей исходной концентрации озона,

          А  = 137 – коэффициент пересчета оптической платности в концентрацию озона в мг/л,

          V  -   скорость подачи озоновой смеси , л/час,

           М = 48 – молекулярный вес озона.

При расчете принималось во внимание количество озона растворенного в уксусной кислоте и пошедшее на окисление продуктов, выносимых из ректора потоком озоновой смеси. Эта величина при 18оС составляет 0,56.10-3 моль озона.

  Если сравнить полученные результаты с найденной ранее [128] для гетерогенного окисления гептила на поверхности адсорбата окиси алюминия и сплавов АМг6, то оказывается, что в случае гетерогенного окисления расход озона выше и составляет 2. 3/3 моль на моль гептила на силикагеле и 4 моль на моль гептила на алюминие.  На основании анализа продуктов гетерогенной реакции было установлено, что в обоих случаях происходит полное окисление гептила до нейтральных продуктов СО2, N2 и Н2О.

    Таким образом, условия проведения эксперимента – гетерогенное окисление  на поверхности, или окисление жидкого гептила, являются важнейшими факторами, определяющими направление и механизм реакции окисления гептила озоном. Окисление жидкого гептила приводит к образованию продуктов не полного окисления, так называемых смол, и лишь затем последние подвергаются воздействию озона.

 

9.3.  Исследование условий образования «смол» при контакте гептила с кислородом, а

        также  изучение процесса их озонирования

 

  В ходе предварительных экспериментов было установлено, что при продувке образцов азотом идет процесс смолообразования, в котором решающую роль играет наличие кислорода в продуваемой газовой смеси. В данном разделе излагаются результаты проведенного исследования процесса смолообразования , а также озонирования получаемой смолы

   В исследованиях использовался, в основном, чистый кислород с тем, чтобы ускорить процесс смолообразования. С целью приближения процесса смолообразования к натурным условиям процесс изучался на стружке сплава АМг6. Для получения смол использовался проточный стеклянный реактор. Скорость газовой струи измерялась ротаметром и обеспечивалась  равной 2 л/час. при 20оС. Отбор проб в бюксы для анализа получающихся продуктов производился через определенные промежутки времени. Анализ смол проводился на приборе «Гном» с одновременным массоспектрометрированием смол. Результаты хроматографического анализа состава смол, полученных при разных временах контакта  гептилом с кислородом, представлены в таблице 9.3.1Т, в которой смолам присвоены номера 1, П, и т.д. Для 10-часового контакта проведено два параллельных опыта (смолы Ш и 1У), характеризующих воспроизводимость смол. Как видно проведение повторных опытов показало  вполне удовлетворительную  воспроизводимость их состава.

 

                                                                                                                         Таблица 9.3.1Т

 

 


  Смола        Время контак.     Объем пропу-      Цвет                           Содержание компонентов в %

                       с кислор.,            щенного кис-     смолы

                           час                  лорода, л                           СО2   ТМА   НДМГ  ТМТА  НДМА  ДМФА

                              

Смола 1           4                     8             Светло        1,4      2,0      79,8        2,2       2,0          1,2

                                                               желтый

Смола П          8                    16            Желтый       4,3      5,5       45,5       3,7       10,9        2,6

Смола Ш        10                   20            Желтый       6,0      3,8        39,3      2,7        17,8       4,0

Смола У          12                  24             Коричн.      7,4      4,2        41,2      2,9        19,6       7,2

Смола У1        14                   28            Коричн.     10,5     1,8       32,6      1,2        26,5       11,8

Смола УП        23,30             47            Темно-        8,3      2,2        23,2      1,5        23,7       15,5

                                                                коричн

Смола Х1        14                   7             Светло       9,7      5,25      46,0      5,6        3,0         2,8

                                                                желтый                                

                      Стояние            7             Желтый      6,8     7,2        32,5      12,5      22,0       5,9    

                        30 дней

 

 


Из приведенной таблицы видно, что с увеличением времени обработки кислородом происходит постепенное увеличение количества СО2.ю НДМА и ДМФА, количество двух других компонентов ТМА и ТМТА  с ростом пропущенного кислорода проходит через максимум при 10 часах. Спустя 14 часов наблюдается установление стационарной области, характеризующейся малым содержанием этих компонентов. Содержание гептила снижается по мере роста выдержки. В стационарной области скорость образования ТМА и ТМТА становится равной скорости их окисления.

   Результаты проведенного эксперимента показали, что объем пропущенного кислорода играет существенную роль при формировании количественно и качественного состава смолы. Кроме того, увеличение времени контакта гептила с кислородом от четырех до четырнадцати часов приводит к более быстрому превращению гептила (в 2,7 раза) и, соответственно, к более быстрому накоплению продуктов полного и не полного окисления ге5птила: СО2 растет в 6,9 раза, ТМА - в 2,6 раза, ТМТА - в 1,5 раза ДМФА - в 2,3 раза, т.е.увеличение времени обработки кислородом в 3,5 раза приводит в среднем к трехкратному возрастанию продуктов полного и не полного окисления гептила.

    Следует отметить, что контакт смолы Х1 с кислородом воздуха в результате ее 30 дневного хранения приводит к тем же результатам, т.е. процент превращения гептила в продукты окисления становя еще выше.

     Для изучения влияния температуры продувки на состав смол были получены смолы при температуре 50оС, результаты анализа сотава которой представлены в таблице 9.3.2Т.

 

                                                                                                                           Таблица 9.3.2Т.

 


    оС     Смола   Пропу-                                          Содержание продуктов в 5

                            щено О2

                                л.             СО2    ТМА     НДМГ     ТМТА      НДМА    ДМФА    Прочие

 


     20         1           8               1,4        2,0         79,8          2,2             2,0            1,2           11,4

                  П         16              4,3        5,5         45,5          3,7             10,9          2,6           27,5

   

     50        УШ         4              1,6        6,5         67,1          3,3             12,1          2,3            7,1

                            8              6,1        1,9         50,5          3,4             10,4          3,3          24,5

                    Х        16             11,7       2,5         27,5            -               18,0         11,8         28,5             

 


  Из приведенной таблицы видно, что с ростом температуры резко возрастает скорость всех процессов. Это приводит к увеличению количества продуктов не полного окисления.

  С целью определения наиболее оптимальной температуры обработки гептила было изучено методом УФ-спектроскопии образование аминов в процессе окисления гептила при различных температурах[131]. Относительные оптические  в % плотности полос 320 и 225 нм. в водных растворах смолообразных продуктов приведены в таблице 9.3.3Т.

                                                                                                                     Таблица 9.3.3Т

 


                                 оС                    Полоса 225 нм.                  Полоса 320 нм  

                                                 

                                                     Соединение         %             Соединение        % 

 


                                  50                                            1,0            N-нитрозо-        1.0

                                  40                   Амины             0,8             амины               0,6

                                  30                                             0,42                                     0,05

                                  20                                             0,14                                      0,0  

                             

Из таблицы видно, что с понижением температуры отдувки от 50оС до 30оС способствует уменьшению количества образующегося токсичного  N- нитрозосоединения в 20 раз. Для простых аминов зависимость от температуры менее резкая. На основании этих данных была выдана рекомендация о применении озонирования при отдувке изделий в процессе их нейтрализации.

   С целью изучения закономерностей процессов окисления смол, ранее полученные смолы П, Ш, У и Х1 подверглись озонированию 3%  при 20оС и скорости продувки 5 л/час. Образующиеся продукты подвергнуты были хроматографическому анализу. Полученные результаты весьма близки для всех указанных смол, в силу чего в таблице 9.3.4Т приводятся данные только одной смоле Ш, время продувки которой составило 14 часов. Количество продуктов в таблице выражено в процентах. Недостающее количество до 100%  составляют нерасшифрованные продукты. После продувки в течении 14 часов смола приобрела вид сухого остатка и из нее была сделана водная вытяжка, в силу чего на хроматограмме. появилась Н2О.

    Из таблицы видно, что в начале озонирования озон расходуется, в основном, на доокисление гептила, а затем  окисляются продукты его неполного окисления. Основным продуктом окисления смол к концу продувки остался ДМА, который при достаточно большом времени контакта с озоном ДМА, доокисляется с образованием СО2. На основании формулы 9.2.1Ф проведен расчет количества озона, пошедшего на полное окисление смолы. Расчеты показали, что на окисление 5 мг смолы необходимо 50 мг озона.

 

 

                                                                                                                              Таблица 9.3.4Т

 


             Наименов.                                    Время озонирования,  час.      

             продуктов

                                         0          2          4           6           8         10         11         14 

               

                 СО2               6,0       6,7      10,7        9,1       13,1      62,1     30,8        -

                 ДМА               -           -        3,3         3,3        14,2        -        29,8       14,2

                 ТМА              3,8       1,4        -             -            -           -           -            -

                 НДМГ           39,3     28,2    2,8          2,1        2,7       5,7       3,3           -

                 НДМА          23,7     28,3    42,7       62,0        6,0       9,0      7,8           -

                 ТМТА             2,7       5,1      -             -             -           -         -              -                                                                                                           

                 ДМФА           6,2        5,6      9,2       14,2        8,4        2,9     3,8            -

                 Н2О                  -            -         -            -             -           -         -           58,2     

        

 

9.4.  Разложение озона на поверхности сплава АМг6  и определениие потребного

         количества озона.

 

    Известно, что озон способен гомогенно разлагаться вследствие экзотермического процесса:

 

                                                        О3             3/2 О2                           ……………(9.4.1Ф)

    Однако при комнатной температуре должно протекать крайне медленно. Гомогенное разложение озона идет со значительной скоростью лишь при температуре 100оС[132]. Вторым возможным процессом гетерогенное каталитическое разложение озона на поверхности АМг6. Пассивированный алюминий считается устойчивым по отношению к озону[133] вследствие того, что на поверхности металла образуется тонкая пленка инертной окиси алюминия. В то же время окись алюминия с сильно развитой поверхностью способна каталитически разлагать озон [134]. В случае АМг6 также должно происходить каталитическое разложение  озона и, как следствие, пассивирование поверхности. Количественные величины того процесса в литературе отсутствуют.

   Для проведения опыта по разложению озона был использован бачек предварительно очищенный от хемосорбированного  гептила. После выдержки бачка в течении 3-х месяцев хранения, натекания НДМГ за счет десорбции не было, что позволило считать бачек практически чистым. После этого бачек заполняли смесью озона с 5%-м его содержанием с общим его количеством 1г. Заполнененный бачек был выдержан в течение 45 суток, концентрация озона в котором в начале после заполнения, составляла 6 мг/л. Результаты опыта представлены в таблице 9.4.1Т [115].

                                                                                                                             Таблица 9.4.1Т

 

 


          Время выдер-      0       1       2       4        7        9      11      15      20      30      45

           ки, сутки

 


           Конценра-         6,0    3,8    3,4    2,7     1,6     1,2    0,9    0,4      0,2     0,08     0    

           ия О3 мг/л

 


           %% разло-           0     36     45     55      73      80     85     93       97      99      100

            жения О3

 


  Анализ полученных результатов показывает, что АМг6 является более сильным катализатором разложения озона, чем окись алюминия. По-видимому, повышенная каталитическая активность АМг6 объясняется наличием в сплаве легирующих добавок других металлов.

    Обнаруженное каталитическое разложение озона на поверхности АМг6 приводит к возрастанию количества озона, затрачиваемого на окисление НДМГ. Однако, нельзя считать, что весь озон, разлагающийся на поверхности, расходуется не производительно. Известно, что высокая окислительная способность озона обусловлена, прежде всего, образованием атомарного кислорода при его разложении [135] :

 

                                                О3        О2  +  О                                          …………..(9.4.1Ф)

 

    Атомарный кислород  «О» очевидно является наиболее активным агентом окисления НДМГ. Способность АМг6 каталитически разлагать озон может оказаться полезной, если учесть, что использовании озона в штатных системах нейтрализации, необходимо будет решать задачу удаления остатков озона в баках. В баках из АМг6 оставшийся озон будет самопроизвольно разлагаться.

   Проведенное изучение характера процесса окисления озоном сорбированного гептила, продуктов его неполного окисления, а также разложение самого озона позволяет произвести количественную оценку потребного количества озона, необходимого для нейтрализации   остаточных количеств гептила в баках. Следует отметить, что она будет сугубо ориентировочной, поскольку на потребное количество озона будет влиять ряд факторов. После слива количество оставшегося гептила в баке, будет не всегда одинаковое и зависит от полноты его слива. Кроме того, будет влиять качество выполнения отдувки, наличие и количество образовавшихся смол и других, не учтенных факторов, которые не поддаются расчетной оценке. Поэтому, количественная оценка должна проверяться на штатных изделиях.

    Формула для определения необходимого количества озона для нейтрализации гептила, находящегося в газовой фазе и в адсорбированном состоянии на стенках емкости, будет меть вид [136]:

                             m O3 =  Кстех. Кразл. Кзап. ( С. Р.V + АS)                          ………….( 9.4.2Ф)

где: 

      mоз  - общее количество озона, г

       Кстех.= 3,2 – стехиометрический коэффициент,

       Кразл.= 7 – коэффициент разложения озона,

       Кзап .= 4  - коэффициент запаса

                  С  -  концентрация гептила в паровой фазе, мг/л

                   Р  - давление в баке, ата,

                   V  - объем бака, л

                    S  - площадь внутренней поверхности бака, м2,

 

  Определение значений величин коэффициентов производилось из следующих соображений.

Коэффициент разложения равным семи принимался исходя из того, что основная масса озона, которая разлагается, принималась равной порядка 88%, а количество озона, идущего на окисление, принималось равным 12% . Коэффициент запаса рекомендуется принимать равным четырем при начале отработки озонирования и в дальнейшем он должен снижаться. Коэффициент А =3 мг/м2 получен на основании ранее проведенного изучения адсорбции гептила на поверхности сплава АМг6. Емкость монослоя гептила на  1 м2 на геометрической поверхности составила о,3 мг, а капиллярно-конденсированного  0,15 мг/м2. В расчете величины коэффициента «А» принималось, что в адсорбированном продукте содержится три монослоя.

   На основании снятия многочисленных профилограмм установлено, что истинная поверхность сплава АМг6  после химтравления в 2,5 раза больше геометрической поверхности за счет разветвленной поверхностной структуры [137]. Поэтому удельная величина адсорбции увеличивалась в 2,5 раза.

 

 

 

9.5. Озонирование модельных бачков и штатных изделий.

 

   Первые эксперименты по проверке технологии полной нейтрализации баков гептила методом озонирования были проведены на двух штатных изделиях УР-100 в одной из войсковых частей [136,138]. Озонирование поводилось П-й ступени после частичной нейтрализации методом отдувки по инструкции И-17. Остаточная концентрация в баке составила 0,01 – 0,05 мг/л. В бак было введено  20 г. озона, несмотря на то, что расчетное количество озона, определенное по формуле 9.4.2Ф, составляло для бака второй ступени 195 г и для бака первой ступени 670 г.  Это объясняется тем, что как в этом эксперименте, так и в последующих, использовался мало производительный лабораторный озонатор ЛГО-15. Выдержка с озоном осуществлялась в полевых условиях при средней температуре – 15оС в течение 110 суток.

    После выдержки в баке первого изделия обнаружено наличие диметиламина (ДМА) с концентрацией 0,0002 мг/л при ПДК = 0,001 мг/л и на внутренней поверхности имелась полоса темно коричневого цвета шириной 20 мм смолообразного вещества.  Пары гептила отсутствовали. На втором изделии в баке мелись пары гептила, с концентрацией 0,002 мг/л и также имелась полоса смолообразного налета светло зеленого цвета.

    Полученные результаты показали эффективность использования озонирования при нейтрализации, даже при таком небольшом количестве введенного озона, в девять раз меньше необходимого расчетного количества. Наряду с этим, данный эксперимент показал, что в баках, которые находились при хранении все время  в горизонтальном положении, по нижней образующей внутри бака образуются полоски смолянистого вещества, представляющие собой рассматривавшиеся ранее смолы, из которых выделялись специфические запахи аминов. Проведенная последующая дополнительная обработка озоном вырезанных из баков образцов со смолами показала возможность полной очистки поверхностей баков.

   Дальнейшие исследования проводились на модельных бачках диаметром 600 мм. , которые находились с гептилом в течении 30 дней. Продувка первого бачка после слива осуществлялась с расходом азота, моделирующим штатный режим продувки, применяемый на ракетах. Остаточная концентрация гептила в нем после продувки составлял 0,01 мг/л.  Второй бачек при достижении  концентрации 2,5 мг/л был прокручен вокруг горизонтальной оси на 360оС после чего продувка продолжалась до достижения концентрации 0,014 мг/л. Спустя четыре дня бачки были осмотрены. Осмотр показал, что введение прокрутки на 360оС во время продувки значительно уменьшает количество смолообразных продуктов за счет растекания гептила по стенке, что облегчает процесс его испарения.

   Проведенные лабораторные исследования показали, что на процесс смолообразования существенное влияние оказывают наличие кислорода в азоте, температура и время отдувки и необходимость введение прокрутки изделия во время отдувки.

    С учетом данных рекомендаций была проведена нейтрализация шести штатных изделий с использованием озонирования с тем же озонатором, температура отдувки была снижена до 30оС и введена прокрутка.  Результаты осмотра баков показал, что на их внутренних поверхностях было значительно меньше смоляных продуктов. Их было настолько мало, что на вырезанных образцах из баков не представилось возможным отобрать пробы для их анализа. Вместе с тем, качество поверхностей по количеству смол было у всех изделий различное, что свидетельствует о существенном влиянии процесса слива продукта с изделия, в результате чего в изделиях остаются различное количество не слитых остатков продуктов. И, главное, необходимо иметь промышленный озонатор с необходимой производительностью.

 

9.6.  Исследование взаимодействия амила с озоном на поверхности окиси алюминия

 

  Проведенное исследование адсорбции НДМГ на поверхности АМг6 , а также его окисления и разложения на нетоксичные продукты при озонировании, позволило предложить озонировании как метод нейтрализации гептила, который внедрен при нейтрализации агрегатов. В силу  этого представляло интерес в целях унификации методов изучить взаимодействие озона с амилом.

  Известно, что окислы азота  способны окислятся озоном. Инертная молекула азота, в определенных условиях,  также окисляется озоном до окиси азота [139]. В зависимости от условий, при окислении окислов азота, могут образовываться различные продукты, которые в итоге, приходят к образованию пятиокиси азота [140]. Независимо от степени окисления азота реакции с озоном протекают практически мгновенно.

    Пятиокись азота  представляет собой нестойкое белое кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде с образованием азотной кислоты, ангидридом которой она является:

                         

                                      N2О52О          N3                                     …………….(9.6.1Ф)

 

   Пятиокись азота легко распадается с образованием двуокиси азота и кислорода по реакции:

 

                                     2 N2O5            4 N О2  +  О2                               ……………..(9.6.2Ф)

 

  Однако в присутствии озона этот распад незначителен [141]. Но все эти данные относятся к газообразному окислению азота. По гетерогенному окислению окислов азота, находящихся в адсорбированном состоянии на поверхности, в литературе сведений не имеется. Первые данные по тому вопросу были получены в работе [130].

 В данной работе в качестве  адсорбента использовалась окись алюминия. Методика проведения экспериментов была аналогичной той, которая  использовалась при изучении гетерогенного окислителя гептила. Реакция протекала в, так называемом, «кипящем слое», который создавался восходящим потоком озонированного кислорода.

   Проведение реакции в «кипящем слое» имеет свои достоинства и недостатки. При этой реакции происходит выравнивание   температурного поля по реакционной зане, увеличивается степень использования адсорбента. Недостатком этого является перемешивание исходных продуктов с продуктами реакции, что, в свою очередь, сказывается на характере полей концентрации в реакторе и приводит к  уменьшению движущей силы процесса.

   За кинетикой процесса наблюдали по изменению концентрации озона на выходе из реактора  на основе измерения оптической плотности смеси выходящих газов. Анализ продуктов реакции проводился методом РН-метрии. На двух гаммовую навеску Аℓ2О3 наносилось 1,18.10-13  моль амила. Окись алюминия с образовавшимися продуктами реакции по окончании опыта обрабатывалась дистиллированной водой  и затем проводился Рн-метрический анализ, Количество азотной кислоты, образовавшейся, образовавшейся при растворении N2О5 рассчитывается по уравнению 9.6.1Ф. Результаты эксперимента представлены в таблице 9.6.1Т.

                                                                                                              Таблица 9.6.1Т

 

 

    V, л/час

Расход О3,   

    моль. 104

 

     АТ/О3

М   НNО3 /104

М  N2О5. 104

           5

         10 

         15                

            3,6

            3,7

            3,4     

           3,3

           3,7

           3,5  

          8,0

          1,46

          2,76           

          4,0

          0,73

          1,38

              

Суммарное количество озона, пошедшее на окисление амила, рассчитывалось методом графического интегрирования кинетической кривой, построенной на основе полученных экспериментальных данных.

   На основе проведенных опытов получено соотношение АТ/О3 равное в среднем 3,5 . Вместе с тем результаты показывают, что экспериментальные велbчины N2О5 оказались в несколько раз меньше, чем следовало ожидать в соответствии со стехиометрией реакции. Можно предположить, что причина этого связана с уносом образовавшегося N2О5  потоком проходящего газа.

   Полученные результаты показывают, что озонирование амила может оказаться перспективным и по нему следует продолжить исследования.

 

9.7  Выводы по главе.

 

1. Изучен способ разрушения и удаления НДМГ с поверхности сплава АМг6 путем обработки его озоном. Показано, что в этом случае конечными продуктами разложения являются простые нетоксичные соединения СО2, Н2о, N2О и другие. Установлено, что на разложение 1 ммоль НДМГ идет в среднем 4 ммоль озона.

 

2. Изучено разложение озоном жидкого НДМГ . Установлено, в данном случае окисление идет с образованием продуктов не полного разложения в отличие гетерогенного НДМГ, когда его окисление проходит полностью до образования нетоксичных соединений. Дальнейшее окисление  озоном продуктов не полного  окисления жидкого гептила идет значительно медленнее.  На разложение 1 ммоль жидкого гептила идет 1ммоль озона.

 

3.  Экспериментально установлено, что при продувке азотом поверхности сплава АМг6, бывшего в контакте с НДМГ, на его поверхности образуются смолянистые вещества за счет находящегося кислорода в азоте и состоящие из продуктов не полного окисления гептила.  Показано, что снижение температуры продувки с 50оС до 30оС снижает в среднем в 20 раз количество образующихся продуктов не полного окисления. Основным продуктом последующего доокисления смолянистых веществ является диметаламин. Для окисления 1 мг смолы расходуется 10 мг озона.

 

4. Проведенными исследованиями установлено, что сплав АМг6 обладает значительной каталитической активностью по отношению к озону и при контакте с ним порядка 85% озона разлагается в течение  первых 10 суток контакта. Составлено уравнение для расчета потребного количества озона, необходимого для озонирования баков и определены его коэффициенты на основе проведенных экспериментов.

 

5. На восьми штатных изделиях проведена экспериментальная проверка метода озонирования, которая показала его эффективность и правильность заложенных принципов в данный метод. В силу того, что использовавшимся лабораторным озонатором в изделия было введено в несколько раз меньше озона по сравнению с расчетным, в  ряде баков наблюдалось в паровой фазе наличие следового количества гептила. Данная работа показала перспективность метода озонирования гептила и необходимость продолжения работ в этом направлении. 

 

6. Изучение процесса озонирования окислителя АТ показало, что окисление амила на поверхности сплава  идет аналогично гетерогенному окислению с образованием нетоксичного  продукта - пятиокиси окиси азота. Первыми предварительными экспериментами установлено, что соотношение АТ/О3 для полного окисления АТ на поверхности сплава АМг6 составляет в среднем 3,5.

 

(Примечание. Далее Рис. 9.1.1Р – 9.2.2Р брать из файла со сканирования. Выпуск 3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

 

 

 

Глава 10    ДЛИТЕЛЬНАЯ    ПРОЧНОСТЬ   И   ПОЛЗУЧЕСТЬ   СПЛАВА   АМг6

 

10.1  Основные положения из теории Ларсена Мюллера о ползучести  и длительной

          прочности

 

   Явление ползучести сплава АМг6 было обнаружено  при длительных испытаниях на коррозию под напряжением в скобах при 50оС, когда при напряжениях ниже предела текучести наблюдалось  появление значительных остаточных пластических деформаций изогнутого образца в скобе. Это не исключало возможности появление остаточных деформаций баков, длительное время находящихся под внутренним давлением. Наибольшую опасность это может представить в местах перехода от шпангоутов к обечайкам, где за счет большей деформации обечайки по сравнению со шпангоутом, в этом месте может появиться ступенька, что приведет возникновению местных изгибных напряжений, возникающих  от продольных сил, идущих от шпангоута к обечайке.

    Данных по ползучести сплава АМг6 в литературе отсутствуют, за исключением отрывочных данных в иностранной литературе о сплаве, близкому по составу [143] и отдельных материалов по строительным конструкция [144].  Это привело к необходимости более полного изучения характеристик ползучести и длительной прочности сплава АМг6. одновременно необходимо было оценить влияние длительного контакта с АТ на эти характеристики.

  Получение характеристик по ползучести и длительной прочности связано с большой потери времени и значительных материальных затрат.  Поэтому все большее распространение находит использование параметрических зависимостей для прогнозирования данных показателей по кратковременным испытаниям при повышенных температурах.

  В качестве примера можно привести зависимости, предложенные Менсоном-Хэффердом, Менсоном-Саккопа, Ларсеном-Мюллером. Наиболее распространенной и апробированной для различных сплавов является параметрическая зависимость Ларсена-Мюллера [145], в которой напряжения представляются не в виде функции времени  до достижения заданной деформации, как это делается обычно на прочностных диаграммах, а в функции параметра:

 

                                         f( σ )  =  Т ( С + ℓg τ )                        ……………(10.1.1Ф)

 

где:  Т- абсолютная температура,  оК

         τ – время, необходимое для достижения необходимой деформации, час

         С – постоянная

Зависимость 10.1.1Ф вытекает из уравнения для скорости пластической деформации:

                                                       d ξ               -Q/ RT

                                        f ( τ )  =          =  А  е                           …………… (10.1.2Ф)           

                                                        d t

где:  Q –энергия активация,

          А =20 – постоянный коэффициент

При выводе уравнения  10.1.1Ф были приняты следующие упрощающие предположения:

- энергия активации и коэффициент не зависят от температуры, времени и напряжения,

- удлинение при разрыве не зависит от температуры и времени  при определении длительной прочности,

- истинная скорость ползучести пропорциональна средней скорости ползучести за все время испытаний, вплоть до разрушения,

- изменение истинного напряжения , происходящем вследствие уменьшения сечения образца в процессе испытаний можно пренебречь.

   Однако, перечисленные ранее упрощения не всегда могут быть выполнены. Энергия активации зависит от структуры сплава, температуры, напряжения и не является постоянной  величиной. То же относится и к коэффициенту А, поэтому коэффициент С  в уравнении 10.1.1Ф может иметь значение отличное от принимаемого равным 20. Действительную величину коэффициента С можно получить  из экспериментальных данных. Для этого необходимо иметь ряд кривых ползучести или длительной прочности сплава при нескольких температурах и различных уровнях напряжений, полученных путем испытаний стандартных образцов [146].

   Таким образом, по результатам построения параметрической зависимости Ларсена-Мюллера, при заданной температуре можно определить предел длительной прочности или ползучести сплава для любого отрезка времени. Необходимо также отметить, что определение допустимого предела ползучести можно производить  по результатам измерения скорости ползучести стандартных образцов на кривых ползучести, полученных при различных уровнях напряжений и температурах [147]. Учитывая, однако, что характер деформаций натурной конструкции, вследствие ее большой жесткости и сложного напряженного состояния, может  отличаться от характера деформаций стандартных образцов, весьма желательно проведение контрольных измерений деформаций на натурных конструкций[148]. В силу этого, были проведены следующие исследования [146, 149] :

- определение на стандартных образцах длительной прочности и ползучести при температурах 50оС, 75оС, 100оС, а также при комнатной температуре,

- определение длительной прочности и ползучести при наличие воздействия амила,

- измерение деформаций ползучести обечайки бака натурной конструкции при 50оС.

 

10.2. Исследование образцов материала

 

   Исследование длительной прочности и ползучести проводилось при испытаниях плоских образцов листового материала АМг6-М и АМг6-Н по методике согласно  ГОСТ 10ё145 – 62. На этих же образцах проверялась и ползучесть по методике в соответствии с ГОСТ 3248 – 60. Исходные механические свойства сплавов приведены в таблице 10.2.1Т.

                                                                                               

                                                                                                            Таблица 10.2.1Т

 


                      Сплав                                     20оС                             100оС

                                                       σв        σ0,2        δ         σв          σ         δ  

                                           кг/ мм2    кг/мм2      %       кг/мм2      кг/мм2    %

 


                 АМг6- М  л.2,7        32-36       16-17     22-24    31-33      16-17    30-35

                 АМг6- Н  л.2,5 *      40-43       20-33     9-10      37-38      29-32    12-14

*нагартовка 20%

    Из приведенных данных в таблице видео, что при 100оС  прочностные свойства сплава снижаются незначительно, а относительное удлинение несколько увеличивается. Характерно, что нагартованный лист при повышенной температуре  теряет прочность более интенсивно.

   На рисунке 10.2.1Р  показаны результаты испытаний  сплава на длительную прочность при 20оС, 50оС,100оС. Прямолинейное  аппроксимирование в координатах σ ─ τ показывает, что при длительности испытаний порядка 3000 часов для температуры 100оС, пределы длительной прочности сплавов АМг6 – М и Н  будут практически одинаковы. На этом же рисунке показаны результаты испытания образцов при 50оС и 100оС после предварительной выдержки в АТ в течение 45 суток и при  непосредственном контакте с окислителем. Из этих данных видно, что контакт сплава с окислителем не снижает его длительной прочности.

   На рисунках 10.2.2Р и 10.2.3Р показаны кривые ползучести сплава при различных температурах. Рассмотрение этих кривых показывает, что если при комнатной температуре мягкий сплав имеет большую ползучесть, то при 100оС они меняются местами. Это связано, по-видимому, с усилением диффузионных процессов дислокаций при повышенных температурах.

  На рисунке 10.2.4Р показано изменение параметра Ларсена-Мюллера в зависимости от температуры и напряжения для различного времени до разрушения. Интерполирование на ресурс  100000 часов для 20оС дает следующие значения предела длительной прочности:

 

               сплав АМг6 – Н   - 37,0 кг/мм2                            сплав АМг6 – М   - 30,0 кг/ммоС

 

   Следует отметить, что при определении параметрической зависимости для обоих сплавов коэффициент «С»  принят 21 полученный как средняя величина по результатам испытаний сплава АМг6 при различных температурах. Определение этого коэффициента проводилось по данным графика Рис. 10.2.1 из соотношения:

 

                  Т1 (С + ℓg τ1 ) = Т2 ( С + ℓg τ2 )       при σ = Сonst            ……….(10.2.1Ф)

 

  Зависимость предела ползучести сплава и параметра Ларсена-Мюллера (достижение остаточной деформации 0.2%) при С=21   приведена на Рис. 10.2.5Р. Для его построения также  использованы материалы исследования в ВИАМ сплава АМг6 при 150, 175 200оС.

   Из рисунка следует, что предел ползучести на ресурс 1.105 часов при 20оС составляет:

   

          сплав АМг6 – Н    - 11-12 кг/мм2                                              сплав АМг6-М -  10-11 кг/мм2

 

  Полученные результаты позволяют перейти к аналитическому определению деформаций образцов и натурной конструкции по скорости ползучести сплава АМг6.

   На Рис.10.2.2. участок неустановившейся ползучести характеризуется постоянным уменьшением скорости ползучести. На участке установившейся ползучести ее скорость можно принять за постоянную величину. Уравнения, описывающие зависимость деформаций ползучести от времени на первом участке довольно сложны. Однако расчет можно упростить , если ввести понятие о начальном скачке деформации, когда истинная кривая заменяется ломаной, путем продолжения установившейся ползучести до оси ординат ξ. Тогда деформация  с учетом ползучести определяется по формуле:

                                                                    

                                 ξ   =   ∆ξ  +  ξn τ                                                      …………(10.2.2Ф)

 

где:  ξ – суммарная деформация с учетом ползучести,

        ∆ξ – начальный скачек деформации ползучести с учетом упругой деформации,

         ξn -  скорость установившейся ползучести.

          τ  - расчетный интервал времени.

 

    На рисунке Рис. 10.2.6Р  показаны кривые скорости ползучести при различных напряжениях, полученным по кривым ползучести. Приведенный способ определения деформации с учетом ползучести применяется, когда период неустановившейся ползучести составляет небольшую долю от общего срока службы изделия.

    Зависимость  ∆ξ  = f (σ)  может быть выражена уравнением:

 

                                            ∆ξ  =  σ  tg  α                                …………………(10.2.3Ф)

 

  где  tgα определяется экспериментально по кривым ползучести. На установившейся стадии ползучести для скорости ползкчксти была принята степенная функция:

 

                                                          ξn =  А σn                                         ………………..   (10.2.4Ф)

 

которая дает удовлетворительное совпадение с экспериментальными данными. После статистической обработки экспериментальных данных для формул 10.2.3Ф и 10.2.4Ф получены экспериментальные значения коэффициентов, приведенные в таблице 10.2.2Т.

 

                                                                                                 Таблица 10.2.2Т

                                Сплав                tg                    А             n

                           

                              АМг6-Н             0,015          8,5.10-15      7,94

                              АМг6-М             0,0175        4,2.10-13      6,15

 

  По формулам 10.2.2Ф ; 3,Ф и 4Ф  можно при заданных напряжениях определить  суммарную деформацию за любо промежуток времени. В качестве примера в таблице 10.2.3Т приведены результаты определены деформаций  сплава АМг6 с учетом ползучести на базе 1.105 часов при напряжениях 8-12 кг/мм2.

                                                                                                                                  Таблица 10.2.3Т

 


          Сплав               σ                  t                   ξn                    Деформация, %

                            кг/мм2               оС              1/час             ∆ξ               ξn               ξ 

 


         АМг6-Н           12               20             2,5.10-8          0,18            0,25           0,43 

             --- «---           10               20             1,0.10-8          0,148          0,1             0,248

         АМг6-М           10               20             8,0.10-8          0,175          0,8             0,975

             ---«---              8               20             2,0 .10-8          0,14           0,2             0,34

 


 Приведенные данные по деформациям с учетом ползучести согласуются с данными, полученными с помощью параметрической зависимости Ларсена –Мюллера.

 

10.3.  Испытания укороченных блоков баков на ползучесть

 

   С целью проверки возможности использования полученных данных по ползучести сплава АМг6 для определения ползучести материала в натурной конструкции проведены измерения ползучести обечаек укороченных блоков баков. Замеры проводились в процессе коррозионных испытаний сборок при 50оС и напряжениях в обечайках:

 

                         σ 1 = 9,25 кг/мм2  - блок  Т8с816   при  Р = 2.85 атм

                         σ П = 10,0 кг/мм2  - блок  Т8с817   при  Р = 3,1 атм.

 

  Измерение деформаций ползучести еа обечайках проводились по их периметру следующим образом:

- стальным кольцом с резиновой вставкой,

- гибким тросом диаметром 2 мм с градуированным лимбом,

- четырьмя индикаторами, расположенными на обечайках в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

   Показания кольца и гибкого троса снимались визуально по шкале с точностью 0,5 мм.. Измерения индикаторами проводились дистанционно  на прибор ЭИД-3 с ценой деления 0,02 – 0,025 мм. Для этой цели индикатор снабжался тензодатчиком, регистрирующим перемещения стержня индикатора.

   Кривые приращения периметра обечайки блоков, построенные по данным измерений с помощью кольца, троса и индикатора проведенных на двух экземплярах баков, приведены на рисунках 10.3.1Р и 10.3.2Р. По этим результатам определена скорость ползучести обечайки, приведенная в таблице 10.3.1Т

 

                                                                                                                                     Таблица 10.3.1Т

 


Блок                 Т8с816-01  Т8с817-01              Т8с816-02                              Т8с817-02           

 


Измеритель      Кольцо        Кольцо      Кольцо    Трос       Индик.     Кольцо     Трос        Индик

 


Скор. полз       2,9.10-7            3,0.10-7        2,2.10-7   2,2.10-7    2,5.10-7     2,4.10-7    2,45.10-7   2,8.10-7

   1/час

 


Из таблицы видно, что скорости ползучести, определенные по результатам различных видов измерений, близки между собой.

 

  Применявшиеся средства измерения использованы впервые в практике испытаний натурных конструкций на ползучесть. Из результатов измерений следует, что измерения деформаций обечаек можно пользоваться простыми средствами, например стальным кольцом в виде рулетки, или тросом с лимбом, показания которых мало зависят от внешних условий и позволяют надежно производить измерения.

   Приведенные выше кривые ползучести обечайки измерены при 50оС. Для оценки скорости ползучести и деформаций при 20оС можно воспользоваться результатами испытаний при различных температурах стандартных пластинчатых образцов сплава АМг6 при одноосном напряженном состоянии под напряжением 10 кг/мм2 , результаты которых приведены ранее на Рис. 10.1.3Р. Полученная скорость ползучести приведена в таблице 10.3.2Т

 

                                                                                                                                   Таблица 10.3.2Т

 


                            Сплав               Скорость ползучести 1/час при 10 кг/мм2

                                       

                                                            20о                50о             75о                        100о

     

                            АМг6 – Н         1,0.10-8          3.0.10-7        3,2.10-6           2,8.10-5

                            АМг6 - М          1,0.10-7          5,1.10-7        2,8.10-6       3,2.10-6

    

    

     По полученным данным построена зависимость скорости ползучести сплава АМг6  на основе работы [150] в зависимости от температуры, приведенная на Рис. 10.3.3Р. На этом же рисунке нанесены данные по величине скорости ползучести, измеренные на обечайках боков Т8с816 и Т8с817 при температуре 500 и напряжениях 9,25 -10 кг/мм2.

   Из рассмотрения приведенного графика вытекает, что результаты испытаний обечайки блоков баков при двухосном напряженном состоянии хорошо совпадают с результатами испытаний пластинчатых образцов при одноосном напряженном состоянии. Таким образом, данными испытаниями показано, что для определения ползучести натурной конструкции можно пользоваться характеристиками ползучести стандартных образцов. На основе использования полученных результатов определены следующие величины длительной прочности и ползучести сплава АМг6 на базе 1000000 при температуре 20оС:

 

                             σвр. длит. = 36 - 37  кг/мм2            для сплава АМг6 - Н

                         σвр.длит.    = 29 – 30  кг/мм2           для сплава АМг6 - М

                         σпол. 0,2    =  10 - 11  кг/мм2           для сплава АМг6 - Н                  

                         σпол 0,2     =    7-  10   кг/мм2               для сплава АМг6 -М

 

10.4  Выводы по главе

 

1 На основе результатов проведенных экспериментов на плоских стандартных образцах определены пределы длительной прочности и ползучести сплава АМг6 на бае 100000 часов при комнатной температуре.

 

2. Проведенные измерения деформации обечаек натурных блоков при длительных коррозионных испытаниях показали следующее:

- для определения расчетных деформаций натурных конструкций, в процессе проектных работ, можно пользоваться данными, полученными на стандартных плоских образцах при одноосном напряженном состоянии,

- измерения деформаций при испытаниях на ползучесть натурных конструкций можно пользоваться простыми средствами измерения типа троса с лимбом, обеспечивающего необходимую точность измерений.

(Примечание. Далее Рис. 10.2.1Р -10.3.3Р брать из файла со

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 11    ГАЗОВЫЙ  СОСТАВ  СРЕДЫ  КОНТЕЙНЕРА

 

11.1  Поглощение паров компонентов

 

  Опыт эксплуатации некоторых изделии показывает, что в сухих отсеках изделия и во внутренней полости контейнера возможно появление паров компонентов по тем или иным причинам. При массовой эксплуатации появление таких случаев было исследовано специально созданной Межведомственной комиссией, о результатах работы которой будет изложена далее.

