756

И.Л. Ким, К.Л. Кунц

Проблемнымидлягороданатекущиймоментиперспективувобластиводоснабженияитеплоснабженияявляютсявопросысниженияаварийностизасчетстроительства новых и реконструкции старых инженерно-технических объектов для обеспечения устойчивой работы жизнеобеспечивающих систем. Необходимо отметить, что в условиях Сибири, где отопительный сезон длится более полугода, очень важно проводить ремонтные работы в краткие сроки. Если авария произошла в зимний период, важно оперативно устранить повреждение, а затем летом произвести замену или качественный ремонт.

Внастоящеевремясуществуетширокийспектртехнологийпоремонтуиреновации пропускной способности действующих трубопроводных коммуникаций. Одна из технологий бестраншейного скоростного ремонта была разработана еще в 90-е гг. в СГУПСе.

Сущность технологии: продавливание специальной технологической растворной смесиспомещеннымивнеегерметизирующимиэлементамипотрубопроводувпределах аварийного участка. Участок ограничивается двумя ближайшими смотровыми колодцами или камерами. Раствор приготавливается на месте проведения ремонтных работизакачиваетсячерезпредварительноврезанныйпатрубоквначалеучастка.После окончания работ остатки раствора удаляются через аналогичный патрубок в конце (рисунок).

Схемаремонтногоучастка:

1 — колодцы сети; 2 — технологическиепатрубки; 3 —аварийное отверстие

Герметизирующийэлемент,попадаявзонувлиянияутечки,захватываетсяотделяющимся потоком и устремляется в отверстие, при этом хвостовик выполняет роль чувствительногопроводника,улавливающегодеформациюпотока,увлекаявотверстие за собой более тяжелое ядро. Герметизирующий элемент имеет каплевидную формуи содержитядро,покрытоепластичнымматериалом,котороеформируетсяизволокнистого материала в виде упругого узла. В аварийном отверстии оболочка элемента деформируетсяподдействиемизбыточногодавления,темсамымполностьюперекрывая повреждение. При этом герметизирующий элемент, вдавливаясь в повреждение, приобретает форму заклепки, а представляющая собой водонерастворимый материал технологическая смесь, попадая в затрубное пространство, отвердевает.

Местоположение аварийного отверстия по периметрупоперечного сечения трубы заранее спрогнозировать невозможно. Тогда очевидно, что для повышения вероятности заделки отверстия герметизирующие элементы должны быть равномерно распределены по живому сечению потока, а скорость их движения в потоке оптимальна. Опытным путем установлено, что при использовании воды как транспортирующей среды невозможно добиться стабильного положения элементов в потоке, потому что они скапливаются в верхней или нижней части трубы. Более реальным видится путь

201

ВестникСГУПСа.Выпуск28

транспортирования герметизирующего элементав средес большей вязкостью, так как силы внутреннего трения будут препятствовать быстрому перемещению элемента по вертикали. В связи с этим предложено транспортировать герметизирующий элемент в вязкойтехнологическойсмеси.Изучениепотенциальновозможныхрастворныхсмесей привело к выводу о целесообразности использования водозатворенных глиноцементных составов, которые относятся к структурным жидкостям, обладающим способностью удерживать во взвешенном состоянии твердые частицы большей крупности, чем частицы, входящие в состав данной среды.

Врезультатепредварительныхисследованийопределенпредпочтительныйсостав технологическойсмеси.Внеговходятследующиекомпоненты:портландцементмарки 400 и выше,Na-бентонитовыеглины. Вкачестведобавокиспользованы: для уменьшения срока схватывания — метасиликат натрия (жидкое стекло) и пластифицирующая добавка—полиакриламид.Глиноцементныйрастворпредставляетсобойсмесьмелко- фракционныхпорошков,поэтомуглиноцементныйсоставрассматривалсякаксмешанноевяжущее,асодержаниеводыврастворепредставлялосьводотвердымотношением (В/Т).Первоначальноопределялисьпредельныенапряжениясдвигаивязкостьсмесина капиллярномвискозиметре. Послечего определяли сроки схватывания смесей. Входе экспериментабылоотмечено,чтосоставысбольшимсодержаниемцементасклоннык расслаиванию, а это обусловливает неоднородность растворной смеси, в связи с чем предпочтениебылоотданоследующемусоставу(Г:Ц=1:1сВ/Т=0,9,сдобавлением 2-процентных водных растворов полиакриламида и жидкого стекла).

