Лабораторный комплекс для моделирования и исследования работы встроенной теплозащиты на первом этапе производства энергоэффективных корпусов сосудов высокого давления

Цель – доказательство работоспособности созданного и запатентованного лабораторного испытательного комплекса, моделирующего работу под высоким давлением теплозащитного барьера корпусов сосудов большого давления и позволяющего определить теплопроводность материала теплозащиты. Моделирование работы теплозащитного барьера в испытательном комплексе осуществлялось в условиях высокого давления (до 50– 70 МПа). Для создания и регулировки давления на слой теплозащиты использовался пресс разрывной машины Instron 5989, входящий в состав комплекса. Контроль изменения теплового поля и оценка эффективности работы теплоизоляционного материала осуществлялись расчетным путем на основании показаний температурных значений в контрольных точках верхнего и нижнего стержней установки. Данные значения были получены контактным (с использованием термопар поверхностного контроля температуры) либо бесконтактным (с использованием тепловизионного оборудования) способами. Проведено пилотное (тестовое) исследование работы теплозащиты из материала «теннисит» при различном давлении. Показано, что при давлении на материал 30 МПа толщина образца составляла 4,64 мм, при 40 МПа – 4,35 мм, а при давлении в 50 МПа – 4,00 мм. Установлено, что изменение давления практически не влияет на теплопроводность образца из исследуемого материала: при давлении в 30 МПа падение температуры на нем составило 198°С, при 40 МПа – 188°С, а при давлении в 50 МПа – 190°С. Показана эффективность моделирования работы теплозащиты исследуемого материала: при малой толщине слоя (в 4 мм) в условиях внутреннего давления в 50 МПа и рабочей температуры внутри корпуса оборудования до 300°С материал способен снизить уровень теплового воздействия на защищаемую часть конструкции ~ в 3 раза (с 298,6°С до 108,4°С). Представленная конструкция предназначена для моделирования и исследования поведения различных теплозащитных барьерных материалов, эксплуатируемых под высоким давлением. Результаты тестирования показали работоспособность предлагаемого лабораторного комплекса.

1. Еловенко Д.А. Перспективные направления развития автоклавов высокого давления // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2010. № 1. С. 277–279.

2. Пимштейн П.Г., Еловенко Д.А. Исследование под давлением оболочки со встроенными в стенку нагревательными элементами и слоем теплоизоляционного материала // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2011. № 4. С. 17–22.

3. Elovenko D., Kräusel V. The study of thermal conductivity of asbestos cardboard and fire clay powder to assess the possibility of their application in prefabricated structures of cylindrical housings of pressure vessels // Materials Today: Proceedings. 2019. Vol. 19. Part 5. P. 2389–2395. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.08.041.

4. Graf A., Elovenko D., Kräusel V., Hirsch A. Mathematic model for describing the stress-tension behavior of an autoclave with integrated heating element // Technologies for Lightweight Structures. 2018. Vol. 2. Iss. 1. P. 1–13. https://doi.org/10.21935/tls.v2i1.108.

5. Song Mingda, Wang Weiqiang, Zhao Yafan, Cui Yuliang. Urea reactor integrity evaluation based on failure analysis // Journal of Pressure Vessel Technology. 2007. Vol. 129. Iss. 4. Р. 744–753. https://doi.org/10.1115/1.2767368.

6. Wang Weiqiang, Aiju Li, Zhu Yanyong, Yao Xiaojing. The explosion reason analysis of urea reactor of Pingyin // Engineering Failure Analysis. 2009. Vol. 16. Iss. 3. Р. 972–986. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2008.08.006.

7. Xu Shugen, Wang Weiqiang, Li Mengli, Song Mingda. A modified weld structure of layered urea reactor based on stress analysis and leak detection // Pressure Vessels and Piping Conference (Washington 18–22 July 2010). Washington, 2010. Р. 557–562. https://doi.org/10.1115/PVP2010-25225.

8. Zheng Jianjun, Han Kuo, Wang Yingjun, Shi Xianda. Breaking cause analysis on a 110 kV overhead grounding wire (OGW) // Journal of Physics: Conference Series. 2020. Vol. 1550. Р. 032098. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1550/3/032098.

9. Song Mingda, Wang Weiqiang, Cao Huaixiang, Wang Lixin, Zhang Bo. Multilayer urea reactor safety evaluation based on acoustic emission examination // Pressure Vessels and Piping Conference (Toronto, 15–19 July 2012). Toronto, 2012. Р. 515–524. https://doi.org/10.1115/PVP2012-78135.

10. Cao Huai Xiang, Wang Chun Mao, Qiu Xing Qi. Analysis on backside cracks in 316LMod inner linings of urea reactors // Applied Mechanics and Materials. 2012. Vol. 184-185. Р. 858–863. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.184-185.858.

11. Xu Shugen, Wang Chong, Zhao Yanling. Residual stress in the welding joint of layered cylindrical vessels including the weld clad effect // Journal of Pressure Vessel Technology. 2015. Vol. 137. Iss. 4. Р. 041405. https://doi.org/10.1115/1.4028726.

12. Zheng J.Y., Deng G.D., Chen Y.J., Sun G.Y., Hu Y.L., Zhao L.M., et al. Experimental investigation of discrete multilayered vessels under internal explosion // Combustion, Explosion, and Shock Waves. 2006. Vol. 42. Iss. 5. P. 617–622.

13. Kovaleva I.V., Korablev I.V., Azima Yu.I. A nonstationary method and experimental equipment for measuring the thermal conductivity of heat insulators // Measurement Techniques. 2005. Vol. 48. Iss. 8. Р. 789–797. https://doi.org/10.1007/s11018-005-0222-x.

