Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы эксплуатации трубопроводов и постановка задачи исследования 10
1.1. Традиции и тенденции развития технологий соединения трубопроводов 10
1.2. Материалы и типы соединяемых трубопроводов 12
1.3. Способы соединения трубопроводов 22
1.3.1. Механические способы соединения трубопроводов 22
1.3.2. Клеевые способы соединения трубопроводов 27
1.4. Способы соединения трубопроводов с использованием термоусаживающихся муфт 42
1.5. Прочность и надежность конструкций соединений трубопроводов 47
1.6 Заключение 52
Глава 2. Объекты и методы исследования 53
2.1. Характеристики исходных веществ 53
2.1.1. Эпоксидные композиции 56
2.2. Методы исследований и испытаний 57
2.2.1. Нестандартные методы исследований 58
Глава 3. Разработка рецептур, изготовление и исследование термоусаживающихся муфт из эпоксидных полимеров 62
3.1. Разработка рецептур для получения ТУМ. 62
3.2. Технология изготовления муфт на основе эпоксиполимеров 66
3.3. Исследование механических характеристик полимерных муфт 71
3.3.1. Определение жесткостных и прочностных характеристик муфт до дорнирования з
3.3.2. Определение жесткостных характеристик муфт после дорнирования 78
3.3.3. Определение жесткостных характеристик муфт после усадки (релаксации) 81
Глава 4. Экспериментальное определение свойств муфто клеевых соединений 84
4.1 .Муфто-клеевые соединения 84
4.2. Экспериментальная установка для испытания муфто-клеевых соединений 84
4.3. Методика испытания муфто-клеевых соединений 87
4.4. Испытание муфто-клеевых соединений 92
4.5. Определение модуля сдвига клеевого шва 93
4.6. Совершенствование способа соединения с использованием ТУМ 96
Глава 5. Расчет муфто-клеевых соединений 99
5.2 Расчет напряжений в случае упруго-пластического поведения клеевого соединения труба-муфта при сдвиге 99
5.2 Расчет муфт по теории предельного равновесия 108
5.2.1. Расчет толщины муфты по теории предельного равновесия 108
5.2.2 Расчет длины клеевого слоя (муфты) 111
5.2.3 Расчет длины и толщины муфты из условия равнопрочности соединения 112
5.2.4 Зависимости параметров муфты от физических характеристик материала муфты, давления, геометрических
параметров трубы 114
Общие выводы 119
Список литературы
- Способы соединения трубопроводов
- Методы исследований и испытаний
- Исследование механических характеристик полимерных муфт
- Методика испытания муфто-клеевых соединений
Введение к работе
Актуальность темы. Одним из важнейших факторов в обеспечении экономического и социального развития стран является наличие и эффективное использование энергоносителей. К основным задачам, обуславливающим реализацию этих требований, прежде всего относятся вопросы организации учета их расхода, транспортировки, эксплуатации инженерных и энергетических систем, а также использование ресурсосберегающих технологий.
В процессе эксплуатации трубопроводов (111) весьма актуальной является задача соединения и восстановления (ремонта) поврежденных участков. Для полиэтиленовых, полипропиленовых ТП широко применяются термоусаживающиеся муфты и фитинги из термопластов. Однако они не могут применяться в случае реактопластов и других материалов, что, обуславливает необходимость применения других надежных и эффективных технологий соединения ТП.
Из ряда известных технологических решений наиболее актуально применение клеевых технологий для соединения чугунных, пластмассовых, керамических, стеклянных и разнородных ТП.
Широкое использование клеев в авиа-, ракето-, судо— и приборостроении, нефтегазовой отрасли, строительстве и других областях техники объясняется рядом существенных преимуществ использования клеевых технологий перед традиционными способами соединения. Главное из них - возможность создания надежных, длительно и эффективно работающих в сложных условиях эксплуатации силовых соединений современных конструкций. Однако весьма сложны в технологическом исполнении соединения труб из разнородных материалов, их разработка весьма актуальна. Одним из наиболее технологичных и конструкционных решений этой проблемы является использование термоусаживающихся муфт (ТУМ) из реактопластов. Это применение обусловлено уникальным
комплексом ценных технологических и эксплуатационных свойств эпоксидных реагентов: высокая адгезия ко многим материалам, малая усадка в процессе отверждения, хорошие электроизоляционные свойства, химическая стойкость, высокая прочность и малая ползучесть под нагрузкой.
