Đề xuất phương án cố định mẫu vật liệu dạng tấm trong quá trình thử nghiệm tự nhiên tại các trạm thử nghiệm khí hậu

Thông tin khoa học công nghệ ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN CỐ ĐỊNH MẪU VẬT LIỆU DẠNG TẤM TRONG QUÁ TRÌNH THỬ NGHIỆM TỰ NHIÊN TẠI CÁC TRẠM THỬ NGHIỆM KHÍ HẬU MIKUROV D S (1), PHILICHEV N L (1), NÔNG QUỐC QUẢNG (1), PHAN BÁ TỨ (1), GUBIN S.G (2), PHAN NGỌC TÚ (2) MỞ ĐẦU Thử nghiệm tự nhiên mẫu vật liệu khác nhằm mục đích nghiên cứu, chế tạo đánh giá hiệu sử dụng tiến hành trạm thử nghiệm khí hậu theo phương pháp khác quy định hệ thống tiêu chuẩn quốc gia Việt Nam Liên bang Nga [1, 2] Đối với thử nghiệm ăn mịn mơi trường khí quyển, bố trí mẫu thử trường theo quy định nội dung quan trọng Khác với thử nghiệm tự nhiên môi trường xâm thực, thử nghiệm tự nhiên mơi trường khí u cầu loại trừ tiếp xúc trực tiếp mẫu thử nghiệm vật liệu dẫn điện với giá đặt mẫu Việc không đáp ứng yêu cầu dẫn đến kết thử nghiệm có sai lệch tượng ăn mịn tiếp xúc biến dạng vật liệu thử nghiệm diễn q trình đánh giá Ngồi việc đáp ứng u cầu trên, vị trí giá đặt mẫu (độ cao, góc nghiêng mặt phẳng giá, khoảng cách mẫu) nội dung không phần quan trọng bố trí mẫu thử nghiệm ảnh hưởng đến kết thử nghiệm Để giải yêu cầu này, sứ cách điện sử dụng phân phối truyền tải điện lựa chọn làm vật liêu cách điện đơnvị cố định mẫu thử nghiệm [3, 4] Đặc điểm vật liệu tính chất vật lý ổn định chịu tác động yếu tố mơi trường, có nhiệt độ, độ ẩm khơng khí tác động lão hóa xạ mặt trời Khi tiến hành thử nghiệm tự nhiên loại vật liệu khác nhau, dạng phổ biến dạng phẳng nhiều kích thước [2] Các giá thử nghiệm theo GOST 9.906-83 làm từ thép gia cường Khuyến nghị sử dụng giá đặt mẫu hình Hình Cấu tạo giá đặt mẫu thử nghiệm tự nhiên mơi trường khí 1-Thanh ngang (40×40×1455 mm, số lượng 10); 2-Thanh dọc (40×40×950 mm, số lượng 2); 3- Thanh đỡ (Chữ U rộng đáy 10 mm, dài 1440 mm, số lượng 2); 4- Thanh đỡ (Chữ U rộng đáy 10 mm, dài 784 mm, số lượng 2); 5-Thanh xiên cân góc (dài 430 mm, số lượng 4); 6-Thanh đỡ (Chữ U rộng đáy 10 mm, dài 1300 mm, số lượng 2); 7-Chốt khóa; 8-Vịng cung Tạp chí Khoa học Cơng nghệ nhiệt đới, Số 22, 05-2021 95 Thông tin khoa học công nghệ Phương pháp cố định mẫu giá thử nghiệm tự nhiên mơi trường khí đề xuất GOST 9.909-86 với kích thước mẫu phổ bin l 150ì100ì0,5ữ3 mm.Tuy nhiờn mt s chun ti liu khác cho phép mẫu với kích thước từ 50×50 mm đến 200×350 mm, với độ dày dao động từ 0,5 đến mm Mặt phẳng mẫu hướng hướng Nam với góc nghiêng 45o so với mặt đất Phương án cố định mẫu đề xuất sử dụng đơn vị cố định làm sứ cách điện Sứ cách điện đặt vào đỡ giá thử nghiệm bu-lông kim loại Các tổ hợp đề xuất đơn vị cho cạnh mẫu đơn vị cho cạnh bên (hình 2) Hình 2.Sơ đồ cố địnhmẫu thử nghiệm dạng sứ cách điện Hình 3.Mẫu hình dạng sứ cách điện Đánh giá hiệu sử dụng thực tế phương pháp nêu nhiều năm, nhận thấy số ưu điểm hạn chế sau: Sứ cách điện có tính chất trơ với hầu hết loạt vật liệu thử nghiệm [5]; Đảm bảo độ tin cậy áp dụng cho mẫu bị biến dạng thay đổi kích thước cách sử dụng đơn vị có kích thước dự