С учетом того, что технология особенно эффективна в зимний период, были проведены специальные исследования, в ходе которых установлено, что смесь сохраняет свои технологические свойства при температуре воды для ее приготовления от 2 до 60 °С. Общее снижение температуры по трактудвижения технологической смеси в процессе ее закачки в ремонтируемый трубопровод при температуре воздуха –30 °С составляет 2 °С.

Главными преимуществами являются: кратковременное отключение участка от потребителя, ликвидация всех повреждений в пределах ремонтируемого участка, низкая стоимость ремонтных работ.

Были проведены натурные испытания технологии на реальных объектах Новосибирска.За5летбыливыполненыработыпоустранениюаварийныхутечекнаболеечем ста участках сетей холодного и горячего водоснабжения и теплоснабжения. Работы велись на линиях диаметром от 50 до 400 мм, выполненных из стальных и чугунных труб.

Испытанияпозволяютзаключитьследующее.

1.Устранениеутечкиметодомбезвскрышногоремонтаспоследующейустойчивой работой более одного года состоялось на 75 % стальных и 50 % чугунных трубопроводов.

2.Состоявшаясягерметизациявбольшинствеслучаевсопровождаетсянадежными долговечным перекрытием аварийного отверстия. Повторная разгерметизация происходитраньше,чемчерезодингодпослепроизводстваремонтныхработ,какправило,на трубопроводах, пролежавших в земле более десяти лет.

3.Вскрытие отремонтированных, но вновь вышедших из строя участков показало, что неудовлетворительные результаты герметизации в основном имели место при наличии трещины в стенке труб или разгерметизации стыка чугунных труб.

202

И.Л. Ким, К.Л. Кунц

4.Установлено, что с увеличением расстояния от места ввода технологической смеси до сечения трубопровода с аварийной утечкой вероятность положительного результатагерметизацииуменьшается.

5.Более половины отремонтированных трубопроводов теплосетей и систем горячего водоснабжения проработали менее одного года. Разгерметизация их в основном имеламестов межотопительный сезон,что объясняется большимиперепадами температуры воды в теплосети по окончании отопительного сезона, опорожнением трубопроводов в летнее время. В этой связи очевидно, что метод безвскрышного ремонта указанных трубопроводов может рассматриваться лишь в качестве временной меры, обеспечивающей работоспособность сети до конца отопительного сезона.

6.Себестоимостьремонтных работнепревышала15–20%отсебестоимостиработ традиционными методами со вскрытием траншеи.

7.За период испытаний не было ни одного случая возникновения каких-либо побочных отрицательных явлений или осложнений в эксплуатации отремонтированных сетей.

8.Работа ремонтного комплекса на аварийном участке практически не создавала помех автодорожномуи пешеходномудвижению.

Вышеперечисленные результаты апробации делают технологию безвскрышного ремонта привлекательной с технико-экономической, экологической и санитарной точекзрения.

Библиографический список

1.Кунц К.Л., Ким И.Л. Ремонт трубопроводов без вскрытия траншеи // Вопросы водоснабжения и канализации. Инженерно-геологические условия и фундаменты транспортных сооружений в Сибири: Межвуз.сб.науч.тр.Новосибирск,1994.

2.КунцК.Л.,КимИ.Л.Особенностигерметизациитрубопроводоввзимнийпериод//Ресурсосберегающиетехнологии:Сб.науч.тр.Новосибирск:СГАПС,1997.

I.L.Kim,K.L.Kunts.SpeedEmergencyRepairofExistingPipelinesinWesternSiberia.

Thearticledescribestheessenceoftheoriginaltechnologyofemergencyrepairinunderground utilitieswithoutatrenchdug,anditsuseinSiberia.