14. Пат. № 2289126, Российская Федерация, G01N 25/32. Установка для исследования теплопроводности теплоизоляционных материалов / М.М. Пеньков, М.В. Ведерников, И.В. Наумчик; заявитель и патентообладатель Министерство обороны Российской Федерации, Военно-космическая академия им. А.Ф. Можайского. Заявл. 18.04.2005; опубл. 10.12.2006.

15. Barth G., Gross U., Wulf R. A new panel test facility for effective thermal conductivity measurements up to 1650°C // International Journal of Thermophysics. 2007. Vol. 28. Iss. 5. Р. 1668–1678. https://doi.org/10.1007/s10765-007-0272-1.

16. Марюшин Л.А., Сенникова О.Б., Курочкин И.А. Экспериментальное исследование теплопроводности пористых теплоизоляционных материалов // Известия Московского государственного индустриального университета. 2009. № 4. С. 29–34.

17. Падерин Л.Я., Прусов Б.В., Токарев О.Д. Исследование теплопроводности пористых теплоизоляционных материалов при высоких температурах // Ученые записки ЦАГИ. 2011. Vol. 42. № 4. С. 77–83.

18. Желобцов Е.А., Исакаев Э.Х., Пелецкий В.Э., Тюфтяев А.С. Метод исследования теплопроводности конструкционных материалов и экспериментальная установка // Перспективные материалы. 2009. № 6. С. 98–102.

19. Исаев Г.Ю., Сучков А.Ф. Установка для исследования многослойных преград из огнеупорных и теплоизоляционных материалов // Современные материалы, техника и технология: матер. II Междунар. науч.-практ. конф. (г. Москва, 25 декабря 2012 г.). Москва, 2012. С. 125–128.

20. Селезнев Н.П., Чернов В.В., Сучков А.Ф. Разработка новых лабораторных установок на кафедре теплофизики и экологии МГВМИ // Современные автомобильные материалы и технологии (Саммит-2011): сб. статей III Междунар. науч.‐техн. конф. (г. Курск, ноябрь, 2011 г.). Курск: Юго-Зап. гос. ун-т., 2011. С. 118–121.

21. Танганов Б.Б., Багаева Т.В., Бубеева И.А., Ханхасаев Г.Ф., Гармаев В.Ч. Чувствительная установка для измерения теплопроводности строительных и сыпучих материалов, тары и упаковок // Вестник Бурятского государственного университета. 2012. № 3. С. 131–134.

22. Савинов А.С. Установка по определению теплопроводности литейной формы // Литейные процессы. 2014. № 13. С. 68–71.

23. Рогов И.В., Полунина Н.Ю., Рожков А.В., Жуков Н.П. Измерительная система на базе прибора ИТ-3 для исследования теплопроводности материалов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2015. Т. 81. № 8. С. 31–34.

24. Ren C., Yang X., Li C., Sun Y., Liu Z. Modeling of the heat transfer characteristics of the effective thermal conductivity test facility for high temperature gas-cooled reactors // Journal of Tsinghua University. 2015. Vol. 55. Iss. 9. P. 991–997.

25. Cherepanov V.Y., Lozinskaya O.M., Rybak N.I., Yamshanov V.A. Measuring equipment and a comparator for measuring high values of thermal conductivity // Measurement techniques. 2009. Vol. 52. Iss. 10. P. 1107–1111. https://doi.org/10.1007/s11018-010-9403-3.

26. Bol’shev K.N., Zarichnyak Y.P., Ivanov V.A. Determination of thermal conductivity by the method of the initial stage of warming up a sample by a constant heat flux // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2018. Vol. 91. Iss. 5. P. 1342–1346. https://doi.org/10.1007/s10891-018-1867-z.

27. Blázquez C.S., Martín A.F., Nieto I.M., GonzálezAguilera D. Measuring of thermal conductivities of soils and rocks to be used in the calculation of a geothermal installation // Energies. 2017. Vol. 10. Iss. 6. Р. 795. https://doi.org/10.3390/en10060795.

28. Вертоградский В.А., Попов Ю.А., Миклашевский Д.Е. Метод и установка для измерений теплопроводности горных пород при высоких давлениях и температурах // Известия высших учебных заведений. Геология и разведка. 2003. № 5. С. 47–51.

29. Shishkina R.A., Zemlyanskayab A.P., Beketov A.R. High performance thermal grease with aluminum nitride filler and an installation for thermal conductivity investigation // Solid State Phenomena. 2018. Vol. 284. P. 48–53. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/SSP.284.48.

30. Пат. № 2783366, Российская Федерация, G01N 25/18, G01N 25/32, G01N 3/18. Установка для определения теплопроводности материалов под давлением / Д.А. Еловенко, П.Г. Пимштейн, К.А. Кузнецов; заявитель и патентообладатель Иркутский национальный исследовательский технический университет. Заявл. 16.02.2022; опубл. 11.11.2022.

31. Барсук Е.Г., Пимштейн П.Г., Жукова В.Н. Определение контактной теплопроводности листового проката // Заводская лаборатория. 1972. № 3. С. 305–306.

32. Станкус С.В., Савченко И.В., Багинскай А.В., Верба О.И., Прокопьев А.М., Хайрулин Р.А. Коэффициенты теплопроводности нержавеющей стали 12Х18Н10Т в широком интервале температур // Теплофизика высоких температур. 2008. Т. 46. № 5. С. 795–797. https://doi.org/10.1134/S0018151X08050222.

33. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи: 2-е изд. М.: Энергия, 1977. 344 с.

34. Еловенко Д.А., Пимштейн П.Г., Репецкий О.В., Татаринов Д.В. Экспериментальное исследование модели автоклава для гидротермального синтеза минералов // Вестник Байкальского союза стипендиатов DAAD. 2010. № 1. С. 11–19.