Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Аппаратно – программные средства и инструменты автоматизации натурных испытаний и экспериментов 11
1.1 Первичные преобразователи (датчики) 11
1.2 Аппаратура и техника для автоматизации экспериментальных работ. 29
1.3 Средства программирования. 42
Выводы к главе 1 45
ГЛАВА 2. Автоматизированная установка для измерения температуры и криогенного давления при одномерном промерзании во влажном дисперсном материале 46
2.1. Градуировка барорезисторов по температуре 47
2.2. Градуировка барорезисторов по давлению 50
2.3. Описание автоматизированной установки 54
2.4. Программа для измерения температуры и давления с использованием термопар и полупроводниковых датчиков на основе моносульфида самария. 55
2.5. Методика проведения и результаты эксперимента 58
Выводы к главе 2 62
ГЛАВА 3. Разработка методик исследования процессов хрупкого разрушения материалов при низких температурах 63
3.1. Натурные испытания сосудов высокого давления с целью оценки влияния электрического воздействия на пластичность металла. 63
3.2. Измерение скорости распространения трещины при хрупком разрушении материалов в условиях низких температур 72
Выводы к главе 3 81
ГЛАВА 4. Методика проведения натурных исследований с непрерывной регистрацией температуры 83
4.1 Мониторинг температурного режима грунтов при устройстве буронабивных свай в г. Якутске. 83
4.2 Испытания зимнего чехла «Сахатент» 94
4.3 Мониторинг температуры тела пловца при заплыве через реку Лена.
Выводы по главе 4 103
Заключение 104
Список использованной литературы 106
Акты внедрения 115
- Аппаратура и техника для автоматизации экспериментальных работ.
- Градуировка барорезисторов по давлению
- Измерение скорости распространения трещины при хрупком разрушении материалов в условиях низких температур
- Испытания зимнего чехла «Сахатент»
Аппаратура и техника для автоматизации экспериментальных работ.
Цель и задачи диссертационной работы Целью работы является разработка и совершенствование существующих методов динамического контроля температуры и температурозависимых величин при проведении натурных исследований объектов с использованием автоматизированных комплексов и полупроводниковых датчиков, проведение измерений температурных полей в замерзающих и оттаивающих грунтах, анализ влияния температуры на прочность материалов. Задачи, которые были решены для достижения поставленной цели: 1. Разработка методик применения термологгеров iBDL при изучении различных процессов, требующих регистрации температуры в течение продолжительного времени без вмешательства оператора. 2. Построение автоматизированного комплекса и разработка метода для измерения криогенного давления с помощью полупроводниковых датчиков давления на основе моносульфида самария. 3. Разработка методики и автоматизация измерений скорости распространения трещины с использованием быстродействующей платы АЦП при низкой температуре. Научная новизна работы 1. Получены новые экспериментальные данные по изучению изменения температурного поля грунта вблизи буронабивной сваи, полученные на основании проведенных наблюдений с помощью термологгеров. 2. Создана установка и разработан метод для измерения криогенного давления при одномерном промерзании во влажном дисперсном материале с помощью полупроводниковых датчиков давления на основе моносульфида самария. 3. Разработана программа для персонального компьютера, позволяющая измерять давление с помощью датчиков давления на основе моносульфида самария. 4. Экспериментально измерена скорость распространения трещины при разрушении полиметилметакрилата в условиях низких температур с использованием метода регистрации моментов разрыва токопроводящих полос. Положения, выносимые на защиту 1. Метод измерения криогенного давления при одномерном промерзании во влажном дисперсном материале основанный на комбинированном использовании полупроводниковых барорезисторов на основе моносульфида самария и термопар. 2. Методика экспериментального определения скорости трещины при разрушении полиметилметакрилата, которую можно использовать и в случае стальных конструкций и емкостей в условиях низких температур. 3. Новые экспериментальные данные по изучению изменения температурного поля грунта вблизи буронабивной сваи, полученные на основании проведенных наблюдений с помощью термологгеров. Апробация работы и публикации.