Key words: pipeline accident, repair of pipelines, repair methods without dug trenches.

203

ВестникСГУПСа.Выпуск28

Плетнев ПетрМихайлович — доктор технических наук,профессор, член-корреспондент Сибирского отделения высшей школы РФ, Российской академии естественных наук. Автор более 200 научных работ,втомчисле15патентовиизобретений.

Руководительнаучногонаправления«Физикаструктурныхдефек- товифизико-химическиеосновыполученияфункциональныхкерами- ческихматериалов».

Е-mail: stаrikov@stu.ru

Рогов Иван Иванович — доцент, кандидат технических наук, заведующий кафедрой «Физика». Автор 140 научно-методических работ,втомчислепятипатентовиизобретений,четырехмонографий.

Область научных исследований — физика процессов старения керамических конденсаторов и электрофизических воздействий на процессыполученияспециальныхкерамическихматериалов.

Е-mail: rvi@stu.ru

УДК 666.654:546.43

П.М. ПЛЕТНЕВ, И.И. РОГОВ

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО МЕТОДА КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА СВЕТОПРОЗРАЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Изложены результаты неразрушающего оптического контроля качества светорассеивающих материалов. Показаны перспективность и преимущество оптического метода контроля изделий по их светопропусканию.

Ключевыеслова:применениеоптическогометода,оптическийметод,качество светопрозрачных материалов.

Всовременном материаловедении широко применяются различные физические методывыявленияповерхностныхиструктурных(объемных)неоднородностей(дефектов)какметаллических,такидиэлектрическихматериалов:оптические,акустические, рентгеноструктурные, методы электронной микроскопии, ядерного магнитного резонанса и т.д. Каждый из этих методов имеет свои особенности, область применения и экспериментальноеоформление.

Вряду перечисленных методов самым простым, пожалуй, является оптический метод,которыйнетребуетспециальнойподготовкиобразцаиявляется,вэтомсмысле, неразрушающим методом контроля. Единственное требование к материалу — это его прозрачностьвразличныхдиапазонахоптическогоспектра(видимом,инфракрасноми (или)ультрафиолетовом).

Можно выделить две группы материалов (и изделий из них), для которых целесообразен рассматриваемый метод.

1.Материалы,длякоторых оптическиесвойства(отражениесвета,светопропускание, светорассеяние, спектральныехарактеристики, поляризационныеэффекты)являются основными нарядус некоторыми другими физическими свойствами (механичес-

204

П.М.Плетнев,И.И.Рогов

кой прочностью, теплоизоляцией и т.п.). К такой группе материалов можно отнести различные виды оптических стекол, природные и искусственные драгоценные камни (алмаз,рубин),мрамор,изделияиздерева(бумага,картон),стеклопластикиипенопласты, полимерные органические пленки и др.

2.Материалы,длякоторыхглавнымиявляютсянеихоптическиесвойства,адругие физические характеристики (электрические, диэлектрические, пьезоэлектрические, магнитные,тепловые,например).Длятакихматериаловихсветотехническиесвойства (светоотражение, светопропускание, светорассеивание) представляют интерес лишь постольку,посколькуихможноувязатьсоструктурнымиособенностямиматериала,от которых во многом зависят и его основные свойства.

Например,материалыдляэлектроннойтехники,изготавливаемыепокерамической технологии(электроизоляционнаявакуумноплотнаякерамика,сегнетопьезокерамика, ферритовая керамика, сверхпроводящая керамика), — это поликристаллическиематериалысзернистойструктурой,вкоторойотдельныекристаллиты«спаиваются»между собоюстекловидной прослойкой;крометого,имеется значительноечисло закрытых и открытыхвоздушныхпор,пронизывающихтолщуматериала.Электрофизическиепараметрыдлятакихкерамик(удельнаяпроводимость ,диэлектрическаяпроницаемость , диэлектрическиепотери tg ,пьезомодуль d,магнитная проницаемость идр.)зависят отстепениихзернистостииобщейпористости,которые,всвоюочередь,определяются (длязаданногосоставаоксидов)технологическимрежимомспеканияисинтеза.Отэтих жефакторовзависитиинтегральныйкоэффициентсветопропускания (светопоглощения «к»), так как оптические свойства кристаллитной и стеклофаз, а также воздушных пор различны (различны показатели преломления).

