Данное исследование финансируется Комитетом науки Министерства науки и высшего образования Республики Казахстан (грант № АР14870434).
Руководитель проекта: Тюканько В.Ю., к.т.н., PhD химии.
Исполнители проекта: Демьяненко А.В., к.т.н., доцент, Семенюк В.В., магистр технических наук, Алёшин Д.В., магистр естественных наук.
Сроки исполнения: 2022-2024 гг.
Цель: Увеличение ресурса эксплуатации емкостей для хранения жидких минеральных удобрений, путем: расчета конструкций и методов неразрушающего контроля (для полного выявления скрытых дефектов бочек).
Краткое описание проекта: В настоящее время фермеры Казахстана переходят на жидкие минеральные удобрения (ЖМУ). Для хранения и транспортировки ЖМУ используются пластиковые емкости, однако эксплуатируются они обычно до 5…10 лет (затем они растрескиваются). Данная проблема довольно остро встаёт в связи с тем, что в ЖМУ сейчас часто добавляются токсичные пестициды, которые при разрушении емкостей, попадают в почву и отравляют грунтовые воды. Растрескивание емкостей применяемых для хранения ЖМУ вызвано несколькими причинами: высокими напряжениями в их стенках (которые превышают допустимые, обеспечивающие длительную гидростатическую прочность) и дефектами технологии их получения. Данные дефекты (микропузырьки и термодеструкция материала) не могут быть выявлены визуально и поэтому требуется поиск неразрушающих методов контроля, обеспечивающих их обнаружение.
Актуальность проекта и связи с организацией-партнером: В городе Петропавловске Северо-Казахстанской области около 15 лет существует собственное производство емкостей для хранения жидких минеральных удобрений методом ротационного формования на базе ТОО «AVAGRO». Поэтому у данного прикладного Проекта существует реальный партнер, заинтересованный в решении заявленной Цели - ТОО «AVAGRO». ТОО «AVAGRO», производит только больших ёмкостей объемом от 2,5 до 12 кубических метров, около 1,5 тысяч в год.
Ожидаемые результаты: увеличение ресурса эксплуатации емкостей, для хранения жидких минеральных удобрений, изготовляемых организацией-партнером ТОО «AVAGRO».
Проделанная работа:
Проведен расчет на прочность емкости ЕП.10.00.003, испытывающей динамические нагрузки при перевозке удобрений по полю, при значениях влияющих параметров (толщина стенки, плотность среды и др.) согласно ТЗ.РПСН.000.00.003 в компьютерной программе Femap, работающей на основе метода конечных элементов (МКЭ). На основе расчета МКЭ максимальные напряжения в конструкции емкости ЕП.10.00.003 при всех изученных режимах движения локализованы в пяти местах – боковых стенках далее (БС), карманах верхних выступов (КВ), горловине (ГР), местах под врезание запорной арматуры (ЗА) и переходах от верхней части емкости к стенкам (далее ПВ). Наиболее нагруженным местом из пяти выявленных является - карманы верхних выступов (КВ), на втором месте располагается переход от верхней части емкости к стенкам (ПВ), на третьем месте горловина (ГР), на четвертом месте места под врезание запорной арматуры (ЗА) и на последнем – боковые стенки (БС). В результате расчетов установлено, что на максимальные напряжения во всех наиболее нагруженных местах в емкости оказывают влияние все изученные параметры. Однако, наиболее значимым параметром является плотность жидкости (ρ). Все изученные параметры по степени влияния на Р можно расположить в ряд (в порядке уменьшения): ρ > L > h > T > R. Исходя из результатов расчетов в программном комплексе Femap была предложена новая конструкция емкости, с оптимальным набором геометрических параметров.