Основные результаты работы были представлены автором и соавторами на 8 международных и всероссийской научно-технических конференциях: V Евразийский симпозиум по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата EURASTRENCOLD-2010 (Якутск, 2010), международная научно-техническая конференция «Современные методы и средства исследований теплофизических свойств веществ» (Санкт-Петербург, 2010), ХIII Российская конференция по теплофизическим свойствам (Новосибирск, 2011), IX Международная научно-техническая конференция «Методы и средства измерения физических величин» – «Температура-2012» (Львов, Украина 2012), II Международная научно- техническая конференция «Современные методы и средства исследования теплофизических свойств веществ» (Санкт-Петербург, 2012), Х-ая научно-техническая конференция, посвященная памяти профессора Н.С. Иванова «Современные проблемы теплофизики и теплоэнергетики в условиях Крайнего Севера» (Якутск, 2011), VI Евразийский международный симпозиум по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата (Якутск, 2013), VIII Международная конференция «Проблемы промышленной теплотехники» (Киев, 2013).
По теме диссертации опубликовано 33 работы. Из них 6 в журналах и изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, а также получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. Практическая значимость результатов работы Термологгеры iBDL используемые в данной работе внедрялись при выполнении исследований для ООО НВЦ «Геотехнология» и Якутского государственного проектного научно - исследовательского института строительства в качестве датчиков для долговременного наблюдения температуры грунтов, а также для оценки эффективности теплоизолирующего тента производства ООО «Сахатент».
Результаты работы, касающиеся прочности стали при низких температурах, использовались ООО «Якутгазпроект» для анализа повреждений и разрушений газопроводов. Эти результаты были получены благодаря барорезисторам, которые были отградуированы на установках, созданных в ходе выполнения данной работы.
Градуировка барорезисторов по давлению
При этом показания с датчиков записываются только после того, как пропадают колебания температуры в камере вызванные травлением газа и последующим нагревом до комнатной температуры. Это делается с целью исключения влияния температуры на изменение сопротивления барорезисторов. Данные с датчика давления АИР-20/М2 поступают непосредственно в компьютер через интерфейс RS-232 и записываются в файл. Сведения об изменениях температуры, поступающие с термопары, также записываются в файл с использованием КИС «АКСАМИТ-6.25», подключенной к персональному компьютеру. В результате градуировки получаем таблицу следующего вида:
Полученные в результате градуировки данные были использованы при проведении эксперимента по измерению температуры и криогенного давления при одномерном промерзании во влажном дисперсном материале.
Установка состоит из персонального компьютера, компьютерно – измерительной системы «АК-6.25», измерительной ячейки с расположенными в ней датчиками давления и термопарами (рисунок 27).
Схема автоматизированной установки для измерения температуры и криогенного давления при одномерном промерзании во влажном дисперсном материале Измерительная ячейка (рисунок 28) представляет собой составной цилиндр высотой 15 см. и внутренним диаметром 5 см, в который помещаются термопары и датчики давления. Рисунок 28 - Измерительная ячейка
Причем термопара и датчик давления располагаются максимально близко друг к другу. Для управления экспериментом и записи результатов была написана программа на языке Turbo Pascal в среде MS DOS.
Программа предназначена для автоматизации эксперимента по измерению температуры и криогенного давления при одномерном промерзании во влажном дисперсном материале и может применяться для одновременного измерения температуры термопарами и вычисления давления регистрируемого датчиками на основе моносульфида самария. Для автоматизации эксперимента применяется компьютерно-измерительная система АК-6.25, доступ к программным модулям которой осуществляется посредством процедур, используемых в данной программе. Программа обеспечивает выполнение следующих функций: - устранение смещения нуля в измерительном канале - измерение падения напряжения на каналах и расчет сопротивления - расчет температуры регистрируемой платиновым термометром в блоке опорных спаев с использованием полинома, расчет температуры на термопарах. - расчет давления регистрируемого датчиками по изменению сопротивления - регистрация и запись данных в файл Блок – схема программы представлена на рисунке 29. Рисунок 29 - Блок-схема программы. На данную программу в составе коллектива авторов было получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ [54]. 2.5. Методика проведения и результаты эксперимента
В начале эксперимента в ячейку с предварительно отградуированными датчиками давления и термопарами засыпался увлажненный дистиллированной водой речной песок комнатной температуры, затем ячейка теплоизолировалась со всех сторон кроме верхней части и помещалась в морозильную камеру. В ходе эксперимента программа записывала данные об изменении сопротивления барорезисторов и температуры на термопарах. Эксперимент заканчивался в момент, когда температура достигала низшей точки и оставалась постоянной.
