ДЕФЕКТОСКОПИЯ КРУПНЫХ КРИОГЕННЫХ ОБЪЕКТОВ С УЧЕТОМ ЭФФЕКТА
ЭФФУЗИОННО ИНДУЦИРОВАННОЙ
ВОДОРОДНОЙ НЕУСТОЙЧИВОСТИ СУПЕРИЗОЛЯЦИИ
FLAW DETECTION OF LARGE CRYOGENIC OBJECTS WITH REGARD FOR THE EFFECT OF EFFUSION INDUCED HYDROGEN SUPERINSULATION INSTABILITY
«Газовая энергетическая пауза», переживаемая на настоящем этапе человечеством является мощным стимулятором развития криогенной техники. Важным элементом любой криогенной системы является вакуумная теплоизоляция. Наиболее эффективной теплоизоляцией на данном уровне развития техники является суперизоляция. Имея существенные преимущества по величине передаваемого удельного теплового потока, суперизоляция обладает весьма большой уязвимостью в связи с резким снижением функциональных свойств при увеличении величины натекания в вакуумную полость. Очень важным элементом в поддержании высокой функциональной способности суперизоляции является ее диагностика. Крупные многотонные конструкции оболочек крупных криогенных объектов, находящиеся в условиях силового и термического нагружения подвержены процессам трещинообразования. Первичная дефектоскопия этих объектов осуществляется путем определения величины натекания в вакуумную полость. На основе сравнения величины потока с допускаемой величиной делается первичное заключение о пригодности криогенного объекта к дальнейшей эксплуатации. Как показали многолетние работы с крупными криовакуумными объектами такой метод дефектоскопии не всегда достоверен. Многолетние наблюдения за кинетикой остаточного давления и испаряемость криогенных жидкостей привели к следующему заключению. При определенных условиях эксплуатации в криовакуумных объектах может наблюдаться осцилляторный режим химических псевдоволн остаточной газовой среды, приводящий как вариации концентрации газовой среды, так и давления.
Прогнозирование водородной деградации стенок крупного криогенного резервуара является важной эксплуатационной задачей [1]. Конструкции крупных криогенных резервуаров имеют, как правило, сферическую форму. Сферы резервуара собраны из лепестков, днищ, накладок, опор, стоек, соединенных между собой посредством сварки. Все эти элементы выполнены из листового проката. Для дефектоскопии металла конструкции применяют ультразвуковой контроль, гамма-контроль, рентгенопросвечивание, а также проводят испытания на прочность и плотность. Повышенное содержание водорода в легированных сталях приводит к образованию в прокате таких дефектов, как волосовые трещины и повышенная центральная пористость, а в высоколегированных хромистых и кремнистых сталях образование свищей и газовых пузырей. При содержании водорода в легированной не более 2 мл./100 г. и нелегированной 3 мл./100 г. по всему сечению сталь становится нечувствительной к образованию флокенов и других дефектов. Получение такого низкого содержания водорода при существующей технологии выплавки стали проблематично. Его минимальное содержание обычно достигает 4-6 мл./100г. Концентрация диффузионного водорода в металле, из которого изготавливается кожух исследованных резервуаров при определенных условиях составляет 9,5-11,5см3/100г. Металл стенок криогенной емкости также содержит большое количество растворенного водорода. Водород перемещается под действием градиента напряжений в область дефекта: из зоны с меньшими напряжениями в зону с большими напряжениями. В результате, в зоне допускаемого дефекта увеличивается количество растворенного водорода и усиливается охрупчивание небольшой зоны материала, прилегающей к дефекту. Сварные швы являются зоной, где наблюдалась водородная деградация металла на практике с образованием сквозных трещин. Известные методы дефектоскопии (рентгеновский, акустический и т.д.) не всегда применимы. Кроме того, они ограничены по возможностям раннего прогнозирования применительно к криогенному резервуару с вакуумной теплоизоляционной полостью. Поскольку, при диагностике стенок криогенной емкости они предусматривают вскрытие кожуха резервуара. Вскрытие кожуха криогенного резервуара является дорогостоящей операцией и проводится в крайних ситуациях. Разработанная методика определения степени процесса порообразования, трещинообразования и безопасного срока службы крупного термоциклирующего криогенного резервуара позволяет дополнить известные методы дефектоскопии резервуаров [2]. Для некоторых периодов эксплуатации она может оказаться единственно возможной.
