Способ испытаний на газопроницаемость образцов материалов, работающих при повышенных температурах и перепаде давления Российский патент 2023 года по МПК G01M3/00 

Изобретение относится к области испытательной техники, в частности, к испытаниям на газопроницаемость образцов материалов, работающих при повышенных температурах, с возможностью последующей оценки негерметичности корпусов спускаемых аппаратов пилотируемых космических кораблей, которые испытывают высокотемпературные нагрузки при спуске с орбиты, а также может найти применение в тех областях техники, где предъявляются требования к герметичности замкнутых объемов, работающих при повышенных температурах и перепаде давления.

Известен способ испытаний на газопроницаемость образцов материалов, работающих при повышенных температурах и перепаде давлений между давлением, близким к атмосферному, с одной стороны образца и вакуумом с другой стороны образца, включающий в себя размещение образца материала в виде диска с диаметром D и толщиной d при соотношении D/d=(40…60) в разборной камере с герметичными вакуумируемой измерительной полостью и полостью наддува, герметизацию образца материала между упомянутыми полостями, нагрев разборной камеры с размещенным в ней образцом материала, вакуумирование измерительной полости, создание испытательного давления смеси пробного газа и воздуха в полости наддува и измерение в измерительной полости разборной камеры парциального давления проникающего через образец пробного газа.

Способ описан в статье «Результаты исследований свойств углепластиков на основе различных полимерных связующих, перспективных для изготовления конструкций космической техники», Аккуратов И.Л., Алямовский А.И., Виноградов А.С., Герасимова Т.И., Земцова Е.В., Кириллов С.В., Копыл Н.И., Магжанов P.M., Сеньковский А.Н., Соколова С.П., Щербаков Э.В. Космическая техника и технологии, №1(20)/2018, стр. 62 - 66». Этот способ принят авторами за прототип.

Недостаток данного способа заключается в том, что он не учитывает значение времени переходного процесса нагрева образца материала от комнатной температуры до требуемой температуры испытаний, что влечет за собой с одной стороны снижение точности и достоверности измеряемых величин газопроницаемости (при неравномерном нагреве), а с другой стороны увеличивает продолжительность испытаний в целом.

Задачей изобретения является создание эффективного способа испытаний на газопроницаемость образцов материалов, работающих при повышенных температурах и перепаде давления, а также снижение общего времени, затрачиваемого на испытания.

Техническим результатом изобретения является повышение точности и достоверности измеряемых величин газопроницаемости образцов материалов и снижение общего времени, затрачиваемого на испытания.

Технический результат достигается тем, что в способе испытаний на газопроницаемость образцов материалов, работающих при повышенных температурах и перепаде давлений между давлением, близким к атмосферному, с одной стороны образца и вакуумом с другой стороны образца, включающим в себя размещение упомянутого образца материала в виде диска с диаметром D и толщиной d при соотношении D/d=(40…60) в разборной камере с герметичными вакуумируемой измерительной полостью и полостью наддува, герметизацию образца материала между упомянутыми полостями, нагрев разборной камеры с размещенным в ней образцом материала, вакуумирование измерительной полости разборной камеры, создание испытательного давления смеси пробного газа и воздуха в полости наддува и измерение в измерительной полости парциального давления проникающего через образец пробного газа, перед размещением упомянутого образца материала в разборной камере устанавливают датчики температуры непосредственно на его поверхности, по крайней мере, в трех точках, причем один из упомянутых датчиков устанавливают в центре образца материала, после герметизации образца материала выполняют предварительный проверочный нагрев разборной камеры с образцом материала и установленными датчиками до требуемой температуры испытаний с помощью установленных параллельно оси разборной камеры и симметрично относительно упомянутой оси нагревателей, работающих с заданной потребляемой мощностью, при этом измеряют значение времени переходного процесса нагрева образца материала от комнатной температуры до требуемой температуры испытаний по показаниям датчиков температуры в пределах их погрешности измерений при заданной потребляемой мощности нагревателей, после чего размещение упомянутого образца материала в разборной камере осуществляют без размещения датчиков температуры на поверхности образца материала и после герметизации образца материала выполняют нагрев разборной камеры с образцом материала с помощью упомянутых нагревателей, работающих с той же заданной потребляемой мощностью, что и при предварительном проверочном нагреве, а вакуумирование измерительной полости, создание испытательного давления смеси пробного газа и воздуха в полости наддува и измерение в измерительной полости разборной камеры парциального давления проникающего через образец пробного газа выполняют по истечению ранее измеренного значения времени переходного процесса нагрева образца материала от комнатной температуры до требуемой температуры испытаний при заданной потребляемой мощности нагревателей.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами - таблицами 1-3 (фиг.1-3).