phịng (các cổ với đường kính nhỏ) lớn Một số hạn chế sử dụng đơn vị vật liệu sứ cách điện bao gồm: Chênh lệch hệ số giãn nở nhiệt lớn Khi cố định mẫu vật liệu sứ cách điện cạnh xuất vấn đề tính tốn độ rộng khe hở dự phòng cho vật liệu thử nghiệm Khi không tồn khe hở này, xuất ứng xuất vị trí tiếp xúc vật liệu-sứ cách điện thay đổi kích thước vật lý mẫu giãn nở nhiệt Bảng bên trình bày số thông số giãn nở nhiệt vật liệu hợp kimphổ biến tăng nhiệt độ môi trường xung quanh [6] Bảng 1.Sự phụ thuộc kích thước dãn dài vào thay đổi nhiệt độ số vật liệu với chiều dài 150 mm 96 Vật liệu Thép Thép hợp kim Nhôm Nhiệt độ thay đổi ∆Т (oC) 20 30 50 20 30 50 Kích thước thay đổi (µm) 35 53 88 48 72 120 71 107 178 87 131 217 20 30 Kẽm 50 20 30 50 Tạp chí Khoa học Công nghệ nhiệt đới, Số 22, 05-2021 Thông tin khoa học công nghệ Trong bảng cho thấy thay đổi kích thước kim loại, tăng giảm nhiệt độ cấu trúc kim loại, dao động biên độ lớn Do đó, ứng suất cao điểm tiếp xúc mẫu thử nghiệm-sứ cách điện dẫn đến tác động không mong muốn vật liệu mẫu vật liệu sử dụng kim loại làm Đối với lớp phủ, vật liệu sử dụng kim loại làm nền, giãn nở không vật liệu vật liệu thử nghiệm tạo ứng suất điểm tiếp xúc mẫu thử nghiệm sứ cách điện giữ mẫu Ứng suất gây nứt, bong tróc lớp phủ gây ăn mòn nền, dẫn đến làm sai lệch kết thử nghiệm(hình 4) Hình Sự biến dạng mẫu thử nghiệm kết tượng dãn nở nhiệt Hiện tượng xảy thử nghiệm trạm thử nghiệm khí hậu có chênh lệch nhiệt độ ngày đêm, mùa lớn, thay đổi nói thể qua liệu trình bày [7] Ngồi ra, bố trí mẫu với mật độ cao gây khó khăn q trình đánh giá, thay mẫu bị khuyết tật, thay khắc phục giá thử nghiệm xuống cấp, hư hỏng Để khắc phục điều người ta bố trí khoảng trống mẫu sứ cố định nhằm dễ dàng thao tác Tuy nhiên, điều lại không đảm bảo cố định mẫu cách chắn điều kiện thời tiết cực đoan giơng, gió mạnh, đặc biệt mẫu có kích thước nhỏ (độ dài cạnh nhỏ 5mm) với khối lượng không lớn Mặt khác, thay đổi tốc độ gió đột ngột tạo nên tượng ma sát mẫu sứ cách điện điểm tiếp xúc, dẫn đến tượng khuyết tật biến dạng mẫu nói Lão hóa Một tính chất khơng mong muốn sứ cách điện tính đồng khơng cao vật liệu sản xuất thành phẩm Thực tế cho thấy, sau năm sử dụng, bề mặt sứ cách điện xuất vết nứt nhỏ (hình 5), giãn nở nhiệt không lớp bên lớp ngồi Tại vị trí sản phẩm ăn mòn bị giữ lại mà điều kiện độ ẩm cao tạo thành đường, rãnh dẫn điện, độ cách điện vật liệu giảm rõ rệt Nguyên lý tác động tượng mô tả [8] Hình Sản phẩm ăn mịn để lại bề mặt sứ cách điện bị rạn nứt lão hóa Tạp chí Khoa học Cơng nghệ nhiệt đới, Số 22, 05-2021 97 Thông tin khoa học công nghệ VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP Phương pháp thay cố định mẫu thử nghiệm phổ biến minh họa hình 6a 6b Giá thử nghiệm tự nhiên trạm thử nghiệm khí hậu VIAM, thành phố Sochi, Liên bang Nga có kích thước lớn, cồng kềnh đòi hỏi đồng tháo gỡ mẫu Trên trạm thử nghiệm khí hậu Dalniye Zelentsy, vùng Murmansk sử dụng hình 6b với đỡ gỗ đảm nhiệm chức cố định loạt mẫu định, việc tháo lắp mẫu thử nghiệm tiến hành phương án hình 6a, vật liệu gỗ không