Цель работы: Разработка эффективных способов соединений ТП из разнородных материалов.
Научная новизна работы:
Разработаны и исследованы новые эпоксикаучуковые композиции для получения термоусаживающихся муфт с эффектом "памяти формы" и оптимизированы их составы.
Исследовано влияние лорнирования на свойства полимерных материалов, проведена оценка напряженно-деформированного состояния муфт, а также получены зависимости геометрических параметров (толщина и длина) муфты из условия равнопрочности муфто-клеевого соединения.
Разработан новый способ и технология получения неразъемных соединений труб: термоусаживающаяся муфта с центрирующей стеклопластиковой втулкой.
Практическая значимость работы:
Разработана клеевая технология соединения разнородных ТП с применением ТУМ из реактопластов.
Разработана методика испытания полимерных муфт.
Разработана Инструкция по применению созданных материалов и их апробирование в производственных условиях.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографии - 114 наименований. Изложена на 131 стр. текста, 15 таблиц, 31 рисунок..
В первой главе (литературный обзор) рассмотрены работы, описывающие тенденции развития технологий соединения ТП, начиная с
рассмотрения материалов и типов соединяемых ТП и завершая основными способами соединения ТП.
Рассмотрены достижения отечественных и зарубежных авторов в области соединения ТП: Фрейдина А.С., Агапчева В.И., Строганова В.Ф., Белошенко В.А., Шелудченко В.И., Васильева Ю.С., Вострова В.М., Позднышева B.C., Шашкина Г.Ф., Ехлакова СВ., Шапиро Г.И., Кершенбаума Л.М., Кагана Д.Ф. и др., в т.ч. с использованием клеевых технологий.
Проанализированы работы Николаева А.Ф., Сорокина М.Ф., Фрейдина А.С., Соколовой Ю.А., Хозина. В.Г., Строганова В.Ф., Кочергина Ю.С., Зайцева Ю.С., Бобрышева А.Н. и др., которые позволили сформулировать предпосылки к созданию материалов с широким спектром упруго-деформационных свойств, что обусловило возможность постановки задачи по разработке ТУМ для соединения ТП.
Во второй главе приведены данные по объектам, выбранным для исследований (эпоксикаучуки ПДИ-1К, ПДИ-ЗА и ПЭФ-ЗАГ, аминные и ангидридные отвердители и инициаторы отверждения), а также методам исследований и испытаний.
В третьей и четвертых главах изложены результаты разработки и исследования рецептур для изготовления ТУМ, условий их изготовления на стадиях заливки, дорнирования и выполнены экспериментальные исследования прочности муфто-клеевых соединений.
В пятой главе приведены расчеты муфто-клеевых соединений.
На основании исследований, получены зависимости геометрических параметров соединения (толщина и длина муфты) из условия его равнопрочности. Определены оптимальные геометрические размеры ТУМ в зависимости от видов и геометрических размеров склеиваемых материалов и видов клеев.
По теме диссертационной работы опубликовано 10 статей. Результаты докладывались на конференциях России, Украины. Получен патент РФ и
подана заявка на изобретение. Полученные ТУМ и технологии склеивания испытаны на двух предприятиях г.Казани.
Личный вклад автора заключается в непосредственном выполнении экспериментальных исследований, обработке результатов, участия в написании статей и практическом испытании разработанных материалов.
Способы соединения трубопроводов
Промышленное производство и применение труб из полимерных материалов началось практически одновременно в Европе, США и Японии в начале 50-х годов XX в. Они быстро завоевали рынок стальных труб, так как они весили в 3-5 раз меньше, легко соединялись и, главное, не ржавели. В последующие годы объемы их производства непрерывно росли и к 1985 г. в передовых экономически развитых странах стали сравнимы с объемом выпуска стальных труб [3].