Влажность грунта определялась отдельно для каждой области, в которой находились барорезисторы. После окончания эксперимента ячейка разбиралась и отбирались образцы грунта, причем это происходило до полной оттайки, с целью предотвращения перераспределения влаги. Влажность грунта определялась как отношение массы воды, удаленной из грунта высушиванием до постоянной массы, к массе высушенного грунта. Определение влажности грунта проводилось согласно ГОСТ 5180-84 «Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик» методом высушивания до постоянной массы. Из областей, находящихся в непосредственной близости к каждому барорезистору бралось по 3 пробы. Ход проведения испытаний: 1. Проба грунта помещалась в заранее высушенный, взвешенный и пронумерованный бюкс и плотно закрывалась крышкой. 2. Бюкс взвешивался на весах ВЛА–200г. – М. 3. Открыв крышку бюкс помещали в нагретый сушильный шкаф. Высушивали до постоянной массы при температуре (100±5) С. 4. После каждого высушивания грунт в бюксе закрывали крышкой и охлаждали до температуры помещения. Затем взвешивали на весах. Высушивание производилось до получения разности масс бюкса с грунтом при двух последующих взвешиваниях не более 0,02 г. Если при повторном взвешивании грунта наблюдается увеличение массы, то за результат взвешивания принимали наименьшую массу.
Обработка результатов: Влажность грунта W, %, вычисляется по формуле m -m W = 1 0 100%, m0 -m где m - масса пустого бюкса с крышкой, г; т1 - масса влажного грунта с бюксом и крышкой, г; т0 - масса высушенного грунта с бюксом и крышкой, г. Окончательное значение влажности определялось как среднее арифметическое из результатов 3-хкратного измерения Ж + W2 + W3 W = . Пример результата эксперимента приведен на рисунке 30. На графиках приведена зависимость давления от времени, которую показали барорезисторы и температура, показанная находящимися рядом с ним термопарами. Барорезистор, обозначенный на рисунке номером (1), был расположен в верхней части измерительной ячейки на глубине 1 см. Барорезистор, находившийся в ячейке ниже на глубине 7 см, обозначен на рисунке номером (2). На первом графике показаны температуры зарегистрированные на термопарах соответствующих барорезисторам (1) и (2). На втором графике приведены зависимости давления от времени, рассчитанные для соответствующих барорезисторов. Рассчитанные влажности грунтов, которые были получены описанным выше способом, для барорезисторов (1) и (2) соответственно: W1=10,8% и W2=13,4%.
Измерение скорости распространения трещины при хрупком разрушении материалов в условиях низких температур
Обеспечение безопасной эксплуатации металлоконструкций в условиях низких климатических температур - это проблема, пути решения которой рассматриваются во многих работах различных авторов. Благодаря им стало возможным создание новых материалов и методов повышения прочности и ресурса конструкций. Несмотря на наличие специальных конструкционных сталей, которые предназначены для использования в условиях низких температур, также используются и обычные углеродистые стали такие как Ст3, Ст45 и др., эксплуатация которых запрещена при температуре ниже –40 0С. Такое ограничение может нанести серьезный экономический урон вынужденной остановкой эксплуатации и создать реальную угрозу жизнедеятельности человека живущего в экстремальных условиях Севера.
При низких температурах прочность металлоконструкций снижается среди прочего из-за роста концентрации напряжений, что вызвано повышением сопротивления материала начальной пластической деформации [1-3]. Пластичность материала уменьшается с понижением температуры, увеличивается предел текучести. Происходит резкий рост уровня максимальных напряжений вызванный перегрузками. Такие процессы можно наблюдать в углеродистых сталях, в которых вязкохрупкий переход лежит в пределах температурного диапазона от -100С до -600С.