cho phép giá sử dụng vùng có độ ẩm khơng khí cao а b Hình Giá thử nghiệm tự nhiên a) trạm thử nghiệm khí hậu VIAM, thành phố Sochi, Liên bang Nga b) trạm thử nghiệm khí hậu Dalniye Zelentsy, vùng Murmansk, Liên bang Nga Tại Chi nhánh Ven biển/Trung tâm Nhiệt đới Việt - Nga chúng tơi hồn thiện số phương án cố định mẫu thử nghiệm giá thử nghiệm môi trường khí Phương án đề xuất cố định mẫu ống nẹp nhựa PVC tiết diện hình chữ nhật [9] Phương án khắc phục số nhược điểm phương án thể tính kinh tế, tuynhiên, ống cách điện có tuổi thọ ngắn bị giịn hóa mơi trường khí có xạ mặt trời, u cầu thay vịng tháng Phương án thích hợp với việc thử nghiệm tự nhiên nhà mái che nơi không bị xạ mặt trời làm giịn hóa nẹp nhựa cố định mẫu (hình 7) Hình Sơ đồ giữ mẫu thử nghiệm nẹp nhựa 98 Tạp chí Khoa học Công nghệ nhiệt đới, Số 22, 05-2021 Thông tin khoa học công nghệ Phương án giải vấn đề tuổi thọ cố định mẫu nhôm gia cường [10] với tiết diện mơ tả hình Tuy nhiên, hạn chế phương án thời gian tháo lắp dài cần thay thế, đánh giá mẫu thử riêng biệt Ngược lại, nới lỏng đỡ này, làm biến động vị trí mẫu gây khuyết tật tác động học tốc độ gió lớn có dao động truyền vào giá đặt mẫu Hình Sơ đồ giữ mẫu thử nghiệm nhôm gia cường Phương án Để đảm bảo độ tin cậy cố định mẫu thử nghiệmvới kích thước lớn 100× 150 mm, thường xun chịu tác động gió lớn giơng bão, chúng tơi sử dụng điều kiện khí hậu biển nhiệt đới chi tiết từ nhựa PVC hình chữ T đầu nối góc 90 độ (hình 9) а) b) Hình Sơ đồ giữ mẫu thử nghiệm chi tiết chữ T từ vật liệu PVC a) mơi trường khí b) môi trường nước biển Các chi tiết chữ T làm từ vật liệu polyvinyl chloride (PVC) [11], vật liệu dùng ngành nước theo ISO 1452-3:2009 Các thông số nhựa PVC (binhminhplastic) bảng Tạp chí Khoa học Cơng nghệ nhiệt đới, Số 22, 05-2021 99 Thông tin khoa học công nghệ Bảng Các thông số đặc trưng chi tiết T nhựa PVC STT Thông số Giá trị Đơn vị Khối lượng riêng 1,4 g/cm3 Độ cứng tối thiểu 50 MPa -5 Hệ số giãn nở nhiệt 8x10 13 Điện trở riêng bề mặt 10 Nhiệt độ làm mềm Vicat (tối thiểu) 76 o -1 C Ω o C Khi sử dụng chi tiết từ vật liệu PVC điều kiện tự nhiên, tính chất quan trọng nghiên cứu lão hóa Cơ chế phân hủy nghiêncứu thời gian dài; người ta chứng minh theo thời gian, hydroclorua giải phóng, màu sắc vật liệu thay đổi, cuối polyme trở nên cứng khơng hịa tan dung mơi tetrahydrofuran kết q trình tái cấu trúc hóa điều kiện xạ mặt trời [12] Trong điều kiện phòng thí nghiệm trường, đặc tính bền thời tiết mẫu thí nghiệm vật liệu PVC khảo sát [13] Kết nghiên cứu năm điều kiện tự nhiên, vật liệu bị giịn hóa độ bền va đập giảm đến 25% [12, 13] Sự lão hóa lớn xảy lớp bề mặt tương đối mỏng khoảng 100 µm sau 20 năm thử nghiệm [13, 14] Những tính chất vượt trội vật liệu PVC thể qua kết nghiên cứu vật liệu coi vật liệu phù hợp cho chi tiết giá đỡ cố định mẫu thử nghiệm môi trường khí thử nghiệm quy mơ lớn, đồng thời đảm bảo yêu cầu cách điện giá đỡ mẫu vật liệu thời gian thử nghiệm Phương pháp đề xuất cố định mẫu môi trường khí trạm thử nghiệm khí hậu, đặc biệt điều kiện té nước biển lên mẫu thử