   В начале проектных работ и отработке изделий потребовалось изучить это явление. При этом считалось, что при потере герметичности топливного тракта, и после устранения негерметичности, необходимо будет удалять накопившиеся пары продуктов в материалах изделия и которые с течением времени будут десорбироваться из них.

    Выделившиеся пары можно, в принципе, удалять различными средствами. В качестве таких средств могут использоваться  средства, работающие на принципах статического и динамического поглощения. В данной работе изучался статический метод, основанный на использовании в качестве поглотителей  специальных адсорбентов, размещаемых в очищаемый объем.

   В качестве адсорбентов для поглощения паров органических веществ согласно литературных данных, можно использовать различные угли, обладающие  большой статической и динамической активностью. Наиболее активным из них является уголь СКТ [151,152].

  Пары НДМГ относятся к классу органических веществ. При малых концентрациях эти пары в среде сухого воздуха окисляются кислородом воздуха. Окислитель АТ является представителем класса неорганических веществ. Тетраокись азота имеет большое сродство к воде и легко вступает в реакцию с влагой воздуха. Образующаяся при этом окись азота представляет собой легколетучее вещество с температурой кипения – 151,8оС.

   Аналитически показано [153], что время окисления окиси азота кислородом воздуха, при концентрациях NО близких к 0,005 мг/л, составляет около 24 часов и незначительно увеличивается при повышении концентрации. Поэтому, в замкнутых объемах при натекании АТ, неизбежно будет создаваться концентрация окиси азота, пропорциональная количеству вытекшего АТ. Образующаяся окись азота плохо поглощается адсорбентами в силу ее легколетучести. Анализ промышленных сорбентов показывает, что наибольшую статическую активность по указанным веществам в области малых концентраций можно ожидать у активных углей СКТ и АГ-3, у которых наибольшая удельная поверхность и пористость. Отсутствие к началу данной работы опытных данных об активности указанных углей по парам компонентов топлива  привело к необходимости проведении соответствующих исследований.

    Статическая активность поглощения малых концентраций паров КРТ определяется активностью применяемых углей. Их необходимое количество рассчитывается в соответствии с поглотительной способности углей и имеющейся концентраций паров, определяемой химическим или хроматографическим методом. Применение известного метода вакуумных весов [151]  в данном случае нецелесообразно, т.к  свойства адсорбентов в высоком вакууме не идентичны таковым в условиях реальной воздушной среды.

   Сорбционная емкость углей СКТ и АГ-3 в настоящей работе определялась следующим образом. Адсорбент помещался в стеклянную бутыль в сетчатых стаканчиках, затем в бутыль вводилось дозированное количество компонента, периодически отбирались пробы воздуха из бутыли и анализировался до установления равновесной концентрации. Необходимая влажность в бутыле поддерживалась раствором соли.

 Результаты исследований статической активности углей СКТ и АГ-3 по парам компонентов при 20оС   и различной степени их активности представлены в таблице 11.1.1Т. Полученные изотермы адсорбции углей по парам компонента представлены на рисунках Рис. 11.1.1Р и Рис. 11.1.2Р.

 

 

 

                                                                                                                                   Таблица 11.1.1Т

 


       Относит.                                Окислитель  АТ                                Горючее НДМГ

       влажн.        Равновесн.   Величина адсорбции     Равновесн.  Величина адсорбции

       аоздуха       концентр.                   %                       концентр.                     %

          %                 мг/л              СКТ             АГ-3              мг/л           СКТ                АГ-3

                            0,005              2,2                 2,0             0,0001            4,5                 2,7

          0                 0,02                  3,6                 3,5             0,001              7,0                 5,6

                             0,1                  6,9                 6,7             0,01                10,1               9,6        

 


                            0,005               2,2                 1,9             0,0001            3,8                 2,2

          10              0,02                 3,8                 3,5             0,001              6,5                 4,9

                            0,1                   7                    6,5             0,01                9,3                 8,5     

 


                            0,005               1,5                 1,4             0,001              2,5                 1,8

          30              0,02                 3,2                 2,9             0,001              4,8                 3,9

                            0,1                   6,3                 6,1             0,01                7,6                 7,0

 


                            0,005               0,9                 1,1             0,0001            1,8                 1,5

          50              0,02                 2,2                 2,6             0,001              4,0                 3,3

                            0,1                   4,9                 5,4             0,01                6,6                 5,8   

 

                            0,005               0,7                 0,9             0,0001            1,5                 1,3

          66              0,02                 1,8                 2,0             0,001              3,7                 3,0

                            0,1                   4,1                 4,3             0,01                5,5                 5,1  

 


  Полученные данные свидетельствуют, что в среде сухого воздуха при относительной влажности 30оС  лучшими адсорбционным характеристиками по НДМГ обладают угли СКТ,  по причине  наличия у них большего количества микропор, силу чего ти угли следует применять для поглощения паров НДМГ. В среде влажного воздуха активность улей СКТ по сравнению с АГ-3 снижается. Это объясняется гидрофильностью углей, приводящей к частичному заполнению  микропор водой.

    Анализ экспериментальных данных показывает, что в области малых концентраций сорбционная емкость углей  по парам АТ почти в 2 раза меньше сорбционной емкости их по парам НДМГ . вследствие значительной летучести окислов азота. Для повышения сорбционной емкости адсорбата по парам АТ, целесообразно использовать хемосорбенты на основе   активных углей с добавками окислительного характера, способных доокислять NO до NО2.

   В связи с изложенным, на основе угля АГ-3, как обладающего большим объемом переходных пор, были разработаны и исследованы лабораторные образцы хемосорбентов с добавками: углекислых солей калия и натрия, гидратов окиси калия и натрия, марганцовистого калия. Результаты исследования указанных хемосорбентов  при равновесных концентрациях 0,005 мг/л для АТ и 0,0001 мг/л для НДМГ, температуре 20оС и относительной влажности 50% приведены в таблице 11.1.2Т

                                                                                                                            Таблица 11.1.2Т  

 

         Компонент.    Равновесн.             Сорбционная емкость АГ-3   + добавки,  вес%             

                                  концентр.       

                                      мг/л               К2СО3      Nа2СО3    КОН     NаОН    КМnоО4*    КМnО4**

 


             АТ                 0,005                  3,0          2,8          3,5          3,2           4,0           3,5

            НДМГ            0,0001                0,6          0,5          0,7          0,6           0,5           0,7      

 


        * - однократная пропитка               ** - двукратная пропитка

 

 

   Анализ приведенных данных показывает, что набольшую сорбционную емкость п парам АТ, равную 4 % имеет хемосорбент на основе угля АГ-3, пропитанных 8% водным раствором перманганата калия с однократной пропиткой. Данный сорбент был рекомендован для применения  в случае возникновения необходимости поглощения паров компонентов в изделиях. [154] Специальные ловушки с таким сорбентом были разработаны, испытаны и подготовлены к установке их на изделиях.  Но такая необходимость не возникла в процессе эксплуатации, о чем будет сказано далее.

 

11.2  Сорбция паров компонентов основными конструкционными материалами

 

  Пары компонентов в сухих отсеках изделия могут сорбироваться не только активированными углями, устанавливаемых в специальных  ловушках для этой цели. Сорбция будет происходить и всеми конструкционными материалами данного отсека. В силу этого, знание величин данной сорбции будет иметь значение при расчетах норм герметичности, о чем говорилось ранее, и еще большее значение эти знания будут необходимы при оценке работоспособности системы контроля герметичности заправленного изделия, о чем будет сказано далее.

   Применительно к АТ и НДМГ исследования по сорбции впервые были выполнены на основных конструкционных материалах применительно к ракете УР-100 и обобщены в работах [155,156] по результатам которых ведется изложение материала в данном разделе.

   При выборе состава материалов, подлежащих исследованию, учитывалось отношение площади поверхности данного материала к объему, где он располагается. Для исследования были отобраны тем материалы и покрытия, которые занимают наибольшую поверхность и имеют максимальное отношение площади к объему. Испытаниям подвергались образцы пяти типов, наименование и характеристика которых приведена в таблице 11.2.1Т.

                                                                                                                                Таблица 11.2.1Т

 


   Тип               Состав                                  Место               Поверх-сть     Отнош-е      Примечание     

                     материала                               применения           S м2                    S/V  м23

                                                                                                                            

       1         Грунт ВЛ-02                             Внутренняя            300                    4             Белый цвет 

                  Грунт ПГ-3 (АК-069)              поверхность                                                        (ЛКП)

                  Эмаль ХСЭ-12 слоя                 контейнера

 

       П        Грунт ВЛ-02                            Поверхность            100                   1,3           Белый цвет

                  Грунт ПГ-3А (АК-069)            изделия                                                                 (ЛКП)

                  Эмаль АС-2СП(Р)

                   2 слоя (АС-599)   

 


      Ш        Грунт ФЛ – 086 с 2%  Al       Внутр. пов-ть           85                     10           Зеленый цвет

                  пудры                                         осеков                                                                  (ЛКП)

                 

             Грунт-ВЛ-02, шпатлевка      Наружная пов-ть      15                      0,3          Белый цвет

                  ВШ-4-12, В58/2, Эмаль         обтекателей                                                             (ЛКП)

                  ЭП-255, Грунт АГ-3А,          ПРД, гаргроты

                 Эмаль АС-2СП(Р) 2 слоя,

                  (АС -82) , Лак АС-82

 

       У        П а к е т: Ткань НТ-7 1 сл.     Теплозащитные         30                   12              Желт. цвет

                  Стекл. тк. ТС-8/3-250 1 сл.,         экраны                                                              (ТЗП)

                  Стекл. тк. ТСП 6 слоев,

                  ТканьНТ-7 1 сл

 

 

 

 


  Образцы ЛКП и ТЗП изготавливались по штатной технологии размерами 130х40 мм, поверхность которых не подвергалась никакой дополнительной обработке. Исследование процессов сорбции паров АТ и НДМГ образцами материалов проводилось по специально разработанной методике  в созданных установках, показанных  на Рис. 11.2.1Р и Рис.11.2.2Р  с использованием бачков, аналогично  показанным на Рис. 7.4.4Р., в которых обеспечивалась дозированная подача АТ и НДМГ.

  Согласно разработанной методике в кассету бачка, изготовленной из АМг6 , помещались образцы одного из типов испытываемого материала в количестве 10-24 штук Одновременно проводился «холостой опыт» без образцов, результаты которого использовались затем при оценке истинной величины сорбции покрытиями.

   После проверки на герметичность системы, показанной на Рис. 11.2.1Р  в колбу 1 вводится стеклянная ампула с навеской компонентов. Колбы 1 и 5 т бачек 3 заполнялись сухим воздухом путем трехкратной последовательной заменой атмосферного воздуха сухим воздухом, прошедшим предварительную осушку в колонке 2, заполненной силикагелем или пятиокиси фосфора. С целью более быстрого испарения навески компонентов,  в колбе 1 создается разряжение порядка 5 мм. рт. ст. колба перекрывается краном и ампула с навеской разбиваются встряхиванием, после чего колба заполняется сухим воздухом до атмосферного давления. Затем в баке создается разряжение 5 мм.рт.ст. и из колбы 1 вводятся пары компонентов для образования необходимой концентрации. Непосредственно после этого определяется начальная концентрация введенных паров. Отбор проб для определения концентрации паров осуществляется посредством колбы 4 , заполненной 10 мл. поглотительного раствора. Для НДМГ использовался 5% раствор уксусной кислоты, а для АТ раствор КОН. В колбе 4 создается определенный вакуум и из бачка 3 отбирается газовая проба. Разность давлений фиксируется по ртутном манометру .

   Для полного поглощения паров КРТ  поглотительным раствором после отбора пробы, колба 4 заполняется сухим воздухом и встряхивается в течение 3-5 минут. Концентрация паров КРТ  в растворе определяется колориметрическим способом с использованием фосфорно-молибденовой кислоты для НДМГ и реактива Грисса–Иллосвая для АТ. Равновесная концентрация в бачках устанавливалась через 2-7 суток для различных материалов. После этого в бачек 3 из колбы 1 вводится очередная порция продукта для создания следующей равновесной концентрации.

  Создание в бачке 3 небольших концентраций осуществляется  с помощью промежуточной колбы 5, в которую из колбы 1 отбирается определенное количество КРТ  с последующим перепусканием  их в бачек 3. Для замера  малых концентраций,  отбор проб на анализ проводился с использованием схемы, приведенной на Рис. 11.2.2Р. С этой целью в стеклянной бутыле 3 создается вакуум, величина которого определяется по манометру 4. За счет образовавшегося вакуума  газовая проба из бачка 1 просасывается через склянки Дрекселя 2 с 5 мл. поглотительного раствора в каждой. Продолжительность отбора пробы составляет около 1 минуты. Затем по манометру 4 отмечается установившееся давление в бутыле 3. Концентрация КРТ в поглотительном растворе определяется колориметрическим методом. Затем в бачек 1, за счет образовавшегося разряжения при отборе проб, вводится очередная порция КРТ. Испытания продолжаются до установления равновесных концентраций в следуемых диапазонах.

  Истинное количество РТ сорбировавшегося поверхностью образцов ля каждой из равновесных концентраций определяется по выражению:

 

                                             Gc = ( Co – C p) V – anp  - Gk             …………………..(11.2.1Т)

 

где:  апр – количество КРТ, отобранное на анализ

         Gс  - количество  мг КРТ, сорбированное образцами при данной равновесной

                  концентрации, 

         Со -  начальная концентрация паров КРТ в бачке 3 после ввода очередной порции

                  КРТ, мг/л

 

        Ср – равновесная концентрация паров КРТ в бачке 3 после 2-7 суточной выдержки, мг/л,

        Gк – количество КРТ,  сорбированное внутренней поверхностью и кассетой контрольного

                бачка без образцов при данной равновесной концентрации, мг.

  Результаты проведенных исследований по сорбции, в виде изотерм адсорбции в воздухе и в сухом азоте, представлены на рисунках Рис. 11.2.3Р- 11.2.7Р,  из которых видно, что все типы ЛКП и ТЗП адсорбируют значительное количество КРТ. На рисунках  «А» – величина сорбции паров КРТ в мг/м2, Ср – равновесная концентрация, мг/л.

   Сорбционная емкость существенно зависит от состава материалов, что связано с их физико – химическими свойствами. При этом, отличие в величине сорбции различными материалами достигает двух-трех порядков в пределах следованных концентраций паров КРТ.  Причем наибольшая разница достигается в области малых концентраций – меньше 0,01 мг/л

   Процесс сорбции НДМГ неметаллическими материалами в среде сухого азота имеет некоторые отличия по сравнению с сорбцией в среде сухого воздуха, что видно из Рис. 11.2.6Р. При сорбции паров НДМГ в азоте изотермы адсорбции вех материалов лежат близко друг к другу, в то время, как  при сорбции в сухом воздухе, что видно из Рис. 11.2.5Р, существенно расходятся. Уменьшение сорбции  НДМГ в сухом воздухе вероятно связано с окислением НДМГ кислородом воздуха. Незначительное увеличение для некоторых покрытий, очевидно, связано с отклонениями по рецептуре и технологии нанесения, которые имеют место. Исследования показали, что сорбция паров АТ исследованных материалов, при всех прочих равных условиях,  на 1,5 – 2 порядка выше, чем у  НДМГ.

  Несмотря на длительный эксперимент и большое количества КРТ, вводимых в конечном итоге во взаимодействие с образцами, ни в одном случае добиться полного насыщения материалами или, хотя бы, приблизиться к нему не удалось. В аналогичной работе [157]  отмечается, что сорбционное равновесие наступает через 2-7 суток. Поэтому в той работе принималось время равное 2-м суткам до достижения сорбционного квазиравновесия.

   В дальнейших исследованиях[158] было отмечено, что медленное уменьшение концентрации после наступления квазиравновесного состояния продолжается еще долго и  спустя более месяца все еще продолжалось. Однако уменьшение равновесной концентрации и сорбционной емкости за этот период  весьма незначительно  и составляет не более 1-1,5 %, в силу чего в расчетах принималось время установления равновесного состояния равное 7 суток.

   Математическая и графическая обработка экспериментальных данных показала, что экспериментальные точки достаточно хорошо ложатся на прямую в координатах ℓggА-ℓggСр, которая представлена на Рис.11.2.7. Данная прямая, в представленных координатах, является производной  уравнения Фрейдлиха:

 

                                                    А = а Срn                                                 ………….(11.2.Ф)

 

где:   А – величина сорбции,

          Ср – равновесная концентрация

           а, nкоэффициенты, характерные для данного процесса сорбции в определенных

                       пределах.

   Это показывает, что экспериментальные изотермы адсорбции паров КРТ на исследованных материалах адекватны модифицированному уравнению Фрейдлиха:

 

                                    g А = а1(g Ср)п1                                                  …………  911.2.3Ф)

где  а1 и n1 –константы.

  Однако применение двойного логарифмирования усложняет расчет. Для  практических целей вполне допустимо обычного уравнения Фрейлиха, хотя экспериментальные точки и не дают строгой прямой в логарифмических координатах.

    Средняя квадратичная ошибка в определении констант а и n не превышает ±3,3%., которые приведены в таблице 11.2.2Т.

     Таким образом, все экспериментальные изотермы для исследованных интервалов концентраций и материалов удовлетворительно описываются классическим уравнением Фрейдлиха.

                                                                                                                    Таблица 11.2.2Т

 


       КРТ      Среда     Покрытие   Константы уравнения     Интервал Ср, мг/л       % ошибки

                                                             а               n                                                а       n

                   

                                Тип 1             31,2           1,05                  2.10-4- 10,0            3,3      0,5

                                     Тип П            166,0            1,12                   ----«-----               0,6      0,63

       НДМГ   Сухой     Тип Ш              50,1           0,973                1.10-2 – 2,0              -         -

                      воздух    Тип 1У             89,0           1,1                       ---- -«----               -        -

                                      Тип У            525,0            0,520                2.10-4 - 1,0           0,19    0,56

                                      АМг6                 8,9           0,5                    1,10-2 – 2,0              -        -

                                     

                                      Тип 1                46,1           1,05                  2.10-4 -10,0          2,36    028

                                      Тип П             191,0           1,23                   ------«-----           0,56    1,22

      НДМГ   Сухой       Тип Ш              41,0           0,615                1.102 -2,0               -         -

                      азот          Тип 1У           170,0           0,625                 ------«-----             -         -

                                      Тип У                -                  -                            -                       -         -

                                       АМг6               20,0           0,745                2.10-4 – 10,0           -         -

                                       

                                      Тип 1           1350               1,38                   -----«-----            0,7       0,10

                                      Тип П           2220              1,14                   ------«-----           0,05     0,16

        АТ        Сухой      Тип Ш            418              0,924                1.10-2 – 2,0            -           -

                      воздух     Тип 1У         1000              1,0                      ----«----                -           -

                                       Тип У         150000            1,24                  2.10-4 – 1,0          0,13     0,32   

                                       АМг6                29,9           0,59                    ----«-----              -           -              

        

    В процессе эксплуатации неметаллических материалов, в том числе и ЛКП, происходит выделение из них паров органических веществ. В связи с этим произведена оценка степени влияния  газовыделений на процесс сорбции компонентов топлив АТ и НДМГ в среде сухого воздуха. Эти исследовании проведены на образцах Тип 1 после максимального удаления из них летучих. [158].

   Изотермы адсорбции паров АТ и НДМГ лакокрасочными покрытиями до и после удаления из них в течение 400 суток летучих веществ приведены на Рис. 11.2.5Р. Анализ графиков показывает, что изотермы адсорбции в этом случае лежат несколько выше изотерм адсорбции на образцах без удаления летучих, Таким образом, удаление летучих из неметаллов увеличивает не существенно их сорбционную емкость, примерно, в 1,5 раза.

  В таблице 11.2.3Т приведены сравнительные величины констант уравнения Фрейдлиха для случая сорбции паров материалом Тип1 до отгонки летучих и (Тип1а) после отгонки летучих.

 

                                                                                                                                  Таблица 11.2.3Т

 


        КРТ        Среда       Покрытие         Константы          % ошибки        Концентрации, мг/л    

                                                                    а           n                а          n 

      НДМГ     Воздух        Тип 1а            74,2      1,19           1,35     0,67             2.10-4 – 1,0

                                           Тип 1              31,2      1.05           3,3       0,60                ---«---

         АТ         Воздух        Тип 1а            3020     1,48           0,04     0,88                ---«----

                                            Тип 1             2220     1.14           0,5       0,16                ----   «----

 


    В заключение раздела следует отметить существенное влияние применяемы методик на получаемые результаты по сорбции.   В упоминавшейся  работе [157]  сорбция, в отличие от настоящей работы, изучалась весовым методом, который состоит в следующем.

    В данной методике образцы материалов предварительно  абсолютированным спиртом, сушились при 50оС в течение 2-х часов, вакуумировались до давления 10 мм.рт.ст.. выдерживались под вакуумом в течение 15-2 часов. Подготовленные таким образом образцы

 

подвешивались с помощью платиновой нити на коромысло микровесов с чувствительностью 2.10-4 г  и помещались в емкость, в которой поддерживалась заданная влажность воздуха при температуре 20оС. Образцы выдерживались при заданной влажности до постоянного веса, после чего шприцем в камеру вводилась навеска компонента. Вес образца изменялся за счет сорбции им паров компонентов. Принималось, что достижение постоянства в весе образца свидетельствует о сорбционном насыщении образца. Для всех ЛКП равновесие наступало в течение 2-7 часов. В этот момент измерялась достигавшаяся равновесная концентрация в емкости. Для учета сорбции стенками емкости проводились «холостые» опыты, результаты которых учитывались при расчете сорбционной емкости ЛКП.

    В работе [159 ] применяемая методики определения сорбционной емкости материалов, заключается в том, что о ней судят по количеству КРТ, десорбирующихся в раствор. При этом принимается, что величина сорбции численно равна десорбции.. В данных исследованиях образцы помещались в литровую емкость из нержавеющей стали, которые продувались со скоростью 0,1 – 0,2 л/мин. парогазовой смесью определенной влажности с заданной постоянной концентрацией паров КРТ  до полного насыщения. Установление сорбционного равновесия определялось по изменению концентрации  паров КРТ во входящем и выходящем потоке парогазовой смеси. При наступлении равновесия образцы помещались в емкости с раствором.

     В качестве раствора для десорбции АТ  использовалась дистиллированная вода с добавкой 3% перекиси водорода  и 30%  NаОН, а для НДМГ чистая дистиллированная вода. Количество десорбированного компонента в растворе определялось химическим методом. Величины замеренной сорбции АТ различными методами существенно различаются между собой и приведены в таблице 11.2.4Т.

                                                                                                                       Таблица 11.2.4Т

 


           Метод                          Равновесн.                 Тип материала                       Отклонение  *

                                                  Ср мг/л             Тип П               Тип Ш                    от  метода 1

                                                                        Амг/м2      τ         А мг/м2      τ         Тип П      Тип Ш

      1. Замер концентр. до         0,01               21,0         7 сут       8,0        2 сут            -            -

           отгона летучих               0,1               300,0        --«--        80,0      --«--               -            - 

     2. Весовой метод                  0,01             126,0        2-7 ч.     219        2-7 ч.    + 6 раз    +27 раз

                                                     0,1               563,0        --«--       813        --«--      +2 раза   +10 раз

     3. Десорбция в дист. -          0,02                 7,0        1 сут.       6,9       1 с ут.   – 3 раза  - 1,2 раза   

         воду с добавками              0,15             100,0         --«---     47,0      --«---      -  3 раза  - 2 раза

 


* Отклонение с превышением (+) и уменьшение (-_)

 

      Выявленные существенные расхождения обусловлены тем, что при использовании весового метода поверхность образцов перед изучением  сорбции была модифицирована. Кроме того, в работе [157] обмечается, что в данном случае на поверхности образца не исключена возможность образования пленок окислов за счет протекания пленочных процессов и поэтому полученные результаты следует рассматривать, как данные в виде первого приближения.  

    При разработке методики и оценки сорбционной емкости по величине десорбции в воду, использованной в работе [159], не учитывалось количество КРТ поглощаемое за счет хемосорбции, которое представляет собой основную часть от общего количество сорбированного КРТ. Величина же десорбции составляет десятые доли процента от сорбированного количества и не превышает 15% при десорбции в воду [160].

    В силу сказанного наиболее приближающимся к реальным величинам следует считать данные по сорбционной емкости материалов, полученных методом замера остаточных равновесных концентраций с выдержкой образцов в течение не менее 7 суток до эксперимента с последующим увеличением полученных показателей в 1,5 раза, учитывающего дегазацию материалов происходящей в течении  длительного срока эксплуатации, превышающий 7 суток.

 

 

 

11.3.  Газовыделение из неметаллических материалов в замкнутых объемах.

 

    Проблема газовыделения из неметаллов является весьма актуальной и ее необоримо учитывать во многих обстоятельствах, несмотря на то, что она не нова. В последние годы в СССР проведен большой комплекс исследований по газовыделению из неметаллов применительно к космическим кораблям, результаты которых изложены в работах [161, 162].

   Существующие современные амипулизированные ракеты не имеют вентиляции контейнеров, в которых они располагаются, поэтому в них неизбежно будут накапливаться органические соединения. выделяющиеся из неметаллов.

    Указанные материалы представляют собой многокомпонентные полимерные системы, для которых в процессе эксплуатации характерно выделение летучих веществ, обусловленное процессами испарения мономеров и растворителей,  остающихся в материале в результате неполной полимеризации и отвердения в процессе их изготовления [163], а также продуктов деструкции полимеров, образующихся под действием тепловых, радиационных, механических, световых, химических и других воздействий [164].

    Выделяемые органические вещества в ряде случаев имеют окислительно-восстановительные свойства и могут, в какой то мере, воздействовать на конструкционные материалы и приводить, в частности, к ложным срабатываниям датчиков системы дистанционного контроля загазованности (СДКЗ), которая является по существу системой контроля герметичности ампулизированных ракет, находящихся в заправленном состоянии, о принципе работы которой будет сказано в следующей главе.

   Исследования, проведенные в 1967 году [165 ] показали, что в контейнерах заправленных ракет, имевших срабатывания чувствительных элементов ГП-2 датчиков по гептилу этой системы, пары НДМГ отсутвовали, что свидетельствовало о имевшем место их ложного срабатывания. Одновременно было установлено, что в этих изделиях содержится значительное количество паров других органических веществ, состав которых приведен в таблице 11.3.1Т

                                                                                                                             Таблица 11.3.1Т

 


    Наименование                     Примеси в контейнере                Примеси, выделяемые ЛКП

     примеси                           Концентрац. мг/л       % в смеси       1     2      3      4      5      6

                                                 миним.   макс.

  Ацетон                                   0, 0001 – 0,001             5,311           *     *)    *)     *)      *      *

    Этиловый спирт                    следы – 0,001              5,311          *     *      *)     -       -       -

    Масляный. альдегид               --«--   – 0,0001            0,531         -      *      -       -       -       -

    Метилметакрилат                    --«--   - 0,0002             1,062        *    -      -       -       -        *

    Толуол                                      --«--  - 0,002              10,621         -      -      *)    *)       -      -

    Бутиловый спирт                  0,00003 – 0,0025         13,278        *      *)     *)    *)      *     *

    Бутилацетат                           0,00002 – 0,005           26,553        *       )      *)    *        *     *

    Ксилолы                                 0,00001 – 0,005           26,553        *      -       )       -       *     *

    Этилцеллюлозольв                следы   - 0,002           10,621         -        -       -      -      -       *

    Хлорбензол                           --«---    -0,00001            0,053         -        -       -     *       -      -

    Ацетальдегид                        --«---  -  0,00001            0,53           -        -       -      -      -       -

    Этилацетат                            --«---  -  000001             0,53            -        -      -       -      -      -

    

Условные обозначения, принятые в таблице:

марки ЛКП по номерам:  1.- АГ-3А, 2 – ВЛ-02, 3 – АГ-10С, 4 – ХСЭ-1, 5 –АС-2СП(Р), 6- АС-82

*-  обнаружены хроматографическим анализом свежеприготовленных ЛКП,

)  - обнаружены масс-спектрометрическим анализом отвержденных ЛКП,

ЛКП   в чистом виде – АГ-3А, АС-2СП(Р), АС-82  - не анализировались.

 

   Анализ данных при исследовании атмосферы в контейнере  и газовыделений из основных ЛКП, представленных в таблице, показывают, что основными источниками загрязнений воздуха являются преимущественно ЛКП, а также растворители, причем последние являются основными источниками.

    Установлено [163], что при испытанных 67 наименований неметаллических материалов совместно с чувствительными элементами ГП-2  при 20оС, 15 наименований материалов из них, вызвали срабатывание чувствительных элементов за период от 4 до 25 суток при отсутствии паров гептила. В режиме испытаний при 60оС чувствительные элементы (Ч.Э.) сработали от всех материалов, кроме лака АК-113 и резины ИРП-3013. Состав газовыделений из некоторых испытанных материалов приведен в таблице  11.3.2Т.

                                                                                                                            Таблица 11.3.2Т

 


    Наименование неметаллических          Сосав газовыделений         Величина     

                      Материалов                                                                      газовыделения

                                                                                                                        г/м2

 


     Стеклотекстолит ИФ-ЭД-                       Аммиак                                  0,02

                                                                        Ацетон                                   0,0067

                                                                        Этиловый спирт                    0,03

     Стеклотекстолит АФ-10В                       Ацетон                                   0,025

     Стеклотекстолит АФ-10П                       Ацетон                                   0,08

     Герметик У30 – МЭС                               Метан                                    0,43

                                                                         СО                                         0,37

                                                                         Ацетон                                  0,33

     Клей ВК-9                                                  Спирт этиловый                   0,3

     Резина ИРП – 1130                                   Спирт этиловый                    0,017

                                                                         Бензол                                    0,09

     Резина микропор «Особая»                     Формальдегид                       0,01

                                                                         Спирт этиловый                    0,077

     Покрытие 186                                            Эфир этиловый                     0,67        

                                                                         Спирт этиловый                    0,62

     Компаунд К-115                                        СО                                          0,011

                                                                          Ацетон                                  0,0055

                                                                          Ксилол                                  0,035

     Компаунд                                                   СО                                          0,001

                                                                         Ацетон                                   0,002

    Лакоткань ЛХС                                          Аммиак                                  0,012

                                                                         Ацетон                                   0,022

                                                                         Этилацетат                            0,004

     Лак 113                                                       Аммиак                                  0,016

                                                                          Ацетон                                  0,04

                                                                          Этилацетат                            0,09

                                                                          Спирт этиловый                   0,028               

 

  

   Оценка выше приведенного газового состава в контейнере изделия показал, что его состав приводит к срабатыванию на не только Ч.Э по гептилу, но и Ч. Э.  С-20 по окислителю. Если Ч.Э ГП-2 срабатывают на третьи сутки, то Ч.Э С-210 срабатывают за 35 суток.

   Исследованиями [157] установлено и это видно из приведенных таблиц, что основными веществами, выделяющимися из ЛКП, являются пары растворителей и разбавителей, которые длительно удерживаются в материале и медленно выделяются из них.

 

11.4  Поглощение паров органических веществ, выделяющихся из неметаллических  

          материалов   в контейнере.

 

   Одним из возможных методов очистки воздушной среды полости контейнера является поглощение паров органических веществ с использованием адсорбентов. Это так, называемый статический метод и он был осуществлен на ракете УР-100 путем установки в контейнере

 

 

специальных ловушек с  подобранным адсорбентом [166, 167], поглощающим сложную смесь органических примесей, содержащихся  в воздушной среде контейнера

    Проведенные расчеты и экспериментальные исследования показали, что наибольшей сорбционной емкостью по парам органических веществ, указанных в таблице 11.3.2Т и равной  1-2 %, при относительной влажности в контейнере 30%, обладает специально разработанный для этой цели комбинированный сорбент. Этот сорбент представляет собой смесь, состоящую из 90% по объему активного угля СКТ , ТУ -16-1698-72, и 105 активного угля АГ-3, ТУ-1698-72, пропитанного 85 - м раствором перманганата калия [154].

    Работоспособность этого сорбента была проверена путем проведения экспериментов при 18-20оС и относительной влажности 30%  в емкости объемом 166 л, изготовленной из нержавеющей стали [168].  Эффективность поглощения паров органических соединений оценивалась по падению их суммарной концентрации, определяемой путем отбора проб из емкости методом вымораживания примесей и последующего проведения хроматографического их анализа. Результаты эксперимента представлены на Рис.11.4.1Р.

    Как видно из графика на этом рисунке, в контрольной емкости без комбинированного сорбента на третьи сутки устанавливается равновесная концентрация паров органических соединений, равной 0,3 мг/л, которая устойчиво сохраняется до конца испытаний. Снижение концентрации с расчетной 0,55 мг/л до равновесной 0,3 мг/л происходит вследствие сорбции паров стенками емкости.

   В емкости, с введенным в нее сорбентом, после введения такого же количества паров органических соединений, на восьмые сутки происходит практически полное поглощение паров органических соединений, концентрация которых устанавливается равной 0,0001 мг/л, которая является пределом чувствительности хроматографа АХМ-7А. В процессе этого эксперимента установлено, что достаточно эффективное поглощение паров в невентилируемом объеме происходит при соотношении поверхности комбинированного сорбента, контактирующей с воздухом, содержащим органические пары, к очищаемому объему равным 0,025 – 0,03 м23.

    Кроме того, установлено, что наличие в экспериментальной кассете с углем одного слоя металлической сетки № 07-03 их стали 1Х18Н9Т и одного слоя стеклоткани Э-0,8, ГОСТ 8481-61,  не приводит к снижению эффективности поглощения паров. При такой пылезащите в кассете после выдержки в течение 8 суток происходит полное  поглощение паров до их концентрации 0,0001 мг/л.

    На основании проведенных исследований разработаны плоские и цилиндрические сорбционные кассеты, предназначенные для  очистки воздуха в невентилируемом контейнере, установка которых помогла кардинально решить вопрос по предотвращению ложных срабатываний чувствительных элементов датчиков СДКЗ от воздействия на них паров органических соединений, выделяющихся из неметаллов и накапливающихся в контейнере.

    Лабораторные исследования, проведенные ля оценки влияния наличия сорбционных кассет на работу датчиков СДКЗ показали, что наличие навески комбинированного сорбента 8,3 г. с толщиной слоя 5 мм, в емкости с объемом 166 л. , при отношении рабочей поверхности сорбента к объему, равном 0,025 и ежедневной подпитке парами НДМГ в количестве 8.3 мг не приводит к полному поглощению паров НДМГ сорбентом. В течение всего периода испытаний в емкости наблюдается наличие остаточного фона паров НДМГ и это приводит к срабатыванию чувствительных элементов ГП-2, используемых в датчиках ГД-4 системы СДКЗ. При этом максимальная задержка времени срабатывания Ч.Э. составляет 20 суток при средней концентрации паров НДМГ равной 0,015 мг/л., что следует из Рис.11.3.2Р. Это свидетельствует о том, что применение сорбционных кассет с комбинированным сорбентом практически не влияет на работу СДКЗ.

    В силу того, что в невентилируемом контейнере ракеты с шахтным стартом зимой и летом существуют конвективные потоки воздуха равные порядка 0,02 – 0,04 м/сек,  чем будет сказано далее, сорбционные кассеты в полости контейнера наиболее целесообразно размещать равномерно по всему объему, что, вместе с тем, не исключает возможности установки их в наиболее доступных и удобных местах для их обслуживания. В штатных изделиях кассеты были установлены в верхней, наиболее доступной, части контейнера.

 

 

      Натурные испытания сорбционных кассет в указанных условиях проведены на ракете в теплый период в августе и в холодный период в деrабре. [169,170] Необходимая концентрация паров органических соединений в полс контейнера создавалась последовательным введением в него искусственно приготовленной смеси органических веществ в количестве 6,16 г. при введении которой в контейнере устанавливалась на четвертые сутки равновесная концентрация 0,0175 мг/л. Эта концентрация была довольно близкой к максимальной концентрации органических веществ, замеренной на штатных изделиях у заказчика.

    Испытания проводились при относительной влажности в полости контейнера  соответствующей точке росы – 35оС± 5оС  при температуре 18-20оС в теплый период и в холодный период  (– 8оС)- (-11оС).  результаты эксперимента приведены на 11.4.3Р.

    Как видно из рисунка 11.2.3Р сорбционные кассеты в теплый период эффективно поглощают пары, снижая их концентрацию со средних величин 0,0175 мг/л до 0,0001 мг/л за 15-16 суток после введения смеси органических веществ согласно таблицы 11.3.2Т. В зимний период активность сорбционных кассет существенно возрастает. При этом снижение концентрации паров с 0,025 мг/л  до 0,0001 мг/л  происходит за 7 суток.

    В период с 1967 по 1970 год проводились неоднократные исследования фактического состава атмосферы  и уровня концентрации примесей в контейнере ракет, находящихся на эксплуатации с целью выявления причин непрекращающихся многочисленных случаев ложного срабатывания датчиком ГД-4 в системе СДКЗ [171,172]. В результате исследований установлено, что суммарная концентрация паров органических соединений составляла:

 - 0,02 мг/л   - на изделиях, у которых наблюдались ложные срабатывания датчиков,

 - 0,005мг/л  - на изделиях без ловушек, у которых отсутствовали ложные срабатывания,

 - 0,0001 мг/л – на изделиях с ловушками, у которых отсутствуют ложные срабатывания.

 Из изложенного следует [173], что уровень суммарной концентрации паров органических веществ менее 0,0001 мг/л в контейнерах ракет с сорбционными кассетами, примерно на два порядка меньше суммарной концентрации, не приводящей к ложным срабатываниям датчиков ГД-4, являющейся менее 0,005 мг/л.   

 

11.5.  Выводы по главе

 

1. В области малых концентраций  (0,005 – 0,0001 мг/л) наибольшей активностью по парам КРТ обладают активные угли СКТ и АГ-3, сорбционная емкость которых составляет порядка 4%. 

 

2. В качестве универсального сорбента для одновременного поглощения паров АТ и НДМГ разработан комбинированный сорбент, состоящей из 50% угля СКТ и 50% угля АГ-3, обработанного 8%-м раствором пермангата калия.

 

3. Сорбционная емкость материалов по парам КРТ достигает существенных величин для различных материалов и у ТЗП может достигать до 80000 мг/м2 АТ, емкость по которому на 1,5 – 2 порядка выше, чем для НДМГ, а сорбционная емкость различных материалов различается между собой на 2-3 порядка.

 

4. Установлен фактический состав и средняя концентрация органических веществ в воздухе контейнеров ракет, находящихся на эксплуатации и показано, что частые ложные срабатывания датчиков загазованности ГД-4 в системе СДКЗ происходят под воздействием этих веществ при отсутствии паров КРТ.

 

5. Разработан комбинированный сорбент для поглощения паров органических веществ, представляющий собой смесь 90% угля СКТ  и 10% угля АГ-3, обработанного 8%-м раствором пермангата калия, сорбционная емкость которого составляет 1-2% при влажности 30% и соотношении рабочей поверхности сорбента к очищаемому объему равным 0,025 – 0,03 м23.

(Примечание. Далее Рис. 11.2.1Р – 11.4.3Р брать из файла со сканированием. Выпуск 3)

                           

 

  

 

 

Глава 12   КОНТРОЛЬ  ГЕРМЕТИЧНОСТИ  ЗАПРАВЛЕННЫХ  ИЗДЕЛИЙ

 

12.1  Методы и средства определения паров КРТ в контейнере.

 

   Контроль герметичности заправленных изделий, находящихся на эксплуатации осуществляется путем регистрации паров КРТ в полости контейнера, появляющихся в случае   разгерметизации топливного такта, т.е путем установления и замера загазованности полости контейнера парами КРТ. Этот контроль осуществляется автоматизировано с помощью системы дистанционного контроля загазованности –СДКЗ, имеющей в своем составе датчики со своими чувствительными элементами раздельно по  каждому компоненту.