Изучено влияние различных параметров на акустические характеристики ротационного полиэтилена. Были исследованы образцы трех марок ротационного полиэтилена (РЕ) (DOWLEX 2629UE (далее DOW), ELTEX HD3850UA (далее ELTEX) и M3504DXP (далее M350)) с тремя степенями спекания (недопек (ICS), нормальное спекание (NS), перепек (TDS)), тремя толщинами h (7.5мм, 8.5мм и 9.5мм) и четырьмя температурами Т (20°C; 40°C; 60°C; 80°C). Степень спекания для каждого образца характеризуется определенным значением PIAT, оС (для ELTEX и DOW: 170, 200, 235; для M350: 180, 210, 245). Скорость продольной ультразвуковой волны уменьшается с увеличением температуры РЕ (c 20 до 80 °C) на 22-27%, вне зависимости от толщины и марки пластика, а также cтепени качества спекания (ICS, NS, TDS). т.е., выявить статистически значимые отличия образцов, с разными степенями качества спекания по уменьшению скорости продольной ультразвуковой волны в процессе нагрева или охлаждения образцов невозможно. С увеличением PIAT затухание третьей гармоники донного сигнала (далее β) уменьшается. При температуре 20°С амплитудный коэффициент β для cтепени качества спекания «TDS» составляет 0.2±0.02 r.u.a., для «NS» 0.1±0.02 r.u.a. Доказана возможность определения степени качества спекания PE через анализ амплитуды третьей гармоники ультразвукового сигнала (β) с помощью зеркально-теневого метода. При низких температурах от 20 до 40°С степени качества спекания РЕ (NS, TDS, ICS) идентифицируются по β: для «NS» β = 0,1±0,02; для «TDS» β = 0,2±0,02; для «ICS» β = 0. На средних температурах от 40 до 60°С: для «NS» β = 0,05±0,002; для «TDS» β = 0,1±0,02; для «ICS» β = 0. На высоких температурах (60-80°С) третья гармоника не появляется. При таких температурах необходимо использовать амплитудный коэффициент шумов (NN), для «ICS» NN=0.75±0,02, «NS» NN=0.1±0,02 , «TDS» NN=0.05±0,02. Толщина и марка PE не влияют на возможность идентификации качества спекания через β и NN.
В результате испытаний β выбрана как наиболее информативная характеристика, способная выявить степени качества спекания с точность не менее 95%. Для нее выведены уравнения β = f(T, PIAT) для каждой марки РЕ и построены двухфакторные номограммы. Позволяющие быстро определить по полученному экспериментальному значению β, с учетом фактической температуры емкости, класс спекания «ICS», «NS», «TDS» конкретного изделия, без проведения сложных расчетов.
Испытания предлагаемого метода УЗК на территории ТОО «AVAGRO»
На основе ранее проведенных исследовательских работ по определению оптимальных технологических параметров ротационного формования проведена отработка технологии изготовления емкости ЕП.10.00.002, для хранения и перевозки жидких минеральных удобрений, на территории организации-партнера ТОО «AVAGRO». Отработка технологии включала в себя несколько этапов.
Разработана компьютерная программа для расчета ресурса эксплуатации емкостей для хранения жидких минеральных удобрений, в зависимости от плотности и температуры хранимых удобрений.
В качестве платформы для интегрированной разработки выбран IDE GameMaker Studio и специальный язык программирования GML. Выбор данного С-подобного языка обусловлен наличием множества готовых модулей и библиотек, позволяющих ускорить разработку приложений, поддержкой работы с файловой системой устройства, а также динамической типизацией. Среда GameMaker имеет модули компиляции GML кода на платформы Android, Windows, IOS, Linux без значительных изменений исходного кода. Структура компьютерной программы в виде десктоп-приложения для операционной системы Windows 7/8.1/10/11 включает четыре рабочих окна. Первое окно – стартовая навигационная страница для выбора трех режимов расчета. Вторая страница – специально окно, позволяющее рассчитать толщину стенки (мм) цилиндрической емкости в зависимости от заданных пользователем параметров: плотности хранимого жидкого минерального удобрения (г/см3), высоты емкости (м), наружного диаметра (м), рабочей температуры (°С), допускаемого гидростатического напряжения (МПа), обеспечивающего длительную гидростатическую прочность. Интерфейс третьей страницы включает построение графика долговечности цилиндрической емкости (в часах, до 1000000 (100 лет), в зависимости от напряжения, учитывая такие настраиваемые пользовательские параметры как плотность среды, высота емкости, диапазон толщин стенок (мм) с заданным шагом и диапазоном, наружный диаметр и рабочая температура хранимого удобрения. Четвертая страница представляет собой окно для определения толщины стенки и напряжения, учитывая необходимый гарантированный ресурс эксплуатации (долговечность) цилиндрической емкости. Точность расчетов обеспечивается благодаря интеграции в программный код формул из стандарта ASTM D 1998.
Статьи и патенты:
