uralstin@gmail.com

+7-912-761-34-20

Определительные испытания оборудования для производства композитной арматуры. Невозможные реалии?

В настоящей статье делается попытка рассмотреть технические и процедурные проблемы испытаний собственно технологического оборудования для производства арматуры композитной полимерной (АКП).

Многие проблемные вопросы производства и «законного» применения стеклокомпозитной арматуры рассмотрены нами в дискуссионном порядке в статье "Обеспечение качества композитной арматуры: диалектика производственных проблем". В настоящей статье делается попытка рассмотреть технические и процедурные проблемы испытаний собственно технологического оборудования для производства арматуры композитной полимерной (АКП). Ведь п.5.1.1 ГОСТ 31938-2012 предусматривает, что изготовление арматуры производится по технологическому регламенту, разрабатываемому самим производителем. Таким образом, прежде, чем начать производство товарной продукции, необходимо разработать  некий документ, определяющий порядок формирования этого регламента. В качестве таких документов могут быть, например, "Технические условия на разработку технологического регламента" или "Программа и методика технологических испытаний".

Испытания первой очереди запуска производственной линии можно отнести к определительным, когда технологический регламент формируется впервые. В процессе дальнейшей эксплуатации оборудования этот документ может быть использован для проведения типовых, периодических и приемо-сдаточных испытаний в объемах, соответствующих требованиям п.7.13. ГОСТ 31938-2012.

При этом объектом испытаний является конкретная технологическая линия в конкретных производственных условиях размещения, а если линий больше одной, то – каждая из них. В общем случае в состав оборудования, технологические характеристики которого влияют на качество композитной арматуры, входят:

  • шпулярник для бобин ровинга;
  • устройство для сушки ровинга;
  • пропиточная ванна;
  • узел приготовления полимерного связующего;
  • формовочный узел;
  • камера полимеризации;
  • камера охлаждения;
  • протяжное устройство;
  • скрутчик обмоточного жгута.

Основной целью определительных испытаний является формирование технологического регламента производства композитной арматуры для каждого номинального диаметра при доступных для производителя (фактически применяемых) сырьевых материалах.

При этом решается две противоречивые задачи:

  1. определяется максимально допустимая скорость протяжки Vпр, м/с, для каждого номинального диаметра арматуры;
  2. достигается гарантированное получение нормируемых ГОСТ 31938-2012 физико-механических показателей [FΣ]= f ([dн], [d], [l], [δв], [Ef],  [δвc],  [τsh],  [τr], [Δδв], [τr], [Тэ]  (Таблица 1) и/или  их целесообразное (экономически оправданное) превышение FΣ факт. ≥ [FΣ].

Таблица 1

* Конкретные значения применяются в соответствии с п.5.1.4 ГОСТ 31938-2012.

Противоречивость этих задач и серьезность порождаемых проблем в том, что увеличение скорости протяжки (производительности) увеличивает экономическую эффективность, но повышает вероятность снижения технической эффективности, т.е. недостижение нормируемой совокупности физико-механических показателей.  Выгода от увеличения скорости протяжки для изготовителя очевидна и в явном виде в реальном масштабе времени отражается на доходности производства. Снижение же технической эффективности в виде недостижения того или иного нормативного показателя НЕ МОЖЕТ БЫТЬ ВЫЯВЛЕНО В РЕАЛЬНОМ МАСШТАБЕ ВРЕМЕНИ и в явном виде, кроме, как – внешний вид арматуры. Тем более, в технологический процесс не могут быть внесены соответствующие изменения, поскольку результаты испытаний образцов могут быть получены со значительным отставанием от текущего момента процесса производства конкретной партии.

Фактическая достигаемая совокупность функций назначения FΣфакт в реальных условиях производства зависит от четырех групп факторов влияния, в которые входят: конструктивное решение арматурного стержня ФΣкр, свойства исходных сырьевых материалов ФΣсм, режимные характеристики технологического процесса ФΣтп, производственные характеристики применяемого оборудования ФΣпх.:

FΣфакт = f (ФΣкр,  ФΣсм,  ФΣтп,  ФΣпх).

Каждая группа факторов включает параметры, изменение которых имеет различную степень влияния на FΣфакт. Кроме того, многие факторы различных групп функционально зависят друг от друга, а располагаемые технологические и технические характеристики оборудования имеют конкретные пределы.

Поэтому при проведении определительных испытаний устанавливаются допустимые отклонения главных факторов влияния, в пределах которых гарантированно обеспечивается качество продукции. Чем больше допустимый диапазон отклонений, тем технологический процесс более стабилен, и – наоборот.

Факторы влияния, зависящие от конструктивного решения стержня

Композитная арматура, как техническое устройство состоит из: стержня (скопления продольно ориентированных стеклонитей в условно цилиндрическом пространстве), обмоточного жгута (скопления продольно ориентированных стеклонитей  в условно винтовом пространстве) и матрицы, связывающей стержень и жгут по поверхности касания, а также продольно ориентированные стеклонити в стержне и жгуте между собой. При этом матрица представляет собой составную термореактивную смесь из нескольких жидких компонентов, находящихся в твердой фазе.