   Контроль загазованности при проведении регламентных работ на ракете осуществляется с помощью серийных индикаторных трубок ИТ-1и ИК-2т. Их применение позволяет установить факт наличия  паров КРТ только качественно, а количественную оценку по ним можно определить достаточно приблизительно, и то в весьма узком диапазоне концентраций – 0,0001 – 0,05 мг/л.  Исключение представляет взрывоопасная концентрация по НДМГ. По этому показателю трубки четко давали величину концентрации, при которой содержимое трубки полностью синело мгновенно.

    Промышленность и войска до настоящей работы не имели необходимых мобильных средств  для определения в полевых условиях количественной величины загазованности ракет парами КРТ. Отсутствие такой величины затрудняло принятие необходимого решения о  дальнейшем порядке обращения с ракетой, потерявшей герметичность, что могло быть далеко не безопасным.

   Количественное определение концентрации можно проводить в лабораторных условиях путем химического анализа отобранной газовой пробы из анализируемого объема. Отбор проб из малых объемов опробовался  с помощью шприца, прибора УГ-2 и с помощью заранее  отвакуумированной были. На основании полученных результатов было установлено, что наиболее совершенным методом отбора проб является использование вакуумированных бутылей, но в этом случае после отсоединения вакуумной бутыли от исследуемого объема в него подсасывался окружающий воздух, который мог содержать в себе пары КРТ. Кроме того, для отбора нескольких проб и разных объемов необходимо было иметь достаточный запас бутылей, что создавало бы неудобства в полевых условиях.

   В силу этого, под руководством автора была разработана переносная экспресс лаборатория для определения паров КРТ в контейнере и сухих отсеках ракеты, для чего были проведены соответствующие исследования. Оборудование лаборатории комплектовалось в чемодане, в состав которого входили средства отбора газовых проб, а также средства для проведения химического анализа отобранных проб,  представленные на Рис. 12.1.1Р [174].

    Отбор проб производится путем отсасывания порции воздуха насосом с использованием шланга. В процессе движения воздуха по шлангу часть паров КРТ будет сорбироваться на стенке шланга, что приведет к искажению результатов анализа. С целью уточнения расчета концентрации паров в отобранной пробе, экспериментально были определены для АТ, как наиболее коррозионно опасного компонента, поправочные коэффициенты на сорбцию паров  при прокачке их  через полиэтиленовый шланг, которые приведены в таблице 12.1.1Т. 

                                                                                                                      Таблица 12.1.1Т

 


                      Длина шланга, м                                 21                             9

                     

                     Величина измеренной

                       концентрации, мг/л             0,01     0,01    1,0      0,01     0,1       1,0

                       Поправочный

                       коэффициент                       1,08      1,23    1,16   1, 08    1,25    1,20

 


   С целью исключения влияние сорбции на результаты анализа, для данной лаборатории разработана методика одновременного отбора пробы воздуха  и прокачивание воздуха не через длинный шланг, а непосредственно через поглотительный раствор, размещаемый в специальном зонде, который на шланге опускается в контролируемый объем.  В этом случае по шлангу идет чистый воздух, после того, как пары КРТ поглощены в поглотительном растворе. Конструкция зонда приведена на Рис.12.1.2Р. Экспериментально установлено, что проскок анализируемого воздуха через поглотительный раствор зонда будет отсутвовать при скоростях прокачки до 0,5 л/мин.

   Локальные места течей КРТ определяются индикаторными лентами ЛИ-1 по НДМГ и Ли-2 по АТ, в которых, под воздействием  компонентов в месте течи на ленте появляется пятно  измененного  цвета. Такими лентами можно определять только место появление течи, но количественной величины эти ленты не дают. С тем, чтобы этими лентами можно было определять количественную величину течи, они были оттарированы с помощью имитатора течи показанного на Рис.5.3.1Р., в результате чего величину течи можно устанавливать по времени выдержки ленты и диаметру образующегося пятна за это время. Результаты тарировки представлены в таблице 12.1.2Т.

                                                                                                                              Таблица 12.1.2Т

 


            Величина             Время                Площадь пятна                   Площадь пятна         

            течи по возд.    выдержки            на ленте ЛИ-1                    на ленте ЛИ-2

             гел. смеси,        ленты,                     «Г»,  мм2                           «О»,   мм2

              л. мк/сек              мин                 жидкая       паровая           жидкая        паровая 

 


                 1.10-1                   1                        10               1,2                     20                5

                 1.10-2                 30                          7,5            1,5                     15                4

                 1.10-3                 30                          1,0            0,3                       4                1

                 1.10-4                 60                          0,3            -                           1                -

 

   Следует отметить, что выявление мест течи можно обеспечить путем нанесения на элементы топливного тракта  специально разработанных индикаторных красок вместо обычных красок. В месте течей эти краски точечно меняют свой цвет [193,194,195].

   В силу важности вопроса замера загазованности и поиска мест течей на изделии, к решению этих задач по инициативе автора был подключен ряд НИИ.

   В Физическом институте АН СССР был предложен прибор ля измерения микроконцентраций паров КРТ на основе поглощения паров КРТ лучистым потоком  в ультрафиолетовой области спектра. В приборе применен принцип повышения концентрационной чувствительности путем увеличения длины пробега луча через анализируемый газ за счет применения, так называемой, многоходовой кюветы [178] .

    В институте им. Курчатова была изучена возможность контроля герметичности заправленных баков путем предварительного введения в КРТ радиоактивных изотопов с последующей их регистрацией  в воздушной среде контейнера при появлении течей. Исследованиями было установлено, что эта цель может быть достигнута путем введения в КРТ определенного вида α – излучателя с испаряемостью близкой к испаряемости самого КРТ с разными энергиями α - частиц для каждого компонента. Наиболее оптимальными излучателями оказались для НДМГ америций Аm241, а для АТ плутоний Рu239. Проникающие в контейнер изотопы необходимо для анализа концентрировать на специальном фильтре [179].

   В институте электроники Узб. ССР была изучена возможность регистрации паров КРТ  в воздушной среде с использованием эффекта аннигиляции медленных позитронов. Исследованиям было установлено, что наличие паров КРТ  можно регистрировать за счет измерения скорости аннигиляции медленных позитронов в молекулах КРТ [180].

  Все изложенные методы не получили своего дальнейшего практического развития и реализации, поскольку разработанная переносная лаборатория хорошо себя показала при работе с ней в полевых условиях в воинских частях.

 

 

 

 

 

12.2  Исследование работоспособности чувствительных элементов датчиков СДКЗ.

 

   При разработке СДКЗ ставилось условие, состоящее в том, что сигнал от ее датчиков о появлении загазованности поступал до того, как ракета потеряла бы работоспособность по причине выхода из строя какого либо ее элемента от воздействия на него паров КРТ, с тем, чтобы ее можно было использовать вторично после устранения негерметичности.

   Принцип работы чувствительных элементов (Ч.Э.) основан на регистрации изменения в них определенных параметров за счет окислительно-восстановительных процессов . протекающих в их под воздействием паров КРТ.

   В качестве Ч.Э. для НДМГ использовалась равномерно распределенная окись серебра во фторопласте, называемой индикаторной массой. Она формуется в таблетку, по плоскости которой выведены электрические контакты с зазором между их  концами. Под воздействием НДМГ окись серебра в таблетке восстанавливается до металлического серебра, вследствие чего, по мере превращения окиси серебра в серебро, увеличивается контакт между электрическими выводами и сопротивление индикаторной массы резко падает. Проходящий ток между электродами регистрируется и тем самым это определяется, как появление паров НДМГ.

   В качестве Ч.Э. по АТ используется пленка серебра, нанесенная тонким слоем на фарфоровую трубку, на концах которой также закреплены электрические контакты. Под воздействием АТ серебро окисляется до окиси серебра и сопротивление пленки на трубке резко возрастает, что также регистрируется.

   Датчики СДКЗ построены таким образом, что сигнал «не норма» выдается  по истечении определенного времени после появления загазованности. Это время определяется, как время срабатывания СДКЗ. Время срабатывания Ч.Э определяется временем, в течение которого сопротивление достигает 5 ком. Характеристикой срабатывания Ч.Э. обоих типов предполагалось считать «поглощенную дозу» - Д, равную произведению концентрации С на время срабатывания τ, т.е Д = С.τ [мг/л.час] [181].

    Указанные Ч.Э. разрабатывались в ЛЕННИХИ,  безотносительно к какому либо изделию.  В силу этого каждое предприятие проводило испытание применительно к своим задачам и условиям, используя свои «доморощенные» методики испытаний.

   Испытания в ЛЕННИХИ проводились в режиме нарастающей загазованности, используя свои имитаторы течей, как источники загазованности. Опыты проводились в колбе объемом 4 л.. В колбу наливалось 10 мл. воды для создания повышенной влажности. Концентрация паров, определенная через 30 мин. должна была составлять 1,9 ± 10% мг/л.

   Испытания в ОКБА, разрабатывавшем датчики с использованием данных Ч.Э.,  испытания проводились двумя методиками [182]. Первая (динамический метод) состояла в том, что в испытательную камеру подается паровоздушная смесь определенной влажности с заданной концентрацией паров КРТ, создаваемой с помощью динамической установки. Вторая состояла в том, что в испытательную камеру аналогично методике ЛЕННИХИ  с помощью имитаторов течей подаются пары КРТ. В отличие от ЛЕННИХИ, в камеру не подавалась вода. Скорость натекания по АТ составляла от 0,1 мг/мин. до 1 мг/мин, для НДМГ – от 0,01 мг/мин до 1 мг/мин.

    Испытания Ч.Э. в НИИ-4 МО [183] проводились в одной камере с образцами материалов, приборами и агрегатами изделия. Объем камеры составлял 4 м3.  Испытания проводились при постоянной концентрации, которая поддерживалась путем подпитки парами КРТ, которая производилась ежесуточно.

    Испытания в данной работе [184, 185] проводились в баке объемом 160 л. совместно с материалами, приборами и электроэлементами системы управления в условиях поддержания постоянной концентрации, аналогично испытаниям в НИИ-4 МО. Отличие состояло в том, что паровоздушная смесь имела относительную влажность 0,4%  и 4% при 20оС , а в НИИ-4 МО 30% и 80%. Это так, называемая статическая методика.

   С целью определения фактических температурно-влажностных параметров, имеющих место  на изделиях на одном из объектов было обнаружено два изделия, потерявших герметичность, течи на которых были выявлены 1.10-1 л.мк/сек по гелиевой смеси и на втором 1.10-2. Как оказалось впоследствии  [148] это были средне статистические величины течей, обнаруживавшихся на изделиях, терявших герметичность у заказчика на штатной эксплуатации. Для первого изделия, потерявшего герметичность на испытательной базе  предприятия в Фаустово, была прослежена динамика роста концентрации паров АТ в сухих отсеках до того, как течь была локализована с помощью бандажа, показанного на Рис.4.2.4Р. Следует отметить, что данная течь, будучи локализованной, за десять лет стояния изделия под компонентом, заросла и не функционировала, при постоянном нахождении бандажа в течение всего этого времени. Изменение концентрации на этом изделии приведено на Рис. 12.2.1Р [187].

   Рассмотрение этой кривой показывает, что при постоянном источнике натекания рост концентрации происходит до определенного момента, а затем наступает определенное равновесие, после чего концентрация вновь начинает расти. Наличие равновесных концентраций, как бы «полочек», можно объяснить различной сорбционной емкость имеющихся различных материалов на изделии. В период «полочек» идет активная сорбция паров материалами. При насыщении одной группы материалов начинается рост концентрации до насыщения очередной группы материалов.

   Исходя из этой кривой, можно построить сравнительную схему условий испытаний в различных организациях с фактическими условиями на натурном изделии во время его загазованности. Это сравнение приведено на Рис. 12.2.2Р, которое показывает, что в наибольшей мере подходят к реальным условиям эксплуатации динамическая методика ОКБА и ЛЕННИХИ. Но указанное преимущество теряется по следующим причинам.

   Течи, создаваемые в ЛЕННИХИ настолько велики, что концентрация в объеме за сутки достигнет 936 мг/л. Наличие воды в колбе создает относительную влажность  98-100% , что кардинально меняет условия опыта. Кроме того, в испытательной камере не смоделировано  соотношение поверхности материалов к поверхности камеры, их вместе с количеством установленных в камере Ч.Э.    Этот факт имеет большое значение, т.к. поглощение паров КРТ   поверхностью датчика и поверхностью ракеты обуславливается одним и тем же физико-химическим процессом, а именно сорбционной активностью поверхностями и окислительно-восстановительными реакциями, протекающими в Ч.Э. Все эти недостатки относятся к испытаниям и в ОКБА с небольшой разницей, где концентрация за сутки составляет 144 мг/л и более, а относительная влажность доходит до 80%, чего нет при штатной эксплуатации в изделии. Не известным остается количество осевших паров, т.к. анализ парогазовой смеси на выходе из камеры не производился. Эти, видимо, и объясняется большая разница в получаемых результатах во всех этих организациях.

  Статическая методика, использованная в данной работе и в НИИ-4 МО, имеет отличие от натурных условий в том, что скорость натекания переменная и вначале несколько большая, чем в натурных условиях. Это объясняется тем, что не всегда удается полностью смоделировать соотношение поверхностей материалов к объему испытательной камеры и поэтому вначале необходимо давать большие порции КРТ, но  выдерживается   средняя скорость поступления компонентов.  Преимуществом данной методики является то, что испытания ведутся при постоянной концентрации и необходимом соотношении поверхностей материалов при влажности, имеющейся в реальном изделии. Обобщенные результаты испытаний в различных организациях представлены на Рис. 12.2 3Р. Несмотря на применение различных методик в этих испытаниях, анализ их результатов может позволить сформулировать некоторые весьма важные следующее обобщающие выводы [184].

   Срабатывание датчиков ОД происходит сравнительно быстро (20-50) часов лишь при концентрации паров АТ выше 1 мг/л при относительной влажности 60%. При относительной влажности 4% время срабатывания при этих концентрациях увеличивается в среднем  в два раза. Относительная влажность 4% и 30% принимались в силу того, что контейнер с изделием заполняется воздухом с относительной влажностью 4% и затем допускается, что к концу межрегламентного периода относительная влажность не должна повышаться выше 30%.

  С понижением концентрации  паров влияние относительной влажности на время срабатывания датчиков снижается при коротком времени их выдержки. При выдержке в течение более 1000 часов время срабатывание датчиков практически достигают одних и тех же величин при концентрациях в пределах 0025 мг/л.

 

 

 Вместе с тем, было отмечено, что при концентрациях АТ равной 0,1 мг/л и относительной влажности 90%, и выдержке 1000 часов некоторые материалы начали изменять свои свойства.

   Так, отмечено изменение веса органических покрытий (лаков Ур-231 и 34100), наличие коррозии стали 2Х13, бронз и азотированных образцов из сталей НЖВД и ЭН-784, было установлено снижение разрывной прочности клея АК-20 на 50-60%, наблюдалась коррозия на корпусах ряда конденсаторов и появление коррозии их выводов.

   Таким образом, испытания датчиков ОК-2 по АТ, проведенные совместно с материалами показали, что их чувствительность недостаточна при работе в составе изделия. На основании проведенных этих исследований было сформулировано  требование по разработке новых, более чувствительных элементов по АТ. Работы в ЛЕЕННИХИ [184], проведенные по повышению чувствительности Ч.Э. показали следующее.

   Срабатывание Ч.Э. происходит тем быстрее, чем большее исходное сопротивление, т. е. чем меньше толщина серебряной пленки. При начальном сопротивлении 6-7 ом Ч.Э. становятся восприимчивыми к окружающей среде влажного воздуха даже при отсутствии паров АТ, т.е. они становятся обычными корозиметрами и не могут использоваться для индикации паров АТ. Для дальнейших исследований были взяты Ч.Э. с исходными сопротивлениями 1,5 – 2,5 ома, получивших индексы С-20,С-25 и С-50, результаты которых приведены на Рис. 12.2.4 Р.

   На рисунке по оси ординат указано сопротивление R в омах, и по оси абсцисс доза коррозионного воздействия Д в мг/л.час., о которой будет сказано в следующем разделе.

   Эксперименты по изучению работоспособности отдельных Ч.Э. по гептилу  ГП-2 для датчиков ГП-4, проводились при изучении сорбции, о чем было сказано ранее. На Рис. 11.2.4Р приведены результаты исследования тих элементов при концентрации паров НДМГ 0,015 мг/л

в присутствии сорбентов. На кривой 1 показано время их срабатывания без сорбентов, которое составляет всего порядка 3-х часов, что свидетельствует о их чрезвычайной чувствительности.

    Испытания датчиков ГД-4 по НДМГ. проводились при изучении влияния методик испытаний результаты которых приведены а Рис. 12.2.3Р. из которых следует, что срабатывание датчиков ГП-4 также происходит достаточно быстро  при наличие паров НДМГ. Материалы за это время, не успевают получить какие либо изменений.

     По этим исследованиям было сделано заключение о том, что эти датчики следовало бы несколько загрубить. Исследованиями в ЛЕННИХИ было показано, что эти Ч.Э. можно будет загрубить путем введения в индикаторную массу веществ, замедляющих восстановление окиси серебра.

    Первый  опыт эксплуатации штатных ракет УР-100 подтвердил сделанные выводы. На изделиях, которые теряли герметичность по АТ, датчики СДКЗ не выдавали сигнала о появлении паров АТ,

 Датчики по НДМГ, наоборот, срабатывали без появления паров НДМГ, что определили, как ложное срабатывание.

  Причина невыдачи сигнала по датчикам АТ была ясна на основе предварительно проведенных экспериментов. По датчикам НДМГ было высказано предположение о их срабатывании от паров органических веществ, находящихся в полости контейнера, которые   преждевременно восстанавливают окись серебра, что и приводит к выдаче ложного сигнала.

   Опыт эксплуатации и  проведенные эксперименты показали, что необходимо провести дальнейшие исследования в следующих направлениях, которые затем были выполнены:

- определить приемлемые пороги срабатывания датчиков СДКЗ.

- изучить распределение паров компонентов и паров органике  в полости контейнера,

- разработать методику повышения чувствительности СДКЗ на изделиях, находящихся на эксплуатации,

- разработать методы и средства поглощения паров органики в контейнерах  изделий

 

12.3.  Определение порогов срабатывания датчиков СДКЗ

 

  В процессе проведения работ  и обсуждении получаемых результатов, связанных с повышением чувствительности датчиков ОД-4 по АТ и загрублением датчиков ГД-4 п НДМГ, было выявлено различное  толкование основных определений, понятий и терминов, характеризующих работу СКДЗ и ее элементов. В связи с этим, возникла необходимость разработать и руководствоваться единой трактовкой технических характеристик элементов, что было сделано в работе [188] .

   Специфичность датчиков ОД-4 и их Ч.Э-  ОК-2 и СДКЗ вцелом не позволяют подобрать типичные примеры, достаточно полно отражающие  их работу понятиями и определениями принятыми в технике автоматического контроля и регулирования.  Тем не менее, целесообразно характеризовать работу системы и ее элементов именно такими понятиями.

   Окисление пленки в датчике приводит к увеличению сопротивления Ч.Э. В свою очередь, оно зависит от интегрального воздействия таких факторов, как количество поглощенных паров АТ

( G), времени действия этих паров (τ) на Ч.Э., температуры окружающей среды (t)  и влажности (φ ). «Интегральная доза этого воздействия» в общем виде может быть представлена как зависимость  Д = f ( G,τ,t,φ)  при φ и t- constant, или условная «доза коррозионного воздействия» будет иметь вид Дк = f (G. τ ).

   Таким образом, входной величиной для датчика и Ч.Э. можно считать не концентрацию паров АТ, взятую  в отрыве от времени, влажности и температуры, а «дозу коррозионного воздействия» паров -  Дк. Если рассматривать воздействие входной величины Дк на приемный элемент ОД-4 или ОК-2 изолированно от СДКЗ, а за входную величину считать омическое сопротивление R, то ОК-2 Ч.Э ОК-2 являются датчиками, т.к. производят пропорциональное изменение выявляемой величины в изменение новой величины. Тогда ОК-2  и ОД-4 могут быть определены статической характеристикой, показанной на Рис. 12.3.1Р, под которой понимается связь между входными и выходными параметрами в установившемся режиме.

   Основными показателями датчиков является их чувствительность S под которой принимается отношение изменения выходной величины ∆R  к изменению входной величины Дк [189,190]:

                                                          ∆R

                                                  S =                                                            ……………..(12.3.1Ф)

                                                         ∆ Дк

 

 Как видно из графика на Рис.12.3.1Р, чувствительность датчика выражается  тангенсом угла касательной (t α) и является для датчика и Ч.Э. величиной переменной.

   Согласно работы [191] известно, что в ряде случаев не удается построить с непосредственным преобразованием либо потому, что не известны явления у которых наблюдалась бы необходимая связь между изменениями выявляемого ( управляющего) параметра и изменением управляемого параметра, либо явления известны, но связь между ними недостаточна определенная  вследствие влияния посторонних факторов. В этом случае создаются датчики – реле с рядом промежуточных преобразований. Структурная схема такого датчика – реле представлена на Рис. 12.3.2Р

    Рассмотрение этой схемы применительно к СДКЗ показало, что исходной величиной для нее будет являться не сопротивление R, а ток  J. Изменение входной величины в данном случае происходит скачкообразно, что свойственно реле. Статическая характеристика СДКЗ представлена на Рис. 12.3.3. Основным показателем реле является его параметр срабатывания, которым называется минимальное значение входной величины, при которой происходит скачкообразное изменение выходной величины [189].

   Таким образом, рассматривая устройство дистанционного контроля загазованности в целом, целесообразно считать, как реле определять его в соответствии с этими характеристиками, присущими реле. Чувствительные элементы ОК-2 и ОД-4, рассматриваемые изолировано от системы, можно считать датчиками и описывать их, как отдельное устройство с характеристиками и показателями, присущими датчикам. Подход к этим Ч.Э, как к датчикам, очевидно, необходим при проведении экспериментальных работ. Однако, в сложившейся практике проведения испытаний в части загазованности, в большинстве случаев статические и динамические характеристики, чувствительность и порог чувствительности, а также постоянная времени  для них не определялись.

   Основными показателями Ч.Э., в какой то мере характеризующих «чувствительность» датчика, является время их срабатывания при постоянной, наперед заданной концентрации паров АТ в воздухе. При этом, под срабатыванием Ч.Э. понимается достижение омического сопротивления, равного 5 ком, условия при котором происходит прохождение сигнала в СДКЗ.

  В соответствии с этим положением были проведены сравнительные испытания датчиков ОД-4 с ОК-2 по времени срабатывания, на основании которых были предприняты попытки определить величину изменения их «чувствительности».

    Для того, чтобы представить численную величину чувствительности по формуле 12.3.1Ф нет достаточных данных, характеризующих датчики ОД-4, кроме концентрации паров АТ, времени срабатывания и величины сопротивления % ком. В связи с эти, для характеристики этих датчиков, как самостоятельных устройств, целесообразно пользоваться статической характеристикой.

   Для проведения сравнений датчиков ОД-4 и Ч.Э ОК-2, а также других Ч.Э с разной чувствительностью С-25 и С-50 между собой и с исходными требованиями по чувствительности датчиков ОД-4, возникает необходимость использовать, так называемую, условную чувствительность, или коэффициент  управления датчиком

                                      

                                               Sусл.   =    Rкон                                              ………….(12.3.2Ф)

                                                               Д сраб

где:  Sусл. =  условная чувствительность

         Rкон =  5 ком- const для всех испытанных датчиков и Ч.Э.

         Дсраб = доза срабатывания, т.е. доза, при которой достигается Rкон = 5ком.

 

   Графически Sусл.  будет выражаться tg β – зависимостью, показанной на Рис. 12.3.1Р.

 Для оценки устройства СДКЗ в целом как реле, необходимо задавать параметр срабатывания реле – Дсраб. И статическую характеристику, которая графически может быть изображена в виде представленной на Рис.12.3.3Р.

  В дальнейшем при изложении материала, там где идет речь о СДКЗ в целом, используется термин «реле» и применяются соответствующие показатели и понятия. Там, где будет говориться о датчиках типа ОД-4, как с самостоятельным устройством, применяется термин «датчик».

  Исходя из принятых положений, представляется возможным провести расчет, позволяющий выбрать требуемый параметр срабатывания при следующих допущениях.

1. Пары КРТ малой концентрации равномерно распределены по всему объему внутренней полости контейнера ракеты за счет их диффузии и естественной конвекции.

2. Отсутствуют изолированные объемы, без выхода их воздушной среды в полость контейнера,  где возможно натекание компонентов при потере герметичности какого либо элемента топливного тракта, выходящего в данный объем.

  Согласно требований по герметичности изделий контроль сварных швов производится методом «накопления» с удельной чувствительностью метода равной q = 5.10-7 л.мк/сек. см2 проверяемой зоны[94,192]. При этом суммарный поток  с проверяемой зоны должен быть не более  Qсум. ≤ 10-4л.мк/сек.

   При наличие течей менее 1.10-4 л.мк/сек по АТ , в большинстве из них, происходит их зарастание в течение 6 месяцев. Если допустить, что на каждом сантиметре шва имеется одна течь равная 1.10-7 л.мк/сек и принять полную длину сварных швом топливного тракта по АТ равной 17 м., то суммарное количество АТ, натекаемое через все сварные швы, составит 360 мг. Тогда концентрация паров АТ в контейнере с объемом 8.104 л. составит, без учета сорбции, величину равную С= 0,0045 мг/л. Как видно, концентрация паров АТ в воздухе к концу 6 месяцев будет столь незначительна, что даже при допущении течи на каждом погонном сантиметре сварного шва, величина ее без учета сорбции ниже санитарной нормы, которая по АТ составляет С =0,005 мг/л .

  В связи с тем, что по прошествии 6 месяцев источник загазованности указанного размера, в своем большинстве закрывается, опасность представляет только аварийный случай течи, величину которого не представляется возможным рассчитать, поскольку этот процесс носит случайный характер. Поэтому появление течей по АТ, вызывающих появление концентраций паров АТ, выше и равную санитарной норме, следует считать аварийной, которое подлежит выявлению.

  Для определения параметров срабатывания канала СДКЗ, сигнализирующей о появлении аварийной загазованности, необходимо задаться величиной интегральной дозы коррозионного воздействия на материалы изделия, поскольку Ч,Э. в датчике ОД-4 изменяют свои параметры также в результате коррозионного воздействия одной и той же воздушной среды, находящейся в контейнере.

  В работе [181] предложено характеризовать датчики ОД-4  «дозой химического воздействия». Был предложен метод расчета дозы, определяющий величину коррозии Ч.Э., применительно к принятой методике испытаний в ЛЕННИХИ. Расчет произведен с учетом ряда факторов, имеющих место в протекании коррозионных процессов, помимо воздействия самих паров АТ. В основу расчета было положено 

                                                                         Д = Сτ.                           ………….(12.3.3Ф)

   Предложенное равенство можно считать приемлемым для расчета параметров срабатывания только при постоянных значениях температуры и относительной влажности при следующих допущениях.

1. При воздействии паров АТ с концентрацией менее 1 мг/л на Ч.Э., скорость окисления серебряной пленки прямо пропорциональна росту концентрации.

2. Скорость окисления пленки серебра прямо пропорциональна времени воздействия паров АТ постоянной концентрации.

   Рассматривая результаты испытаний Ч.Э., представленных на рис. 12.2.4Р можно отметить следующее. Все Ч.Э одного типа имеют достаточно стабильное постоянство величин дозы срабатывания. Так, Ч.Э. ОК-2, входящие в датчик ОК-4, имеют дозу срабатывания в пределах 150 мг/л.час, при которой датчики  срабатывали при концентрациях вплоть до 0,1 - 0,015 мг/л. Ч.Э. повышенной чувствительности имеют дозу срабатывания в пределах 20-50 мг/л.час в том же интервале концентраций.

   Данный интервал концентраций является наиболее вероятным для практических случаев появления загазованности на изделиях. Следовательно, принятое постоянство дозы достаточно хорошо согласуется с результатами эксперимента, а величина концентрации при аварийной загазованности на изделии лежит в области постоянства дозы.

   Вместе с тем, анализ результатов испытаний, проведенных ранее, показывает, что наблюдается несоответствие поученных данных предложенной закономерности постоянства дозы при повышенных концентрациях паров АТ, которое можно объяснить влиянием   влажности и используемой методики испытаний.

   Рассмотрим влияние влажности. Как известно, определяющее коррозионное воздействие на пленку серебра оказывает не столько непосредственное воздействие паров АТ, сколько продукты взаимодействия АТ с влагой воздуха, в основном, образующаяся азотная кислота При больших концентрациях АТ и относительной влажности 60%, абсолютное количество влаги в воздухе (содержание влаги 10,7 мг/л при 20оС)  достаточно для образования азотной кислоты в значительных количествах. Это приводит к выседанию концентрированной азотной кислоты на серебряную пленку чувствительных элементов, вследствие чего, происходит быстрое окисление серебра. При более низких концентрациях паров АТ в пределах 0,015 – 5 мг/л  количественное соотношение паров АТ и влаги таково, что всегда имеется избыток влаги. В этом интервале концентраций наблюдается практически постоянное значение дозы, что вполне объяснимо, т.к. коррозионная активность продуктов взаимодействия АТ с влагой находится в прямой зависимости от количества АТ.

  При больших концентрациях паров АТ  и малой относительной влажностью менее 45% абсолютная величина количества паров воды в воздухе  (4,3 – 5 мг/л)  и АТ всегда находится в избытке. Образование коррозионно активной кислоты обусловлено в данном случае количеством паров воды. Вследствие этого, большая часть паров АТ не связывается с влагой воздуха, что не учитывается при расчете величины дозы по формуле 12.3.3Ф). Поэтому так велика «кажущаяся доза коррозионного воздействия» при повышенных концентрациях АТ и малой влажности.

   При дальнейшем понижении концентрации паров АТ, количество коррозионно активных кислот остается практически неизменны, в то время, как при расчете дозы по этой формуле, концентрация «С» может уменьшаться и естественно будет уменьшаться величина дозы. Тем не менее, при С = 0,05 – 0,5 мг/л можно говорить о постоянстве дозы, поскольку при этих концентрациях соотношение концентрации АТ и влаги соизмеримы. Тенденция в экспериментах к понижению дозы с повышением концентрации вызвана, видимо, методическими погрешностями.

    Рассмотрим влияние методики испытаний.  Определение влияния методики проведения испытаний основывается на той же предпосылке, что  коррозионное воздействие оказывают активные кислоты.  При статическом режиме поддержания концентрации паров АТ в испытательном объеме имеется определенное количество влаги. Образование кислот постепенно приводит к понижению влажности, что в свою очередь, замедляет процесс образования кислот. Это способствует протеканию установившегося процесса окисления пленки серебра и сохраняет постоянство дозы.

    В динамическом режиме поддержание концентрации паров АТ, производится введением заранее подготовленной паровоздушной смеси. В этом случае происходит следующее:

а) образуется большое количество азотной кислоты за счет поступления все новых порций влаги в воздухе, что ускоряет коррозионный процесс по сравнению со статическим режимом,

б) не принимается во внимание общее количество паровоздушной среды, пропущенный через испытательный объем, в то время, как количество активных веществ, израсходованных на окисление серебра, определяет дозу коррозионного воздействия

   Именно эти два фактора оказывают влияние на прохождение коррозионного процесса и не могут быть учтены при расчете дозы коррозионного воздействия.

    Исходя из анализа результатов испытаний Ч.Э. с учетом влияния влажности и методики испытаний на дозу коррозионного воздействия, представляется возможным:

- принять дозу коррозионного воздействия  ( Д = Сτ), как величину, контролируемую реле, в

   качестве которого выступает СДКЗ,

- испытания по определению дозы следует проводить по методике статического режима,

   поддерживая постоянную концентрацию, не вводя дополни тельного количества влаги в

  испытательный объем,

- определение дозы и испытания проводить при концентрациях АТ не выше 1 мг/л при 20оС и

   относительной влажности 15% ± 3оС, которые соответствуют таковым на изделиях,

   находящихся на эксплуатации,

- испытания Ч.Э предпочтительно проводить совместно с набором номенклатуры материалов,

   при  моделировании  отношений их поверхности к их объему  совместно с внутренней  

   поверхностью самой испытательной камеры, приближаясь по величине отношения,  равному

   такому же отношению, имеющемуся применительно к тем объемам и номенклатуре  

   материалов натурного изделия, в которых предполагается устанавливать датчики с

   испытываемыми Ч.Э.

  Данные методические положения в установлении чувствительности датчиков были приняты Межведомственной комиссией [193] и послужили основанием для дальнейшего совершенствования СДКЗ.

     Проведенный ранее расчет показал, что при допущении наличия течей величиной Q = 1.10-4 л.мк/cек с проверяемой зоны, возможно натекание АТ, которое создаст концентрацию паров АТ в контейнере равной 0,0045 мг./л без учета сорбции, т.е. меньше санитарной нормы. В связи с тем, что закупорка микротечей, не улавливаемых средствами производственного контроля, зарастают быстрее, чем за 6 месяцев и изделие становится практически полностью герметичным, представляется возможным и необходимым получить сигнал о наличие паров АТ с концентрацией С ≤ 0,0045 мг/л за время не более 6 месяцев. Тогда интегральная доза  будет составлять Д = 19,5 мг/.час или 20 мг/л.час.

   Если предположить, что на изделии может возникнуть аварийная ситуация и может появиться течь любой величины, а параметр срабатывания, которым будет являться постоянная величина равной дозе, то время нахождения под данной концентрацией определится из величины дозы Д.

Данный подход, согласно которого срабатывание СДКЗ происходит за счет дозы коррозионного воздействия, позволил  выдвинуть предложение в построении СДКЗ двух канального вида.

     Первый канал должен быть оснащен датчиками, которые очень быстро бы выдавали сигнал о появлении загазованности на изделии, что является аварийной ситуацией, а второй канал бы выдавал сигнал о наступлении коррозионного разрушения наиболее слабого звена на изделии под коррозионным воздействием от паров АТ. Величина дозы, равной 20 мг/л была ранее определена, как наиболее подходящей для выдачи сигнала о появлении загазованности и эта величина принята для датчиков канала сигнализации.

  Второй канал должен позволять получить сигнал о наступлении коррозионной опасности при нахождении изделия в загазованной среде и для него должна быть определена доза, при которой должен выдаваться сигнал.

   На Рис. 12.3.5Р представлена кривая 1  значения величины дозы, равной 20 мг/л.час, рассчитанной в координатах концентрация С и время τ. Эта зависимость показывает за какое время должно происходить срабатывание реле при различных значениях концентрации паров АТ от 0,005 до 0,1 мг/л. Этот канал определяется, как канал системы сигнализации о появлении паров АТ на изделии, т.е. сигнал о возникновении на изделии  аварийной ситуации. Для  определения дозы для второго канала о появлении коррозионного разрушения наиболее слабого звена изделия, необходимо проведение испытаний по определению стойкости материалов в загазованной среде.

    Изучение коррозионной стойкости материалов в загазованной среде велось довольно широко и первые систематизированные данные по этому вопросу опубликованы в сборнике ГОНТИ [19]. Там же приведены первые данные, полученные по коррозионной стойкости элементов и агрегатов изделия [195], результаты которых представлены на Рис. 12.3.5Р.

   Проведенные работы по определению работоспособности материалов и агрегатов ракет в загазованной среде показали, что коррозионное разрушение комплектующих элементов подобно коррозионному процессу, происходящему в Ч.Э. типа ОК. Они также зависят от концентрации паров,  времени их воздействия, температуры и влажности окружающей среды и для них так же, как и для Ч.Э. сохраняется закономерность дозового воздействия внешней среды. Разрушения при этом происходит по наиболее слабому звену, как, например, в ламелях регулятора кажущихся скоростей [196]. Данная работа позволила предложить дозу коррозионного повреждения для ракеты УР-100, показанную в качестве кривой     2 на Рис. 12.3.4. Предложенная кривая 2 характеризуются следующими тремя точками.

   Точка 1 – С = 0,1 мг/л и  τ = 45 суток

 При этих условиях проведены испытания аппаратуры, которая сохранила свою работоспособность без наличия следов коррозии. Проведенные аналогичные испытания в НИИ-4 МО при расширенном объеме агрегатов и материалов и времени выдержки до 6 месяцев позволяют увеличить допустимое время до 6 месяцев.

   Точка 2    С = 0,015 мг/л   и τ = 12 месяцев                                                        

  При этих условиях проведены испытания в ГИПХ с положительными результатами и в служебной переписке ГИПХ рекомендовал принять ее доля кривой 2.

    Точка 3 -  С = 0,005 мг/л     и   τ = 2 года

 Параметры этой точки выдал в служебной переписке ННИ 88 ( ныне ЦНИИМАШ) по результатам своих испытаний.

   Параметры по выше приведенным точкам сведены в таблицу 12.3.1Т

                                                                                                            Таблица 12.3.1Т

 

 

        Номер         Концентрация       Продолжительность.          Доза         Выдавшая

         точки                мг/л                   воздействия,                    мг/л.час      организация

 


            1                    0,1                          45   суток                         108             ЦКБМФ1

            2                    0.015                       1    год                             132             ГИПХ

            3                    0,005                       2 года                                 87            НИИ 88   

  

       

 Точки на пороговой кривой 2, приведенные в этой таблице имеют дозы коррозионного воздействия довольно близкие между собой значения. По ним следует отметить, что дозы 108 и 87 по результатам испытаний можно приблизить к 132 и тогда это еще раз подтвердит постоянство дозы коррозионного воздействия. Исходя из этого дозу для канала коррозионного упреждения – кривая 2 , можно принять в пределах 100-132 мг/л.час.

   Проведенные исследования по изучению чувствительности датчиков и Ч.Э изложенные в данном разделе послужили основой для дальнейших работ в этом направлении.

 

12.4   Разработка рекомендаций по повышению чувствительности датчиков СДКЗ

 

   Решением МОМ [193]  было предписано провести работы по повышению чувствительности датчиков СДКЗ по АТ, которые выполнялись рядом организаций, результаты которых составляет содержание данного раздела.

   Повышение чувствительности СДКЗ можно было осуществить путем замены датчиков ОД-4 с Ч.Э. ОК-2 на новые датчики с более чувствительными элементами. Кроме того, можно было на старых датчиках, либо заменить защитные колпачки на новые, или совсем снять их.  У них имелись прорези, для обеспечения  доступа воздуха к Ч.Э, которые возможно были недостаточной величины и затрудняли доступ паровой фазы к Ч.Э.

    Исследования были проведены по обоим направлениям в четырех организациях [197,198,199,200)]. Испытания Ч,Э. и датчиков проводились в организациях по своим методикам, изложенным и описанным ранее. Обобщение результатов этих испытании проведено в работе [188] и показано на Рис.12.4.1Р и Рис.12.4.2Р. Эти испытания подтвердили ранее сделанные выводы, приведенные в разделах 2 и 3. Вместе с тем, рассматривая результаты испытаний на Рис. 12.4.1Р можно сделать следующие дополнительные выводы и обобщении. На этом рисунке приведены номер в/ч, который ранее был в НИИ-4 МО и номер п/я, который ранее был у ЦКБМФ1, а ныне КБ «Салют».

   Применение динамической методики, как указывалось ранее, влечет за собой изменение характера зависимости «С – τ» (кривые 3 и 4) происходящее за счет введения дополнительного количества влаги, вносимой в пары АТ. Это приводит к ошибочному выводу, делавшемуся в ряде организаций, что время срабатывания ОД- не зависит от влажности при концентрациях выше 0,05 мг/л.. в силу того, что кривые 3 и 4 пересеклись в области этих концентраций.

    Испытания при больших концентрациях 5,0 мг/л не позволяют точно вычислить разницу во времени срабатывания  различных Ч.Э, поскольку  при определении среднего времени срабатывания для одного типа Ч.Э опыты дают значительный разброс. Например, кривая 4 и точка 6 соответствуют идентичным условиям испытаний, а полученные результаты существенно расходятся. Тем более, что испытания при повышенных концентрациях от 1 до 5 мг/л не отражают возможных величин загазованности, которая могла бы появиться на изделиях во время эксплуатации.