С целью исследования процессов хрупкого разрушения при отрицательных температурах ранее были разработаны методика и установка для проведения натурных испытаний сосудов высокого давления [38]. Ядром данной установки является преобразователь сигналов «ТЕРКОН», обрабатывающий сигналы с датчиков температуры и барорезистора, находящегося внутри объекта испытания.
Внутреннее давление нагружающее сосуд возникает в результате расширения замерзающей воды. Наполненный водой и герметизированный сосуд помещается в среду с отрицательной температурой и постепенно охлаждается. Разрушение сосуда в результате инициации трещины от искусственного дефекта происходит, когда внутреннее гидростатическое давление достигает своего критического значения [1].
С применением данной установки нами была проведена серия экспериментальных испытаний сосудов находящихся под действием электрического тока. Целью данной работы являлось изучение влияния слабых электрических воздействий на металлы, подвергаемые деформации, изменения их прочностных и пластических характеристик при низких температурах.
Как известно, в металле, находящимся под воздействием тока и электромагнитного поля, происходит сдвиг процесса хрупкого разрушения в сторону более поздних стадий деформации [61]. Тем самым, такое воздействие способствует тому, что в область более низких температур смещается и граница хладноломкости.
Данный эффект открывает новый путь к увеличению прочности металла и повышению надежности эксплуатации металлоконструкций в экстремальных условиях Севера.
Многие работы, начиная с 1970-х годов, описывают пластифицирующее воздействие тока на металл [75, 76, 74]. Оказание внешнего электрического воздействия на твердые металлические тела, которые подвергаются деформации, способно существенно повлиять на изменение как кинетики протекания процесса, так и интегральных прочностных и пластических характеристик. При воздействии на металлы и сплавы электромагнитного поля, коротких высокоамплитудных импульсов электрического тока, наряду с оказанием влияния на деформационную субструктуру может изменяться фазовый состав, распределение внутренних напряжений, зеренная структура. Все это в конечном итоге значительно снижает сопротивление деформированию. При этом имеются свидетельства того, что довольно слабые электрические воздействия, при ничтожном энерговложении, могут заметно изменять деформационные свойства материалов [22]. Наличие пластифицирующего эффекта воздействия тока и результаты его наблюдения можно проиллюстрировать на примере испытаний образцов из стали [46]. В данном эксперименте цилиндрические образцы из стали Ст3 подвергались одноосному растяжению. Образцы длиной 35 мм и диаметром 5мм выполнялись по ГОСТ 11150-84. Для проведения испытаний использовалась разрывная машина «ZwickRoel-600» и холодильная камера. Скорость нагружения равная 3,3 10-5м с-1 была выбрана таким образом, чтобы исключить существенный нагрев образцов, тем самым изменение температуры в ходе нагружения не превышало 2 К [5]. Образец подвергался воздействию электрического потенциала величиной 5В при помощи источника постоянного тока Б5-43. Данные, полученные в результате проведенных испытаний, зафиксированы на диаграмме – (рисунок 31 ). Рисунок 31 - Диаграммы растяжения образцов под воздействием электрического потенциала.
На данной диаграмме приведены результаты серии испытаний образцов на растяжение при различных условиях. Кривая, обозначенная на рисунке номером 1, соответствует испытанию 10 образцов при температуре -50 С без электрического воздействия. Кривая под номером 2 соответствует испытанию 10 образцов при температуре -50 С и воздействии потенциала в 5 В. Кривая под номером 3 соответствует испытанию 10 образцов при комнатной температуре и без электрического воздействия. При обработке данных применялись статистические методы обработки механических испытаний. Как видно из графиков, воздействие электрического тока приводит к заметному изменению механических свойств, а в частности возросла пластичность материала. Так, образцы находившиеся под электрическим воздействием при растяжении получили относительное удлинение на 5 % больше, чем те, которые такому воздействию не подвергались.