А.Л. ГУСЕВ
Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики (ВНИИЭФ), Институт ядерной и радиационной физики (ИЯРФ),
A.L.GUSEV 607190 Russia, Nizhni Novgorod region , Sarov, pr. Mira, 37 E-mail: gusev@vniief.ru
При эксплуатации очень большое внимание направлено на повышение двух важных характеристик: надежности и рентабельности. При увеличении срока эксплуатации и числа теплосмен криогенного резервуара важно гарантировать надежность эксплуатации. Необходимо также учитывать, что каждый резервуар имеет различную степень износа к определенному периоду эксплуатации. Для принятия правильной стратегии по выбору режима эксплуатации очень важно иметь аппарат, позволяющий получить интегральную информацию о техническом состоянии объекта. Спецификой большинства криогенных резервуаров является наличие вакуумного теплоизоляционного пространства окружающего внутреннюю криогенную емкость. Вакуум теплоизоляционных полостей крупных криогенных сосудов - великолепная информационная среда. По изменению спектра и величины газовыделений из стенок сосуда можно с большой точностью судить об уровне поврежденности изделия. Наличие информации об уровне поврежденности металлического объекта позволяет оценить его долговечность и определить тенденцию изменения его свойств [3].
В предлагаемой работе на основе термодинамического описания неравновесных систем с использованием формализма фазового пространства и многомерного фундаментального уравнения при наличии диффузии объяснены процессы химической неустойчивости, порождающей флуктуации в макроскопической системе. При этом, макроскопическая система состоит из большого количества частиц N — ^ и занимает макроскопический объем V — « при конечной плотности N/V . Кроме того, на систему направлено внешнее воздействие - в виде малых по величине флуктуаций диффузионного потока с изменяющейся по составу концентрацией донорного газа и паров воды. В работе рассмотрены малые и промежуточные по величине флуктуации наиболее эффективно отклоняющие систему от неустойчивого состояния.
В работе рассмотрены пространственные корреляции в рамках формализма тримолекулярной модели («брюсселятор»).
В работе рассмотрены и проанализированы накопленные к настоящему времени данные о протекании электросорбционных процессов в слоях экранно-вакуумной теплоизоляции (суперизоляции) крупных криогенных резервуаров. Периодические вариации концентрации эффузионного потока в связке электросорбционными процессами приводят к возникновению химических псевдоволн. В диффузионной системе с химическими реакциями информация передается с бесконечно большой скоростью, поскольку такая система относится к параболическому типу. Поэтому между скоростью изменения концентрационных параметров эффузионных потоков и вариацией термодинамических параметров в исследуемой термодинамической открытой макросистеме не наблюдается периодов задержки. Проанализировано влияние химических псевдоволн на испаряемость криогенных продуктов, а также на снижение степени безопасности термостатируемых объектов.
При исследовании неадекватной вариации испаряемости в идентичных криогенных резервуарах во время целенаправленного снижения концентрации водорода (Рис.1) в ярко выраженной водородной остаточной атмосфере обнаружены:
1. Эффект эффузионно индуцированной водородной неустойчивости суперизоляции (Effect of effusion induced hydrogen instability of the superinsulation (EIHIS)),
2. Эффект эффузионно индуцированной теплопроводной неустойчивости суперизоляции в криогенно-вакуумных объектах (Effect of effusion induced heat conduction instability of the superinsulation in cryogenic and vacuum facilities (EIHCIS)),
3. Эффект мультипликации количества десорбирующихся молекул водорода по отношению к величине натекающих молекул влажного воздуха в суперизоляции криогенно-вакуумных объектов (Effect of multiplication of the amount of desorbed hydrogen molecules (MADHM)).
остаточной атмосферой в вакуумной полости, где: а) - криогенный резервуар с подсоединенным к вакуумной полости химическим патроном на базе диоксида марганца палладированного; б) - картина изменения давления безводородной остаточной атмосферы в негерметичной вакуумной полости в течение суток; в) - картина изменения остаточного давления в водородной остаточной атмосфере негерметичного криогенного резервуара; г) - картина изменения давления водородной атмосферы с убывающей концентрацией водорода в вакуумной полости криогенного резервуара. Ряд 1 - картина изменения влажности окружающей среды во время проведения эксперимента; Ряд 2 и Ряд 3 - графики изменения давления в вакуумной полости, измеренные разнотипными датчиками давления.
Эффектами в теплоизоляции можно управлять. Для создания новых образцов теплоизоляции с высоким эксергетическим К.П.Д. и высокой степенью безопасности должны быть разработаны новые теплоизолирующие структуры и конструкции.
В процессе эксплуатации крупных криовакуумных объектов, как правило, при превышении межрегламентного периода теплоизоляции возникает процесс суточных колебаний остаточного давления и испаряемости криогенной жидкости. Рассматриваемые криогенные резервуары типа РС-1400/1,0 (водородные, азотные, кислородные) [4] имели незначительную атмосферную эффузионную течь, лежащую по величине в поле допуска. Вариации остаточного давления и испаряемости криожидкости происходят в таких теплоизоляционных полостях (ТИП) с выраженным симбатным по отношению к вариациям эффузионной составляющей атмосферной течи характером.
Однако, вариациям остаточного давления характерен режим мультипликации десорбционных
процессов по сравнению с расчетным эффузионным потоком. Воздействие н
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.