   Примером недосточной достоверности полученных результатов при испытании датчиков ОД-4  и Ч.Э. ОК-2  при повышенных концентрациях могут  служить результаты, полученные при проведении испытания при С=5 мг/л и влажности 30%, приведенных в точке 5, где время срабатывания штатных датчиков ОД-4, датчиков  с новыми колпачками и открытыми Ч.Э. ОК-2 одинаково и равно примерно 120 часов.

   Испытания проведенные при низких концентрациях  порядка 0,1 мг/л и ниже, являются более показательным применительно к изделию и более полно отражают характер кривой, определяемой дозой. Например, для кривых 1 и 2  при С = 0,05 мг/л и влажности 30% время срабатывания ОК-2 равно 67 суток, а для Ч.Э. С-25  это время составило 21 сутки. При С = 0,1 мг/л  время срабатывания для Ч.Э. ОК-2 составило 17 суток, а для  С-25 время было 8,5 суток.

   Испытания при постоянной концентрации, создаваемой при статическом методе, точнее отражают условия, воздействующие на ОД-4.и в этих условиях  при С=0,1 мг/л было проведено наибольшее количество испытаний. Целесообразно при повышении чувствительности датчиков опираться  на эти данные, приведенные в таблице 12.4.2Т.

  Приведенные в этой таблице данные показываю следующее. Замена штатного колпачка датчика ОД-4 с увеличенными прорезями повышает чувствительность примерно в 2,5 раза. Вместе с тем, чувствительность таких датчиков в 2 раза меньше чувствительности самих Ч.Э ОК-2, т.е. чувствительность самого датчика ОД-4 примерно в 4 раза ниже самого Ч.Э. ОК-2  . Чувствительность датчиков с Ч.Э. С-25 со штатными колпачками в 5 раз ниже, чем Ч.Э. С-25. Следовательно, конструкция датчика  понижает чувствительность Ч.Э. в 2 раза.

   С целью более наглядного представления о величине требуемой и имеющейся чувствительности датчиков и Ч.Э. на Рис. 12.4.2Р приведены кривые требуемого параметра

 

срабатывания СДКЗ с доработанным датчиками. На этом рисунке нанесены зоны 1 – 1У срабатывания испытанных датчиком и Ч.Э, а также кривая 1 с дозой сигнализации о появлении загазованности и  кривая  2 с дозой коррозионного упреждения, сигнализирующей о наступления коррозионной опасности.

                                                                                                                                Таблица 12.4.2Т

 


         Точки на       Тип датчика        Конценр.    Время      Доза      Чувст-      Повышение

         Рис.12.41Р        и Ч.Э.                паров АТ   возд.                      вительн.     S,  разы

         сравнивае-                                    С мг/л       τ, час        Д,           S улов

              мые                                                                         мг/л.час                        

             

              10              ОД-4 штатн.            0,1          2160         216           23               

                8              ОД-4 нов. колп.       0,1           840         84            60                 2,5

              

                8              ОД-4 нов. колп        0,1           840         84             60

                2              ОК-2                         0,1           408         40,8        123                 2

 


              10              ОД-4 штатн.             0,1         2160         216           23

                2              ОК-2                          0,1          480           40,8       123                 5

 

                2              ОК-2                          0,1          480           40,8        123

                7              С-25                           0,1          240           24           210                2

 


              10             ОД-4 штатн                0,1        2160          216            23

                               ОД-4 на осн.              0,1           290          29            173              7,5 

                                   С-25 

 

  Анализ данных, представленных на Рис. 12.4.2Р позволяет сделать следующие выводы.

Область  1 (римская) чувствительности штатных датчиков ОД-4 находится далеко от кривой необходимой чувствительности  и лежит правее проекта кривой 2 коррозионного разрушении слабого звена изделия, т. е. реле будет срабатывать после коррозионного разрушения. В силу этого эти датчики были признаны слабо чувствительными и потребовалось повысить их чувствительность.

   В доработанных датчиках ОД-4 площадь колпачков увеличена в 4 раза. Большая часть чувствительности таких датчиков находится в зоне проекта кривой 2 коррозионного повреждения. При относительной влажности 4%  сигнал от таких датчиков  поступит после начала коррозионного повреждения, а при 30% сигнал поступит значительно раньше наступления коррозионной опасности, в силу чего этот вариант датчика не подходит под требования ни одного из каналов  СДКЗ.

   Область Ш срабатывания самих Ч.Э ОК-2, находящихся вне датчика, расположена на грани проекта кривой 2 коррозионной опасности. Из этого вытекает, что чувствительность ОК-2 в принципе может позволить получить сигнал о наступлении коррозионного разрушения наиболее слабого звена, если конструкция датчика не бут заглублять его чувствительность.

   Область 1У чувствительности Ч.Э. С-25  расположена левее проекта кривой коррозионной опасности и при относительной влажности 30% практически приближается к кривой 1 сигнализации о появлении загазованности на изделии, что позволяет использовать датчики с этим Ч.Э для данного  канала.

   На основании проведенного анализа выполненных исследований была подтверждена  ранее сделанная рекомендация о введении в СДКЗ двух каналов сигнализации.

   Для канала сигнализации о появлении загазованности  предложено применить датчики ОД-4  с новыми Ч.Э  С-25, заменив предохранительные колпачки с прорезями на защитные дужки, в наименьшей степени влияющих на загрубение чувствительности Ч.Э.

    Для канала коррозионного упреждения рекомендовано применить датчики ОД-4 с  имеющимися Ч.Э. ОК-2. с заменой колпачков на дужки. Эти рекомендации были использованы при доработке СДКЗ.

 

12.5  Исследование динамики распределения паров КРТ  в сухих отсеках ракеты и контейнера

 

  Одним их важных вопросов, от которых зависит работоспособность работы СДКЗ, являеся распределение паров КРТ в сухих отсеках и контейнере при различных местах появления течей а изделии. В случае неравномерного распределения поля концентраций по изделию, локальное расположение ограниченного количеств датчиков загазованности, работающих по интегральному принципу, может привести к тому, что на изделии в одном каком либо месте могут образоваться значительные концентрации паров КРТ, а датчики при этом не сработают. Вместе с тем, определение полей концентрации аналитическим путем на основании массопереноса не представляется возможным по следующим причинам.

   Полость между контейнером и изделием заполонена различными агрегатами, а внутренняя поверхность оболочки контейнера выполнена сильно оребренной кольцевым шпангоутами, что вносит значительную неопределенность в циркуляцию воздушной среды в этой полости. При наличие течей в сухих отсеках изделия не представляется возможным даже ориентировочно оценить характери и скорость выхода паров КРТ из них в полость контейнера, т.к. наружные стенки сухих отсеков имеют большое число разнообразных неорганизованных  щелей. Весьма важным является то, что отсутствуют практические данные о продольных и поперечных распределениях полей температур воздушной среды контейнера, а также перепада температур по наружной поверхности изделия и контейнера.  В силу этого, распределение паров может быть достаточно достоверно изучено только экспериментальным путем. С этой целью исследования проводились на моделях сухих отсеков и контейнера, а также на натурных изделиях в различные периоды года.

   Модель сухого  отсека, на котором проводись исследования распределения паров, показан на Рис. 12.5.1Р. В процессе испытаний во внутреннем объеме  устанавливался натекатель продукта и устанавливалось необходимая влажность. Через штуцера отбирались пробы воздуха на анализ содержания паров КРТ в трех уровнях по высоте и в четырех точках по периметру. Кроме того, в местах отбора проб устанавливались чувствительные элементы по парам КРТ, используемые в СДКЗ. Для каждого компонента был изготовлен отдельны отсек.

   В процессе испытаний в отсеках создавалось давление 0,2 – 0,3 ати и поддерживалась температура 20оС. Отбор проб производился прибором УГ-1, влажность измерялась прибором ДДН-1. Пробы отбирались объемом 100-1500 мл. через поглотительный раствор Рихтера  объемом  6 мл. Анализ прб по АТ производился путем сравнения цвета раствора со стандартной шкалой, а по НДМГ с помощью фотоколориметра.

   Эксперимент по АТ проводился в два тапа. В первом этапе люки внутреннего отсека были закрыты глухими крышками без отверстий. В этом случае щели образовывались в виде естественного зазора между крышкой и обечайкой. Величину этих зазоров определить не представляется возможным, т.к. их образование на модельном отсеке  и в натурной конструкции  не нормировано и носит случайный характер. Задачей данного эксперимента являлось определение степени проницаемости паров АТ через нерегулярные щели стыках глухих крышек сухих отсеков.

   Второй этап проводился с установленными двумя крышками люков с отверстиями 165х60 мм и закрытых сеткой 0,5х0,25. Свободное проходное сечение на двух люках  составило 100 см2. Натекатель в обоих случаях устанавливался с производительностью 115 мг/сутки, что соответствовало течи по гелию порядка 10 л.мк/сек. Такая большая величина натекания принята была с тем, что за удовлетворительное время можно было определить динамику распространения паров. Результаты эксперимента по первому этапу представлены на Рис. 12.5.3Р, а по второму на Рис. 12.5.2Р.

   Первый эксперимент показал, что нерегулярные и неконтролируемые щели не являются достаточными эффективными каналами для сравнительно быстрого проникновения через них паров КРТ. Вместе с тем, с течением времени, через них все таки проникают пары. Начало их появления во внешнем отсеке зафиксировано на 25 сутки при концентрации во внутреннем отсеке, достигшей 0,8 мг/л  при начальной концентрации паров во внутреннем отсеке равной 0,1 мг/л. На 35 сутки разность между концентрациями в отсеках составляла почти два порядка.

   Второй эксперимент показал, что при наличие суммарной площади приведенного отверстия в люке равной 100 см2 пары проникаю во внешний осек достаточно быстро и начинают фиксироваться на вторые сутки. Максимальный перепад концентраций  в 1,5 порядка  достигает на 45 сутках, а спустя 70 суток концентрация в них практически выравнивается.

   Эксперимент по изучению распространения паров НДМГ проводился в три этапа. Все эксперименты проводились с установленными окнами на люках внутреннего отсека с той же приведенной площадью 100 см2.

   В первом эксперименте был установлен натекатель НДМГ производительностью 110 мг/сутки. Результаты представлены а Рис. 12.5.4Р. В данном эксперименте выравнивание концентраций происходит значительно быстрее чем по АТ, которое произошло на 15 сутки вместо 70 суток по АТ. Максимальная концентрация паров НДМГ составила 0,02 вместо 0,2 для АТ.

   Во втором эксперименте воздушная среда была заменена на азотную при том же натекателе. В данном эксперименте ставилась задача изучить возможность значительного увеличения скорости  роста концентрации в отсеках, с тем, чтобы более наглядно проследить процесс выравнивания. Результаты эксперимента представлены на том же Рис.12.5.4Р.

   Эксперимент с заполнением отсека сухим азотом показал, что характер распространения концентраций  не изменился, с той разницей, что их выравнивание наступило значительно быстрее на восьмые сутки,  темп ее роста возрос за счет отсутствия кислорода воздуха, окислявшего НДМГ.

   Третий эксперимент проводился с натекателем  производительностью 1000 мг/сутки. С целью изучения характера распределения концентрации при изменении мощности натекателя. Результаты эксперимента представлены на Рис.12.5.5Р. Из них видно, что с ростом мощности натекания выравнивание концентраций происходит очень быстро и практически перепадов в них не наблюдается. Одновременно это показывает, что с уменьшением мощности натекания перепад концентраций будет возрастать, а выравнивание их будет происходить значительно позже.

   По результатам эксперимента можно сделать вывод, о том что наличие суммарного отверстия в сухом отсеке равном или более 100см2 выравнивание концентраций все равно наступает. В сухих отсеках изделия имеются отверстия, под всевозможными проходами кабелей, трубопроводов и других незначительных отверстий, суммарная величина превосходит 100 см2. В силу этого в сухих отсеках располагать датчики загазованности нет необходимости.

   Исследования по изучению распределения паров КРТ в натурном изделии проходили на испытательной базе в Фаустово, где штатные ракеты проходили коррозионные испытания в штатной шахте – одна по ускоренному режиму УР-50, а вторая в естественно климатических условиях. Данный эксперимент проводился на втором изделии при относительной влажности 10-25% и температуре 10-15оС. с расположение натекателя компонентов в полости контейнера

  В процессе выдержки с натекателем производился периодический дистанционный замер температуры, концентрации паров и конвективных токов воздуха в контейнере. Замеры в контейнере производились на четырех уровнях по высоте,  установкой датчиков в четырех точках на каждом уровне.

   Температура измерялась датчиками ИС-164 и записывалась на приборе ЗМП-20Э-3 и контрольными датчиками на мст МО-62. Влажность замерялась до и после выдержки. До выдержки она замерялась прибором ДДН-1, а в конце выдержки аспирационным психрометром МВ-4, а также весовым методом.

   Концентрация паров замерялась опытными датчиками на основе полупроводникового элемента «Хемистор», разработанных ЛЕННИХИ  специально для данного эксперимента, а также путем отбора проб и данной точки с последующим химическим анализом, для чего были выведены специальные трубки в оголовок. Помимо этих датчиком в этих же точках устанавливались различные датчики интегрального типа.

  Конвективные потоки воздуха в контейнере и сухих отсеках измерялись дистанционными термоанемометрами, разработанными Ленинградским НИИ труда, минимальная чувствительность которого составляла 0,005 м/сек. Схема расстановки и нумерация датчиков показана на Рис.12.5.6Р.

   В процессе испытаний по АТ эксперимент проводился в три этапа с различным расположением натекателя. При испытании с НДМГ проводился один эксперимент с расположением натекателя в контейнере. После каждого эксперимента проводилась отдувка полости контейнера до концентрации паров ниже ПДК. Испытания охватили все основные климатические периоды года.

   Испытания по АТ проводились с расположением натекателей в приборном отсеке, в отсеке ДУ-1 и в контейнере в нижней точке. Использовались натекатели диффузионного типа, специально разработанные ГИПХ для этого эксперимента. Производительность натекателей составляла в среднем 204 мг/сутки. Результаты эксперимента представлены в виде графиков на Рис.12.3.7Р, 8Р ,9Р, на которых показана схема изделия с номерами датчиков, задействованных в данном эксперименте.

   Анализируя полученные результаты можно отметить следующее. Замеренное среднее значение температуры порядка 10оС по высоте шахты оказалось несколько выше по сравнению со среднегодовой температурой почвы данного района на глубине ниже 5 м., составляющей 7оС. Это объясняется тем. что до проведения настоящего эксперимента в этой шахте поводились коррозионные испытания изделия по ускоренному режиму УР-50. Вместе с тем, расхождение в три градуса не изменило естественного хода годовых изменений температуры, приведенных в главе  на Рис.4.2.1Р. Средние перепады температур по высоте изделия находились зимой 1-3оС и летом 1-5оС. Средние перепады температур между изделием и контейнером составляли 1-2оС. мало различались  по абсолютному значению зимой и летом и изменялись только по знаку. Наличие таких перепадов температур между контейнером и изделием, а также по высоте, говорило о том, что следует ожидать в изделии развитых конвективных токов, приводящих к активному перемешиванию воздушной среды.

   Измерение конвективных потоков показало, что скорость потока в контейнере  достигала наибольших величин в весенне- летний период равной 0,2 м/сек ( Рис. 125.7Р). В летний период  (Рис.12.5.8Р) конвективные токи уменьшались. Однако  скорость потоков по всей высоте составляла, в среднем, 0,03 м/сек. Вполне очевидно, что такой скорости вполне остаточно для активного перемешивания воздуха в контейнере даже летом. В зимний период величина скорости конвективных потоков (Рис.12.5.9Р) нестабильны по высоте контейнера и изменялись от 0,05 м/сек в нижней части контейнера до 0,12 м/сек в верхней части.

   Измерения скорости конвективных потоков внутри отсека ДУ-П показали, что она достаточно стабильна в течение всего эксперимента и составляла 0,02 м/сек. Это достаточно высокая скорость для того, чтобы воздух в отсеках активно перемешивался, что способствует активизации выхода паров из него.

    Измерения концентрации паров АТ, замеренные датчикам были, в основном на порядок выше, чем концентрации, замеренные химическим методом при отборе проб, в силу недосточной их тарировки перед экспериментом. Поэтому на графиках приведены концентрации, замеренные химическим методом.

   На графиках натекатели КРТ и места их расположения в каждом эксперименте обозначены буквами А и Б с соответствующими индексами при них. Графики распределения концентраций приводятся справа рядом с каждым обозначаемым натекателем, взятым в кружки. Рассмотрение указанных графиков показывают следующее.

   Концентрации паров в контейнере, при наличии натекателей в нижней его части, распространяются по контейнеру практически равномерно. В зоне  натекателя концентрация на полтора порядка выше, чем в остальной части контейнера. Концентрация паров в сухих отсеках, в этом случае, практически одинакова и по величине такая же, как и в контейнере вне зоны натекателя. Это говорит о том, что степень герметичности сухих отсеков при наличии в них имеющихся отверстий вполне достаточна для удовлетворительного газообмена между средой контейнера и сухих отсеков.

    При наличии натекателя в приборном отсеке и отсеке ДУ-1 перепад концентраций в них по сравнению с контейнером составил 7-10 раз. Это хорошо согласуется с экспериментом на модельном отсеке, где перепад составлял 15 раз, при наличие в нем суммарного отверстия в

100 см2 вместо 13-170 см2 имеющихся в натурных отсеках изделия. Распределение концентрации паров по высоте контейнера в этом случае практически равномерное с перепадом в 1-1,5 раза.

   Таким образом, замер распределения концентрационных полей паров АТ подтвердили наличие в контейнере развитой конвекции круглый год, приводящему к равномерному распределению концентрации в объеме контейнера. При наличии течей в сухих отсеках, а также при нахождении течей в зоне контейнера, в этих местах наблюдается повышенная концентрация на 1-1,5 порядка по сравнению с распространившейся равномерной концентрацией в объеме контейнера. Проведенные эксперименты показали, что при данных условиях в изделии не происходит расслоение концентрации по высоте за счет гравитационных сил.

   Испытания по изучению распространения паров НДМГ проводились в весенне-летний период с установленным натекателем в верхней части контейнера в зоне приборного отсека. Скорость натекания составляла 2,44гр./сутки и за весь период выдержки изделия в объем контейнера поступило 100 г. НДМГ. Натекатель выполнен в виде узкогорлой колбы с диаметром горловины 25 мм. и высотой 100 мм. с объем 1000мл. результаты эксперимента в виде графиков представлены на Рис. 12.5.10Р.

   Распределение температур по изделию аналогично такому же распределению в весенне-летний период эксперимента по АТ (Рис.12.5.8Р). В рассматриваемом эксперименте температура в верхней части контейнера была несколько выше за счет более высокой температуры наружного воздуха, наблюдавшейся в период проведения эксперимента. Конвективные потоки по своему характеру ближе к летнему периоду, т.к. в этом эксперименте замеренные скорости составили 0,02-0,04 м/сек. Это, по всей видимости, объясняется тем, что в этом эксперименте, по сравнению с весенне-летним экспериментом с АТ, в верхней части температура была существенно выше. За счет этого в верхней части образовалась подушка теплого воздуха, замедлившая конвекцию. Конвективные токи в этом случае образовались за счет горизонтального перепада температур между изделием и контейнером.

   Замер концентраций показал, что пары в контейнере и сухих отсеках распространяются практически равномерно и отличаются друг от друга в 1-3 раза. В отличие от АТ, в зоне расположения натекателя НДМГ, местного повышения концентрации паров не происходило. Этот эксперимент говорит  том, что ввиду хорошей испаряемости и летучести НДМГ он досточно быстро и равномерно распространяется по всему объему и не образовывает местных повышенных концентраций даже в зоне натекателя. Это хорошо согласуется с результатами, полученными на модельном отсеке. Имеющиеся отверстия в сухих отсеках обеспечивают хороший выход паров из них.

   Данные эксперименты проведены на конкретном изделии со своими индивидуальными формами и особенностями конструкции. При распространении полученных результатов для других изделий, требует проведения дополнительных исследований, учитывающих конкурентные конструктивные отличия, имеющихся в этих изделиях. это объясняется тем, что из теории массопереноса известно, что характер массопереноса в узких вертикальных щелях зависит от параметров среды, характеризующихся критериями Релея и Грасгофа, а также отношением длины к ширине щели.

   Исследования характера распределения конвективных потоков внутри контейнера другого изделия были проведены в работе [201]. В этих исследованиях использовались результаты теоретических работ, проведенных в институте теплофизики Сибирского отделения АН СССР [202], работы института тепломассообмена Белорусской АН СССР [203], а также работ, проведенных на моделях.

   В результате тих исследований была получена зависимость начала появления конвективных токов от соотношения длины и ширины щели –Н/δ. и коэффициента Грасгофа Gr.  Эта зависимость представлена на Рис. 12.5.11, где под изделием № 1 представлено изучавшееся изделие в данной работе, а изделие № 2, является изделием, изучавшимся в работе [201]. Из него видно, что для этого изделия за № 2, у которого зазор в щели между изделием и контейнером составляет 100 мм, в отличие от 350 мм на ранее изучавшемся изделии № 1, начало конвекции наступает при перепаде температур 0,018оС, а в изделии № 1 конвекция настает при перепаде температур 0,013оС.

 

  Из этого следует, что температурный перепад, начиная с которого, возникает конвекция для этих изделий, находится в узком интервале, и мало отличается друг от друга. Поэтому результаты, по распределению концентрационных полей, полученные в настоящей работе для изделия № 1 будут аналогичны и для изделия № 2, а вывод о равномерном распределении концентрации паров компонентов в изделии № 1 будет справедлив и для изделия№2.

   Характер распределения конвективных потоков в изделии № 2 , полученный на модели в зависимости от числа Релея показан на Рис. 12.5.12Р. Из него видно, что во всем диапазоне чисел Рейнольдса, характерных для изделия № 2, в контейнере будут иметь место развитые конвективные токи. Вместе с тем, возникало опасение, состоящее в том, что наличие относительно высоких шпангоутов контейнера по сравнению с общей шириной зазора между контейнером и изделием  №2 могло способствовать образованию застойных зон между шпангоутами. Снятые интерферрограммы для зазора с оребренной стенкой при средних значениях чисел Релея, приставленных на Рис.12.5.13Р показали, что застойных зон не образуется и имеет место развитая конвекция по всему сечению зазора. [201].

    В упомянутых работах экспериментально исследовано распределение концентрации паров воды, углекислого газа и гелия по ширине щели при наличии конвекции. Эти исследования, показали, что тяжелых газов по сравнению с воздухом, характерным является увеличение концентрации газов у более теплой стенки. Для легкого газа гелия наблюдается противоположная картина – концентрация увеличивается у более холодной стенки. Это явление объясняется тем, что более тяжелые газы сравнительно медленнее диффундируют в объем щели при наличии кольцевых конвективных токов вдоль стенок. Эти конвективные токи играют главную роль в формировании концентрационного поля. Для легкого газа подъемная сила оказывается больше динамической, определяемой конвективными потоками, и имеет у холодной стенки противоположное направление конвективного потока, что и создает повышенную концентрацию у более холодной стенки. По высоте щели в этих случаях, распределение концентрации оказывается равномерным.

   Неравномерность концентраций по ширине щели  наблюдалось при числах Rа = 103 -106. До 103 концентрация по ширине щели оставалась равномерной. Начиная с 106 неравномерность концентраций по ширине щели вновь стала уменьшаться. Исходя, из этого можно считать, что у изделия № 2 будет всегда повышенная концентрация у стенок либо у изделия, либо у контейнера. Именно в этих местах  и следует располагать датчики контроля загазованности и влажности.

   На основании проведенных исследований и выданных рекомендаций доработана СДКЗ с введением второго канала, получившего название ПДКЗ –пороговый дистанционный контроль загазованности.

 

 

 

 

 

 

12.6   Выводы по главе

 

 

  1. Проведены исследования и разработана переносная лаборатория для определения текущих значений концентраций паров КРТ на ракете в случае ее появления.

 

2.  Показано, что  для индикации паров АТ в СДКЗ датчики ОД-4 не обладают необходимой чувствительностью, с тем чтобы получить сигнал о появлении загазованности как можно быстрее, в силу малой чувствительности примененных в них чувствительных элементов и неудачной конструкции защитных колпачков на датчике.

 

3. Показано, что использовавшиеся для индикации паров НДМГ  датчики ГД-4 обладают слишком большой чувствительностью, а также остановлено, что загрубить их чувствительность можно введя в индикаторную массу чувствительных элементов вещество, замедляющее в них восстановительный процесс.

 

 

 

 

 

 

4. Показано, что применявшаяся методика динамических испытаний  Ч.Э. и датчиков не позволяет получать достоверные данные о их срабатывании, применительно к условиям, имеющимся на штатном изделии и в наибольше степени этому отвечает статическая методика испытаний.

 

5. Разработан критерий  построений 2-пороговой  СДКЗ  на основе использования канала аварийной сигнализации о  появлении загазованности и канала коррозионного повреждения слабого звена изделия с датчиками, имеющими Ч.Э разной чувствительности для каждого канала.

 

6. Установлено, что основной характеристикой чувствительности Ч.Э. является доза их срабатывания, являющаяся произведением концентрации поров и времени их воздействия и равной  20 мг/л.час для канала аварийной сигнализации и 130 мг/л.час для канала коррозионного упреждения.

 

7. Экспериментально установлено, что для канала сигнализации применимы Ч.Э. С-25 , а для коррозионного упреждения Ч.Э ОК-2  с доработанной конструкцией защитных колпачков датчиков, облегчающих доступ паров КРТ к Ч,Э,

 

8. Проведенные экспериментальные исследования на штанном изделии по изучению распространения на нем паров КРТ показали, что имеющиеся перепады температур на изделии по высоте и периметру, приводят к возникновению в нем конвективных токов воздуха, которые имеют место во все климатические периоды года со скоростями от 0,02 до 0,2 м/сек., что приводит к выравниваю концентраций паров в контейнере и сухих отсеках изделия.

 

(Примечание. Далее Рис. 12.1.1Р – 12.5.13Р брать из файла со сканированием. Выпуск 3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 13  ОПЫТ ЭКСПЛУАТАЦИИ  КОРПУСОВ РАКЕТ  УР – 100

 

13.1 Эксплуатация ракет в течении первых четырех лет

 

   Эксплуатация ракет УР-100 (8К84) на серийных объектах в течение рада лет показала, что топливные системы изделия надежно сохраняют свою герметичность и обеспечивают работоспособность изделии. Это подтверждалось результатами проверки изделий  при проведении регламентных работ и положительными результатами периодических пусков после нахождения их на дежурстве. За первые четыре года было произведено 20 пусков ракет, которые  все были успешными. Эти изделия снимались с дежурства, перевозились на Байконур и там  производились их пуски.

   Вместе с тем, в процессе эксплуатации появились отдельные случаи нарушения герметичности ряда разъемных соединений в  блоках контроля давления в ПГС, а также в сварных соединениях топливных трактов ракет.

   Изделия, имевшие негерметичность по разъемным соединениям элементов блока контроля давления (БДО и БДГ) с эксплуатации не снимись, негерметичность таких изделий устранялась путем дополнительной подтяжки резьбовых соединений или заменой дефектных блоков контроля давления.

    Негерметичности в сварных соединениях приводили к снятию изделий с дежурства и замены их на новые. Снятые изделия отправлялись на завод изготовитель, где оно подвергалось дефектации на предмет обнаружения места негерметичности и его квалификации. Завод изготовитель платил штраф за поставку некачественного изделия и за свой счет  поставлял заказчику новое изделия взамен некачественного.

   За весь период с 1967 по 1970 год было снято с дежурства и возвращено на завод изготовитель 4 изделия по причине негерметичности сварных соединений. Такой темп выхода из строя изделий не вызывал особого беспокойства.

    В 1970 году, одно за другим было, снято с дежурства по причине негерметичности сварных соединений сразу 5 изделий и это вызвало опасение, что на герметичности изделия начинают проявляться какие – то временные или иные факторы, не изученные ранее, которые будут приводить к интенсивному съему изделий с дежурства.

   В связи со сложившейся ситуацией, совместным приказом МОМ и МАП за № 38 от 22.11.1070 г. была образована Межведомственная комиссия, под председательством автора данной работы, состав которой был расширен дополнительным приказом № 187/348 от 24.11.1970г. На комиссию возлагались следующие задачи:

- исследование причин негерметичности сварных соединений.

- анализ технологических процессов использовавшихся при изготовлении изделий, контроля

   герметичности изделий и их двигателей,  а также их соответствие конструкторской

   документации,

- разработка мероприятий и рекомендаций, направленных на повышение герметичности и

   качества изготовления агрегатов ПГС.

   В связи с широкими и значительными задачами, поставленными перед Межведомственной комиссией, в ее составе были образованы три рабочих подкомиссии. Состав Межведомственной комиссии и трех рабочих подкомиссий с их задачами приводится ниже, как исторический документ о составе тех лиц, которые выполнили очень важную работу, во многом поспособствовавшую тому, что изделия типа УР-100 находятся бессменно и безотказно на эксплуатации более 30 лет.

 

 Межведомственная комиссия:

 

1. Кулага Е.С.   – председатель Межведомственной комиссии   -

                              начальник отдела ЦКБМФ1 –  к.т.н.

2. Слюсаревский В.В. – Заместитель председателя комиссии – начальник отдела сварки ОРМЗ

3. Егоров А.В. – главный контролер ОРМЗ

4. Фроловский К.Л. – зам. начальника КБ ЗИХ

5. Сабанцев А.Н – начальник сектора ЗИХ

6. Генкин А.Г. – начальник отдела ЦКБМФ1 – к.т.н.

7. Мадудов Л.И. – зам.начальника отдела ЦКБМФ1

8. Щасливый В.А. – начальник лаборатории ЦКБМФ1

9. Скачков Ю.Н. –начальник сектора НИИТМ

10 Иванов Ю.А. – руководитель группы НИИТМ

11. Кузнецов Г.Г. – начальник отдела ЦНИИМАШ

12 Самсонов В.И. – руководитель группы НИИТМ

13. Кашанов А.А. – главный специалист МОМ

14. Селин М.Е. – инженер-подполковник ВАХЗ – к.х.н.

15. Чеботов Ю.И. – представитель заказчика

16. Аржеников О.И. – представитель заказчика

17. Адамович П.А. -  ведущий конструктор завода им. Климова

18. Брегер В.А. – начальник СКО ОРМЗ

19. СарычевС.С. -  зам . главного инженера завода им. Свердлова

 

Подкомиссия № 1 – исследование мест негерметичностей и анализ методов контроля

                                     герметичности в составе:

 

1. Щасливый В.А. –председатель – член МВК

2. Трофимов В.В. – начальник лаборатории НИАТ – к.т.н.

3. Кашаев К.С. – начальник сектора НИИТМ

4. Самсонов В.М. – начальник сектора ЦНИИМАШ

5. Аржеников О.И. – член МВК

6. Гнедин М.М. –ведущий инженер НИИТМ

7. Алексеев П.Ф. – зам. начальника отдела ОРМЗ

8. Крючков В.Г. – представитель НИИ-4  МО

9. Никитюк В.И. – представитель НИИ-4  МО

10 Закомолжин А.Ф. представитель ПМЗ

11. Желтоножский А.С. представитель заказчика

 

Подкомиссия № 2 – определение времени и причин появления течей и их микроструктурное

                                     исследование.

 

1. Кузнецов Г.Г. председатель – член МВК

2. Гурвич Л.Я. – начальник отдела ВАИАМ – к.т.н.

3. Русинович Ю.И. – начальник лаборатории ЦНИИМАШ

4. Лемарина К.Н. – начальник лаборатории ЦНИИМАШ

5. Купреев Е.П – начальник лаборатории сварки НИАТ

6. Скачков Ю.Н. – член МВК

7. Муров  Л.И.     - зам. начальника отдела ЦКБМФ1

8. Грязнов Ю.И. – представитель заказчика

9. Рогожин В.А. – представитель НИИ-4 МО

10. Сальников А.А. – зам начальника лаборатории ОРМЗ

11. Давыдоа А.П. представитель ПМЗ

12. Козлов Н.М. – начальник лаборатории ОМЗ

13. Представитель заказчика

 

Подкомиссия № 3 – анализ директивной документации, а также  качества оборудования и

                                   процессов сварки и контроля герметичности с анализом встречающихся

                                   дефектов при сварке на серийных заводах ЗИХ, ОРМЗ, ОМЗ и ВМЗ

 

1. Серегин В.Н – председатель – начальник лаборатории НИИТМ – к.т.н.

2. Новиков О.М.- специалист НИИТМ

3. Островский О.Е. – специалист НИИТМ

4. Фроловский К.Л. – член МВК

5. Маштаков Л.П. – зам. главного сварщика ЗИХ

6. Булавкин В.В. начальник отдела ОРМЗ

7. Луцай Л.Г. – начальник бюро сварки ОРМЗ

8. Пролыгин В.М. – представитель ВМЗ

9. Воробьев В.Н. – зам. главного сварщика ОМЗ

10 Желтоножский Д.С. – представитель заказчика

11. Шушанов С.Ф. – представитель НИИ-4  МО

12. Чеботов Ю.И – представитель заказчик

13 Шиганов Н.В. – начальник отдела ЦНИИМАШ

 

  Таким образом, в изучении причин появившихся негерметичностей на  ракете УР-100, находившихся на дежурстве в количестве 1000 штук и составлявших в то время основной состав ядерного щита страны, работало 58 специалистов различных КБ, НИИ, заводов и представителей заказчика, из них шесть кандидатов технических и химических наук.

   Работа подкомиссий велась в соответствии с директивным техническим заданием, разработанным председателем  МВК. Текущие результаты работы подкомиссий обсуждались  на пленарных заседаниях МВК, где  корректировался дальнейший ход их работы. По их отчетам, а также по результатам собственных исследований, ведшихся силами специалистов и членов МВК, был составлен ранее упоминавшийся итоговый отчет МВК [68], результаты из которого составляют содержание дальнейшего изложения в данной главе, включая приводимые рисунки, графики и таблицы.

   Забегая несколько вперед, здесь следует отметить, что после работы данной МВК и реализации  выданных ею рекомендаций, в последующей эксплуатации этих изделий и их модификаций не было снято ни одного изделия по причине негерметичности за время более тридцатилетней их эксплуатации.  Некоторые из них продолжают находиться на дежурстве и по нынешнее время.

   За весь период эксплуатации, включая 1970 год, зафиксировано 14 случаев появления негерметичности баков и агрегатов ПГС по сварным швам и один случай течи был по сплошному металлу днища окислителя П-й ступени, которая заросла и изделие оставлено на дежурстве.

   Динамика появления негерметичностей в процессе эксплуатации на изделиях по годам представляет собой следующую картину:

                                   1966 г. – 1, 1967 – 4, 1968 – 2, 1969 – 2 , и 1970 – 5 изделий.

     Схема расположения мест течей на изделиях представлена на Рис. 13.1.1Р. Перечень и характеристика указанных негерметичностей с эскизами их мест, приведена в таблицах на пяти листах  рисунка Рис. 13.1.2Р, в которых сведены следующие данные по каждому случаю течи:

- завод изготовитель, номер изделия   и дата изготовления изделия,

- время нахождения изделия в заправленном состоянии,

- наименование дефектного узла,

- классификация дефекта и причина течи,

- метод и чувствительность контроля герметичности при изготовлении изделия,

- метод выявления негерметичности и величина обнаруженной течи,

- возможные причины не выявления дефекта при изготовлении,

- ориентировочная оценка функционирования течи при эксплуатации,

- характер срабатывания СДКЗ при появлении загазованности.

  На Рис.14.1.1Р на эскизах в кружках указаны номера течей по таблице на рисунке 13.1.2Р, из которой следует, что на изделиях, потерявших герметичность, имелись две группы течей. Первая группа связана с грубыми пропусками течей при изготовлении и их замеренная величина после снятия изделий с эксплуатации доходила вплоть до 25 см3/сек. Вторая группа течей имела скрытый характер своего проявления и их средняя величина находилась в пределах 1.10-1 – 1.10-2 л.мк/сек.

   Помимо отмеченных случаев негерметичности ракет, которые снимались с эксплуатации, на других изделиях были многочисленные случаи потери герметичности  в блоках контроля давления в ПГС. Эти блоки установлены на контейнере, но функционально они связаны с полостями, заполненными компонентами, поскольку они замеряют давление в этих полостях. В этих блоках, разработанных в ЦКБМФ2 были применены разъемные соединения, которые и являлись источниками течей. Впоследствии большинство разъемных соединений в них были заменены на сварные. Случаи течей по этим блокам будут рассмотрены далее, после рассмотрения  основных случаев потери герметичности по сварным швам.

 

13.2.  Случаи негерметичности в сварных соединениях.

 

  Сварные соединения имеют практически полную герметичность по сравнению с разъемными соединениями, но и в них в ряде случаев появляется негерметичность, несмотря на проводящийся тщательный их контроль при изготовлении, что и имело место на ракете УР-100 за рассматриваемый период ее эксплуатации.

   Применительно к данному изделию имеется «Альбом сварных швов» с их нумерацией применительно к каждому отсеку или агрегату где находится эти сварные швы. Наличие его позволяет оперативно принимать меры при работе с каждым швом в различных ситуациях.

   Всего на изделии имеется 1335 сварных швов с общей протяженностью 368,199 м. Из них 19% длины и 33,6% наименований приходится на двигатели, а основная масса сварных швов приходится на баки и агрегаты ПГС. Вместе с тем, из таблицы 13.1.2Р видно, что большинство обнаруженных течей приходится не на эту группу сварных швов, представляющих собой сварку алюминиевого сплава АМг6 (5 изделий из 14), а на сварные швы деталей из нержавеющих сталей.

    По самому изделию на долю гептила по сравнению с окислителем приходится больше сварных швов на 3,2% и больше их длина на 5,4%, но течей больше зарегистрировано по окислителю. Причем, сварные швы двигателей  имеют незначительную длину. Большое количество коротких швов у двигателей выполняется, в основном, ручной сваркой, и такие швы могут представлять потенциальную опасность появления в них негерметичностей.

     Количество обнаруженных и устраненных течей  на ЗИХ при изготовлении баков приводилось  ранее и представлено на Рис.5.3.2Р, из которого следует, что средне статическая величина большинства обнаруживаемых и устраняемых течей в производстве при изготовлении баков  составляет прядка 1.10-3л. мк/ сек. Распределение обнаруженных и устраненных течей в производстве по элементам баков приведено в таблице 13.2.1Т.       

                                                                                             Таблица 13.2.1Т

 

                        Наименование                  Количество течей            Количество течей      

                            элементов                         в  1966 г., %                       в 1968 г, %

 


                         Днища «О» и «Г»                          48                                   56

                         Обечайки                                        20                                   25,5

                         Совмещен днища.                          32                                  18,5

                   

           Из таблицы видно, что наибольшее количество возникающих течей приходится на днища, которые являются более сложными по своей конструкции. Увеличение обнаруживаемых течей в 1968 году  является   следствием проведенного улучшения методики и техники контроля герметичности, поскольку качество изготовления оставалось на прежнем уровне.

   Улучшение техники и методики контроля герметичности было осуществлено в качестве реализации выпущенных повышенных норм контроля герметичности, которые рассматривались в главе 5.

 

13.3   Негерметичности в алюминиевом сплаве АМг6

 

    Из всех случаев негерметичности изделий, течи по сплаву АМг6 обнаружены на 5 изделиях из 14 (одно оставлено на дежурстве), что составляет 36%. Остальные течи приходились на детали из стальных сплавов. Наиболее характерные случаи негерметичности и причин их возникновения по сплаву АМг6  представлены в таблице 13.3.1.Т. В таблице в скобках под порядковыми номерами в скобках указаны номера этих изделий по таблице  на Рис. 13.1.2Р

     Некоторый  анализ причин негерметичностей по наиболее характерным течам проведен в Главе 5, где рассматривались сварные соединения, сведения о которых брались из отчета МВК.

                                                                                                                   

                                                                                                                          Таблица 13.3.1Т

 

 


           Номер изделия    Завод.       Дата изгот.                  Характер течи и причина

                                             изготов.    Снятия                            ее  возникновения 

 


       1          В22904-06          ОРМЗ        1968               Сквозная несплошность в законцовке

     (8)                                                        1970               кольцевого сварного шва блока разъе-

                                                                                         ма  П-й ступени

     

      2          В22905-08           ОРМЗ        1967               Наличие окисных плен в кольцевом

    (10)                                                       1970               шве блока разъема 1 ступени, в каждом

                                                                                         из 2-х проходов. В обоих проходах пле-

                                                                                         ны совпали, образовав сплошной канал,

                                                                                          который вскрылся на дежурстве

     3

    (5)        Н10707-10           ЗИХ           1966                Несплошность в шве соединения верх-

                                                               оставлено         него днища к шпангоуту П ступени

 

    4           В22906-08          ОРМЗ         1969               Заправка не состоялась по причине «кля-

   (6)                                                                                 па», оставленного на заводе в магистрали

                                                                                         П-й ступени              

    5           У22902-05          ОРМЗ         1965               Поверхностный кратер в продольном

  (14)                                                                                шве обечайки бака 1 ступени в месте

                                                                                         пересечения с кольцевым швом

 


   Некоторые из числа наиболее показательных случаев негерметичности были рассмотрены ранее в Главе 5, когда рассматривались вопросы герметичности сварных швов. Здесь проведем более углубленное рассмотрение, каждого из перечисленных в выше приведенной таблице.

    На изделии 1 (8) произошло в месте микронеспрошности в блоке гадроразъема П ступени в результате неполного перекрытия начала сварного шва. Указанный дефект явился нарушением общеизвестного правила о необходимости выполнения этой операции, с тем чтобы переварить образующиеся в начале шва различные дефекты.

   На изделии 2 (10) произошел более сложный случай, где совпали окисные плены двух проходов и детально рассмотренного в Главе 5. Данный дефект не был обнаружен в процессе изготовления, что могло произойти в силу сложности образовавшегося канала и большой его протяженности. Возможно, что окисные пленки не образовывали единого сплошного канала и в дальнейшем при транспортировке, эксплуатации, проведения регламентных работ или в результате каких либо вибраций микраканал раскрылся, что привело к образованию сплошной течи. Время начала функционирования определить не представилось возможным.

   Это был второй случай с появлением течи по блокам разъема, что потребовало более тщательного рассмотрения процесса изготовления данного узла, а также характер и количество выявлявшихся негерметичностей на данном узле в производстве на ОРМЗ, где изготавливались эти узлы. Рассмотрение показало,  что сварка частей блока производилась с непараллельностями, а в сварочной документации отсутствовало требование об обязательном перекрытии сварных швов двух проходов торцов и без  их фиксации в сварочном приспособлении. Кроме того, отсутствовало требование по ограничению срока хранения сварочной проволоки после ее химического травления и не регистрировались режимы сварки. Все эти и другие выявленные недостатки в техпроцессе изготовления данных узлов после работы комиссии были устранены.

   На изделии 3 (5) была обнаружена заросшая течь по сварному шву верхнему днищу П- ступени и изделие оставлено на дежурстве и не снималось. Это было единственное изделие, оставленное на дежурстве с заросшей течью.

   Течь на изделии 4 (6) была пропущена в 1966 году на ЗИХ в силу несовершенства контроля герметичности и подобные течи стали уверенно фиксироваться после введения повышенных требований герметичности.

  Таким образом, по алюминиевым сплавам практически негерметичности были только по трем изделиям, а не на пяти, что фактически составляет не 36%, а всего 21,5%. На одном из них заправка не состоялась по причине того, что с завода изделие ушло с оставленным трубопроводе протирочной ветошью, которой определили, как «кляп». Второе изделие оказалось единственным, на котром течь заросла, и сколько таких было изделий определить практически невозможно. Но после повышения чувствительности СДКЗ подобных случаев не обнаруживалось.

 

13.4.  Негерметичности  по нержавеющим сталям

 

  Из всех 14 случаев  негерметичности изделий по нержавеющим сталям произошло 9 случаев потери герметичности, что составляет 65%, характеристика  которых приведена в таблице 13.4.1Т. В этой таблице под порядковыми номерами в скобках приведены номера случаев по таблице, приведенной на Рис. 13.1.2Р.

                                                                                                                              Таблица 13.4.1Т

 


      Номер изделия    Завод          Дата изгот.                   Характер течи и причина

                                         изгот.           Снятие                              ее возникновения

 


   1      Н22901-06           ОРМЗ            1967             Свищ в шве ручной сварки коллектора  

  (2)                                                        1967              блока БДО –П

 

   2      Н22902-01          ОРМЗ             1966              Трещина 1,5 мм в шве ручной сварки

  (1)                                                         1967              была обнаружена и не устранена

 

   3      Н10706-02            ЗИХ              1966              Механическое повреждение шва при     

  (3)                                                         1967              эксплуатации.

 

   4      Н22909-05            ОРМЗ           1966             Две раковины на шве ручной сварки

  (4)                                                         1968

 

   5      Я22902-11            ОРМЗ            1967            Пористость шва в месте прихватки  в

  (7)                                                                               сочетании с непроваром

 

   6      В22904-08            ОРМЗ            1968            Сквозная трещина в околошовной зоне

  (9)                                                          1970            образовавшаяся после вытравливания

                                                                                     из нее меди.

 

   7       Н10704 – 08         ЗИХ               1966          Несплошность в кольцевом ручном шве

  (11)                                                         1970            магистрали ДУ 15Д2

 

   8       И10744310           ЗИХ               1966            Кратер на шве ручной сварки  

  (12)                                                         1966

 

   9

  (13      Н10745201          ЗИХ               1966            Свищ воль волокон детали

                                                                  1966            выточенной из прутка

 

 

 


 Анализ случаев негерметичности трубопроводов и агрегатов, выполненных из нержавеющих сталей, показал, что дефекты на этих 9 изделиях могут быть распределены по общим признакам на четыре характерные группы.

1. Дефекты имевшие место в период освоения серийной технологии изготовления, сварки и контроля узлов. (изделие 1 (2), ;4 (4), 8 (12), 9(13).

2. Дефекты, возникновение которых связано с отсутствием в руководящей технологической документации о недопущении попадание меди  в околошовную зону при сварке аустенитных сталей 6 (9).

3. Дефекты, явившиеся следствием халатного отношения исполнителей при изготовлении узлов или при эксплуатации в войсковых частях 2 (1), 3 (3).

4. Дефекты, образование которых и невыявление в производстве связано с нарушением технологии изготовления 5 (7), 7 (11).

  Достаточно подробно, наиболее характерные четыре случая из них,  описаны в Главе 5 в разделе 5.8.

  Образование дефектов по первой группе относится в основном ко времени, до 1966, когда в производстве имело место большое количество сварных швов, выполнявшихся вручную. Они еще не были переведены на автоматическую сварку, Кроме того, также  не были еще введены разработанные повышенные требования по герметичности и не внедрены новые методы контроля герметичности путем внедрения методов «накопления» и «вакуумирования».

   К этой же группе изделий можно отнести изделие 9 (13), негерметичность которого проявилась по целому материалу наконечника магистрали питания окислителем ДУ-1. Факты подобной негерметичности неоднократно фиксировались на заводах. Причиной их появления являлось появление сплошных микроканалов в целом материале при перерезании продольных волокон прутка при точении из него детали. Этот дефект был исключен путем замены прутка на штампованную заготовку из поковки.

  Во второй группе характерным явился случай 6 (9) с появлением меди в околошовной зане сварного шва, подробно описанный в разделе 5.8 Главы 5.

  В третьей группе обмечена халатность при изготовлении на изделии 2 (1), при которой разделанный дефект под заварку не был заварен, и изделие поступило в воинскую часть с незаваренным дефектом. Изделие 3 (3) было повреждено при установке его в шахту.

   В четвертой группе наиболее характерными причинами являлись дефекты, образовывавшиеся при ручной сварке и использовании прутков, которые, как описывалось ранее, были устранены при введении автоматической сварки и замены прутков на штамповки.

  

  13.5.  Случаи обнаружения загазованности в замкнутых полостях изделия

 

    На изделии имеется ряд агрегатов ПГС, объемы которых не сообщаются с полостью контейнера. Поэтому, при появлении в них течей, по каким либо причинам, загазованность проникшая в них парами компонентов не попадет в полость контейнера и СДКЗ не выдаст сигнал о появлении негерметичности на изделии. И самое главное, будет оставаться не ясным - смогут ли эти агрегаты выполнить свои функции при наличии в них загазованности парами компонентов.

  Закрытыми и изолированными объемами на изделии являются: полости рулевых двигателей второй ступени, основного двигателя П-1 ступени, предохранительных клапанов баков, а также замембранные полости  газогенераторного наддува 1 ступени, ограниченные мембранами изделия и мембранами ДУ-1   и частично внутренняя полость ДУ-1, т.к.в сопловых заглушках на двигателях имеются отверстия. Схема расположения замкнутых полостях на изделиях показана на Рис. 13.5.1Р, а конструктивная схема агрегатов ПГС с этими объемами показана на Рис. 13.5.2Р.

   Замеры загазованности в замкнутых полостях представилось возможным замерить на ограниченном количестве изделий, которые проходили дефектацию на ОМЗ после снятия их с дежурства по причине загазованности полостей контейнера. Результаты замеров представлены в таблице 13.5.1Т.

 

 

 

                                                                                                                             Таблица 13.5.1.Т

 


         Номера изделий                  Концентрация паров во внутренних полостях , мг/л

                                               АТ            АТ            НДМГ         НДМГ           АТ          НДМГ                      

                                         

                                             ДУ-П      Рул.ДУ-П     ПГК-1         ПГК-П        ПКО-1     ГГН-1

 


            Я2290211                   15            0,002           0,08              0,08            0,0005      0,0005

            В2290406                 0,002         0,001           0,05              0,09                 -           0,0005

            В2290408                 0,0015           -               0,06              0,07            0,0005      0,0005

            Я229 0508                0,0005       0,0005                   не замерялось                           -         

 

        Влияние обнаруженной загазованности на работоспособность указанных агрегатов не проводилось за исключением предохранительных клапанов. На работоспособность этих агрегатов данная загазованность влияния не оказала. Вместе с тем вопрос загазованности замкнутых полостей, в которых отсутствует контроль загазованности, имеет немаловажное значение, особенно для предохранительных клапанов.

   В предохранительных клапанах применены резиновые уплотнительные кольца, смазка ЦИАТИМ 221 и  смазка ВНИИНП -229. Эти неметаллические материалы могут менять свои физико-химические свойства под воздействием паров КРТ, проникших внутрь клапана. Потеря уплотнительных свойств резиновых колец наиболее опасна, т.к. во время предстартовых операций до подрыва мембраны  клапана, может произойти отсечка наддува бака окислителя о сигнализатора 2СГ из за проникновения воздуха высокого давления во внутреннюю полость  клапана и повышения в нем давления до величин срабатывания сигнализатора. В этом случае наддув баков горючего может привести к разрушению совмещенных днищ и с последующим взрывом ракеты от смешения компонентов. С целью изучения указанных явлений необходимо исследовать работоспособность ПК после длительного нахождения в загазованном состоянии, предварительно исследовав наличие загазованности в снимаемых изделиях для дефектации.

   Причины появления загазованности в ПК не изучены. С 1969 года герметичность ПК проверяется методом вакуумирования с чувствительностью 1.10-5 л.м./сек. Исходя  из этой норы герметичности согласно отраслевого стандарта по расчету норм герметичности [64] загазованность внутренних полостей за семь лет может достигнуть санитарной нормы. В этом случае загазованность может происходить через  сварные швы, при наличие в них микротечей по величине выше той, которая  выявляется средствами контроля герметичности с указанной чувствительностью.

    Кроме этого, загазованность может происходить и за счет диффузии через кристаллическую решетку металла. Как ране излагалось, был определен коэффициент диффузии и согласно этому коэффициента   в Межведомственной комиссии был произведен расчет величины возможной загазованности внутренних полостей ПК и газогенераторного наддува за счет диффузии через насечку толщиной 0,4 мм в мембранах. Результаты расчета приведены на Рис. 13.5.3Р и Рис.13.5.4Р, которые  еще раз подтверждают необходимость тщательного изучения возможного наличия загазованности полостей ПК и их работоспособности в таких условиях.

 

13.6  Случаи негерметичности разъемных соединений блоков контроля давления в ПГС.

 

   Блоки контроля давления  БДО по амилу и БДГ по гептилу устанавливаются на контейнере изделия. В своем первоначальном исполнении эти блоки были выполнены с использованием разъемных ниппельных и фланцевых соединений по 58 штук на каждом. Конструктивная схема блока контроля и типов разъемных соединений представлена на Рис. 13.6.1Р.

   Указанные разъемные соединения явились источниками течей КРТ на ряде изделий, которые возникали либо сразу же после заправки изделия, либо после некоторого времени эксплуатации. Всего было отмечено 32 случая потери герметичности, которые по годам распределись следующим образом: 1967 – 17, 1978 – 9, 1969 – 4 и 1970 – 2 случая.

 

  Течи наблюдались на 16 изделиях по амилу и на 16 изделиях по гептилу, что свидетельствует о равновероятностном характере появления течей по компонентам. Перечень случаев негерметичностей по местам негерметичностей представлен в таблице 13.6.1Т.

 

                                                                                                                                Таблица 13.6.1Т

        

         Тип блока                        Место течи                          Метод устранения течи

                                            Ниппельное    Мебрана        Подтяжка    Замена блока

                                                                      датчика

 


          БДГ                                   15                    1                     12                     4

          БДО                                  8                      8                       -                      16

 

 


  Как видно из таблицы, течи по гептилу наблюдались, в основном, по ниппельным соединениям а по амилу равномерно распределились между мембраной датчика давления и и ниппельными соединениями. Подтяжка по амилу не приводила к восстановлению герметичности, и все блоки были заменены на новые, а по гептилу удалось подтянуть 12 блоков.

   В 1967 году блоки с разъемными соединениями были заменены на вновь разработанные блоки,  схема которых приведена на Рис.13.6.2Р В сварных блоках (нижняя схема на рисунке) разъемные соединения были заменены на сварные соединения, но все равно остались разъемные соединения в клапане разъема1 и 4 соединения мембраны в датчиках давления. Это привело к резкому снижению случаев появления течей, но в 1970 голу все равно два случая потери герметичности мели место.

   Следует отметить следующее о работе СДКЗ. Во всех случаях появления течей по гептилу СДКЗ сработала и выдала сигнал о появлении загазованности. По окислителю ни в одном случае СДКЗ не сработала и сигнала о появлении загазованности не поступало, а она обнаруживалась только при осмотре изделии во время регламентных работ. Именно это обстоятельство послужило основанием в заключении о недостаточной чувствительности СДКЗ по окислителю.

 

13.7  Влияние времени эксплуатации на появление загазованности.

 

  При оценке влияния времени эксплуатации на обнаружение загазованности представляется выделить две группы таки изделий:

-изделия, на которых загазованность обнаруживалась довольно быстро, в среднем за 7 месяцев,

-изделия, на которых загазованность обнаруживалась после более длительного срока эксплуатации, более 7 месяцев.

 В первой группе было одно изделие, которое потеряло загазованность в 1966 году и  два изделия в 1967году. Во второй группе  потеря герметичности в изделиях распределись в такой последовательности: в 1967 г.- 2 изделия, в 1968 г- 2 изделия, в 1969 г. – 1 изделие и в 170 г их– 5 изделий. Для наглядности эти данные представлены  в виде графиков на Рис. 13.7.1Р.

   На графике 1 представлен темп и характер выявления изделий с негерметичностями с 1966 по 1970 годы в зависимости от срока эксплуатации. Каждой точке дан номер, соответствующий  порядковому номеру изделия по таблице Рис. 13.1.2Р. Распределение по первой группе изделий показывает, что на этих изделиях расход компонента был значительный,  и их негерметичность проявлялась довольно быстро. Количество таких изделий по годам уменьшалось. Для второй группы количество изделий по годам росло.  Из графиков видно, что наиболее вероятное время проявления негерметичности изделий, имеющих течи составляет порядка 2-4 лет. Они не выявлялись ввиду слабой чувствительности датчиков  СДКЗ.   Это время следует определить, как скрытый период эксплуатации

   Все обнаруженные течи на изделиях носят производственный характер и являлись либо обнаруженными в производстве и не устраненными или вскрывались либо по включениям меди в оклощовную зону или возникали с течением времени по окисным пленам. Вместе с тем коррозионная стойкость окисных плен не изучалась, также как и стойкость регламентированных допускаемых включений в сварных швах. Однако после 1971 года  и завершения работы Межведомственной комиссии ни одно изделие не потеряло герметичности вот уже в течении 31 года, продолжающейся их эксплуатации.

   В результате работы специалистов в  Межведомственной комиссии, этой комиссией   было выдано порядка 90 рекомендации по следующим вопросам: технологии сварки – 12 мероприятий, контроль герметичности при сварке – 16, организационные мероприятия – 17, научно исследовательские работы – 22, эксплуатация в воинских частях 10, по конструкции перспективных ракет -13. Эти рекомендации были реализованы по специально разработанным плана в Минобщемаше и Минавиапроме. 

 

13.8.  Обзор результатов дефектации ежегодно снимаемых изделий с эксплуатации

  

   Перед изложением конкретного материала в данном разделе целесообразно привести краткую историческую справку по вопросу провидящейся ежегодной дефектации ракет, снимаемых с дежурства.

   В процессе работы Межведомственной комиссии в 1970 году, по требованию министра МОМ Афанамьева С.А. и министра МО Гречко А.А., ей было предложено выдать заключение о невозможности эксплуатации  ракет УР-100 более чем пяти лет в силу того, что они «сгнили». Такое заключение им требовалось с тем, чтобы начать замену этих моноблочных ракет на более совершенные, поскольку в США завершалась разработка ракеты «Минитмен» с тремя головными блоками. На  их замену правительство просто так, очевидно, не могло пойти, экономя средства.

    Выдать такое заключения комиссия не могла в силу отсутствия, каких либо данных для этого. Затем ее председатель, под давлением академика Челомея В.Н., лично выдал заключение, что нельзя точно утверждать, сколько лет ракеты могут находиться на эксплуатации, подтвержденное затем специально созванным по этому вопросу Советом главных конструкторов. Это заключение и послужило основанием  для замены ракет, которая все – таки развернулась.

    После этого, председатель МВК в докладе в ВПК рекомендовал ежегодно снимать одно изделие с эксплуатации для дефектации, а одно изделие запускать по штатной программе с Байконура, перевезя его туда со штатного объекта, с тем, чтобы определять их фактическую работоспособность.  Это предложение было принято, и с тех пор эта работа проводится ежегодно, а председатель МВК был отстранен от этой работы на «все оставшееся время за непослушание», разработав программы дефектации, которые затем были переизданы и по ним и поныне ведутся работы  по дефектации ракет [203,204,205].

    Настоявшая работа,  в виде трудов КБ, написанная бывшим председателем МВК перед уходом его на пенсию спустя 38 лет после отстранения его от этой работы, написана с тем, чтобы в последующие годы, те, кто будут разрабатывать новые изделия, на замену тех, которые все равно когда-то придется снимать с дежурства, имели бы у себя историю и технические данные по обеспечению долговечности тех ракет, которые придется заменять на новые. Для новых ракет задача обеспечения их долговечности не потеряет также значения.

   Для ракет, стоящих ныне на дежурстве, определение оставшегося срока надежной эксплуатации приобретает большое значение, поскольку они приближаются действительно к возможному сроку сохранения их работоспособности и от тщательности в оценке их состояния будет зависеть в большой степени безопасность нахождения атомных зарядов в шахтах, с тем чтобы не повторить новый Чернобыль.

   Согласно разработанных программ дефектации корпуса 15С300, по ее результатам должны выпускаться отчетные документы, представленные в таблицах  13.8.1Т;  13.8.3Т и 13.8.3, составленные по программам [ 203, 204, 205]. К сожалению, по корпусу не представилось возможным найти какие – либо обобщающие сводные годовые отчеты по техническим характеристикам, определяемым в процессе дефектации в соответствии с программами их проведения.. Имеются отдельные сведения по тем или иным вопросам, по которым указывается, что рассматриваемые параметры не выходят за пределы, установленные конструкторской документацией на изделие и по ним выдается общее заключение о продлении срока эксплуатации.

     Вместе с тем, при таком подходе к анализу дефектации утрачивается возможность получения сведений о динамике изменения тех или иных свойств даже в пределах их допусков, что весьма важно для ориентировочной оценки перспективного состояния изделия. Кроме того, могут быть получены данные, далеко не однозначные в их толковании, как это, например, происходит с показателями прочности материала баков изделия, а загазованность закрытых и изолированных полостей изделия вообще не проверяется на снимаемых изделиях, что на взгляд автора крайне недопустимо.

   С прочностью материала баков происходит следующее.

 По материалам, имеющимся в материаловедческом отделе КБ «Салют», на рисунке Рис. 13.8.1Р приведены результаты испытаний образцов материала  корпуса 15С300 со снятых изделий  по годам, вырезанных из  баков окислителя и горючего первой ступени, выполненных из сплава АМг6-Н. Начинаются графики с 19 лет эксплуатации, поскольку информации о данных по предыдущим годам эксплуатации найти не представилось возможным.

  На графиках рисунка Рис.13.8.1Р представлены значения прочности, предела текучести и относительного удлинения  в осевом направлении сплава АМг6-Н, а также прочности сварных швов этого сплава, которая растет  по годам эксплуатации. Прочность материала в кольцевом направлении несколько больше, чем в осевом направлении.

    В этих материалах не приводятся сведения о имевших место разбросе показателей. Разброс величин снимаемых показателей при испытаниях имеется по прочностным показателям основного материала, а также по сварным швам только в испытаниях, проведенных после 19 лет эксплуатации [206].

   Зона «А» на Рис 13.8.1Р представляет собой  коридор разброса значений полученных величин, а сплошной линией нанесены их средние показатели. Пунктирными линиями на графиках нанесены требуемые величины по КД для каждого показателя. Более значительный рост прочности наблюдается для материла окислительного бака и менее значительный для гептильного бака, но после 31 года эксплуатации показания прочности стабилизировались на одном уровне для баков обоих продуктов. Основные показатели для материала бака О1 после 19 и 31 годов эксплуатации, а также процент их изменения приведены в таблице 1.13.1Т.

                                                                                                                               

                                                                                                                                Таблица 1.13.1Т

 


                   Показатель                 Сплав Амг6-Н             Сплав АМг6-М         %         %  

                          

                                                       19              31                  19           31                Н         М

                         

                       σв  кг/мм2                     39,2                 41,0             35.4       40,1            + 4,8    + 13,5

                      

                       σ02 кг/ мм2           27,5            26,0               -            -                 - 6,5        -      

                                         

                        δ                        16.0            13,8              -            -                  - 11,6     -15,8         

 


                       σ шв кг/мм2             34,8            36,1             -             -                  + 6,5       -                    

 

 


   Из рассмотрения графиков и таблицы видно, что прочность материала АМГ6-Н и сварных швов растет, а предел текучести и относительное удлинения падают. Выявленный  рост прочности материала АМг6  в баках с увеличением времени эксплуатации изделий вызывает определенное недоумение. Дело в том, что данные испытания представляют собой процесс получения значений величин длительной прочности материала, находящегося продолжительное время под напряжением, которое в данном случае составляет порядка

5-6 кг /мм2.

 

 

 

 

                                                                                                                                                                                                                                    

                                                                                                                                Таблица 13.8.1Т

                                                         П Е Р Е Ч Е Н Ь

                                    актов, протоколов и отчетов по результатам

                                            дефектации корпуса изделия 15С300

 

 

    Корпус изделия 15С300 проходит ежегодную дефектацию после снятия с эксплуатации на предмет определения его состояния с целью выдачи заключения на продление сроков  эксплуатации. Дефектация проводится  в соответствии с программой:  «Программа на проведение дефектации корпуса изделия 15С300 после эксплуатации» № 30-00 ПР-9 от 19.08.1980 г.

 

 


№ п        Наименование вопроса для заключения                  Вид заключения      Пункт в ПР-9

           

  1.       Отсутствие коррозии под гаргротами, обтекате-              Акт                             1

             лей рулевых камер  и ПРД

  2.        Величина крутящего момента болтов согласно              Протокол                    1

              таблицы в программе

   3.        Отсутствие коррозии по стыковочным плоско-               Акт                             1

              стям отсеков корпуса

   4.        Состояние ЛКП по внутренним поверхностям                 Акт                            2

   5.        Состояние крепежных элементов, заклепок и

             смазки ВНИИНП-279  в отсеках на соотвест-

              вие      ОСТ92 – 72 -67                                                           Акт                           2

   6.        Величина крутящего момента болтов крепления

              траверс двигателей                                                             Протокол                   2

   7.        Состояние ЛКП, неметаллов, ТЗП и смазок                    Протокол                   3

              на соответствие  программы 30-00ПР-16

    8        Адгезия покрытий по методике ТУ МХТ                         Протокол                   3

    9.       Состояние и механические свойства СТКТ-11                Протокол                   3

              по инструкции ВИАМ  № 625-62

   10.       Состояние и прочность  материала мягкого                   Протокол                   4               

              экрана 

    11.      Обмер размеров блока                                                          Акт                          5

    12.      Загазованность  и наличие коррозии под

                крышкой люка-лаза                                                                Акт                        5

    13.     Чистота и отсутствие коррозии внутренних

                полостей  баков и трубопроводов                                        Акт                        5

    14 .     Статические испытания блоков                                          Отчет                       6

    15.      Состояние и результаты испытаний сильфонов                Отчет                       6                                  

                на соответствие требованиям КД 

    16.      Прочность материала и сварных швов баков                     Отчет                      6

    17.      Консистенция смазки ЦИАТИМ – 221 подшип-                 Акт                        7

               ников траверсы

    18.      Состояние подшипников траверсы по заключе-                   Акт                       8

                нию ГПЗ № 6   

    

    19.      Итоговый технический отчет с заключением                      Отчет               

 

 

 


                                                                                                                          Таблица 13.8.2Т

П Е Р  Е Ч Е Н Ь

     актов, протоколов и отчетов по результатам дефектации элементов ПГС блока 15С300

 

 Дефектация элементов ПГС проводится из состава изделий, снимаемых ежегодно с эксплуатации с целью продления их сроков дежурства. Дефектация элементов ПГС проводится по программе «Программа дефектации элементов ПГС блока 15С300 30-00Пр-10» от 30.10.90 г.

 

 


       № п      Наименование вопроса для заключения        Вид заключения       Пункт в ПР-10

 


         1.       Осмотр системы на предмет выявления                 Акт                           1.1

                    коррозии и других видимых нарушений

         2.       Моменты затяжки болтов на агрегатах             Протокол                       1.2

         3.       Герметичность и металлография сварных        Протокол                       1.7   

                   швов  компенсаторов

         4.       Испытание биметаллических переходни-

                    ков на соответствие чертежу                                  Акт                            1.8

         5.        Выполнение следующих работ на демп-          Протоколы по               1.9

                    феру 15С301-6170-0:                                           кажой выпол-

                    - проверка герметичности                                  неной работе

                    - замер диаметров проходных отверстий

                    - замер люфта золотника

        6.         Срабатывание пиропатронов                                  Акт                            1.10

        7.         Срабатывание пирочеки                                          Акт                            1.11

        8.         Настройка реле давления                                         Акт                            1.12

        9.         Испания предохранительных клапанов             Протоколы по               2.2

                   на  соответствие требованиям КД                        клапанам

               

 


                                                                                                                                Таблица 13.8.3Т

 

П Е Р Е Ч Е Н Ь

         актов, протоколов и отчетов по результатам дефектации электрогидравлических  

                                                        приводов блока 15С300

        Дефектация проводится по программе: « Гидросистемы сервоприводов электрогидравлических 15С301-5100-0 и 15С302-5100-0. Программа демонтажа, испытаний и дефектации № 520 –ПР61-80» от 30.07.80 г.

 


    № п      Наименование вопросов для заключения          Вид заключении       Пункт в ПР61

 


      1.        Внешний смотр на предмет отсутствия                    Акт                             3.2  

                 коррозии и следов масла

      2.        Испытания сервоприводов на соответствие          Протокол                      3.8

                 требованиям КД

      3.        Испытания агрегатов на соответствие ТУ             Протоколы по              3.9 

                 15С300-0000ТУ8                                                       кадому агре-

                                                                                                               гату

     4          Замер вытесняемого объема масла                             Акт                            3.9

     5.         Коррозионная стойкость металлических                    Акт                            3.10

                 материалов и состояние неметаллических                                                    3.13

                  материалов и ЛКП 

     6.          Металлография сварных швов                                Протоколы                   3.11                               

 

 


    Из общей теории длительной прочности известно, что с течением времени и с повышением температуры длительная прочность и предел ползучести  падают при работе металла в воздушной среде.  Это падение описывается различными изученными зависимостями, о которых говорилось ранее в Главе 10.  Об этом  явлении подробно излагается во многих работах посвященных этому вопросу и в частности в работах  [207 и 208]. И тем не менее, прочность материала, длительное время, находившегося в контакте с компонентами, растет по результатам испытаний образцов, вырезанных их изделий.

   Трудно предположить, что это результат некачественных испытаний, что, впрочем, окончательно нельзя исключить. Однако объяснений этому явлению также трудно найти, за исключением того, что длительный контакт металла с химически активными компонентами топлива, может быть, приводит к какой-то перекристаллизации поверхностных слоев металла, находящегося в контакте с компонентами.

   Обнаруженный рост показателей длительной прочности требует своего глубокого изучения в соответствующих НИИ, как в теоретической области, так и в практическом плане, с применением необходимого инструментального исследования структуры металла, и попытаться на этом уровне найти какой-то ответ и объяснение  этого  необычного явления.

   Значительное падение предела текучести должно вызывать опасение, тем более, что его значение   26 кг/ мм2 существенно ниже требуемыми величинами 29 кг/мм2.  В отчетных материалах по этому вопросу записано заключение, о том что такое падение предела текучести не имеет значения. Это заключение должно быть подкреплено необходимыми расчетами  и соответствующими экспертными испытаниями. Однако, при  росте прочности при одновременном снижении пластичности материала, неизвестно чем это может кончиться для баков при их сжатии, поскольку известно, что при очень жестком и прочном материале форма потери устойчивости и ее критические значения существенно меняются.

  

  Отдельно следует остановиться на дефектации материала АМг6-М днищ, по которым имеются очень ограниченные сведения, в связи с недостаточной полнотой проводящегося их исследования. Из рассмотренных имеющихся данных следует, что его прочность равная 35,4 кг/м2 после 19 лет эксплуатации поднялась к 31 году эксплуатации до 40,1 кг / мм2, а относительное удлинение резко упало с 27,5 % до 17,4 % за это же время.  Это свидетельствует о том, что материал стал более жестким и его поведение должно быть изучено в зонах вваривания в днище  большого числа элементов ПГС. Особенно это касается сварных швов и околошовной зоны, поскольку данные об исследованиях сварных швов АМг6-М отсутствуют, а приводятся данные по сварным швам только сплава АМг6-Н.

  Одновременно следует отметить, что в отчетных документах по испытаниям материалов отсутствуют данные о характере изменении модуля упругости, также как  и кривые деформативности материала, записанные в процессе их испытаний. При имеющих место  изменениях прочностно-деформативных показателей целесообразно иметь сведения и о изменении модуля упругости.

   Не представилось возможным по имеющимся материалам определить, как ведет себя материал по ползучести в зоне перехода от обечайки к шпангоуту. В этом месте наиболее опасно ее проявление при продольных сжимающих нагрузках баков. Имеются записи, без приведения схемы и результатов обмеров, что геометрические размеры  баков находятся в пределах допусков.  

    Аналогичная ситуация происходит и с определением возможного наличия и величины диффузии компонентов топлива через сплошной материал, особенно через просечки в прорывных мембранах. Это связано с тем, что замеров загазованности изолированных полостей не проводится в процессе дефектации изделий, особенно предохранительных клапанов чего, кстати, и не записано в программе их дефектации.

  

 Проведенный краткий обзор только некоторых параметров, подвергающихся дефектации, из числа приведенных в таблицах 13.8.1Т; 2Т и 3Т, показывает, что уровни ее проведения, фиксации результатов и проведения их анализа требует существенного  повышения. Значение этого вопроса возрастает от года к году, и он связан с надежностью и безопасностью дальнейшего нахождения изделий на дежурстве с атомными зарядами, которые уже простояли больше 31 года.

   В заключение этой главы и всего второго раздела данной работы «Ампулизация» следует отметить, что после прочтения раздела 8 главы 13 станет вполне очевидно, что уже сейчас необходимо начинать разрабатывать новую ракету взамен ракеты стоящей на дежурстве. На ее разработку и отработку в полете потребуется не менее 4-5 лет и нужно надеяться, что стоящие ракеты смогут еще нести дежурство до этого времени.

    Если принять, что темп падения свойств материала баков сохранится к тому времени, это приблизительно через пять лет,  величина предела текучести может снизиться до 25 кг/м2, при требуемых 29 кг/мм2 по КД,  а относительное удлинение с 14 % упадет до 12%,.   Эти падения, очевидно, необходимо будет признать как предельно допустимыми уровнями снижения пластичности материала..

    И, конечно,  новая ракета должна быть только жидкостной, поскольку более 30 летний опыт эксплуатации ампулизированных подобных ракет показал полную их надежности и безопасность в эксплуатации. За все эти годы эксплуатации более тысячи ракет  не было ни одного случая, каких либо осложнений или происшествий, связанных с токсичностью компонентов, поскольку разработанные и реализованные в жидкостных ракетах мероприятия по их ампулизации и детоксикации полностью себя оправдал. В этой части они нисколько не уступают твердотопливным ракетам. По энергетической эффективности и нетоксичности продуктов сгорания топлив, жидкостные ракеты существенно превосходят твердотопливные ракеты, поскольку удельный импульс у них выше, а продукты сгорания АТ и НДМГ почти в 30 раз менее токсичны, чем продукты сгорания твердосмесевых топлив.

    И еще одно  немаловажное обстоятельство в пользу жидкостных ракет заключается в том, что в этом случае накопленный гептил, не находящий применения и не ассимилируемый природой, будет с пользой находиться в ракетах, а не бесполезно храниться на складах, требуя расходования на это больших средств.

 

 

 

13.9  Выводы по главе.

 

1. За первые четыре года к 1971 году потеряли герметичность всего 14 ракет, девять из которых находившихся на эксплуатации были заменены на новые, а остальные ракеты проходили те или иные виды испытаний.

 

2. Для изучения причин появления негерметичностей на изделиях за первые четыре года эксплуатации, была создана Межведомственная комиссия, которая показала, что все течи по компонентам носили производственный характер в силу имевших место отклонений в технологических режимах, а также определенного несовершенства методов контроля герметичности, имевших место на первоначальной стадии изготовления изделий. Наличия конструктивных недостатков в изделиях не отмечено.

 

3. Межведомственная комиссия в результате своей работы разработала порядка 90 рекомендаций по различным направлением с целью исключения повторения случаев появления негерметичных изделий в эксплуатации, которые составили: 12- по техпроцессам сварки, 16 - по контролю герметичности при сварке, 17- по организационным вопросам, 22 – по научно-исследовательским работам, 10 – по эксплуатации в воинских частях и 13 – по конструкции перспективных изделий. После реализации этих рекомендаций за 31 год эксплуатации изделий ни одно из них не потеряло герметичности.

 

4  По рекомендации межведомственной комиссии после 1971 года была введена практика ежегодного съема одного изделия на дефектацию и одного изделия для пуска по штатной программе с тем, чтобы на каждый год иметь сведения о фактическом состоянии изделий с целью определения возможности их дальнейшего нахождения на дежурстве.

 

 

 

 

5. Проведенный краткий обзор имеющихся материалов по дефектации корпуса 15С300 первой и второй ступеней показал, что его свойства находятся в пределах требований конструкторской документации вплоть до 31 года эксплуатации,

 

6. Следует отметить, что дефектация и оформление ее результатов, с приведением только количественных величин по некоторым показателям, ведется не на должном уровне и не  во всем объеме программ дефектации, в силу чего не представляется возможным оценить  динамику изменения показателей, находящихся пока в пределах допусков, и затрудняет оценку перспективного состояния изделий в период, когда они, возможно,  подходят к своему критическому состоянию и приближается время, когда возникнет  необходимость их снятия с эксплуатации.

 

7. В силу того, что на разработку и конструкторскую отработку нового изделия потребуется минимум 4-5 лет, необходимо уже сейчас начать разработку нового изделия на замену находящихся на эксплуатации. Ампулизированные жидкостные ракеты за более, чем 30 лет эксплуатации, показали полную свою надежность и токсическую безопасность, которые нисколько не уступают твердотопливным по их эксплуатации. Поэтому новые изделия стратегического назначения должно быть жидкостным, как и их предшественники, а не твердотопливными.

 

8. Дальнейшее нахождение ракет в эксплуатации с гептилом, позволит существенно уменьшить его запасы, бесполезно хранящиеся на складах, на что затрачивается немало средств и сил, поскольку он нигде больше не используется и не ассимилируется природой и тем самым будет снижена опасность  хранения такой большой силы «экологической бомбы»,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Р а з д е л    т р е т и й

 

М Е Т О Д И Ч Е С К И Е   Р Е К О М Е Н Д А Ц И И

 

на проведение испытаний  и  расчетов

по обеспечению долговечности

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 14  ОБЪЕМ  И  МЕТОДЫ  СИСТЕМНОЙ  ОТРАБОТКИ   ИЗДЕЛИЙ  НА

                 ВОЗДЕЙСТВИЕ ВНЕШНИХ  И ВНУТРЕННИХ  ФАКТОРОВ

 

14.1. Исходные положения в лабораторных стендовых и натурных испытаниях

 

   Известно, что любой конструкционный материал, прежде чем он будет рекомендован для применения в конструкции, проходит комплекс лабораторных испытаний в тех средах, в которых он применяется. Существующие методики испытаний разработаны, главным образом, для оценки свойств самого материала и не оговаривают условий его проверки в натурной конструкции. Это в первую очередь относится к проверке склонности сплава и его сварных соединений к коррозии под напряжением, межкристаллитной коррозии. В отдельных случаях приводится рекомендации по испытаниям на контактную и щелевую коррозию. Однако, данные методики рассматривают только вопросы коррозии агрегатов. В то время как в реальной конструкции должен рассматриваться комплекс вопросов, влияющих на работоспособность всех систем изделия.

  Основные требования по объемам и видам испытаний изделий по определению его долговечности заключаются  в необходимости последовательного выполнения комплекса исследований, включающих проведение лабораторных, стендовых и натурных испытаний.

  Лабораторным испытаниям подвергаются специальные образцы, выполненных в простейших формах и в  наибольшей степени, приближающиеся к используемым в конструкции изделий, и проводящихся чаще всего в искусственно создаваемых условиях. Обычно эти условия подбираются с таким расчетом, чтобы ускорить реальный процесс для получения необходимых данных за более короткое время. Это, так называемые, ускоренные методики испытаний.   Назначение лабораторных испытаний состоит в определении всесторонней работоспособности материалов и полуфабрикатов из них, их сварных соединений и защитных покрытий, на основе которых выдаются рекомендации по их применении в конструкции

   Преимущество лабораторных испытаний, по сравнению со стендовыми и натурными, заключается в возможности более широкого изучения влияния тех или иных внешних и внутренних факторов, на работоспособность материала. Применительно к процессам коррозии это влияние температуры, влажности, напряжений, химического состава материала, его структуры и состава внешней и внутренней среды. Более широкие возможности представляются в этом виде испытаний в силу того, что образцы имеют достаточно простую, а зачастую стандартную, форму и они могут быть изготовлены в существенно больших количествах.