На фиг.1 представлена таблица 1 с результатами испытаний по измерению времени переходного процесса равномерного нагрева образца углепластика на основе фталонитрильного связующего (углеродная ткань марки ВТкУ-2.200 (ТУ 1-595-11-1615-2016) + фталонитрильное связующее ВСН-31 (ТУ 1-595-12-1376-2013).

На фиг.2 представлена таблица 2 с результатами испытаний на газопроницаемость образцов углепластика (3 шт. ) на основе фталонитрильного связующего (углеродная ткань марки ВТкУ-2.200 + фталонитрильное связующее ВСН-31) при температурах 20, 50, 90, 150°С.

На фиг.3 представлена таблица 3 с результатами испытаний на газопроницаемость образцов углепластика (3 шт. ) на основе термопластичного связующего полиэфирэфиркетона УПЭЭК-1 (углеродная нить UMT49S + полиэфирэфиркетон (ПЭЭК-121П) при температурах 20, 50, 90, 150°С.

Способ испытаний на газопроницаемость образцов материалов, работающих при повышенных температурах и перепаде давления, между давлением, близким к атмосферному, с одной стороны образца и вакуумом с другой стороны образца, заключается в следующем:

1. устанавливают датчики температуры (например, датчики температуры ТЭП 018-05) непосредственно на поверхности образца материала, по крайней мере, в трех точках, причем один из упомянутых датчиков устанавливают в центре образца материала;

2. размещают образец материала в виде диска с диаметром D и толщиной d при соотношении D/d=(40…60) в разборной камере с герметичными вакуумируемой измерительной полостью и полостью наддува;

3. герметизируют образец материала между упомянутыми полостями, например, с помощью уплотнительных колец из резины марки ИРП 1338;

4. выполняют предварительный проверочный нагрев разборной камеры с образцом материала и установленными датчиками до требуемой температуры испытаний с помощью установленных параллельно оси разборной камеры и симметрично относительно упомянутой оси нагревателей (например, инфракрасные керамические нагреватели FFE 1000), работающих с заданной потребляемой мощностью, при этом измеряют значение времени переходного процесса нагрева образца материала от комнатной температуры до требуемой температуры испытаний по показаниям датчиков температуры в пределах их погрешности измерений при заданной потребляемой мощности нагревателей (например, 70% от номинальной мощности);

5. прекращают предварительный проверочный нагрев разборной камеры с образцом материала и установленными датчиками температуры;

6. извлекают образец материала с установленными датчиками температуры из разборной камеры;

7. демонтируют датчики температуры с поверхности образца материала;

8. размещают образец материала в разборной камере;

9. герметизируют образец материала между герметичными вакуумируемой измерительной полостью и полостью наддува;

10. выполняют нагрев разборной камеры с образцом материала с помощью упомянутых нагревателей, работающих с той же заданной потребляемой мощностью, что и при предварительном проверочном нагреве (например, 70% от номинальной мощности);

11. по истечению ранее измеренного значения времени переходного процесса нагрева образца материала от комнатной температуры до требуемой температуры испытаний вакуумируют измерительную полость (например, откачной системой течеискателя Leybold PhoeniXL300i);

12. создают испытательное давление смеси пробного газа и воздуха в полости наддува (например, гелиево-воздушная смесь с процентным содержанием гелия 10%), делают технологическую выдержку и измеряют (например, с помощью гелиевого течеискателя Leybold PhoeniXL300i) в измерительной полости парциальное давление проникающего через образец пробного газа;

13. прекращают нагрев разборной камеры с установленным образцом материала;

14. повышают давление в измерительной полости до атмосферного;

15. извлекают образец материала из разборной камеры.