Рис.1 - Устройство композитной арматуры

Таблица 2

* Степень армирования стержня αс задается, как отношение массы ровинга к массе термореактивного связующего (Mр/Mтрс * 100%) в единице длины и устанавливается в ГОСТ виде минимального предела. Как ни странно, ГОСТ не нормирует  характеристики анкеровочного слоя, т.е. не содержит требования к толщине анкеровочного слоя (диаметру обмоточного жгута), шагу периодического профиля, к соотношению номинального и наружного диаметров арматуры. А ведь именно эти характеристики и определяют механику работы арматуры в бетоне!

Факторы влияния, зависящие от свойств исходных материалов

В соответствии с требованиями п.5.3. материалы, применяемые для изготовления АКП, должны соответствовать требованиям нормативных документов и сопроводительной технической документации. Изменение исходных сырьевых  материалов или внесения изменений в нормативные документы на любой из них влечет за собой необходимость проведения типовых (максимальных по объему) испытаний.

В частности, ровинг должен храниться в оригинальной упаковке (и оставаться в ней непосредственно до момента использования), в сухом защищенном от влаги месте. Температура хранения не более +35оС. При попадании влаги ровинг становится непригодным для дальнейшего использования.

Таким образом, подлежат контролю и обеспечению в указанных пределах температура и влажность воздушной среды в помещениях для хранения ровинга, а также в отсеке ровингопитателя в период работы линии и в промежутках между рабочими периодами.

Соблюдение этих требований при проведении определительных испытаний и в период эксплуатации линии должно обеспечиваться безусловно.

На прочностные свойства арматуры основное влияние оказывают  и подлежат контролю при испытаниях следующие характеристики ровинга:

  • линейная плотность Lп, текс (г/км);
  • массовая доля влаги Δmв,%;
  • массовая доля веществ, удаляемых при прокаливании Δmп,%.

Эпоксидную смолу (ЭД-20 или аналог) хранят в герметичной таре в закрытых складских помещениях при температуре не выше +40°С. Гарантийный срок хранения эпоксидной смолы ЭД-20 - 1 год со дня изготовления. Следует предположить, что с течением времени некоторые свойства смолы могут изменяться, поэтому подлежит контролю и обеспечению в указанном пределе температура в помещениях для хранения смолы.

На прочностные свойства арматуры основное влияние оказывают  и подлежат контролю при испытаниях следующие характеристики эпоксидной смолы:

  • массовая доля эпоксидных групп Δmэ,%;
  • динамическая вязкость, при 20оС μ, Па*с;
  • время  желатинизации  Tж; час.

Для других компонентов в качестве факторов влияния можно принять основные характеристики:

Отвердитель ИМТГФА:

  • динамическая вязкость, при 20оС μи, Па/с;
  • время  желатинизации,Tжи; час,
  • плотность γ, кг/мз
  • стехиометрический коэффициент kст.

Смола ДЭГ-1:

  • массовая доля эпоксидных групп Δmэг,%;
  • вязкость, при 25оС  ξ, Мпа.

Ускоритель УП-606/2 (Алкофен):

  • чистота продукта w, %,
  • влажность, λ,%.

По совокупности свойств исходных сырьевых материалов формируется зависимость ФΣсм = f(Lп, Δmв, Δmп, Δmэ, μ, Tж, μи, Tжи, γ, kст, Δmэг, ξ, w, λ). 

Факторы влияния, зависящие от режимных характеристик технологического процесса.

Режимные характеристики технологического процесса, влияющие на показатели качества конечного продукта относятся к расходно-массовым, температурным и силовым:

Таблица 3. Характеристики технологического процесса производства АКП

Зависимость качества продукции от групп параметров технологического процесса:ФΣтп = fNрм, ΣNт,ΣNс).

В каждую группу входит следующее количество параметров: Nрм=4, Nт=6, Nс = 3.

Общее число сочетаний вариантов этих параметров составляет Nобщ=72. Если принять номинальные величины каждого параметра Fном в середине разумного диапазона, а затем изменять в сторону увеличения Fном + ΔF и уменьшения Fном - ΔF на один шаг (номинальное и два предельных значения), то получится Nобщ=216.

При планируемом количестве серий испытаний для одного номинального диаметра с 3 вариантами шага намотки и 3-х значений степени армирования при условии отбора не менее 6 образцов общее число испытаний составит NΣ= 6 х Nобщ х Nкп = 6 * 216 * 9 = 11 664.

Факторы влияния, зависящие от производственных характеристик применяемого оборудования.

В общем случае производственные характеристики оборудования определяют возможности:

  • пределов изменения (регулирования) технологических параметров;
  • стабильности  заданных режимов работы;
  • поддержания в пределах допустимого износа рабочих органов.