  Вместе с тем, многочисленные коррозионные испытания показывают, что оценка коррозионной стойкости и работоспособности конструкционных материалов по результатам только лабораторных испытаний не может быть полной. Это со всей очевидностью показала практика внедрения в 60-х годах на предприятии высоко прочного алюминиевого сплава АЦМ, когда, несмотря на положительные результаты большого числа лабораторных испытаний материала, пришлось отказаться от его применения в конструкции из за выявленной склонности этого сплава к хрупкому разрушению. Указанная особенность была выявлена только при изготовлении и испытании модельного бака, приближающегося к натурной конструкции.

  Стендовые испытания проводятся на конструктивно подобных образцах, учитывающих те или иные конструктивные и технологические особенности в применении в нем материалов, и проводятся, как правило, по ускоренным методикам испытаний. Образцы в таких испытаниях являются более сложной формы, чем образцы для лабораторных испытаний и они изготавливаются в меньших количествах и в них учитываются результаты, полученные при лабораторных испытаниях. Назначение таких испытаний состоит в определении исходных положений для рекомендаций с целью  разработки штатных конструкций.

  Натурные испытания проводятся на натурных изделиях, конструкция которых выбрана по результатам предыдущих испытаний и они проводятся в максимально приближенных условиях, имеющихся при штатной эксплуатации. Однако натурные испытания довольно трудоемки, сложны и дорогостоящи. В силу этого конструктивные и технологические особенности, а также работоспособность материалов и агрегатов необходимо максимально полно изучить в процессе стендовых испытаний материалов и упрощенных модельных конструкций из них.

   Изложенный подход в структурировании видов проводящихся испытаний требует разработки применительно к бакам и топливным системам изделий соответствующих рекомендаций по их системному проведению, предусматривающих, с одной стороны, проверку основных элементов конструкции, подвергающихся воздействию компонентов, а, с другой стороны, поэтапную проверку во времени работоспособности материалов и элементов из них, включая конструкции вцелом. 

   Этапность испытаний во времени вытекает также из необходимости определения не только работоспособности, но и сроков надежной службы материалов и изделий. Наиболее оптимальным  вариантом, в этом случае, является 3 этапа по продолжительности испытаний при одинаковых режимах испытаний. При наличии ранее полученных предварительных данных можно ограничиваться на двух этапах, последний из которых проводится на полный срок расчетной продолжительности эксплуатации.

    Лабораторные, стендовые испытания предусматривают проведение определенного объема научно-исследовательских и экспериментальных работ и проводятся поэтапно.

   Применительно к воздействию компонентов в лабораторных и стендовых испытаниях изучаются:

- скорость общей коррозии,

- влияние воздействия продукта на прочность материала и сварных соединений,

- характер коррозии основного материала  и сварных соединений нм предмет наличия межкри-  

  сталлитной, контактной  и щелевой коррозии,

- длительная прочность и ползучесть материала и конструкции при контакте с продуктом,

- влияние технологических и конструктивных факторов на коррозионную стойкость,

- коррозионная стойкость материала под напряжением,

-  влияние технологических примесей в продукте на его коррозионную активность,

- склонность продукта к осадкообразованию,

- проницаемость продукта через материалы и дефекты в них,

- проницаемость продуктов через микродефекты  в сварных швах.

  Испытания проводятся по методикам, разработанным применительно к конкретной конструкции и условиям его эксплуатации с учетом ранее накопленного опыта подобных испытаний.

   На каждый этап лабораторных и стендовых испытаний поступают не менее трех образцов, за исключением тех видов образцов, по аналогам которых имеются предварительные данные. По таким образцам испытываются два образца на промежуточный и предельный срок эксплуатации.

   Натурные испытания проводятся с целью с целью подтверждения работоспособности изделия, при натурных внешних и внутренних воздействиях, в течении заданного срока службы, установленного на основе ранее проведенных лабораторных и стендовых испытаниях по ускоренным методикам. Кроме того, в ходе этих испытаний уточняются условия эксплуатации, а также проверяется эффективность принятых конструктивных решений в изделии. К основных из них относятся:

- изменение влажности в отсеках изделия и возможности образования в них конденсата влаги,

- газовыделение из материалов,

- сезонное изменение температурно-влажностного режима в отсеках изделия,

- наличие паров компонентов отсеках изделия и агрегатов,

- возможность образование конденсата продукта в дренажных магистралях, характер сезонного изменения давления в емкостях.

 

14.2  Общий подход в проведении испытаний по долговечности

 

  С целью обеспечения всестороннего и наиболее полного учета всех явлений, оказывающих влияние на работоспособность изделия, устанавливаются типовые модели воздействия внешних и внутренних факторов на материалы, аппаратуру и другие сборочные единицы и вцелом на изделие.

   При построении таких типовых моделей рассматриваются: металлы и сплавы, неметаллические материалы и покрытия, резины и резинотехнические изделия, уплотнительные элементы, масла и смазки, компоненты ракетного топлива, сборочные единицы топливного тракта, аппаратура и другие сборочные единицы, не контактирующие с компонентами и само изделие вцелом. Типовая модель изделия и воздействующих факторов рассматривалась ране в Главе 1 и выбираются из числа приводившихся в зависимости от требований, предъявляемых к изделию  его конструктивных особенностей.

  К внутренним воздействующим факторам в первую очередь следует отнести взаимодействие твердых, жидких и газообразных сред, из которых состоит любое изделие. Их состав и свойства в конкретном конструкторском воплощении определяют весь тот объем их исследований, который необходимо проводить с тем, чтобы определить оптимальность функционирования изделия. Особенно следует обратить внимание на линии и поверхности их взаимодействия, ибо на границах раздела фаз в изделии происходят весьма важные процессы, исследованию которых конструкторами еще недостаточно уделяется внимания.

  Номенклатуру и параметры воздействующих факторов рассматривают применительно ко всем стадиям эксплуатации изделия таким, как : транспортирование, хранение в полевых условиях, а также в условиях отапливаемых и не отапливаемых складов и непосредственная работа изделия по назначению.

  Одной из важных характеристик изделий является их долговечность. Обобщенным количественным показателем долговечности является срок службы, определенный по показателю «наиболее слабого звена изделия». Объем испытаний по определению долговечности  выбирается в первую очередь исходя из конструктивных особенностей и внутренних действующих факторов в изделиях, а также от вида и характера внешних воздействий, которые выбираются согласно следующим нормативным документа:

- по условиям эксплуатации, хранения в части воздействия внешних климатических факторов по

   ГОСТ 15150-69,

- по коррозионной агрессивности атмосферы по ГОСТ  9.039 – 74.

- по климатическим условиям в различных климатических зонах по ГОСТ 16350-80.

   Испытания материалов, аппаратуры и  других сборочных единиц и изделия вцелом на воздействие внешних и внутренних факторов проводятся по методикам, приведенным в соответствующих государственных и ведомственных стандартах, которые приводятся далее пот тексту. При их отсутствии необходимо разрабатывать свои программы и методики, некоторые из которых, разработанные в ЦКБМФ1 и использовавшиеся  при отработке долговечности ракеты УР-100, приводятся также далее по тексту.

 

14.3. Испытание металлов и сплавов

 

   Свойства металлов и сплавов, подлежащих проверке до и после экспозиции на воздействие внешних и внутренних факторов, определяются из числа приведенных в таблиц 14.3.1Т в зависимости от назначения и вида использования материалов в конструкции. Объем и виды испытаний можно устанавливать в соответствии с таблицей 14.3.2Т.

                                                                                                                                     Таблица 14.3.1Т

                             Испытания по определению механических свойств металлов и сплавов

 


                      

                       В и д    и с п ы т а н и й                                               М е т о д   и с п ы т а н и й

 


1. Испытания на растяжение                                                               ГОСТ 1497 – 73

 

2. Испытания тонких листов и лент                                                   ГОСТ 11701 – 66

 

3. Испытания на перегиб                                                                     ГОСТ 13813 – 68

 

4. Испытания на ударный изгиб при пониженной                           ГОСТ  9454 – 78

    и комнатной     температуре

 

5. Испытания на выдавливание листов и лент                                  ГОСТ 10510 – 80

 

6. Испытания на усталость                                                                  ГОСТ 2860 – 65

 

7. Испытания на длительную прочность и ползучесть                     ГОСТ 10145 – 81

                                                                                                                 Раздел 15.14

8. Испытание сварных соединений                                                     ГОСТ 6996 - 66

 

9. Испытания по определению ударной вязкости на                          По методике

     образцах с дефектом и без них                                                          разработчика

 

10. Испытания по определению характера вязкости                                 То же

       разрушения   массивных полуфабрикатов  и листо

 

11. Испытание на сжатие                                                                               То же

 

 

    

 

                                                                                                                                      Таблица 14.3.2

                                                           Виды испытаний металлов и сплавов

                     

                    В и д    и с п ы т а н и й                                                М е т о д   и с п ы т а н и й

 

1. Испытания на атмосферную коррозию на                                          ГОСТ  17332 - 71

     климатических станциях 

 

2. Испытание на общую коррозию магниевых сплавов                         ГОСТ  9.020 – 74

 

3. Ускоренные испытания алюминиевых сплавов на                            ГОСТ  9.017 - 74

     общую коррозию

 

 

                                                                                                        Продолжение таблицы 14.3.2Т

 


4. Ускоренные испытания на общую коррозию                                        ГОСТ  9.017 – 74

 

5. Испытания  на коррозионное растрескивание                                      ГОСТ  9.019 - 74 

    алюминиевых сплавов

 

6. Ускоренные испытания на расслаивающую                                         ГОСТ  9.018 – 82

      коррозию алюминиевых сплавов

 

7. Ускоренные испытания на межкристаллитную                                   ГОСТ  9.021 - 74

     коррозию алюминиевых сплавов

 

8. Ускоренные испытания на атмосферную коррозию                            ГОСТ  9.012 - 73

     металлических и неметаллических неорганических

     покрытий

 

9. Испытания на межкристаллитную коррозию                                        ГОСТ  6032 - 84                                                

    ферритных, аустенитно-мартенситовых, аустенитно-

     ферритных и аустенитных коррозионно стойких

    сталей и сплавов на железоникелевой основе

 

10. Испытания на климатические и другие природные и                    По методикам разра-                            

      биологические воздействия, изложенные в Главе 1                       ботчика с учетом

                                                                                                                    Главы 1 и согласован-

                                                                                                                    ным с заинтересован-

                                                                                                                    ными организациями

                                                                                                                     

11. Коррозионные испытания в среде компонентов                                         То же

 

12. Испытания по определению сорбционной емкости                                    То же

       по парам компонентов

 

13. Испытания по  определению стойкости контактных                                  То же

      пар материалов

 

14. Испытания по определению коррозионной стойкости                               То же

      в среде, загазованной парами компонентов

         

 


14.4  Испытания неметаллических материалов и покрытий

 

  Свойства неметаллических материалов и покрытий, подлежащих определению до и после экспозиции при испытаниях на воздействие  внешних и внутренних факторов определяют из числа приведенных в таблице 14.4.1Т в зависимости от назначения и использования материала, а также вида воздействующего фактора. Объем и виды внешних и внутренних воздействий, на которые необходимо отрабатывать  и испытывать  неметаллические материалы и покрытия можно устанавливать в соответствии с таблицей 14.4.2Т.

   В данной таблице 14.4.1Т приведены методики испытаний материалов. указанные в таблице под следующими номерами:

3. – конструкционные, уплотнительные, электроизоляционные,

4. – теплозащитные

5. – пенопласты жесткие.

6. – пенопласты эластичные,

7. – ткани, 8, - нити, 9 шнуры и ленты,

10 – покрытия неметаллические, неорганические, лакокрасочные,

11. герметики,

12. клеевые соединения.

                             В таблице приняты следующие условные обозначения:

                        *        - испытаниям подвергаются жесткие материалы

                        **      - испытания проводятся по программам разработчика

                        ***    - испытания проводят по специальнвм требованиям Т.З.

                          -       - испытания не предусматриваются

                                                                                                                                                                                                                 

                                                                                                                                           Таблица 14.4.1Т

                          Виды физико-механических свойств неметаллов

 

        Определяемые                               Методы испытаний по видам материалов

             свойства 

       

 М а т е р и а л ы                         3            4           5         6         7           8          9        10         11       12

   

1. Разрушающее напряжен.   ГОСТ    ГОСТ      -          -          -            -          -            -          -          -

    при статическом изгибе    4648-71 тот же

 

2. Разрушающее напряжен.   ГОСТ    ГОСТ      -          -          -           -           -           -          -           -

    при сжатии                         4651-82  то же

 

3. Относительная остаточн.     **          -             -           -          -           -           -           -         -           -

     деформация при сжатии

 

4. Определение плотности    ГОСТ     ГОСТ     -           -          -            -            -          -         -          -

                                                 15139-    тот же

                                                   - 69

5. Разрушающее напряжение ГОСТ    ГОСТ    -           -    ГОСТ       ГОСТ   ГОСТ    -         -          -

    и относительное удлине-   25601-   25601-                      6102-78  162185- 16478-

    ние при разрыве                   -80          -80                          3813-72  69430-     -76

                                                                                                  69430-      -79       69435-

                                                                                                   -79         66112-     -79

                                                                                                  6943-10-     -73   694310-

                                                                                                       79                       -79

6. Поверхностная твердость  ГОСТ        -          -           -          -            -             -           -          -         -

                                                  4670-

                                                    -77

 

7. Неразрушающий контроль  **         ***        -          -          **          -             -           **      ***      **    

    толщины, непроклея

                                                                                                       Продолжение таблицы 14.4.1Т.

 


 М а т е р а л ы                       3           4           5          6           7          8         9        10       11         12  

 


8. Адгезия к защищаемой         -            **         -           -            -          -          -       ГОСТ    **          -  

     поверхности                                      ***                                                                15140-

                                                                                                                                          - 78

9. Кажущаяся плотность          **          **      ГОСТ   ГОСТ     **        **       **        **       **        **

                                                                            407-77  тот же

 

 10. Прочность, относитель-  ГОСТ         -            -        ГОСТ      -          -          -           -         -           -      

       ное удлинение при          11262-                               15830-

       растяжении                         -80                                     -78

 

 11. Прочность клеевых              -             -             -             -           -          -          -          -          -    ГОСТ

      соединений при сдвиге                                                                                                                 14760-

      «металл-пластик»                                                                                                                              - 69

 

 12. Прочность при отрыве        -             -              -            -            -          -          -          -          -  ГОСТ    

      соединений «металл-                                                                                                                    14760-

      пластик»                                                                                                                                            69

 

 13. Прочность  при отрыве       -             -              -            -            -          -           -          -         -  ГОСТ 

      соединения  «металл-                                                                                                                   209-75

       резина»                                                                                                                                          411-77

 

 14. Прочность отслаивания       -            -              -            -            -          -           -           -         -  ГОСТ

       соединения «резина –                                                                                                                   9768-

      -резина; – ткань»                                                                                                                               -75

 

 15. Прочность скалывания         -            -              -            -          -         -           -           -         -   ГОСТ

      древесины                                                                                                                                       9624-

                                                                                                                                                                -72

 

 16. Коэффициент темпера-       **         **            **          -          -         -            -          -          -       -   

      туропроводности

 

 17. Коэффициент теплопро-     **         **            **          -          -         -           -           -          -       -

      водности

 

 18. Коэффициент линейно-       **         **            **          -          -         -            -          -          -        -

 

 19 Линейная усадка               ГОСТ     ГОСТ    ГОСТ       -         -          -           -          -           -         -  

                                                 18616-    18616-   20989-

                                                   - 80        -80            -79 

 

 20 Удельная теплоемкость       **           **            **         -          -          -            -           -          -        -

 

 

                                                                                                     Продолжение таблицы   15.4.1Т

 


          М а т е р и а л ы               3           4           5           6           7           8          9         10        11        12

 


  21. Термостойкость                 -            -           ***       -            -            -          -          ***       -        ***

                                                                                **                                                          **                  **

 22. Удельное объемное        ГОСТ       -            -           -           -            -          -             -          -          -

       электросопротивление  64332—71

 

 23. Электрическая проч-      ГОСТ  ГОСТ    ГОСТ       -           -           -           -           -          -          -     

       ность                                 64333- тот же    тот же  

                                                   - 77

 24 Диэлектрическая про-     ГОСТ    ГОСТ    ГОСТ     -          -           -            -           -         -         -

      ницаемосить и тангенс   тот же   тот же    тот же

      эл. потерь при 1-5 Мг                           

 

 25. То же при частоте          ГОСТ     ГОСТ   ГОСТ      -         -            -           -            -           -        -       

               0,4 – 1 ГГц              тот же    тот же   тот же

 

 26. Коэффициент оптиче-       -          ***          -           -          -            -           -           ***       -        -       

       ского и теплового по-                    **                                                                         **

        глощения

 

 

 

 

                                                                                                                                 Таблица 14.4.2Т

     Виды внешних и внутренних воздействий, на стойкость к которым

                испытываются неметаллические материалы и покрытия

 

              В и д ы     в о з д е й с т в и й

   М е то д   и с п ы т а н и й

 1.  Климатические и другие природные явления, а также биологические воздействия, заложенные в Главе 1.

 

 

2. Старение под воздействием естественных и искусственных климатически факторов

 

3. Стойкость лакокрасочных покрытий в атмосферных условиях

 

4. Ползучесть при растяжении 

 

 5. Химическая стойкость в агрессивной среде                               

По методикам разработчика, согласованным с заинтересованными организациями

 

    ГОСТ  17170 – 71

 

 

    ГОСТ  6992 – 68

 

 

    ГОСТ  18197 – 82

 

    По методикам разработчика с учетом требований

        ГОСТ  12020 - 72

 

 

 

                                                                                            Продолжение таблицы 14.4.2Т

 

                          В и д ы     в о з д е й с т в и й

  М е т о д   и с п ы т а н и й

 

6. Стойкость к воздействиям грызунов

 

7. Стойкость к воздействию плесневых грибков

 

 

8. Стойкость в повреждению термитами

 

9.. Микробиологическая устойчивость тканей в почве

 

10. Длительная прочность и предел выносливости при растяжении

 

 

 

11. Ползучесть клея

 

12. Свойства по проницаемости

 

13. Свойства по водопоглощению

 

14. Стойкость к воздействию воды

 

15. Газовыделение из неметаллических материалов

 

 

 

16. Сорбционные свойства

 

17. Стойкость при взаимодействии контактных пар

 

18. Стойкость к парам агрессивных жидкостей

 

19. Стойкость в среде сухого воздуха

 

20. Ускоренное старение материалов и деталей из них

    

    ГОСТ  9057 – 75

 

    ГОСТ  9049 – 75

    ГОСТ  9050 – 75

 

    ГОСТ  9058 – 75

  

ГОСТ  9060 – 7

 

По методике разработчика, согласованной с соответствующими организациями

 

           То же

 

           То же 

 

      ГОСТ  4650 – 80

     

       ГОСТ  21065 – 80

 

 По методикам разработчика, согласованным с соответствующими организациями

 

             То же

 

             То же

 

              То же

 

               То же

 

               То же

 

14.5.   Испытания резин и резинотехнических уплотнительных деталей (РТУД)

 

   Свойства резин и РТУД, подлежащие проверке до и после экспозиции при испытаниях на воздействие внешних и внутренних факторов определяют из числа приведенных в таблице 14.5.1Т в зависимости от назначения,  а также типовых моделей воздействия внешних и внутренних факторов, представленных на Рис. 15.5.1Р. Объем и виды испытаний резин и РТУД при испытаниях на воздействие внешних и внутренних факторов можно устанавливать в соответствии с таблицей 15.5.2Т.                                                                                                                                      

 

 

                                                                                                                                Таблица 14.5.1Т

                           Физико-механические свойства резин и РТУД

 


   В и д  ы    с в о  й с т в                                                               М е т о д    и с п ы т а н и й

 


1. Пластические свойства                                                                      ГОСТ  415  - 75

 

2. Предел прочности и относительное удлинение                              ГОСТ  270 – 75

 

3. Твердость по Шар,у                                                                            ГОСТ  263 – 75

 

4. Температура хрупкости                                                                      ГОСТ  7912 – 74

 

5. Коэффициент морозоустойчивости по эластическому                   ГОСТ  13808 - 79

    восстановлению  при 20% сжатии

 

6. Коэффициент морозостойкости  при 100% растяжении                 ГОСТ  408 – 78

 

7. Коэффициент старения после выдержки  в термостате                  ГОСТ  9.024 - 74

    в воздушной среде

 

8. Прочность связи с металлами                                                             ГОСТ  209 – 75

 

9. Твердость в международных единицах                                             ГОСТ  204003 - 75  

 

10. Стойкость в ненапряженном состоянии к воздействию                ГОСТ  9.030 - 74

       жидких агрессивных сред по изменению объема

 

11.Относительная остаточная деформация  при постоянной             ГОСТ  9.020 - 74

      Величине сжатия     

 

12. Сопротивление раздиру                                                                    ГОСТ  262 – 69

 

13. Модуль при сжатии                                                                            ГОСТ  9982 – 79

 

14. Относительная остаточная деформация при постоянной               По методике 

       нагрузке                                                                                               разработчика

 

15. Релаксация напряжений                                                                     ГОСТ  9982- 76

 

16. Скорость накопления относительной остаточной                          По методике

       деформации                                                                                        разработчика

 

17. Эластические свойства                                                                       По методике

                                                                                                                     Разработчика

           

 

 

                                                                                                                              Таблица 14.5.2Т 

                               Виды испытаний резин и РТУД

 


        В и д ы   и с п ы т а н и й                                                              М е т о д   и с п ы т а н и й  

 


  1. Климатические, биологические и другие природные                           По методике

     воздействия изложенные в Главе 1                                                          разработчика

 

2. Срок службы уплотнительных деталей подвижного                                  То же

     соединения 

 

3. Равнодействующая температура                                                           ГОСТ  9034 – 74

 

4. Срок службы уплотнительных деталей неподвижного                      ГОСТ  9035 - 74

     Соединения

 

5. Радиальное усилие армированных манжет на приборе РВС               По методике

                                                                                                                         разработчика

 

6. Рабочие свойства в агрегате после эксплуатации                                      То же

 

7. Ускоренное старение армированных манжет                                             То же

 

8. Газовыделение                                                                                               То же

                                                                                                                      с рекомендациями

                                                                                                                         Главы 15

 

9. Сорбционная емкость по парам и рабочим жидкостям                               То же

 

10 Контактное взаимодействие с другими материалами                                 То же

 

11. Стойкость в парах агрессивных жидкостей                                                То же

 

12 Стойкость в сухом воздухе                                                                             То же

 

 

В разрабатываемых программах испытаний необходимо учитывать следующее:

- продолжительность экспозиции при испытании должна соответствовать продолжительности

  эксплуатации  и продолжительности технологического цикла изготовления РТУД с коэффи-

  циентом, определяемым по методике ускоренных испытаний,

- испытания на прочность проводят при максимальных температурах и нагрузках,

- определение усилий открытия или сдвига по моделям Рис. 14.5.1Р  при наиболее низкой

  отрицательной температуре,

- проверку на герметичность проводят при наиболее низких температурах и минимальных

   контактных давлениях.

 

 

 

 

 14.6.  Испытание масел и смазок

 

   Свойства масел и смазок, подлежащих проверке до и после экспозиции при испытаниях на воздействие внешних и внутренних факторов определяются из числа приведенных в таблице 15.6.1Т в зависимости от назначения, а также типовых моделей их использования, представленных на Рис. 14.6.1Р.  Объем и виды испытаний смазок и масел при воздействии внешних внутренних факторов можно устанавливать согласно таблицы 14.6.2Т.

                                                                                                                            Таблица 14.6.1Т.

                        Определение физико-химических свойств смазочных материалов

 


                               В и д  ы   и с п ы т а н и й                                              М е т о д  и с п ы т а н и й

 


                                 М  а  с  л  а

       

1.  Температура застывания                                                                      ГОСТ  20287 – 74

 

 2. Испаряемость в тонкой плене                                                              ГОСТ  7934.1 – 74

 

 3.  Температура вспышки в открытом тигле                                          ГОСТ   4333 – 48

 

4.  Содержание воды                                                                                  ГОСТ  2477 – 65

 

                     С  м  а  з  к  и        

            

 1. Содержание воды                                                                                    ГОСТ  48 – 84

 

 2. Содержание механических примесей                                                   ГОСТ  6479 - 73

                                                                                                                        ГОСТ  1036  - 75

 

 3. Химическая стабильность                                                                       ГОСТ  5334 – 76

 

 4.  Испаряемость                                                                                           ГОСТ  9566 – 74

 

 5. Защитные свойства                                                                                  ГОСТ  9.054 – 7

 

 6. Пусковые свойства при минусовых температурах                            По методике

                                                                                                                       разработчика  

 

 


                                                                                                                                Таблица 14.6.2Т

                                         Виды испытаний смазок и масел

 


                  В и д ы   и с п ы т а н и й                                                    М е т о д   и с п ы т а н и й      

 


                                  М  а  с  л  а

1. Климатические, биологические и иные природные                      По программам          

          воздействия, изложенные в Главе 1.                                               разработчика

 

    2. Кинематическая вязкость                                                                      ГОСТ  33 – 82

 

                                                                                            Продолжение таблицы 14.6.2Т

 

 

  3. Кислотное число                                                                                       ГОСТ  5985 – 79

 

  4. Коррозионное воздействие на металлы                                                  ГОСТ  2917 – 76

 

  5. Работоспособность на пятищариковой машине                                    ГОСТ  - 21466 – 76

 

  6. Стабильность к воздействию кислорода                                                      По методике

                                                                                                                                 разработчика

 

  7. Стабильность к воздействию агрессивных сред                                              То же

 

  8. Устойчивость к  воздействию плесневых грибков                                  ГОСТ  9052 – 75

 

                             С м а з к и

 

 1. Климатические, биологически и иные природные                                      По методике

      воздействия, изложенные в Главе 1                                                             разработчика

 

 2. Эффективная вязкость                                                                                 ГОСТ  9127 – 59

                                                                                                                             ГОСТ  7163 – 84

 

  3. Температура каплепадения                                                                        ГОСТ   6793 – 74

 

  4. Содержание свободных щелочей и свободных органических                ГОСТ  6707 – 76

      кислот

 

  5. Предел прочности                                                                                       ГОСТ  7143 – 73

 

  6. Коллоидная стабильность                                                                           ГОСТ  7142 – 74

 

 7.  Коррозионное воздействие на металлы                                                   ГОСТ  9080 – 77

 

  8. Механическая стабильность                                                                     ГОСТ  10295 – 73

 

  9. Работоспособность на пятишариковой машине на трение                   ГОСТ 21466 – 76

 

 10. Смазывающие свойства                                                                            ГОСТ  9490 – 75

 

  11. Долговечность при высоком скоростном факторе                                По программе

                                                                                                                                 рарабтчика

 

  12. Долговечность твердых смазочных покрытий                                    ГОСТ  11613 – 65

 

   13. работоспособность в подшипниках качения                                        ГОСТ  19865 - 74      

 


                                                                                                        Продолжение таблицы 14.6.2Т 

 


   14.  Долговечность в работе при высоких температурах                          По методике

                                                                                                                           разработчика

 

    15.  Долговечность при качательном движении                                                То же

 

    16.  Работоспособность в малогабаритном подшипнике                                 То же

            Качения

 

    17.  Долговечность в микро электродвигателях                                                 То же 

 

     18.  Стабильность к воздействию кислорода                                                     То же

 

      19. Стабильность к воздействию агрессивных сред                                         То же

 

      20.  Газовыделение                                                                                     То же с рекоменд-

                                                                                                                            ациями   Главы 15

 

      21.  Сорбционная емкость по парам агрессивных жидкостей                           То же

 

      22.  Стойкость  к парам агрессивных сред                                                           То же

 

      23.  Стойкость в сухой среде                                                                                 То же             

 


                                

14.7.  Испытание агрессивных жидкостей в составе изделия

 

  Объем и виды испытаний агрессивных жидкостей, находящихся в изделии при воздействии внешних и внутренних факторов, устанавливают в соответствии с таблицей 14.7.1Т.

 

14.8. Испытание сборочных единиц, находящихся в контакте с агрессивными

        жидкостями.

 

 Объем и виды испытаний сборочных единиц при воздействии внутренних и внешних факторов устанавливают в соответствии с таблицей 14.8.1Т .

   Испытаниям подвергают сборочные единицы, прошедшие конструкторскую отработку на функционирование, изготовленные по отработанной технологии, соответствующие требованиям технических условий на них и допущенные к  настоящим испытаниям.

   Данный вид испытаний является заключительным, по результатам которых происходит подтверждение установленного срока службы изделия по результатам автономных испытаний образцов материалов, агрегатов и модельных сборок отдельных элементов изделия.  

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                                                              Таблица 14.7.1Т

 

                            Виды испытаний агрессивных жидкостей

 


            В и д ы   и с п ы т а н и Й                                            М е т о д    и с п ы т а нт и й

 

      1. Химическая совместимость жидкостей с кон-           По методикам разработчика

          струкционными материалами 

 

     2. Взаимодействие жидкости с газом наддува                 То  с учетом рекомендаций

                                                                                                          Главы 15

 

     3. Газонасыщение жидкости в емкостях изделия                       То же

 

     4. Определение состава мехпримесей                                          То же

 

     5. Определение коэффициента диффузии жидкости                  То же

           в металлы

 

     6. Проницаемость жидкости через микрокапилляры                 То же

 

     7. Изменение физико-химических свойств жидкости                То же

         при длительном нахождении в составе изделия

    

 

                                                                                                                           Таблица 14.8.1Т

                                             Виды испытаний сборочных единиц 

 


                    В и д ы   и с п ы т а н и й                                    М е т о д ы   и с п ы т а н и й

 


     1. Испытания на климатические и другие воздейст-     По методикам разработчика

         вия изложенные в  Главе 1 

 

    2. Коррозионная стойкость                                                   То же с учетом Главы15

 

    3. Длительная прочность и ползучесть                                            То же

 

    4. Герметичность под воздействием жидкостей                             То же

 

    5. Коррозионная стойкость при наличие остатков                         То же

        жидкостей в емкостях

 

    6. Коррозионная стойкость емкостей после их                              То же

        Нейтрализации

 

 

 


       

 

14.9. Испытание аппаратуры и других сборочных единиц, не контактирующих

          с агрессивными жидкостями.

 

   Группы испытаний и категории эксплуатации аппаратуры и других сборочных единиц  устанавливаются в соответствии с ГОСТ 15150 -69. Испытания на климатических станциях проводится в соответствии с ГОСТ 17332 – 71.

  Аппаратуру, функционирующую с перерывами, испытывают также с перерывами при сохранении или имитации условий и состояния аппаратуры, продолжительности перерывов. Объем и виды испытаний аппаратуры и других сборочных единиц устанавливают в соответствии с таблицей 14.9.1Т

                                                                                                                               Таблица 14.9.1Т

                                 

                                  Виды испытаний аппаратуры и других сборочных единиц

 


                   В и д ы   и с п ы т а н и й                                          М о т о д ы   и с п ы т а н и й

 


        1. Климатические и другие воздействия согласно           По методикам разработчика

             Главы 1  

 

        2. Газовыделение из сборочных единиц                             То же с учетом Главы 15

 

        3. Прочность и ползучесть элементов                                               То же

 

        4. Газовлажностной режим в герметичной аппаратуре                   То же

 

        5. Стойкость к внешней и внутренней газовой среде                       То же

 

        6. Стойкость в парах агрессивных жидкостей                                   То же

 

        7. Стойкость специальных жидкостей, входящих                             То же

             в состав аппаратуры

 

        8. Стойкость к внешним механическим воздействиям                     То же

 

 

 14.10. Испытаний изделия вцелом

 

   Испытания изделий на воздействие внешних и внутренних факторов подвергаются изделия, изготовленные по отработанной технологии и укомплектованной отработанной аппаратурой. Натурные испытания изделий возможно совмещать с другими видами испытаний каких либо стендовых изделий.

   Объемы и виды испытаний  устанавливаются в соотвестви с таблицей 14.10.1Т

 

                                                                                                         

 

 

 

 

 

                                                                                                                           Таблица 14.10.1Т

 

                               Виды испытаний изделия вцелом

 


           В и д ы     и с п ы т а н и й                                               М е т о д ы   и с п ы т а н  и й

 


1. Воздействие внешних и внутренних факторов                    По методике разработчика

                                                                                                           с учетом Главы 15

 

2. Герметичность емкостей с жидкостями и газами.                           То же

 

3. Газовый состав воздушной среды  в изделии и                                То же

    аппаратуре                            

 

4. температурно-влажностной режим изделия                                     То же                      

 

 


 14.11  Выводы по главе

 

1. Применительно к изучению воздействия внешних и внутренних факторов на изделия с агрессивными жидкостями разработаны рекомендации по составу образцов, сборок и составу натурных изделий применительно к проведению их  лабораторных, стендовых и натурных испытаний

 

2. Применительно к испытаниям на воздействие агрессивных жидкостей разработан рекомендуемый объем и виды испытаний для лабораторных, стендовых и натурных испытаний образцов, сборок и натурных изделий.

 

3. Сформулирован общий подход в испытаниях на долговечность изделий, состоящий в необходимости проведения испытаний твердых, жидких и газовых сред , из которых состоит изделий, с уделением особого внимания на изучение границ их раздела и взаимодействия, которым уделяется еще недостаточное внимание.

 

4. Установлен рекомендуемый объем и виды испытаний при отработке воздействия внешних и внутренних факторов, с приведением номеров ГОСТ,ов, для изучения стойкости: металлов, неметаллических материалов, покрытий, масел, смазок, компонентов топлив, сборочных единиц и изделий вцелом. 

 

(Примечание. Далее Рис. 14.5.1Р, Рис. 1.46.1Р брать из файла со сканированием. Выпуск 3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 15.  МЕТОДИЧЕСКИЕ    РЕКОМЕНДАЦИИ   ПО  ПРОВЕДЕНИЮ                   

                    ИСПЫТАНИЙ  И  РАСЧЕТОВ

 

15.1. Коррозионные испытания в среде агрессивных жидкостей (АЖ)

 

.1   Целью испытаний является определение коррозионной стойкости металлов, сплавов, аппаратуры, сборочных единиц и изделий вцелом под воздействием АЖ при проведении лабораторных, стендовых и натурных испытаний.

2. Лабораторным испытаниям подвергаются специально изготовленные образцы материалов, сварных соединений и контактных пар для определения сохраняемости механических свойств и стойкости к различным видам коррозии в зависимости от активности среды, ее химического состава, структуры материалов, технологии их изготовления, методов защиты и т. д.

3. При испытаниях определяют соответствующие показатели для каждого вида коррозии. Показатели наиболее распространенных видов коррозии приведен в таблице 15.1.1Т. Критерии стойкости контактных пар определяют в соответствии с методическими рекомендациями настоящей главы.

4. Стендовым испытаниям подвергаются конструктивно подобные образцы и сборочные единицы, находящиеся в контакте с АЖ.  Испытательный стенд для проведения таких испытаний  должен обеспечивать:

- одновременное испытание нескольких сборочных единиц раздельно в паровой и жидкой фазе АЖ путем их установки на специальном коллекторе или в испытательных емкостях,

- накопление и регистрация утечки АЖ  отдельно по каждой сборочной единице, располагающееся в закрытом испытательном объеме,

- автономное снятие с испытаний любой сборочной единицы без нарушения герметичности внутренней полости коллектора путем установки отсечного вентиля на каждом трубопроводе  подачи АЖ к испытываемому образцу,

- герметичность внутренней полости коллектора с обеспечением возможности продувки сухим воздухом перед заправкой его АЖ,

- измерение в процессе экспозиции давления АЖ в коллекторе.

5. Натурным испытаниям подвергают сборочные единицы натурного изделия. находящихся в контакте с АЖ, находящихся в составе изделия или изготовленные специально из штатных элементов. В сборочных единицах, коэффициент заполнения  полостей  с АЖ, должен при испытаниях соответствовать степени заполнения аналогичных штатных единиц.

6. Прошедшие экспозицию образцы подвергаются нейтрализации, а АЖ подвергают анализу на соответствие их своим ТУ, после чего испытуемые образцы проходят проверку на их функционирование. При необходимости из них вырезаются участки материалов для изготовления из них образцов для различного вида испытаний.

                                                                                                                   Таблица 15.1.1Т

 

 

                                             Показатели коррозии

 


     В и д    к о р р о з и и                                          П о к а т е л ь  к о р р о з и

 


 1 Общая коррозия                                 Изменение массы на единицу площади. Средняя 

.                                                                 скорость коррозии за время t.

 

 

 

 

                                                                                              Продолжение таблицы 15.1.1Т        

 


2. Межкристаллитная                           Потеря мысы. Скорость проникновения по изме-

     коррозия                                            нению электросопротивления

 

3. Коррозионное растрескивание         Стойкость к коррозионному растрескиванию,     

                                                                  выраженная во времени начала появления

 

4. Контактная коррозия                         Поверхностная коррозия в зависимости от ее

                                                                  вида

 

5. Щелевая коррозия                              Коррозия одного металла в зависимости от

                                                                 ее вида

 

6. Питтинговая коррозия                       Глубина и скорость проникновения

 

7. Расслаивающая коррозия                   Поверхностное расслоение

 

8. Коррозионная усталость при            Предельные напряжения. Приводящие к рару-

     различных видах коррозии               шениям на заданной базе циклов.

                                                                   Усталостная выносливость по числу циклов

                                                                   при заданных напряжениях h

 

 

 

15.2.  Определение сорбционной емкости металлических и неметаллических материалов

           по парам АЖ

 

1. Целью испытаний по определению сорбционных характеристик основным конструкционных материалов по парам АЖ является получение экспериментальных значений коэффициента сорбции Кс = А/Cр, где А – сорбционная емкость по парам АЖ, кг/ м2 при данной равновесной концентрации Ср, кг/м2. Коэффициент сорбции используется при расчете норм герметичности емкостей, содержащих АЖ, определении влияния паров АЖ на конструкционные материалы масла и смазки, а также при выборе средств и методов нейтрализации.

2. Испытаниям подвергаются образцы основных металлических и неметаллических материалов, лакокрасочных и иных покрытий. Образцы указанных материалов изготавливают по штатной технологи . Не следует допускать какую либо обработку поверхности образцов, отличающуюся от принятой при изготовлении штатных изделий.

3. Выбор номенклатуры материалов для испытаний производят в зависимости от насыщенности материалами замкнутых объемов изделия. Насыщенность характеризует  величина, равная площади поверхности материала к объему, в котором он размещен. Для испытаний отбирают материалы, имеющие наибольшее значение этого отношения. Суммарное значение поверхности образцов одного вида материала, предназначенного для каждого режима испытаний рекомендуется принимать не менее 0,1 м2.

4.  Испытания по определению сорбционной емкости в замкнутом объеме ( камере) методом замера остаточных равновесных концентраций паров АЖ, определяемых химическим способом. Сорбционную емкость определяют по разности количества АЖ, введенного и оставшегося в воздушной среде камеры, с учетом количества паров АД, отобранного для химического анализа и сорбированного внутренними стенками камеры.

5. Камеры для проведения испытаний изготавливаются из материалов, обладающих минимальной сорбционной емкостью по отношению к парам АЖ, кроме того камера должна иметь минимальную площадь внутренней ее поверхности.

6. Определение сорбционной емкости материалов по парам АЖ производят при температурно-влажностных условиях, максимально приближающимся к натурным условиям нахождения их в составе изделия.

 

15.3.  Проведение испытаний по определению механизма взаимодействия АЖ с металлическими поверхностями

 

1.   Целью испытаний является определение характера и прочности связи АЖ с поверхностью металлических материалов, необходимых для выбора метода полной нейтрализации сборочных единиц, бывших в контакте с АЖ.