Примером испытательной системы, с помощью которой может быть реализован предложенный способ, может служить стенд, эксплуатирующийся в ПАО «РКК «Энергия» им. С.П. Королева». Стенд включает в себя разборную камеру с герметичными вакуумируемой измерительной полостью и полостью наддува, изготовленную из стали марки 12Х18Н10Т, уплотнительные кольца из резины марки ИРП 1338 для герметизации образца материала между упомянутыми полостями, датчики температуры ТЭП 018-05 (с погрешностью измерений±0,15%), инфракрасные керамические нагреватели FFE 1000 с ИК-отражателями, систему управления нагревом камеры, реализуемую на базе блока управления тиристорами БУТ-3М (ООО «НИИ Точприбор»), который управляется персональным компьютером с ПО Intouch, течеискатель Leybold PhoeniXL300i dry, блок вентилей с мановакууметром МТИ-1218-1,5 кгс/см²-1,0, трубопроводы.

С помощью описанного стенда проводилась оценка газопроницаемости образцов углепластика на основе фталонитрильного связующего (углеродная ткань марки ВТкУ-2.200 (ТУ 1-595-11-1615-2016)+фталонитрильное связующее ВСН-31 (ТУ 1-595-12-1376-2013)) - 3 шт., образцов углепластика на основе термопластичного связующего полиэфирэфиркетона УПЭЭК-1 (углеродная нить UMT49S (СТО 30371716-004-2017) + ПЭЭК-121П (ТУ 20.16.40-565-00209349-2018)) - 3 шт. Диаметр образцов D=98±1 мм, толщина d=2,0±0,1 мм.

С использованием описанного способа были проведены испытания на газопроницаемость образца материала - углепластика на основе фталонитрильного связующего (углеродная ткань марки ВТкУ-2.200 (ТУ 1-595-11-1615-2016) + фталонитрильное связующее ВСН-31 (ТУ 1-595-12-1376-2013). Два датчика температуры t₁ и t₂ марки ТЭП 018-05 устанавливали в двух диаметрально противоположных точках, а датчик температуры t₃ марки ТЭП 018-05 - в центре испытуемого образца материала. Затем образец с установленными датчиками температуры с помощью уплотнительных колец из резины марки ИРП 1338 герметично устанавливали в разборную камеру. Выполняли предварительный проверочный нагрев разборной камеры с образцом материала и установленными датчиками до требуемой температуры испытаний с помощью установленных параллельно оси разборной камеры и симметрично относительно упомянутой оси инфракрасных керамических нагревателей FFE 1000, работающих с заданной потребляемой мощностью. Значение времени переходного процесса нагрева образца измеряли от комнатной температуры, т.е. с момента включения инфракрасных керамических нагревателей FFE 1000 с ИК-отражателями до достижения требуемой температуры испытаний (50°С, 90°С, 150°С) по показаниям датчиков температуры в пределах их погрешности измерений при заданной потребляемой мощности нагревателей (70% от номинальной мощности, (700±10) Вт). Затем прекращали предварительный проверочный нагрев разборной камеры с образцом и установленными датчиками температуры; извлекали образец с установленными датчиками температуры из разборной камеры; демонтировали датчики температуры с поверхности образца материала; размещали образец материала в разборной камере; герметизировали образец материала между герметичными вакуумируемой измерительной полостью и полостью наддува; выполняли нагрев разборной камеры с образцом материала нагревателями с той же потребляемой мощностью, что и при предварительном нагреве, т.е. 70% от номинальной мощности, (700±10) Вт. По истечению ранее измеренного значения времени переходного процесса нагрева образца вакуумировали измерительную полость разборной камеры откачной системой течеискателя Leybold PhoeniXL300i, создавали испытательное давление 1,3 ата смеси пробного газа и воздуха в полости наддува (гелиево-воздушная смесь с процентным содержанием гелия 10%), делали технологическую выдержку 15 мин и измеряли гелиевым течеискателем Leybold PhoeniXL300i в измерительной полости парциальное давление проникающего через образец пробного газа, по значению которого определяли значение газопроницаемости образца методом вакуумирования способом откачки полости (полостей) изделия при нагружении давлением контрольного газа другой полости (полостей), смежной с первой с соответствии с ОСТ 92-1527-89.

Из таблицы 1 (фиг.1) видно, что для получения максимально достоверных значений газопроницаемости испытуемого образца при температуре, например, 50°С необходимо поддерживать нагрев не менее 40 минут. Дальнейшее поддержание заданного значения температуры не имеет смысла и приведет к увеличению общего времени, затрачиваемого на испытания.