Полимерные трубы нашли широкое применение в первую очередь при строительстве и капитальном ремонте систем холодного и горячего водоснабжения, отопления жилых и общественных зданий. На рынок труб для водоснабжения и отопления в странах центральной Европы они проникают постепенно с годовым темпом роста около 8 % в конкуренции со стальными, медными и латунными трубами. Наибольший объем применения труб из полимерных материалов (%) наблюдается в Швейцарии — 70, Финляндии. - 51, Германии - 46, Норвегии - 42, Венгрии - 32, Чехии и Словакии - 28, Польше - 8.
До 2010 г. ожидается дальнейшее вытеснение металлических труб из систем водоснабжения и отопления жилья. Предполагается, что наиболее развивающиеся рынки ПТ будут в Польше, Чехии, Англии, Бельгии, Франции и России.
Материалы на основе полимеров, способные под влиянием нагревания и давления формоваться, а затем устойчиво сохранять (в результате охлаждения или отверждения) приданную им форму, широко используются для производства труб и соединительных деталей, пластмассы по типу полимерных соединений подразделяются на» термопластичные и термореактивные (термопласты и реактопласты).
К группе термопластов, наиболее широко применяемым для изготовления ПТ, относятся полимеры, которые при нагревании переходят в пластическое состояние и могут перерабатываться методами экструзии, литья под давлением. Они представлены большим ассортиментом термопластичных полимеров: полиэтилены, получаемые при высоком, среднем и низком давлениях, и их сополимеры с другими полиолефинами, а также радиационно или химически сшитый полиэтилен; полипропилены гомополимер, блоксополимер, статистический сополимер (рандом сополимер); полибутен; поливинилхлорид, хлорированный поливинилхлорид; фторполимеры.. После переработки в изделия свойства термопластов не изменяются.. Они могут быть подвергнуты вторичной переработке аналогичными методами.
К группе реактопластов относятся полимеры, которые в процессе формования в изделие отверждаются (сшиваются) и, в отличие от термопластов, теряют способность к повторному формованию. Обычно реактопласты в чистом виде не применяются, а используются в качестве компонентов композитных материалов в сочетании со стеклянными, углеродными, полимерными и другими волокнами. Наиболее широко применяются для изготовления стеклопластиковых труб эпоксидные и полиэфирные смолы [2,3], отверждающиеся различными способами.
Как известно, свойства полимеров определяются их структурным строением и зависят от количества мономерных звеньев, т.е. от длины цепи, типа и количества радикалов, их взаимного расположения.
Из многообразия свойств полимеров, в плане эксплуатационных возможностей, следует выделить два: высокую химическую стойкость и особенность старения полимеров под воздействием нагрузок, температуры транспортируемой и окружающей среды, что и является определяющим в изменении свойств во времени.
Между звеньями макромолекулярной цепи действуют валентные (химические) связи, определяющие прочностные свойства полимеров. Кроме них действуют силы межмолекулярного взаимодействия, которые значительно слабее сил химического взаимодействия в самой цепи, что предопределяет одно из важнейших свойств полимеров - способность к значительным деформациям без нарушения целостности материала. С повышением температуры силы межмолекулярного взаимодействия ослабевают, характер деформации меняется; из обратимой она становится пластической. При последующем понижении температуры деформативность термопласта вновь приобретает обратимый характер.
Способность термопластов к значительным деформациям при нагревании без разрушения используется не только, как отмечалось выше, при изготовлении изделий и полуфабрикатов способами экструзии (непрерывного выдавливания), литья под давлением, деформирования (формования) заготовки, но также способом сварки. Однако это технологическое достоинство является и недостатком — поскольку при повышении температуры свойства термопластов как конструкционного материала резко снижаются и они теряют способность сопротивляться действию внешних силовых нагрузок.
Учитывая свойства полимеров отметим, что целесообразность применения ПТ обусловлена свойствами, выгодно отличающими их от металлических: они достаточно прочны и эластичны, не подвержены коррозии, обладают высокой химической и водостойкостью, малой массой, низкой теплопроводностью, малым гидравлическим сопротивлением жидкостям. Кроме того, монтаж ПТ более прост, так как пластмассовые трубы в 5-10 раз легче равных им по размеру металлических, легко режутся, гнутся, поддаются сварке (полиолефины) или склеиванию (поливинилхлорид). Процесс производства труб из термопластов методом экструзии прост, производителен [7] и, с точки зрения затрат энергии, более выгоден, чем производство металлических труб: на Г т полимерных труб расходуется в 3-7 раз меньше энергоресурсов, чем на 1 т металлических.
Методы исследований и испытаний
Одним из способов соединения полимерных ТП является способ с использованием гладких стеклопластиковых муфт, внутренний диаметр которых на 1,5-3 мм превышает величину допуска на наружний диаметр соединяемых труб [15], для обеспечения центровки на внутренней стороне муфты вдоль её оси прокладывают и закрепляют 4-6 прутков проволоки, причем диаметр проволоки подбирают так, чтобы муфта могла без люфта перемещаться вдоль трубы с последующим заполнением зазора пеноадгезивом.
В настоящее время в России и других странах эксплуатируется ряд ТП, монтаж которых осуществлен с помощью полимерных клеев [16-18]. При эксплуатации ТП в результате коррозионного, эррозионного разрушения образуются повреждения: раковины, трещины, свищи. Как правило, эти повреждения обнаруживаются внезапно и требуют их немедленного устранения. До настоящего времени наиболее распространенным способом устранения таких повреждений все же является сварка. Однако, кроме отмеченных выше недостатков соединения и ремонта с применением сварки, следует иметь в виду и пожароопасность (в случае транспортирования взрыво- и пожароопасных сред), а также длительность и трудоемкость подготовительных работ. Применение в таких условиях полимерных клеевых композиций значительно упрощает технологию ремонта, снижает его стоимость и повышает безопасность работ.
При соединении металлических ТП и др. изделий применяют достаточно большое количество клеев на основе эпоксидных, фенолформальдегидных, кремнийорганических, полиуретановых, полиэфирных смол и связующих на их основе. Каждый из перечисленных клеев отличается по свойствам и имеет свое целевое назначение. Выбор клея определяется, прежде всего, конструкцией склеиваемого изделия (соединяемые субстраты, их форма), требованиями по его изготовлению (ремонту) и условиями эксплуатации. Анализ свойств известных клеев для металлов показывает, что по технологичности, физико-механическим показателям для этих целей наиболее подходят эпоксидные клеи [17-23].
Эпоксидные клеи (ЭК) представляют собой композиции, в состав которых входят не только смола и отвердитель, но и модификаторы, наполнители, растворители. Их химический состав разнообразен [24,т.3,с.983], что определяет различие в физико-механических и технологических свойствах [21,25-28,33]. Одно из важнейших свойств эпоксидных клеев - наличие высокой адгезионной прочности в широком интервале температур. Отличительным свойством ЭК от ряда других, например, акрилатных, обладающих также достаточно высокой адгезией, является малая усадка при отверждении, что способствует образованию клеевых пленок с относительно невысоким уровнем напряжений. Эпоксидные клеи имеют хорошие технологические характеристики и могут использоваться как в жидком, так ив твердом состоянии (порошковые, прутковые и пленочные клеи). При проведении монтажных и ремонтных работ, особенно в полевых условиях, наибольшее применение нашли ЭК с умеренной температурой отверждения (40-80С) и клеи "холодного" отверждения (без подвода тепла). В качестве основы смоляной части для приготовления таких клеев применяются низкомолекулярные эпоксидиановые смолы марок ЭД-22, ЭД-20 и ЭД-16 [29,31], отверждаемые отвердителями [28,31-32]: диэтилентриамин (ДЭТА), триэтилентетрамин (ТЭТА), полиэтиленполиамин (ПЭПА), низкомолекулярные полиаминоамидные олигомеры. При отверждении протекают не только реакции взаимодействия эпоксидных групп с первичными ( -NH2 ) и вторичными ( =NH ) аминогруппами, но и побочные реакции между эпоксидными и гидроксильными группами в присутствии третичных аминов.
Кроме алифатических аминых отвердителей достаточно широко используется, в том числе при склеивании по влажным поверхностям, более реакционноспособные отвердители со смешанными функциями - типа АФ-2 и УП-583 [25,28,34].
К недостаткам эпоксидно-аминных клеев следует отнести их хрупкость [28,32]. Причины и пути устранения их недостатков решаются многими исследователями, что нашло отражение во многих монографиях и публикациях [25,28,30-33,35]. Наиболее эффективными путями повышения эластичности эпоксидноамииных полимеров и клеев является их химическая модификация [31,35].