Объектами исследования в качестве металлических конструкций находящихся под действием электрического тока в нашем случае выступали газовые баллоны из стали Ст45 объемом 40 литров, имеющие химический состав C-0,45%, Si-0,30%, Mn-0,85%. Сосуды подбирались таким образом, чтобы их характеристики (марка стали, рабочие и проверочные давления, год изготовления) совпадали. Перед экспериментом также были измерены толщина и периметры баллонов в трех сечениях. Толщина измерялась при помощи ультразвукового толщиномера ТУЗ-2. В каждом испытании участвовала пара сосудов, указанные выше характеристики которых были одинаковы либо имели разницу, которой можно было пренебречь. В центральной части каждого сосуда на поверхности наносился искусственный дефект в виде продольного надреза, глубина которого составляла 2 мм, ширина 2,5 мм и длина 50 мм.
При разрушении сосудов использовалась методика испытаний сосудов высокого давления с искусственным дефектом внутренним давлением [71, 39]. При использовании данной методики внутреннее давление нагружающее сосуд возникает в результате расширения замерзающей воды. Сосуд предварительно наполняется жидкостью и герметизируется, затем в ходе испытаний, вследствие воздействия низких температур, жидкость расширяется по мере кристаллизации. Таким образом, создается внутреннее давление, которое, достигнув критического уровня, разрушает в итоге сосуд от искусственного дефекта [53]. В процессе кристаллизации жидкости на внутренней стенке сосуда образуется ледяная оболочка с жидким ядром в центре. Это приводит к тому, что внутреннее давление, которое увеличивается по ходу нарастания льда со стороны жидкого ядра, передается на стенки сосуда через твердое тело – лед. Автоматизация измерений данных в ходе экспериментов производилась с использованием прецизионного преобразователя сигналов ТС и ТП «Теркон». С его помощью производится измерение и регистрация температур внутри и на внешней стороне стенки сосуда, температуры окружающей среды и давления внутри сосуда. Для обеспечения электрического контакта с образцами во всех экспериментах использовался медный провод диаметром 1,5 мм.
Испытания зимнего чехла «Сахатент»
По данным некоторых натурных наблюдений вокруг буронабивных свай при температуре грунта –1.20С –2 0С радиус оттаивания достигает 0.81 м, вокруг буроопускных в 23 раза меньше [42]. Соответственно увеличивается срок смерзания буронабивной сваи с вечномерзлым грунтом основания. При более низких температурах грунтов вечномерзлой толщи радиус оттаивания и время восстановления температурного режима должны быть значительно меньшими.
Как известно, процесс затвердевания бетона при устройстве буронабивных свай сопровождается реакциями гидратации, гидролиза и обменного взаимодействия между твердой и жидкой фазами бетонной смеси [69]. В процессе саморазогрева бетона (экзотермии) происходит повышение его температуры до значений 3040 оС, что обуславливает интенсивное оттаивание грунта вокруг буронабивных свай в радиальном направлении на величину, зависимую от температуры грунта. Максимальное повышение температур наблюдается в первые сутки твердения в центре буронабивной сваи. Между центральной частью сваи и ее наружной поверхностью устанавливается резкий температурный градиент, который возникает за счет теплоотдачи в окружающий сваю грунтовый массив. Таким образом, наружные слои бетона за счет теплоотдачи в грунт остывают значительно быстрее внутренних, вследствие чего возникают тепловые напряжения в теле буронабивных свай, сопровождающиеся образованием микротрещин и перераспределением поровой влаги внутри тела свай, что обуславливает неравномерное по сечению распределение их прочности. Наиболее интенсивно процесс тепловыделения происходит в начале твердения, что позволяет бетону набирать прочность даже при характерных для мерзлых грунтов отрицательных температурах грунта (до –5 0С) за счет действия, так называемого, "эффекта термоса" без применения противоморозных добавок [11].
Обычные трех- и двухкальциевые силикатные портландцементы 50% теплоты, образующиеся при химических реакциях и сорбции воды поверхностью геля, выделяют за первые 1-3 сутки, около 75% – за 7 суток, 8391% – за 6 месяцев. Также есть данные различных авторов по теплоте гидратации цемента трехкальциевого алюминатного состава: 7 суток – 592 кДж/кг, 90 суток – 663 кДж/кг, 189 суток – 873 кДж/кг. Усредненные данные: 1 кг портландцемента выделяет при гидратации за первые 37 суток 145275 кДж или тепловыделение в сутки составляет 2040 кал/г (83.74 167.47 кДж/кг), за трое суток – 4570 кал/г (188.41 293.08 кДж/кг) [42].