Квакуумноплотнымкерамическимматериалам,используемымвэлектроннойтехнике, предъявляется высокий уровень требований. Многолетняя практика производства вакуумноплотной керамики ВК95-1, а также выполненные специальные исследования[1]поэтомувопросусвидетельствуютотом,чтоиспользуемыевнастоящеевремя показателиспеченности(объемнаямасса,пористость,усадка)изоляторов,подлежащих спаиванию с металлами, не дают необходимой информации о качестве материала.

Применение микроскопического анализа позволяет более объективно оценивать качество обожженных изделий. Однако этот метод является разрушающими трудоемкими,следовательно,непозволяетоперативноосуществлятьконтрольизделий.Поэтомупоисккомплексногопоказателякачестваспеченныхкерамическихизделийявляется важнойзадачейвтехнологиитехническойкерамики.Авторами[2–4]былапредпринята попыткапо решению этой задачи, при этомдля реальных керамических изделий были определены браковочные признаки спеченности по светопропусканию и разработаны устройства неразрушающего контроля. К сожалению, в 90-е гг. ранее полученные научно-техническиенаработкибылиутеряныиразрушены.Изучениювзаимодействия оптического излучения с керамическим материалом на предмет установления взаимосвязи светопропускания с параметрами его качества посвящены работы [5–7].

Физические основы и методика исследования

Световая волна, распространяющаяся в неоднородной среде (с наличием различных структурных образований), претерпевает энергетические изменения вследствие преобразования электромагнитной энергии волны в другие виды энергии.

Керамика, как оптическая среда, относится к сильномутным средам, для которых характерно многократное рассеяние света на оптических неоднородностях. Таковыми

205

ВестникСГУПСа.Выпуск28

в керамике являются кристаллы, поры, стеклофаза и включения, растворенные в стеклофазе. Кроме рассеяния ослабляющим фактором является поглощение. Выражения, описывающие ослабление за счет рассеяния или за счет поглощения, по форме совпадают и определяются в виде закона Бугера — Ламберта — Бера:

J = J0e–kd, (1)

где J — интенсивность света, прошедшего через вещество; J0 — начальная интенсивность падающего света на вещество; k — показатель поглощения или отражения; d — толщинаслоя вещества.

Поглощение и рассеяние света для многих веществ зависят от длины волны света, физико-химической природы и состояния вещества и не зависят от интенсивности света.Однимизважныхфакторов,определяющиххарактеррассеяния,являетсяотношение междудиаметром частиц неоднородностей d и длиной волны рассеяния света . В зависимости от величины d/ различают три случая.

1.Условие d << соответствует рассеянию света в совершенно чистых веществах, например в газах и жидкостях.

2.При условии d = имеет место дифракционное рассеяние. Рассеяние в этом случаеявляетсясложнойфункциейотразмерачастиц,длиныволнысветаипоказателей преломления.

3.Для больших частиц (случай d >> ) характерно рассеяние, при котором к дифракционнымэффектамприсоединяютсягеометрическиеэффекты,т.е.явленияотражения от поверхности частиц. Теория рассеяния света крупными частицами очень сложна, особенно для диэлектрических материалов. Показатель поглощения для диэлектриков невелик, однако уних может наблюдаться селективное поглощение света в определенной области спектра излучения, когда показатель резко возрастает, и проявляютсяширокиеполосыпоглощения.

Применительно к алюмооксидной керамике ВК95-1 размеры оптических неоднородностей могут составлять от 0,1 до 10,0 мкм, с различным структурным строением, плотностью,преломляемостью.Впервомприближениидлятакогообъекта,каккерамикабудетиметьместопреимущественнодифракционноерассеяние,посколькувеличина неоднородностей сопоставима с длиной волны светового диапазона. Используя выражения для оценки рассеяния света в атмосфере с учетом пропорциональности квадратичной функции числа частиц (и преломляемости среды) среднему числу последних, можно рассчитать суммарный коэффициент рассеяния для алюмооксидной керамики ВК95-1:

где N — среднее число частиц в единице объема.