На первых этапах модификации ЭП в период 1950-80гг. для снижения хрупкости и уменьшения остаточных напряжений в составе клеев и композиций наиболее широко использовали пластификаторы [21]: дибутилфталат (ДБФ), трикризилфталат (ТКФ), жидкие низковязкие тиоколы (НВТ, НВБ и др.), полиэфиры (МГФ-9, ТТМ-3, ТТМФ-11 и др.). Для удобства практического применения предприятиями освоен выпуск пластифицированных компаундов (смоляной части) К-153, К-115, К-157 и др., которые служат основой при изготовлении клеевых композиций. К недостаткам таких пластифицированных клеев следует отнести снижение теплостойкости, возможность потери эксплуатационных характеристик (водостойкости, прочности и др.) при выделении (миграции, вымывания и пр.) из отвержденных клеев неактивных, химически не связанных с полимерной матрицей пластификаторов, не содержащих реакционноспособных функциональных групп.
Исследование механических характеристик полимерных муфт
Для выбора исходных материалов использована конструктивная идея сочетания алифатических и ароматических фрагментов [45] при формировании эпоксидных полимеров, обеспечивающих свойства термоусаживаться [76]. В качестве составляющей, включающей алифатические (эластичные) фрагменты, нами предложен ряд реакционноспособных эпоксикаучуков (разд.2.1.1), так как известно, что введение каучуков в ЭП оказывает существенное влияние на их упруго-деформационные и релаксационные свойства [101-103]. Аналогично были применены отвердители, содержащие ароматические и алифатические фрагменты (разд.2.1.1) [104-107].
Для выбора базовой рецептуры ЭП нами рассмотрены варианты композиций: (A(I-IV), B(I-IV), B(I-IV), Г(І-ІУ), Д(ЫУ), E(I-IV), Ж(НУ), 3(1-IV), ЩІ-IV), отличающихся отвердителями: для А(1)....A(IV), Г(1)... .Г(1 V), Ж(І)....Ж(ІУ)- отвердитель УП-583Д; для B(I)„..B(IV), Д(1), .... Д(1У), 3(I)....3(IV) - отвердитель ТЭАТ; для B(I)....B(IV), E(I)....E(IV), И(І)... .H(IV) - отвердитель Изо-МТГФА с ускорителем УП-606/2.
Композиции содержали различные низкомолекулярные эпокси-каучуки: в композициях A(I)-A(IV), B(I)-B(IV), B(I)-B(IV) - каучук (ПЭФ-3 АГ); Г(І) - T(IV), Д(І)-Д(ІУ), E(I)-E(IV) - каучук (ПДИ-ЗА); Ж(І)-Ж(ІУ), 3(1)-3(IV), И(І)-ЩІУ) - каучук (ПДИ-1К).
Для определения строения и свойств полимеров, на основании данных ТМА, определяли уровень физико-механических свойств (табл.3.1): температуру стеклования Тс и характеристики технологичности полимера
Установлено, что стабильный эффект термоусадки обеспечивается при содержании в жесткой матрице 15-25% ЭК, при значениях молекулярных масс эпоксиполимеров в интервале 1200-1900кг/кмоль. В качестве отверждающей системы могут использоваться как отвердители аминного: УП 583-Д (ОТ-1), ТЭАТ (ОТ-2), так и ангидридного: изо-МТГФА (ОТ-3) отверждения, в зависимости от поставленной задачи. Это позволило разработать ассортимент полимерных материалов с широким интервалом температуры стеклования.
Молекулярная масса применяемых эпоксикаучуков ПДИ-ЗА (ЭК-1), ПДИ-1К (ЭК-2) и ПЭФ-ЗАГ (ЭК-3) варьировалась в диапазоне: (1500-4000).
Полученные эпоксидные полимеры имеют достаточно высокий диапазон (ТСС) от 50 до 125С, что достигалось нами при изменении количества каучуков и отвердителей (рис.3.1).
Изменение строения и структуры полученных ЭП позволили нам в широком интервале изменять и упруго деформационные характеристики (рис.3.2).