nghiệm mép nước phao thử nghiệm biển, sử dụng đảm bảo cố định mẫu điều kiện khí hậu cực đoan (Ví dụ: điều kiện bão Etau 10/11/2020, tốc độ gió đạt 83 km/ giờ, mẫu đảm bảo cố định giá đỡ, bao gồm mẫu lớn có kích thước 300x500 mm nặng kg (hình 9b)) KẾTQUẢ Đối với chi tiết chữ T, số vếtcắt với độ rộng tương đương độ dày mẫu thử nghiệm tạo bổ sung thành chi tiết phương pháp học để giữ mẫu Các chi tiết gắn chặt vào đỡ ngang giá thử nghiệm bu lông không gỉ Phương pháp cố định đề xuất sử dụng Chi nhánh Ven biển/Trung tâm Nhiệt đới Việt - Nga Việc sử dụng phương pháp cố định mẫu cho thấy hiệu cao điều kiện khí hậu biển nhiệt đới mẫu phơi khơng khí phao thử nghiệm biển Kết sử dụng cho thấy mơi trường khí ven biển, chi tiết nêu đảm bảo giữ mẫu thử nghiệm kích thước 150x300 mm chương trình thử nghiệm lớp phủ sơn kéo dài năm [15] 100 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ nhiệt đới, Số 22, 05-2021 Thông tin khoa học công nghệ Các cải tiến phương pháp lắp đặt mẫu giá thử nghiệm mơi trường khí cho thấy sử dụng chi tiết dạng ống làm từ PVC nhằm cố định mẫu thử nghiệm chương trình thử nghiệm vật liệu lớp phủ tương tự (hình 10) Hình 10 Sơ đồ cố định mẫu đơn vị kẹp mẫu dạng ống Việc sử dụng đơn vị cố định mẫu dạng ống không làm giảm độ tin cậy điều kiện khí hậu cực đoan (giơng, bão…), đồng thời cho phép tháo lắp linh động trường hợp cần di dời, bảo quản đối tượng thử nghiệm Phương pháp cố định mẫu thử nghiệm nói tiến hành năm (hình 10), Trạm Nghiên cứu Thử nghiệm khí hậu Cần Giờ, Chi nhánh Phía Nam/Trung tâm Nhiệt đới Việt - Nga KẾT LUẬN Chúng tơi, nhóm nghiên cứu khuyến nghị Phương pháp cố định mẫu thay trình bày giai đoạn chuẩn bị điều kiện thử nghiệm vật liệu kim loại lớp phủ vật liệu kim loại mơi trường khí quyển, áp dụng trạm thử nghiệm khí hậu khơng điều kiện khí hậu nhiệt đới, mà cịn nhiều điều kiện khí hậu khác Phương pháp không phủ nhận loại trừ phương pháp giới thiệu áp dụng GOST 9.909-86, cải tiến hồn thiện thời gian TÀI LIỆU THAM KHẢO ГОСТ 9.906-83, Единая система защиты от коррозии и старения Cтанции климатические испытательные Общие требования, М.: Изд-во стандартов, 2004, 22 с ГОСТ 9.909-86, Металлы, сплавы, покрытия металлические и неметаллические неорганические Методы испытаний на климатических испытательных станциях М.: Изд-во стандартов, 1986, 20 с ГОСТ 27744-88, Изоляторы Термины и определения, М.: Изд-во «Стандартинформ», 2005, 15с Tạp chí Khoa học Cơng nghệ nhiệt đới, Số 22, 05-2021 101 ... thiện số phương án cố định mẫu thử nghiệm giá thử nghiệm mơi trường khí Phương án đề xuất cố định mẫu ống nẹp nhựa PVC tiết diện hình chữ nhật [9] Phương án khắc phục số nhược điểm phương án thể... pháp đề xuất cố định mẫu mơi trường khí trạm thử nghiệm khí hậu, đặc biệt điều kiện té nước biển lên mẫu thử nghiệm mép nước phao thử nghiệm biển, sử dụng đảm bảo cố định mẫu điều kiện khí hậu. .. cứu vật liệu coi vật liệu phù hợp cho chi tiết giá đỡ cố định mẫu thử nghiệm mơi trường khí thử nghiệm quy mô lớn, đồng thời đảm bảo yêu cầu cách điện giá đỡ mẫu vật liệu thời gian thử nghiệm Phương