Натурные наблюдения температурного режима грунта. Перед нами стояла задача осуществления мониторинга температурного режима грунта вблизи сваи после заливки ее бетоном, остывания и затвердевания для оценки влияния данного процесса на мерзлое состояние грунта в основании фундамента.
У нас есть опыт применения логгеров для измерения температуры грунтов [83, 51, 50, 52], которые подвергались влиянию специальных охлаждающих устройств [34]. При выполнении этих работ мы применяли дорогостоящие термокосы с интерфейсом находящимся над поверхностью грунта, который позволяет выгружать данные, не извлекая термокосу из скважины. В данном же случае требовался только однократный съем накопленных данных по окончанию наблюдений, что позволило не связывать логгеры общей шиной. Для проведения работ логгеры iBDL DS1922L-F5 объединялись по 8 штук в термокосу (рисунок 44) с интервалом в 1 м.
Две такие термокосы были помещены в две термотрубки, оборудованные возле свежезалитых бетоном буронабивных свай, 15 февраля 2013 года. Расстояние между термотрубкой и сваей составляло 40 см.
Все логгеры были запрограммированы таким образом, что регистрация температуры происходила через каждые 3 часа. Для извлечения данных из памяти логгера используется переносной транспортер данных IBransporter [29] (рисунок 46). Из памяти транспортера при помощи USB порта данные переносятся на персональный компьютер. Далее, оператор обрабатывает полученные файлы и создает конечный отчет в виде графиков, представляющих зависимость изменения температуры от времени в зависимости от глубины.
Рисунок 46 - Переносной транспортер данных iBransporter На рисунке 47 представлены результаты измерений в одной из скважин с 21 февраля 2013 года по 29 марта 2013 года.
Известно, что для правильного твердения бетона необходима положительная температура окружающей среды, в противном случае вода в растворе замерзнет и гидратация не произойдет должным образом [13, 37].
В нашем случае в составе смеси присутствуют противоморозные добавки. Однако, более низкие температуры грунтов у поверхности в холодное время года не могут быть компенсированы только за счет добавок. В момент заливки смесь имела температуру около 20 0С. С целью исключения возможности замерзания раствора применялся дополнительный разогрев смеси. Разогревающий элемент представляет собой электрод, находящийся под напряжением, который опускают в цемент на определенную глубину. В данном случае эта глубина составляла более 2 метров. Разогрев происходит до температур 400С..600С. Из графика видно, что логгеры зарегистрировали два таких цикла разогрева. Так как датчики были заложены уже после заливки цемента, первый цикл был зафиксирован не полностью. Влияние разогрева особенно явно продемонстрировал датчик, находившийся на глубине 1,4 м. На глубине 2,4 м характер кривой гораздо более сглаженный, на больших же глубинах температуры зарегистрированные логгерами почти одинаковы. Очевидно, что данная картина вызвана именно дополнительным разогревом верхней части сваи. В нижней же части видно только постепенное снижение температуры грунта нагретого за счет заливки теплой смеси. Через месяц после начала наблюдения датчик, находившийся на глубине 1,4 м., показывает температуру около -5 0С. Такая низкая температура объясняется влиянием низкой зимней температуры воздуха. На больших же глубинах температура стабилизируется около 00С. Здесь необходимо отметить, что типичные температуры в вечномерзлых грунтах в районе г. Якутска -20С..-50С. В данном же случае строительство велось в таликовой зоне, что объясняет полученные более высокие температуры грунта на глубине.
В целом полученные данные подтверждают, что процесс гидратации в данных условиях проходит без нежелательной преждевременной заморозки раствора, с соблюдением режима набора прочности сваи.
В то же время есть опасность того, что дополнительный разогрев и гидратация бетона, сопровождающаяся выделением тепла, могут значительным образом повлиять на мерзлое состояние окружающего грунта, а значит и его стабильность и в результате, несущую способность сваи. Поэтому в многолетнемерзлых грунтах весь процесс монтажа буронабивных свай и последующего их схватывания и набора прочности необходимо проводить при постоянном температурном контроле с регулированием мощности подогревающих элементов.