Принимаякрайниеразмерыкристалловкорундаравными rmin =1,0иrmax =10,0мкм

и граничные длины световой волны min = 0,4 и max = 0,8 мкм, получаем, что для фиолетового диапазона ( min) коэффициент рассеяния k будет составлять 1,1·10–3 м–1, а

длякрасного( max)—k=6,0·10–4 м–1.Тоестьвдлинноволновомдиапазонеоптического излучения рассеяние на корунде меньше и, следовательно, светопропускание будет больше.

ПриисследованиисветопропусканиякерамикиВК95-1былииспользованыприбо- ры и светофильтры, позволившие охватить диапазон светового излучения от 400 до 800 нм.Вкачествеисточникаизлученияиспользоваласьлампанакаливания,фотопри-

206

П.М.Плетнев,И.И.Рогов

емникомслужиллюксметрЮ-16,спектральныйдиапазонизлучениязадавалсяисполь- зованием соответствующего светофильтра, установленного перед образцом (рис. 1).

Источник света

Световой фильтр Керамический образец Селеновый приемник Ю-16

Рис. 1. Принципиальная схема установки для изучения светопропускания керамики

РазноекачествокерамикиВК95-1задавалосьпараметрамиееструктуры,чтодости- галосьобжигомобразцоввинтервалетемпературот1 640до1 720°Свсредеувлажненного водорода.

Образцами для исследования служили керамические диски толщиной от 2,5 до 3,0 мм и диаметром от 20 до 35 мм или подложки толщиной около 2 мм и размерами 40 30 мм.Такая формаобразцапозволилаупростить методикуопределения светопропускания, а также определить на одних и тех же образцах значения таких показателей степени спеченности, как водопоглощение, объемная масса, открытая пористость, усадка,диэлектрическиехарактеристики.

Экспериментальные результаты и их обсуждение

Усредненныезависимостисветопропусканияипоказателейспеченностикерамики от температуры обжига представлены на рис. 2.

Рис. 2. Зависимости показателей спеченности и светопропускания керамики ВК95-1 от температуры обжига:

1 — водопоглощение; 2 — фототок; 3 — усадка; 4 — объемная масса; 5 — механическая прочность

207

ВестникСГУПСа.Выпуск28

Очевидно, что показатели спеченности керамики определяют ее структурные характеристики(микропористость,среднийразмеркристаллитов,содержаниестеклофазы), от которых во многом зависит и светопропускание. Эта связь отражена на рис. 3.

Рис. 3. Зависимости параметров структуры и светопропускания керамики ВК95-1 от температуры обжига:

1 — микропористость; 2 — величина кристаллов корунда; 3 — содержание стеклофазы; 4 — фототок

Содержаниестеклофазывобразцахприувеличениитемпературыобжигадо1 680– 1 700°Свозрастает(кривая3),априещебольшихтемпературахуменьшаетсязасчетее рекристаллизации. Прослеживается прямая связь светопропускания с величиной кристаллов корунда (кривая 2) и обратная связь с микропористостью (кривая 1). Влияние структуры и фазового состава керамики на светопропускание проявляется особенно четко при сравнении различных марок алюмооксидной керамики А-995 и ВК95-1. СтруктуракерамикиА-995являетсяоднофазной( -Аl2О3),аукерамикиВК95-1наряду с корундом присутствует магний-алюмосиликатная стеклофаза в количестве до 7 %.

Повышенное светопропускание керамики А-995 (меньшее светорассеяние) обусловлено ее однофазным кристаллическим строением с небольшим содержанием пор. Для керамики ВК95-1 ее пониженное светопропускание (большая степень рассеяния света)связанасмелкозернистойструктурой,наличиемстеклофазыибольшейпористостью.

МикроструктураобразцовкерамикиВК95-1,обожженнойприразличнойтемпера- туре, существенно различается по количеству основной кристаллической фазы — корунда и величины зерна, а также по содержанию стеклофазы и пор (табл. 1).