Изобретение относится к области испытательной техники, в частности к испытаниям на газопроницаемость образцов материалов, работающих при повышенных температурах, с возможностью последующей оценки негерметичности корпусов спускаемых аппаратов пилотируемых космических кораблей, которые испытывают высокотемпературные нагрузки при спуске с орбиты, а также может найти применение в тех областях техники, где предъявляются требования к герметичности замкнутых объемов, работающих при повышенных температурах и перепаде давления. Способ включает в себя размещение образца материала в виде диска с диаметром D и толщиной d при соотношении D/d=(40…60) в разборной камере с герметичными вакуумируемой измерительной полостью и полостью наддува, герметизацию образца материала между упомянутыми полостями, нагрев разборной камеры с размещенным в ней образцом материала, вакуумирование измерительной полости разборной камеры, создание испытательного давления смеси пробного газа и воздуха в полости наддува и измерение в измерительной полости парциального давления проникающего через образец пробного газа. Перед размещением упомянутого образца материала в разборной камере устанавливают датчики температуры непосредственно на его поверхности, по крайней мере, в трех точках, причем один из упомянутых датчиков устанавливают в центре образца материала. После герметизации образца материала выполняют предварительный проверочный нагрев разборной камеры с образцом материала и установленными датчиками до требуемой температуры испытаний с помощью установленных параллельно оси разборной камеры и симметрично относительно упомянутой оси нагревателей, работающих с заданной потребляемой мощностью, при этом измеряют значение времени переходного процесса нагрева образца материала от комнатной температуры до требуемой температуры испытаний по показаниям датчиков температуры в пределах их погрешности измерений при заданной потребляемой мощности нагревателей. Вакуумирование измерительной полости, создание испытательного давления смеси пробного газа и воздуха в полости наддува и измерение в измерительной полости разборной камеры парциального давления проникающего через образец пробного газа выполняют по истечению ранее измеренного значения времени переходного процесса нагрева образца материала от комнатной температуры до требуемой температуры испытаний при заданной потребляемой мощности нагревателей. Технический результат - повышение точности и достоверности измеряемых величин газопроницаемости образцов материалов и снижение общего времени, затрачиваемого на испытания. 3 ил.

Способ испытаний на газопроницаемость образцов материалов, работающих при повышенных температурах и перепаде давлений между давлением, близким к атмосферному, с одной стороны образца и вакуумом с другой стороны образца, включающий в себя размещение упомянутого образца материала в виде диска с диаметром D и толщиной d при соотношении D/d=(40…60) в разборной камере с герметичными вакуумируемой измерительной полостью и полостью наддува, герметизацию образца материала между упомянутыми полостями, нагрев разборной камеры с размещенным в ней образцом материала, вакуумирование измерительной полости разборной камеры, создание испытательного давления смеси пробного газа и воздуха в полости наддува и измерение в измерительной полости парциального давления проникающего через образец пробного газа, отличающийся тем, что перед размещением упомянутого образца материала в разборной камере устанавливают датчики температуры непосредственно на его поверхности по крайней мере в трех точках, причем один из упомянутых датчиков устанавливают в центре образца материала, после герметизации образца материала выполняют предварительный проверочный нагрев разборной камеры с образцом материала и установленными датчиками до требуемой температуры испытаний с помощью установленных параллельно оси разборной камеры и симметрично относительно упомянутой оси нагревателей, работающих с заданной потребляемой мощностью, при этом измеряют значение времени переходного процесса нагрева образца материала от комнатной температуры до требуемой температуры испытаний по показаниям датчиков температуры в пределах их погрешности измерений при заданной потребляемой мощности нагревателей, после чего размещение упомянутого образца материала в разборной камере осуществляют без размещения датчиков температуры на поверхности образца материала и после герметизации образца материала выполняют нагрев разборной камеры с образцом материала с помощью упомянутых нагревателей, работающих с той же заданной потребляемой мощностью, что и при предварительном проверочном нагреве, а вакуумирование измерительной полости, создание испытательного давления смеси пробного газа и воздуха в полости наддува и измерение в измерительной полости разборной камеры парциального давления проникающего через образец пробного газа выполняют по истечению ранее измеренного значения времени переходного процесса нагрева образца материала от комнатной температуры до требуемой температуры испытаний при заданной потребляемой мощности нагревателей.