2. Определение характера и прочности связи молекул АЖ с металлической поверхностью производится путем определения механизма этого взаимодействия проводимого путем адсорбционной методики и методом инфракрасной спектроскопии. Изучение адсорбции АЖ на алюминиевых сплавах проводят методом объемной адсорбции.

3. Для увеличения удельной поверхности анализируемого материала целесообразно использовать его стружку или крошку, обработанной по принятой штанной технологии, используемой при изготовлении изделии из данного материала.

4. При изучении адсорбции АЖ на алюминиевых сплавах можно использовать в качестве модели γ – окись алюминия, которая имеет структуру и свойства, аналогичные поверхностной окисной пленки алюминиевых сплавов. Один грамм γ - окиси алюминия имеет активную поверхность 36 м2.

 

15.4.  Испытание контактных пар материалов

 

1. Целью испытаний является определение стойкости металлических и неметаллических материалов при контактном их взаимодействии в сборочных единицах изделий под воздействием внешних и внутренних факторов, которые проводятся при лабораторных и стендовых испытаниях.

2. Лабораторным испытаниям подвергают специально изготовленные образцы, конструкция которых аналогична их сочетанию в натурной конструкции в части:

- марки, толщин сочетаемых материалов, вида технологической обработки и формы контактной поверхности,

- покрытий и смазки контактной и наружной поверхности,

- отношения площадей контактирующих материалов,

- удельного давления по площади контакта,

- типа и конструкции стягивающих элементов.

 Указанные требования устанавливаются исходя из того, чтобы характер и вид возможных поражений при испытаниях соответствовал возможным таким же поражениям при натурной эксплуатации штатных изделий.

3. Испытания образцов проводят путем их экспозиции в специальных камерах, в которых имитируют воздействие внешних и внутренних факторов имеющих место при штатной эксплуатации.

4. Критерием сохранения работоспособности контактной пары являются:

- коррозионная стойкость материалов, определяемая с учетом рекомендаций настоящей главы,

- стойкость и сохраняемость покрытия материалов,

- физико-химические и механические свойства материалов,

- коэффициент трения пары,

- отражательная характеристика наружной поверхности,

-электрическое сопротивление и проводимость контактной пары,

- степень шероховатости контактной и наружной поверхности.

5. Стендовые испытания проводят на штатных сборочных единицах при воздействии на них внешних и внутренних факторов с последующим определением рабочих характеристик и проверкой их на функционирование.

 

15.5.  Испытания в среде, загазованной парами АЖ

 

1. Целью испытаний является определение свойств материалов и работоспособности аппаратуры и сборочных единиц в условиях их эксплуатации при нормированной и случайной разгерметизации полостей, заполненных АЖ, проводимых в процессе лабораторных и стендовых испытаний.

2. Испытаниям в среде, загазованной парами АЖ, подвергают материалы, аппаратуру, сборочные единицы наименее стойкие к воздействию паров АЖ, составляющие собой «слабое звено», по результатам испытания которых, обосновывают стойкость всего изделия.

3. Перечень объектов испытаний, входящих в состав «слабого звена», определяют на основании стойкости,  по предварительным испытаниям образцов аналогичных объектов в среде, загазованной парами АЖ.

4. Лабораторные и стендовые испытания проводят путем экспозиции объектов испытаний в специальных камерах, в которых создают среду, загазованную парами АЖ. Перед установкой в камеру и после экспозиции материалы осматривают и оценивают состояние и сохраняемость их физико-химических и механических свойств, а аппаратуру и сборочные единицы проверяют на функционирование.

5. Аппаратуру и сборочные единицы, функционирующие в процессе эксплуатации, подвергают периодическим дистанционным проверкам, не вынимая их из загазованной среды в камерах. Объем и периодичность таких проверок должна соответствовать периодичности и продолжительности таких операций при их штатной эксплуатации.

5. В испытательных камерах необходимо моделировать отношение объема отсека штатного изделия  его поверхности  с учетом нахождения в нем оборудования и приборов. Камеры изготавливают из материалов с покрытиями, применяемых в отсеках штатного изделия.

6. Выбранный уровень загазованности и температурно-влажностной режим в камере поддерживается применением специальных систем, которые одновременно  обеспечивают равномерное распределите паров АЖ по всему объему.

7. Режим проведения испытаний в части времени экспозиции, концентрации паров АЖ, влажности и температуры среды, выбирают в зависимости от следующих факторов:

- разрешающей способности системы газового контроля в камере,

- допустимой величины негерметичности полостей, заполненных АЖ,

- индукционного периода, в течении которого происходит активная сорбция паров материалами и объектами испытаний, находящихся в камере, после которого рост концентрации не будет наблюдаться.

 

15.6.  Испытания по определению газовыделения из неметаллических материалов в 

           процессе эксплуатации изделий.

 

1. Целью испытаний является получение экспериментальных данных по составу и количеству органических и неорганических веществ выделяющихся из неметаллических материалов и лакокрасочных покрытий, находящихся в сухих отсеках изделии. Эти данные необходимы для коррозионной оценки влияния этой среды на работу датчиков СДКЗ и на стойкость материалов, смазок и масел с определением количества необходимого сорбента, для поглощения и очистки атмосферы сухих отсеков.

2. Испытаниям подвергаются неметаллические материалы,  в том числе ЛКП, теплозащитные покрытия, смазки и масла, находящиеся в каждом из сухих отсеков изделия. Выбор номенклатуры материалов, подлежащих испытаниям, проводят исходя из площади поверхности материалов и их насыщенности в данном отсеке.

3. Образцы материалов, предназначенных для испытаний, изготавливают по штатной технологии. Поверхность образцов не рекомендуется подвергать каким либо видам обработки, не предусмотренных штатной технологией.

4. Определение газовыделения из образцов проводят при их экспозиции в камере, в которой поддерживается необходимый температурно-влажностной режим, соответствующий штатной эксплуатации. Продолжительность экспозиции устанавливают в зависимости от времени установления равновесной концентрации органических веществ, выделившихся из объектов испытаний, которое может доходить до 12 месяцев.

5. Состав газовой среды в процессе экспозиции образцов периодически контролируют хроматографическим методом, или иным, каким либо методом, обеспечивающим получение данных о составе газовой среды отдельно по ее компонентам. При подсчете суммарного газовыделения необходимо учитывать количество вещества, поглощенного стенками камеры.

6. На основании полученных экспериментальных данных определяют:

- перечень коррозионно опасных химических веществ в выделившихся продуктах,

- суммарное газовыделение с единицы поверхности или из массы каждого материала во времени.

 

15.7.  Испытания по определению длительной стойкости неметаллических материалов в  

          среде сухого воздуха.

 

1. Целью испытаний является определение изменения физико-химических и механических свойств материалов после длительной их выдержки в указанных условиях. Испытанию подвергаются материалы, находящиеся в сухих отсеках изделия.

2.  Испытания проводят в камерах, в которых поддерживается необходимый температурно-влажностной режим с временем выдержки соответствующим времени эксплуатации, и в частности, времени между регламентными работами на изделии.

3. Перечень физико-химических и механически испытаний до и после экспозиции определяется классом испытываемых материалов.

 

15.8.  Методический подход в ускоренных испытаниях на старение полимерных

           материалов и деталей из них

 

1. Цель испытаний состоит в оценке влияния на работоспособность материалов температурно-влажностного режима, имитирующего реальные условия окружающей среды, путем измерения контролируемых их свойств.

2. Стабильность свойств материалов  при заданных условиях эксплуатации определяется энергией активации процесса старения, которую рассчитывают по результатам экспериментальных данных какого либо контролируемого параметра материала. Этот параметр выбирают из числа одного из эксплуатационных показателей, определяющих работоспособность конкретной полимерной детали.

3. Испытания по определению изменения контролируемых параметров проводят не менее, чем при трех выбранных температурах. За максимальную температуру принимают на 293 К (20оС) ниже температуры размягчения испытуемого материала, определяемой по ГОСТ 12021 – 75. Для термореактивных материалов берут за основу температуру отверждения, определяемую также по этому ГОСТ. За продолжительность испытаний принимается время, в течении которого контролируемый параметр снижается на 25% от его исходного значения.

4. Полученные экспериментальные данные по снижению контролируемого рабочего параметра  наносят на график  в системе координат  [ К – τ] при температурах Т1 , Т2 , Т3, где:

  К = Р/Ро – коэффициент изменения выбранного параметра, τ – время испытаний. На графике проводят прямую, параллельную оси абсцисс, показывающую уровень снижения контролируемого параметра. На этом уровне каждому значению К соответствуют значения температур Т1 , Т2 , Т3    . и продолжительности экспозиции  τ1,   τ2,  τ3.

 

                          К

                                                                                                   Заданный уровень снижения

                                                                                                                                        параметра К

 

 

                                                                                                                                             К = f ( τ1) при Т1

                                                                                                                      

                                                                                                                                                                          К = f2) при Т2

 

                                                                                                                                             К = f3) при Т3

 

 

 

                                                                            τ1           τ2                   τ3                         τ

 

 5. Для расчета энергии активации Е разработчик сборочной единицы определяет или задает допустимый уровень снижения контролируемого параметра. При отсутствии допустимого предела принимается падение этого показателя на 25% и 50%. Энергию активации или температурный коэффициент снижения контролируемого параметра определяют по тангенсу угла наклона прямой, путем графического изображения зависимости продолжительности сохранения контролируемого параметра от температуры в координатах :

                                                         τ1                 1                 1

                                             n   =            -   (           -              )             …………..(15.8.1Ф)

                                                 τ2                 Т2           Т2

или рассчитывают  по уравнению:

                                                              τ1

                                                      n 

                                      Е                     τ 2                                      …………..(15.8.2Ф)   

                                               =   

                                      R             1/ Т1 – 1/Т2

 

6. Зная температуру и влажность имеющие место при эксплуатации и энергию активации, определяют долговечность материала в этих условиях. Для этого используют уравнение  15.8.1Ф.

7. Для проведения стендовых ускоренных испытаний на старение деталей из полимерных материалов используют данные по долговечности материалов, входящих в эти детали. При назначении режимов испытания деталей на старение необходимо принимать во внимание энергию активацию всех материалов, входящих в состав испытываемых деталей. Расчет длительности испытаний производят по минимальному значению полученных энергий активации, отвечающему наибольшей продолжительности воздействия температуры. В отдельных случаях при большом расхождении значений Е допускается проводить испытания раздельно по элементам изделия.

8. Время ускоренного испытания при повышенных температурах относят ко времени натурной эксплуатации при которой допускается изменение параметра, полученного при ускоренных испытаниях, тем самым получают коэффициент А пересчета продолжительности ускоренных испытаний применительно к натурным условиям эксплуатации :

                                                       τускр. при Т ускор

                                           А    =                                                                       ………….(15.8.3Ф)

                                                       τэкспл.при Тэкспл.

15.9. Исследования по образованию и осаждению механических примесей в АЖ.

 

1. Целью испытаний является изучение образования механических примесей, их осаждения а также дисперсного и химического их состава, влияющего на работоспособной самой АЖ и тех агрегатов для которых она предназначена, которое проводится путем лабораторных, стендовых и натурных испытаний.

2. Лабораторные и стендовые испытания, применительно к изучению механическим примесям, проводятся в модельных емкостях, заполняемых АЖ, изготовленных из тех же материалов и по той же технологии, которые используются при изготовлении штатных изделий.

3.В результате испытаний по п.2 в механических примесях определяются: размеры, количество, дисперсный и химический состав, кинетика нарастания в АЖ нерастворимых солей при ее контакте с материалом емкости, в которой она содержится, скорость осаждения, условия, при которых возможна коагуляция и укрупнение осевших частиц, степень очистки АЖ после фильтрации различными фильтрами.

4.В процессе испытаний по п.2 отбирают пробы АЖ с разных уровней экспериментальной емкости, содержащей  АЖ, которая сливается после экспозиции через фильтр с отбором оставшихся мехпримесей для анализа.

4.  Для ускоренного определения склонности к коагуляции механических примесей допускается метод центрифугирования отобранных проб АЖ с мехпримесями, а количество и размер твердых частиц считается под микроскопом в нескольких полях зрения. Химический состав примесей определяется химическими анализами, а также  масс и рентгеноскопией.

5. При натурных испытаниях изделий, содержащих АЖ, при их сливе вначале отбираются первые порции сливаемой АЖ и из нее отбираются пробы для проведения анализов согласно данного раздела, на основании результатов которых производится уточнение результатов, полученных в процессе лабораторных и стендовых испытаний.

 

15.10. Определение коэффициента диффузии АЖ через металлические материалы.

 

1. Целью испытаний является определение возможности и величины диффузионного проникновения АЖ через качественный металл при длительном ее нахождении в емкостях в естественных условиях эксплуатации, путем проведения лабораторных испытаний.

2. Определение диффузионной проницаемости проводят при исследовании образцов сплавов или образцов вырезанных из штатных сборочных единиц изделий, бывших в контакте с АЖ не менее 6 месяцев. Образцы используются из сплошного метала, сварных швов и околошовной зоны. Площадь одного вида образцов должна составлять не менее 0,01 м2.

3. Количество АЖ, продифундировавшего в глубину металла определяют следующим образом:

- определяют количество АЖ, сорбированного на поверхности образца путем его выдержки его в поглотительном растворе с последующим химическим анализом поглотительного раствора на содержание в нем АЖ,

- производят последовательное снятие с образца металла толщиной от 2 до 5 мкм путем его травления с последующим химическим анализом полученного раствора на содержание в нем АЖ.  до полного отсутствия следов АЖ в растворе со снятым слоем металла,

- общее количество продифундировавшего вещества в глубину металла определяют суммированием результатов анализа всех снятых слоев, а по их количеству определяют глубину проникновения АЖ в металл.

4. Величину коэффициента диффузии Д, м2/сек, в металл рассчитывают по следующей формуле:

                                                          М2 π

                                            Д  =                                                                ……………(15.10.1Ф)

        где:                                          S2 Cо τ

   М – масса вещества продифундировавшего в метал за время τ, кг,

   S – площадь поверхности , через которую диффундирует вещество , м2,

   Со – концентрация диффундирующего вещества в поверхностном слое металла, кг/м3,

 Время проникновения вещества определяют по формуле:

 

                                              τ     =       2                                   ………………(15.10.2Ф)

                                                            2Д А22

где: ℓ - толщина стенки, м,

        А = 1 – Схо - опытная величина,

        Сх – концентрация продифундировавшего вещества на глину  Х , кг/м3

 

15.11.  Определение эквивалента проницаемости АЖ через микроканалы

 

1. Целью испытаний является определение эквивалента проницаемости К, определяющий сотвествие между количеством проникшего вещества через микроканал с потоком контрольного газа, проходящего через этом микроканал при проверке изделия на герметичность и имеющего данный микроканал.

2. Коэффициент К определяется по следующей форм

                                            К = Q1/Q2                                                      ………….(15.11.3.Ф)

  где:  Q1- расход АЖ через микроканал, кг/c

           Q2 – поток контрольного газа через микроканал, Вт ( л.мк.рт. ст./с)/

2. Определение эквивалента проницаемости производят экспериментально-статистическим путем при соблюдении формы микроканала в эксперименте, соотвествущей форме реальных микроканалов, образование которых возможно в контролируемом изделии. Образец для имитации микроканала в сварном шве изготавливают путем варки шайбы диаметром 10 – 15 мм в жесткий цилиндрический стакан диаметром 30-50 мм. В этом случае в кольцевом сварном шве сварки шайбы  в жесткое дно металлического стакана возникают большие внутренние напряжения, за счет чего в сварном шве возникают микротрещины, по форме соответствующие реальным дефектам в сварных швах.

 3. В процессе испытаний имитатор течи, изготовленный согласно п.2, помещают в приспособление, в котором имеется две замкнутые полости. В одну из них подается АЖ, а во вторую происходит натекание и накопление истекаемого АЖ через микроканал, который анализируется химическим или колориметрическим способом.

4. Образец выдерживается не менее 20-30 дней с АЖ под давлением, соответствующим штатному давлению, а количество проникшего вещества через микроканал берется суммарное за все время выдержки.

 

15.12.  Проведение испытаний по определению  длительной прочности и ползучести

 

1. Целью испытаний является определение длительной прочности и ползучести сплавов, используемых для изготовления изделий, эксплуатируемых в заданных условиях и сроках службы путем проведения лабораторных и натурных испытаний.

2. Длительную прочность и ползучесть  при лабораторных испытаниях определяют на стандартных образцах в соответствии с ГОСТ 10145 – 81 и ГОСТ 3248 – 81 при нескольких уровнях напряжений и температур. На основании полученных данных, используя принятую параметрическую зависимость, определяют длительную прочность и ползучесть для заданных условий эксплуатации и ее продолжительности.

3. Натурным испытаниям подвергаются образцы, вырезанные из модельных сборок или штатных изделий, проходящих коррозионные испытания или со снимаемых с эксплуатации для периодической дефектации.

 

4. При коррозионных испытании модельных сборок замер деформаций обечаек рекомендуется производить либо гибким тросом, охватывающим ее периметр с установленным на нем измерительным лимбом, или индикаторами, расположенными  в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Для дистанционного снятия показаний с индикаторов необходимо снабжать их чувствительными элементами, реагирующими на перемещение стержня индикатора.

 

15.13.  Проверка герметичности сборочных единиц  изделия с АЖ при стендовых и натурных испытаниях.

 

1. Целью испытаний является проверка и установление фактической герметичности сборочных единиц, заполненных АЖ при стендовых и натурных испытаниях при их совмещении с коррозионными испытаниями, по результатам которых оценивается эффективность конструктивно-технологического выполнения изделия.

2. Заполнение модельных сборок АЖ при стендовых испытаниях производится с сохранением соотношения паровой и жидкой фазы, соответствующим натурным объемным условиям и давлениям паровой подушки.

3. Контролируемые места на герметичность  модельных сборок оборудуются местными объемами натекания, в которых периодически замеряется наличие проникших в них паров АЖ. Объем натекания должен иметь два штуцера для отбора проб на анализ либо методом продувки, либо методом вакуумирования. С целью фиксации начала появления паров АД, внутрь объема натекания целесообразно установить высоко чувствительный датчик загазованности для данного вида АЖ с чувствительностью  1.10 -7 – 1.10-6  кг/м3, что соответствует 0,0001-0,005 мг/л.

4. При отборе проб методом продувки один штуцер подсоединяют к поглотительному прибору, а продувку ведут с расходом азота от 3.10-6 до 7.10-5 м3/с (0,2 – 4 л/мин). Количество продуваемого азота должно обеспечивать не менее трех – пятикратный обмен среды в контролируемой полости.

5. При отборе проб методом вакуумирования к контролируемому объему подсоединяют заранее отвакуумированную емкость до давления от 0,133 до 1,33 кПа, в которую залит поглотительный химический реактив, после активного встряхивания его поглотительный раствор анализируют на содержание в нем АЖ.

 

15.14  Исследование коррозионной стойкости  изделия при хранении с несливаемыми

           остатками АЖ и после частичной нейтрализации.

 

1. Целью настоящих испытаний является определение коррозионного состояния изделия на предмет дальнейшего его использования по соответствующим назначениям путем проведения стендовых и натурных испытаний.

2. Стендовые испытания проводят на модельных сборках, предварительно заполненных АЖ с последующим удалением из них АЖ, с оставлением в них не сливаемых остатков АЖ и дальнейшего хранения сборки с остатками АЖ, после чего остатки сливают, а сборку дефектируют. Аналогичной дефектации подвергаются сборки после проведения их частичной нейтрализации, а также штатные изделия.

3. Приведенные рекомендации относятся к тем АЖ,  у которых химический состав паровой и жидкой фазы одинаков. При их различие испытания проводятся раздельно для паровой и жидкой         фазы АЖ.

 

15.15. Определение фактического состава газовой среды в замкнутых полостях

            изделия в  процессе эксплуатации

 

1. Целью настоящих испытаний является определение фактического состава газовой среды

для оценки его влияния  на работоспособность аппаратуры и материалов. находящихся в данной полости, а также на работоспособность датчиком дистанционного контроля загазованности СДКЗ.

2. Определение газового состава производят на штатных изделиях, находящихся на эксплуатации, путем отбора проб из замкнутых полостей во время проведения на них регламентных работ. Отбор проб осуществляется путем прокачки анализируемого воздуха через поглотительный раствор с последующим его анализом на хроматографе.

 

15.16. Методика расчета допустимых норм герметичности полостей заполняемых АЖ.

 

1. Целью расчета является определение норм контроля герметичности сборочных единиц при их изготовлении в зависимости от принятых допустимых норм герметичности изделий при их штатной эксплуатации

2.  Экономически и технически наиболее целесообразно изготавливать изделия с такой степенью герметичности, которая в принципе допускала бы возможность проникновения АЖ из емкостей в определенных количествах за весь срок эксплуатации изделий, и которые не оказывали бы отрицательное воздействие на изделие и его безопасность. К таким воздействиям относятся:

- коррозионное поражение материалов и аппаратуры,

- образование взрывопожароопасных концентраций паров АЖ в воздухе,

- недопустимая массовая потеря АЖ.

3. По принятому наиболее опасному фактору определяется количество возможно допустимого количества истекаемого АД в каждый из изолированных объемов изделия. Для наиболее ответственных изделий и наиболее опасных АЖ можно принять в качестве допустимой величины, образование в воздушной среде замкнутого объема концентрации паров АЖ не превосходящих их санитарной нормы за все время эксплуатации, если они не вскрываются, или межрегламентного периода.

4. Величина допустимой нормы герметичности Qдоп., Вт (л.мк.рт.ст./с)  определяется согласно формулы:

                                                      Q доп. = М/К τ                                ………..(15.16.1Ф)

 

где:  К – эквивалент проницаемости АЖ, кг/Дж (гр/л.мк. рт.ст.),

         М – допустимая масса натекания АЖ, кг.

          τ – время натекания АЖ, с

4. Допустимая масса натекания АЖ в сухой отсек определяется выражением:

 

                                      М = ∆ Мконц. + ∆Мс  + ∆Мв                                             ………..(15.16.2Ф)

где:

        ∆Мконц. – масса АЖ, идущего на создавшие концентрации чистого продукта в отсеке, кг,

        ∆Мв      - масса АЖ, вступающая в реакцию с кислородом и влагой воздуха, кг,

        ∆Мс      - масса АЖ, сорбируемого поверхностью отсека и аппаратурой находящейся в

                        нем,кг

5. Величина допустимой суммарной герметичности по контрольному газу Qдоп. для отсека определяется из выражения (15.16.Ф) и рассчитывается по следующей формуле:

 

                          Qдоп.  = Сдоп.( VсS + КвVτ)/ К τ                                     ……….(15.16.3Ф)

где:

        Сдоп. – допустимая концентрация АЖ для данного сухого отсека, кг/л,

         Кс    - коэффициент сорбции, л/м2,

         V     -  объем сухого отсека, м3 ,

          S     - площадь внутренней поверхности в отсеке, м2,

          Кв   - коэффициент взаимодействия АЖ с кислородом  и влагой воздуха, с-1

 Коэффициенты, входящие в данное выражение, определяются экспериментально.

6. Полученная величина суммарной герметичности отсека распределяется пропорционально площадям входящих в него агрегатов, находящихся под воздействием АЖ и суммарной длины сварных швов, выходящих в данный отсек.       

 

15.17.  Методика расчета необходимого количества сорбента для осушки закрытых

            отсеков изделия.

1. Целью расчета является определение необходимого количества сорбента для поддержания требуемой влажности в  отсеках изделия.

   Количество влаги Wос, кг, которое должно быть поглощено сорбентами – осушителями, определяют из уравнения материального баланса влагосодержания в отсеке:

 

                                         Wос    =  Wвн  ±  Wматер. - Wвозд               ………………..(15.17.1Ф)

где:     Wвн. – внешнее поступление влаги в отсек, кг,

            Wматер. – суммарное влагосодержание материалов в отсеке, кг,

             Wвозд. – требуемое влагосодержание в отсеке, кг.

 

2. Количество сорбента – осушителя Qос., кг, необходимое для поглощение влаги Wос. определяют по формуле:

 

                                       Qос. = Wос./ (αравнов. – αнач.) γ                        …………….(15.17.2Ф)

где:

            αравнов. – равновесное начальное влагосодержание, %

            αнач.     начальное равновесное влагосодержание осушителя, % 

            γ           - относительная величина адсорбции данного сорбента, %.

3. При расчете влажностного режима в отсеке принимают следующие допущения:

- влагосодержание воздуха равномерное по всему объему отсека,

- источники возможного внешнего влагопоступления расположены равномерно по всему объему отсека,

- влагоемкие материалы, располагающиеся внутри отсека, приходят в равновесное состояние за время от 30 до 45 суток, происходящее при соответствующем изменении относительной влажности в отсеках,

- конденсированная влага на наружной поверхности отсека находится примерно в течение 9 месяцев в году,

- капилляры в уплотнительных соединениях наружного контура отсека являются прямолинейными, равномерно расположены вдоль стыков и имеют сечения треугольной формы, равной по высоте микронеплотностей профиля привалочных плоскостей. Шероховатость микронеплотностей определяется согласно ГОСТ 2789 – 73.

 

15.18.  Методика расчета количества сорбента для поглощения газового фона в отсеке

 

1. Целью расчета является определения необходимого количества сорбента для поглощения недопустимого газового фона в замкнутых объемах изделия в процессе эксплуатации.

2. Для поглощения газового фона рекомендуется использовать комбинированный сорбент, представляющий собой смесь 90 % по объеме активного угля СКТ и 10 % активного угля АГ-3 по ГОСТ 20464 – 75, обработанного 8% раствором перманганата калия.

3. При расчете необходимого количества такого сорбента, его минимальную сорбционную емкость  по газовому фону принимают равной α = 1% при равновесной концентрации газового фона в статическом режиме поглощения менее 1.10-7 кг/м3. Толщина работающего слоя сорбента, при которой используется весь его объем, составляет d = 5 мм. Допускается увеличивать толщину сорбента до 10 мм, при условии обеспечения доступа газовой смеси с двух сторон  к поверхности сорбента. При этом установку сорбционных устройств необходимо производить  с зазором 20-30 мм от стенки отсека.

4. Определение необходимого количества сорбента m, кг, для поглощения газового фона за весь период эксплуатации производят по формуле:

 

                                        m  = 100 Смах Vк τ α-1                                  …………….(15.18.1Ф)

где:

         С мах. – суммарная концентрация газового фона в отсеке, кг/м3,

          Vк  - свободный объем отсека, м3,

           α   - минимальная сорбционная емкость сорбента, %

           τ    - время эксплуатации сорбционного устройства, с.

5. Площадь рабочей поверхности  S, м2, сорбента, обеспечивающей наиболее эффективное его использование при статическом режиме поглощения, определяют по эмпирической формуле:

 

                                          S  = m К Vк / χ  h                                          ……………..(15.18.2Ф)

где:

         m = масса сорбента, кг,

        χ  = 385 – насыпная плотность сорбента, кг/м3,

          h  - толщина работающего соя сорбента, м,

          К = 0,025 – 0,03 экспериментальный коэффициент, характеризующий поглощение

                 газового фона в закрытом объеме в статическом режиме.

 

 

     

15.19  Выводы по главе

 

1.   В данной главе изложены рекомендации по проведению испытаний, по которым отсутствуют ГОСТы или какие либо систематизированные сведения в литературе. Данные рекомендации являются результатом обобщения многолетней практики проведения подобных испытаний в ЦКБМФ1 – КБ «Салют»

 

 

 

 

 

 

 

О Б Щ И Е    В Ы В О Д Ы

 

                                               Р а з  д е л   п е р в ы й

 

                                                   Д Е Т О К С И К А Ц И Я

 

1. Рассмотрен состав материаловедения и предложено в фундаментальной науке о материаловедении выделить в ней макроструктурное, композиционное и наноструктурное материаловедение, в каждом из которых предлагается рассматривать  ВИДЫ органического и неорганического материаловедения, каждое из которых, состоящих из следующих РАЗДЕЛОВ: производственное, прикладное, технологическое, конструкторское и эксплуатационное материаловедение.

2. Производственное материаловедение изучает процессы и способы получения материалов из различных веществ для практического использования в соответствующих различных видах и разделах материаловедения.

3. Прикладное материаловедение занимается специфическими вопросами использования матреалов в различных областях техники, и составляет объем, например, авиационного, ракетно-космического, реакторного, медицинского и других видов материаловедения.

4. Технологическое материаловедение изучает влияние технологических процессов на свойства материалов, конструкторское изучает взаимное влияние материалов и конструкции, эксплуатационное изучает влияние условий эксплуатации на свойства материалов.

5. Отмечается произошедшее открытие новой формы строения вещества в виде НАНОСТРУКТУРНОГО вещества,  у которого размеры и свойства  молекул принципиально отличаются от молекул обычного вещества, состоящего из атомов одних и тех же химических элементов, которое предлагается определить, как МАКРОСТРУКТУРНОЕ вещество в отличие от наноструктурного вещества.

6. Предложен многофакторный подход в конструкторском материаловедении, согласно которому  изделие рассматривается, как сложная техническая система,   состоящая из твердых, жидких и газообразных сред, находящихся  в постоянном взаимодействии между собой, и постоянно подвергающаяся воздействию внутренних и внешних факторов.  Предложена структурная модель состава изделия с выделением отмеченного взаимодействия, в которой выделены среды, как предметы изучения и входящие в них элементы, включая границы их раздела

7. Применительно к внешним воздействиям на изделия приведены данные по гостированной классификации климатических и природных факторов с их районированием по природным зонам.

8. Приводятся основные сведения из новой науки АНТРОПОГЕНИКИ, изучающей влияние производственной деятельности людей на окружающую среду и на самого человека и показывается  необходимость все большего учета ее сведений при создании изделий, эксплуатирующихся в составе природной среды.

9. Приводятся данные о загрязнении внешней среды выбросами от производственной деятельности, имевшими место на начало выполнения данной работы в середине 70-х годов, и показывается, что имевшиеся тогда суммарные общемировые выбросы вредных веществ увеличились  в два раза  - от 12,5 мирд. т. в год  до  25,5 мирд.т. к  2009 году.

10. Приводятся сведения о существовавших в середине 70-х годов нормах допустимых вредных выбросов по основным промышленным странам, и показывается, что такие нормы в СССР были тогда наиболее жесткие по сравнению с другими странами.

11. Показывается, что в продуктах сгорания топлива АТ и НДМГ содержится наименьшее количество токсичной окиси углерода по сравнению с парой топлива кислород с керосином и твердосмесевыми топливами у которых содержится осоответсвенно окислов углерода : 2,68 %; 24,11% и 78,0%.

 

12.  Сформулированы и определены основные принципы и введено определение ДЕТОКСИКАЦИИ ракет на жидких токсичных компонентах топлива, исключающих  или существенно снижающих загрязнение окружающей среды последствиями эксплуатации таких ракет.

13 Реализация принципов детоксикации на РН «Протон –М» позволила сократить разброс фрагментов  первой ступени, при их падении после окончание  работы ступени, с площади 16х30 км. до 30х80 м, а загрязнение почвы гептилом сократить в 40 раз в месте их падения по сравнению с РН «Протон-К». Имея наименьшее количество вредных выбросов в продуктах сгорания по сравнению со всеми другими ракетами, РН «Протон» должен эксплуатироваться длительное время наряду с разрабатываемым РН «Ангара», как наиболее эффективное и безопасное  средство утилизации накопленного гептила.

 

                                                      Р а з д е л   в т о р о й

 

                                                    А М П У Л И З А Ц И Я

 

14. Приводится кратка историческая справка о создании первой ампулизированной ракеты УР-100 (8К84) с приложением копий рассекреченных государственных документов о начале ее разработки.

15. Сформулированы принципы и содержание внутренней ампулизации ракеты, а сама

А М П У Л И З А Ц И Я   определена, как комплекс конструктивно – технологических и эксплуатационных мероприятий, обеспечивающих ее длительную и надежную эксплуатацию в течение заданного срока службы, который определялся в 7-10 лет для ракеты УР-100.

16. Во исполнение специального Постановления ЦК и СМ СССР, о необходимости гарантированного обеспечения ракете УР-100 срока службы 7 – 10 лет, разработан, под руководством автора предписывавшийся к составлению, межведомственный план экспериментально-исследовательских работ по разработке ампулизации ракеты УР-100,  который был утвержден Решением ВПК СМ СССР  в 1964 году В него вошло 210 тем, выполнявшихся шестнадцатью НИИ и КБ четырех министерств,  реализация которых позволила семейству ракет УР-100 находиться бессменно на эксплуатации более 31 года без единого отказа при ежегодных контрольных пусках дежуривших изделий.

17. В части внешней ампулизации рассмотрен и определен  температурно-влажностной режим максимально упрощенной не отапливаемой и не вентилируемой шахты ракеты, а также экспериментально установлен влажностной режим наружной поверхности контейнера в таких шахтах, расположенных в различных климатически районах страны.

Определен необходимый влажностной режим в контейнере, обеспечивший отсутствие на изделии атмосферной коррозии  и метод его поддержания в межрегламентный период в течение  всего срока эксплуатации.

18. Обеспечение длительной герметичности топливных трактов ракеты определено, как основное мероприятие применительно к внутренней ампулизации ракеты. Сформулирован объем проведения необходимых исследований в этом направлении, реализация которых позволила создать практически герметичные ракеты и предотвратить загрязнение полости контейнера ракеты и окружающей среды опасными жидкими компонентами ракетного топлива.

19. Проведено теоретическое и экспериментальное исследование процессов истечения АТ и НДМГ через микрокапилляры, с использованием специально разработанных имитаторов натурных течей в сварных швах, которое показало следующее.

     Истечение АТ происходит с убыванием во времени вплоть до полного прекращения при относительной влажности окружающего воздуха не более 30%. При влажности более 40% течи раскрываются и возрастают по сравнению со своей первоначальной величиной.

   Истечение НДМГ также происходит с убыванием с постоянно остающейся величиной равной 5% от первоначальной и не зависит от влажности окружающего воздуха.

20. Установлены экспериментальные коэффициенты перехода от истечения компонентов к истечению воздушно-гелиевой смеси при контроле герметичности в производстве, которые составили для АТ – К = 1.10-6 г/л и для НДМГ – К = 1.10-7 г/л.

21. Разработан экспериментально-статистический метод расчета норм герметичности топливных трактов и величины чувствительности средств контроля их герметичности в производстве, составившей удельный поток воздушно-гелиевой смеси для единицы длины сварных швов равный qуд. = 1.10 -7 л.мк.рт.ст./сек.cм.

22.  Проведено исследование процессов осадкообразования твердых механических примесей в компонентах, происходящих на складах, при транспортировке и в баках ракеты, которые могли повлиять на работу двигателей, и показано, что укрупнение  и коагуляция  осевших частиц не происходит.  Содержание мехпримесей в средних пробах компонентов  составляет 1-2 г/т, а в первых 17 л. компонента, идущего на завязку процесса, мехпримесей содержится 0,2 г/т, при допускаемых 1 г/т, что не повлияло на работоспособность двигателей.

23. При удалении 60%  окислителя из бака, в остающейся части продукта начинают расти технологические примеси и в остающейся части продукта, после слива 97-98%, технологические примести возрастают до 6,6%, при 1% допустимых, что существенно повышает их коррозионную активность и их необходимо надежно удалять.

24. Экспериментально показано, что сплавы АМг6, АМг5, 1Х12,ЭИ-654,1Х18Н9Т коррозионно стойки в кондиционных компонентах топлива, их коррозия не является электрохимическим процессом и представляет собой химическую коррозию, не превышающую 1.10-5 мм/год. Агрегаты ПГС сохраняют свою работоспособность после длительного хранения с компонентами, за исключением пружин блоков разъемов из стали 3Х13,которые были заменены на сталь 1Х18Н9Т.

25. Изучено влияние технологических факторов на коррозионную стойкость сплава АМг6 при длительном контакте материалов бака с компонентами и установлено, что влияния не оказывают 2-х кратная подварка сварных швов, их прокатка и сварка в два прохода, но оказывают влияние не снятый проплав и продолжительный технологический нагрев. При напряжениях в конструкции ниже 23 кг/мм2 коррозионного растрескивания не происходит.

26. Разработана методика экспериментального изучения и определены коэффициенты диффузии АТ в сплав АМг6 в качественном металле по границам кристаллической решетки, который составил Д = 1,3 – 1,55.10-13 см2/сек.

27. Экспериментально изучен процесс адсорбции компонентов на поверхности сплава АМг6 и показано, что она не является простой физической сорбцией, а носит преимущественно характер химической сорбции и простая продувка при нейтрализации не удаляет весь сорбированный продут, в результате чего разработана методика нейтрализации путем озонирования.

28. Изучена длительная прочность сплава АМг6 при нахождении образцов в воздушной среде на базе 100000 часов, которая составила 36 - 37 кг/мм2 для сплава АМг6-Н и 29-30 кг/мм2 для сплава АМг6-М.

29. Разработаны требовании и структура построения двухканальной системы дистанционного контроля загазованности (СДКЗ) ракет на дежурстве и определены необходимые пороги чувствительности ее датчиков по парам АТ и НДМГ, необходимых в каждом из каналов, один из которых выдает сигнал о появлении загазованности, начиная с санитарной нормы, а второй выдает сигнал о наступлении коррозионного поражения наиболее слабого звена изделия от воздействия паров компонентов выше санитарной нормы.

30. Исследовано газовыделение из неметаллических материалов изделия  в полость контейнера и показано, что многочисленные ложные срабатывания датчик СДКЗ по гептилу происходили от наличия большой концентрации паров органических веществ в контейнере и разработан специальный комбинированный сорбент для их поглощения, состоящий из 90% активированного угля АГ-3 и 10% угля СКТ, обработанных 8% раствором пермангата калия.

31. Проведен краткий обзор  результатов длительной эксплуатации изделий, состоявший из двух периодов:  первый - за четыре года начальной эксплуатации, когда изделия теряли герметичность и заменялись на новые и за второй период - наступивший  после первого периода  и продолжающийся по  настоящее время.

32. За первый период эксплуатации потеряли герметичность 12 изделий, 9 из которых находились на эксплуатации в течении различного времени дежурства от 4-х месяцев до четырех лет и были заменены на новые, а остальные изделия проходили в те годы различные виды стендовых и натурных испытаний.

 33. За первые четыре года эксплуатации до  1970 года, потеряли герметичность семь изделий, а в 1970 году потеряли герметичность за один год сразу пять изделий, находившихся на дежурстве, и это вызвало крайнюю озабоченность. Для изучения причин потери герметичности и разработки рекомендаций для их предотвращения в последующем, была создана Межведомственной комиссия из специалистов четырех министерств.

34. Межведомственная комиссия, под председательством автора, состояла из 58 специалистов, разбитых по трем подкомиссиям:

Подкомиссия № 1  под председательством Щастливого В.А.- исследование мест негерметичностей на изделии и анализ методов контроля герметичности,

Подкомиссия №  под председательством Кузнецова Г.Г. - определение времени и причин появления течей и их микроструктурное исследование.

Подкомиссия № 3  под председательством Серегина В.Н. – анализ директивной документации, а также качества оборудования и процессов сварки и контроля герметичности на серийных заводах ЗИХ, ОРМЗ, ОМЗ и ВМЗ.

35. Проведенные исследования МВК показали, что негерметичности всех изделий носят производственный характер, кроме одного случая, и явились следствием появления дефектов, обусловленных некачественным выполнением тех или иных технологических процессов, которые не были устранены на изделиях, и они поступили с   не устраненными дефектами в эксплуатацию. Их появлению также способствовало отсутствие в то время в отрасли ряда технологических нормативных руководящих материалов.

36.  В  упоминавшемся случае было выявлено наличие  горячей  микротрещины в околошовной зоне сварного шва аустенитной стали  1Х18Н9Т, заполненной медью, которая попала в эту зону при сварке от медесодержащих элементов, находящихся в зоне дуги, при некоторых нарушениях сварочного процесса. Медь в микротрещине разъелась со временем под воздействием окислителя,   течь раскрылась,  и изделие потеряло герметичность. После выданной рекомендации МВК все сварочные автоматы на заводах отрасли были доработаны и медесодержащие детали были удалены из зоны дуги автомата.