Светопропускание керамики зависит от неоднородностей материала, начиная от зернистости,легконаблюдаемойвоптическоммикроскопе,икончаясубмикронеоднородностями (внутрикристаллическая пористость, микротрещины и т.д.). Сложный характеризмененияпараметров,характеризующихструктурукерамикивзависимости от температуры обжига изделий, затрудняет установление строгого соотношения, отражающегосвязьэтих параметровсосветопропусканием.Однакочеткоустановленнаякорреляциясветопропусканиякерамикиспараметрамиееструктурыипоказателямиспеченностипозволяетконстатироватьреальнуювозможностьконтроляматериала спомощьюоптическогонеразрушающегометода.

208

П.М.Плетнев,И.И.Рогов

Таблица 1

Микроструктура алюмооксидной керамики ВК95-1, обожженной при разных температурах

* N-фаза, не идентифицированная, рентгеноаморфная.

Сравнение светопропускания испытуемых образцов с «эталонными» образцами, для которых диэлектрические параметры , tg и напряжение пробоя Uпр имеют оптимальные значения, позволяет, при выборе определенного критерия, проводить отбраковкудефектныхобразцовбезпредварительногоизмеренияихосновныхэлектрофизических параметров, причем этот процесс нетрудно автоматизировать.

Интересные данные получены при исследовании температурной зависимости диэлектрических свойств (tg и ) анализируемых образцов (рис. 4).

Диэлектрическаяпроницаемостькерамикиувеличиваетсясвозрастаниемтемпературы обжига образцов (см. рис. 4, а), что хорошо согласуется с данными, подтверждающими уплотнение материала. В то же время характер температурной зависимости образцов, обожженных при трех различных температурах, одинаков.

Значение tg при комнатной температуремало зависит от исследуемого интервала температуры обжига образцов (см. рис. 4, б), однако температурные зависимости tg обнаруживаютсущественноеихразличие,особенноэтозаметнопритемпературевыше 300 °С. Образцы, спеченные при более высокой температуре, характеризуются меньшими диэлектрическими потерями по сравнению с образцами, обожженными при низкихтемпературах.

Поскольку явления рассеяния и поглощения света зависят от соотношения длины волнысветаиразмеранеоднородностей,тонеобходимобылоисследоватьзависимость светопропусканияалюмооксиднойкерамикиотспектральногосоставаизлучения.Для

209

ВестникСГУПСа.Выпуск28

этогобылииспользованыобразцыкорундовойкерамикиразныхмарок:А-995—чисто корундовая, ВК95-1 и 22ХС — состав с наличием красящихся оксидов Cr2O3 и MnO.

Рис.4.Температурнаязависимостьдиэлектрическиххарактеристик(tg и )керамикиВК95-1, обожженнойприразныхтемпературах:

а—диэлектрическаяпроницаемость(на f =1МГц);б—тангенсугладиэлектрических потерь (на f = 1 МГц);

1—температура1 640°С;2—температура1680 °С;3—температура1720 °С(дваждыобжиг)

Приведенные в табл. 2 результаты светопропускания различных марок керамики свидетельствуют о выраженной избирательной способности к поглощению в зависи- мостиотспектраизлучения.Так,дляалюмооксиднойкерамикимаркиА-995,структура которойпрактическиполностьюсложенаизкристалловкорунда,измененияпоказателя поглощениясветаотспектральнойхарактеристикиизлучателямогутсоставлятьот450

до 180 м–1.

Таблица 2

Результаты изменения показателя поглощения керамики различных марок

У алюмооксидной керамики ВК95-1 показатель поглощения колеблется от 335 до 840 м–1, аукерамики 22ХС сдобавлением Cr2O3 и MnO — от 960 до 3 360 м–1. Важным является тот факт, что для всех исследуемых керамических образцов в диапазоне излучения = 500–570 нм (светофильтр ЖЗС-9) наблюдается максимум поглощения.

Влияниеструктурыифазовогосостава(см.табл.2)керамикипроявляетсяособенно четко присравнении результатовсветопропускания различных марок алюмооксидной

210