Для получения качественных полимерных муфт усовершенствована конструкция и изготовлена полностью разборная пресс-форма, в которой муфта отверждается в кольцевом зазоре (рис.3.3), по заданному технологическому режиму.
Муфты изготавливали методом заливки полимерной композиции в предварительно смазанные кремнеорганическим вазелином (КВ-1) пресс формы. После заливки композиции в форму ее нагревали по a) ЗО 1-ЭК1 2-ЭК2 3-ЭКЗ
Схемы деформирования и снятия полимерной муфты 1-опорная плита, 2-дорн, 3-втулка, 4-полимерная муфта технологическому режиму, описанному выше (разд.2.1.1). После отверждения композиции и охлаждения муфты ниже температуры стеклования Тс полимера, форму разбирали и полимерную муфту 6 снимали с сердечника при помощи гидравлического пресса и специальной трубчатой оправки. Затем форму вновь очищали от разделительной смазки, смазывали вазелином KB-1, подготавливая ее к последующему использованию. Для определения оптимальных условий технологичности определяли: вязкость композиции на визкозиметре Гепплера, технологическую жизнеспособность (по обрыву нити), температуру интервала переработки композиций для обеспечения качественных изделий (муфт).
Анализ технологичности композиций позволил установить, что композиции А(1)....A(IV), Г(1)... .Г(1У), Ж(1)... .Ж(ГУ) на основе отвердителя УП-5 83Д наименее пригодны для заливки. Это обусловлено их высокой вязкостью и малой жизнеспособностью. В связи с этим невозможно осуществить предварительный нагрев компонентов, снижая их вязкость. С увеличением содержания эпоксикаучуков вязкость композиции уменьшается, что обеспечивает возможность наиболее удобной заливки композиции в форму. Наиболее технологичными и применимыми для заливки являются композиции B(I)....B(IV), E(I)....E(IV), H(I)....H(IV) на отвердителе изо-МТГФА, имеющюю низкую вязкость, что обеспечивает заливку в форму без вакумирования, в отличии от композиций Б(1)....Б(1У), Д(1), Д(1У), 3(I)....3(IV) при использовании отвердителя ТЭАТ. С целью поиска оптимальных режимов отверждения (глава 2) определяли степени отверждения ЭП (муфт) методом золь-гель анализа (экстрагированием растворимых в ацетоне и хлороформе соединений, в аппарате Сокслета). Для получения сопоставимых результатов физико-механических свойств проводили доотверждение образцов ЭП для получения предельно отвержденных ПМ.
Для придания муфте эффекта "памяти формы" использовали оснастку (рис.3.4а), позволяющую осуществить процесс ее деформирования (раздачи) с увеличением диаметра (Do Di, где Do-внутренний диаметр заготовки до деформирования, Di-после деформирования). Деформирование выполняли следующим образом: нагретую до температуры ТС муфту одевали на утолщенную часть дорна, а съем деформированной муфты, после снижения температуры ТС, производили путем перемещения дорна относительно опорной плиты (рис.3.46).
Методика испытания муфто-клеевых соединений
При испытании МКС на осевое сжатие использовали приспособление (рис.4.4б), которое устанавливали на нижнюю плиту 2 установки (рис.4.2) и с помощью гидродомкрата 5 или винтового домкрата 6 создавали осевое усилие через шарик 4 (рис.4.4б) на оправку 2, в результате чего в муфте 3 возникают продольные и окружные деформации, которые регистрируются с помощью электротензометров 5 или индикаторов часового типа (не показаны).
При испытании МКС на кручение использовали приспособление (рис.4.5.а), включающее: основание 1, шток 2, крепящий оправку 4 в основании 1.
Собранное устройство (рис.4.5а) устанавливали и закрепляли на нижней плите 2 установки (рис.4.2). На оправку 4 (рис.4.5а) закрепляли двухплечии рычаг 38 (рис.4.2) с подпятниками 39 (рис.4.2). Крутящий момент в МКС создавали при помощи гидродомкратов 41, закрепленных на стойках 4 через основание 37, подпятники 39, шарики 40 и двухплечии рычаг 38.
При испытании образцов на изгиб использовали остнастку (рис.4.5б), состоящюю из: основания 1, штока 2 крепящего оправку 4 в основании 1. Один из гидродомкратов 41 демонтировали, а другой устанавливали в средней части основания 37 до пересечения с осью исследуемого образца, после чего производили нагружение.
Таким образом, разработанный и примененный набор устройств, приспособлений, остнастки позволил обеспечить проведение комплексных исследований МКС ТП. 4.4. Испытание муфто-клеевого соединения при действии осевого сжатия
Для выяснения влияния материалов труб (субстратов), способов обработки их поверхностей и типов используемых клеев определены средние значения разрушающих напряжений при сдвиге (гв) (табл.4.1). Испытания МКС при сдвиге производили с использованием устройства (рис.4.16) при скорости движения толкателя порядка 10 мм/мин. Рассмотрено два варианта клея: выбранный нами серийно выпускаемый одноупаковочный клей УП 16-06 и опытный Украинский клей (ОУК) [78].
Вид обработки: о-обезжиривание п-опескоструивание Как видно, в зависимости от склеиваемых субстратов разрушающие напряжения различны: на клее УП16-06 значения разрушающих напряжений превышают значения клея-аналога для всех рассмотренных субстратов.
Таким образом, в МКС на основе разработанных ЭПмуфт уровень разрушающих напряжений не уступает аналогу. Необходимо отметить, что результат достигнут на серийно выпускаемом одноупаковочном клее.
Для проведения расчетов МКС определяли модуль сдвига клеевого шва. Наиболее распространены испытания на сдвиг при растяжении металлов внахлестку. Подобные методы стандартизованы во многих странах, однако небольшие различия в толщине склеиваемых материалов, длине нахлестки, ширине образца [112] не позволяют сравнивать результаты испытаний. В основном это связанно с тем, что при приложении нагрузки к нахлестке эксцентриситет и жесткость металла сильно влияют на определяемые значения максимальных напряжений и, соответственно, разрушающих напряжений. Известно также, что изменение расстояния между захватами испытательной машины довольно значительно влияет на результаты испытаний материалов из-за, так называемых, концевых эффектов. Подобные эффекты исчезают на расстоянии от места зажима равном b=(E/G) , где Ь- максимальный поперечный размер образца, Е-модуль упругости, G- модуль сдвига.
Равномерный отрыв (определение модуля упругости клеевого шва). Определение: деформативности и упругих постоянных (модулей сдвига, упругости, коэффицентов Пуассона) клеевого шва связанно с определенными трудностями, поскольку толщина клеевой прослойки значительно меньше толщины склеиваемого материала. Из прямых опытов (диаграммы напряжение-деформация) может быть определен модуль сдвига GK и несколько сложнее может быть определен модуль упругости Ек. Значение коэффициента Пуассона определяют по известному соотношению между GK и Ек для анизотропных материалов.
С целью повышения точности измерения путем увеличения доли деформации клеевого шва при сдвиге соединений пластин внахлестку может применяться специальный многослойный образец (метод стандартизирован). Для определения модуля сдвига клеевого шва GK использовали устройство (рис.4.6а), которое позволяет разместить индикаторы часового типа 3 непосредственно на образце. Модуль сдвига клеевого шва GK определяется по формуле: Gk = т/ик; T = P/S; vk=\lHk\td-Pl2b{HmJl0Gm+llHxEm)\ где Т - среднее напряжение, иК - относительный сдвиг, Нк - толщина клея, / - длина клеевого шва, А/ - удлинение клеевого шва, 2к — число пластинок толщиной hmi # Для определения модуля упругости клеевого шва Ек применяли образец (рис.4.6б). Модуль упругости клеевого шва находили по формулам: Ек=а/єк; = 4Р/(я02); sk=(l/Hk)[AH0-Hm(a/Em)l где ст - среднее напряжение, єк - деформация клеевых швов, &Н0 удлинение базы измерения деформации образца в направлении действия усилия. По установленным в эксперименте значениям GK и Ек находили коэффициент Пуассона клеевого шва по формуле: vk = (Ek/2Gk)-L Для клея УП. 16/06, используемого при проведении эксперимента, определены модули сдвига, упругости и коэффициент Пуассона (см.табл.4.2). Рекомендуемые клеи для склеивания металлических образцов и стеклопластиков приведены в табл.4.2