37. МВК разработало 90 рекомендаций, которые были реализованы и после этого ни одно изделие за все последующие годы эксплуатации не потеряло герметичности. Количество рекомендаций по направлениям распределилась следующим образом: сварка – 12, контроль герметичности – 16, оргвопросы – 17, проведение дальнейший НИР – 22, эксплуатация – 10, конструкция перспективных изделий – 13.

38. МВК отметила отсутствие в отрасли нормативных документов по: контролю герметичности,  методам расчета  норм герметичности и осушке изделий перед контролем герметичности, по которым затем были разработаны соответствующие ОСТ,ы. Кроме того, была выдана рекомендация о необходимости ежегодного снятия с эксплуатации изделий на дефектацию и для пуска с целью определения фактического состояния изделий на предмет определения возможности и сроков дальнейшей их безопасной эксплуатации.

39. В 1972 году, под руководством автора, были разработаны программы дефектации корпуса 15С300  ракеты УР-100, по которым дефектация проводится и поныне, но автор к этим работам не привлекался и обратился к ним спустя 35 лет при написании данной работы, с тем, что бы оценить и сопоставить, то что было сделано ранее при разработке методов и средств ампулизации, с тем, что было выявлено при многолетней дефектации таких изделий.

40. В КБ «Салют» не представилось возможным найти обобщающие итоговые отчеты по всем вопросам, предусмотренным программами дефектации. Имеются собранные отдельные заключения по тем или иным вопросам, в которых отмечается, что контролируемые параметры не выходят за пределы допустимых величин, по которым не представилось возможным оценить динамику их изменения даже в пределах допусков, поскольку при этом может выявиться ряд важных моментов, как это происходит со свойствами сплава АМг6, из которого изготовлены баки.

41. При испытании образцов этого сплава, вырезанных из баков ракет снимаемых с эксплуатации, начиная с 19 лет и по 31 год дежурства, получены данные по его свойствам, приведенные в нижеследующей таблице.

 


               Показатель     АМг6 – Н                    АМг6-М          %           %     

                                         

                                      19             31              19          31            Н          М 

               σв кг/мм2       39,2          41,0          35,4       40,1      + 4,8     + 13,5

               σ02 кг/мм2     27,5          26,0             -             -          - 6,5          -

               δ %             16,0         13.8             -             -          - 11,5        -

               σсв. шва             34,8           36,1            -              -         + 6,5        -  

 


42. Из приведенных данных в таблице следует, что длительная прочность материала растет, а пластичность его существенно падает и находится ниже установленной необходимой ее величины равной 29 кг/мм2,  о чем имеется заключение, что такое снижение не имеет существенного значения. Из многочисленных практических и литературных данных известно, что длительная прочность металлов снижается, в то время, как в данном случае она растет и это требует своего теоретического и экспериментального изучения, особенно влияния снижения пластичности при работе баков на устойчивость.

43. Следует отметить, что при дефектации не контролируется загазованность в изолированных полостях и чистота баков, а отсутствие динамики изменения ползучести сплава в зоне приварки шпангоутов к обечайкам, является существенным упущением, поскольку наличие недопустимой ступеньки в этом месте может существенно повлиять на прочность баков при сжатии. Недостаточно изучается поведение сплава днищ АМг6- М

44. Краткое рассмотрение имеющихся некоторых документов по результатам дефектации показывает, что ее проведение и оформление получаемых результатов с их анализом, требует существенного улучшения, поскольку изделия приближаются к своему критическому сроку эксплуатации и к выдаче заключений о возможности их дальнейшей эксплуатации должно быть уделено повышенное внимание.

 

Р а з д е л    т р е т и й

 

М Е Т О Д И Ч Е С К И Е    Р Е К О М Е Н Д А Ц И И

 

по проведению расчетов и испытаний материалов и сборок на стойкость к

воздействию внешних и внутренних факторов

 

45. Излагается методический подход, а также определяется состав и тематика  проведения  конструкторских испытаний материалов, в которых выделяются лабораторные, стендовые и натурные испытания.

 

46. Приводится состав определяемых свойств и виды проводимых испытаний металлов, неметаллическим материалов, а также масел и смазок,  в которых приводятся рекомендуемые ГОСТ,ы для их проведения, а также по некоторым видам испытаний, на проведение которых отсутствуют ГОСТ,ы, даются рекомендации  о том, что эти испытания необходимо проводять по методикам, определяемым разработчиком изделий. Количество ГОСТ,ов и методик, определяемых  разработчиком, приводится в нижеследующей таблице.

 


                            Наименование                                 ГОСТ             Методика

                                 материала                                   кол-во.              кол-во                                                                                         

                          1.  Металлы:

                             определяемые свойства                     8                        2

                              виды испытаний                                8                        5

                          2. Неметаллы 10 групп:

                               определяемые свойства                  30                      32

                                виды испытаний                             24                      22

                           3. Масла и смазки:

                             определяемые свойства                    12                         1  

                              виды испытаний                               16                      14

                                                                

                                                              И т о г о              98                      76   

 

 

47. Определяются необходимые виды стендовых и натурных испытаний на воздействие внешних и внутренних факторов, а также   определяется следующий объем таких испытаний: агрегатов – 7,  различных сборочных единиц – 14 и натурных изделий – 4 вида испытаний.

48. Помимо  отмеченных 76 необходимых методик испытаний, определяемых разработчиком, приводятся 17 методик, разработанных в ЦКБМФ1 и использовавшихся при проведении специфических исследований  по ампулизации, включающие такие вопросы, как методы расчета норм герметичности, определение сорбционной емкости материалов по парам КРТ, установления коэффициента пересчета величины истечения КРТ через микродефекты в сварных швах и по ряду других вопросов.

 

     З А К Л Ю Ч Е Н И Е

 

1.  Приведенный материал в данной работе и результаты  исследований, проведенных в 60-70 годах в ЦКБМФ1 – КБ»Салют», показал высокую эффективность разработанных и реализованных средств  детоксикации и ампулизации ракет на компонентах АТ и НДМГ и сделал такие ракеты наиболее эффективными и безопасными по сравнению с твердотопливными ракетами, а также с ракетами на паре кислород – керосин.

2.  Данную работу, совместно с приведенными в ней методиками испытаний, можно будет использовать при разработке новых ракет, которые должны будут прийти на смену стоящим на дежурстве, срок службы которых неизбежно будет исчерпан, можно надеяться не ранее 4-5 лет, за которые можно будет успеть разработать и испытать новые ракеты.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Загрязнение окружающей среды в США. Журнал МЭ и МО № 9 1974 г.

2. Развитие химической промышленности и охрана окружающий среды. Выпуск .6М.

    НИИТЭХИМ  1974 г.

3. Ю.В.Новиков  Загрязнение – враг живого. М. Московский рабочий 1975г.

4. Enviroumental Quolity 1972. The second Ahnual Report  of  the Countil for Enviroumental Qujlit  

     Wash/  1971

5. В.Д. Фокина Охрана окружающей среды в ФРГ. М. 1974г.

6. М.А.Голованова, Н.П.Коноплева Анализ и контроль загрязнения окружающей среды,

    обзорная информация. М. ЦНИИТЭИ 1976

7. «Simens» Zum Thema Amwelt 1974

8.  Grom F «Sinec Silent Spring» , 17 № 4  1974

9. К.В.Апаничев Проблемы окружающей среды и энергия природных ресурсов. М.

    ВИНИТИ  1974

10. «Niys and Yopug panot»  от 7.02.1977

11. М.А.Стыркович  Взаимодействие топливно-энергетического комплекса с окружающей 

      Средой. «Природа» № 4 1975

12. А.А.Горелов, А.Т.Шабалов Научно-технический прогресс и охрана природы. М. 1976

13. «Nene Zurcher Zeitung» 3. 1973

14. Economic Deportment Grow- Nill Pablication Company may  1983

15. Б.М. Смирнов Экономические проблемы  земли. «Успехи химических наук» том 117,

      Вып.2 М. «Наука»  1975

16. М. Дмитриев  Стратосферные полеты и озон. «Авиация и космонавтика» № 2  1977

17. Л.И.Кароль и др.  Численные модели глобального переноса  фреонов в атмосфере и

       оценка их влияния на стратосферный озон.  «Материалы Второй Межвузовской

       конференции по озону. М. 1977

18. «Авиационные двигатели»  № 6  ЦИАМ   1976

19 Изучение эмиссии вредных веществ с выхлопными газами авиадвигателей в

      имитированных полетных условиях. «Новее в зарубежном авиадвигателестроении»

       № 6   1976

20. В.В.Осечкин  разложение в следе самолета «Материалы Второй Межвузовской

       конференции по озону.  М. МГУ   1977

21. Л.И.Куракова  Беседы о природе, обществе и человеке. М. «Знание»   1975

22.  Aero Engenering   15 (1)  1956

23 В.К.Карраск, Н.Н.Миркин, Я.Б.Нодлеьман, Е.С.Кулага Исследование эксплуатации ракет

      носителей на загрязнение окружающей среды, разработка общих принципов

       детоксикации. ТО № 580 -77-837  ЦКБМФ1    1977

24. Исследование процесса разлета  КРТ при ударе ампул на землю и их горения

       Отчет № 580 – 75 - 352  ЦКБМФ1  1975

25. В.В. Лунин, Е.С.Кулага и др. Способ каталитического разложения гептила на  

       нетоксичные продукты. Авт. свидетельство на изобретение № 115566  1976

26. В.В.Лунин, Е.С.Кулага  Катализатор разложения гептила на нетоксичные продукты . Авт.

       свидетельство на изобретение  № 123883  1978

27. Е.С. Кулага  От самолетов к ракетам и космическим кораблям Издат. «Воздушный 

      транспорт .»  2001

28. Е.С.Кулага  Разоружаться необходимо, но с умом. «Правда»  30.12.1992

29. Е.С.Кулага  Критика стала товаром  «Правда»  15.06.1996

30. Г.М. Башта  Самолетные гидравлические приводы и агрегаты. М. 1951

 

 31. В.С.Морозов  Исследование вопросов контроля герметичности двигателей морских

       ампулизированных ракет.  Кандидатская диссертация  1968

 

32. Е.С.Кулага, Б.Н.Сиов, Ю.Ф.Солодовников   Определение необходимой степени

      герметичности изделия 8К84  Отчет № 580 – ТО-167   ЦКБМФ1   1965

33. В.В.Крюченко, Е.С.Кулага    Графики средних сезонных температур и влажности воздуха

      и почвы в различных районах СССР   Альбом № 580 -64 – 41   1964

34. Ю.С.Храповицкий, В.Г.Пузач  Разработка рекомендаций по методам расчета и

       обеспечения заданного температурно – влажностного  режима шахтных сооружений 

       Отчет  № 32375   ЦКБМФ2

35. «Наставление гидрометеорологическим станциям  и постам» Вып.3 ч.1958;

36.  «Изменения и дополнения к наставлению гидрометеорологическим  станциям и постам»

        Выпуск 3 ч. П 1965

37.   «Дополнение к наставлению гидрометеорологическим станциям и постам Вып.2.ч1 1962

38. Э.Р.Эккерт, Р.М.Дрейк  Теория тепло и массообмена  Госэнергоиздат 1961

39.  Н.Д.Авксентьев И.М. Востриков Температурные режимы топлива оборудования и грузов

       РС -13 Ч.1 ЦКБМФ1  1964

40. Н.Н.Кичин  Система, устройства и элементы пневмогидроавтоматики Изд АН СССР.

      М. 1959

41. Исследование процессов истечения  из микроотверстий сплава АМг6 Отчет № 38-18166

      г. Миасс  1966

42. А.А.Федоров, Б.Т. Валиев, А.П.Соболев   Метод изготовления искусственных микротечей.

      Материалы Ш-й НТК  1971

43. Е.С.Кулага, М.Е.Селин Устройство для имитации течей в сварных швах. Авт. свидет. на 

       изобретение № 38791   ЦКБМФ1  1967

45. Е.С.Кулага   Разработка научных основ обеспечения долговечности топливных трактов

       ампулизированных ракет на жидких топливах. Докторская диссертация.

46. Исследование проницаемости АТ и НДМГ в жидкой и паровой фазах через малые

      неплотности  сварных соединений.  Отчет № 580 – 8К84 -183  ЦКБМФ1  1966

47. Б.Г.Валиев, И.П.Чугунов, М.Г.Иванов  Исследование процессов истечения АТ через

       микроотверстия  в металлах. Определение критических параметров микроотверстий.

       Сборник ЦНИИМАШ «Проницаемость» , ГОНТИ № 1  1969

48. Б.Г.Валиев, В.С.Морозов и др.  Особенности процесса истечения АТ и НДМГ через

микроканалы в металлических разделителях.  Сборник «Проницаемость» ЦНИИМАШ,

       ГОНТИ,   1964

49. Результаты обследования причин негерметичностей изделия 8К84.  Отчет № Н.07-10

       ЦКБМФ1   1969

50. В.И.Самсонов, М.Е.Селин. Е.С.Кулага и др. Обоснование и методы расчета допустимой

       негерметичности ампулизированных изделий.  РК –техн. Серия УШ. Вып.4  ГОНТИ № 1     

       1973

51.  А.И.Лесохин, В.И.Самсонов и др. Исследование истечения НДМГ через микродефекты

       сварных соединений сплава АМг6.  Сборник «Проницаемость» ЦНИИМАШ, 

        ГОНТИ № 1 1969

52.  А.И.Лесохин, М.Е.Селин и др. Истечение окислителя АТ через микродефекты сварных

        соединений сплава Амг6. Экспериментальное определение коэффициента

        пропорциональности между негерметичностью и проницаемостью АТ.  Сборник

        «Проницаемость»  ЦНИИМАШ  ГОНТИ  № 1  1969

53.  А. Кауфман. С. Констанза Осушение шахт ракет «Титан-П» для предотвращения утечек.

        Перевод из Neating Piking Air  Conditioning № 9 Р 107   1965

54.  C Pateno et  al. CR -46-145 « Improved Jeak Detectijn»  Final Report  Martin Compani, june 16

        1964

 

 

55.  М.Е.Слин, А.И.Лесохин и др.  Теоретический коэффициент пропорциональности  между

        величинами негерметичности и проницаемости АТ и НДМГ. Сб. «Проницаемость» 

        ЦНИИМАШ,  ГОНТИ № 1   1969

 

56.  Е.С.Кулага  Оценка необходимой степени герметичности топливных трактов ракет на

       жидком топливе. Сб. «Проницаемость»  ЦНИИМАШ,  ГОНТИ  № 1  1969

57. Г.Г. Кузнецов, М.Е.Селин и др. Обоснование и расчет норм герметичности

       ампулизированных ракет.  Сб. трудов Ш НТК. Книга 2  г. Миасс   1971

58. Е.С.Кулага, И.Л.Розенфельд, Г.Я.Полторанин  Стойкость неметаллических материалов и

       работоспособность натурных агрегатов изделия в воздушной среде, загазованной парами

       компонентов ракетных топлив. Сб.»Проницаемость» ЦНИИМАШ,  ГОНТИ  № 1   1969

59. Е.С.Кулага, Г.Я.Полторанин, Л.А.Кишнев  К вопросу об испытаниях конструкционных

      материалов и натурных агрегатов в атмосфере, загазованной парами КРТ.  Сб.

      «Проницаемость»   ЦНИИМАШ,  ГОНТИ  № 1   1969

60. Стойкость материалов в атмосфере, загазованной парами компонентов ракетного топлива. 

       Справочник ЦНИИМАШ в 3-х томах   6029/30/31  1969

61. В.А.Рогожин, М.Е.Селин  Исследование сорбции паров АТ и НДМГ основными

       лакокрасочными покрытиями ракет.  Сб. «Проницаемость» ЦНИИМАШ,  ГОНТИ № 1    

       1969

62. Повышенные технические требования по герметичности изделия «84». № 580-67-214

       ЦКБМФ1   1967

63. В.Г.Валиев, М.Г.Иванов и др.  Основные принципы обеспечения герметичности

       ампулизированных ракет для ВМФ. Сб. трудов Ш НТК кн. 2  г.Миас   1971

64. Изделия ампулизированные. Предельно допустимые концентрации и методы расчета

      допустимой негерметичности.  ОСТ 92 -1526-72    ЦНИИМВ   1972

65. John E. Branihan/ Long – Term Storage of Liguid Rocket  «BAY Preprints», s.a. №700800

66. Б.Г.Валиев О причинах возникновения микронегерметичностей по основному металлу и

      сварным соединениям.  Сб «Проницаемости»  ЦНИИМАШ  ГОНТИ  № 1  19667.

67. Е.С.Кулага Усиление углепластиком трете ступени РН «Протон» и проницаемость

      углепластика. Труды КБ «Салют»  Выпуск 1,  2006

68.  Анализ причин негерметичности топливных трактов изделия 8К84 и разработка

        мероприятий по повышению надежности обеспечение их герметичности.

        Отчет МВК  1971

69. Н.А.Баресков,И.К.Успенская Влияние фазового состава стали на образование трещин при

       пайке.  ПРТ  №9  МОП  1965

70. Б.И.Медовар. Сварка нержавеющих аустенитных  сталей.  Изд. 2-е М. 1965

71. Д.А.Полухин, Н.Н.Миркин,М.Н.Кузюкин  Расчет пневмогидравлических систем. РС-10

      ЦКБМФ1  1965

72. Обеспечение чистоты внутренних поверхностей баков и пневмогидросистем. ДТП

      НИИТМ  1966

73. А.А.Братков, В.И.Горовец и др. Исследование эксплуатационных свойств и разработка

       способов и средств хранения, транспортирования, приема и выдачи окислителей типа

        АК и АТ.. Отчет НИИ-25 МО № 17951  1965

74. А.А.Братков  Исследование эксплуатационных свойств окислителей на основе азотной

      кислоты и четырехокиси азота.  Докторская диссертация  1970

75. С.С.Марков, Г.А.Антипенко, Е.А.Сиволодский и др.  Разработка условий эксплуатации

      окислителей типа АК и АТ, применительно к изделиям ракетной техники.  Отчет № 19412

      ГИПХ   1964

76. Е.А.Сиволодкски, Ю.П.Шлыков и др. Исследование склонности к коагуляции твердых

      частиц механических примесей НДМГ в условиях длительного хранения. Труды ГИПХ

      № 21   1972

 

77. Г.Л.Антипенко, В.С.Ребров Вероятность образования прочных агрегатов механических

       примесей в  окислителе АТ.  Труды ГИПХ  №29   1974

78. В.Н.Синицын, П.А.Ребиндер и др.  Определение склонности к коагуляции твердых частиц 

       их агрегатированию и прочности агрегатов в компонентах ракетного топлива АТ и НДМГ

       в условиях длительного хранения. Отчет ИФХ АН СССР № 14690  1968

79. Е.А.Сиволодский, Ю.П.Шлыков и др. Исследование поведение мехпримесей в НДМГ. 

      Отчет № 14407  ГПХ  1967

80. С.Ф.Булышев, К.К.Попок и др. Исследование загрязнения НДМГ и фильтрующие

      материалы для его очистки.  Отчет № 17742   ГПИХ, НИИ – 25 МО   1964

81. А.Рейхман, О.Мерпкулов и др.  Результаты дисперсного анализа продуктов для огневых

      испытаний двигателей 15Д1 15Д2  на стендах КБХА.  Отчет № 22786   ГИПХ, КБХА  1966

82. С.С.Марков, И.С.Ильин и др.  Материалы по результатам коррозионных стендовых

      испытаний изделияТ8С816 – 01.   Отчет № 20518  ГИПХ   1966

83. Опредеоление количества и дисперсного состава мехпримесей в компонентах АТ и

       НДМГ, загрязненных до верхнего предела МРТУ  и выдаваемых через 70 микронный

       фильтр  по штатной схеме заправки. Отчет № 29911 ГИПХ, НИИХИММАШ, НИИ -4 МО   

       1968

84. Е.С.Кулага, Я.Б.Нодельман, Г.Я.Полторани и др.  Стендовые испытания

       ампулизированного изделия Т8К84 -02 с продуктом АТ. Отчет № 26581  ГИПХ, ЦКБМФ1 

       1967

85. О состоянии компонентов топлива в изделии 8К84 № Н22901 – 03 после нахождения их в

      баках в течение 3-х лет. Отчет  ЦКБМФ1  и в/ 11284   1969

86. Межведомственное решение по вопросу изучения поведения мехпримесей  топлива Ат и 

      НДМГ № 22046    ГИПХ  1966

87. Е.С.Кулага, Я.Б.Нодельман, Г.Я.Полторанин А.А.Восканьянц и др.  Определение состава

      конденсата после периодического наддува и сброса давления и выпаривания жидкой фазы

      амила. Отчет № 625-ТО134   ЦКБМФ1   1969

88. Е.С.Кулага, Г.Я.Полторанин, Л.И.Тычинина  Определение изменения количества

       технологических примесей в окислителе АТ при испарении.  Сб. трудов Ш НТК г. Миасс 

      1975

89. Е.С.Кулага, Г.Я.Полторанин  Исследование изменение технологических примесей  в

       окислителе АТ  и его коррозионной активности при удалении газовой фазы методом

       наддува и сброса давления. Отчет № 580 – 70-415   ЦКБМФ1  1970

90. Е.С.Кулага, Г.Я.Полторанин и др.   Исследование технологических примесей в АТ и его 

      коррозионной активности при удалении газовой фазы Сб. серия УШ, выпуск 3,   1972

91. Е.С.Кулага, Г.Я.Полторанин и др.  «Метод нейтрализации» Авт свид. на изобретение

      № 58627   1971

92. Ю.В. Дьяченко, Л.И.Мадудов, Ю.Г.Суслов  Опытное хранение изделий с несливаемыми  

      остатками. Отчет № 95-ТО-232   ЦБМФ1   1971

93. Е.С.Кулага, Г.Я.Полторанин, А.А.Восканьянц и др. Определение технологических

      примесей в продукте «О» при испарении и конденсации.  Отчет № 625 – ТО -241

      ЦКБМФ1 1971

94. А.Г Гусев, Е.С.Кулага, Н.Б. Лаишевский  и др.  Детоксикация ракеты – носителя

      «Протон –М».  Труды КБ «Салют» Выпуск 1.  2006

95. Положение о проведении комплекса работ по изд. 8К84 для обеспечении и подтверждения

      гарантийных сроков работоспособности при длительном хранении.  № 15517  ЦКБМФ1 

      1965

96. J.E.Branigan. Long Term Storabiliti of Prapeliant Tankage and Components// Technical Report

      AFRPL  -TR – 69 -82  April   1969

97. И.Л.Розенфельд, К.А.Жигалов  Ускоренные методы коррозионных испытаний.   

     «Металлургия», М. 1966

98. Е.С.Кулага, Б.В.Блинов и др.  «Индикаторная лента» Авт свид. На изобретение № 34342 

      1965

99. Обоснование метода ускоренных стендовых коррозионных спытаний.  Отчет № 26502  

       ГИПХ  1967

100. ГЯ.Полторанин  Исследование влияния конструктивных и технологических факторов на   

        длительную работоспособность топливного тракта ракеты.  Кандидатская диссертация 

        1968

101. Е.С.Кулага, Г.Я.Полторанин  Электрод для химических измерений продуктов на основе

        азотной кислоты и окислов азота.  РК-техника, серия УШ, выпуск 3   1972

102. В.П.Батраков, Л.Я. Гурвич  Коррозионная стойкость металлов и сплавов в АТ.

        Отчет № 11834   ВИАМ   1962

103. Г.Л.Атипенко, А.М.Сухотин, Н.С.Ильин и др.  Разработка методов эксплуатации

        окислителей АТ и АК   Отчет № 19417    ГИПХ    1966

104. Е.С.Кулага, Г.Я.Полторанин, В.П.Батраков, Л.Я. Гурвич  Исследование коррозии под

        напряжением сварных соединений сплава АМг6 в окислителе АТ с учетом воздействия

        конструктивных и технологических факторов. Материалы Ш НТК книга 2  г. Миас  1971

105. Ф.Ф.Ажогин Коррозия под напряжением высокопрочных сталей. Труды ВИАМ № 7  

        1957

105Д  В.Зайт Диффузия в металлах. М. 1958

106. Методика ускоренных испытаний алюминиевых сплавов на склонность к коррозионному

        растрескиванию.  ВИАМ, ЦНИИМАШ, ВИЛС   1964

106Д  М.А.Криштал  Диффузные процессы в железных сплавах. М. 1963

107. М.П.Антропов  Кандидатская диссертация  ГИПХ   1970

107Д  С.Д.Гарцрикен, И.Я.Дехтярь Диффузия в металлах и сплавах. М. 1960

108. Отчет ГИПХ по теме № 641 – 68 – 69   1970

108. В.П.Батраков, Л.Я.Гурвич и др.  Изучение коррозионной стокости алюминиевых сплавов

        при работе в окислителях на основе азотной кислоты и окислов азота.  Отчет № 17329  

        ВИАМ   1964

109. Р.И.Соловьева  Исследование взаимодействия АТ и НДМГ с поверхностью сплава АМг6

         и их диффузионной проницаемости через кристаллическую решетку сплава. 

         Кандидатская диссертация.  1973

110. Методика количественного анализа АТ . Отчет № 24745  ГИПХ

111. Испытания материалов и электроэлементов в парах  компонентов ракетного

        топлива.  Отчет № 21549  ЦКБМФ1  1966

113. Исследование процессов адсорбции и десорбции АТ и НДМГ поверхностью

        металлических сплавов. Отчет  по ТЗ  580- 70-416    Химфак МГУ  1971

114. Е.С.Кулага, Р.И.Соловьева, Б.В.Страхов, Е.В.Лунина   Разработка химических методов

         удаления хемосорбированных компонентов АТ и НДМГ с поверхности Al2О3 и

         металлических материалов. Техн. отчет  ЦКБМФ1 и Химфака МГУ  1972

115. Е.С.Кулага, Р.И.Соловьева и др. Разработка химических методов удаления   

        хемосорбированных продуктов «О» и  «Г»  с поверхности окиси алюминия и

       металлических сплавов. Отчет № 580-73-667   ЦКБМФ1 ,  Химфак МГУ    1973

116. Е.С. Кулага, Р.И.Соловьева и др.  Исследование адсорбции НДМГ на поверхности

        алюминиевых сплавов и окиси алюминия адсорбционным и ИК-спектроскопическими

        методами.  Труды ГИПХ № 46   1977

117. Я.Дебур  Динамический характер адсорбции.  Изд ин.лит. М.   1962

118. Е.С.Кулага, Р.И.Соловьева и др. Исследование проникновения НДМГ в поверхностные

        поры металлов.  Труды ГИПХ № 46  1977

119. Л.Литтл  Инфракрасные спектры адсорбированных молекул.  М, «Мир»  1962

120. J.Phus/ Chem   51/10/4457   1969

121. Bly Holder M.C. Chem 70.352     1966

122. А.В.Уваров, Ж Лакокр  Материалы и их применение.  М.  1965

123. Справочник  ГИПХ, том 1У   1966

124. Е.С.Кулага, Р.И.Соловьева и др.  «Способ очистки следов НДМГ с помощью озона».

  Авт. свид. на изобретение № 76459   197

125. Бенар Ж.  Окисление металлов.  М. 1967

126. Е.С.Кулага, Р.И.Соловьева и др.   Разработка химических методов удаления

         хемосорбированных продуктов «О» и «Г»  с поверхности окиси алюминия и

        металлических сплавов.  Отчет № 580-73.667   ЦКБМФ1    1973

127. Е.С.Кулага, Р.И.Соловьева и др.  Исследование процессов окисления озоном  НДМГ.

        адсорбированного  на поверхности окиси алюминия и алюминиевых сплавов. 

        Труды ГИПХ № 46   1977

128. Е.С.Кулага. Р.И.Соловьева и др.  Нейтрализация НДМГ, адсорбированного на силикагеле

        методом озонирования.  Труды ГИПХ № 46  1977

129. Справка о взрывобезопасности озоно-кислородной смеси с НДМГ.  ЦКБМФ1 и Химфак

        МГУ   1975

130. Е.С.Кулага, Р.И.Соловьева и др.  Физико-химическое исследование систем: озон и

        жидкий гептил, озон и продукты неполного окисления гептила, озон и гептил в газовой

        фазе и адсорбированном состоянии.  Отчет № 580-78-857  ЦКБМФ! И Химфак МГУ  

        1978

131. Е.С.Кулага, Р.И.Соловьева и др. Разработка химических методов удаления продукта «Г»

        с металлической поверхности. Отчет № 580-77- 827  ЦКБМФ1 и МГУ   1977

132. Г.И.Емельянова, Б.В. Страхов   «современные проблемы химии» т.2 М. 1968

133. Ч.Черш  Исследование ракетных двигателей на жидком топливе. М. 1964

134. Л.Ф.Актяшева, Г.И.Емельянова  «Журнал физической химии» 47.2113   1973

135. Advances in Chemistry Series   № 112    1972

136. Е.С.Кулага, Р.И.Соловьева и др. Отработка технологии метода озонирования для

        нейтрализации натурных емкостей «Г» изделия «84».   Отчет № 580-77853  

        ЦКБМФ1, МГУ, ГИПХ  1977

137. Е.С.Кулага, Р.И.Соловьева   Исследование физико-химических процессов

        взаимодействия металлов с компонентами.  Отчет № 580-ТО-415   ЦКБМФ1   1974

138. Е.С.Клага, Р.И.Соловьева и др.  т Экспериментальная проверка метода озонирования для

        нейтрализации емкостей, бывших в контакте с НДМГ .  Труды ГИПХ № 49  1977

139. Б.В.Страхов и др.  «Журнал физической химии»  36.2388   1962

140. Н.И.Кобзев «Журнал общей химии»  3.534    1933

141. Ф.Киттон, Дж.Уилкинс «Современная неорганическая химия»  М.  «Мир»  1969

142. Е.Н.Еремин Элементы газовой электрохимии  М.  1968

143. Aero Engenering Rev.   15(1)   1956

144. Д.С.Богоявленский  Исследование ползучести алюминиевых сплавов при растяжении.

        Научные труды, сборник № 11.

145. ЛарсонМюллер . Frans  ASME   № 5    1952

146. Е.С.Кулага, Г.Я.Полторанин, С.И.Кишкина  Исследование ползучести и длительной

        прочности сплава АМг6  Отчет № 580-То-118   ЦКБМФ1 и  ВИАМ   1968

147. А.А.Ильюшин, В.С.Ленский  Сопротивление материалов  1959

148. Испытания полуфабрикатов из деформируемых алюминиевых и магниевых сплавов  на

         коррозию под напряжением при заданной деформации в скобе.  МК – 17-35-65  ВИЛС 

        1968

149. Е.С.Кулага, Г.Я.Полторанин. С.И.Кишкина   Исследование ползучести сплава АМг6

         применительно к условиям эксплуатации и хранения в заправленном состоянии.

         Материалы 3-й  НТК. Кн.2 г.Миас   1971

150. Л.М.Каганов  теория ползучести.  М. Физмат.   1966

151. М.М.Дубинин, К.В.Чмутов.  Физико-химические основы противогазного дела. М.   1939

152. Е.Н.Серпионова  Промышленная адсорбция газов и паров.  М. Высшая школа   1969

 

153. М.Е.Селин  исследование возможности поглощения паров АТ и НДМГ и продуктов их

        взаимодействия в герметичных контейнерах изделий.   Отчет  № 640   ВКАХЗ   1965

154. Е.С.Кулага, З.А.Красникова. М.Е.Селин  «Комбинированный угольный сорбент».  Авт.

        свид. на изобретение № 35928   1967

 

155. Е.С.Кулага, М.Е.Селин, Г.А.Загоскин   исследование сорбции и десорбции паров

        компонентов ракетного топлива основными материалами ракет.  Сб. трудов 3-й НТК кн.2

        г. Миасс   1971

156. Г.А.Загоскин   Исследование сорбции и разработка методов и средств поглощения паров

        КРТ и органических веществ в замкнутых объемах , обеспечивающих длительную

        работоспособность  ампулизированных изделий.  Кандидатская диссертация.  1975

157. В.А.Рогожин, Селин М.Е.  Исследование сорбции паров АТ и НДМГ основными

        лакокрасочными покрытиями ракет. Сб.  ГОНТИ № 1  1969

158. Е.С.Кулага, М.Е.Селин, Г.А.Загоскин  Исследование сорбции паров АТ и НДМГ 

        некоторыми лакокрасочными и теплозащитными материалами. Отчет № 103  ЦКБМФ1 и 

        ВКАХЗ   1973

159. Исследование проницаемости КРТ через микронеплотности, изучение процессов

        сорбции паров и изыскание способов повышения герметичности изделий.  Отчет по теме

        564 -71-72   ГИПХ   1972

160. Определение количества «О» сорбируемого основными ЛК, бывших в контакте с парами

        продукта «О».  Отчет № 620 – ОТ -780    ЦКБМФ1     1972

161. Санитарно-химическое исследование продуктов газовыделения полимерных материалов,

        предназначенных для использования в герметичных замкнутых помещениях. 

        Методуказания . ч. П   ИМБП    1971

162. Результаты санитарно-химических исследований полимерных материалов с оценкой        

         возможности их использования  в обитаемых герметичных замкнутых помещениях. 

        Отчет № 50/109 -72     ИМБП    1972

163. Cennet A.C.  Plastics can couse corrosion Austrolas  Corsos/ Eng. 16. № 16   1972

164. Отчет № 2941   НИИ-4  МО   1971

165. Отчет межведомственной комиссии по выяснению «ложных» срабатываний датчиков

        ГД-4

166. Е.С.Кулага Г.А.Загоскин Статический метод сорбционной очистки воздуха в

        контейнерах ампулизированных ракет.  ГОНТИ № 1   1969

167. Установка сорбционных ловушек в контейнере.   Бюллетень №4944 – Л(41)   ЦКБМФ2 

        1972

168. Лабораторные исследования комбинированного сорбента совместно с Ч.Э. ГП-2. Отчет

        № 580 – ТО-90   ЦКБМФ1   1968

169. Натурные испытания экспериментальных сорбционных ловушек на изделии в Фаустово.

        Отчет № 580-ТО-108    ЦКБМФ1    1968

170. Натурные испытания экспериментальных сорбционных ловушек на штатных изделиях.

        Отчет № 625 –ТО-121    1968

171. Заключение МВК по «ложным» срабатываниям датчиков ГД-4.   ЦКБМФ2    1967

172. Исследование химического состава атмосферы в контейнерах ракет методом газовой

        хроматографии   Отчет  ИОХ АН СССР   1968

173. Опытная эксплуатация сорбционных ловушек и исследование их влияния на

        работоспособность датчиков СДКЗ.  Отчет НИИ-4 МО  и  ЦКБМФ1

174. Технический отчет по результатам замера загазованности в замембранных полостях

        предохранительных клапанов на 18 изделиях 84.  Отчет № 95-72-82   ЦКБМФ1   1972

175.Е.С.Кулага, И.А.Лямина, З.А.Красникова  и др. «Индикаторное покрытие  на АТ»  Авт.

        свид. на  изобретение №101803   1977

176. Е.С.Кулага, И.А.Лямина, З.А.Красникова  «Индикаторное покрытие на НДМГ»  Авт.

        свид. на изобретение № 101913   1977

177. Е.С.Кулага, И.А.Лямина. З.А.Красникова  « Комбинированное индикаторное покрытие 

        на АТ и НДМГ»  Авт. свидет. на изобретение № 107680     1977

178. Исследвание возможности создания индикатора паров РТ по поглощению в УФ области

        спектра.   ФИАН  АН  СССР, ЦКБМФ2   1970

 

179. Е.С.Кулага, И.К.Швецов и др.  «Способ контроля утечки компонентов топлива из баков

        ракеты».  Авт. свидет. на изобретение  № 84933   1975

180. Ч.А. Арифов, П.У.Арифов Физика медленных позитронов.  Изд. «ФАН» Узб. ССР   1961

181. Разработка датчиков системы дистанционного обнаружения продуктов АТ и НДМГ

        Отчет по теме № 46-63   ЛЕННИХИ   1965

182. Экспресс отчет по результатам лабораторных испытаний датчиков ОД-4 и ГД-4   ОКБА

         1966

183. Исследование условий обеспечивающих  возможность длительной эксплуатации

        ампулизированных ракет 8К84 и 8К67  в шахтных  пусковых установках.  Отчет № 1145 

        НИИ-4  МО    1966

184. Е.С.Кулага, Л.А.Кишнев и др. Сводный отчет по испытаниям чувствительных элементов

        «ОЕ» и «ГП»    № 580—ОТ-221     ЦНБМФ1   1967

185. Испытания материалов и электроэлементов в арах компонентов ракетного топлива. 

        Отчет № 21549   ЦКБМФ1   1966

186. Анализ причин негерметичности ракет проведенный МВК  Отчет № 39325

187. Оценка необходимой степени герметичности. ГОНТИ  №1  1969

188. Е.С.Кулага, Л.А.Кишнев, И.С.Фетисов  Выбор и обоснование чувствительность датчиков

        типа ОД-4.  Отчет № 580-ТО-120     ЦКБМФ1    1969

189. Справочные материалы под редакцией Сотского Б.С. Датчики системы автоматического

         контроля и регулирования.  М. Москва    1959

190. Терминологический словарь комиссии по терминологии национального комитета ИФАК

         Москва    1961

191. Б.С.Сотсков Основы расчета и проектирования элементов автоматических и

        телеметрических устройств.  Госэнергоиздат   1953

192.  Е.С.Кулага, П..Кремер Повышенные технические требования по герметичности изделия.

         Отчет № 580-67-214   ЦКБМФ1  1967

193. О повышении чувствительности СДКЗ.  Решение № 945/84    МОМ, РВ, МХП    1969

194. Проницаемость  ГОНТИ № 1 1969

195. Е.С.Кулага, Г.Я.Полторанин, Л.А.Кишнев  и р. Стойкость неметаллических материалов и

        работоспособность натурных агрегатов в воздушной среде, загазованной парами КРТ.

        Сб. Проницаемость   ГОНТИ №1    1969

196. Е.С.Кулага, Г.Я.Полторанин, Л.А.Кишнев  К вопросу об испытаниях конструкционных

        материалов и натурных агрегатов в атмосфере, загазованной парами КРТ.

        Проницаемость  ГОНТИ  № 1    1969

197. Испытания  Ч.Э. типа ОК  повышенной чувствительности.  Отчет №1457  ЛЕННИХИ 

       1968

198. Е.С.Кулага, Л.А.Кишнев, И.С.Фетисов   Испытания Ч.Э. С-25 , ОК-2  Отчет № 580- 63-20

        1968

199. Естественная конвекция в вертикальных прослойках.   Отчет № 0583   ЦКБМФ2  

200. Испытания Ч.Э. ОК и ОД-4 в парах АТ. Отчет по теме  № 8068    НИИ-4  МО    1968

201. Исследование гидродинамики  и тепломассообмена  в вертикальных слоях жидкости при

        свободной конвекции. Отчет № 03753  Сиб отд АН СССР Институт теплофизики

202. Течение и теплопередача при ламинарной естественной конвекции в вертикальных слоях  

        Труды т.1, Белорусской АН ССР  Институт тепломассообмена   1968

203. Дефектация корпуса изделия 15С300 после эксплуатации. Программа № 30-00-Пр-9  

         КБ «Салют»    1980 г.

 

204. Дефектация элементов ПГС блока 15С300. Программа № 30-00-Пр-10  «КБ «Салют»    

        1980

205. Демонтаж, испытания и дефектация сервоприводов. Программа № 520-ПР-61-80  КБ

        «Салют»    1980

206. Исследования материала баков изделия А35 после длительной эксплуатации.  Отчет по

        договору № 6/97 на 1997 г. по теме «Зарядье -1Б»   Российская инженерная академия. 

        1997.

207. А.В.Уваров, Ж.Лакокр   Материалы и их применение.  М. 1965

208. Л.М.Каганов  Теория ползучести  М.  Физмат   1966

       

  

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Хостинг от uCoz