Количество производственных характеристик любой линии составляет несколько десятков, а число их сочетаний настолько велико, что делает исключительно важным сохранение их неизменными в процессе отработки технологического регламента, т.е. ФΣпх = const.

Методика проведения испытаний.

Определительные испытания с целью получения предельно достижимых характеристик сложного производственного комплекса относятся к категории многофакторных, когда число сочетаний исходных параметров достигает нескольких тысяч и делает невозможным их реализацию в полном объеме. При натурных испытаниях, целесообразно установить рациональный порядок и условия проведения исследований, чтобы минимизировать число необходимых испытаний.

Элементарной составной частью испытаний является получение партии продукции в объеме не менее 100 м при неизменных характеристиках исходного сырья, конструкции стержня, и установившемся режиме технологического процесса – контрольный прогон.

По сути это - единичное испытание по изготовлению арматуры с зафиксированными характеристиками исходного сырья и параметрами технологического процесса одного заданного номинального диаметра d, конкретных величин , Nhж и αс с проведением комплексных замеров фактических геометрических характеристик, физико-механического состояния стержня по срезам и прочностных испытаний в соответствии с ГОСТ 31938-2012.

При проведении контрольных прогонов для различных сочетаний диаметров, шага навивки и степени армирования необходимо, чтобы совокупность основных характеристик исходного сырья была постоянной:

Lп=const, Δmв=const, Δmп=const, Δmэ=const, μ=const, Tж=const, μи=const, Tжи=const, γ=const, kст=const, Δmэг=const, ξ=const, w=const, λ=const.

Такая совокупность принимается за базовый исходный материал. Аналогично, любая случайно выбранная совокупность примененных фактических режимов и параметров технологического процесса может быть принята в качестве базовой технологии.

Полная контрольная серия.

Серия испытаний по изготовлению арматуры с зафиксированными характеристиками исходного сырья (БИМ) для одного заданного номинального диаметра d всего диапазона конкретных величин , Nhж и αс и их неповторяющихся сочетаний для всего диапазона конкретных величин технологических параметров и их неповторяющихся сочетаний с проведением комплексных замеров фактических геометрических характеристик, физико-механического состояния стержня по срезам и прочностных испытаний в соответствии с ГОСТ 31938-2012.

Полные производственные испытания.

Полные контрольные серии по изготовлению арматуры всех номинальных диаметров d.

Каждый контрольный прогон выполняется в несколько следующих этапов:

1 Этап. Подготовительный.

Перед запуском линии все расходные емкости жидких компонентов должны быть наполнены, ровингопитатели заправлены бобинами ровинга в количестве, необходимом для выбранного номера контрольного прогона (соответствующего номинального диаметра), уставки регулируемых параметров заданы в соответствии с выбранным вариантом сочетания в базовой технологии.

2 этап. Установочный.

После выхода на установившийся режим, когда стабилизируются температурные и силовые показатели, фиксируются фактические значения  параметров технологического процесса. Параметры, функционально зависящие от скорости протяжки и числа оборотов намотчика, рассчитываются заранее и также заносятся в «Журнал протоколов технологического регламента».

3 этап. Отбор проб.

Отбирают пробные отрезки арматуры для прочностных испытаний в количестве не менее 6 шт.

4 этап. Испытательный.

Производят внешний осмотр арматурных стержней и измерение геометрических размеров для контроля характеристик. Результаты замеров заносят в таблицу.

Этап 5. Аналитический.

После проведения прочностных испытаний результаты могут быть следующими:

  • одна или все характеристики отвечают требования ГОСТ. При этом, если они значительно выше нижнего предела, то делаются выводы об изменении конструкции стержня, параметров технологического процесса и/или увеличении скорости протяжки Vпр;
  • одна или все характеристики не отвечают требования ГОСТ. При этом анализируется, почему и какой параметр конструкции стержня или технологического процесса повлиял на это, делаются выводы об их изменении и/или уменьшении скорости протяжки Vпр.

ВЫВОДЫ

Проведение определительных испытаний с уровнем доверительной вероятности 95% (п. 7.13 ГОСТ 31938-2012) и минимальном числе объема выборки из партии Nвmin=6 в полном объеме возможно при наличии у производителя композитной арматуры:

  1. Лаборатории входного контроля качества исходного сырья или гарантии поставщиками компонентов стабильности их основных  (2-4) характеристик;
  2. Системы автоматизированного учета параметров технологического процесса по всем факторам влияния;
  3. Оборудования для контроля и фиксации результатов геометрических замеров арматурного стержня;
  4. Оборудования для контроля и фиксации результатов исследования степени полимеризации, поперечных и продольных шлиф-срезов арматурного стержня;
  5. Оборудования и/или возможности проведения прочностных испытаний, испытаний на щелочестойкость и на предельной температуру эксплуатации арматуры.

 

Пушкарев С.А., Муравьев Ю.Л., Лебедев А.Н., Самойлов С.Д., Тютин М.А.

Наверх
?>